Химические буферные системы

Тема: Патофизиология кислотно-основного состояния

Введение

Кислотно-основное состояние (КОС) –соотношение между концентрациями ионов водорода (Н+) и гидроксильных ионов (ОН-) в биологических средах организма.

Нарушение кислотно-основного состояния может осложнять течение многих заболеваний, являясь следствием изменений газового состава крови, метаболических расстройств, которые возникают, например, при недостаточности дыхания, кровообращения, при заболеваниях печени, почек, эндокринных органов и др.

Для оценки характера изменений КОС принято оценивать концентрацию ионов Н+ в артериальной крови, т.е. определять рН крови.

Водородный показатель рН (англ. power Hydrogen – «сила водорода») – это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (Н+) в растворе. Так, например, если рН=7,0 – это означает, что концентрация ионов Н+ равна 1/10 000 000 (10^-7) эквивалента в литре (рН =7,0 – точка нейтральности). Растворы с высокой концентрацией ионов Н+ – кислые (рН < 7), а с низкой концентрацией ионов Н+ – щелочные (рН > 7).

рН крови – одна из самых жестких физиологических констант. В норме в артериальной крови человека рН= 7,35 -7,45, т.е. она слегка щелочная. Если рН падает ниже нормы (рН < 7,35), то возникает ацидемия (ацидоз). Если рН поднимается выше нормы (рН > 7,45), то возникает алкалемия (алкалоз).

Ацидоз – любой процесс, который снижает рН крови, тогда как алкалоз – любой процесс, который повышает рН крови.

Сдвиг рН на 0,1 по сравнению с физиологической нормой способен привести к тяжелой патологии (например, нарушение дыхательной, сердечно-сосудистой систем). При сдвиге рН крови на 0,2 развивается коматозное состояние, на 0,3 – организм гибнет.

При существенных сдвигах рН в ту или иную сторону нарушаются функции клеток, прежде всего работа их многочисленных ферментных систем, изменяются направленность и интенсивность окислительно-восстановительных процессов. Изменяется водно-электролитный баланс, увеличивается проницаемость клеточных мембран и др.

Таким образом, для эффективного протекания процессов жизнедеятельности концентрация ионов Н+ должна находиться в жестких пределах. В противном случае нарушение этих процессов неминуемо приведёт к смерти.

Для поддержания концентрации ионов Н+ и соответственно рН в организме существуют специальные системы – это химические буферные системы и физиологические механизмы регуляции КОС.

 

Механизмы регуляции КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ

В норме в организме образуется почти в 20 раз больше кислых продуктов, чем щелочных. В связи с этим доминируют системы, обеспечивающие нейтрализацию, экскрецию и секрецию избытка соединений с кислыми свойствами. К этим системам относятся:

• химические буферные системы;

• физиологические механизмы регуляции КОС (органы дыхания, почки, печень, поджелудочная железа, желудок).

Химические буферные системы.

Химические буферные системы представлены, в основном, гидрокарбонатным, фосфатным, белковым и гемоглобиновым буферами. Буферные системы начинают действовать сразу же при увеличении или снижении концентрации ионов Н+ во внеклеточной жидкости и способны устранить умеренные сдвиги КОС в течение 10-40 секунд. Ёмкость и эффективность буферных систем крови весьма высока (табл. 1).

Буфер – это вещество, которое либо связывает, либо выделяет ионы Н+ в зависимости от концентрации Н+ в окружающей среде. Поэтому буфер препятствует большим изменениям концентрации ионов Н+.

Буферная ёмкость – величина, равная соотношению между количеством ионов Н+ (или ОН-), добавленных в раствор, и изменением рН.

Принцип действия химических буферных систем заключается в трансформации сильных кислот и сильных оснований в слабые.

Табл. 1. Относительная ёмкость буферов крови

Буферная ёмкость крови	Общая	Плазма	Эритроциты
Общая ёмкость	100 %	43 %	57 %
Гидрокарбонатный Гемоглобиновый Белковый Фосфатный	53 % 35 % 7 % 5 %	35 % - 7 % 1 %	18 % 35 % - 4 %

 

Гидрокарбонатная буферная система (бикарбонатная) – основной буфер крови и межклеточной жидкости. Гидрокарбонатный буфер – система открытого типа, она ассоциирована с функцией внешнего дыхания и почек (табл. 2).

Гидрокарбонатная буферная система представлена угольной кислотой (Н2СО3) и гидрокарбонатом натрия (калия), имеющим общий ион НСО3-. Этот ион в основном образуется при диссоциации гидрокарбоната и подавляет диссоциацию слабой угольной кислоты, которая легко диссоциирует:

 

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3-

 

В норме соотношение «угольная кислота (Н2СО3)/гидрокарбонат (НСО3-)» поддерживается приблизительно на уровне 1:20. Это соотношение поддерживает рН на уровне 7,4.

Механизм действия гидрокарбонатной буферной системы заключается в следующем. При поступлении избытка кислот (ионы Н+) они нейтрализуются щелочным компонентом буфера (НСО3-) с образованием слабой угольной кислоты.

Образовавшийся затем углекислый газ (СО2) возбуждает дыхательный центр, и избыток СО2 удаляется из крови с выдыхаемым воздухом.

Гидрокарбонатный буфер способен нейтрализовать и избыток оснований, которые будут связаны углекислотой (Н2СО3) с образованием и последующим выделением гидрокарбоната натрия (NaНСО3) почками.

В результате рН изменяется незначительно. Эффективность гидрокарбонатной буферной системы более высокая, если рН ниже нормы, т.е. имеется ацидотический сдвиг.

 

Табл. 2. Начальные сдвиги и компенсаторные реакции при нарушениях КОС

Нарушение КОС	Начальный сдвиг КОС	Реакция компенсации
Газовый ацидоз Газовый алкалоз Негазовый ацидоз Негазовый алкалоз	↓рН,  ↑рСО2 ↑рН,  ↓рСО2 ↓рН,  ↓НСО3- ↑рН,  ↑НСО3-	↑НСО3- ↓НСО3- ↓рСО2 ↑рСО2

 

Фосфатная буферная система играет существенную роль в регуляции КОС внутри клеток, особенно – канальцев почек. Это обусловлено более высокой концентрацией фосфатов в клетках по сравнению с внеклеточной жидкостью.

Фосфатный буфер состоит из двух компонентов: роль кислоты выполняет дигидрофосфат натрия (NaH2PO4),роль основания– гидрофосфат натрия ( Na2HPO4). Принцип действия фосфатного буфера аналогичен гидрокарбонатному. Этот буфер имеет большое значение в почечной регуляции КОС.

Белковая буферная система – главный внутриклеточный буфер. На его долю приходится примерно три четверти (75%) буферной ёмкости внутриклеточной жидкости.

Белковая буферная система способна проявлять свои свойства за счёт амфотерности белков, которые в одном случае реагируют со щелочами как кислоты (с образованием щелочных альбуминов), а в другом – с кислотами как щелочи (с образованием кислых альбуминов). В схематическом виде эту закономерность можно проиллюстрировать следующим образом:

 

 

Гемоглобиновая буферная система – наиболее ёмкий буфер крови. Гемоглобиновый буфер состоит из кислого компонента – оксигенированного гемоглобина (HbО2) и основного – деоксигенированного гемоглобина (Hb).

  Карбонаты костной ткани функционируют как депо для буферных систем организма. В костях содержится большое количество солей угольной кислоты: карбонаты Na+, К+, Cа2+, Mg2+  (могут обмениваться на ионы Н+, компенсируя ацидоз). При быстром увеличении содержания кислот (например, при острой сердечной, дыхательной или почечной недостаточности и др. состояниях) костная ткань может обеспечить до 30-40 % буферной ёмкости.