Вопрос 109. Функциональная система, поддерживающая кислотно-щелочное равновесие

Фи­зио­ло­ги­че­ское зна­че­ние и по­ка­за­те­ли ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия

Зна­че­ние ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия

Зна­че­ние ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия оп­ре­де­ля­ет­ся пре­ж­де все­го тем, что бел­ки, бу­ду­чи ам­фо­тер­ны­ми со­еди­не­ния­ми, при из­ме­не­ни­ях ре­ак­ции сре­ды ме­ня­ют свою кон­фор­ма­цию; сле­до­ва­тель­но, из­ме­ня­ет­ся ак­тив­ность фер­мен­тов, функ­ция ре­цеп­то­ров (для гор­мо­нов, ме­диа­то­ров и т. п.), струк­ту­ра ион­ных ка­на­лов и так да­лее. В свя­зи с этим ре­ак­ция внут­рен­ней сре­ды, и в том чис­ле кро­ви, яв­ля­ет­ся од­ной из са­мых же­ст­ких кон­стант.

По­ка­за­тель ре­ак­ции сре­ды — pH

Ко­ли­че­ст­вен­ным по­ка­за­те­лем ре­ак­ции сре­ды яв­ля­ет­ся во­до­род­ный по­ка­за­тель pH, от­ра­жаю­щий кон­цен­тра­цию сво­бод­ных ио­нов во­до­ро­да. Точ­нее, pH ра­вен от­ри­ца­тель­но­му де­ся­тич­но­му ло­га­риф­му этой кон­цен­тра­ции:

pH = –lg [H⁺] (1).

На­при­мер, ес­ли кон­цен­тра­ция ио­нов во­до­ро­да рав­на 10^–8 моль/л, то pH=8.

В нор­ме pH ко­леб­лет­ся от 7,35 (для ар­те­ри­аль­ной кро­ви) до 7,4 (для ве­ноз­ной кро­ви). Пре­дель­ные зна­че­ния pH, со­вмес­ти­мые с жиз­нью, со­став­ля­ют 6,8—8,0.

От­кло­не­ние pH в кис­лую сто­ро­ну на­зы­ва­ет­ся аци­до­зом, в ще­лоч­ную — ал­ка­ло­зом. В кли­ни­ке об аци­до­зе или ал­ка­ло­зе го­во­рят не толь­ко при яв­ных сдви­гах pH, но так­же при та­ких из­ме­не­ни­ях в сис­те­мах ре­гу­ля­ции ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия, при ко­то­рых эти сдви­ги мо­гут на­сту­пить (см. ни­же, разд. «Клас­си­фи­ка­ция и ди­аг­но­сти­ка на­ру­ше­ний ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия»).

Сис­те­мы, под­дер­жи­ваю­щие по­сто­ян­ст­во pH

Об­щие све­де­ния

По­сто­ян­ст­во pH под­дер­жи­ва­ет­ся:

¾ бу­фер­ны­ми сис­те­ма­ми;

¾ вы­де­ли­тель­ны­ми сис­те­ма­ми — лег­ки­ми и поч­ка­ми.

Бу­фер­ные сис­те­мы сгла­жи­ва­ют рез­кие ко­ле­ба­ния pH при вне­зап­ном рез­ком уве­ли­че­нии со­дер­жа­ния кис­лых ли­бо ще­лоч­ных про­дук­тов в кро­ви, но не вы­во­дят эти про­дук­ты из ор­га­низ­ма. За вы­ве­де­ние же кис­лых и ще­лоч­ных про­дук­тов от­ве­ча­ют вы­де­ли­тель­ные сис­те­мы.

Бу­фер­ные сис­те­мы

Прин­цип ра­бо­ты бу­фер­ных сис­тем

Бу­фер­ные сис­те­мы — это та­кие хи­ми­че­ские сис­те­мы, pH ко­то­рых не из­ме­ня­ет­ся (точ­нее, ма­ло из­ме­ня­ет­ся) при до­бав­ле­нии не­ко­то­ро­го ко­ли­че­ст­ва ки­слот ли­бо ос­но­ва­ний.

Ком­по­нен­та­ми бу­фер­ных сис­тем яв­ля­ют­ся лю­бые ве­ще­ст­ва, спо­соб­ные срав­ни­тель­но проч­но, но об­ра­ти­мо свя­зы­вать про­то­ны:

H⁺ + Б^–  HБ. (2)

· Ес­ли к рас­тво­ру та­ко­го ве­ще­ст­ва до­ба­вить силь­ную (то есть лег­ко дис­со­ции­рую­щую с об­ра­зо­ва­ни­ем про­то­нов) ки­сло­ту, то рав­но­ве­сие сме­стит­ся в сто­ро­ну HБ:

H⁺ + Б^–  HБ, (3)

в ре­зуль­та­те про­то­ны бу­дут свя­за­ны, и pH (по­ка­за­тель кон­цен­тра­ции сво­бод­ных про­то­нов!) не из­ме­нит­ся.

· Ес­ли к рас­тво­ру та­ко­го ве­ще­ст­ва до­ба­вить ос­но­ва­ние (дис­со­ции­рую­щее с об­ра­зо­ва­ни­ем гид­ро­кси­ла OH^–), то рав­но­ве­сие, на­про­тив, сме­стит­ся в сто­ро­ну H⁺ + Б^–:

H⁺ + Б^–  HБ, (4)

в ре­зуль­та­те про­то­ны вы­сво­бо­дят­ся, ней­тра­ли­зу­ют ио­ны гид­ро­кси­ла:

H⁺ + OH^– = H₂O, (5)

и pH то­же не из­ме­нит­ся.

В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев бу­фер­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми яв­ля­ют­ся анио­ны сла­бых ки­слот, то есть пло­хо дис­со­ции­рую­щих ки­слот, в ко­то­рых про­то­ны свя­за­ны проч­но, хо­тя и об­ра­ти­мо. Бу­фер­ные сис­те­мы, как пра­ви­ло, со­сто­ят из сла­бой ки­сло­ты и ее со­ли с силь­ным ос­но­ва­ни­ем (то есть ее анио­на в со­ста­ве лег­ко дис­со­ции­рую­ще­го ве­ще­ст­ва):

¾ при до­бав­ле­нии к та­кой сис­те­ме ки­сло­ты ани­он со­ли свя­зы­ва­ет про­то­ны;

¾ при до­бав­ле­нии к та­кой сис­те­ме ос­но­ва­ния ки­сло­та вы­сво­бо­ж­да­ет про­то­ны.

Ко­ли­че­ст­вен­но бу­фер­ная сис­те­ма ха­рак­те­ри­зу­ет­ся бу­фер­ной ем­ко­стью. Этот по­ка­за­тель от­ра­жа­ет, ка­кое ко­ли­че­ст­во ки­сло­ты или ще­ло­чи на­до до­ба­вить к бу­фер­ной сис­те­ме, что­бы pH рас­тво­ра из­ме­нил­ся на 1.

pH бу­фер­ной сис­те­мы оп­ре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем бу­фер­ных ком­по­нен­тов (ки­сло­ты и со­ли). Ес­ли это со­от­но­ше­ние не ме­ня­ет­ся (на­при­мер, оба ком­по­нен­та воз­рас­та­ют в оди­на­ко­вой сте­пе­ни), то не ме­ня­ет­ся и pH бу­фер­ной сис­те­мы.

Бу­фер­ные сис­те­мы ор­га­низ­ма

В ор­га­низ­ме су­ще­ст­ву­ют че­ты­ре бу­фер­ные сис­те­мы:

¾ би­кар­бо­нат­ный бу­фер;

¾ фос­фат­ный бу­фер;

¾ бел­ко­вый бу­фер;

¾ ге­мо­гло­би­но­вый бу­фер (яв­ляю­щий­ся, ра­зу­ме­ет­ся, ча­стью бел­ко­во­го бу­фе­ра, но вы­де­ляе­мый от­дель­но в свя­зи с осо­бой ло­ка­ли­за­ци­ей — внут­ри эрит­ро­ци­тов — и осо­бой функ­ци­ей, см. ни­же, разд. «Ге­мо­гло­би­но­вый бу­фер»).

Би­кар­бо­нат­ный бу­фер

Этот бу­фер об­ра­зо­ван уголь­ной ки­сло­той и ее на­трие­вой со­лью (Na⁺ — глав­ный вне­кле­точ­ный ка­ти­он), то есть би­кар­бо­на­том на­трия: H₂CO₃ + NaHCO₃.

· При до­бав­ле­нии к би­кар­бо­нат­но­му бу­фе­ру ки­сло­ты про­то­ны свя­зы­ва­ют­ся с би­кар­бо­на­том:

H⁺ + HCO₃^–  H₂CO₃, (6)

в ре­зуль­та­те вме­сто силь­ной ки­сло­ты об­ра­зу­ет­ся сла­бая (пло­хо дис­со­ции­рую­щая) уголь­ная ки­сло­та, и pH ме­ня­ет­ся ма­ло.

· При до­бав­ле­нии к би­кар­бо­нат­но­му бу­фе­ру ос­но­ва­ния про­то­ны вы­сво­бо­ж­да­ют­ся уголь­ной ки­сло­той и ней­тра­ли­зу­ют гид­ро­ксил:

OH^– + H₂CO₃  OH^– + H⁺ + HCO₃^–  H₂O + HCO₃^–, (7)

в ре­зуль­та­те вме­сто ос­но­ва­ния об­ра­зу­ет­ся соль, и pH так­же ме­ня­ет­ся ма­ло.

Би­кар­бо­нат­ный бу­фер — не са­мый мощ­ный бу­фер ор­га­низ­ма, по бу­фер­ной ем­ко­сти он су­ще­ст­вен­но ус­ту­па­ет, в ча­ст­но­сти, ге­мо­гло­би­но­во­му. Од­на­ко он иг­ра­ет са­мую боль­шую фи­зио­ло­ги­че­скую роль в свя­зи со сле­дую­щи­ми мо­мен­та­ми:

¾ это глав­ный бу­фер плаз­мы(фос­фат­ный, бел­ко­вый и ге­мо­гло­би­но­вый — это пре­иму­ще­ст­вен­но внут­ри­кле­точ­ные бу­фе­ры, а фос­фат­ный бу­фер — еще и важ­ный бу­фер мо­чи);

¾ со­дер­жа­ние обо­их его ком­по­нен­тов — уголь­ной ки­сло­ты и би­кар­бо­на­та — не­по­сред­ст­вен­но ре­гу­ли­ру­ет­ся сис­те­ма­ми вы­де­ле­ния: поч­ки вы­во­дят би­кар­бо­нат, а лег­кие — уг­ле­кис­лый газ, об­ра­зую­щий­ся при рас­па­де уголь­ной ки­сло­ты (см. ни­же).

Фос­фат­ный бу­фер

Этот бу­фер об­ра­зо­ван од­но- и дву­за­ме­щен­ной со­ля­ми фос­фор­ной ки­сло­ты: HPO₄^2– + H₂PO₄^–

· При до­бав­ле­нии к фос­фат­но­му бу­фе­ру ки­сло­ты про­то­ны свя­зы­ва­ют­ся с од­но­за­ме­щен­ной со­лью:

H⁺ + HPO₄^2– = H₂PO₄. (8)

· При до­бав­ле­нии к фос­фат­но­му бу­фе­ру ос­но­ва­ния про­то­ны вы­сво­бо­ж­да­ют­ся дву­за­ме­щен­ной со­лью и ней­тра­ли­зу­ют гид­ро­ксил:

OH^– + H₂PO₄^– = OH^– + H⁺ + HPO₄^2– = H₂O + HPO₄^2–. (9)

Фос­фат­ный бу­фер вы­пол­ня­ет сле­дую­щие функ­ции:

¾ это важ­ней­ший бу­фер мо­чи (гл. 15);

¾ это один из внут­ри­кле­точ­ных бу­фе­ров.

В плаз­ме его роль не­ве­ли­ка.

Бел­ко­вый бу­фер

Бу­фер­ные свой­ст­ва бел­ков обу­слов­ле­ны на­ли­чи­ем у ами­но­кис­лот групп, спо­соб­ных об­ра­ти­мо свя­зы­вать про­то­ны. Бел­ко­вый бу­фер — глав­ный внут­ри­кле­точ­ный бу­фер. Оп­ре­де­лен­ную бу­фер­ную роль иг­ра­ют и бел­ки плаз­мы.

Ге­мо­гло­би­но­вый бу­фер

Бу­фер­ные свой­ст­ва ге­мо­гло­би­на обу­слов­ле­ны его бел­ко­вой ча­стью (гло­би­ном), в ко­то­рой, как и в дру­гих бел­ках, име­ют­ся груп­пы, спо­соб­ные об­ра­ти­мо свя­зы­вать про­то­ны. Боль­шая роль ге­мо­гло­би­но­во­го бу­фе­ра, бла­го­да­ря ко­то­рой его вы­де­ля­ют как от­дель­ную бу­фер­ную сис­те­му, обу­слов­ле­на сле­дую­щи­ми мо­мен­та­ми:

¾ это са­мый мощ­ный бу­фер ор­га­низ­ма;

¾ это един­ст­вен­ный бу­фер эрит­ро­ци­тов;

¾ его бу­фер­ная ем­кость за­ви­сит от то­го, в ка­кой ме­ре ге­мо­гло­бин на­сы­щен ки­сло­ро­дом (гл. 10).

Вы­де­ли­тель­ные сис­те­мы

Да­же в нор­ме ор­га­низм по­сто­ян­но под­вер­га­ет­ся воз­дей­ст­ви­ям, стре­мя­щим­ся на­ру­шить ки­слот­но-ще­лоч­ное рав­но­ве­сие.

· В про­цес­се ме­та­бо­лиз­ма вы­ра­ба­ты­ва­ют­ся кис­лые ве­ще­ст­ва, пре­ж­де все­го — CO₂, но так­же дру­гие, не­ле­ту­чие ки­сло­ты (см. ни­же, разд. «Под­дер­жа­ние pH в нор­ме и при па­то­ло­гии»).

· В ЖКТ:

¾ вса­сы­ва­ют­ся кис­лые и ще­лоч­ные ве­ще­ст­ва (ком­по­нен­ты пи­щи, ле­кар­ст­вен­ные сред­ст­ва и пр.);

¾ сек­ре­ти­ру­ют­ся в про­свет же­луд­ка и ки­шеч­ни­ка кис­лые (со­ля­ная ки­сло­та в же­луд­ке) и ще­лоч­ные (би­кар­бо­на­ты в ки­шеч­ни­ке) ве­ще­ст­ва (гл. 12); при сек­ре­ции со­ля­ной ки­сло­ты в кро­ви ос­та­ют­ся ще­лоч­ные ве­ще­ст­ва, при сек­ре­ции би­кар­бо­на­тов — кис­лые.

Бу­фер­ные сис­те­мы не мо­гут вы­во­дить все эти ве­ще­ст­ва из ор­га­низ­ма; они мо­гут лишь вре­мен­но сгла­жи­вать вы­зван­ные эти­ми ве­ще­ст­ва­ми из­ме­не­ния pH. В то же вре­мя кис­лые и ще­лоч­ные ве­ще­ст­ва долж­ны бы­ст­ро вы­во­дить­ся в та­ком же ко­ли­че­ст­ве, в ко­то­ром они по­сту­па­ют в кровь. Эту функ­цию вы­пол­ня­ют вы­де­ли­тель­ные сис­те­мы — лег­кие и поч­ки:

¾ лег­кие вы­во­дят ле­ту­чие ве­ще­ст­ва, пре­ж­де все­го — CO₂;

¾ поч­ки вы­во­дят не­ле­ту­чие ве­ще­ст­ва, пре­ж­де все­го, как мы уви­дим ни­же — би­кар­бо­нат.

Под­дер­жа­ние pH в нор­ме и при па­то­ло­гии

Нор­ма

В нор­ме за­да­ча вы­де­ли­тель­ных сис­тем — уда­лять кис­лые и ще­лоч­ные ве­ще­ст­ва с та­кой же ско­ро­стью, с ка­кой они по­сту­па­ют в кровь. Рас­смот­рим обыч­ное су­точ­ное по­сту­п­ле­ние и вы­ве­де­ние кис­лых и ще­лоч­ных ве­ществ.

· По­дав­ляю­щая часть кис­лых ве­ществ при­хо­дит­ся на CO₂ — глав­ный про­дукт рас­па­да всех ве­ществ (бел­ков, ли­пи­дов, уг­ле­во­дов, нук­леи­но­вых ки­слот). Бу­ду­чи ле­ту­чим со­еди­не­ни­ем, CO₂ уда­ля­ет­ся лег­ки­ми.

· Не­боль­шое ко­ли­че­ст­во не­ле­ту­чих ки­слот (в 200—300 раз мень­ше, чем CO₂) об­ра­зу­ет­ся в про­цес­се ме­та­бо­лиз­ма (про­дук­ты окис­ле­ния се­ро­со­дер­жа­щих и фос­фор­со­дер­жа­щих ами­но­кис­лот— сер­ная и фос­фор­ная ки­сло­ты; про­дукт рас­па­да нук­леи­но­вых ки­слот — мо­че­вая ки­сло­та; в оп­ре­де­лен­ных ус­ло­ви­ях — мо­лоч­ная ки­сло­та, ке­то­но­вые те­ла и пр.; гл. 11). Еще мень­шее ко­ли­че­ст­во не­ле­ту­чих кис­лых ве­ществ (ино­гда, в за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра пи­та­ния, ще­лоч­ных) по­сту­па­ет из ЖКТ. Все не­ле­ту­чие ки­сло­ты сна­ча­ла реа­ги­ру­ют в кро­ви с би­кар­бо­на­том; за­тем они уда­ля­ют­ся поч­ка­ми, а кон­цен­тра­ция би­кар­бо­на­та в кро­ви при этом вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся (гл. 15).

Та­ким об­ра­зом, в нор­ме вы­де­ли­тель­ные сис­те­мы под­дер­жи­ва­ют на по­сто­ян­ном уров­не кон­цен­тра­ции обо­их ком­по­нен­тов би­кар­бо­нат­но­го бу­фе­ра — H₂CO₃ (пу­тем под­дер­жа­ния по­сто­ян­ст­ва CO₂) и NaHCO₃.

На­ру­ше­ния ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия

В слу­чае, ес­ли ка­кая-то из вы­де­ли­тель­ных сис­тем (лег­кие ли­бо поч­ки) не справ­ля­ет­ся с вы­ве­де­ни­ем кис­лых или ще­лоч­ных ве­ществ ли­бо, на­про­тив, вы­во­дит их в из­быт­ке, прин­цип ре­гу­ля­ции ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия ста­но­вит­ся иным: ес­ли нет воз­мож­но­сти вы­вес­ти из­бы­ток ка­ко­го-ли­бо ве­ще­ст­ва (ки­сло­ты или ще­ло­чи), то в ор­га­низ­ме за­дер­жи­ва­ет­ся про­ти­во­по­лож­ное ве­ще­ст­во (ще­лочь или ки­сло­та) (и на­обо­рот, ес­ли в из­быт­ке те­ря­ет­ся ка­кое-то ве­ще­ст­во, то уси­лен­но вы­во­дит­ся и про­ти­во­по­лож­ное ве­ще­ст­во).

Пред­ста­вим се­бе, на­при­мер, что воз­ник­ло на­ру­ше­ние ды­ха­ния — сни­зи­лось вы­де­ле­ние лег­ки­ми CO₂, и это со­еди­не­ние на­ка­п­ли­ва­ет­ся в кро­ви. В от­вет на это поч­ки умень­ша­ют вы­де­ле­ние би­кар­бо­на­та. В ре­зуль­та­те на­рас­та­ет со­дер­жа­ние в кро­ви од­но­вре­мен­но и CO₂, и HCO₃,^– а, как мы уже зна­ем, ес­ли со­от­но­ше­ние ме­ж­ду кон­цен­тра­ция­ми бу­фер­ных ком­по­нен­тов не ме­ня­ет­ся, то не ме­ня­ет­ся и pH.

Ины­ми сло­ва­ми, при на­ру­ше­ни­ях в дея­тель­но­сти од­ной из вы­де­ли­тель­ных сис­тем за­да­ча вто­рой вы­де­ли­тель­ной сис­те­мы за­клю­ча­ет­ся в том, что­бы под­дер­жи­вать на по­сто­ян­ном уров­не не аб­со­лют­ные кон­цен­тра­ции ком­по­нен­тов би­кар­бо­нат­но­го бу­фе­ра, а со­от­но­ше­ние ме­ж­ду эти­ми кон­цен­тра­ция­ми.

Та­ким об­ра­зом, при на­ру­ше­ни­ях ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия име­ют­ся от­кло­не­ния двух ти­пов:

¾ пер­вич­ное, обу­слов­лен­ное на­ру­ше­ни­ем вы­ве­де­ния ка­ко­го-ли­бо из ком­по­нен­тов би­кар­бо­нат­но­го бу­фе­ра од­ной из вы­де­ли­тель­ных сис­тем (лег­ки­ми или поч­ка­ми);

¾ ком­пен­са­тор­ное — за­держ­ка или уси­лен­ное вы­ве­де­ние дру­го­го ком­по­нен­та вто­рой вы­де­ли­тель­ной сис­те­мой;

при­чем от­кло­не­ния эти од­но­на­прав­лен­ные: пер­вич­ное на­ко­п­ле­ние CO₂ при­ве­дет к ком­пен­са­тор­но­му на­ко­п­ле­нию HCO₃^–, пер­вич­ная по­те­ря HCO₃^–, при­ве­дет к ком­пен­са­тор­но­му уси­лен­но­му вы­ве­де­нию CO₂ и т. п.¹

¹ Здесь речь идет о про­стых сдви­гах ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия, ко­гда име­ет­ся толь­ко од­но пер­вич­ное на­ру­ше­ние (на­при­мер, сни­же­ние ле­гоч­ной вен­ти­ля­ции). Ес­ли име­ет­ся од­но­вре­мен­но не­сколь­ко на­ру­ше­ний (на­при­мер, ле­гоч­ной вен­ти­ля­ции и функ­ции по­чек), то кар­ти­на су­ще­ст­вен­но слож­нее.