Понятие кислотно-основного состояния. Печень выполняет и экскреторную функцию, выделяя из организма соли желчных кислот, билирубин, холестерин, жирные кислоты, лецитин, кальций, хлор, натрий, бикарбонаты Основные принципы регуляции КОС
Гомеостаз – одно из основных свойств живого сохранять относительное динамическое
постоянство внутренней среды т.е. химического состава, осмотического
давления, устойчивости основных физиологических функций.
Это способность организма поддерживать относительное постоянство внутренней среды (крови, лимфы, межклеточной жидкости).
Организм человека приспосабливается к постоянно меняющимся условиям внешней среды, однако при этом внутренняя среда остается постоянной и ее показатели колеблются в очень узких границах. Поэтому человек может жить в различных условиях окружающей среды. Некоторые физиологические параметры регулируются особенно тщательно и тонко, например температура тела, артериальное давление, содержание глюкозы, газов, солей, ионов кальция в крови, кислотно-щелочное равновесие, объем крови, ее осмотическое давление, аппетит многие другие. Регуляция осуществляется по принципу отрицательной обратной связи между рецепторами, улавливающими изменения указанных показателей и управляющих системами. Так, уменьшение одного из параметров улавливается соответствующим рецептором, от которого импульсы направляются в ту или иную структуру мозга, по команде которого вегетативная нервная система включает сложные механизмы выравнивания наступивших изменений. Мозг использует для поддержания гомеостаза две основные системы: вегетативную и эндокринную.
Одним из важнейших физико-химических параметров внутренней среды является кислотно-щелочное равновесие .
Количественная реакция крови характеризующая водородный показатель (рН) – отрицательный десятичный логарифм концентрации водородов и ионов.
Большинство растворов в организме – буферные растворы, у которых рН не меняется от добавления к ним небольших количеств сильной кислоты или щёлочи.
Тканевая жидкость, кровь, моча и другие жидкости – буферные растворы.
рН показатель жидкостей организма хорошо демонстрирует на сколько усваивается Na, Mg, Ca, K. Эти 4 компонента регулируют кислотность организма. Если кислотность высокая начинается заимствование веществ из других органов и полостей. Для осуществления всех функций живых структур на всех уровнях от молекулярных систем до органов необходима слабощелочная среда (рН 7,4).
Даже самое незначительное отклонение от нормального значения может стать причиной патологии.
рН меняется: в кислую – ацидоз
в щелочную – алкалоз
Сдвиг на 0,1 может привести к нарушению деятельности среда, а на 0,3 – опасен для жизни.
Нормы рН крови и других внутренних жидкостей. Метаболизм и метаболиты.
Нормы для внутренних жидкостей:
Артериальная кровь 7,35 – 7,45
Венозная кровь 7,26 – 7,36
Лимфа 7,35 – 7,40
Межклеточная жидкость 7,26 – 7,38
рН мочи 5-7 (кислотность меняется от принимаемой пищи и физических нагрузок.Щёлочность мочи – растительная пища; кислотность мочи – мясо, физические нагрузки).
Отклонения и нормы:
- Кислая реакция жидкости
Голодание, повышение температуры тела, сахарный диабет, нарушение функции почек, тяжёлая физическая работа.
- Щелочная реакция
Воспаление мочевого пузыря, диета бедная мясными продуктами, избыток минеральной воды, попадание крови в мочу.
Любой организм характеризуется совокупностью показателей, с помощью которых оценивается физико-химические свойства внутренней среды, кроме рН оценивающаяся обратным десятичным логарифмом р и р , а также ударный объём сердца, частота сердечных сокращений, артериальное давление, скорость кровотока, сопротивляемость периферических сосудов, минутный объём дыхания и др. Совокупность этих показателей характеризует функциональный уровень организма.
Метаболизм – совокупность химических реакций протекающих в живых клетках и
обеспечивающих организм веществами и энергией для основного обмена.
Метаболиты – продукты внутриклеточного обмена, которые подлежат окончательному выведению из организма.
Кислотно-основное состояние - один из важнейших физико-химических параметров внутренней среды организма. В организме здорового человека ежедневно в процессе обмена веществ постоянно образуются кислоты - около 20000 ммоль угольной (Н 2 С0 3) и 80 ммоль сильных кислот, однако концентрация Н+ колеблется в относительно узком диапазоне. В норме рН внеклеточной жидкости составляет 7,35-7,45 (45-35 нмоль/л), а внутриклеточной жидкости - в среднем 6,9. Вместе с тем, следует отметить, что концентрация Н+ внутри клетки неоднородна: она различна в органеллах одной и той же клетки.
Н+ до такой степени реакционно способны, что даже кратковременное изменение их концентрации в клетке способно существенно отразиться на активности ферментных систем и физиологических процессах, однако, в норме мгновенно включаются буферные системы, защищающие клетку от неблагоприятных колебаний рН. Буферная система может связать, или, наоборот, освободить Н+ сразу же в ответ на изменение кислотности внутриклеточной жидкости. Буферные системы действуют и на уровне организма в целом, но в конечном счете регуляции рН организма определяется функционированием легких и почек.
Итак, что же такое кислотно-основное состояние (син.: кислотно-щелочное равновесие; кислотно-щелочное состояние; кислотно-основное равновесие; кислотно-основной гомеостаз)? Это относительное постоянство водородного показателя (рН) внутренней среды организма, обусловленное совместным действием буферных и некоторых физиологических систем организма.
Кислотно-щелочное равновесие - относительное постоянство водородного показателя (рН) внутренней страны организма, обусловленное совместным действием буферных и некоторых физиологических систем, определяющее полноценность метаболических превращений в клетках организма (Большая медицинская энциклопедия, т. 10, с. 336).
От соотношения водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде организма зависит:
1) активность ферментов и интенсивность окислительно-восстановительных реакций;
2) процессы гидролиза и синтеза белка, гликолиз и окисление углеводов и жиров;
3) чувствительность рецепторов к медиаторам;
4) проницаемость мембран;
5) способность гемоглобина связывать кислород и отдавать его тканям;
6) физико-химические характеристики коллоидов и межклеточных структур: степень их дисперсности, гидрофилии, способность к адсорбции;
7) функции различных органов и систем.
Соотношение Н+ и ОН- в биологических средах зависит от содержания в жидкостях организма кислот (доноров протонов) и буферных оснований (акцепторов протонов). Активная реакция среды оценивается по одному из ионов (Н+ или ОН-), чаще всего по Н+. Содержание Н+ в организме зависит от образования их в ходе обмена белков, жиров и углеводов, а также поступления их в организм или выведения из него в виде нелетучих кислот или углекислого газа.
Величина рН, характеризующая состояние КОС, является одним из самых «жестких» параметров крови и колеблется у человека в очень узких пределах: от 7,35 до 7,45. Сдвиг рН на 0,1 за указанные границы обусловливает выраженные нарушения со стороны дыхания, сердечно-сосудистой системы и др., снижение рН на 0,3 вызывает ацидотическую кому, а сдвиг рН на 0,4 часто несовместим с жизнью.
Обмен кислот и оснований в организме тесно связан с обменом воды и электролитов. Все эти виды обмена объединены законом электронейтральности, изоосмолярности и гомеосгатическими физиологическими механизмами.
Общее количество катионов плазмы составляет 155 ммоль/л (Na+ -142 ммоль/л; К+ - 5 ммоль/л; Са2+ - 2,5 ммоль/л; Mg2+ - 0,5 ммоль/л; прочие элементы - 1.5 ммоль/л) и столько же содержится анионов (103 ммоль/л - слабое основание Cl-; 27 ммоль/ л - сильное основание НС03-; 7,5-9 ммоль/л - анионы белка; 1,5 ммоль/л - фосфатанионы; 0,5 ммоль/л -сульфатанионы; 5 ммоль/л - органические кислоты). Поскольку содержание Н+ в плазме не превышает 40х 106 ммоль/л, а главные буферные основания плазмы НСО3-, и анионы белка составляют около 42 ммоль/л, то кровь считается хорошо забуференной средой и обладает слабощелочной реакцией.
Анионы белка и НСО3- тесно связаны с обменом электролитов и КОС. В этой связи правильная трактовка изменений их концентрации имеет определяющее значение для оценки процессов, происходящих в сфере обмена электролитов, воды и Н+. КОС поддерживается буферными системами крови и тканей и физиологическими регуляторными механизмами, в которых участвуют легкие, почки, печень, желудочно-кишечный тракт.
Физико-химические гомеостатические механизмы
К физико-химическим гомеостатическим механизмам относятся буферные системы крови и тканей и, в частности, карбонатная буферная система. При воздействии на организм возмущающих факторов (кислоты, щелочи) поддержание кислотнощелочного гомеостаза обеспечивается, в первую очередь, карбонатной буферной системой, состоящей из слабой угольной кислоты (Н 2 СОз) и натриевой соли ее аниона (NaHCO3) в соотношении 1:20. При контакте этого буфера с кислотами, последние нейтрализуются щелочным компонентом буфера с образованием слабой угольной кислоты: NaHC03 + НСl > NaCl + H2C03
Угольная кислота дисоциирует на СО2 и Н20. Образовавшийся СО2 возбуждает дыхательный центр, и избыток углекислого газа удаляется из крови с выдыхаемым воздухом. Карбонатный буфер способен нейтрализовать и избыток оснований путем связывания угольной кислотой с образованием NaHCO3 и последующим его выведением почками:
NaOH + Н2С03 > NaHCO+Н20.
Удельный вес карбонатного буфера невелик и составляет 7-9% общей буферной емкости крови, тем не менее этот буфер занимает центральное по своей значимости место в буферной системе крови, поскольку первым контактируете возмущающими факторами и тесно связан с другими буферными системами и физиологическими регуляторными механизмами. Следовательно, карбонатная буферная система является чувствительным индикатором КОС, поэтому определение ее компонентов широко используется для диагностики расстройств КОС.
Второй буферной системой плазмы крови является фосфатный буфер, образованный одноосновными (слабые кислоты) и двухосновными (сильные основания) фосфатными солями: NaH2P04 и Na2HP04 в соотношении 1:4. Фосфатный буфер действует аналогично карбонатному буферу. Стабилизирующая роль фосфатного буфера в крови незначительна; гораздо большее значение он играет в почечной регуляции кислотно-щелочного гомеостаза, а также в регуляции активной реакции некоторых тканей. Фосфатному буферу в крови отводится важная роль в поддержании КЩР и воспроизводству бикарбонатного буфера:
Н2СОз + Na2HPO4 > NaHC03 + NaH2PO 4 т.е. избыток Н2С03 устраняется, а концентрация NaHC03 увеличивается, и соотношение H2C03/NaHC03 остается постоянным 1:20.
Третьей буферной системы крови являются белки, буферные свойства которых определяются их амфотерпостью. Они могут дисоциировать, образуя как Н+ так и ОН-. Однако буферная емкость белков плазмы по сравнению с бикарбонатами невелика. Наибольшая буферная емкость крови (до 75%) приходится на гемоглобин. Гистидин, входящий в состав гемоглобина, содержит как кислые (СООН), так и основные (NH2) группы.
Буферные свойства гемоглобина обусловлены возможностью взаимодействия кислот с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калиевой соли и свободного гемоглобина, обладающего свойствами очень слабой органической кислоты. Таким образом могут связываться большие количества H+. Способность связывать Н+ у солей НЬ выражена сильнее, чем у солей оксигемоглобина (НЬО2). Иными словами - гемоглобин является более слабой органической кислотой, чем оксигемоглобин. В этой связи при диссоциации НЬО, в тканевых капиллярах на О2 и НЬ появляется дополнительное количество оснований (солей НЬ), способных связывать углекислоту, противодействуя снижению рН, и наоборот, оксигенация НЬ приводит к вытеснению Н2С03 из гидрокарбоната. Эти механизмы действуют при превращении артериальной крови в венозную кровь и обратно, а также при изменении рС02.
Гемоглобин способен связывать углекислый газ с помощью свободных аминогрупп, образуя карбогемоглобин
R-NH2 + CO2 - R-NHCOOH
Гаким образом, NHC03 в системе карбонатного буфера при «агрессии» кислот компенсируется за счет щелочных протеинов, фосфатов и солей гемоглобина.
Чрезвычайно важное значение в поддержании КОС имеет обмен Сl и НСОз между эритроцитами и плазмой. При увеличении концентрации углекислоты в плазме концентрация Сl в ней уменьшается, так как ионы хлора переходят в эритроциты. Основным источником Сl в плазме является NaCl. При повышении концентрации Н2СО3 происходит разрыв связи между Na+ и Сl- и их разделение, причем ионы хлора входят в эритроциты, а ионы натрия остаются в плазме, поскольку мембрана эритроцитов для них практически непроницаема. Одновременно возникающий избыток Na+ соединяется с избытком НСО3-, образуя бикарбонат натрия и восполняя его убыль при закислении крови и поддерживая, таким образом, постоянство рН крови.
Снижение рС02 в крови вызывает обратный процесс: ионы хлора выходят из эритроцитов и соединяются с избытком ионов натрия, высвободившихся из NaHC03, что предотвращает защелачивание крови.
Важная роль в поддержании КОС принадлежит буферный системам тканей - в них имеются карбонатная и фосфатная буферные системы. Однако, особую роль играют тканевые белки, обладающие способностью связывать очень большие количества кислот и щелочей.
Не менее важную роль в регуляции КОС играют гомеостатические обменные процессы, происходящие в тканях, особенно в печени, почках и мышцах. Органические кислоты, например, могут окисляться с образованием летучих, легко выделяющихся из организма кислот (главным образом, в виде углекислоты), либо соединяться с продуктами белкового обмена, полностью или частично утрачивая кислые свойства.
Молочная кислота, образующаяся в больших количествах при напряженной мышечной работе, может ресинтезироваться в гликоген, а кетоновые тела - в высшие жирные кислоты, а затем в жиры и т.д. Неорганические кислоты могут быть нейтрализованы солями калия и натрия, освобождающимися при дезаминировании аминокислот аммиаком с образованием аммонийных солей.
Щелочи могут нейтрализоваться лактатом, усиленно образующимся из гликогена при сдвиге рН тканей. КОС поддерживается благодаря растворению сильных кислот и щелочей в липидах, связыванию их различными органическими веществами в недиссоциируемые и нерастворимые соли, обмену ионов между клетками различных тканей и кровью.
В конечном итоге, определяющим звеном в поддержании кислотно-основного гомеостаза является клеточный обмен, поскольку трансмембранный поток анионов и катионов и их распределение между вне- и внутриклеточными секторами является результатом деятельности клеток и подчинены потребностям этой деятельности.
Физиологические гомеостатические механизмы
Не менее важную роль в поддержании кислотно-щелочного гомеостаза играют физиологические гомеостатические механизмы, среди которых ведущая роль принадлежит легким и почка,». Органические кислоты, образующиеся в процессе обмена, или кислоты, попавшие в организм извне, благодаря буферным системам крови вытесняют углекислоту из ее соединений с основаниями, а образующийся при этом избыток СО2 выводится легкими.
Углекислый газ диффундирует примерно в 20 раз интенсивнее кислорода. Облегчается этот процесс двумя механизмами:
переходом гемоглобина в оксигемоглобин (оксигемоглобин как более сильная кислота вытесняет СО2 из крови);
Действием легочной карбоангидразы карбоангидраза
н2со3 - со2+ н2о.
Количество углекислого газа, выводимого легкими из организма, зависит от частоты и амплитуды дыхания и определяется содержанием углекислоты в организме.
Участие почек в поддержании КОС определяется главным образом их кислотовыделительной функцией. В нормальных условиях почки выделяют мочу, рН которой колеблется от 5,0 до 7,0. Величина рН мочи может достигать 4,5, что свидетельствует о 800-кратном превышении Н+ в ней по сравнению с плазмой крови. Подкисление мочи в проксимальных и дистальных отделах почечных канальцев является следствием секреции Н+ (ацидогенез). Важную роль в этом процессе играет карбоангидраза эпителия почечных канальцев. Этот фермент ускоряет достиисение равновесия между медленной реакцией гидратации и дегидратации угольной кислоты:
карбоангидраза
н2со3 - н2о + со2
При снижении рН увеличивается скорость некатализируемой Н2СОЗ > Н2 + НСO3-. Благодаря ацидогенезу из организма выводятся кислые компоненты фосфатного буфера (Н + + НР04 2- > Н2Р04-) и слабые органические кислоты (молочная, лимонная, в-оксимасляная и др.). Выделение эпителием почечных канальцев Н+ осуществляется против электрохимического градиента с энергетическими затратами и одновременно происходит реабсорбция эквивалентного количества Na+ (уменьшение реабсорбции Na+ сопровождается снижением ацидогенеза). Реабсорбированный благодаря ацидогенезу Na+ образует в крови вместе с НСО3-, выделяемым эпителием почечных канальцев, бикарбонат натрия
Na + + НС03 - > NaHC03
Ионы Н+, секретируемые эпителием почечных канальцев, взаимодействуют с анионами буферных соединений. Ацидогенез обеспечивает выделение преимущественно анионов карбонатного и фосфатного буферов и анионов слабых органических кислот.
Анионы сильных органических и неорганических кислот (CI-, S0 4 2-) удаляются почками из организма благодаря аммониогенезу, обеспечивающему выведение кислот и предохраняющему от снижения рН мочи ниже критического уровня дистальных канальцев и собирательных трубок. NH3, образующийся в эпителии почечных канальцев в процессе дезаминирования глутамина (60%) и других аминокислот (40%), поступая в просвет канальцев, соединяется с Н+, образующимися в процессе ацидогенеза. Таким образом, аммиак связывает ионы водорода и выводит анионы сильных кислот в виде аммонийных солей.
Аммониогенез тесно связан с ацидогенезом, поэтому концентрация аммония в моче находится в прямой зависимости от концентрации в ней Н+: закисление крови, сопровождающееся снижением рН канальцевой жидкости, способствует диффузии аммиака из клеток. Экскреция аммония определяется также скоростью его продукции и скоростью потока мочи.
В регуляции экскреции почками кислот важную роль играют хлориды - увеличение реабсорбции НСО3- сопровождается увеличением реабсорбции хлоридов. Ион хлора пассивно следует за катионом натрия. Изменение транспорта хлоридов является следствием первичного изменения секреции ионов Н+ и реабсорбции НСO3 и обусловлено необходимостью поддержания электронейтральности канальцевой мочи.
Кроме ацидоза и аммониогенеза, существенная роль в сохранении Na+ при закислении крови принадлежит секреции К. Калий, освобождающийся из клеток при снижении рН крови, усиленно экскретируется эпителием почечных канальцев при одновременном увеличении реабсорбции Na+ - сказывается регулирующее действие минералокортикоидов: альдостерона и дезоксикортикостерона. В норме почки выделяют преимущественно кислые продукты обмена, но при повышенном поступлении в организм оснований реакция мочи становится более щелочной вследствие усиленного выделения бикарбоната и основного фосфата.
Важное значение в выделительной регуляции КОС играет желудочно-кишечный тракт. В желудке образуется соляная кислота: Н+ секретируются желудочным эпителием, a CI- поступают из крови. В обмен на хлориды в кровь в процессе желудочной секреции поступает бикарбонат, но защелачивания крови не происходит, поскольку CI- желудочного сока вновь всасываются в кровь В кишечнике эпителий слизистой кишечника секретерует щелочной сок, богатый бикарбонатами. При этом Н+ переходят в кровь в виде НСl. Кратковременный сдвиг реакции сразу же уравновешивается обратным всасыванием NaHC03 в кишечнике. Кишечный тракт в отличие от почек, концентрирующих и выделяющих из организма главным образом К+" и одновалентные катионы, концентрирует и удаляет из организма двухвалентные щелочные ионы. При кислой диете увеличивается выделение главным образом Ca2+ и Mg2+ а при щелочной - выделение всех катионов.
Арендный блок
В поддержании кислотно-основного гомеостаза (баланс оптимальных концентраций кислотных и основных компонентов физиологических систем) участвуют все буферные системы организма. Действия их взаимосвязаны и находятся в состоянии равновесия. Наиболее связан со всеми буферными системами гидрокарбонатный буфер. Нарушения в любой буферной системе сказываются на концентрациях его компонентов, поэтому изменение параметров гидрокарбонатной буферной системы может достаточно точно характеризовать КОС организма.
КОС крови в норме характеризуется следующими метаболическими показателями:
рН плазмы 7,4±0,05;
[НСО3-]=(24,4±3) моль/л ― щелочной резерв кови;
рСО2=40 мм рт.ст.- парциальное давление СО2 над кровью.
Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха для гидрокарбонатного буфера очевидно, что при изменении концентрации или парциального давления СО2 происходит изменение КОС крови.
Поддержание оптимального значения реакции среды в различных частях организма достигается благодаря согласованной работе буферных систем и органов выделения. Сдвиг реакции среды в кислую сторону называют ацидоз , а в оснóвную – алкалоз . Критическими значениями для сохранения жизни являются: сдвиг в кислую сторону до 6,8, а в оснóвную – 8,0. По происхождению ацидоз и алкалоз могут быть дыхательными или метаболическими.
Метаболический ацидоз развивается вследствие:
а) повышенной продукции метаболических кислот;
б) в результате потери гидрокарбонатов.
Повышенная продукция метаболических кислот происходит при: 1) сахарном диабете I типа, длительном, полном голодании или резком сокращении доли углеводов в рационе;
2) лактатацидозе (шок, гипоксия, сахарный диабет II типа, сердечная недостаточность, инфекции, отравление алкоголем).
Повышенная потеря гидрокарбонатов возможна с мочой (почечный ацидоз), или с некоторыми пищеварительными соками (панкреатический, кишечный).
Дыхательный (респираторный) ацидоз развивается при гиповент иляции лёгких, которая, независимо от вызвавшей её причины, приводит к росту парциального давления СО2 более 40 мм рт. ст. (гиперкапния). Это бывает при заболеваниях органов дыхания, гиповентиляции легких, угнетении дыхательного центра некоторыми препаратами, например, барбитуратами.
Метаболический алкалоз наблюдается при значительных потерях ж елудочного сока вследствие повторной рвоты, а также в результате потери протонов с мочой при гипокалиемии, при запорах (когда накапливаются щелочные продукты в кишечнике; ведь источником бикарбонат-анионов является поджелудочная железа, протоки которой открываются в 12-перстную кишку), а также при длительном приеме щелочной пищи и минеральной воды, соли которой подвергаются гидролизу по аниону.
Дыхательный (респираторный) алкалоз развивается вследствие гиперве нтиляции лёгких, приводящей к избыточному выведению СО2 из организма и понижению его парциального давления в крови менее 40 мм. рт. ст. (гипокапния). Это бывает при вдыхании разреженного воздуха, гипервентиляции легких, развитии тепловой одышки, чрезмерного возбуждения дыхательного центра вследствие поражения головного мозга.
При ацидозах в качестве экстренной меры используют внутривенное вливание 4 – 8 % гидрокарбоната натрия, 3,66%- ного раствора трисамина Н2NC(CH2OH)3 или 11 % лактат натрия. Последний, нейтрализуя кислоты, не выделяет СО2, что повышает его эффективность.
Алкалозы корректируются сложнее, особенно метаболические (связанные с нарушением систем пищеварения и выделения). Иногда используют 5 % раствор аскорбиновой кислоты, нейтрализованный бикарбонатом натрия до рН 6 – 7.
Щелочной резерв - это количество бикарбоната (NaHC03) (точнее объем СО2, который может быть связан плазмой крови). Эту величину лишь условно можно рассматривать как показатель кислотно-щелочного равновесия, так как, несмотря на повышенное или пониженное содержание бикарбоната, при наличии соответствующих изменений Н2СО3 рН может оставаться совершенно нормальным.
Так как компенсаторные возможности посредством дыхания , первоначально используемые организмом, ограничены, решающая роль в поддержании постоянства переходит к почкам. Одной из основных задач почек является удаление из организма Н+-ионов в тех случаях, когда вследствие каких-либо причин в плазме наступает сдвиг в сторону ацидоза. Ацидоз не может быть скорригирован, если не будет удалено соответствующее количество Н-ионов. Почки используют при этом 3 механизма:
1. Обмен ионов водорода на ионы натрия, которые, соединяясь с образующимися в канальцевых клетках анионами НСО3, полностью подвергаются обратному всасыванию в виде NaHCO,
Предпосылкой выделения Н-ионов с помощью этого механизма является активируемая карбоангидразой реакция С02 + Н20 = Н2С03, причем Н2С03 распадается на ионы Н и НСО3. При этом обмене ионов водорода на ионы натрия происходит обратное всасывание всего отфильтрованного в клубочках бикарбоната натрия.
2. Выделение с мочой ионов водорода и обратное всасывание ионов натрия происходит также путем превращения в дистальных отделах канальцев щелочной соли фосфата натрия (Na2HP04) в кислую соль дифосфата натрия (NaHaPO4).
3. Образование солей аммония: аммиак, образующийся в дистальных отделах почечных канальцев из глутамина и других аминокислот, способствует выделению Н-ионов и обратному всасыванию ионов натрия; происходит образование NH4Cl вследствие соединения аммиака с HCl. Интенсивность образования аммиака, необходимого для нейтрализации сильной НСl, тем больше, чем выше кислотность мочи.
Таблица 3
Основные параметры КОС
(среднее значение в артериальной крови)
40 мм. рт. ст.
(парциальное давление СО2 в плазме крови)
Этот компонент непосредственно отражает дыхательный компонент в регуляции КОС (КЩР).
(гиперкапния) наблюдается при гиповентиляции, что характерно для дыхательного ацидоза.
↓(гипокапния) наблюдается при гипервентиляции, что характерно для респираторного алкалоза. Однако, изменения рСО2 могут быть и следствием компенсации со стороны метаболических нарушений КОС. Чтобы отличить эти ситуации друг от друга, требуется рассмотреть рН и [НСО3-]
95 мм. рт. ст. (парциальное давление в плазме крови)
СБ или SB
СБ – стандартный бикарбонат плазмы т.е. [НСО3-] ↓ - при метаболическом ацидозе, или при компенсации дыхательного алкалоза.
При метаболическом алкалозе или при компенсации дыхательного ацидоза.
Дополнительные индексы
БО или ВВ
(base buffers )
Буферные основания . Это сумма всех анионов цельной крови, принадлежащих буферным системам.
ДО или BD
(base deficiency)
Дефицит оснований . Это разница между практической и должной величиной БО при метаболическом ацидозе. Определяется как количество оснований, которое необходимо добавить к крови, чтобы довести ее рН до нормы (при рСО2 = 40 мм. рт. ст. tо = 38оC)
ИО или ВЕ
(basе excess)
Избыток оснований . Это разница между фактической и должной величинами БО при метаболическом алкалозе.
В норме, условно говоря, не существует ни дефицита, ни избытка оснований (ни ДО, ни ИО). Фактически, это выражается в том, что разница должного и фактического БО находится в нормальных условиях в пределах ±2,3 мэкв/л. Выход этого показателя из коридора нормы типичен для метаболических нарушений КОС. Аномально высокие значения характерны для метаболического алкалоза . Аномально низкие – для метаболического ацидоза .
Лабораторно-практическая работа
Опыт 1. Сравнение буферной ёмкости сыворотки крови и фосфатной БС
Отмерить мл
N колбы
Сыворотка крови (разведение 1:10)
Фосфатная БС (разведение 1:10), рН = 7,4
Фенолфталеин (индикатор)
Понятие о кислотно-основном гомеостазе, его основные параметры. Роль стабилизации рН внутренней среды для организма. Функциональная система поддержания постоянства параметров кислотно-основного гомеостаза. Значение поддержания постоянства рН в жизнедеятельности. Роль внешнего дыхания, почек и буферных систем крови в стабилизации рН.
Понятие рН, роль постоянства рН внутренней среды для осуществления внутриклеточного метаболизма.
Кислотно-щелочной гомеостаз
Кислотно-щелочное равновесие является одним из важнейших физико-химических параметров внутренней среды организма. От соотношения водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде организма в значительной мере зависят активность ферментов, направленность и интенсивность окислительно- восстановительных реакций, процессы расщепления и синтеза белка, гликолиз и окисление углеводов и жиров, функции ряда органов, чувствительность рецепторов к медиаторам, проницаемость мембран и т. д. Активность реакции среды определяет способность гемоглобина связывать кислород и отдавать его тканям. При изменении реакции среды меняются физико-химические характеристики коллоидов клеток и межклеточных структур - степень их дисперсности, гидрофилии, способность к адсорбции и другие важные свойства.
Соотношение активных масс водородных и гидроксильных ионов в биологических средах зависит от содержания в жидкостях организма кислот (донаторов протонов) и буферных оснований (акцепторы протонов). Принято активную реакцию среды оценивать по одному из ионов (Н +) или (ОН -), чаще по иону Н + . Содержание в организме Н + определяется, с одной стороны, прямым или опосредованным через углекислоту образованием их в ходе обмена белков, жиров и углеводов, а с другой - поступлением их в организм или выведением из него в виде нелетучих кислот или углекислого газа. Даже относительно небольшие изменения СН + неизбежно ведут к нарушению физиологических процессов, а при сдвигах за известные пределы - и к гибели организма. В связи с этим величина pH, характеризующая состояние кислотно-щелочного равновесия, является одним из самых "жестких" параметров крови и колеблется у человека в узких пределах - от 7,32 до 7,45. Сдвиг pH на 0,1 за указанные границы обусловливает выраженные нарушения со стороны дыхания, сердечно- сосудистой системы и др.; снижение pH на 0,3 вызывает ацидотическую кому, а сдвиг pH на 0,4 зачастую несовместим с жизнью.
Обмен кислот и оснований в организме теснейшим образом связан с обменом воды и электролитов. Все эти виды обмена объединены законами электронейтральности, изоосмолярности и гоместатическими физиологическими механизмами. Для плазмы закон электронейтральности может быть проиллюстрирован данными табл. 20.
Общее количество катионов плазмы составляет 155 ммоль/л, из них 142 ммоль/л приходятся на долю натрия. Общее количество анионов также составляет 155 ммоль/л, из них 103 ммоль/л приходятся на долю слабого основания С1 - и 27 ммоль/л - на долю HCO - 3 (сильное основание). Г. Рут (1978) считает, что HCO - 3 и анионы белка (примерно 42 ммоль/л) составляют главные буферные основания плазмы. Ввиду того, что концентрация ионов водорода в плазме составляет всего 40·10 -6 ммоль/л, кровь является хорошо буферированным раствором и обладает слабощелочной реакцией. Анионы белка, особенно ион НСО - 3 тесно связаны, с одной стороны, с обменом электролитов, с другой - с кислотно-щелочным равновесием, поэтому правильная трактовка изменений их концентрации имеет важное значение для понимания процессов, происходящих в сфере обмена электролитов, воды и Н + .
11. Агапов Ю.Я. Кислотно-щелочной баланс. – М., 1968. – 184 с.
2. Войнов В.А. Атлас по патофизиологии. – М., 2004. – 218 с.
3. Гусев Г.П. Роль почки в регуляции кислотно-щелочного баланса // Физиология почки: Руководство по физиологии. – Л., 1972. – С. 142–168.
4. Жалко-Титаренко В.Ф. Водно-электролитный обмен и кислотно-основное состояние в норме и патологии. – Киев, 1989.
5. Костюченко С.С. Кислотно-щелочной баланс в интенсивной терапии. – Минск, 2009. – 268 с.
6. Лосев Н.И., Войнов В.А. Физико-химический гомеостаз организма // Гомеостаз / Под ред. П.Д. Горизонтова. – М., 1981. – С. 186–240.
7. Малышев В.Д. Кислотно-основное состояние и водно-электролитный баланс в интенсивной терапии: Учебное пособие. – М.: ОАО «Издательство «Медицина», 2005. – 228 с.
8. Рут Г. Кислотно-щелочное состояние и электролитный баланс. – М., 1978. 118 с.
9. Тавс Г. Газы крови и кислотно-щелочное равновесие // Физиология человека. Т.3 / Под ред. Р. Шмидта и Г. Тавса. – М., 1986. – С. 241–268.
10. Хейтц У., Горн М. Водно-электролитный и кислотно-основный баланс: краткое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 359 с.
11. Хруска К. Патофизиология кислотно-основного обмена // Почки и гомеостаз в норме и патологии. – М., 1987. – С. 170–216.
Кислотно-основное состояние (КОС) организма является одним из важнейших и наиболее строго стабилизируемых параметров гомеостаза. От соотношения водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде организма зависят активность ферментов, гормонов, интенсивность и направленность окислительно-восстановительных реакций, процессы обмена белков, углеводов и жиров, функции различных органов и систем, постоянство водного и электролитного обмена, проницаемость и возбудимость биологических мембран и т.д. Активность реакции среды влияет на способность гемоглобина связывать кислород и отдавать его тканям.
Активную реакцию среды принято оценивать по содержанию в жидкостях ионов водорода.
Величина рН является одним из самых «жестких» параметров крови и колеблется у человека в норме в очень узких пределах - рН артериальной крови составляет 7,35-7,45; венозной - 7,32-7,42. Более значительные изменения рН крови связаны с патологическими нарушениями обмена. В других биологических жидкостях и в клетках рН может отличаться от рН крови.
Сдвиги рН крови за указанные границы приводят к существенным сдвигам окислительно-восстановительных процессов, изменению активности ферментов, прницаемости биологических мембран, обусловливают нарушения со стороны функции сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем; сдвиг на 0,3 может вызвать коматозные состояния, а на 0,4 - зачастую несовместим с жизнью.
Кислотно-основное состояние поддерживается мощными гомеостатическими механизмами. В их основе лежат особенности физико-химических свойств буферных систем крови и физиологические процессы, в которых принимают участие системы внешнего дыхания, почки, печень, желудочно-кишечный тракт и др.
Химические буферные системы образуют первую линию защиты против изменений рН жидкости организма, действуют для быстрого их предотвращения.
Буферной системой называют смеси, которые обладают способностью препятствовать изменению рН среды при внесении в нее кислот или оснований. Буферные системы не удаляют H+ из организма, а «связывают» его своим щелочным компонентом до окончательного восстановления КОС. Буферными свойствами обладают смеси, которые состоят из слабой кислоты и ее соли, содержащей сильное основание, или из слабого основания и соли сильной кислоты.
Наиболее емкими буферными системами крови являются бикарбонатный, фосфатный, белковый и гемоглобиновый. Первые три системы особенно важную роль играют в плазме крови, а гемоглобиновый буфер, самый мощный, действует в эритроцитах.
Бикарбонатный буфер является наиболее важной внеклеточной буферной системой и состоит из слабой угольной кислоты Н2СО3 и соли ее аниона - сильного основания . Угольная кислота образуется в результате взаимодействия углекислого газа и воды: CO2 + H2O ↔ H2CO3. Угольная кислота в свою очередь диссоциирует на водород и бикарбонат: H2CO3 ↔ H+ + HCO3-.
В нормальных условиях (при рН крови около 7,4) в плазме бикарбоната в 20 раз больше, чем углекислоты.
Емкость бикарбонатной системы составляет 53 % всей буферной емкости крови. При этом на бикарбонат плазмы приходится 35 % и на бикарбонат эритроцитов 18 % буферной емкости.
При образовании в плазме избытка кислореагирующих продуктов ионы водорода соединяются с анионами бикарбоната (). Образующийся при этом в плазме избыток углекислоты поступает в эритроциты и там с помощью угольной ангидразы разлагается на углекислый газ и воду. Углекислый газ выделяется в плазму, возбуждает дыхательный центр и избыток СО2 удаляется из организма через легкие. Это быстрое преобразование бикарбонатом любой кислоты в угольную, которая легко удаляется легкими, делает бикарбонатный буфер самой лабильной буферной системой.
Бикарбонатный буфер способен нейтрализовать и избыток оснований. В этом случае ионы ОНˉ будут связаны углекислотой и вместо самого сильного основания ОНˉ образуется менее сильное , избыток которого в виде бикарбонатных солей выделяется почками.
До тех пор, пока количество угольной кислоты и бикарбоната натрия изменяется пропорционально и соотношение между ними сохраняется 1:20, рН крови остается в пределах нормы.
Фосфатный буфер представлен солями одно- и двузамещенных фосфатов. Фосфатная буферная система обеспечивает 5 % буферной емкости крови, является основной буферной системой клеток.
Однозамещенная соль обладает кислыми свойствами, так как при диссоциации дает ион , который далее способен выделять ион водорода: NаН2РО4 ⇒ Nа+ + ; ⇒Н+ + . Двузамещенный фосфат обладает свойствами основания, так как диссоциирует с образованием иона , который может связывать ион водорода: + Н+ ⇒ .
При нормальном рН в плазме соотношение фосфатных солей NаН2РО4: Nа2НРО4 = 1:4. Этот буфер имеет значение в почечной регуляции КОС, а также в регуляции реакции некоторых тканей. В крови же его действие главным образом сводится к поддержанию постоянства и воспроизводства бикарбонатного буфера.
Белковая буферная система является довольно мощным буфером, который способен проявлять свои свойства за счёт амфотерности белков. Белковая буферная система обеспечивает 7 % буферной емкости крови. Белки плазмы крови содержат достаточное количество кислых и основных радикалов, поэтому эта буферная система действует в зависимости от среды, в которой происходит диссоциация белков.
Гемоглобиновый буфер является самой емкой буферной системой. На ее долю приходится до 75 % всей буферной емкости крови. Свойства буферной системы гемоглобину придает главным образом его способность постоянно находиться в виде двух форм - восстановленного (редуцированного) гемоглобина ННb и окисленного (оксигемоглобина) НbО2.
Гемоглобиновый буфер, в отличие от бикарбонатного, в состоянии нейтрализовать как нелетучие, так и летучие кислоты. Окисленный гемоглобин ведёт себя как кислота, увеличивая концентрацию ионов водорода, а восстановленный (дезоксигенированный) - как основание, нейтрализуя H+.
Гемоглобин является классическим примером белкового буфера и эффективность его достаточно высока. Гемоглобин в шесть раз более эффективен как буфер, чем плазменные протеины.
Переход окисленной формы гемоглобина в восстановленную форму предупреждает сдвиг рН в кислую сторону во время контакта крови с тканями, а образование оксигемоглобина в легочных капиллярах предотвращает сдвиг рН в щелочную сторону за счет выхода из эритроцитов СО2 и иона хлора и образования в них бикарбоната.
Система аммиак/ион аммония (NH3/NH4+) - действует преимущественно в моче.
Помимо буферных систем в поддержании постоянства рН активное участие принимают физиологические системы, среди которых основными являются легкие, почки, печень, желудочно-кишечный тракт.
Система дыхания играет значительную роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма, однако для нивелирования сдвига рН крови им требуется 1-3 минуты. Роль легких сводится к поддержанию нормальной концентрации углекислоты, и основным показателем функционального состояния легких является парциальное напряжение углекислого газа в крови. Легочные механизмы обеспечивают временную компенсацию, так как при этом происходит смещение кривой диссоциации оксигемоглобина влево и уменьшается кислородная емкость артериальной крови.
При устойчивом состоянии газообмена легкие выводят углекислого газа около 850 г в сутки. Если напряжение углекислого газа в крови повышается сверх нормы на 10 мм рт. ст., вентиляция увеличивается в 4 раза.
Роль почек в регуляции активной реакции крови не менее важна, чем деятельность дыхательной системы. Почечный механизм компенсации более медленный, чем респираторный. Полноценная почечная компенсация развивается только через несколько дней после изменения pH.
Экскреция кислот при обычной смешанной пище у здорового человека превышает выделение оснований, поэтому моча имеет кислую реакцию (рН 5,3-6,5) и концентрация в ней ионов водорода примерно в 800 раз выше, чем в крови. Почки вырабатывают и выделяют с мочой количество ионов водорода, эквивалентное их количеству, непрерывно поступающему в плазму из клеток организма, совершая при этом замену ионов водорода, секретируемых эпителием канальцев, на ионы натрия первичной мочи. Этот механизм осуществляется с помощью нескольких химических процессов.
Первым из них является процесс реабсорбции натрия при превращении двузамещенных фосфатов в однозамещенные. При истощении фосфатного буфера (при рН мочи ниже 4,5) реабсорбция натрия и бикарбоната осуществляется за счет аммониогенеза.
Второй процесс, который обеспечивает задержку натрия в организме и выведение излишка ионов водорода, - это превращение в просвете канальцев бикарбонатов в угольную кислоту.
Третьим процессом, который способствует сохранению натрия в организме, является синтез в дистальных почечных канальцах аммиака (аммониогенез) и использование его для нейтрализации и выведения кислых эквивалентов с мочой.
Образовавшийся свободный аммиак легко проникает в просвет канальцев, где, соединяясь с ионом водорода, превращается в плохо диффундирующий аммонийный катион , не способный вновь вернуться в клетку стенки канальца.
В общем итоге концентрация водородных ионов в моче может превышать концентрацию водородных ионов в крови в несколько сотен раз.
Это свидетельствует об огромной способности почек выводить из организма ионы водорода.
Почечные механизмы регуляции КОС не могут скорректировать рН в течение нескольких минут, как респираторный механизм, но они функционируют в течение нескольких дней, пока рН не вернется к нормальному уровню.
Регуляция КОС с участием печени. Печень окисляет до конечных продуктов недоокисленные вещества крови, оттекающей от кишечника; синтезирует мочевину из азотистых шлаков, в частности из аммиака и из хлорида аммония, поступающих из желудочно-кишечного тракта в кровь портальной вены; печени присуща выделительная функция и поэтому при накоплении в организме избыточного количества кислых или щелочных продуктов метаболизма они могут выделяться с желчью в желудочно-кишечный тракт. При избытке кислот в печени усиливается их нейтрализация и одновременно тормозится образование мочевины. Неиспользованный аммиак нейтрализует кислоты и увеличивает выведение аммонийных солей с мочой. При возрастании количества щелочных валентностей мочекинообразование возрастает, а аммониогенез снижается, что сопровождается уменьшением выведения с мочой аммонийных солей.
Концентрация водородных ионов в крови зависит также от деятельности желудка и кишечника. Клетки слизистой желудка секретируют соляную кислоту в очень высокой концентрации. При этом из крови ионы хлора выделяются в полость желудка в соединении с ионами водорода, образующимися в эпителии желудка с участием карбоангидразы. Взамен хлоридов в плазму в процессе желудочной секреции поступает бикарбонат.
Поджелудочная железа активно участвует в регуляции рН крови, так как она генерирует большое количество бикарбоната. Образование бикарбоната тормозится при избытке кислот и усиливается при их недостатке.
Кожа может в условиях избытка нелетучих кислот и оснований выделять последние с потом. Это имеет особое значение при нарушении функции почек.
Костная ткань. Это наиболее медленно реагирующая система. Механизм ее участия в регуляции рН крови состоит в возможности обмениваться с плазмой крови ионами Са2+ и Na+ в обмен на протоны Н+. Происходит растворение гидроксиапатитных кальциевых солей костного матрикса, освобождение ионов Са2+ и связывание ионов НРО42- с Н+ с образованием дигидрофосфата, который уходит с мочой. Параллельно при снижении рН (закисление) происходит поступление ионов H+ внутрь остеоцитов, а ионов калия - наружу.
Оценка кислотно-основного состояния организма
При изучении кислотно-щелочного баланса наибольшее значение имеет исследование крови. Показатели в капиллярной крови близки к показателям артериальной. В настоящее время показатели КОС определяют эквилибрационным микрометодом Аструпа. Данная методика позволяет, помимо истинного рН крови, получить показатель напряжения СО2 в плазме (рСО2), истинный бикарбонат крови (АВ), стандартный бикарбонат (SB), сумму всех оснований крови (ВВ) и показатель дефицита или избытка оснований (ВЕ).
Библиографическая ссылка
Моррисон В.В., Чеснокова Н.П., Бизенкова М.Н. КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ. РЕГУЛЯЦИЯ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ГОМЕОСТАЗА (ЛЕКЦИЯ 1) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 3-2. – С. 270-273;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6529 (дата обращения: 15.06.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»