воздействует на дыхательные центры, объем легочной вентиляции увеличивается и соотношение компонентов восстанавливается.
4. При увеличении щелочности крови протекает реакция:
.
Концентрация увеличивается, а концентрация угольной кислоты уменьшается, но по закону разбавления В. Оствальда увеличивается ее степень диссоциации и недостаток ионов водорода восполняется за счет потенциальной кислотности молекул угольной кислоты:
+ + .
Уменьшение концентрации приводит к замедлению вентиляции легких,
поэтому накапливается в организме и буферное соотношение остается неизменным. Кроме того, избыток гидрокарбонатов удаляется из организма почками.
Значительное количество выделяющихся из организма солей органических кислот в почках замещают ионы Na+, K+ на ион H+ и выводятся почками в виде кислот. У здоровых людей их количество составляет 20 60 ммоль/сутки. Ионы
Na+, K+, соединяясь с гидрокарбонат ионами, возвращаются в кровь и восстанавливают количество гидрокарбонатов.
Для определения состояния КОР организма важное значение имеет величина щелочного резерва крови. Щелочной резерв крови измеряется в объемных процентах и представляет отношение количества мл ,
находящегося в крови в химически связанном состоянии (в основном виде гидрокарбонатов), на 100 мл сыворотки крови.
В нормальном состоянии щелочной резерв крови равен 55 2%.
Изменение концентрации , находящегося в равновесии с углекислым газом при постоянном () = 40 мм рт. ст. влечет за собой изменение рН. При повышении концентрации гидрокарбоната вдвое величина рН возрастает на 0,3
ед.; а при уменьшении концентрации гидрокарбонатов в 2 раза рН уменьшается
на 0,3 ед.
20
Гемоглобиновый буфер
Составляет 35% буферной емкости.
Главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около
75% всей буферной емкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и . Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль сразу в нескольких физиологических процессах: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови.
Она представлена двумя слабыми кислотами – гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженными им основаниями – соответственно гемоглобинат- и оксигемоглобинат-ионами:
Оксигемоглобин – более сильная кислота (рКа = 6,95), чем гемоглобин (рКа
= 8,2). При рН = 7,25 (внутри эритроцитов) оксигемоглобин ионизирован на
65%, а гемоглобин – на 10%, поэтому присоединение кислорода к гемоглобину уменьшает значение рН крови, так как при этом образуется более сильная кислота. С другой стороны, по мере отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях значение рН крови вновь увеличивается.
Буферные свойства прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия образующихся в организме кислот с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:
.
Образующийся гидрокарбонат () уравновешивает количество поступающей , рН сохраняется, так как происходит диссоциация потенциальных молекул и образовавшихся гемоглобиновых кислот.
21
Именно таким образом поддерживается рН крови в пределах нормы,
несмотря на поступление в венозную кровь огромного количества и других кислореагирующих продуктов обмена.
В капиллярах легких гемоглобин (ННb) поглощает кислород и превращается в HHbO2, что приводит к некоторому подкислению крови,
вытеснению некоторого количества |
из бикарбонатов |
и понижению |
щелочного резерва крови, а в тканях отдает его и поглощает |
. |
Влегких:
Втканях:
Кроме того, гемоглобиновый буфер является сложным белком и действует как белковый буфер.
Фосфатный буфер
Составляет 5% буферной емкости. Содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями и , а в плазме крови и в межклеточной жидкости
.
Функционирует в основном в плазме и включает:
дигидрофосфат-ион и гидрофосфат-ион . Первый из них выполняет роль кислоты, а второй – соли.
Отношение [ ] / [ ] в плазме крови (при рН = 7,4) равно 4 : 1.
Следовательно, эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. Механизм действия аналогичен действию других кислотных буферных систем.
22
Например, при увеличении концентрации катионов во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами :
Вместо сильной кислоты образуется эквивалентное количество слабой кислоты, степень диссоциации которой уменьшается. Поэтому существенного
изменения рН не происходит.
Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что
приводит к снижению величины рН мочи и соотношение восстанавливается.
При увеличении концентрации оснований в организме, например, при
употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами |
|
: |
||||||
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Концентрация кислоты (дигидрофосфата) уменьшается, а диссоциация увеличивается. Поэтому существенного изменения концентрации ионов водорода не происходит. Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается.
Выведение тех или иных компонентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал значений рН мочи – от 4,8 до 7,5. Восстановление фосфатного буфера происходит медленнее, чем гидрокарбонатного. Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной ѐмкостью, чем гидрокарбонатная.
Однако эта система играет решающую роль не только в моче, но и в других биологических средах – в клетке, в соках пищеварительных желез, в моче.
Белковый буфер
Составляет 7% буферной емкости. Он состоит из белка-кислоты и его соли,
образованной сильным основанием:
– – белок-кислота,
23
– – белок-соль.
1. При образовании в организме сильных кислот они взаимодействуют с солью белка. При этом получается эквивалентное количество белка-кислоты:
.
2.По закону разбавления В. Оствальда увеличение концентрации слабого электролита уменьшает его диссоциацию, рН практически не меняется.
3.При увеличении щелочных продуктов они взаимодействуют с
:
.
Количество кислоты уменьшается. Однако концентрация ионов Н+
увеличивается за счет потенциальной кислотности белка-кислоты. поэтому практически рН не меняется.
4.За счет присутствия в составе белка аминогрупп каждая белковая молекула способна нейтрализовать кислоты и основания как основной буфер.
5.елок – амфотерный электролит. Наличие двух разных групп обуславливает проявление молекулами белка собственное буферное действие, способность нейтрализовать кислоты и основания без изменения рН,
собразованием солей без изменения рН среды.
[;
Основную часть белков плазмы крови составляют альбумины и глобулины.
Буферная емкость белков также выше по кислоте. Для альбуминов буферная емкость составляет 10 ммоль/л, а для глобулинов 3 ммоль/л.
24
ВЗАИМОСВЯЗЬ БУФЕРНЫХ СИСТЕМ В ОРГАНИЗМЕ
1. В процессе газообмена в легких кислород поступает в эритроциты, где протекает реакция:
2. По мере перемещения крови в периферические отделы кровеносной системы происходит отдача кислорода ионизированной формой
.
Кровь при этом из артериальной становится венозной. Отдаваемый в тканях кислород расходуется на окисление различных субстратов, в результате чего образуется , большая часть которого поступает в эритроциты.
3. В эритроцитах в присутствии карбоангидразы со значительной скоростью протекает следующая реакция:
+ + .
4. Образующийся избыток протонов связывается с гемоглобинат-ионами:
Связывание протонов смещает равновесие реакции стадии (3) вправо,
вследствие чего концентрация гидрокарбонат-ионов возрастает, и они диффундируют через мембрану в плазму. В результате встречной диффузии ионов, отличающихся кислотно-основными свойствами (хлорид-ион протолитически неактивен; гидрокарбонат ион в условиях организма является основанием), возникает гидрокарбонатно-хлоридный сдвиг. Этим объясняется более кислая реакция среды в эритроцитах (рН = 7,25) по сравнению с плазмой
(рН = 7,4). |
|
|
|
|
5. Поступающие |
в |
плазму |
гидрокарбонат-ионы |
нейтрализуют |
накапливающийся там избыток протонов, возникающий в результате метаболических процессов:
+ |
|
+ |
|
||
|
25 |
6. Образовавшийся |
взаимодействует с компонентами белковой |
буферной системы: |
|
+
7. Избыток протонов нейтрализуется фосфатным буфером:
.
8. После того как кровь вновь попадает в легкие, в ней увеличивается концентрация оксигемоглобина (стадия 1), который реагирует с гидрокарбонат-
ионами, не диффундировавшими в плазму:
Образующийся выводится через легкие. В результате уменьшения концентрации ионов в этой части кровеносного русла наблюдаются их диффузия в эритроциты и диффузия хлорид-ионов в обратном направлении.
9. В почках также накапливается избыток протонов в результате реакции:
+ + ,
который нейтрализуется гидрофосфат-ионами и аммиаком (аммиачный буфер):
H+ + NH3 ↔ NH4+.
Таким образом, гемоглобиновая система участвует в двух процессах:
Связывание протонов, накапливающихся в результате метаболических процессов;
Протонирование гидрокарбонат-ионов с последующим выделением Гемоглобиновую буферную систему можно рассматривать как одно из
важнейших звеньев в транспорте из тканей в легкие.
Следует отметить, что на поддержание постоянства рН различных жидких систем организма оказывают влияние не только буферные системы, но и функционирование ряда органов и систем: легких, почек, кишечника, кожи и др.
26
КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ
Кислотно-основное состояние – неотъемлемая составная часть протолитического гомеостаза внутренней среды организма, который обеспечивает оптимальные условия правильного течения обмена веществ.
Соотношение определѐнной концентрации ионов Н+ и ОН- в органах,
тканях, |
жидкостях |
организма |
называется |
кислотно-основным |
равновесием (КОР). Кислотно – основное равновесие имеет первостепенное значение, так как:
Ионы Н+ являются катализаторами многих биохимических превращений;
Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность при строго определенных значениях рН;
Наибольшие изменения концентрации ионов Н+ крови и межтканевой жидкости влияют на величину их осмотического давления.
Отклонение рН крови (7,4) на 0,3 ед. может привести к коматозному состоянию, отклонение на 0,4 ед. может повлечь смертельный исход. рН слюны равное 5 ед. приводит к развитию кариеса.
Основные показатели КОР
рН крови. В норме рН крови равно 7,4. смещение рН в сторону увеличения называется алкалозом, а в сторону уменьшения – ацидозом.
Различают респираторный и метаболический ацидоз и алкалоз.
Парциальное давление в норме составляет 40 мм рт.ст. Снижение этого показателя наблюдается при дыхательном алкалозе и метаболическом ацидозе. Повышение давления отмечается при дыхательном ацидозе и метаболическом алкалозе.
Щелочной резерв крови. Это количество мл , находящегося в крови в химически связанном состоянии (в основном виде гидрокарбонатов), в расчете
27
на 100 мл сыворотки крови. Норма – 55%. Уменьшение резервной щелочности свидетельствует об уменьшении содержания бикарбонатов в организме, а
увеличение еѐ – об увеличении их.
Буферные основания. Анионы всех буферных систем называются буферными основаниями (БО). Количество протонов, которое может быть
связано, зависит от концентрации буферных оснований. |
|
|
||
Для бикарбонат-ионов величина БО составляет в норме 25 |
|
, а для |
||
|
||||
анионов белка 17 |
|
. |
|
|
|
|
|
Смещение буферных оснований.
Смещение кислотно-основного равновесия по отношению к нормальным буферным основаниям. В норме оно составляет (+1,5) ( 1,5)
(+) – показывает на излишек оснований или дефицит кислот; (–) – показывает на дефицит оснований или излишек кислот.
Для выявления причин патологии необходимо определять все показатели КОР. На практике часто ограничиваются определением величиной рН, ρ( и
щелочного резерва.
ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ И ТИПЫ НАРУШЕНИЯ КОР ОРГАНИЗМА
Нарушение кислотно-основного состояния возникает в результате нарушения транспорта в организме или при изменении его концентрации во вдыхаемом воздухе.
В зависимости от механизма развития расстройств кислотно-основного состояния выделяют дыхательный и метаболический ацидозы и алкалозы.
Метаболический ацидоз характеризуется нарушением метаболизма,
которое приводит к некомпенсированному (когда изменяется рН и величина щелочного резерва) или частично компенсированному падению рН крови
(величина рН не изменилась, но изменилась величина щелочного резерва).
28
Метаболический ацидоз наступает вследствие:
а) избыточного введения или образования стойких кислот (поступление кетокислот при голодании и диабете,
б) повышенное образование молочной кислоты при шоке,
в) задержка фосфатов, сульфатов, анионов органических кислот в результате снижения величины клубочковой фильтрации в почках,
г) избыточной потери гидрокарбонат-иона в результате поноса, колита, язвы кишечника.
Процессы компенсации связаны с нейтрализацией ионов водорода гидрокарбонат-ионом и усилением легочной вентиляции.
Метаболический алкалоз характеризуется нарушением метаболизма,
которое приводит к некомпенсируемому или частично компенсируемому увеличению рН крови.
Метаболический алкалоз наступает вследствие:
а) потери водородных ионов (высокая кишечная непроходимость,
неукротимая рвота и др.);
б) увеличение концентрации гидрокарбоната (потеря воды, избыточное введение гидрокарбонат-ионов при метаболическом ацидозе, введение солей органических кислот – молочной, уксусной, лимонной, метаболизирующих с поглощением ионов водорода и др.),
в) избыток выведения ионов калия при повышенной секреции минералокортикоидов;
г) повышении парциального давления Компенсации этого явления достигают снижением легочной вентиляции
(задержка ), удалением гидрокарбонат-иона почками.
Дыхательный ацидоз – это некомпенсированное или частично компенсированное снижение рН в результате гиповентиляции из-за:
а) заболевания легких или дыхательных путей (пневмония, отек легких,
инородные тела в верхних дыхательных путях и т.д.);
б) повреждения (заболевания) дыхательной мускулатуры;
29