Глава 13. Кислотно-щелочное состояние.

Кислотно-щелочное состояние (кислотно-щелочное равновесие; кислотно-щелочной баланс; кислотно-основное равновесие) — одно из важнейших гомеостатических свойств внутренней среды организма, характеризующееся относительным постоянством соотношения водородных и гидроксильных ионов и определяющее оптимальный характер обменных процессов и физиологических функций.

Основой внутренней среды является вода, молекулы которой при диссоциации дают Н+ и ОН" ионы. Соотношение их концентрации определяет актуальную реакцию жидкостей, прежде всего крови.

Актуальной называют существующую в организме в данных условиях кислотность или щелочность внутренней среды. От актуальной реакции среды зависят условия функционирования большинства белков, так как электронейтральность белковой молекулы определяется ее изоэлектрической точкой, что прямо связано с кислотностью среды. Актуальная реакция среды определяет активность ферментов, для большинства из которых свойственны свои оптимальные значения реакции среды. Кислотно-щелочное состояние внутренней среды определяет в тканях направление и интенсивность процессов окисления и восстановления, расщепления и синтеза белков, углеводов и жиров, нуклеиновых кислот, активность витаминов и микроэлементов. Изменения актуальной реакции среды помимо метаболизма влияют и на функции клеток, органов и систем, например сердца и сосудов, нервной системы и мышц, легких и почек. Кислотно-щелочное состояние среды определяет и биофизические свойства клеток и молекул, например, проницаемость мембран и возбудимость, степень дисперсности коллоидов и пр.

В свою очередь, кислотно-щелочное состояние как интегральный параметр внутренней среды зависит от состояния клеточного метаболизма, газотранспортной функции крови, процессов питания и внешнего дыхания, водно-солевого обмена.

Внутриклеточная среда для большинства клеток нейтральна, т.к. это обеспечивает оптимальную возможность образования субстратферментных комплексов. Внеклеточная жидкость и кровь имеют слегка щелочную реакцию, что облегчает нейтрализацию и удаление из клеток кислых метаболитов и Н~ ионов.

528

13.1. Кислоты и основания внутренней среды. Общие представления о буферных растворах.

Кислотами называют вещества, способные при диссоциации в растворах выделять ион водорода (донаторы протона), а основаниями или щелочами — вещества, способные связывать ион водорода (акцепторы протона).

Вода в слабой степени диссоциирована на Н+ и ОН" ионы. При нейтральной реакции воды в ней имеется одинаковое количество Н+ и ОН ионов, при 22°С составляющее 10-7 каждого. Произведение Н+ и ОН ионов в водном растворе, независимо от того нейтральный, кислый он или щелочной, всегда одинаково и равно: 10-7 -10-7 =10-14 . Эта величина называется константой диссоциации воды, очевидно, что если концентрация водородных ионов - [Н+]- будет расти, то число ОН ионов -[ОН]- будет уменьшаться.

Поскольку актуальная реакция водного раствора зависит от соотношения [Н+] и [ОН], ее оценивать можно по одной из них, т.е., как это принято, по [Н+]. Таким образом, раствор с нейтральной реакцией имеет [Н+] =10-7, с кислой реакцией —[Н+]>10-7 , а со щелочной реакцией — [Н+]<10-7. Для оценки [Н*] используется отрицательный десятичный логарифм концентрации, который обозначается рН и называется водородным показателем. Таким образом рН = - log[H+]. Следовательно, для нейтрального раствора рН = 7, для кислотно <7, а для щелочного — >7.

В норме величина рН в различных жидких средах организма неодинакова, но ее колебания невелики, рН внутриклеточной, тканевой жидкости и крови относится к числу жестких гомеостатических констант. В табл. 13.1 приведены значения рН различных сред организма.

Кислоты образуются из принятой пищи и в результате межуточного обмена веществ. Процессы окисления в клетках обусловливают появление органических и минеральных кислот. Так, катаболизм

Таблица 13.1 Актуальная реакция жидкостей		организма
Наименование жидкостей		РН
Атериальная кровь		7,36-7,42
Венозная кровь		7,26-7,36
Цереброспинальная жидкость		7,4	-7,5
Межклеточная жидкость тканей		7,26-7,38
Тканевая жидкость мышц		6,7	—6,9
Поджелудочный сок		7,8	—8,4
Желчь печеночная		7,3	-8,0
Желчь пузырная		6,0	—7,0
Слюна		5,8	—7,8
Желудочный сок		1,4 —1,8
Сок тонкой кишки		7,5	-8,6
Сок толстой кишки		8,0	—9,0

529

сернистых аминокислот вызывает появление серной кислоты; фосфопротеины и нуклеопротеины ведут к образованию фосфорной и мочевой кислоты; липиды образуют свободные жирные кислоты; углеводы при окислении и гликолизе поставляют пировиноградную и молочную кислоту и т.п. Несмотря на то, что молочная кислота является органической, она довольно "сильная", т.к. ее рН при 26°С равен 3,73. Углекислый газ, образуемый как конечный продукт процессов окисления, также является кислотой, т.к. вместе с другим конечным продуктом окисления — водой — дает реакцию:

со2+н2о—>нгсо3—>H+нсо3.

Углекислота является слабой кислотой, но служит в свою очередь источником углекислого газа, удаляемого через легкие, поэтому она еще называется летучей кислотой. Другие органические и неорганические кислоты называют нелетучими. Летучей кислоты образуется намного больше (до 20 000 ммоль СО2), чем нелетучих кислот (около

100 ммоль).

Кислоты, как промежуточный этап метаболизма, являются биохимической необходимостью, характеризующей процессы жизнедеятельности клетки. При этом интенсивность образования кислот при метаболизме является одним из основных факторов, обеспечивающих поступление протонов во внутреннюю среду. Протоны, поступающие с пищей, играют в рН внутренней среды существенно меньшую роль. Содержание свободных водородных ионов зависит от интенсивности их связывания основаниями и выделения во внешнюю среду.

Основания поступают в организм преимущественно в растительной пище, богатой щелочными и щелочноземельными солями. Образуются щелочи и клетками организма, например, внешнесекреторными клетками поджелудочной железы, секрет которых очень богат ОН ионами.

Интенсивность образования кислот прямо связана с окислительновосстановительными реакциями клеток, обеспечением их кислородом. При ограничении обеспечения клеток кислородом или наличии кислородного долга из-за чрезмерной потребности в нем усиливаются или активизируются процессы анаэробного гликолиза. Появляющиеся

вклетках в избытке пировиноградная и молочная кислоты переходят

втканевую жидкость и кровь. Так происходит, например, при интенсивной мышечной работе за счет отставания возможности кислородного обеспечения от потребности в нем и повышении скорости гликолиза в сотни раз. Молочная кислота является причиной более низкого рН в тканевой жидкости скелетных мышц, чем в других тканях.

Однако, несмотря на поступление в кровь пировиноградной и молочной кислот, также как и других нелетучих и летучих кислот, рН крови практические не меняется. Это свидетельствует о наличии в организме мощных гомеостатических систем, поддерживающих константу рН. К их числу относят физико-химические (буферные системы внутренней среды, тканевые обменные процессы) и физиологические гомеостатические системы (легкие, почки, желудочнокишечный тракт, костная ткань).

530

Свободные Н+ ионы, концентрация которых определяется водородным показателем, составляют активную кислотность или активную реакцию водного раствора. Однако, не все кислоты в водном растворе диссоциируют полностью. Если кислоты образуют в растворе большое число недиссоциированных молекул и малое число Н-ионов, их называют "слабыми". При добавлении к раствору такой кислоты акцепторов протонов, т.е. оснований (ОН ионы), то свободные Н+ ионы будут связываться, образуя .воду. Молекулы слабой кислоты, оставшиеся недиссоциированными, начнут освобождать новые протоны, которые вновь будут связываться добавляемой щелочью. Так с помощью титрования щелочью можно добиться нейтральной реакции среды, когда все содержащиеся в слабой кислоте в связанном виде потенциальные ионы Н+ выйдут в раствор и свяжутся акцептором протона, т.е. основанием. Количество щелочи, использованное на нейтрализацию всех потенциально способных к выходу в раствор ионов Н+ при диссоциации, носит название титруемой кислотности. Очевидно, что для растворов сильных, т.е. полностью диссоциирующих кислот, активная и титруемая кислотности равны, а чем слабее кислота, тем больше титруемая кислотность превышает активную кислотность.

Если к водному раствору слабой кислоты прибавить щелочь, то часть свободных Н-ионов будет связана, но рН среды почти не изменится, т.к. новые молекулы слабой кислоты диссоциируя восполнят связавшееся число свободных Н-ионов. Следовательно раствор слабой кислоты уменьшает сдвиг активной кислотности при добавлении щелочи. Подобным же образом слабая щелочь смягчает изменение кислотности среды при добавлении кислоты. Такие растворы получили название буферных. Буферные растворы способны сглаживать смещение рН при добавлении к ним кислот или щелочей. Однако слабая кислота или слабая щелочь — это односторонние буфера, т.к. они проявляют свои буферные свойства только по отношению к одному из воздействий — либо кислотой, либо щелочью. Но можно создать и двустороннее направление буфера, и одновременно усилить сами буферные свойства раствора, если примешать к слабой кислоте соль той же кислоты.

Соль даже слабой кислоты диссоциирует почти полностью, т.е. дает наряду с ионом металла большое количество свободных анионов кислоты. Следовательно, в случае прибавления к слабой кислоте ее соли, увеличивается концентрация анионов и тем повышается скорость обратного соединения этих анионов с Н-ионами. Диссоциация кислоты угнетаечся и возрастает число потенциальных ионов Н+. Таким образом этот раствор окажет большее сопротивление изменению рН от прибавления щелочи, чем раствор только слабой кислоты. Но с другой стороны, и прибавление сильной кислоты тоже почти не изменит активную кислотность, так как Н-ионы, взаимодействуя с анионом слабой кислоты, приведут к образованию этой слабой кислоты, плохо диссоциирущей, особенно в присутствии соли. Торможение сдвига активной кислотности раствора возможно до тех пор, пока достаточно соли. Чем ее больше, тем ьыше со -

531

противление буфера по отношению к сильной кислоте, при этом одновременно сильнее угнетается и диссоциация образующейся слабой кислоты. С другой стороны, сопротивление буфера действию щелочи нарастает с увеличением концентрации слабой кислоты, т.е. с увеличением количества потенциальных Н-ионов. Следовательно, чем больше концентрация слабой кислоты и ее соли, тем буферность раствора, или как принято называть буферная емкость раствора больше (т.е. раствор может как бы вместить большее количество прибавляемой сильной кислоты или щелочи без выраженного изменения рН).

Поскольку буферная емкость является количественной характеристикой (мерой) буферных свойств раствора, ее принято измерять по количеству кислоты или щелочи, которое необходимо прибавить к буферному раствору, чтобы сместить его активную реакцию на 1 единицу рН.

Биологические жидкости обладают буферными свойствами не только благодаря наличию в них слабых кислот и солей этих кислот, но и за счет содержащихся в них амфотерных веществ или амфолитов, к числу которых относятся белки, пептиды и аминокислоты. В связи с тем, что активная реакция крови в норме является более щелочной, чем изоэлектрические точки большинства содержащихся в ней белков, все эти белки диссоциируют как кислоты. В связи с этим белки крови чаще всего присутствуют в виде солей натрия и калия (протеинатов).

13.2.Физикохимические гомеопатические механизмы.

К физико-химическим механизмам кислотно-щелочного гомеостазиса относятся буферные системы внутренней среды организма и тканевые гомеостатические обменные процессы.

Буферные системы внутренней среды организма. Основными бу-

ферными системами внутриклеточной, межклеточной жидкости и крови являются • бикарбонатная, - фосфатная и белковая буферная система, причем из последней для крови особо выделяют гемоглобин овый буфер.

Наибольшее значение для поддержания рН межклеточной жидкости и плазмы крови имеет бикарбонатная буферная система. Угольная кислота в плазме и межклеточной жидкости присутствует в четырех формах: физически растворенного углекислого газа (СО2), угольной кислоты (Н2СО,), аниона карбоната (СО32-) и аниона бикарбоната (НСО3). В условиях физиологического диапазона рН больше всего содержание бикарбоната, примерно в 20 раз меньше содержание растворенного углекислого газа и угольной кислоты, а ион карбоната практически отсутствует. Бикарбонат представлен в виде натриевых и калиевых солей. Как уже указывалось выше, константа диссоциации (К) есть отношение:

532

а для бикарбоната

Анион НСО3 является общим как для кислоты, так и для соли, а соль диссоциирует сильнее, поэтому этот анион, образуясь из бикарбоната, будет подавлять диссоциацию угольной кислоты, т.е. практически все количество аниона НСО3 в бикарбонатном буфере происходит из NaHCO3. Следовательно:

(формула Гендерсона, где К — константа диссоциации угольной кислоты). В связи с использованием отрицательного логарифма кон-

центрации, формула, названная уравнением Гендерсона-Гассгльбаха,

для бикарбонатного буфера приняла выражение:

При физиологических значениях рН отношение концентрации углекислоты к бикарбонату составляет 1/20 (рис.13.1).

Рис.13.1. Кислотно-щелочное состояние.

Весы изображают соотношение кислота/основание или дыхательная/недыхательная компоненты уравнения Гендерсона-Гассельбаха в норме (1/20) и его сдвиги, ведущие к смещению в сторону алкалоза или ацидоза.

533

В условиях взаимодействия бикарбонатного буфера с кислотами происходит их нейтрализация с образованием слабой угольной кислоты. Углекислый газ, появляющийся при ее разложении, удаляется через легкие. Избыток оснований, взаимодействуя с бикарбонатным буфером, связывается с угольной кислотой и приводит в конченом счете к образованию бикарбоната, излишки которого удаляются, в свою очередь, из .крови через почки.

Другой буферной системой плазмы крови является фосфатная буферная система. Она образована одно- и двузамещенными слоями фосфорной кислоты, где однозамещенные соли являются слабыми кислотами, а двузамещенные — имеют заметные щелочные свойства. Уравнение для фосфатного буфера следующее:

Двухосновной фосфатной соли содержится в плазме в 4 раза больше, чем кислой одноосновной. Общим анионом в этой системе является НРО4. Ее буферная емкость меньше, чем бикарбонатной, т.к. и фосфатов в крови содержится меньше, чем бикарбонатов. Принцип действия фосфатного буфера аналогичен бикарбонатному, хотя роль его в крови мала и, в основном, сводится к поддержанию концентрации бикарбоната при реакции буфера с избытком угольной кислоты. В то же время в клетках и, особенно, при почечной компенсации кислотно-щелочного сдвига, значение фосфатного буфера велико.

Третьей буферной системой крови, клеток и межклеточной жидкости являются белковая. Белки выполняют буферную роль из-за их амфотерности, а характер их диссоциации зависит от природы белка и актуальной реакции внутренней среды. При этом глобулины обладают более выраженной кислой диссоциацией, т.е. отщепляют больше протонов, чем гидроксильных ионов, и соответственно играют большую роль в нейтрализации щелочей. Белки, содержащие много диаминокислот, диссоциируют больше как щелочи, и поэтому в большей мере нейтрализуют кислоты. Буферная емкость белков плазмы крови сравнительно с бикарбонатной системой невелика, однако в тканях ее роль может быть очень высокой.

Наибольшую буферную емкость крови обеспечивает гемоглобиновая буферная система. Содержащаяся, в гемоглобине человека аминокислота гистидин (до 8,1%) имеет в своей структуре как кислые (СООН), так и основные (NH2) группы. Константа диссоциации у гемоглобина ниже, чем рН крови, поэтому гемоглобин диссоциирует как кислота. Оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем редуцированный гемоглобин. При диссоциации оксигемоглобина в капиллярах тканей с отдачей кислорода появляется большее количество щелочнореагирующих солей гемоглобина, способных связывать Н-ионы, поступающие из кислот тканевой жидкости, например, угольной кислоты. Оксигемоглобин обычно представляет собой калиевую соль. При взаимодействии кислот с калиевой солью оксигемоглобина образуется соответствующая калиевая соль кислоты и

534

свободный гемоглобин со свойствами очень слабой кислоты. Гемоглобин в тканевых капиллярах связывает углекислый газ за счет аминогрупп, образуя карбгемоглобин:

НВNH2+CO2 —»НВ- NHCOOH.

Для кислотно-щелочного гомеостазиса важное значение имеет также обмен анионов СГ и НСО3 между плазмой и эритроцитами. Если в плазме крови увеличивается концентрация углекислоты, то образующийся при диссоциации NaCl анион СГ входит в эритроциты, где образует КС1, а ион Na+, для которого мембрана эритроцита непроницаема соединяется с избытком НСО3 , образуя бикарбонат натрия, восполняя его убыль в бикарбонатном буфере. При снижении концентрации углекислоты в бикарбонатном буфере происходит обратный процесс — анионы С1 выходят из эритроцитов и соединяются с избытком Na+, освободившимся из бикарбоната, этим следовательно предотвращается ощелачивание плазмы.

Буферные системы плазмы крови и эритроцитов имеют разную относительную эффективность. Так, эффективность буферных систем эритроцитов выше (за счет гемоглобинового буфера), чем плазмы крови (табл. 13.2).

Известно уменьшение концентрации Н-ионов в направлении клетка — межклеточная среда — кровь. Это свидетельствует о том, что наибольшую буферную емкость имеет кровь, а наименьшую внутриклеточная среда. Образуемые в клетках при метаболизме кислоты поступают в межклеточную жидкость тем легче, чем больше их образуется в клетках, так как избыток Н-ионов повышает проницаемость клеточной мембраны. В буферных свойствах межклеточной среды играет роль соединительная ткань, особенно коллагеновые волокна, известные как "ацидофильные". На минимальное накопление кислот они реагируют набуханием, поглощая очень быстро кислоту и освобождая от Н-ионов межклеточную жидкость. Эта способность коллагена объясняется свойством абсорбции.

Таблица 13.2.

Относительная эффективность буферных систем крови

Плазма крови	%	Эритроциты	%
Бикарбонатный	357	Гемоглобиновый	35
Белковый	1	Бикарбонатный	184
Фосфатный		Фосфатный
Общая:	43%	Общая:	57%

Тканевые гомеостатические обменные процессы. Кислотно-

щелочное состояние поддерживается в пределах физиологических значений рН и путем метаболических превращений в тканях. Это достигается за счет совокупности биохимических и физико-химических процессов, которые обеспечивают: 1) потерю кислотных и щелочных свойств продуктов обмена веществ, 2) их связывание в средах, препятствующих диссоциации, 3)

535

образование новых, более легко нейтрализуемых и выводимых из организма соединений.

Так, например, органические кислоты могут соединяться с продуктами белкового обмена (бензойная кислота с глицином) и тем самым терять кислые свойства. Избыток молочной кислоты ресинтезируется в гликоген, кетоновых тел — в высшие жирные кислоты и жиры. Неорганические кислоты нейтрализуются солями калия, натрия, освобождающимися при дезаминировании аминокислот, аммиаком, образующим аммонийные соли. В опытах на собаках с удаленными почками (для исключения их роли) показано, что после внутривенного введения кислоты 43% ее количества нейтрализуется бикарбонатом плазмы крови, 36% нейтрализуются за счет клеточного натрия, а 15% — за счет выходящего из клеток калия. Основания нейтрализуются преимущественно молочной кислотой, образуемой из гликогена при ощелачивании микроокружения клеток.

В поддержании внутриклеточного рН играет роль обмен производных имидазола и его изомера пиразола. Особенности пятичленного кольца этих соединений определяют их амфотерные свойства, т.е. способность быть одновременно и донатором, и акцептором протонов. Имизадол способен очень быстро образовывать соли с сильными кислотами и щелочными металлами. Наиболее распространенным соединением имидазола является а-аминокислота гистидин, участвующая в кислотном и основном катализе.

Сильные кислоты и щелочи могут растворяться в липидах, обладающих низкой диэлектрической константой, что препятствует их диссоциации. Наконец, органические кислоты могуг подвергаться окислению с образованием летучей слабой угольной кислоты.

13.3.Физиологические гомеостатические механизмы.

Эта группа механизмов, включающая регуляторные функции легких, почек, желудочно-кишечного тракта, печени и костной ткани, обеспечивает нейтрализацию, связывание и выведение из организма Н+ и ОН" ионов в составе различных соединений, в зависимости от особенностей метаболизма и состояния буферных систем внутренней среды.

Легкие и кислотно-щелочное состояние. Процессы газообмена между кровью и окружающим воздухом, происходящие в легких, теснейшим образом связаны с регуляцией кислотно-щелочного состояния, поскольку внешнее дыхание — это основной путь удаления из крови летучей угольной кислоты. При физиологических условиях в покое в организме вырабатывается 10 ммоль/мин угольной кислоты, а выделяется через легкие 13 — 15 000 ммолей СО2 в сутки. Благодаря бикарбонатному буферу, образующиеся при метаболизме кислоты не вызывают закисления крови, а приводят к увеличению содержания СО2 в крови с последующим удалением через легкие.

536

Удаленный из плазмы углекислый газ немедленно восполняется за счет двух механизмов, происходящих в крови легочных капилляров. | Вопервых, образование оксигемоглобина ведет к распаду карбаминовой связи гемоглобина и освобождению СО2 из эритроцитов; вовторых, под влиянием карбангидразы, фермента, катализирующего в легких реакцию:

Н2СО3—»Н2О + СО2.

Количество выводимого из организма углекислого газа зависит от глубины и частоты дыхания, т.е. от альвеолярной вентиляции. Величина же альвеолярной вентиляции регулируется дыхательным центром, деятельность которого зависит или даже прямо определяется рН крови и парциальным напряжением СО2 (см.главу 8). Таким образом, усиление дыхания и альвеолярной вентиляции происходит при увеличении напряжения в крови СО2 и уменьшении рН. Нарастающее при этом удаление углекислоты приводит ее содержание в крови в соответствие с концентрацией бикарбоната. Следовательно, легкие выступают в роли физиологической гомеостатической системы не только выводящей избыток летучей кислоты, но и восстанавливающей емкость буферных систем, прежде всего бикарбонатной и гемоглобиновой.

При быстром поступлении во внутреннюю среду оснований происходит уменьшение вентиляции и количество выделяемого СО2 существенно падает. Концентрация углекислоты возрастает, уравнение Гендерсона-Гассельбаха восстанавливается и рН поддерживается на исходном уровне.

Почки и кислотно-щелочное состояние. Почки осуществляют выведение из внутренней среды организма нелетучих органических и неорганических кислот. Избыток кислот при этом может выводиться как в свободном состоянии, так и в виде нейтральных солей. Сильные неорганические кислоты выделяются из внутренней среды только через почки и только в связанной форме.

В физиологических условиях почки выделяют кислую мочу, рН которой колеблется от 5 до 7. Однако, в зависимости от кислотнощелочного состояния внутренней среды, моча может быть более кислой (рН=4) или даже щелочной (рН=8).

Участие почек в регуляции кислотно-щелочного состояния внутренней среды обеспечивается совокупностью взаимосвязанных процессов, происходящих в структурах нефрона. К их числу относятся: 1) секреция водородных ионов в мочу клетками канальцевого эпителия, 2) образование в клетках эпителия канальцев ионов бикарбоната, больше или меньше всасываемого в кровь, 3) образование и диффузия в мочу аммиака, образующего ион аммония, присоединяя Н-ион, 4) реабсорбция (обратное всасывание) профильтровавшихся в мочу оснований, прежде всего бикарбоната, пополняющих резерв в крови, 5) фильтрация в первичную мочу из плазмы крови соединений, обладающих кислыми или щелочными свойствами, 6) обмен ионов Сl, Na+, K+, фосфатов, сульфатов и двухвалентных катионов (Са+ Mg+).

537

Важнейшую роль в способности почек к выделению кислой мочи играет секреция водородных ионов клетками эпителия проксимальных и дистальных канальцев. Эта способность обусловлена наличием в клетках фермента карбангидразы, обеспечивающего образование из СО2 и Н2О угольной кислоты, с последующей диссоциацией: Н2О +

СО2 —»Н2СО3 —»Н+ + НСО3 Ион водорода активно декретируется с затратой энергии через

апикальную мембрану клетки эпителия в просвет канальца, а из канальцевой мочи в клетку диффундирует ион натрия, обеспечивая равновесие электрических разрядов. Из клетки, уже через базальную мембрану Na+ активно с помощью Na-К-насоса удаляется в интерстиций и кровь, туда же пассивно по градиенту концентрации поступает НСО3, образуя бикарбонат натрия. Следовательно, секреция Н-ионов обеспечивает обратное всасывание бикарбоната и натрия. Причем основная часть секретируемых ионов водорода тратится именно на обеспечение реабсорбции бикарбоната. Так, секретируемый Н+-ион в просвете проксимального канальца взаимодействует с профильтровавшимся в мочу из плазмы ионом бикарбоната (в сутки около 5000 ммоль), образуя угольную кислоту. Под влиянием фермента карбангидразы, встроенного в мембрану щеточной каемки клеток эпителия канальца, угольная кислота разлагается на СО2 и воду:

карбангидраза

Н++НСО,—>Н2СО3------------------------------------>СО2+Н2О

Молекулы углекислого газа легко диффундируют в клетки, где реакция катализируется в обратном направлении. Таким образом, на суточную реабсорбцию до 5000 ммоль бикарбоната расходуется эк вивалентное количество секретированных ионов водорода. Выделя ется же с мочой только 60 ммоль/сутки ионов водорода, преиму щественно в связанном виде.

Наибольшая часть секретированных канальцами Н-ионов (65-75%) участвуют в процессе аммониогенеза, обеспечивающего выведение анионов сильных неорганических и органических кислот, в виде аммонийных солей. Клетки проксимальных и дистальных почечных канальцев, благодаря процессам дезаминирования и дезамидирования аминокислот, образуют аммиак. Основным источником является глутамин, который дезаминируется под влиянием фермента глутаминазы, 40% аммиака образуется из аминокислот аланина и глицина. Аммиак, благодаря высокой растворимости в липидах, легко диффундирует в просвет канальца, где присоединяет секретированные Н- ионы и образует ион аммония: NH3 + Н+—>NH4+. Ионы аммония вытесняют натрий из соединений с анионами сильных кислот, натрий реабсорбируется, а анионы кислот в виде аммонийных солей выделяются с мочой.

Содержащиеся в крови кислые и щелочные компоненты буферных систем, например, одно- и двухосновной фосфаты, бикарбонат, а также слабые органические кислоты — молочная, лимонная, (3-ок- симаслянная и др., также как и анионы сильных неорганических кислот (Сl, SO4 ), фильтруются из плазмы крови в первичную мочу.

538

Часть из них реабсорбируется в проксимальных канальцах, особенно существенно бикарбонат (до 80-90%), мочевая кислота (более 90%). Но наряду с обратным всасыванием, многие из указанных веществ, особенно органические кислоты и основания (холин), активно секретируются клетками канальцевого эпителия. Таким образом, уровень этих веществ в моче определяется соотношением трех основных процессов: клубочковой фильтрации, реабсорбции и секреции в канальцах.

Секретированные в мочу водородные ионы участвуют в образовании титруемых кислот мочи. Основную роль при этом играют фосфаты. Поскольку в плазме крови в 4 раза больше двуосновных фосфатов, поэтому и в первичную мочу их фильтруется соответственно больше. Под воздействием секретированного эпителием канальца Н-иона происходит перевод двуосновного фосфата в одноосновный, путем ионного обмена протона на натрий:

Na2HPO4+H+—»NaHPO4+Na+

Освобождаемый ион Na+ реабсорбируется. Таким образом этот процесс способствует сохранению натрия и удалению избытка Н+- ионов.

Многие органические кислоты содержатся в плазме крови в виде солей и фильтруясь в клубочках поступают в первичную мочу. Под воздействием секретированных Н-ионов происходит образование свободных слабых, т.е. плохо диссоциирующих, кислот, также составляющих титруемую кислотность мочи. Титруемой кислотностью мочи называют сумму Н-ионов слабых кислот и солей, определяемую путем титрования мочи щелочью до величины рН, равной рН крови. Эта величина показывает, насколько больше водородных ионов содержится в моче по сравнению с плазмой крови.

В клетках эпителия дистальных отделов нефрона кроме описанной выше секреции водородных ионов происходит секреция ионов К+, при этом ионы Н+ и К+ конкурируют в обмене на Na В связи с этим выведение калия и протона может изменяться противоположно друг другу. Так, при избытке водородных ионов секреция калия снижается, а при недостатке — возрастает. Напротив, избыток К снижает секрецию водородных ионов, а недостаток К повышает ее. Недостаток калия стимулирует и синтез аммиака в эпителиальных клетках канальцев для выведения избытка Н-ионов в виде аммонийных солей. Однако, секреция протонов и калия связана с транспортом натрия и меняется пропорционально сдвигам реабсорбции натрия. При снижении дистальной реабсорбции натрия соответственно снижается секреция Н+ и К+ ионов, напротив, усиление всасывания натрия в дистальных канальцах приводит к повышению секреции калия и водородных ионов.

При поступлении в кровь избытка кислот или оснований компенсация сдвига кислотно-щелочного состояния прежде всего осуществляется буферными системами крови, дыхательная компенсация формируется через 16-18 часов, а почечная компенсация развивается еще медленнее — спустя 2- 3 суток. При этом почечные механизмы обладают значительной инерционностью и даже после уда-

539

ления из организма избытка кислот или оснований возвращение к исходному кислотно-щелочному состоянию продолжается также около 2- 3 суток.

Желудочно-кишечный тракт, печень, костная ткань и кислотно-

щелочное состояние. Характер питания человека и особенности пищеварения в значительной мере сказываются на кислотнощелочном состоянии его внутренней среды. В пищевых продуктах растительного происхождения содержится большое количество солей органических кислот (щавелевой, яблочной, лимонной, янтарной и др.), после окисления которых приведения кислотных валентностей с углекислотой через легкие остаются и накапливаются связанные с катионами щелочные валентности. Поэтому растительная пища способствует ощелачиванию внутренней среды, соответственно, основания в большем количестве выводятся с мочой, что увеличивает рН мочи и она может приобретать щелочную реакцию. Белковая пища животного происхождения способствует закислению внутренней среды, так как в составе животных белков содержатся сера и фосфор, что приводит к образованию сильных неорганических кислот. Повышенное выведение их с мочой приводит к снижению рН мочи и она приобретает резко кислую реакцию. Всасывание в желудочнокишечном тракте кислот или щелочей, содержащихся в различных напитках, в том числе алкогольных и минеральных водах, также приводит к изменению кислотно-щелочного состояния внутренней среды.

Сравнительное небольшую роль в регуляции кислотно-щелочного состояния играют функции желудка и кишечника. Париетальные клетки слизистой желудка секретируют соляную кислоту. Водородные ионы образуются в клетках под влиянием карбангидразы, как это описывалось выше для клеток канальцевого эпителия почек, анион хлора поступает в клетки из хлористого натрия крови путем обмена на бикарбонат. Однако при этом ощелачивания крови не происходит, т.к. Сl желудочного сока в кишечнике всасывается обратно в кровь. Значительное количество бикарбонатов поступает в кишечник в составе сока поджелудочной железы и кишечного сока. При этом ионы Н+ всасываются в кровь. Обратное всасывание претерпевают и бикарбонатные ионы, поэтому сдвигов кислотнощелочного состояния крови не происходит. При кислой диете увеличивается выделение двухвалентных катионов Са++ и Mg+, a при щелочной — и одновалентных катионов. Хотя значение желудочно-кишечного тракта в физиологической регуляции кис- лотно-щелочного состояния очень невелико, тем не менее при изменениях, а тем более нарушениях функций желудка и кишечника неизбежно происходят сдвиги и кислотно-щелочного состояния. Стойкое и резкое повышение кислотности желудочного сока может вести к увеличение щелочного резерва крови. Частая рвота, особенно при непроходимости кишечника, вызывая потерю Н+-ионов и хлоридов вызывает резкие сдвиги в крови, требующие обязательной врачебной коррекции.

540

Впечени происходит утилизация молочной кислоты с образованием гликогена, здесь разрушаются кетоновые тела (ацетоуксусная и бета-оксимасляная кислоты), происходят разнообразные метаболические превращения органических кислот и оснований. Образуя желчь с разной степенью щелочной реакции печень способствует удалению из внутренней среды разных количеств оснований.

Внейтрализации кислот существенную роль играет костная ткань, поскольку в ней связано огромное количество катионов и фосфата.

13.4.Основные физиологические показатели кислотно-щелочного состояния.

Кислотно-щелочное состояние внутренней среды характеризуют следующие показатели: актуальный рН; парциальное напряжение углекислоты; актуальный бикарбонат крови; стандартный бикарбонат крови; буферные основания крови; избыток или дефицит буферных оснований крови.

Актуальный рН — фактическая величина отрицательного логарифма концентрации водородных ионов плазмы артериальной крови, измеренная при 38°С. Физиологические пределы колебаний от 7,35 до 7,45. Значение рН крови соответствует рН внеклеточной жидкости.

Парциальное напряжение углекислоты (РCO2) - парциальное дав-

ление углекислого газа над кровью находящегося в равновесии с растворенным СО2 в артериальной крови при 38°С. В физиологических условиях PCO2 в покое составляет в среднем 40 мм рт.ст. с пределами колебаний от 35 до 45 мм рт.ст. Крайние отклонения при паталогии составляют диапазон 10-130 мм рт.ст. При произвольной задержке дыхания напряжение углекислоты может достигать 90 мм, а при произвольной гипервентиляции — снижаться до 20 мм рт.ст.

Актуальный бикарбонат крови — истинная концентрация бикар-

бонатного аниона (НСО3 ) при фактическом состоянии плазмы артериальной крови в кровеносном русле. Раньше показатель называли "щелочной резерв" крови. В физиологических условиях равен 22-25 ммоль/л.

Стандартный бикарбонат крови — содержание бикарбонатного аниона в плазме крови при стандартных условиях, т.е. полном насыщении гемоглобина кислородом, уравновешивании с газовой средой имеющей РCO2—40 мм рт.ст. и 38 С. Этот показатель важен для клинической диагностики, т.к. отражает только метаболические, не связанные с дыханием, сдвиги кислотнощелочного состояния крови. У здоровых людей стандартный бикарбонат не отличается от актуального.

Буферные основания (БО) крови — общая сумма концентрации всех анионов цельной крови, обладающих буферными свойствами при условии полного насыщения крови кислородом, 38°С и PCO2= 40 мм рт.ст. В физиологических условиях величина БО составляет п среднем 41,7+0,043 НЬ ммоль/л, где НЬ — концентрация гемогло-

541

бина в г/л. Пределы колебаний показателя в норме от 46 до 52 ммоль/л.

Избыток буферных оснований (ИБО) — является наиболее важ-

ным метаболическим параметром кислотно-щелочного состояния крови, Этот показатель характеризует разницу между фактической величиной буферных оснований крови, найденных у исследуемого человека, и значением БО, определенным в стандартных условиях. Найти значение этого параметра можно путем титрования крови, — он показывает сколько миллимолей кислоты (или щелочи) следует прибавить к 1 литру артериальной крови для доведения ее рН к 7,4 в стандартных условиях: температуре крови 38°С, PCO2=40 мм рт.ст., 100% насыщении крови кислородом, содержании гемоглобина =150 г/л, концентрации протеинов в плазме =70 г/л. Однако, ввиду технической сложности и трудоемкости такого титрования, на практике этот параметр находят по специальным номограммам. Если число буферных оснований в исследуемой крови оказывается выше, чем стандартный показатель БО, параметр ИБО обозначается со знаком +, а если ниже — со знаком минус и тогда получаемое значение нередко называют дефицит буферных оснований. Физиологический диапазон колебания ИБО в артериальной крови составляет от -2 до +2. В условиях патологии пределы сдвига ИБО значительно шире:

от -30 до +30.

13.5.Основные изменения кислотнощелочного состояния.

Кислотно-щелочное состояние внутренней среды принято характеризовать по содержанию в ней количества водородных ионов, зависящего от поступления и выделения, т.е. баланса. В этой связи выделяют две формы сдвига кислотно-щелочного состояния: ацидоз и алкалоз. Ацидоз — это сдвиг кислотно-щелочного состояния в связи с положительным балансом водородных ионов, т.е. при накоплении Н-ионов в крови. Алкалоз — это сдвиг кислотно-щелоч- ного состояния в связи с отрицательным балансом водородных ионов, т.е. при уменьшении Н-ионов в крови.

Исходя из формулы ГедерсонаГассельбаха, концентрация водородных ионов определяется, во-первых, [Н2СО3] или РCO2, выводимого в большей или меньшей степени через легкие, что позволяет называть числитель формулы — дыхательной или респираторной компонентой. Во-вторых, -содержание Н-ионов определяется концентрацией бикарбоната (НСО3 ), не выделяемого через легкие, что дает основание называть знаменатель формулы — недыхательной или нереспираторной компонентой. Иногда эту компоненту называют метаболической, но это не совсем верно, т.к. сдвиг уровня бикарбоната в крови происходит не только при изменениях метаболизма, но и при изменениях выделения через почки, желудочно-кишечный тракт или поступлении в организм извне.

Таким образом, как ацидозы, так и алкалозы можно представить в двух видах: 1) дыхательные или респираторные и 2) недыхателъ-

542

ные или нереспираторные (рис. 13.1). При дыхательных сдвигах изменяется концентрация углекислоты (повышается при ацидозе и снижается при алкалозе), а при недыхательных — бикарбоната, т.е. основания (снижается при ацидозе, повышается при алкалозе). Однако, нарушения баланса водородных ионов не обязательно приводят к сдвигу уровня свободных Н+-ионов, т.е. рН, поскольку буферные системы и физиологические гомеостатические системы компенсируют изменения баланса водородных ионов. Компенсацией называют процесс выравнивания нарушения, путем изменения в той системе, которая не была нарушена. То есть дыхательные нарушения компенсируются сдвигами в недыхательной компоненте и, наоборот, сдвиги уровня бикарбоната компенсируются изменениями дыхательной компоненты, т.е. выведения углекислоты.

В зависимости от степени эффективности компенсации возможны три вариант сдвигов кислотно-щелочного состояния: некомпенсированные (отчетливый сдвиг рН<7,29 или >7,56), частично компенсированные (рН<7,35 или >7,45, отмечается избыток иди дефицит буферных оснований), компенсированные (сдвига рН нет /7,35- 7,45/ , благодаря полной компенсации изменившегося баланса водородных ионов) (рис. 13.1).

Определение характера сдвига кислотно-щелочного состояния

вслучаях компенсированных ацидоза или алкалоза требует специального расширенного исследования. Выявление частично компенсированных и некомпенсированных сдвигов может быть осуществлено путем сопоставления трех параметров: рН, дыхательной и недыхательной компонент баланса, как это показано

втабл.13.3.

Таблица 13.3 Сдвиги основных параметров кислотно-щелочного состояния при ацидозах и алкалозах

У здоровых людей дыхательный ацидоз может возникать при длительном пребывании в среде с повышенным содержанием угле-

54

3

кислого газа, например, в замкнутых помещениях малого объема, шахтах, подводных лодках. Недыхательный ацидоз у здоровых людей бывает при длительном употреблении кислой пищи, углеводном голодании, усиленной мышечной работе, особенно у нетренированных людей.

Дыхательный алкалоз формируется у здоровых людей при нахождении в условиях сниженного атмосферного давления и, соответственно, парциального давления СО2, например, при пребывании высоко в горах, полетах в негерметизированных летательных аппаратах. Гипервентиляция легких также способствует потере двуокиси углерода и дыхательному алкалозу.

Недыхательный алкалоз развивается у здоровых людей при длительном приеме щелочной пищи или минеральной воды типа "Боржоми".

Следует подчеркнуть, что все случаи возникновения сдвигов кис- лотно-щелочного состояния у здоровых людей обычно являются полностью компенсированными. В условиях патологии ацидозы и алкалозы встречаются значительно чаще и, соответственно, чаще бывают частично компенсированными или даже некомпенсированными, требующими искусственной коррекции. Из всех нарушений кислотно-щелочного состояния наиболее частым и грозным в клинике является метаболический ацидоз. Он возникает как следствие нарушений кровообращения и кислородного голодания тканей, избыточного анаэробного гликолиза и катаболизма жиров и белков, нарушения выделительной функции почек, избыточной потери бикарбоната при заболеваниях желудочно-кишечного тракта и др.

Снижение рН крови до 7,0 и меньше приводит к резким нарушениям деятельности центральной нервной системы (потеря сознания, кома), кровообращения (расстройства возбудимости, проводимости и сократимости миокарда, фибрилляция желудочков, снижение сосудистого тонуса и артериального давления) и угнетению дыхания, что может вести к смерти. В связи с этим, накопление водородных ионов при дефиците оснований определяет необходимость коррекции с помощью введения бикарбоната натрия, восстанавливающего преимущественно рН внеклеточной жидкости. Однако для удаления избытка углекислоты, образуемой при связывании Н- ионов бикарбонатом, требуется гипервентиляция легких. Поэтому при дыхательной недостаточности применяют буферные растворы (трисбуфер), связывающие избыток Н+ внутри клеток. Коррекции также подлежат сдвиги баланса Na% K+, Ca++ Mg++, Сl, обычно сопровождающие ацидозы и алкалозы.

544