Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

жение и значение константы диссоциации для угольной кисло­ ты в физиологических условиях отличается от стандартного зна­ чения.

Физиологические условия:

Вследствие малой растворимости углекислого газа в плазме крови общую концентрацию угольной кислоты (донора протона) в уравнении Гендерсона - Хассельбаха можно выразить через произведение двух величин: парциального давления р(СС>2), ко­ торое измеряют экспериментально, и коэффициента раствори­ мости С(>2 в жидких средах организма з, который в физиологи­ ческих условиях равен 0,033. Тогда формула для расчета зна­ чения pH гидрокарбонатной системы принимает вид:

Угольная кислота при физиологическом значении pH = 7,40 находится преимущественно в виде моноаниона, а отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной сис­ теме крови [Н С0з]/[С02] = 20 : 1 . Следовательно, гидрокарбо­ натная система имеет буферную емкость по кислоте значитель­ но больше буферной емкости по основанию. Это отвечает осо­ бенностям метаболизма нашего организма.

Если в кровь поступает кислота и увеличивается концен­ трация иона водорода, то он, взаимодействуя с НСО3 , смещает равновесие в сторону Н2СО3 и приводит к выделению газооб­ разного СО2, который выводится из организма в процессе ды­ хания через легкие:

Н+ + НСО3 — ^ н 2с о 3 —^ C02t + Н20

При поступлении в кровь оснований, они связываются угольной кислотой, и равновесие смещается в сторону НСО3 :

Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот. Он является системой быстрого и эффек­ тивного реагирования, так как продукт его взаимодействия с ки­ слотами - углекислый газ - быстро выводится через легкие. На­ рушение кислотно-основного равновесия в организме прежде всего компенсируется с помощью гидрокарбонатной буферной системы

198

(за 10-15 мин). При этом изменяется отношение [НСОз]/[Н2СОз]. Затем, за счет изменения объема легочной вентиляции, восста­ навливается в течение 10-18 ч отношение [НСОз]/[Н2С03], со­ ответствующее норме. Гидрокарбонатный буфер является ос­ новной буферной системой плазмы крови, обеспечивающей около 55 % от всей буферной емкости крови. Гидрокарбонатный бу­ фер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.

Гидрофосфатная буферная система содержится как в кро­ ви, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно по­ чек. В клетках она представлена К 2НР04 и КН2Р 04, а в плазме крови и межклеточной жидкости Na2H P04 и NaH2P 04. Роль донора протона в этой системе играет ион Н2Р 04, характери­ зующийся в физиологических условиях рКа = 6 ,8 , а акцептора протона - ион НРО|~. Работа фосфатной буферной системы описывается уравнением буферного действия:

pH = 6,8 + 1g ([НР02-]/[Н2Р04])

В норме отношение форм [НР0|~]/[Н2Р 04] = 4 : 1 . Следова­ тельно, и эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. При увеличении концентрации ка­ тионов Н+ во внутриклеточной жидкости, например в резуль­ тате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО|“ :

Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины pH мочи. При увеличении концентрации оснований в организме, например при употреб­ лении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н2Р 04:

ОН" + H2P0J ^ HPOf + Н20

Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом pH мочи повышается. Выведение тех или иных ком­ понентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал зна­ чений pH мочи - от 4,8 до 7,5. В отличие от гидрокарбонатной, фосфатная система более “консервативна” , так как избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки и полное вос­ становление отношения [НР0|“]/[Н 2Р 04] происходит только через 2 -3 сут. Длительности легочной и почечной компенсации на­ рушений отношения компонентов в буферных системах необхо­ димо учитывать при терапевтической коррекции нарушений ки­ слотно-основного равновесия организма.

Гемоглобиновая буферная система является сложной бу­ ферной системой эритроцитов, которая включает в качестве до­ нора протона две слабые кислоты: гемоглобин ННЬ и оксигемоглобин ННЬ02. Роль акцептора протона играют сопряженные

199

этим кислотам основания, т. е. их анионы H tf и НЬ02. Механизм буферного действия этой системы основан на следующих реак­ циях:

При добавлении кислот поглощать ионы Н+ в первую очередь будут анионы гемоглобина, которые имеют большее сродство к протону. При действии основания оксигемоглобин будет прояв­ лять большую активность, чем гемоглобин:

ОН +ННЬ02 ^ НЬ02 + Н20 О Н +Н Н Ь ^ НЬ + Н 20

Таким образом, гемоглобиновая система крови играет значи­ тельную роль сразу в нескольких важнейших физиологических процессах организма: дыхании, транспорте кислорода в ткани и поддержании постоянства pH внутри эритроцитов, а в конечном итоге - в крови. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами крови.

Белковые (протеиновые) буферные системы в зависимости от кислотно-основных свойств белка, характеризующихся его изоэлектрической точкой, бывают анионного и катионного типа.

Анионный белковый буфер работает при pH > р /белка и состоит из донора протонов - молекулы белка HProt, имеющей бипо­ лярно-ионное строение, и акцептора протонов - аниона белка (Prot)- . Протолитическое равновесие в этой сопряженной ки­ слотно-основной паре отражается следующим образом:

При добавлении кислоты это равновесие смещается в сторону об­ разования молекулы белка, а при добавлении основания в сис­ теме увеличивается содержание аниона белка.

Катионный белковый буфер работает при pH < р /белка и состо­ ит из донора протона - катиона белка (H2Prot)+ и акцептора про­ тона - молекулы белка HProt. Протолитическое равновесие в этой сопряженной кислотно-основной паре отражается так:

Катионная белковая буферная система HProt, (H2Prot)+ обычно поддерживает величину pH в физиологических средах с pH < 6 , а анионная белковая буферная система (Prot)- , HProt - в средах с pH > 6 . В крови работает анионный белковый буфер.

Взаимодействие буферных систем в организме. Все буфер­ ные системы в организме взаимосвязаны. Рассмотрим это вза­ имодействие на уровне плазмы и эритроцитов крови. Протоли­

200

тические буферные системы крови состоят из нескольких сис­ тем, состав и механизм действия которых уже рассмотрен. Вклад каждой из них в поддержание pH крови у человека раз­ личен и указан в табл. 8.3.

Таблица 8.3

Относительный вклад буферных систем крови в поддержание в ней

Когда кровь попадает в легкие, где давление кислорода при вдохе достаточно велико, она обогащается кислородом за счет свя­ зывания его в эритроцитах гемоглобином ННЬ с образованием оксигемоглобина ННЬОз- (Строение гемоглобина и его производ­ ных рассмотрено в разд. 10.4.) Оксигемоглобин, как кислота, дис­ социирует легче, чем гемоглобин, анион которого, связывая кати­ он Н+, поддерживает pH в эритроците. Поскольку ННЬ(>2 в крови легких много и по силе эта кислота (piTa(HHb0 2 ) = 6,95) сопоста­ вима с угольной кислотой (р/£я(Н2СОз) = 6 ,1), то за счет ННЬОз и при участии фермента карбоангидразы в легких параллельно происходит процесс очищения крови от летучей кислоты СО2, которая в эритроцитах находится в виде НСО§ и аниона карбаминогемоглобина (НЬ •СО2)- , а в плазме - в виде НСО3 и в рас­ творенном состоянии (СО2 •Н2О). Процессы, происходящие в эритроцитах легочной крови, можно отразить следующими ре­ акциями:

Вдох: ННЬ + 0 2 ^ Н Н Ь 02 ^ Н + + НЬО^

Уменьшение концентрации НСО3 в эритроцитах легочной кро­ ви приводит к диффузии НСО3 из плазмы в эритроцит. Вслед-

201

ствие этого плазма очищается от гидрокарбонат-аниона и рас­ творенного С02 (С02 •Н20), так как переход НСО3 в эритроцит способствует следующим превращениям в плазме:

Поступление НСО3 в эритроциты приводит к удалению из них хлорид-анионов (для соблюдения электронейтральности этих кле­ ток). Следует подчеркнуть, что протеканию всех приведенных реакций способствуют два физиологических процесса: вдох - поступление кислорода в кровь - и выдох - выделение из крови "летучей кислоты" С02.

Обогащенная кислородом артериальная кровь, содержащая оксигемоглобин на 65 % в ионизированном состоянии (НЬ02), а гемоглобин - на 10 % (НЬ- ), поступает в ткани, которые стре­ мятся получить кислород и отдать в кровь продукты метабо­ лизма: С02 и избыток катионов Н+. Это приводит к протеканию следующих процессов: поступающий в кровь С02 растворяется в плазме и эритроцитах и, реагируя с водой, образует угольную кислоту. В плазме эта реакция идет медленно, а в эритроцитах - быстро, за счет участия фермента карбоангидразы. Поэтому С02 интенсивно диффундирует в эритроциты, где происходит его связывание с образованием Н2СОз, а также карбаминогемоглобина (НЬ •С02)~ в результате взаимодействия с буферным осно­ ванием эритроцитов НЬ- , при котором С02 связывается с ами­ ногруппами белка (глобина). Образовавшаяся в эритроцитах Н2СОз, как более сильная кислота, реагирует с другим буфер­ ным основанием - НЬ02, переводя его в неионизированное со­ стояние. ННЬ02, а сама превращается в НСО3 , который диф­ фундирует в плазму. Неионизированный оксигемоглобин легко отдает тканям необходимый кислород. Эти процессы в эритро­ цитах описываются следующими реакциями:

Таким образом, в тканях из эритроцитов в плазму постоян­ но поступает НСО3 , а из плазмы в эритроциты для соблюдения их электронейтральности диффундируют протолитически неак­ тивные хлорид-анионы. В результате встречной диффузии этих ионов в эритроците среда менее щелочная (pH = 7,25), чем в плазме (pH = 7,40).

В плазму крови из тканей поступают метаболический Н+ и С02, а из эритроцитов - НСО3 . Буферные основания плазмы - гидрокарбонат-анион НСО3 , анион белка (Prot)- и гидрофосфатанион НРО|- , реагируя с поступающими кислотными субстра­

202

тами Н+, С(>2 •Н2О и Н 2СО3, нейтрализуют их благодаря сле­ дующим реакциям:

ПЛАЗМА КРОВИ В ТКАНЯХ

Влегких кровь очищается от НСО3 за счет превращения его

вСО2 и удаления из организма. Нейтрализация кислых про­ дуктов HProt и Н9РО4 в соответствующие им буферные основа­ ния (Prot)- и НРО|- происходит при очищении крови в почках, при этом часть фосфатов удаляется с мочой.

Совокупность рассмотренных процессов, происходящих в эри­ троцитах и плазме крови, обеспечивает протекание двух важней­ ших физиологических процессов - поддержания pH крови на уровне pH = 7,35 -ь 7,45, несмотря на постоянное поступление в нее из тканей СО2 и катионов Н+, и дыхания - поступления в кровь и транспорта ею кислорода и СО2. Транспорт кислорода из легких в ткани в основном осуществляется за счет образова­

ния в эритроцитах оксигемоглобина (ННЬОз), при этом 1 0 0 мл крови транспортируют 21 мл газообразного кислорода. Углекис­ лый газ транспортируется кровью из тканей в легкие в следую­ щих формах: НСО3 - 80 % , (НЬ •СО2)- - 15 % и (С02 •Н2О), т. е. в растворенном виде, — 5 % . При этом около двух третей обще­ го количества СО2 находится в плазме, а одна треть - в эритро­ цитах. Однако в процессе переноса СО2 от тканей к легким поч­ ти весь С02 крови должен пройти через эритроциты, т. е. войти в эритроциты и выйти из них.

Все буферные системы организма характеризуются отноше­ нием [акцептор протона]/[донор протона] « 4 -ь 20, т. е. их бу­ ферная емкость по кислоте больше, чем буферная емкость по основанию. Это отношение находится в соответствии с особен­ ностями метаболизма человеческого организма, образующего больше кислотных продуктов, чем основных. Поэтому очень важным показателем для физиологических сред является ки­ слотная буферная емкость Ва. При заболеваниях органов дыха­ ния, кровообращения, печени, желудка, почек, при отравлени­ ях, голодании, диабете, ожоговой болезни и т. п. может наблю­ даться уменьшение или увеличение Ва по сравнению с нормой, т. е. патологические явления: ацидоз и алкалоз.

Ацидоз - это уменьшение кислотной буферной емкости «физиологической системы по сравнению с нормой.

II Алкалоз - это увеличение кислотной буферной емкости || физиологической системы по сравнению с нормой.

203

Причинами ацидоза и алкалоза могут быть или увеличение содержания кислот, или уменьшение содержания буферных оснований в системе по сравнению с нормой.

Ацидоз или алкалоз могут быть экзогенного и эндогенного характера. Экзогенный ацидоз возникает при употреблении пи­ щи с избыточным содержанием кислот (лимонной, бензойной, уксусной), а также лекарственных средств, трансформация кото­ рых в организме способствует понижению pH среды. Экзогенный алкалоз в основном возникает при поступлении в организм ле­ карств или других веществ, способствующих повышению pH среды, например соды, ацетата калия. Эндогенный ацидоз или алкалоз возникает при нарушении протолитического баланса в организме вследствие нарушения соотношений скоростей синтеза

ивыведения тех или иных кислот или оснований.

Взависимости от глубины патологических изменений разли­ чают компенсированный и некомпенсированный ацидоз (алкалоз). При компенсированном ацидозе (алкалозе), несмотря на откло­ нения от нормы кислотной буферной емкости, pH крови сохра­ няет значение в пределах 7,35 < pH < 7,45. Некомпенсированный ацидоз сопровождается уменьшением кислотной буферной емко­ сти и снижением pH крови (6 ,8 < pH < 7,35), а некомпенсиро­ ванный алкалоз - увеличением кислотной буферной емкости и повышением pH крови (7,45 < pH < 7,9). Снижение pH крови по сравнению с нормой называется ацидемией, а повышение pH крови - алкалемией. Изменение значения pH крови на 0,6 еди­

ницы в любую сторону приводит к летальному исходу.

Для характеристики кислотно-основного состояния крови в физиологии и медицине используются следующие метаболиче­ ские показатели: величина pH плазмы и цельной крови, парци­ альное напряжение (давление) углекислоты р(С02), содержание гидрокарбоната в плазме крови, содержание буферных основа­ ний в плазме крови ВВ, избыток или дефицит буферных осно­ ваний в крови BE.

Величина pH плазмы крови - фактическая величина водо­ родного показателя плазмы артериальной крови при 37 °С. Фи­ зиологические пределы 7,35 < pH < 7,45.

Парциальное напряжение углекислоты р(С02) - парциаль­ ное давление С02 над кровью, находящейся в равновесии с рас­ творенным в плазме С02 при 37 °С. В физиологических условиях р(С02) = (40 ± 5) мм рт. ст. (5,3 кПа). Предельные значения пар­ циального давления С02 составляют при алкалозе 10 мм рт. ст., а при ацидозе 130 мм рт. ст.

Содержание гидрокарбоната в плазме крови в норме с(НСОз) = = (24,4 ± 3) ммоль/л.

Содержание буферных оснований в плазме крови (ВВ) -

нормальное значение для плазмы ВВ = (42 ± 3) ммоль/л.

Избыток или дефицит буферных оснований в крови BE ха­ рактеризует разницу между фактическим содержанием буферных оснований в крови у исследуемого человека и значением ВВ в

204

норме, равным 42 ммоль/л. В норме BE равен ±3 ммоль/л. При патологии интервал значений показателя BE значительно ши­ ре: ±30 ммоль/л.

В клинической практике с помощью указанных метаболи­ ческих показателей крови определяют наличие нарушений протолитического гомеостаза. Различают четыре вида первичных нарушений кислотно-основного баланса в организме, которые относятся к патологическим физиологическим процессам.

Метаболический ацидоз характеризуется избытком нелету­ чей кислоты или дефицитом гидрокарбонат-аниона в межкле­ точной жидкости.

ней, диарея (п он ос), наруш ение вы делительной ф ун к ц и и п очек, диабет.

Метаболический алкалоз характеризуется удалением моле­ кул кислот или накоплением буферных оснований, включая содержание гидрокарбонат-аниона в межклеточной жидкости.

Респираторный (газовый) ацидоз характеризуется понижен­ ной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоростью образования метаболического С02.

Респираторный (газовый) алкалоз характеризуется повы­ шенной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоро­ стью образования метаболического С02.

Идентифицировать характер патологии можно с помощью трехкоординатной диаграммы, представляющей собой равнобед­ ренный треугольник, на сторонах которого отложены в масшта­ бе величины метаболических показателей: pH; с(НСОз) и р(С02),

205

206