12.3. Буферні системи крові

Сталість рН внутрішнього середовища є обов'язковою умовою існування вищих організмів і забезпечується певним співвідношенням кислот і основ у біологічних середовищах, у разі порушення якого (вихід рН за межі 6,8 – 7,8) організм гине.

Кров відіграє значну роль у підтриманні кислотно-основного гомеостазу, який характеризується такими показниками:

1. постійна концентрація водневих іонів (рН), що становить 7,36 у венозній крові і 7,4 – в артеріальній;

2. парціальний тиск вуглекислого газу (рСО₂) в артеріальній крові 35 - 45 мм.рт.ст.(в середньому 40 мм.рт.ст.), у венозній – вищий;

3. парціальний тиск кисню (рО₂) в артеріальній крові становить 72 – 108 мм.рт.ст;

4. стандартний бікарбонат (SВ) - концентрація гідрокарбонату плазми крові, становить 24 – 27 ммоль/л;

5. актуальний (істинний) бікарбонат (АВ) - концентрація бікарбонату в плазмі крові за конкретних умов, становить 23 – 28 ммоль/л;

6. буферні основи (ВВ) - це сума аніонів буферних основ - гідрокарбонатів, білків, фосфатів, гемоглобіну (за умови повного насичення його О₂). У нормі їх концентрація в крові становить 42 – 52 ммоль/л;

7. нормальні буферні основи (NВВ) цільної крові - сума всіх основних компонентів буферних систем крові при фізіологічних значеннях рН =7,38 і рСО₂ = 40 мм.рт.ст. альвеолярного повітря.

Регуляція кислотно-основного стану в організмі здійснюється за участі буферних систем крові та функціонування легенів і нирок. Буферні системи — це суміш слабких кислот з солями цих кислот, що нейтралізують, відповідно, основи та кислоти, які можуть накопичуватися в організмі під час обміну речовин, протидіючи тим самим відхиленням рН від фізіологічного рівня.

До буферних систем організму належать бікарбонатна, фосфатна системи, гемоглобінові та білкова, серед яких найбільше значення для підтримання кислотно-лужного балансу крові та всього організму мають бікарбонатна та гемоглобінові.

12.3.1. Бікарбонатна буферна система складається з розчиненої в плазмі та еритроцитах вільної вугільної кислоти (у вигляді діоксиду вуглецю, донор протонів) та розчинених бікарбонатів — натрію (у плазмі) та калію (в еритроцитах) – акцептора протонів, її частка становить 10 % від усієї буферної ємності крові, вона найактивніше функціонує при рН 7,4.

При такому значенні рН вміст бікарбонатів перевищує вміст вільної вуглекислоти у 18 – 20 разів, що і зумовлює деяку лужність крові. Запас бікарбонатів у крові (тобто хімічно зв'язана вуглекислота) отримав назву лужного резерву крові, що є важливим біохімічним компонентом, який протидіє зсувам рН крові в кислий бік при накопиченні в організмі кислих продуктів, наприклад, молочної кислоти за умов важкої фізичної праці.

Механізм дії цієї системи полягає в тому, що при надходженні в кров великої кількості кислих продуктів іони Н⁺ взаємодіють з іонами бікарбонату НСО₃^- , що призводить до утворення вугільної кислоти Н₂СО₃^-. Подальше зниження концентрації останньої досягається прискореним виділенням СО₂ через легені внаслідок їх гіпервентиляції.

При надлишковій кількості основ відбувається їх взаємодія зі слабою вугільною кислотою з утворенням іонів бікарбонату та води. При цьому не відбувається помітного зсуву рН.

12.3.2. гемоглобінова буферна система має найпотужніші буферні властивості, вона в 9 разів потужніша за бікарбонатну і складається з неіонізованого гемоглобіну ННb (слаба органічна кислота, донор протонів) та калієвої солі гемоглобіну КНb (основа, акцептор протонів). В окисненій формі гемоглобін виявляє свої кислотні властивості (дисоціює з віддачею іонів Н⁺). віддаючи іони водню він зв’язує іони калію (з КНСО₃, який міститься в еритроцитах). Відновлений гемоглобін у тканинних капілярах може взаємодіяти з вугільною кислотою (а також іншими кислими метаболітами), утворюючи вільний гемоглобін (кислоту) та сіль відповідної кислоти.

Оксигемоглобін, присутній в артеріальній крові, є сильнішою кислотою порівняно з гемоглобіном, його калієва сіль може розкладати бікарбонати з утворенням вугільної кислоти, яка виділяється легенями у формі СО₂. Гемоглобіновий буфер є найбільш ємним, на його частку припадає до 75 % усієї буферної ємності крові.

12.3.3. Фосфатна буферна система становить всього 1 % від всієї буферної ємності крові. Роль кислоти в ній належить однозаміщеному фосфату Н₂РО₄ (донор протонів), а солі - двозаміщеному НРO₄ (акцептор протонів). Буферна дія фосфатної системи реалізується при зміні рН в межах 6,1 – 7,7 і базується на можливості зв'язування іонів Н⁺ аніонами НРO₄^2- (з утворенням Н₂РO₄^-) та іонів ОН^- іонами Н₂РO₄^- (з утворенням НРO₄^2-). Органічні фосфати теж володіють буферними властивостями, проте порівняно з неорганічними їх потужність менша.

Фосфатний буфер у крові знаходиться в тісному взаємозв'язку з бікарбонатною буферною системою.

12.3.4. Білкова буферна система володіє буферними властивостями за рахунок наявності в білках кислотно-основних груп: білок – Н⁺ (кислота, донор протонів) і білок (спряжена основа, акцептор протонів). Білкова буферна система плазми крові ефективна при рН 7,2-7,4.

Легені та нирки беруть участь у підтриманні КОС. регулюючи екскрецію або затримку в організмі надлишку кислих або основних продуктів метаболізму. Зокрема, виділення легенями діоксиду вуглецю під час дихання протидіє накопиченню в крові кислих еквівалентів. Нирки здатні як до екскреції кислих (кислі фосфати тощо) або лужних продуктів (Nа₂НРО₄, іони амонію), так і до затримання лужних еквівалентів шляхом реабсорбції бікарбонатів. Вони здійснюють регуляцію вмісту кислот і основ в організмі за рахунок трьох основних процесів: ацидогенезу (секреція іонів Н⁺ епітелієм нефронів і виведення їх із сечею шляхом перетворення основних фосфатів на кислі, а також екскреція слабких органічних кислот); амонійогенезу (утворення аміаку з глутаміну та інших амінокислот в епітелії канальців нефрона і наступному зв'язуванні ним іонів Н⁺); реабсорбції гідрокарбонату (гідрокарбонат при проходженні через канальці віддає катіон натрію замість секретованих іонів водню і перетворюється на карбонатну кислоту, яка розщеплюється до СО₂ та води).

12.3.5. Порушення кислотно-основного стану. У випадку, якщо компенсаторні механізми організму не здатні попередити зсуви концентрації іонів Н⁺, виникає порушення КОС, яке проявляється ацидозом або алкалозом. При ацидозі концентрація іонів Н⁺ в крові перевищує нормальні величини (рН при цьому знижується), а при алкалозі - нижче нормальних значень (рН при цьому зростає). Межа сумісності з життям становить 6,8 та 8,0 відповідно.

У залежності від причини виникнення ацидоз чи алкалоз може бути респіраторним (дихальним) і нереспіраторним (метаболічним). а за ступенем компенсації порушення КОС – компенсованим, субкомпенсованим (або частково компенсованим) і декомпенсованим.

Дихальний (респіраторний) ацидоз виникає при порушенні дихання в результаті асфіксії або пригнічення дихання при травмі, бронхіальній астмі, набряку, емфіземі легенів, пухлині мозку, асфіксії механічного характеру, пригніченні дихального центра наркотичними засобами, отруєнні лікарськими препаратами; порушенні дифузії газів крізь альвеолярну мембрану внаслідок фіброзу, колагенозу, пневмоконіозу, легеневого саркоїдозу, гемосидерозу, пневмонії; при стазі кровоплину; збільшенні вмісту СО₂ у навколишньому середовищі (замкнуті приміщення, шахти, підводні човни) тощо. Всі ці захворювання та перелічені фактори призводять до гіповентиляції й гіперкапнії, тобто підвищення рСО₂ у крові. Гіперкапнія спричинює гіпоксію, що викликає недостатнє окиснення продуктів проміжного обміну в тканинах і накопичення кислих метаболітів. До респіраторного ацидозу приєднується метаболічний і розвивається змішаний ацидоз.

При накопиченні в організмі СО₂ реакція дисоціації карбонатної кислоти у плазмі зміщується вправо:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-,

що збільшує концентрацію Н⁺ і НСО3^-.

Надлишок іонів Н⁺ значною мірою утримується в еритроцитах відновленим гемоглобіном, який виконує роль основи. Частина аніонів НСО₃^-, що звільнилася, зв'язується з катіоном К⁺ гемоглобіну, однак у більшій кількості він надходить у плазму, де сполучається з іонами натрію за рахунок цього підвищується вміст гідрокарбонату.

Роль нирок у компенсації газового ацидозу полягає у посиленні секреції іонів Н⁺. Кислотність сечі підвищується. Амоніогенез може бути дещо збільшеним.

Метаболічний (нереспіраторний) ацидоз – тяжка форма порушень КОС, в основі якого лежить первинне підвищення вмісту в організмі нелетких кислот або втрата основ. Він супроводжується нагромадженням в тканинах і крові органічних кислот.

Метаболічний ацидоз розвивається внаслідок посилення продукції, зниження окиснення і ресинтезу молочної кислоти (лактатацидоз) при шоку, гіпоксії, асфіксії, сепсисі, деяких отруєннях, порушенні функції печінки; збільшення продукції зниження окиснення і ресинтезу кетонових тіл (кетоацидоз) при цукровому діабеті, голодуванні тощо – власне метаболічний ацидоз; внаслідок затримки кислот, втрати основ, при порушенні функції нирок, а також при значних втратах лужних соків травного каналу – виділювальний ацидоз, надходження кислот і деяких ліків – екзогенний ацидоз. Особливо виразно метаболічний ацидоз проявляється у хворих на цукровий діабет: у відповідь на постійне утворення кетонових тіл в організмі компенсаторно, внаслідок прискореного виділення СО₂ через легені, знижується концентрація Н₂СО₃ – донора протонів у бікарбонатній буферній системі. Однак, для досягнення повної компенсації ацидозу легені повинні виділяти настільки більшу кількість СО₂, що концентрація Н₂СО₃ та НСО₃^- стає вкрай низькою і буферна ємність крові значно зменшується, що несприятливо впливає на організм.

Дихальний (респіраторний) алкалоз виникає при посиленій вентиляції легенів, що супроводжується швидким виділенням з організму СО₂ і розвитком гіпокапнії (рСО₂ менше 35 мм.рт.ст.).

Респіраторний алкалоз належить до порушень КОС, які найчастіше зустрічаються у клінічній практиці, він спостерігається при гіпервентиляції внаслідок гарячки, стресів, отруєння саліцилатами, ушкоджень та захворювань ЦНС (травми мозку, інсульт), застійної недостатності кровоплину, при пневмоніях, легеневій тромбоемболії, гострій недостатності печінки, фізіологічній вагітності, грамвід'ємному сепсисі.

Такий вид алкалозу може спостерігатися при вдиханні чистого кисню, компенсаторній задишці, яка супроводжує низку захворювань. При респіраторному алкалозі стан рівноваги реакції дисоціації карбонатної кислоти зміщується вліво:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-

Вміст НСО₃^- знижується, підвищується концентрація негідрокарбонатних основ. Відбувається посилене виділення НСО₃^- нирками.

Метаболічний (нереспіраторний) алкалоз розвивається при втраті великої кількості кислот або первинному накопиченні основ. Він виникає при втраті шлункового вмісту внаслідок блювання або аспірації; надмірному введенні розчинів гідрокарбонату натрію, гіпервентиляції і швидкому зниженні рСО₂, при дихальному ацидозі (гідрокарбонат, що накопичився в процесі компенсації дихального ацидозу, залишається в надлишку); первинному та вторинному гіперальдостеронізмі; у післяопераційний період, після крововтрат, дегідратацій (альдостерон блокує виведення НСО₃^- нирками); при збільшених втратах із сечею іонів СІ^- і К⁺ при призначенні хлор- і калійуричних діуретиків.

Основною ознакою цього алкалозу є накопичення в плазмі переважно гідрокарбонату, зростання лужного резерву крові. Його компенсація здійснюється за рахунок зниження збудливості дихального центра при підвищенні рН, що призводить до зменшення частоти дихання та виникнення компенсаторної гіперкапнії. Алкалоз при ВЕ <10 ммоль/л вважають помірним, при ВЕ = 10-15 ммоль/л – середнім, при ВЕ > 15 ммоль/л - важким.

Комбінація метаболічного та респіраторного ацидозів спостерігається при набряку легенів, причому гіперкапнія за цих умов існує короткий час, зниження концентрації гідрокарбонату пов'язано з буферуванням існуючого одночасно лактатацидозу внаслідок гіпоксії.

Поєднання метаболічного алкалозу і респіраторного ацидозу спостерігають у хворих з тяжкими, часто хронічними захворюваннями легенів, у хворих, що страждають блюванням і приймають діуретики.

Комбінація респіраторного алкалозу і метаболічного ацидозу спостерігається при швидкій корекції метаболічного ацидозу, коли концентрація гідрокарбонату повертається до норми скоріше, ніж відбувається нормокапнія. Спостерігається при поєднанні печінкової та ниркової недостатності, при грамвід'ємному сепсисі.

Поєднання респіраторного та метаболічного алкалозу призводить до різкого зниження концентрації іонів Н⁺ і значного підвищення рН. Такий стан може спостерігатися при гострій недостатності печінки, емболії легеневих судин, сепсисі.