Нормальная физиология кислотно-щелочного баланса

В 1932 году Бронстед в Дании и Лоури в Англии предложили называть кислотой мо­лекулу или ион, который характеризуется тенденцией к потере протона, а основанием – склонность к поглощению (присоединению) протона и образовывать кислоту. НА n Н+ + А  реакция обратима, анион, остающийся после потери протона кислотой, называется основа­нием. Его называют  сопряженным основанием кислоты.

Реакция раствора кислая, если концентрация ионов водорода в нем превышает кон­центрацию гидроксильных ионов, наоборот, если концентрация гидроксил-ионов превышает концентрацию ионов водорода, то реакция раствора щелочная.

При постоянной температуре произведение концентрации протонов и гидроксил-ио­нов постоянно. Чтобы точно установить реакцию раствора, необходимо знать концентрацию одного их ионов, чаще всего протона. Концентрация ионов водорода настолько мала, что ее выражение в ммоль/л очень неудобно (в нормальной крови содержится 0,000036-0,000044 ммоль/л протонов). Для более удобного обозначения реакции среды была введена величина рН (Соренсен).

Активная реакция плазмы артериальной крови у здоровых соответствует концентрации ионов водорода 0,000036-0,000044 ммоль/л (мэкв/л). В шкале рН это величина 7,36-7,44. По Ван Слайку пределы, совместимые с жизнью – 7,0 – 7,8. В этот диапазон входит изменения концентрации протонов от 100 нэкв/л до 16 нэкв/л. этот диапазон больший, чем диапазон колебаний электролитов – натрия и калия.

Особенность этих сильных оснований в том, что их сопряженные кислоты слабые, поэтому изменение рН смещает равновесие обратимой реакции:

НА n Н+ + А

Если величина рН падает, то увеличение концентрации протонов смещает это равновесие влево (в сторону инактивации протонов). И наоборот, увеличение рН смещает реакцию вправо. По этой причине подобные сопряженные пары сильного основания и слабой кислоты называются буферными, а сами анионы называются буферными основаниями.

Водород – это источник энергии в цикле Кребса и в цепи сопряжения фосфорилирования.

Образование кислот в организме

Угольная кислота. В организме образуется ежесуточно 13000 ммоль этой кислоты или 10 мэкв/мин. Кислота является нестойкой и легко переходит в форму углекислого газа с последующей элиминацией легкими. Немаловажное значение играют эритроциты. Они содержат фермент – карбоангидразу, который катализирует реакцию синтеза угольной кислоты.

В процессе обмена вырабатывается несколько сильных кислот, но их количество значительно меньшее – 100 мэкв/день. Наиболее важным является выработка минеральной серной кислоты, образующейся при окислении метионина и цистеина. Общее количество кислот, выделяемых в виде титруемой кислоты и в виде секреции, более точно соответствует количеству вступившей в реакцию сульфатов и фосфатов.

Нормальная физиология кислотно-щелочного баланса
Нормальная физиология кислотно-щелочного баланса

Линии защиты организма

Первая линия защиты – разбавление и буферное связывание. Кислоты быстро разбавляются во внеклеточной и медленнее во внутриклеточной жидкости организма. Большая часть протонов исчезает, соединившись с буферными основаниями, которые превращаются в сопряженные кислоты. Часть ионов водорода исчезает, обмениваясь на другие катионы клеток и минерального скелета.

Вторая линия защиты – дыхательная компенсация. Уменьшение рН стимулирует дыхательный центр и вызывает увеличение минутной вентиляции. Происходит снижение рСО2 и уменьшение концентрации бикарбоната.

Третья линия – более медленно протекающие процессы восстановления нарушенного КЩС. В почках ионы водорода выводятся с мочой в виде титруемых кислот и солей аммония. Одновременно почки переводят в плазму такое же количество (в эквивалентах) ионов бикарбоната. В результате этого: восстанавливается концентрация бикарбоната плазмы до нормальных величин, происходит регенерация других буферных  систем, изменяется направление ионообмена со скелетом и клетками.

Буферные системы крови

Буферная мощность крови приблизительно равняется 28 мэкв/л, из этого количества на бикарбонат крови приходится 18 мэкв/л, на гемоглобин – 8 мэкв/л, на другие – 2 мэкв/л.

Системы можно расположить в порядке снижения емкости буферных свойств:

  • гидрокарбонатная система 53%,
  • гемоглобиновая — 35%,
  • протеиновая – 7%,
  • фосфатная – 5%.

Система бикарбонатного буфера способна достигать такой большой буферной емкости только благодаря ее сопряжению с респираторными механизмами компенсации, то есть способности элиминировать углекислоту легкими.

Эритроциты содержат в зависимости от артериализации «слабую» кислоту — восстановленный гемоглобин и  «более сильную кислоту» — оксигемоглобин. При попадании артериальной крови в капилляры повышенное содержание СО2 с водой образует углекислоту: Н2О + СО2 = ННСО3, катализатором этой реакции является фермент карбоангидраза. Реакция буферирования будет происходить следующим образом: ННСО3 + КНb n ННb + КНСО3, то есть восстановленный гемоглобин является акцептором протонов, оставшийся калий образует калиевую соль угольной кислоты. Часть гидрокарбонат-ионов обменивается на хлор из плазмы (эффект Хамбургера). Это делает возможным прием большого количества углекислоты из плазмы. В капиллярах легких происходит обратный процесс высвобождения углекислоты: ННbО2 + КНСО3 n КНbО2 + ННСО3. Одновременно эффект Хамбургера протекает в обратном направлении.

Гемоглобин состоит из белка (глобина) и пигмента (гема), пигмент является железосодержащим порфирином. Железо находится в виде валентности 2+. Нормальный гемоглобин состоит из a-двух цепочек и b-двух цепочек. Оксигенация гемоглобина (присоединения кислорода к гемоглобину) происходит по описываемой кривой Бора (s-образная). В 1907 году установлено, что кривая может занимать различное положение на графике зависимости насыщения гемоглобина кислородом от его парциального давления (кривая оксигенации гемоглобина или диссоциации оксигемоглобина). Наиболее значимым является показатель Р50 (насыщение гемоглобина при рО2 равным 50 мм рт. ст).  На это показатель влияет рН (эффект Бора кислый и щелочной в зависимости от рН), 2,3-ДФГ и температура. Алкалоз смещает кривую диссоциации влево, при ацидозе кривая смещается вправо.

Дыхательная компенсация нарушений КЩС

Дыхательный центра чувствителен к изменениям напряжения углекислоты, рН и содержания кислорода в крови. Интенсивность легочной вентиляции определяет степень выдыхаемого СО2, в результате чего концентрация может сохраняться постоянной или может меняться в целях адаптации. Своей большой буферной мощности эта система достигает путем механизма внешнего дыхания.

Благодаря легочной вентиляции, стимулируемой рН, концентрация бикарбоната достигает обычной величины. Особое значение в регуляции легочной вентиляции имеет рН цереброспинальной жидкости. Центральные хеморецепторы реагируют на концентрацию ионов водорода в ликворе, которая зависит от концентрации углекислого газа в крови. Кроме центральных хеморецепторов, существуют периферические рецепторы с локализацией в синокаротидной и аортальной зонах. Механизм их действия связан с непосредственным влиянием на них вышеописанных факторов газов крови и рН. При этом реакция хеморецепторов идет на изменение рСО2, а не рО2.

Изменяется величина, глубина и частота дыхания. Тахипное возникает в ответ на гипоксию, гиперпное – в ответ на гиперкапнию. Эффект развивается через несколько минут (система быстрого реагирования). Обычно достигает максимума через сутки.

Почечная компенсация нарушений КЩС

Задача почек – выделение избыточных радикалов при максимально возможном щажении запасов оснований в пределах рН 4,4 – 8,0. В таких условиях радикалы сильных кислот типа Сl и SO4 могут выделятся из организма вместе с основаниями. Органические кислоты в свободном состоянии находятся при более низком рН мочи. То же относится и к фосфорной кислоте и фосфатам. Кроме того, щажение запасов оснований может быть осуществлено путем образования нового основания аммиака. Слабые кислоты выделяются по принципу титрационной кислотности, а сильные – с образованием солей аммония. Избыток кислот при обычной диете составляет 50-100 мэкв в день, 10-30 мэкв выделяются в свободном виде, 30-50 – в виде солей аммония.

Моча в дистальных канальцах обменивается с протоном из эпителиоцитов канальца на основание буферных солей: ВА + ННСО3 n НА + ВНСО3, при этом основание реабсорбируется в кровь.

Увеличение выделения аммиака возникает после нескольких минут нагрузки кислотными радикалами. Максимума достигает через несколько дней. В нормальном состоянии вырабатывается 30 мэкв/сутки, но может увеличиваться в 10 раз. Катион аммония образуется в клетках дистальных канальцев из глутамина, с образованием глутамата аммония. Катализатором этого процесса является глутаминаза. Зависит скорость реакции от представленных для выделения кислотных радикалов (кислотной нагрузки). В канальцевых клетках образуется угольная кислота. Этот процесс ускоряется карбоангидразой и гиперкапнией. Протон обменивается с кислотным остатком (натрий), образуя соль бикарбонат натрия, подвергается реабсорбции. Пороговая величина концентрации бикарбоната составляет 25 ммоль/л. при его превышении происходит выделение с мочой, при меньшей концентрации бикарбонат реабсорбируется. На данный процесс влияет напряжение углекислоты и активность карбоангидразы.