Основы регуляции кислотно-основного баланса

Роль буферных систем. Буфер — это слабая кислота или основа­ние, которые противостоят изменению pH при добавлении сильной кис­лоты или основания. Буферные системы клеток и плазмы крови играют первостепенную роль в поддержании относительно узкого диапазона pH, в котором протекают физиологические клеточные и внеклеточные про­цессы.

Анион бикарбоната присутствует в большинстве жидкостей организ­ма и является его главным щелочным резервом. Бикарбонат реагирует с ионом водорода, образуя угольную кислоту, которая существует в равно­весии с СО₂(Н⁺ + НСО₃ lt;-gt; Н₂СО₃lt;-gt;СО₂+ Н₂О). Превращение Н₂СО₃в Н₂О и СО₂ катализируется ферментом карбоангидразой. В ходе метаболизма образующиеся Н⁺ взаимодействуют с бикарбонатом, образуя Н₂СО₃, а затем СО₂ и Н₂О. Углекислый газ выводится легкими. И, наоборот, когда СО₂ образуется в процессе клеточного метаболизма, угольная кислота диссоциирует на Н⁺ и НСО₃*.

pH системы, в которой протекают эти реакции, рассчитывается на основе уравнения Гендерсона-Хассельбаха. Оно выводится из уравнения для константы диссоциации (К_а) угольной кислоты:

_[Н⁺]х[НСО₃] ^а [Н₂СО₃] ’

или в логарифмической форме:

Поскольку pH — это отрицательный логарифм [Н⁺], уравнение мож­но записать так:

Величина рК_а для буферной системы СО₂—бикарбонат равна 6,1 Концентрация бикарбоната в плазме артериальной крови здорового че­ловека — 24 ммоль/л, а нормальное парциальное давление углекислого газа — 40 мм рт.ст.

Величина рК_а для буферов-белков равна 7,4 (Н-белок lt;-gt; Н⁺ + бе­лок). Величина рК_а для буфера-фосфата — 6,8 (Н₂РО₄ lt;-gt; Н⁺ + НРО₄ ²) Бел­ки и фосфаты являются главными внутриклеточными буферами.

Изменение функций внешнего дыхания. Вдыхаемый воздух со­держит незначительное количество СО₂. Почти вся углекислота крови яв­ляется продуктом клеточного метаболизма. По мере образования в про­цессе клеточного метаболизма СО₂ легко диффундирует в капилляры и транспортируется к легким в трех основных формах:

• растворенная СО₂;

• анион бикарбоната;

• карбаминовое соединение (рис. 9.7).

СО₂ очень хорошо растворяется в плазме. Количество растворен­ной в плазме СО₂ определяется произведением ее парциального давления и коэффициента растворимости. Около 5 % общей двуокиси углерода в артериальной крови находится в форме растворенного газа, а 90 % — в форме бикарбоната. Последний является продуктом реакции СО₂ с во­дой с образованием Н₂СО₃ и ее диссоциацией на водород и ион бикарбо­ната: СО₂ + Н₂О lt;-gt; Н2СО₃ lt;-gt; Н⁺ + НСО₃~ Реакция между СО₂ и Н₂О протека­ет медленно в плазме и очень быстро в эритроцитах, где присутствует внутриклеточный фермент карбоангидраза. Она облегчает реакцию меж­ду СО₂ и Н₂О с образованием Н₂СО₃; вторая реакция протекает очень быст­ро без катализатора.

По мере накопления НСО₃~ внутри эритроцита анион диффундирует через клеточную мембрану в плазму. Мембрана эритроцита плохо про­ницаема для Н⁺, как и вообще для катионов, поэтому ионы водорода ос­таются внутри клетки.

Часть Н⁺, остающихся в эритроцитах, соединяется с гемоглобином. В периферических тканях, где концентрация СО₂ высока и значительное количество Н⁺ накапливается эритроцитами, связывание Н⁺ облегчается

Рис. 9.7. С0₂-транспорт в крови, иллюстрирующий образование НСО₃“ и карбаминовых соединений, хлоридный сдвиг и связывание НТ.

При поглощении О₂ и высвобождении С0₂ в легочных капиллярах представленные реак­ции протекают в обратном порядке (поМайклА Гриппи, 1997)

деоксигенацией гемоглобина. Восстановленный гемоглобин лучше свя­зывается с протонами, чем оксигенированный. Таким образом, деокси­генация артериальной крови в периферических тканях способствует свя­зыванию К⁺ посредством образования восстановленного гемоглобина. Это увеличение связывания СО₂ с гемоглобином известно как эффект Холдейна.

Третьей формой транспорта СО₂ являются карбаминовые соедине­ния, образованные в реакции СО₂ с концевыми аминогруппами белков крови. Основным белком крови, связывающим СО₂ является гемоглобин. Этот процесс описывается реакцией: Hb-NH₂ + СО₂ lt;-» Hb-NH х СООН Hb-NHCOOquot; + Н⁺. Реакция СО₂ с аминогруппами протекает быстро. Как и в случае более легкого связывания СО₂ с восстановленным гемоглоби­ном, образование карбаминовых соединений легче протекает с деокси­генированной формой гемоглобина. Карбаминовые соединения состав-

ляют около 5 % общего количества СО₂, транспортируемого артериальной кровью.

Регуляция выделения СО₂ достигается изменением скорости объе­ма легочной вентиляции, т.е.

Легкие — это первая линия защиты в поддержании кислотно-основ­ного гомеостаза, поскольку они обеспечивают механизм почти немед­ленной регуляции выделения кислоты. В то же время любые нарушения дыхания, сопровождающиеся увеличением или уменьшением минутной альвеолярной вентиляции, могут стать причиной развития нарушений КОБ.

Роль почек. Количество нелетучих кислот, образующихся в процес­се метаболизма белков и других веществ, гораздо меньше, чем летучих. Тем не менее, почки выделяют от 50 до 100 ммоль нелетучих кислот в сут­ки. Их выделение происходит в проксимальных канальцах и собиратель­ных трубках почек, где секретируются протоны, а в качестве буферных систем участвуют фосфаты, сульфаты (т.е. титруемые кислоты) и амми­ак. Однако до того как может произойти экскреция всех кислот, почки должны реабсорбировать НСО₃~, профильтровавшийся в клубочках.

Способность канальцев почек к реабсорбции НСО₃~ высока. В сред­нем человек выделяет менее 5 ммоль НСО₃quot; в сутки. Самьм важным мес­том реабсорбции НСО₃* являются проксимальные канальцы, где по­средством специального механизма происходит всасывание 90 % бикарбоната. Угольная кислота образуется в клетке из воды и СО₂ под дей­ствием карбоангидразы, Н⁺ активно переносятся через люминальную мембрану Na⁺-, Н⁺-обменником (рис. 9.8). Затем НСО₃~ транспортиру­ется через базолатеральную мембрану. Секретируемый Н⁺ быстро соединяется с фильтруемым НСО₃quot;, образуя угольную кислоту (Н₂СО₃).

Некарбоновые кислоты секретируются вставочными клетками соби­рательных трубок коры и наружного мозгового слоя почек. Секрецию Н⁺ в просвет канальцев осуществляет Н⁺-АТФаза, тогда как в реабсорбции НСО₃~ через базолатеральную мембрану участвует обменник С!^-, НСО₃~ (рис. 9.9).

Главным фактором, от которого зависит количество выделяемых кислот, является присутствие буферов в моче. Максимальный pH жидкос- 266

Рис. 9.8. Реасорбция бикарбоната в клеткахпроксимального канальца. КА — карбоангидраза.

(по Френк К. Брозиус, 1997).

Рис. 9.9. Секреция Н⁺ вставочными а-клетками собирательной трубки. АДФ — аденозиндифосфат;

АТФ — аденозинтрифосфат.

(по Френк К. Брозиус, 1997).

Рис. 9.10. Транспорт NH₃ и NH₄ в почке.

NH₄⁺ образуется и секретируется клетками проксимального канальца, а затем реабсор­бируется в восходящем отделе петли Генле и концентрируется в мозговом слое почки. Небольшое количество NH₄⁺ диссоциирует на NH₃ и Н⁺, последний реабсорбируется. NH₃ может диффундировать в собирательную трубку, где служит буфером для ионов Н⁺, секретируемых вставочными клетками.

ти в просвете собирательной труб­ки — 4,0 (Н⁺ = 0,1 моль/л). Поэтому только 0,1—0,2% суточной нагрузки кислот (50—100 ммоль) могут быть выведены в форме незабуференных ионов Н⁺.

гулируется преимущественно почками и колеблется в зависимости от КОБ (рис. 9J0). Объем суточной секреции кислот в наибольшей степени за­висит от количества выделяемого аммония.

Факторами, регулирующими транспорт Н⁺ и НСО₃~ в проксимальных канальцах почек, являются: рСО₂, фильтруемая нагрузка НСО₃“, карбоан­гидраза, паратиреоидный гормон, концентрация К⁺ и НРО₄^-2 в сыворотке. В собирательных трубках регуляция транспорта катионов и бикарбоната обеспечивается: градиентом pH, разностью электрических потенциалов 267

Рис, 9 11. Монограмма Гэмбла

Зависимость концентрации ионов НСО₃ от количества остаточных анионов.

(электрохимический градиент), рСО₂, экскрецией NH₄ и альдостероном. Альдостерон способствует секреции Н⁺ посредством двух механизмов:

• стимулирует реабсорбцию Na⁺и повышает отрицательный заряд про­света, что облегчает секрецию Н⁺,

• непосредственно стимулирует Н⁺-АТФазу.

Реакция почек на изменение кислотно-основного баланса организ­ма более медленная, чем соответствующая реакция легких. Стимуляция канальцевой секреции Н⁺ из-за изменений рСО, начинается через не­сколько минут. Стимуляция секреции Н⁺ в дистальных канальцах альдос­тероном протекает более продолжительно. Реализация эффектов других факторов, влияющих на выведение Н⁺ почками, может продолжаться 2— 3 дня. Кроме того, происходит компенсаторная адаптация почек к ацидо­зу или алкалозу, и эти изменения носят длительный характер.

Взаимосвязь кислотно-основного баланса с обменом воды и электролитов. Законы электронейтральности и изоосмоляльности. Кислотно-основной баланс тесно связан с обменом электролитов и воды в организме. Их объединяет два физико-химических закона: закон элект­ронейтральности и закон изоосмоляльности. Согласно закону электроней­тральности во всех жидкостных средах организма сумма отрицательных зарядов всех анионов должна быть равна сумме всех положительных за­рядов катионов. Из ионограммы Гэмбла (рис. 9.11) видно, что в плазме крови содержится 154 мэкв/л катионов и столько же анионов. Самые под­вижные анионы — НСО₃^_, которые в большом количестве образуются в организме и легко выводятся или задерживаются почками. Если количе­ство НСО₃’ в плазме крови по какой-либо причине уменьшается (ацидоз), то для сохранения электронейтральности должно увеличиться содержание СГ и (или) других анионов (сульфатов, фосфатов, лактата и других анио­нов органических кислот) и уменьшиться количество катионов. При увели­чении содержания в плазме анионов бикарбоната (алкалоз), наоборот, количество С1^_ должно уменьшиться, а количество катионов пропорцио­нально увеличиться.

В связи с тем, что сдвиги КОБ, как правило, сопровождаются изме­нениями в ту или другую сторону содержания бикарбоната, при этом все­гда меняется концентрация в плазме и клетках ионов хлора, натрия, ка­лия, магния, кальция и др. Анионы НСО₃~ — главное связующее звено между электролитным и кислотно-основным балансом.

По закону изоосмоляльности во всех жидкостных системах организ­ма, между которыми свободно обменивается вода, устанавливается оди­наковое осмотическое давление. В норме осмоляльность плазмы, меж­клеточной и внутриклеточной жидкости составляет 285 мОсм/кг воды.

Если в каком-то участке ткани или клетки количество осмотически активных веществ нарастает (например, натрия), то в него переходит вода, пока не установится новое равновесие-. Поскольку при нарушениях КОБ внутри и вне клеток изменяется содержание электролитов, в них изменя­ется и содержание воды. Возможно развитие как гипо-, так и гиперо- смоляльных синдромов. В то же время, первичные нарушения водного и электролитного балансов могут повлечь за собой изменения кислотно­основного баланса.

9.6.2.