Сильные кислоты [HCl, H2SO4] и сильные основания [NaOH, KON, Ca(OH)2] в организме не образуются. В разбавленных растворах они полностью ионизированы.
В отличие от них, слабые кислоты [уксусная — CH3COOH, угольная — H2CO3] и слабые основания [гидрокарбонат калия — KHCO3, гидрофосфат натрия — NaH2PO4] при растворении ионизируются не полностью.
В организм с пищей поступают вода, белки, жиры, углеводы, минеральные соединения, витамины. При метаболизме из них образуется большое количество эндогенных кислот: молочная, угольная, пировиноградная, ацетоуксусная, b-оксимасляная, серная, соляная и др.
Выделяют летучие и нелетучие эндогенные кислоты.
Нелетучие кислоты не способны превращаться в газообразное вещество и не удаляются легкими. К основным нелетучим кислотам относятся серная (образуется при катаболизме белков и серосодержащих аминокислот метионина и цистеина), b-оксимасляная, ацетоуксусная, молочная, пировиноградная (образуются при неполном окислении жиров и углеводов). Ежедневно в организме образуется около 1 мэкв нелетучих кислот на 1 кг массы тела.
В живом организме образуется лишь одна летучая кислота — угольная — (H2CO3). Она легко расщепляется на H2O и CO2. Углекислый газ выводится из организма легкими.
Параметры и показатели оценки кислотно-основного состояния
Параметры оценки КОС делят на основные и дополнительные (таблица 14-1).
Основные параметры
Оценку КОС и его сдвигов во врачебной практике проводят с учетом нормального диапазона его основных параметров: pH, pCO2, стандартный бикарбонат плазмы крови SB (Standart Bicarbonate), буферные основания капиллярной крови BB (Buffer Base) и избыток оснований капиллярной крови BE (Base Excess). Учитывая, что [H+] крови адекватно отражает этот показатель в разных регионах организма, а также простоту процедуры взятия крови для анализа, основные показатели КОС исследуют именно в плазме крови.
Дополнительные показатели
С целью выяснения причины и механизма развития негазовых форм нарушений КОС определяют ряд дополнительных показателей крови (КТ, МК) и мочи (титруемая кислотность — ТК и аммиак).
Таблица 14-1. Показатели кислотно-основного равновесия
| Показатель | Значения в системе измерений | Традиционные единицы |
| Основные | ||
| pH крови: Ú артериальная; Ú венозная; Ú капиллярная | 7,37–7,45; 7,34–7,43; 7,35–7,45 | – – – |
| pCO2 | 4,3–6,0 кПа | 33–46 мм рт. ст. |
| Стандартный бикарбонат плазмы крови (SB) | 22–26 ммоль/л | – |
| Буферные основания капиллярной крови (BB) | 44–53 ммоль/л | – |
| Избыток оснований капиллярной крови (BE) | От –3,4 до +2,5 ммоль/л | – |
| Дополнительные | ||
| КТ крови | – | 0,5–2,5 мг% |
| МК крови | – | 6–16 мг% |
| ТК суточной мочи | 20–40 ммоль/л | – |
| Аммиак суточной мочи (NH4) | 10–107 ммоль/сут (20–50 ммоль/л) | – – |
Механизмы устранения сдвигов кислотно-основного состояния организма
Учитывая важность поддержания [H+] в сравнительно узком диапазоне для оптимальной реализации процессов жизнедеятельности, в эволюции сформировались системные, хорошо интегрированные механизмы регуляции этого параметра в организме в норме и устранения его сдвигов при развитии патологии.
В норме в организме образуются почти в 20 раз больше кислых продуктов, чем основных (щелочных). В связи с этим в нем доминируют системы, обеспечивающие нейтрализацию, экскрецию и секрецию избытка соединений с кислыми свойствами. К этим системам относятся химические буферные системы и физиологические механизмы регуляции КЩР.
Химические буферные системы
Химические буферные системы представлены, в основном, бикарбонатным, фосфатным, белковым и гемоглобиновым буферами.
Буферные системы начинают действовать сразу же при увеличении или снижении [H+], а следовательно, представляют собой первую мобильную и действенную систему компенсации сдвигов рН. Например, буферы крови способны устранить умеренные сдвиги КОС в течение 10–40 с. Емкость и эффективность буферных систем крови весьма высока (таблица 14-2).
Таблица 14-2. Относительная емкость буферов крови, %
| Буфер | Плазма крови | Эритроциты |
| Гидрокарбонатный | ||
| Гемоглобиновый | – | |
| Белковый | – | |
| Фосфатный | ||
| Общая емкость |
Принцип действия химических буферных систем заключается в трансформации сильных кислот и сильных оснований в слабые. Эти реакции реализуются как внутри- так и внеклеточно (в крови, межклеточной, спинномозговой и других жидких средах), но в наибольшем масштабе — в клетках.
Гидрокарбонатная буферная система
Гидрокарбонатная буферная система — основной буфер крови и межклеточной жидкости. Она составляет около половины буферной емкости крови и более 90% — плазмы и интерстициальной жидкости. Гидрокарбонатный буфер внеклеточной жидкости состоит из смеси угольной кислоты H2ÑO3 и гидрокарбоната натрия NaHCO3. В клетках в состав соли угольной кислоты входят калий и магний.
Гидрокарбонатный буфер — система открытого типа, она ассоциирована с функцией внешнего дыхания и почек. Система внешнего дыхания поддерживает оптимальный уровень рCO2 крови (и как следствие — концентрацию H2CO3), а почки — содержание аниона HCO3–. Именно это обеспечивает функционирование системы HCO3–/H2CO3 в качестве эффективного и емкого буфера внеклеточной среды даже в условиях образования большого количества нелетучих кислот (таблица 14-3).
Таблица 14-3. Начальные сдвиги и компенсаторные реакции при нарушениях кислотно-основного равновесия
| Нарушение КОС | Начальный сдвиг КОС | Реакция компенсации |
| Дыхательный ацидоз | ¯ pH, pCO2 | HCO3– |
| Дыхательный алкалоз | pH, ¯ pCO2 | ¯ HCO3– |
| Негазовый ацидоз | ¯ pH, ¯ HCO3– | ¯ pCO2 |
| Негазовый алкалоз | pH, HCO3- | pCO2 |
Гидрокарбонатную буферную систему используют как важный диагностический показатель состояния КЩР организма в целом.
Фосфатная буферная система
Фосфатная буферная система играет существенную роль в регуляции КЩР внутри клеток, особенно канальцев почек. Это обусловлено более высокой концентрацией фосфатов в клетках в сравнении с внеклеточной жидкостью (около 8% общей буферной емкости). Фосфатный буфер состоит из двух компонентов: щелочного — Na2HPO4, и кислого — (NaH2PO4).
Эпителий канальцев почек содержит компоненты буфера в максимальной концентрации, что обеспечивает его высокую мощность. В крови фосфатный буфер способствует поддержанию («регенерации») гидрокарбонатной буферной системы. При увеличении уровня кислот в плазме крови (содержащей и гидрокарбонатный, и фосфатный буфер) увеличивается концентрация H2CO3 и уменьшается содержание NaHCO3:
H2CO3 + Na2HPO4 Û NaHCO3 + NaH2PO4.
В результате избыток угольной кислоты устраняется, а уровень NaHCO3 возрастает.
Белковая буферная система
Белковая буферная система — главный внутриклеточный буфер. Он составляет примерно три четверти буферной емкости внутриклеточной жидкости.
Компонентами белкового буфера являются слабодиссоциирующий белок с кислыми свойствами (белок‑COOH) и соли сильного основания (белок‑COONa). При нарастании уровня кислот они взаимодействуют с солью белка с образованием нейтральной соли и слабой кислоты. При увеличении концентрации оснований реакция их происходит с белком с кислыми свойствами. В результате вместо сильного основания образуется слабоосновная соль.
Гемоглобиновая буферная система
Гемоглобиновая буферная система — наиболее емкий буфер крови — составляет более половины всей ее буферной емкости. Гемоглобиновый буфер состоит из кислого компонента — оксигенированного Hb — HbO2 и основного — неоксигенированного. HbO2 примерно в 80 раз сильнее диссоциирует с отдачей в среду H+, чем Hb. Соответственно, он больше связывает катионов, главным образом K+.
Основная роль гемоглобиновой буферной системы заключается в ее участии в транспорте CO2 от тканей к легким.
В капиллярах большого круга кровообращения HbO2 отдает кислород. В эритроцитах CO2 взаимодействует с H2O и образуется H2CO3. Эта кислота диссоциирует на HCO3– и H+, который соединяется с Hb. Анионы HCO3– из эритроцитов выходят в плазму крови, а в эритроциты поступает эквивалентное количество анионов Cl–. Остающиеся в плазме крови ионы Na+ взаимодействуют с HCO3– и благодаря этому восстанавливают ее щелочной резерв.
В капиллярах легких, в условиях низкого pСО2 и высокого pО2, Hb присоединяет кислород с образованием HbO2. Карбаминовая связь разрывается, в связи с чем высвобождается CO2. При этом, HCO3– из плазмы крови поступает в эритроциты (в обмен на ионы Cl–) и взаимодействует с H+, отщепившимся от Hb в момент его оксигенации. Образующаяся H2CO3 под влиянием карбоангидразы расщепляется на CO2 и H2O. CO2 диффундирует в альвеолы и выводится из организма.
Карбонаты костной ткани
Карбонаты костной ткани функционируют как депо для буферных систем организма. В костях содержится большое количество солей угольной кислоты: карбонаты кальция, натрия, калия и др. При остром увеличении содержания кислот (например, при острой сердечной, дыхательной или почечной недостаточности, шоке, коме и других состояниях) кости могут обеспечивать до 30–40% буферной емкости. Высвобождение карбоната кальция в плазму крови способствует эффективной нейтрализации избытка H+. В условиях хронической нагрузки кислыми соединениями (например, при хронической сердечной, печеночной, почечной, дыхательной недостаточности) кости могут обеспечивать до 50% буферной емкости биологических жидкостей организма.
Физиологические механизмы
Наряду с мощными и быстродействующими химическими системами в организме функционируют органные механизмы компенсации и устранения сдвигов КОС. Для их реализации и достижения необходимого эффекта требуется больше времени — от нескольких минут до нескольких часов. К наиболее эффективным физиологическим механизмам регуляции КОС относят процессы, протекающие в легких, почках, печени и ЖКТ.
Легкие
Легкие обеспечивают устранение или уменьшение сдвигов КОС путем изменения объема альвеолярной вентиляции. Это достаточно мобильный механизм — уже через 1–2 мин после изменения объема альвеолярной вентиляции компенсируются или устраняются сдвиги КОС.
Причина изменения объема дыхания заключается в прямом или рефлекторном изменении возбудимости нейронов дыхательного центра.
Снижение рН в жидкостях организма (плазма крови, ликвор) является специфическим рефлекторным стимулом увеличения частоты и глубины дыхательных движений. Вследствие этого легкие выделяют избыток CO2 (образующийся при диссоциации угольной кислоты). В результате содержание H+ (HCO3– + H+ = H2CO3 ® H2O + CO2) в плазме крови и других жидкостях организма снижается.
Повышение рН в жидких средах организма снижает возбудимость инспираторных нейронов дыхательного центра. Это приводит к уменьшению альвеолярной вентиляции и выведению из организма CO2, т.е. к гиперкапнии. В связи с этим в жидких средах организма возрастает уровень угольной кислоты, диссоциирующей с образованием H+, — показатель рН снижается.
Следовательно, система внешнего дыхания довольно быстро (в течение нескольких минут) способна устранить или уменьшить сдвиги рН и предотвратить развитие ацидоза или алкалоза: увеличение вентиляции легких в 2 раза повышает рН крови примерно на 0,2; снижение вентиляции на 25% может уменьшить рН на 0,3‑0,4.
Почки
К главным механизмам уменьшения или устранения сдвигов КОС крови, реализуемых нефронами почек, относят ацидогенез, аммониогенез, секрецию фосфатов и K+,Na+-обменный механизм.
Ацидогенез. Этот энергозависимый процесс, протекающий в эпителии дистальных отделов нефрона и собирательных трубочек, обеспечивает секрецию в просвет канальцев H+ в обмен на реабсорбируемый Na+ (рис. 14-1).
Ы верстка! вставить рисунок «рис-14-1» Ы
Рис. 14-1. Реабсорбция HCO3‑ в клетках проксимального отдела. КА — карбоангидраза.
Ы верстка! вставить рисунок «рис-14-2» Ы
Рис. 14-2. Секреция H+ клетками канальцев и собирательных трубочек. КА — карбоангидраза.
Количество секретируемого H+ эквивалентно его количеству, попадающему в кровь с нелетучими кислотами и H2CO3. Реабсорбированный из просвета канальцев в плазму крови Na+ участвует в регенерации плазменной гидрокарбонатной буферной системы (рис. 14-2).
Аммониогенез, как и ацидогенез, реализует эпителий канальцев нефрона и собирательных трубочек. Аммониогенез осуществляется путем окислительного дезаминирования аминокислот, преимущественно (примерно 2/3) — глютаминовой, в меньшей мере — аланина, аспарагина, лейцина, гистидина. Образующийся при этом аммиак диффундирует в просвет канальцев. Там NH3+ присоединяет ион H+ с образованием иона аммония (NH4+). Ионы NH4+ замещают Na+ в солях и выделяются преимущественно в виде NH4Cl и (NH4)2SO4. В кровь при этом поступает эквивалентное количество гидрокарбоната натрия, обеспечивающего регенерацию гидрокарбонатной буферной системы.
Секреция фосфатов осуществляется эпителием дистальных канальцев при участии фосфатной буферной системы:
Na2HPO4 + H2CO3 Û NaH2PO4 + NaHCO3.
Образующийся гидрокарбонат натрия реабсорбируется в кровь и поддерживает гидрокарбонатный буфер, а NaH2PO4 выводится из организма с мочой.
Таким образом, секреция H+ эпителием канальцев при реализации 3 описанных выше механизмов (ацидогенеза, аммониогенеза, секреции фосфатов) сопряжена с образованием гидрокарбоната и поступлением его в плазму крови. Это обеспечивает постоянное поддержание одной из наиболее важных, емких и мобильных буферных систем — гидрокарбонатной и как следствие — эффективное устранение или уменьшение опасных для организма сдвигов КОС.
К+,Na+-обменный механизм, реализуемый в дистальных отделах нефрона и начальных участках собирательных трубочек, обеспечивает обмен Na+ первичной мочи на K+, выводящийся в нее эпителиальными клетками. Реабсорбированный Na+ в жидких средах организма участвует в регенерации гидрокарбонатной буферной системы. K+,Na+-обмен контролируется альдостероном. Кроме того, альдостерон регулирует (увеличивает) объем секреции и экскреции H+.
Таким образом, почечные механизмы устранения или уменьшения сдвигов КОС осуществляются путем экскреции H+ и восстановления резерва гидрокарбонатной буферной системы в жидких средах организма.
Печень
Печень играет существенную роль в компенсации сдвигов КОС. В ней действуют, с одной стороны, общие внутри- и внеклеточные буферные системы (гидрокарбонатная, белковая и др.), с другой стороны, в гепатоцитах осуществляются различные реакции метаболизма, имеющие прямое отношение к устранению расстройств КОС.
Синтез белков крови, входящих в белковую буферную систему. В печени образуются все альбумины, а также фибриноген, протромбин, проконвертин, проакцелерин, гепарин, ряд глобулинов и ферментов.
Образование аммиака, способного нейтрализовать кислоты как в самих гепатоцитах, так и в плазме крови и в межклеточной жидкости.
Синтез глюкозы из неуглеводных веществ — аминокислот, глицерина, лактата, пирувата. Включение этих органических нелетучих кислот при образовании глюкозы обеспечивает снижение их содержания в клетках и биологических жидкостях. Так, МК, которую многие органы и ткани не способны метаболизировать, в гепатоцитах примерно на 80% трансформируется в H2O и CO2, а оставшееся количество ресинтезируется в глюкозу. Таким образом, лактат превращается в нейтральные продукты.
Выведение из организма нелетучих кислот — глюкуроновой и серной при детоксикации продуктов метаболизма и ксенобиотиков.
Экскреция в кишечник кислых и основных веществ с желчью.
Желудок и кишечник
Желудок участвует в демпфировании сдвигов КОС, главным образом, путем изменения секреции соляной кислоты: при защелачивании жидких сред организма этот процесс тормозится, а при закислении — усиливается. Кишечник способствует уменьшению или устранению сдвигов КОС посредством:
Ú секреции кишечного сока, содержащего большое количество гидрокарбоната. При этом в плазму крови поступает H+;
Ú изменения количества всасываемой жидкости. Это способствует нормализации водного и электролитного баланса в клетках, во внеклеточной и других биологических жидкостях и как следствие — нормализации рН;
Ú реабсорбции компонентов буферных систем (Na+, K+, Ca2+, Cl–, HCO3–).
Поджелудочная железа способствует компенсации сдвигов КОС при помощи гидрокарбоната. Его секреция увеличивается при алкалозах и уменьшается в условиях ацидоза.
Виды расстройств кислотно-основного состояния
Расстройства КОС классифицируют по нескольким критериям (таблица 14-4).
Таблица 14-4. Виды нарушений кислотно-основного равновесия
| Критерии | Виды нарушений КОС |
| Направленность изменений [H+] и рН | Ацидозы, алкалозы |
| Причины нарушения КОС | Эндогенные, экзогенные |
| Степень компенсированности нарушений КОС | Компенсированные, субкомпенсированные, некомпенсированные |
| Причины и механизмы развития нарушений КОС | Газовые |
| Негазовые: Ú метаболические; Ú выделительные (почечные, желудочные, кишечные); Ú экзогенные; Ú смешанные (комбинированные) |
Ацидоз и алкалоз
