Важнейшие буферные системы организма

Главным источником ионов водорода в организме является углекислый газ, который образуется в результате метаболизма (обмена веществ) в количестве 15 000 ммоль/сут.

Гидратация углекислого газа приводит к образованию угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ НСО₃^- + Н⁺.

В меньшей степени количество ионов Н⁺ (30 – 80 ммоль/сут) обусловлено поступлением в организм, а также образованием в нём таких кислот, как серная (в результате обмена серосодержащих аминокислот), фосфорная (при метаболизме фосфорсодержащих соединений), органические кислоты, образующиеся при неполном окислении липидов и углеводов.

Организм освобождается от кислот благодаря процессам дыхания и мочевыделения, т.е. в нём существует взаимосвязь между метаболическими процессами и газообменом. В оценке кислотно-основного состояния организма важно не только определение значения рН, но и характеристика механизмов, обеспечивающих регуляцию этого параметра.

Если бы в организме не было немедленных буферных механизмов и респираторной (дыхательной) компенсации, то тогда даже обычные, ежедневные нагрузки кислотами сопровождались бы значительными колебаниями величины рН.

Постоянство рН жидких сред организма поддерживается в живых организмах буферными системами.

Добавление сильной кислоты или сильной щелочи вызывает защитную реакцию буферной системы по сохранению постоянного значения рН среды, что объясняется связыванием добавляемых Н⁺ и ОН^- и образованием малодиссоциирующих электролитов.

Рассмотрим кратко важнейшие буферные системы организма:

Гидрокарбонатная буферная система.

Гидрокарбонатная буферная система образована оксидом углеродом (IV), взаимодействие которого с водой приводит к образованию равовесной системы:

СО₂ + Н₂О ↔ СО₂·Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^¯

В этой системе донором протона является угольная кислота Н₂СО₃, а акцептором протона – гидрокарбонат-ион НСО₃^¯.

Если в кровь поступает кислота и увеличивается концентрация иона водорода, то он взаимодействуя с НСО₃^-, смещает равновесие в сторону Н₂СО₃ и приводит к выделению газообразного СО₂, который выводится из организма в процессе дыхания через лёгкие:

Н⁺ + НСО₃^¯ ↔ Н₂СО₃ ↔ СО₂ ↑ + Н₂О

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

ОН^- + Н₂СО₃ ↔ НСО₃^¯ + Н₂О

Условно всё количество СО₂, как физически растворённого, так и гидратированного - Н₂СО₃, принято рассматривать как угольную кислоту. Уравнение

рН = рК_а + lg

применительно к гидрокарбонатной буферной системе (уравнение Гендерсона-Гассельбаха) имеет следующий вид:

рН = 6,1 + lg ;рН = 6,1 + lg

где s ´ -коэффициент растворимости СО₂ в воде при парциальном давлении 101 кПа.

Протекающая в организме обратимая реакция СО₂ + Н₂О ↔ Н⁺ + НСО₃^- ускоряется ферментом к а р б о а н г и д р а з ой.

Анализ соотношения концентраций кислотной и основной форм гидрокарбонатной буферной системы показывает, что буферная ёмкость по кислоте значительно больше буферной ёмкости по основанию. Главное назначение гидрокарбонатной системы заключается в нейтрализации кислот. Гидрокарбонатный буфер представляет собой основную буферную систему плазмы крови; он является системой быстрого реагирования, так как продут его взаимодействия с кислотами – СО₂ – быстро выводится через лёгкие. Помимо плазмы, гидрокарбонатная система содержится в эритроцитах, интерстициальной жидкости, почечной ткани.

Однако при заболеваниях органов системы дыхания, кровообращения, печени, почек, при отравлениях, голодании, ожоговой болезни, неукротимой рвоте, изнуряющих поносах и так далее может иметь место нарушение кислотно-основного равновесия. Оно сопровождается либо увеличением концентрации ионов водорода в жидкостях организма (ацидоз) либо уменьшением концентрации ионов водорода (алкалоз).

Ацидоз встречается чаще, так как в организме при распаде многих веществ образуются кислоты. Буферные системы крови и почки стабилизируют рН крови и тем самым рН всей внутренней среды организма.

Ещё одной важной буферной системой является гидрофосфатная буфернаясистема, она присутствует как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках она представлена солями К₂НРО₄ и КН₂РО₄, а в плазме крови и межклеточной жидкости Na₂НРО₄ и NaН₂РО₄.

Дигидрофосфат-ионы являются кислотами, а гидрофосфаты – основаниями.

При увеличении концентрации катионов Н⁺ во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО₄^2-:

Н⁺ + НРО₄^2- ↔ Н₂РО₄^-

Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи.

При увеличении концентрации оснований в организме, например, при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н₂РО₄^-:

ОН^- + Н₂РО₄^- ↔ НРО₄^2- + Н₂О

Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается. Выведение тех или иных компонентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал значений рН мочи – от4,8 до 7,5. В отличие от гидрокарбонатной, фосфатная система более «консервативна», так как избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки и полное восстановление отношения [HPO₄^2-] / [H₂PO₄^-] происходит только через 2-3 суток. Деятельности лёгочной и почечной компенсации нарушений отношения компонентов в буферных системах необходимо учитывать при терапевтической коррекции нарушений кислотно-основного равновесия организма.

Белковые буферные системы

Белковые буферные системы являются амфолитными, так как они способны присоединять или отщеплять протоны вследствие присутствия в белках групп с кислотными свойствами (-СООН и -NH₃⁺) и основными свойствами (-СОО^- и -NH₂). Механизм действия такой буферной системы можно представить следующим образом.

Кислотная буферная система:

а) H₃N⁺ ─ R ─ COOH + OH^- ↔ H₂N ─ R ─ COOН + H₂O

Белок – кислота

б) H₃N⁺ ─ R ─ COO^-  + H⁺ ↔ H₃N⁺ ─ R ─ COOH

Соль белка – Кислоты

(сопряженное основание)

Основная буферная система:

а) H₂N ─ R ─ COO^-+ H⁺ ↔ H₃N⁺ ─ R ─ COO^-

Белок – основание

б) H₃N⁺ ─ R ─ COO^-  + ОН^- ↔ H₂N ─ R ─ COO^- + H₂O

Соль белка – Основания

(сопряженная кислота)

 

где R – макромолекулярный остаток белка.

Роль белков плазмы крови в гомеостазе ионов водорода весьма мала.

 

Гемоглобиновая буферная система является сложной буферной системой эритроцитов, которая включает в качестве донора протона две слабые кислоты: гемоглобин ННb и оксигемоглобин ННbO₂. Роль акцептора протона играют сопряженные этим кислотам основания, т.е. их анионы Hb^1-и HbO₂^1-. Механизм буферного действия этой системы основан на следующих реакциях:

 

H⁺ + Hb^- ↔ HHbpK_a(HHb) = 8,20

 

H⁺ + HbO₂^1- ↔ ННbO₂ ↔ HHb + O₂pK_a(HHbO₂) = 6,95

 

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

 

ОН^- + ННbO₂ ↔ HbO₂^- + H₂OОН^- + ННb ↔ Hb^- + H₂O

 

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