главные буферные системы в организме человека

Организм человека располагает тонкими механизмами координации происходящих в не физиологических и биохимических процессов и поддержания постоянства внутренней среды (оптимальных значений рН и уровней содержания различных веществ в жидкостях организма, температуры, кровяного давления и т. д.). Эта координация названа, по предложению В. Кеннона (1929), гомеостазисом (от греч. "гомео" - подобный; "стазис" - постоянство, состояние). Она осуществляется путем гуморальной регуляции (от лат. "гумор" - жидкость), т. е. через кров, тканевую жидкость, лимфу и т. д. с помощью биологически активных веществ (ферментов, гормонов и др.) при участии нервных регулирующих механизмов. Гуморальные и нервные компоненты тесно взаимосвязаны между собой, образуя единый комплекс нейро-гуморальной регуляции. Примером гомеостазиса является стремление организма к сохранению постоянства температуры, энтропии, энергии Гиббса, содержания в крови и межтканевых жидкостях различных катионов, анионов, растворенных газов и др., величины осмотического давления и стремление поддерживать для каждой из его жидкостей определенную оптимальную концентрацию ионов водорода. Сохранение постоянства кислотности жидких сред имеет для жизнедеятельности человеческого организма первостепенное значение, потому что, во-первых, ионы Н⁺ оказывают каталитическое действие на многие биохимические превращения; во-вторых, ферменты и гормоны проявляют биологическую активность только в строго определенном интервале значений рН; в-третьих, даже небольшие изменения концентрации ионов водорода в крови и межтканевых жидкостях ощутимо влияют на величину осмотического давления в этих жидкостях.

Нередко отклонения рН крови от нормального для нее значения 7,36 всего лишь на несколько сотых приводят к неприятным последствиям. При отклонениях порядка 0,3 единицы в ту или другую сторону может наступит тяжелое коматозное состояние, а отклонения порядка 0,4 единицы могут повлечь даже смертельный исход. Впрочем, в некоторых случаях, при ослабленном иммунитете, для этого оказывается достаточными и отклонения порядка 0,1 единицы рН.

Особенно большое значение буферных систем имеют в поддержании кислотно-основного равновесия организма. Внутриклеточные и внеклеточные жидкости всех живых организмов, как правило, характеризуются постоянным значением рН, которое поддерживается с помощью различных буферных систем. Значение рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,8 до 7,8.

Кислотно-основное равновесие в крови человека обеспечивается водородкарбонатной, фосфатной и белковой буферными системами.

Нормальное значение рН плазмы крови составляет 7,40 0,05. Этому соответствует интервал значений активной кислотности а (Н⁺) от 3,7 до 4,0 10^-8 моль/л. Так как в крови присутствуют различные электролиты - НСО₃^-, Н₂СО₃, НРО₄^2-, Н₂РО₄^-, белки, аминокислоты, это означает, что они диссоциируют в такой степени, чтобы активность а (Н⁺) находилась в указанном интервале.

Водородкарбонатная (гидро-, бикарбонатная) буферная система НСО₃^-/Н₂СО₃ плазмы крови характеризуется равновесием молекул слабой угольной кислоты Н₂СО₃ с образующимися при ее диссоциации гидрокарбонат-ионами НСО₃^-(сопряженное основание):

НСО₃^- + Н⁺ Н₂СО₃

НСО₃^- + Н₂О Н₂СО₃ + ОН^-

В организме угольная кислота возникает в результате гидратации диоксида углерода - продукта окисления углеводов, белков и жиров. Причем процесс этот ускоряется под действием фермента карбоангидразы:

СО₂(р) + Н₂О Н₂СО₃

Равновесная молярная концентрация в растворе свободного диоксида углерода при 298, 15 К в 400 раз выше, чем концентрация угольной кислоты Н₂СО₃/ СО₂ = 0, 00258.

Между СО₂ в альвеолах и водородкарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка равновесий:

1 + Н₂О 3

Атмосфера СО₂(г) СО₂(р) Н₂СО₃ Н⁺ + НСО₃^-

воздушное пространство легких - Н₂О плазма крови

В соответствии с уравнение Гендерсона-Гассельбаха (4) рН водордкарбонатного буфера определяется отношением концентрации кислоты Н₂СО₃ и соли NaНСО₃.

Согласно цепочке равновесий содержание Н₂СО₃ определяется концентрацией растворенного СО₂, которая по пропорциональна парциальному давлению СО₂ в газовой фазе (по закону Генри): СО_2р = К_г р (СО₂). В конечно счете оказывается, что с (Н₂СО₃) пропорциональна р (СО₂).

Водородкарбонатная буферная система действует как эффективный физиологический буферный раствор вблизи рН 7,4.

При поступлении в кровь кислот - доноров Н⁺ равновесие 3 в цепочке по принципу Ле Шателе смещается влево в результате того, что ионы НСО₃^- связывают ионы Н⁺ в молекулы Н₂СО₃. При этом концентрация Н₂СО₃ повышается, а концентрация ионов НСО₃^- соответственно понижается. Повышение концентрации Н₂СО₃, в свою очередь, приводит к смещению равновесия 2 влево. Это вызывает распад Н₂СО₃ и увеличении концентрации СО₂, растворенного в плазме. В результате смещается равновесие 1 влево и повышается давление СО₂ в легких. Избыток СО₂ выводится из организма.

При поступлении в кровь оснований - акцепторов Н⁺ сдвиг равновесий в цепочке происходит в обратной последовательности.

В результате описанных процессов водородкарбонатная система крови быстро приходит в равновесие с СО₂ в альвеолах и эффективно обеспечивает поддержание постоянства рН плазы крови.

Вследствие того, что концентрация NaНСО₃ в крови значительно превышает концентрацию Н₂СО₃, буферная емкость этой системы будет значительно выше по кислоте. Иначе говоря, водокарбонатная буферная система особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотност крови. К числу таких веществ, прежде всего, относят молочную кислоту HLac, избыток которой образуется в результате интенсивной физической нагрузки. Этот избыток нейтрализуется в следующей цепочке реакций:

NaНСО₃ + HLac NaLac + Н₂СО₃ Н₂О + СО₂(р) СО₂(г)

Таким образом, эффективно поддерживается нормальное значение рН крови при слабо выраженном сдвиге рН, обусловленным ацидозом.

В замкнутых помещениях часто испытывают удушье - нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько с недостатком кислорода, сколько с избытком СО₂. Избыток СО₂ в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО₂ в крови (согласно закону Генри), а это приводит к понижению рН крови, т. е. к ацидозу (уменьшение резервной щелочности).

Водородкарбонатная буферная система наиболее "быстро" отзывается на изменение рН крови. Ее буферная емкость по кислоте составляет В _к = 40 ммоль/л плазмы крови, а буферная емкость по щелочи значительно меньше и равна примерно В _щ = 1 - 2 ммоль/л плазмы крови.

2. Фосфатная буферная система НРО₄^2-/Н₂РО₄^- состоит из слабой кислоты Н₂РО₄^- и сопряженного основания НРО₄^2-. В основе ее действия лежит кислотно-основное равновесие, равновесие между гидрофофсфат- и дигидрофосфат-ионами:

НРО₄^2- + Н⁺ Н₂РО₄^-

НРО₄^2- + Н₂О Н₂РО₄^- + ОН^-

Фосфатная буферная система способа сопротивляться изменению рН в интервале 6, 2 - 8, 2, т. е. обеспечивает значительную долю буферной емкости крови.

Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха (4) для этой уферной системы следует, что в норме при рН 7, 4 отношение концентраций соли (НРО₄^2-) и кислоты (Н₂РО₄^-) примерно составляет 1. 6. Это следует из равенства:

рН = 7, 4 = 7, 2 + lg	с (НРО42-)	, где 7, 2 = р Ка (Н2РО4-)
	с (Н2РО4-)

Отсюда

lg =	с (НРО42-)	= 7, 4 - 7, 2 = 0, 2 и	с (НРО42-)	= 1, 6
	с (Н2РО4-)		с (Н2РО4-)

Фосфорная буферная система имеет более высокую емкость по кислоте, чем по щелочи. Поэтому она эффективно нейтрализует кислые метаболиты, поступающие в кровь, например молочную кислоту HLac:

НРО₄^2- + HLac Н₂РО₄^- + Lac^-

Однако различия буферной емкости данной системы по кислоте и щелочи не столь велики, как у водородкарбонатной: В_к = 1 -2 ммоль/ л; В_щ = 0, 5 ммоль/ л. Поэтому фосфатная система в нейтрализации как кислых, так и основных продуктов метаболизма. В связи с малым содержанием фосфатов в плазе крови она менее мощная, чем вородкарбонатная буферная система.

3. Буферная система оксигемоглобин-гемоглобин, на долю которой приходится около 75% буферной емкости крови, характеризующаяся равновесием между ионами гемоглобина Hb^- и самим гемоглобином HНb, являющимся очень слабой кислотой (К _HНb = 6, 3 10^-9; р К _HНb = 8, 2).

Hb^- + Н⁺ HНb

Hb^- + Н₂О HНb + ОН^-

а также между ионами оксигемоглобина HbО₂^- и самим оксигемоглобином HНbО₂, который является несколько более сильной, чем гемоглобин, кислотой (К _HНbО2 = 1. 12 10^-7; р К _HНbО2 = 6, 95):

HbО₂^- + Н⁺ HНbО₂

HbО₂^- + Н₂О HНbО₂ + ОН^-

Гемоглобин HНb, присоединяя кислород, образует оксигемоглобин HНbО₂

HНb + О₂ HНbО₂

и, таким образом, первые два равновесия взаимосвязаны со следующими двумя.

4. Белковая буферная система состоит из "белка-основания" и "белка-соли".

СОО^- СОО^-

R - СН + Н⁺ R - СН

NН₂ N⁺Н₃

белок-основание белок-соль

Соответствующее кислотно-основное равновесие в средах, близких к нейтральным, смещено влево и "белок-основание" преобладает.

Основную часть белков плазмы крови (90%) составляют альбумины и глобулины. Изоэлектрические точки этих белков (число катионных и анионных групп одинаково, заряд молекулы белка равен нулю) лежат в слабокислой среде при рН 4,9 - 6,3, поэтому в физиологических условиях при рН 7,4 белки находятся преимущественно в формах "белок-основание" и "белок-соль".

Буферная емкость, определяемая белками плазмы, зависит от концентрации белков, их вторичной и третичной структуры и числа свободных протон-акцепторных групп. Эта система может нейтрализовать как кислые, так и основные продукты. Однако вследствие преобладания формы "белок-основание" ее буферная емкость значительно выше по кислоте и составляет для альбуминов В _к = 10 ммоль/л, а для глобулинов В _к = 3 ммоль/л.

Буферная емкость свободных аминокислот плазмы крови незначительна как по кислоте, так и по щелочи. Это связано с тем, что почти все аминокислоты имеют значения р К_а, очень далекие от р К_а = 7. Поэтому при физиологическом значении рН их мощность мала. Практически только одна аминокислота - гистидин (р К_а = 6,0) обладает значительным буферным действием при значениях рН, близких к рН плазмы крови.

Таким образом, мощность буферных систем плазмы крови уменьшается в направлении

НСО₃^-/ Н₂СО₃ белки НРО₄^2-/ Н₂РО₄^- аминокислоты

Эритроциты. Во внутренней среде эритроцитов в норме поддерживается постоянное рН, равное 7,25. Здесь также действуют водородкарбонатная и фосфатная буферные системы. Однако их мощность отличается от таковой в плазме крови. Кроме того, в эритроцитах белковая система гемоглобин-оксигемоглобин играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них метаболической СО₂), так и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом. Необходимо отметит, что эта буферная система в эритроцитах тесно связана с водородкарбонатной системой. Т. к. рН внутри эритроцитов 7,25, то соотношение концентраций соли (НСО₃^-) и кислоты (Н₂СО₃) здесь несколько меньше, чем в плазме крови. И хотя буферная емкость этой системы по кислоте внутри эритроцитов несколько меньше, чем в плазме, она эффективно поддерживает постоянство рН.

Фосфатная буферная емкость играет в клетках крови гораздо более важную роль, чем в плазме крови. Прежде всего, это связано с большим содержанием в эритроцитах неорганических фосфатов. Кроме того, большое значение в поддерживании постоянства рН имеют эфиры фосфорных кислот, главным образом фосфолипиды, составляющие основу мембран эритроцитов.

Фосфолипиды являются относительно слабыми кислотами. Значения р К_а диссоциации фосфатных групп находятся в пределах от 6,8 до 7,2. Поэтому при физиологическом рН 7,25 фосфолипиды мембран эритроцитов находятся как в виде неионизированных, так ионизированных форм. Иначе говоря, в виде слабой кислоты и ее соли. При этом соотношение концентраций соли и слабой кислоты составляет примерно (1,5 - 4): 1. Следовательно, сама мембрана эритроцитов обладает буферным действием, поддерживая постоянство рН внутренней среды эритроцитов.

Таким образом, в поддержании постоянства кислотно-щелочного равновесия в крови участвует ряд буферных систем, обеспечивающих кислотно-основной гомеостаз в организме.

В современной клинической практике кислотно-щелочное равновесие (КЩР) организма обычно определяют путем исследования крови по микрометоду Аструпа и выражают в единицах ВЕ (от лат. "би-эксцесс" - избыток оснований). При нормальном кислотно-щелочном состоянии организма ВЕ = 0 (в аппарате Аструпа этому значению ВЕ отвечает рН 7,4).

При значениях ВЕ от 0 до 3 КЩС организма считается нормальным, при ВЕ = (6 - 9) - тревожным, при ВЕ = (10 - 14) - угрожающим, а при абсолютном значении ВЕ, превышающим 14, - критическим.

Для коррекции КЩР при ВЕ0 (ацидоз) чаще используют 4%-ный раствор гидрокарбонаната натрия, который вводят внутривенно. Необходимый объем этого раствора в мл рассчитывают по эмпирической формуле v = 0,5 m ВЕ, где m - масса тела, кг.

Если состояние ацидоза возникло в результате кратковременной остановки сердца, то объем 4%-ного раствора NаНСО₃ (v мл), необходимый для компенсации сдвига КЩР в кислую область, рассчитывают по формуле v = m z, где z - продолжительность остановки сердца, мин.

Коррекция КЩР при алкалозе более сложна и требует учета многих привходящих обстоятельств. В качестве одной из временных мер целесообразно введение от 5 до 15 мл 5%-го раствора аскорбиновой кислоты.

Метод кислотно-основного титрования в одном из своих вариантов (алкалиметрия) позволяет определять количества кислот и кислотообразующих веществ (солей, составленных из катиона слабого основания и аниона сильной кислоты и т. п.) с помощью растворов щелочной известной концентрации, называемых рабочими. В другом варианте (ацидиметрия) этот метод позволяет определять количества оснований и веществ основного характера (оксидов, гидридов и нитридов металлов, органических аминов, солей, составленных из катионов сильных оснований и анионов слабых кислот и т. п.) с помощью рабочих растворов кислот.

Метод кислотно-основного титрования используется в практике клинических, судебно-экспертных и санитарно-гигиенических исследований, а также при оценке качества лекарственных препаратов.