Кров відіграє визначальну роль у підтримці кислотно-лужної рівноваги, Зміна якого може призвести до розвитку патологічних станів або загибелі організму Тому в організмі існують спеціальні системи, які перешкоджають зміні рН крові та інших біологічних рідин при утворенні кислих та лужних продуктів або при великому надходженні води. Таку роль виконують окремі фізіологічні системи (дихальна, видільна), а також буферні системи. Останні дуже швидко (протягом кількох секунд) реагують на зміну концентрації Н+ та ОН – у водних середовищах та є терміновими регуляторами кислотно-основного стану у тканинах організму.
Буферні системи- це суміш слабкої кислоти та її розчинної солі, двох солей або білків, які здатні перешкоджати зміні рН водних середовищ. Дія буферних систем спрямовано на зв'язування надлишку Н + або ВІН - у середовищі та підтримання сталості рН середовища. При дії буферної системи утворюються слабодиссоціювані речовини або вода. До основних буферних систем крові відносяться бікарбонатна, білкова (гемоглобінова) та фосфатна. Є також ацетатна та амонійна буферні системи.
Бікарбонатна буферна система - потужна і сама керована система крові та позаклітинної рідини. На її частку припадає близько 10% усієї буферної ємності крові. Бікарбонатна система являє собою сполучену кислотно-основну пару, що складається з молекули вугільної кислоти Н 2 3 , що виконує роль донора протона, і бікарбонат-іона НСО 3 - , що виконує роль акцептора протона:
СО 2 + Н 2 О ↔ Н 2 СО 3 ↔ Н + + НСО 3 -
Справжня концентрація недисоційованих молекул Н 2 3 в крові незначна і знаходиться в прямій залежності від концентрації розчиненого 2 . При нормальному значенні рН крові (7,4) концентрація іонів бікарбонату НСО 3 – у плазмі крові перевищує концентрацію СО 2 приблизно у 20 разів. Бікарбонатна буферна система функціонує як ефективний регулятор у ділянці рН = 7,4. Механізм дії цієї системи полягає в тому, що при виділенні в кров відносно великих кількостей кислих продуктів протони Н + взаємодіють з іонами бікарбонату НСО 3 - , що призводить до утворення Н 2 СО 3 , що слабодисоціюється.
Подальше зниження концентрації Н 2 3 досягається в результаті прискореного виділення 2 через легені в результаті їх гіпервентиляції. Якщо в крові збільшується кількість основ, то вони, взаємодіючи зі слабкою вугільною кислотою, утворюють іони бікарбонату та воду. При цьому не відбувається скільки помітних зрушень у величині рН. Крім того, для збереження нормального співвідношення між компонентами буферної системи в цьому випадку підключаються фізіологічні механізми регуляції кислотно-основної рівноваги: відбувається затримка в плазмі крові деякої кількості 2 в результаті гіповентиляції легень. Бікарбонатна система тісно пов'язана з гемоглобіновою системою.
Фосфатна буферна системає сполученою кислотно-основною парою, що складається з іону Н 2 РО 4 - (донор протонів, виконує роль кислоти) і іону НРО 4 2 - (акцептор протонів, виконує роль солі). Фосфатна буферна система становить лише 1% від буєрної ємності крові. В інших тканинах ця система є одним із основних. Фосфатна буферна система здатна впливати при змінах рН в інтервалі від 6,1 до 7,7 і може забезпечувати певну ємність внутрішньоклітинної рідини, величина рН якої становить 6,9-7,4. У крові максимальна ємність фосфатного буфера проявляється поблизу значення 7,2. Органічні фосфати також мають буферні властивості, але потужність їх слабша, ніж неорганічного фосфатного буфера.
Білкова буферна системамає менше значення підтримки кислотно-основного рівноваги в плазмі крові, ніж інші буферні системи. Білки утворюють буферну систему завдяки наявності кислотно-основних груп у молекулі білків: білок-Н+ (кислота, донор протонів) та білок (сполучена основа, акцептор протонів). Білкова буферна система плазми ефективною в області значень рН 7,2-7,4.
Гемоглобінова буферна система- найпотужніша буферна система крові, її частку припадає 75% від усієї буферної. Участь гемоглобіну в регуляції рН крові пов'язана з його роллю у транспорті кисню та вуглекислого газу. При насиченні киснем гемоглобін стає сильнішою кислотою (ННbО 2). Гемоглобін, віддаючи кисень, перетворюється на дуже слабку органічну кислоту (ННb).
Гемоглобінова буферна система складається з неіонізованого гемоглобіну ННb (слабка органічна кислота, донор протонів) та калієвої солі гемоглобіну КНb (сполучена основа, акцептор протонів). Так само може бути розглянута оксигемоглобінова буферна система. Система гемоглобіну і система оксигемоглобіну є системами, що взаємоперетворюються, і існують як єдине ціле. Буферні властивості гемоглобіну обумовлені можливістю взаємодії кисло реагуючих сполук з калієвою сіллю гемоглобіну:
КНb + Н 2 СО 3 => КНСО 3 + ННb.
Це забезпечує підтримання рН крові в межах фізіологічно допустимих величин, незважаючи на надходження у венозну кров великої кількості СО 2 та інших продуктів обміну кислотного характеру. Гемоглобін (ННb), потрапляючи в капіляри легень, перетворюється на оксигемоглобін (ННbО 2), що призводить до деякого підкислення крові, витіснення частини Н 2 3 з бікарбонатів і зниження лужного резерву крові.
Дихальна функція крові.Важливою функцією крові є її здатність переносити кисень до тканин та СО 2 від тканин до легень. Речовиною, що здійснює цю функцію, є гемоглобін. Гемоглобін здатний поглинати О2 при порівняно високому вмісті його в атмосферному повітрі і легко віддавати при зниженні парціального тиску О2:
Нb + Про 2 ↔ НbО.
Тож у легеневих капілярах відбувається насичення крові Про 2 , тоді як і тканинних капілярах, де парціальний тиск його різко знижується, спостерігається зворотний процес - віддача кров'ю кисню тканинам.
Що Утворюється в тканинах при окисних процесах СО 2 підлягає виведенню з організму. Забезпечення такого газообміну здійснюється кількома системами організму.
Найбільше значення мають зовнішнє, або легеневе, дихання, що забезпечує спрямовану дифузію газів через альвеолокапілярні перегородки в легенях та обмін газів між зовнішнім повітрям та кров'ю; дихальна функція крові, залежна від здатності плазми розчиняти та здатності гемоглобіну оборотно зв'язувати кисень та вуглекислий газ; транспортна функція серцево-судинної системи (кровотоку), що забезпечує перенесення газів крові від легень до тканин та назад; функція ферментних систем, що забезпечує обмін газів між кров'ю та клітинами тканин, тобто. тканинне дихання.
Дифузія газів крові здійснюється через мембрану клітин за концентраційним градієнтом. За рахунок цього процесу в альвеолах легень наприкінці вдиху відбувається вирівнювання парціальних тисків різних газів в альвеолярному повітрі та крові. Обмін з атмосферним повітрям у процесі подальших видиху та вдиху знову призводить до відмінностей концентрації газів в альвеолярному повітрі та в крові, у зв'язку з чим відбувається дифузія кисню в кров, а вуглекислого газу з крові.
Більшість Про 2 і 2 переноситься у формі зв'язку їх з гемоглобіном у вигляді молекул HbO 2 і HbCO 2 . Максимальна кількість кисню, що зв'язується кров'ю за повного насичення гемоглобіну киснем, називається кисневою ємністю крові. В нормі її величина коливається в межах 16,0-24,0 об.% і залежить від вмісту крові гемоглобіну, 1 г якого може пов'язати 1,34 мл кисню (число Хюфнера).
Зв'язування кисню гемоглобіном є оборотним процесом, залежним від напруги кисню в крові, а також інших факторів, зокрема від рН крові.
СО 2 утворюється в тканинах, переходить в кров кровоносних капілярів, потім дифундує всередину еритроцита, де під впливом карбоангідрази перетворюється на вугільну кислоту, яка дисоціює на Н + і НСО 3 - . НСО 3 - частково дифундують у плазму крові, утворюючи бікарбонат натрію. Він при надходженні крові в легені (як і іони НСО 3 - , що містяться в еритроцитах) утворює СО 2 який дифундує в альвеоли.
Близько 80% усієї кількості СО 2 переноситься від тканин до легень у вигляді бікарбонатів, 10% - у вигляді вільно розчиненої вуглекислоти і 10% - у вигляді карбоксигемоглобіну. Карбоксигемоглобін дисоціює в легеневих капілярах на гемоглобін і вільний СО 2 , який видаляється з повітрям, що видихається. Звільненню СО 2 із зв'язку з гемоглобіном сприяє перетворення останнього на оксигемоглобін, який, володіючи вираженими кислотними властивостями, здатний переводити бікарбонати у вугільну кислоту, що дисоціює з утворенням молекул води та СО 2 .
При недостатньому насиченні крові киснем розвивається гіпоксемія , яка супроводжується розвитком гіпоксії, тобто. недостатнім постачанням тканин киснем. Тяжкі форми гіпоксемії можуть викликати повне припинення доставки кисню тканинам, тоді розвивається аноксияУ цих випадках настає втрата свідомості, яка може закінчитися смертю.
Патологія газообміну, пов'язана з порушенням транспорту газів між легкими та клітинами організму, спостерігається при зменшенні газової ємності крові внаслідок нестачі або якісних змін гемоглобіну, проявляється у вигляді анемічних гіпоксій. При анеміях киснева ємність крові зменшується пропорційно до зниження концентрації гемоглобіну. Зниження концентрації гемоглобіну при анеміях обмежує і транспорт вуглекислоти від тканин до легень у формі карбоксигемоглобіну.
Порушення транспорту кисню кров'ю виникає також при патології гемоглобіну, наприклад при серповидно-клітинної анемії, при інактивації частини молекул гемоглобіну за рахунок перетворення його на метгемоглобін, наприклад, при отруєнні нітратами (метгемоглобінемія), або в карбоксигемоглобін (отруєння СО).
Порушення газообміну внаслідок зменшення об'ємної швидкості кровотоку в капілярах виникають при серцевій недостатності, судинній недостатності (у т.ч. при колапсі, шоці), локальні порушення – при ангіоспазмі та ін. В умовах застою крові концентрація відновленого гемоглобіну зростає. При серцевій недостатності цей феномен особливо виражений у капілярах віддалених від серця ділянок тіла, де кровообіг найбільш уповільнений, що клінічно проявляється акроціанозом.
Первинне порушення газообміну лише на рівні клітин спостерігається головним чином за впливу отрут, які блокують дихальні ферменти. В результаті клітини втрачають здатність утилізувати кисень і розвивається різка тканинна гіпоксія, що призводить до структурної дезорганізації субклітинних і клітинних елементів, аж до некрозу. Порушення клітинного дихання може сприяти вітамінна недостатність, наприклад дефіцит вітамінів В 2 РР, які є коферментами дихальних ферментів.
Буферні системи – це сполуки, що протидіють різким змінам концентрації іонів Н+. Будь-яка буферна система - це кислотно-основна пара: слабка основа (аніон, А –) та слабка кислота (Н-аніон, H-А). Вони мінімізують зрушення кількості іонів Н+ за рахунок їх зв'язування з аніоном та включення в погано дисоціуючу сполуку – у слабку кислоту. Тому загальна кількість іонів Н+ змінюється не так помітно, як це могло бути.
Існує три буферні системи рідин організму. бікарбонатна, фосфатна, білкова(включаючи гемоглобінову).Вони вступають у дію миттєво і через кілька хвилин їхній ефект досягає максимуму можливого.
Фосфатна буферна система
Фосфатна буферна система становить близько 2% від усієї буферної ємності крові та до 50% буферної ємності сечі. Вона утворена гідрофосфатом (HPO 4 2-) та дигідрофосфатом (H 2 PO 4 -). Дигідрофосфат слабо дисоціює і веде себе як слабка кислота, гідрофосфат має лужні властивості. У нормі відношення HРO 4 2 - до H 2 РO 4 - одно 4: 1.
При взаємодії кислот (іонів Н+) із двозаміщеним фосфатом (HPO 4 2‑) утворюється дигідрофосфат (H 2 PO 4 –):
Видалення іонів H+ фосфатним буфером
В результаті концентрація іонів Н+ знижується.
При надходженні в кров основ (надлишок ОН – ‑груп) вони нейтралізуються вступниками в плазму від H 2 PO 4 – іонами Н + :
Видалення лужних еквівалентів фосфатним буфером
Роль фосфатного буфера особливо висока у внутрішньоклітинному просторі та у просвіті ниркових канальців. Кислотно-основна реакція сечізалежить від вмісту дигидрофосфата (H2 PO4 – ), т.к. бікарбонат натрію в ниркових канальцях реабсорбується.
Бікарбонатна буферна система
Ця система найпотужніша, на її частку припадає 65% усієї буферної потужності крові. Вона складається з бікарбонат-іону (НСО3 –) та вугільної кислоти (Н2СО3). У нормі відношення HCO 3 - до H 2 CO 3 дорівнює 20 : 1.
При надходженні в кров іонів H + (тобто кислоти) іони бікарбонату натрію взаємодіють з нею і утворюється вугільна кислота:
Працюючи бікарбонатної системи концентрація водневих іонів знижується, т.к. вугільна кислота є дуже слабкою кислотою та погано дисоціює. При цьому у крові не відбуваєтьсяпаралельного значного збільшення концентрації НСО 3 – .
Якщо в кров надходять речовини з лужними властивостями, то вони реагують із вугільною кислотою та утворюють іони бікарбонату:
Робота бікарбонатного буфера нерозривно пов'язана із дихальною системою (з вентиляцією легень). У легеневих артеріолах при зниженні плазмової концентрації СО 2 та завдяки присутності в еритроцитах ферменту карбоангідразивугільна кислота швидко розщеплюється з утворенням CO 2 , що видаляється з повітрям, що видихається:
Н 2 СО 3 → Н 2 О + СО 2
Крім еритроцитів, значна активність карбоангідрази відзначена в епітелії ниркових канальців, клітинах слизової оболонки шлунка, корі надниркових залоз і клітинах печінки, у незначних кількостях – у центральній нервової системи, підшлунковій залозі та інших органах.
Білкова буферна система
Білки плазми насамперед альбумін, грають роль буфера завдяки своїм амфотерним властивостям . Їхній внесок у буферизацію плазми крові близько 5%.
В кислому середовищіпригнічується дисоціація СООН-груп амінокислотних радикалів (в аспарагінової та глутамінової кислоти), а групи NH 2 (в аргініні та лізині) пов'язують надлишок Н + . У цьому білок заряджається позитивно.
В лужнийсередовищі посилюється дисоціація COOH-груп, що у плазму іони Н + пов'язують надлишок ОН – ‑іонів і pH зберігається. Білки у разі виступають як кислоти і заряджаються негативно.
Зміна заряду буферних груп білка за різних рН
Гемоглобінова буферна система
Висока потужність у крові має гемоглобіновий буфер, на нього припадає до 28% усієї буферної ємності крові. В якості кислийчастини буфера виступає оксигенований гемоглобін H-HbO2. Він має виражені кислотні властивості і у 80 разів легше віддає іони водню, ніж відновлений Н-Нb, що виступає як основа. Гемоглобіновий буфер можна розглядати як частину білкового, але його особливістю є робота в найтіснішому контакті з бікарбонатною системою.
Зміна кислотності гемоглобіну відбувається в тканинах і в легенях, і викликається зв'язуванням відповідно H + або 2 . Безпосередній механізм дії буфера полягає у приєднанні або віддачі іона H + залишком гістидинуу глобіновій частині молекули (ефект Бору).
У тканинах кисліший pH у нормі є результатом накопичення мінеральних (вугільної, сірчаної, соляної) та органічних кислот (молочної). При компенсації pH даним буфером іони H + приєднуються до оксигемоглобіну (HbО 2), що прийшов, і перетворюють його в H-HbО 2 . Це моментально викликає віддачу оксигемоглобіном кисню (ефект Бору) і він перетворюється на відновлений H-Hb.
НbO 2 + Н + → → Н-Hb + O 2
В результаті знижується кількість кислот, насамперед Н 2 3 , продукуються іони НСО 3 - і тканинний простір підлужується.
У легенях після видалення СО 2 (вугільної кислоти) відбувається залужування крові. При цьому приєднання 2 до дезоксигемоглобіну H-Hb утворює кислоту сильнішу, ніж вугільна. Вона віддає свої іони Н+ у середу, запобігаючи підвищенню рН:
Н-Hb + O 2 → → НbO 2 + Н +
Роботу гемоглобінового буфера розглядають невідривно від бікарбонатного буфера:
Фосфатна буферна система становить близько 1-2% від усієї буферної ємності крові та до 50% буферної ємності сечі.
Вона утворена дигідрофосфатом (NaH2PO4) та гідрофосфатом (Na2HPO4) натрію.
Перше з'єднання слабо дисоціює і веде себе як слабка кислота, друге має лужні властивості.
У нормі відношення HРO42 - до H2РO4 - одно 4: 1.
При взаємодії кислот (іонів водню) із двозаміщеним фосфатом натрію (Na2HPO4) натрій витісняється, утворюється натрієва сіль дигідрофосфату (H2PO4–). В результаті завдяки зв'язуванню введеної в систему кислоти концентрація іонів водню значно знижується.
HPO42– + Н-Аніон > H2PO4– + Аніон–
При надходженні підстав надлишок ОН– груп нейтралізується наявними серед Н+, а витрата іонів Н+ заповнюється підвищенням дисоціації NaH2PO4.
H2PO4– + Катіон-ОН > Катіон+ + HPO42– + Н2О
Основне значення фосфатний буфер має для регуляції pH інтерстиціальної рідини та сечі.
У сечі роль його полягає у заощадженні бікарбонату натрію за рахунок додаткового іону водню (порівняно з NaHCO3) у складі виведеного NaH2PO4:
Na2HPO4 + Н2СО3 > NaH2PO4 + NaНСО3
Кислотно-основна реакція сечі залежить від вмісту дигидрофосфата, т.к. бікарбонат натрію в ниркових канальцях реабсорбується.
Білкова буферна система
Буферна потужність цієї системи становить 5% загальної буферної ємності крові.
Білки плазми, насамперед альбумін, грають роль буфера завдяки своїм амфотерним властивостям.
У кислому середовищі пригнічується дисоціація СООН-груп, а групи NH2 пов'язують надлишок Н+, причому білок заряджається позитивно.
У лужному середовищі посилюється дисоціація карбоксильних груп, що утворюються Н+ пов'язують надлишок ОН-іонів і pH зберігається, білки виступають як кислоти і заряджаються негативно.
Гемоглобінова буферна система
Найбільшу потужність має гемоглобіновий буфер, який можна розглядати як частину білкового. На нього припадає до 30% усієї буферної ємності крові.
У буферній системі гемоглобіну істотну рольграє гістидин, який міститься у білку у великій кількості.
Ізоелектрична точка гістидину дорівнює 7,6, що дозволяє гемоглобіну легко приймати і легко віддавати іони водню за найменших зрушень фізіологічної рН крові (в нормі 7,35-7,45).
Цей буфер представлений декількома підсистемами:
Пара ННb/ННbО2 є основною у роботі гемоглобінового буфера.
З'єднання ННbО2 є сильнішою кислотою порівняно з вугільною кислотою, HHb - слабша кислота, ніж вугільна. Встановлено, що ННbО2 у 80 разів легше віддає іони водню, ніж ННb.
Приєднання іонів водню до залишку гістидину дезоксигемоглобіну виглядає так:
Робота гемоглобінового буфера нерозривно пов'язана з дихальною системою (до питання про значення пранаями! - ALG)
У легенях після видалення СО2 (вугільної кислоти) відбувається залужування крові.
При цьому приєднання О2 до дезоксигемоглобіну H-Hb утворює кислоту ННbО2 сильнішу, ніж вугільна. Вона віддає свої іони Н+ у середу, запобігаючи підвищенню рН:
Н-Hb + O2 > > НbO2 + Н+
У капілярах тканин постійне надходження кислот (у тому числі і вугільної) з клітин призводить до дисоціації оксигемоглобіну НbO2 (Ефект Бору) та зв'язування іонів Н+ у вигляді Н-Hb:
НbO2+ Н+ > > Н-Hb + O2
Тривала стабілізація зсувів рН
Це так звана фізіологічна компенсація порушень кислотно-основного стану, яка відбувається насамперед за рахунок роботи дихальної системи та нирок, та меншою мірою – за рахунок печінки та кісткової системи.
Дихальна система
Легенева вентиляція забезпечує видалення вугільної кислоти, що утворюється при функціонуванні бікарбонатної буферної системи. За швидкістю реакцію зміну рН – це друга система після буферних систем.
Додаткова вентиляція легень призводить до видалення СО2, а значить і Н2СО3, і підвищує рН крові, що компенсує закислення міжклітинної рідини та плазми крові продуктами метаболізму, насамперед органічними кислотами.
Зрушення значень рО2 є дуже значущими зміни легеневої вентиляції. Тільки зниження рО2 до 8 кПа в артеріальній крові (норма 11,04-14,36 кПа або 83-108 мм рт.ст.) призводить до збільшення активності дихального центру.
Найбільш важливим фактором для активації дихальної системи є концентрація іонів Н+.
Накопичення іонів Н+ у крові вже через 1-2 хвилини викликає максимальну (для їхньої концентрації) стимуляцію дихального центру, підвищуючи його активність до 4-5 разів, що призводить до зниження рСО2 до 10-15 мм рт.ст.
І, навпаки, зниження кислотності крові знижує активність дихального центру на 50-75%, рСО2 у своїй здатний зростати до 60 мм рт.ст і від.
Кістяна тканина
Це система, що найбільш повільно реагує. Механізм її участі у регуляції рН крові полягає у можливості обмінюватися з плазмою крові іонами Са2+ та Na+ в обмін на протони Н+. Відбувається розчинення гідроксіапатитних кальцієвих солей кісткового матриксу, звільнення іонів Са2+ та зв'язування іонів НРО42– з Н+ з утворенням дигідрофосфату, що йде із сечею.
Паралельно за зниження рН (закисление) відбувається надходження іонів H+всередину остеоцитів, а іонів калію – назовні.
Печінка
Істотну, але пасивну роль регуляції кислотно-основного стану крові перебирає печінку, у якій відбувається метаболізм низькомолекулярних органічних кислот (молочна кислота та інших.). Крім цього, кислі та лужні еквіваленти виділяються з жовчю.
Нирки
Розвиток ниркової реакцію зміщення кислотно-основного стану відбувається протягом кількох годин.
Регуляція концентрації іонів H+ здійснюється опосередковано через потоки іонів Na+, що рухаються по градієнту концентрації, і через перерозподіл потоків іонів К+ і Н+, які виходять з епітеліоцитів (секретуються) в обмін на іони Na+.
Також для забезпечення електронейтральності внутрішньо- та позаклітинної рідини при реабсорбції іонів Na+ посилюється реабсорбція іонів Cl–, однак їх не вистачає, тому виникає потреба у посиленні реабсорбції та додатковому синтезі іонів HCO3– (і ось тут якраз і грає свою роль сода - бікарбонат натрію NaHCO3 Якщо ми поставляємо організму додаткову кількість іонів HCO3 за допомогою соди, ми суттєво знижуємо навантаження з нирок і допомагаємо їм у роботі - ALG)
У нирках активно протікають три процеси, пов'язані з збиранням кислих еквівалентів. Завдяки цим процесам рН сечі може знижуватися до 4,5-5,2:
1. Реабсорбція бікарбонатних іонів HCO3-.
2. Ацидогенез – видалення іонів Н+ з кислотами, що титруються (в основному у складі дигідрофосфатів NaH2PO4).
3. Амонієгенез – видалення іонів Н+ у складі іонів амонію NH4+.
Реабсорбція бікарбонат-іонів
У проксимальних канальцях іони Na+ мігрують у цитозоль епітеліальних клітин через концентраційний градієнт, який створюється на базолатеральній мембрані при роботі ферменту Na+,К+ АТФази.
В обмін на іони Na+ епітеліоцити канальців активно секретують канальцеву рідину іони водню.
Іони HCO3 - первинної сечі і секретовані іони Н + утворюють вугільну кислоту Н2СО3.
У глікокаліксі епітеліоцитів фермент карбоангідразу каталізує розпад вугільної кислоти на СО2 та воду.
В результаті виникає градієнт концентрації вуглекислого газу між просвітом канальців та цитозолем та СО2 дифундує у клітини.
Внутрішньоклітинна карбоангідраза використовує СО2, що прийшов, і утворює вугільну кислоту, яка дисоціює.
Іони НСО3 - транспортуються в кров, іони Н + - секретуються в сечу в обмін на іони Na +. Таким чином, обсяг реабсорбції НСО3 повністю відповідає секреції іонів Н +.
Процес реабсорбції бікарбонат-іонів
У проксимальних канальцях відбувається реабсорбція 90% профільтрованого НСО3-.
У петлі Генлі і дистальних канальцях реабсорбується кількість карбонат-іону, що залишилася. Всього в ниркових канальцях реабсорбується більше 99% від бікарбонатів, що фільтруються.
(З усього вищесказаного стає очевидним, що додаткове надходженняв систему бікарбонат-іонів завдяки прийому бікарбонату натрію – соди – знижує навантаження на цей бік роботи нирок. Чим більше вільних бікарбонат-іонів є в системі, тим менша залежність організму від цього процесу їхньої реабсорбції. Відповідно, нирки не сильно напружуються в цьому плані, внаслідок чого ми на виході маємо сечу з більш лужною реакцією! Відомо ж, що з новонароджених показник сечі близький до 8...ALG)
Ацидогенез
У процесі ацидогенезу на добу із сечею виділяється 10-30 ммоль кислот, званих титруємими кислотами.
Фосфати, будучи однією з цих кислот, грають роль буферної системи у сечі.
Роль цієї системи полягає в екскреції кислих еквівалентів без втрат бікарбонат-іонів за рахунок додаткового іону водню у складі виведеного NaH2PO4 (порівняно з NaHCO3):
Na2HPO4 + Н2СО3 > NaH2PO4 + NaНСО3
Після того, як бікарбонат натрію в ниркових канальцях реабсорбується, кислотність сечі залежить тільки від зв'язування іонів Н+с HPO42- та вмісту дигідрофосфату.
Процес ацидогенезу у ниркових канальцях
Хоча у крові співвідношення HРO42– : H2РO4– одно 4: 1, у клубочковом фільтраті воно змінюється на 1: 9.
Відбувається це через те, що менш заряджений H2РО4 - краще фільтрується в клубочках.
Зв'язування іонів Н+ іонами HРO42-протягом усього канальця призводить до збільшення кількості H2РO4-.
У дистальних канальцях співвідношення може досягати 1:50.
Амонієгенез
Амонієгенез відбувається протягом усього ниркового канальця, але більш активно йде в дистальних відділах – дистальних канальцях та збірних трубочках кіркового та мозкового шарів. Глутамін та глутамінова кислота, потрапляючи в клітини канальців, швидко дезамінуються ферментами глутаміназу та глутаматдегідрогеназу з утворенням аміаку.
Як гідрофобне з'єднання, аміак дифундує в просвіт канальця і акцептує іони Н+ з утворенням амонійного іона.
Джерелом іонів H+ первинної сечі в проксимальних відділах канальця є Na+, H+-антипорт. У дистальних відділах, на відміну проксимальних, секреція іонів Н+ відбувається за участю Н+-АТФази, локалізованої на апікальній мембрані вставкових клітин.
Кислотно-основна рівновага.
Кислотно-основна рівновага – це співвідношення концентрації водневих (Н+) та гідроксильних (ОН-) іонів у рідинах організму.
Постійність рН внутрішнього середовища організму обумовлено спільною дією буферних систем та низки фізіологічних механізмів.
1. Буферні системи крові та тканин:
Бікарбонатна: NaHCO 3 + Н 2 СО 3
Фосфатна: NaHРO 4с + NaHРO 4к
Білкова: протеїн-Na++ протеїн-Н+
Гемоглобінова: HbK+HbH +
2. Фізіологічний контроль:
Дихальна функція легень
Видільна функція нирок
КЩР відображає клітинний метаболізм, газотранспортну функцію крові, зовнішнє дихання та водно-сольовий обмін.
У нормі рН крові коливається від 7,37 до 7,44, середнє рН=7,4.
Буферні системи підтримують сталість рН при надходженні кислих та основних (ОН-) продуктів. Буферна дія пояснюється зв'язуванням вільних Н+ та ОН – іонів компонентами буфера та переведенням їх у недисоційовану форму слабкої кислоти або води.
Буферні системи організму складаються із слабких кислот та їх солей із сильними основами.
Для усунення зсуву рН потрібен різний час:
Буферні системи – 30 с
Дихальний контроль – 1 – 3 хв
Видільна функція нирок – 10 – 20 год.
Буферні системи усувають лише зсуви рН. Фізіологічні механізми відновлюють буферну ємність.
Бікарбонатні буферна система.
Перед бікарбонатного буфера припадає близько 10% всієї буферної ємності крові.
Бікарбонатний буфер складається з вугільної кислоти, яка виконує роль донора протона, і бікарбонат-іона, що виконує роль акцептора протона.
Н 2 3 - слабка кислота, важко дисоціює
Н 2 СО 3 Н + +
NaНСО 3 – сіль слабкої кислоти та сильної основи дисоціює повністю:
NaНСО 3 Na + +
Механізм дії буфера
1. При надходженні в кров кислих продуктів водневі іони взаємодіють з іонами бікарбонату, утворюється вугільна кислота, що слабо дисоціює:
Н + + NaНСО 3 Na + + Н 2 СО 3
Відновлюється співвідношення Н 2 3 / NaНСО 3 рН не змінюється (концентрація NaНСО 3 незначно знижується).
Легкі забезпечують виведення вуглекислого газу.
2. При надходженні в кров основ з тканин, іони ВІН - взаємодіють зі слабкою вугільною кислотою (іони ВІН - взаємодіють з Н + з буфера, утворюючи Н 2 О)
Н 2 СО 3 + ВІН - Н 2 О +
рН зберігається, зростає. Надлишок посилює дисоціацію Н 2 3 , витрата Н + заповнюється посиленням дисоціації Н 2 3 .
При нормальному значенні рН крові концентрація іонів бікарбонату в плазмі перевищує концентрацію вуглекислого газу приблизно в 20 разів:
Фосфатна буферна система
Компоненти буфера:
Na 2 НРО 4с – сіль – двозаміщений фосфат
NaН 2 РО 4к – слабка кислота – однозаміщений фосфат
Співвідношення 
Перед фосфатної буферної системи припадає 1% буферної ємності крові.
Механізм дії буфера.
1. При надходженні в кров кислих продуктів обміну речовин відбувається зв'язування іонів Н+ з двозаміщеним фосфатним іоном, утворюється кислий однозаміщений іон, надлишок якого видаляється нирками із сечею:
Фосфатний буфер діє за зміни рН в інтервалі від 6,1 до 7,7. У крові максимальна ємність фосфатного буфера проявляється за 7,2.
Фосфатна буферна система грає істотну роль регуляції КЩР всередині клітин, особливо - канальців нирок. Це зумовлено більш високою концентрацією фосфатів у клітинах порівняно із позаклітинною рідиною (близько 8% загальної буферної ємності). Фосфатний буфер і двох компонентів: лужного - (Na 2 HPO 4) і кислого - (NaH 2 PO 4).
Епітелій канальців нирок містить компоненти буфера максимальної концентрації, що забезпечує його високу потужність. У крові фосфатний буфер сприяє підтримці («регенерації») гідрокарбонатної буферної системи. При збільшенні рівня кислот у плазмі крові (що містить і гідрокарбонатний, і фосфатний буфер) збільшується концентрація H 2 CO 3 і зменшується вміст NaHCO 3:
H 2 CO 3 + Na 2 HPO 4 NaHCO 3 + NaH 2 PO 4
Внаслідок цього надлишок вугільної кислоти усувається, а рівень NaHCO 3 зростає.
Білкова буферна система
Білкова буферна система – головний внутрішньоклітинний буфер. Він становить приблизно три чверті буферної ємності внутрішньоклітинної рідини.
Компонентами білкового буфера є слабодиссоціюючий білок кислими властивостями(білок-COOH) та солі сильної основи (білок-COONa). При наростанні рівня кислот вони взаємодіють із сіллю білка з утворенням нейтральної солі та слабкої кислоти. При збільшенні концентрації підстав реакція їх відбувається з білком із кислими властивостями. В результаті замість сильної основи утворюється слабоосновна сіль.
Гемоглобінова буферна система
Гемоглобінова буферна система - найбільш ємний буфер крові - становить більше половини її буферної ємності. Гемоглобіновий буфер складається з кислого компонента – оксигенованого Hb – HbO 2 та основного – неоксигенованого. HbO 2 приблизно в 80 разів сильніше дисоціює з віддачею в середу H + ніж Hb. Відповідно, він пов'язує катіонів, головним чином K + .
Основна роль гемоглобінової буферної системи полягає у її участі у транспорті CO 2 від тканин до легень.
У капілярах великого кола кровообігу HbO 2 дає кисень. В еритроцитах CO 2 взаємодіє з H 2 O та утворюється H 2 CO 3 . Ця кислота дисоціює на HCO 3 - і H + , який з'єднується з Hb. Аніони HCO 3 – з еритроцитів виходять у плазму крові, а еритроцити надходить еквівалентне кількість аніонів Cl – . Іони Na +, що залишаються в плазмі крові, взаємодіють з HCO 3 – і завдяки цьому відновлюють її лужний резерв.
У капілярах легень, в умовах низького pСО 2 і високого pО 2 Hb приєднує кисень з утворенням HbO 2 . Карбамінова зв'язок розривається, у зв'язку з чим вивільняється CO2. При цьому HCO 3 - з плазми крові надходить в еритроцити (в обмін на іони Cl -) і взаємодіє з H + , що відщепився від Hb в момент його оксигенації. H 2 CO 3 , що утворюється, під впливом карбоангідрази розщеплюється на CO 2 і H 2 O. CO 2 дифундує в альвеоли і виводиться з організму.
Карбонати кісткової тканини
Карбонати кісткової тканини функціонують як депо для буферних систем організму. У кістках міститься велика кількість солей вугільної кислоти: карбонати кальцію, натрію, калію та ін. буферної ємності. Вивільнення карбонату кальцію в плазму сприяє ефективної нейтралізації надлишку H + . В умовах хронічного навантаження кислими сполуками (наприклад, при хронічній серцевій, печінковій, нирковій, дихальній недостатності) кістки можуть забезпечувати до 50% буферної ємності біологічних рідин організму.
ФІЗІОЛОГІЧНІ МЕХАНІЗМИ
Поряд з потужними та швидкодіючими хімічними системамив організмі функціонують органні механізми компенсації та усунення зрушень КОС. Для їх реалізації та досягнення необхідного ефекту потрібно більше часу – від кількох хвилин до кількох годин. До найефективніших фізіологічних механізмів регуляції КОС відносять процеси, що протікають у легенях, нирках, печінці та ШКТ.
Легкі
Легкі забезпечують усунення чи зменшення зрушень КОС шляхом зміни обсягу альвеолярної вентиляції. Це досить мобільний механізм – вже через 1–2 хв після зміни обсягу альвеолярної вентиляції компенсуються чи усуваються зрушення КОС.
Причиною зміни обсягу диханняє пряма або рефлекторна зміна збудливості нейронів дихального центру.
Зниження рН у рідинах організму(плазма крові, СМР) є специфічним рефлекторним стимулом збільшення частоти та глибини дихальних рухів. Внаслідок цього легені виділяють надлишок CO 2 (що утворюється при дисоціації вугільної кислоти). В результаті вміст H + (HCO 3 - + H + = H 2 CO 3 ® H 2 O + CO 2) у плазмі крові та інших рідинах організму знижується.
Підвищення рН у рідких середовищах організмузнижує збудливість інспіраторних нейронів дихального центру. Це призводить до зменшення альвеолярної вентиляції та виведення з організму CO2, тобто. до гіперкапнії. У зв'язку з цим у рідких середовищах організму зростає рівень вугільної кислоти, що дисоціює з утворенням H + - показник рН знижується.
Отже, система зовнішнього дихання досить швидко (протягом кількох хвилин) здатна усунути або зменшити зрушення рН та запобігти розвитку ацидозу або алкалозу: збільшення вентиляції легень у два рази підвищує рН крові приблизно на 0,2; Зниження вентиляції на 25% може зменшити рН на 0,3-0,4.
Нирки
До головних механізмів зменшення або усунення зрушень КОС крові, що реалізуються нефронами нирок, відносять ацидогенез, амоніогенез, секрецію фосфатів і K+, Na+-обмінний механізм.
Ацидогенез. Цей енергозалежний процес, що протікає в епітелії дистальних відділів нефрону і збірних трубочок, забезпечує секрецію в просвіт канальців H + в обмін на Na +, що реабсорбується (рис. 14-1).
Ы ВЕРСТКА Вставити файл «ПФ Рис 14 01 Реабсорбція HCO3 в клітинах проксимального відділу »
Рис.14–1 .Реабсорбція HCO 3 в клітинах проксимального відділу.
КА – карбоангідраза.
Ы ВЕРСТКА Вставити файл «ПФ Рис 14 02 Реабсорбція HCO3 в клітинах проксимального відділу »
Рис.14–2 .Секреція H+ клітинами канальців та збиральних трубочок.
КА – карбоангідраза.
Кількість секретується H + еквівалентно його кількості, що потрапляє в кров з нелетючими кислотами та H 2 CO 3 . Реабсорбований з просвіту канальців у плазму Na + бере участь у регенерації плазмової гідрокарбонатної буферної системи (рис. 13-2).
Амоніогенез, Як і ацидогенез, реалізує епітелій канальців нефрону та збірних трубочок. Амоніогенез здійснюється шляхом окисного дезамінування амінокислот, переважно (приблизно 2/3) – глютамінової, щонайменше – аланіну, аспарагіну, лейцину, гістидину. Аміак, що утворюється при цьому, дифундує в просвіт канальців. Там NH 3+ приєднує іон H+ із заснуванням іону амонію (NH 4+). Іони NH 4 + заміщають Na + в солях і виділяються переважно у вигляді NH 4 Cl і (NH 4) 2 SO 4 . У кров при цьому надходить еквівалентна кількість гідрокарбонату натрію, що забезпечує регенерацію гідрокарбонатної буферної системи.
Секреція фосфатівздійснюється епітелієм дистальних канальців за участю фосфатної буферної системи:
Na 2 HPO 4 + H 2 CO 3 NaH 2 PO 4 + NaHCO 3
Натрію, що утворюється гідрокарбонат, реабсорбується в кров і підтримує гідрокарбонатний буфер, а NaH 2 PO 4 виводиться з організму з сечею.
Таким чином, секреція H + епітелієм канальців при реалізації трьох описаних вище механізмів (ацидогенез, амоніогенез, секреції фосфатів) пов'язана з утворенням гідрокарбонату і надходженням його в плазму крові. Це забезпечує постійне підтримання однієї з найважливіших, ємних і мобільних буферних систем - гідрокарбонатної як наслідок - ефективне усунення чи зменшення небезпечних організму зрушень КОС.
К + ,Na + обмінний механізм, що реалізується в дистальних відділах нефрону та початкових ділянках збірних трубочок, забезпечує обмін Na + первинної сечі на K + , що виводиться в неї епітеліальними клітинами. Реабсорбований Na+ у рідких середовищах організму бере участь у регенерації гідрокарбонатної буферної системи. K + ,Na + -обмін контролюється альдостероном. Крім того, альдостерон регулює (збільшує) обсяг секреції та екскреції H+.
Таким чином, ниркові механізми усунення або зменшення зсувів КОС здійснюються шляхом екскреції H+ та відновлення резерву гідрокарбонатної буферної системи у рідких середовищах організму.
Печінка
Печінка грає істотну роль компенсації зрушень КОС. У ній діють, з одного боку, загальні внутрішньо- і позаклітинні буферні системи (гідрокарбонатна, білкова та ін.), з іншого боку, у гепатоцитах здійснюються різні реакції метаболізму, що мають пряме відношення до усунення розладів КОС.
Синтез білків крові, що входять до білкової буферної системи. У печінці утворюються всі альбуміни, а також фібриноген, протромбін, проконвертин, проакцелерин, гепарин, ряд глобулінів та ферментів.
Утворення аміаку, здатного нейтралізувати кислоти як у самих гепатоцитах, так і в плазмі крові та в міжклітинній рідині
Синтез глюкозиз невуглеводних речовин – амінокислот, гліцерину, лактату, пірувату. Включення цих органічних нелетючих кислот при утворенні глюкози забезпечує зниження їх вмісту у клітинах та біологічних рідинах. Так, МК, яку багато органів і тканин не здатні метаболізувати, в гепатоцитах приблизно на 80% трансформується в H 2 O і CO 2 , а кількість, що залишилася, ресинтезується в глюкозу. Таким чином, лактат перетворюється на нейтральні продукти.
Виведення з організму нелетких кислот- глюкуроновою та сірчаною при детоксикації продуктів метаболізму та ксенобіотиків.
Екскреція у кишечниккислих та основних речовин з жовчю.
Шлунок та кишечник
Шлунок бере участь у демпфуванні зрушень КЩР, головним чином, шляхом зміни секреції соляної кислоти: при залужуванні рідких середовищ організму цей процес гальмується, а при закисленні посилюється. Кишечник сприяє зменшенню або усуненню зсувів КЩР за допомогою:
Секреції кишкового соку,містить велику кількість гідрокарбонату. При цьому в плазму крові надходить H+.
Зміни кількості рідини, що всмоктується. Це сприяє нормалізації водного та електролітного балансу в клітинах, позаклітинній та інших біологічних рідинах і як наслідок - - нормалізації рН.
Реабсорбція компонентів буферних систем(Na +, K +, Ca 2+, Cl -, HCO 3 -).
Подібна інформація.
