Физиология кислотно-основного состояния

24-03-2011, 08:26 | Раздел: Медицина
Физиология кислотно-основного состоянияВ результате жизнедеятельности клетки в ней постоянно обра­зуются кислоты, которые диссоциируют с освобождением очень активных ионов Н+. Часть этих ионов нейтрализуется буферной системой клетки, другая — буферными системами межклеточной жидкости и крови, а также физиологическими системами легких, почек, кишечника, печени и др. Соотношение водородных и гид - роксилъных ионов во внутренней среде в значительной мере оп­ределяет интенсивность окислительно-восстановительных процес­сов, синтеза и расщепления белков, жиров и углеводов, актив­ность ферментов, проницаемость мембран, чувствительность к гормональным стимулам и др. Это соотношение выражается в ин­тегральном показателе рН. Учитывая, что показатель рН часто встречается в медицинской литературе, мы ладим ему более под­робную характеристику.

Кислотность или щелочность раствора зависит от содержания в нем свободных ионов водорода. Это характеризуется показате­лем рН, представляющих собой отрицательный десятичный лога­рифм молярной концентрации ионов Н+: для нейтральной среды рН = 7,0, т. е. содержание ионов Н+ [Н+] равно 107 моль/л. Если кислотность раствора увеличивается, то рН его снижается. Для биологических объектов важна не сама концентрация Н+ ионов, а электрический потенциал ионов (рН). Именно от него зависит возбудимость рецепторов, участвующих в поддержании кислот­но-основного равновесия. Когда речь идет о рН крови, то следует подразумевать рН плазмы (7,37—7,43; в среднем 7,40). Дело в том, что известные способы измерения этого показателя в крови опре­деляют этот показатель не в эритроците, а в плазме: рН в эритро­ците измерить довольно сложно, однако показано, что рН эритро­цита составляет 7,28—7,29.

Отдельно следует отметить, что в связи с развитием реанима­тологии клиницисты и экспериментаторы столкнулись с ситуаци­ями, когда рН крови непосредственно после реанимации состав­лял 6,8. Несмотря на это, отмечались благоприятные исходы. Вполне естественно задать вопрос — чем обеспечивается постоянство рН? Это обеспечивается эффективными системами организма по их нейтрализации и выведению: 1) разведением (перераспределени­ем и транспортировкой ионов из места их образования); 2) буферированием: физико-химическим, гомеостатическими — карбонатной, фосфатной, гемоглобиновой, белковой буферны­ми системами, обменными процессами; 3) физиологическими го­меостатическими механизмами, которые обеспечиваются функ­циями легких и крови, почек, желудочно-кишечного тракта, пе­чени, кожи. Наиболее быстро рН регулируется первыми двумя факторами, но после этого всегда еще остаются небольшие физио­логические изменения рН, необходимые для того, чтобы вклю­чить физиологические механизмы регуляции.

Принцип работы химических буферных систем заключается в сле­дующем. Химические буферные системы обладают способностью принимать или отдавать ионы водорода. В этом и заключается их демпферирующий эффект. При избытке водородные ионы связы­ваются с анионами с образованием слабой кислоты. Если схема­тично обозначить Н+ как ион водорода, а А~ как анион, то Н++А будет кислота, сила которой определяется способностью к диссо­циации, т. е. степенью, с которой реакция НА = Н++А - смещается вправо. Водород проявляет кислотные свойства только в ионной форме. Чисто химическое буферирование осуществляют бикарбо - натная и фосфатная системы и белки плазмы. К ним можно отне­сти и эритроцитарную гемоглобиновую буферную систему. Пос­ледняя, принимая участие в химической регуляции, тоже прояв­ляет свое действие в физиологических и гомеостатических механизмах.

Особое место среди буферных систем крови и тканей занимает карбонатная буферная система. Она состоит из углекислоты Н2С03 и гидрокарбоната натрия NaHCCh. Отношение NaHC03 к Н2С03 при рН крови 7,4 составляет 20:1. Оба химических соединения име­ют общий гидрокарбонатный ион НС03_. Большая часть гидрокар­бонатных ионов освобождается при диссоциации NaHC03. Ион, высвобождаемый из соли, подавляет диссоциацию слабой уголь­ной кислоты. Механизм буферного действия заключается в том, что при поступлении в кровь большого количества кислых продуктов, т. е. Н+, образуется слабодиссоциирующая угольная кислота:
(H2C03/NaHC03) + Н+А - - 2Н2СЮ3 + Na+A

Наблюдается увеличение кислотной части и уменьшение ос­новной части. Если в крови увеличивается количество сильных оснований (ОН~ и др.), то они реагируют с угольной кислотой с образованием воды и ионов гидрокарбоната:
(H++HC03-/NaHC03) +Na+ + ОН" = 2NaHC03+H20

Происходит изменение буферной системы с увеличением ее основной части и уменьшением кислотной. Изменение соотноше­ния в буферной системе приводит к изменению рН менее выра­женному, чем если бы вводимые кислоты и основания в организ­ме не вступали во взаимодействие с буферными системами. Бу­ферная емкость карбонатной системы составляет 7 — 9% от общей буферной емкости, однако она является хорошим индикатором кислотно-щелочного баланса.

Фосфатная буферная система (1% буферной емкости кро­ви) состоит из фосфорно-кислых солей: кислотная часть пред­ставлена в виде однозамещенного фосфата натрия NaH2P04, а основная часть представлена двузамещенным фосфатом натрия — Na2HP04. Одноосновные фосфатные соли являются слабыми кислотами, а двухосновные соли имеют ясно выраженную ще­лочную реакцию. Принцип действия фосфатного буфера анало­гичен карбонатному. Непосредственная роль фосфатного буфера в крови небольшая, но ему принадлежит значительная роль в конечной регуляцией кислотно-основного гомеостаза и регуля­ции активной реакции тканей. В крови действие этого буфера сводится к поддержанию и воспроизводству карбонатного буфе­ра. При увеличении в крови кислот и образовании Н2С03 проис­ходит обменная реакция.

Характер диссоциации зависит от природы белка и реакции среды. При щелочной реакции крови белки диссоциируют с обра­зованием W и образуют соли с щелочами (протеинаты), при за- кислении среды они отдают эту щелочь. Белковая буферная систе­ма в сравнении с карбонатной относительно невелика.

Наибольшая буферная емкость крови (75%) приходится на ге- моглобиновый буфер. Он в 9 раз сильнее, чем гидрокарбонатный. Буферные свойства, гемоглобина обусловлены возможностью вза­имодействия Н+ ионов с калиевой солью гемоглобина, в резуль­тате которого образуется соответствующее количество калиевой соли гемоглобина и свободного гемоглобина. Свободный гемогло­бин проявляет свойства очень слабой органической кислоты. За счет этого может связываться большое количество Н+ ионов, при­чем у солей гемоглобина эти свойства сильнее, чем у оксигемо - глобина. Таким образом, гемоглобин (НЬ) является более слабой органической кислотой, чем НЬО. В связи с этим в тканевых ка­пиллярах диссоциация НЬО сопровождается освобождением до­полнительного количества оснований, способных связывать угле­кислоту. Оксигенация гемоглобина приводит к вытеснению Н2С03 из гидрокарбоната.

На уровне эритроцит-плазма крови—ткань происходят следу­ющие физиологические процессы.
В результате тканевого дыхания освобождается С02, Н20 и Н+, которые поступают в интерстициалъную жидкость и плазму крови. В каждой из систем, начиная уже с внутриклеточной среды, про­исходит буферирование кислых валентностей химическими буфер­ными системами. С02 в силу парциального давления проникает в эритроцит. В эритроците содержится фермент карбангидраза, ко­торый катализирует реакцию:
со2 + н2о = н2со3

Н2С03 диссоциирует на Н+ и НС03 ; Н+ ионы водорода остают­ся в эритроците и связываются буферными системами гемоглобина. Излишки НС03" покидают эритроцит, а в плазме крови от белков и от двузамещенных фосфатов к этим анионам переходит натрий. При этом в белках и в фосфатной системе освобождается место для Н+, т. е. уже здесь на этом уровне эритроцитарный буфер поддержи­вает химические буферные системы, в частности, фосфатную и белковую. В силу правила Доннана (отношение концентрации ионов, способных проходить через мембрану, должны быть равны по обе стороны мембраны), СО входит в эритроцит, а натрий остается в плазме, поскольку мембраны эритроцитов для них практически непроницаемы. Создающийся избыток натрия, соединяясь, элек- тронейтрализует избыток НС03~, образуя основную — бикарбо- натную-буферную систему крови, восполняя ее убыль, возника­ющую в венозной крови и поддерживая рН.

Коль скоро речь идет о поведении эритроцита в венозной кро­ви, то необходимо сказать, что из эритроцита выходит 02. Комп­лекс КНЬС02 в эритроците теряет К+; 02Нв присоединяет кислые валентности и СО,, превращаясь в Н-НЬС02. Калий нейтрализует хлор (КС1) и Н2С03 (КНС03). Описанная фракция крови, эритро - цит-плазма крови, где происходили вышеописанные превраще­ния артериальной крови в венозную, через 1 с уходит из тканевых капилляров и через несколько секунд приходит к легким. Если не разделять кровь схематично на отдельные эритроциты, то речь идет о венозной крови, поступающей в легочные капилляры, где про­исходит выведение С02 и оксигенация крови.

На уровне легочных капилляров в системе эритроцит—плаз­ма крови — ткань происходят противоположно направленные про­цессы.
Углекислый газ диффундирует в 20 раз интенсивнее кислоро­да. Переход углекислого газа из крови в альвеолярный воздух объяс­няется имеющимися здесь градиентом рС02. Облегчается этот про­цесс двумя механизмами: переходом НЬ в НЬО (образующаяся более сильная кислота вытесняет углекислый газ из крови) и дей­ствием карбангидразы. Количество углекислого газа, выводимого из легких, зависит прежде всего от амплитуды и частоты дыха­тельных движений, а параметры дыхания преимущественно регу­лируются содержанием углекислоты и рН крови.

С02 выходит из эритроцитов плазмы в альвеолярный воздух. В эритроцитах от белков гемоглобина отщепляются Н+ионы, а из плазмы в эритроцит заходят анионы НС03 , карбангидраза ката­лизирует реакцию:
Н+ + нсо3 =>н2со^н2о + со2Т

В плазме крови в это время освободившийся натрий из карбо­натной системы возвращается на фосфатную и белковую буфер­ные системы. Хлор выходит из эритроцита. В эритроците при насы­щении гемоглобина кислородом образуется комплекс КНЬО (ар­териальная кровь).Обменные процессы весьма существенно способны менять кислотно-основной баланс. Щелочи могут нейтрализоваться мо­лочной кислотой, образование которой резко стимулируется при сдвиге рН тканей в щелочную сторону. Неорганические кислоты могут быть нейтрализованы солями калия, натрия, аммиаком с образованием аммонийных солей. Органические кислоты могут соединяться с продуктами белкового обмена. К примеру, образу­ющаяся молочная кислота может ресинтезироваться в гликоген, а кетоновые тела — в высшие жирные кислоты. Окислительно-вос­становительные процессы в клетке, сопровождаясь накоплением Н+ внутри ее, требуют постоянного выведения Н+ из клеток в межклеточное пространство. Этим во многом определяется мемб­ранный потенциал клетки и многие электрофизиологические ха­рактеристики. Ион Н+ выходит из клетки в обмен на ион К+, кото­рый проходит мембрану клетки в комплексе глюкозо-фосфата. Параллельно этому из клетки удаляется также ион Na+, который нейтрализует во внеклеточном пространстве выходящие из клет­ки ионы Н+. Эти механизмы компенсируют внутриклеточный аци­доз и обеспечивают реполяризацию клетки.

Физиологические механизмы регуляции кислотно-основного ба­ланса.
Несмотря на наличие многочисленных буферных систем в организме, они не способны были стабилизировать сдвиги рН. Для этого необходимы более эффективные механизмы стабилизации. По быстроте и эффективности на первом месте стоит система дыхания. Основная физиологическая роль легких сводится к под­держанию нормальной концентрации углекислоты в крови. Физио­логическими стимулами к изменению активности дыхательного центра являются рН и рС02. В случае увеличения рС02 и смеще­ния рН в кислую сторону соответственно увеличивается вентиля­ция легких и выделение С02, буферное соотношение гидрокарбо­натной системы выравнивается и концентрация ионов водорода нормализуется. Высокая мобильность системы дыхания объясня­ется хорошей диффузной способностью С02 при прохождении через мембраны альвеол. Следует особо отметить, что этот про­цесс существенно зависит от количества воды в межуточной тка­ни легкого и на поверхности альвеол.

Как показали исследования последних лет, степень гидрата­ции может очень эффективно регулироваться центральными не­рвными образованиями (преоптической областью гипоталамуса и дорсальными ядрами блуждающего нерва) и уровнем гормонов в притекающей и оттекающей от легких крови. Количество диффун­дирующего газа пропорционально его растворимости в слое жид­кости. Таким образом, посредством регуляции количества жидко­сти в легких может осуществляться регуляция диффузионной спо­собности в легких к О, и С02. Установлено, что С02 диффундирует в 20 раз интенсивнее 02. В случае накопления оснований и откло­нения рН в щелочную сторону система дыхания отвечает сниже­нием легочной вентиляции, что создает условия для повышения концентрации ионов водорода. Эта компенсаторная реакция не совершенна и, вероятно, обеспечивает компенсацию лишь крат­ковременно.
Донатором иона водорода в первом, втором и третьем процессах является угольная кислота, которая образуется в клетках канальцев. Реакция катализируется ферментом карбоангидразой, содержащей­ся в них в большом количестве (так же как и в эритроцитах) :
С02 + Н20 = Н’ + НС03

Нейтрализация и секреция ионов водорода происходит в ре­зультате их обмена с натрием в буферах первичной мочи. Бикар - бонатные ионы, которые остаются после выхода Н’ в канальце - вую мочу, реабсорбируются в кровь, повышая ее буферную спо­собность. Процесс выделения эпителием почечных канальцев Н+ происходит с одновременной реабсорбцией эквивалентного ко­личества ионов натрия. Уменьшение реабсорбции натрия, как пра­вило, сопровождается снижением ацидогенеза.

При усиленном выделении почками кислот на уровне дисталь - ных канальцев и собирательных трубок включается механизм ам - мониогенеза. NH3, с одной стороны, обеспечивает связывание Н+, с другой — выведение анионов сильных кислот в виде аммоний­ных солей, в составе которых ионы Н+ не оказывают повреждаю­щего воздействия на эпителий канальцев. 60% натрия образуется при дезаминировании глютамина под действием фермента глюта - миназы, а остальные 40% — из других аминокислот. Реабсорбция натрия происходит в обмен на выделение как ионов водорода, так и ионов калия. Этот обмен регулируется минералокортикоида - ми. При недостатке ионов водорода может усилиться выделение калия, а при избытке — уменьшается.
Почечная регуляция кислотно-основного баланса является хотя и радикальным, но относительно медленным процессом.

Определенное место в поддержании кислотно-основного го­меостаза занимает желудочно-кишечный тракт. Клетки слизистой оболочки желудка секретируют Н+ и СГ, а в крови остаются Na+ и НС03. Защелачивание крови не происходит, так как ионы хло­ра желудочного сока вновь всасываются в кишечнике. Эпителий слизистой оболочки кишечника секретирует щелочной сок — Na+ и НС03. При этом в крови остаются Н+ и С1. Кратковременный сдвиг реакции уравновешивается обратным всасыванием бикар­боната в кишечнике.

В то время как почки концентрируют и выделяют из орга­низма, главным образом Н+ и одновалентные катионы, кишеч­ный тракт концентрирует и выделяет двухвалентные щелочные ионы.

рС02 (мм рт. ст.) — напряжение углекислоты в крови; един­ственный дыхательный показатель кислотно-основного гомеоста­за, отражающий функциональное состояние системы дыхания, изменяющееся при ее патологии и в результате компенсаторных реакций при метаболических сдвигах (в норме 35—45 мм рт. ст.).

АВ (ммоль/л) — истинные бикарбонаты крови (actual bikarbonate); концентрация ионов угольной кислоты, НС03~ при физическом состоянии крови в кровеносном русле, т. е. опреде­ленное без соприкосновения с воздухом при температуре 38°С (в норме 21,8—27,2 ммоль/л).
SB (ммоль/л) — стандартный бикарбонат (standart bikarbonate); концентрация бикарбонатных ионов (НС03 ), измеренная при стандартных условиях: рС02 — 5,3 кПа (40 мм рт. ст.), при темпе­ратуре 38°С и полном насыщении гемоглобина кислородом. Ха­рактеризует смещение ионов бикарбонатной системы. Этот пока­затель считается более ценным в диагностическом отношении, чем истинный бикарбонат, поскольку отражает только метаболи­ческие сдвиги (в норме 21,6—26,9 ммоль/л);

ВВ (ммоль/л) — буферные основания крови (buffer base); об­щая концентрация буферных ионов (бикарбонаты, белки, гемог­лобин) в полностью оксигенированной крови. Диагностическое значение этого показателя небольшое, т. к. он меняется в зависи­мости от рС02, концентрации гемоглобина (в норме 43,7—53,5 ммоль/л).

BE (ммоль/л) — избыток или недостаток буферных оснований (base excess). Характеризует сдвиг ионов всех буферных систем и указывает на природу нарушений кислотно-основного гомеостаза. Отрицательное значение BE отражает дефицит оснований или из­быток кислот. При метаболических сдвигах кислотно-основного го­меостаза крови смещение BE будет выражено более значительно, чем при дыхательных нарушениях (в норме — 1,8—3,1 ммоль/л).
По направленности сдвига активной реакции крови в кислую или щелочную сторону различают ацидоз или алкалоз. По основной причине, вызывающей эти нарушения, они могут быть дыхатель­ными или метаболическими, а по степени выраженности сдвига — компенсированными, субкомпенсированными, декомпенсирован - ными. Основными типами нарушения КОС по общепринятой клас­сификации являются следующие: дыхательный ацидоз, дыхатель­ный алкалоз, метаболический ацидоз, метаболический алкалоз.

Ацидозом называется такое нарушение КОС, при котором в крови появляется относительный или абсолютный избыток кис­лот. Алкалоз — характеризуется абсолютным или относительным увеличением оснований в крови. Компенсированный ацидоз и ал­калоз — это такое состояние, когда изменяются абсолютные ко­личества Н.СО, и NaHC03, но отношение остается в нормальных пределах 1:20. При сохранении указанных соотношений рН крови колеблется в физиологических пределах, обеспечивая включение физиологических механизмов регуляции КОС. Декомпенсирован - ными ацидозами и алкалозами называются такие состояния, ког­да изменяются не только общие количества Н2СОэ и NaHC03, но и их соотношения, результатом чего является сдвиг рН крови в ту или другую сторону.

Признаком, позволяющим отличить дыхательные нарушения кислотно-щелочного равновесия от недыхательных, служит на­пряжение в крови С02 (рС02) и избыток оснований (BE).

Для дыхательных нарушений характерны сдвиги рС02 в сторо­ну повышения или понижения без предварительного сдвига со­держания буферных оснований. При нереспираторных нарушени­ях предварительно изменяется BE, а уже вторично — рС02.Метаболический (нереспираторный) ацидоз чаще возникает при накоплении в организме недоокисленных продуктов обмена (аце­тоуксусная, у-оксимасляная, молочная кислота). Гиперпродукция кетоновых тел может возникнуть при уменьшении содержания гли­когена в печени при интенсивном распаде жиров, при кислород­ном голодании, при нарушении работы цикла трикарбоновых кис­лот. При отдельных патологических состояниях концентрация кето­новых тел может увеличиваться в сотни раз (сахарный диабет, углеводное голодание, высокая лихорадка и др.), при этом значи­тельное количество их выделяется почками в виде солей Na+ и К+. Это, в свою очередь, может привести к потерям больших количеств щелочных ионов и развитию декомпенсированного ацидоза.

Кратковременный ацидоз может возникнуть после интенсив­ной физической нагрузки, что связано с образованием молочной кислоты. Подобное может наблюдаться при различных формах кислородного голодания (заболевания легких, сердца).

Исходя из физиологической роли почек в поддержании кис - лотно-основного равновесия, можно себе представить, что при нарушении выведения почками кислых солей (фосфатов, сульфа­тов, органических аминов, угнетение аммониогенеза) может раз­виться метаболический или выделительный ацидоз. Оказалось, что многие почечные заболевания могут сопровождаться подобным синдромом.

Значительная потеря щелочей и последующее развитие мета­болического ацидоза может наблюдаться при поносах, либо вы­делении щелочного кишечного сока через энтеростому.

Одновременно с действием химических буферных систем вклю­чаются и физиологические. При метаболическом ацидозе в капил- лярно-венозную кровь поступает много кислых валентностей и значительно меньше С02. Однако в результате действия мощной карбонатной буферной системы, «кислотный удар» ослабляется образованием из кислот угольной кислоты — Н2С03. Угольная кис­лота очень нестойка и быстро распадается на Н20 и С02. Таким образом запускается известный механизм кровь—легкие. С02 за­ходит в эритроцит, где образуется Н+ и НС03~. Ион Н+ связыва­ется с гемоглобином, НС03~ — выходит в плазму. Однако количе­ство НС03 остается в плазме сниженным, т. к. поступление его не пропорционально расходованию, поэтому С1~ в меньшем количе­стве поступает в эритроцит и накапливается в плазме. Образую­щийся в плазме при избытке угольной кислоты избыток С02 и снижение рН возбуждает через хеморецепторы сосудов и непос­редственно через кровь дыхательный центр. Возникает гипервен­тиляция легких, и из крови выходит много С02 до тех пор, пока не восстановится равновесие 1:20 между Н2С03 и NaHC03. При этом в легочных капиллярах НС03~ из плазмы перемещается в эритроцит и соединяется с Н+ от гемоглобина и образуется С02 и Н20. Содержание бикарбоната дополнительно уменьшается, сни­жается содержание H^COj и рС02 крови. В то же время соотноше­ние бикарбонатного буфера 1:20 восстановилось. Значит и рН удер­живается в пределах нормальных величин. Гипернатриемия и ги - перхлоремия сохраняются.

Благоприятное значение гипервентиляции состоит в том, что происходит снижение рС02 и усиливающееся насыщение крови кислородом способствует более полному окислению недоокислен - ных продуктов. Когда увеличение вентиляции по каким-либо при­чинам прекращается, накапливается С02 и ацидоз становится не­компенсированным.

Роль почек в компенсации метаболического ацидоза значи­тельно меньше роли гипервентиляции. Бикарбонатов в почках об­разуется и фильтруется мало и все профильтровавшееся количе­ство реабсорбируется. Однако кислотность мочи возрастает (иног­да рН бывает ниже 4,5) за счет увеличения в моче титруемых кислот. Наибольшая часть из них представлена свободными орга­ническими кислотами (например, при диабете — это кетоновые тела). Будучи в крови нейтрализованы буферными основаниями, т. е. обменяв ион водорода на Na+ или на другой катион в каналь-цах они частично опять заменяют Na+ на ион водорода и выделя­ются в виде свободной кислоты. Na+ реабсорбируется в кровь в обмен на Н+ ион. Однако большая часть избыточных кислот выде­ляется не в свободной форме, а в виде солей аммония. Усиление аммониогенеза при ацидозе происходит медленно, но при дли­тельных нарушениях он представляет собой очень важный биохи­мический механизм. В процессе аммониогенеза происходят очень важные явления — реабсорбция не только Na+, но и других кати­онов. Концентрация К+, Na4, Са++ и др. повышается и они в из­бытке фильтруются в клубочках, а поэтому терялись бы в орга­низме, если бы не замещающий их катион аммония.

Количество титруемых кислот в моче возрастает также за счет увеличенного количества кислых фосфатов. В итоге в моче появля­ется большое количество солей аммония и кислых фосфатов, ко­торые способствуют титруемой кислотности мочи, хотя и пони­жают рН.