гидрокарбонатная буферная система. Гидрокарбонатная буферная система. Гидрокарбонатная буферная система Гидрокарбонатная буферная система

• Название: Гидрокарбонатная буферная система Гидрокарбонатная буферная система
• Анкор: гидрокарбонатная буферная система
• Дата: 07.11.2020
• Размер: 275.5 Kb.
• Имя файла: Гидрокарбонатная буферная система.doc
• Тип: Документы; #148718

Гидрокарбонатная буферная система

Гидрокарбонатная буферная система образована оксидом углерода (1У), взаимодействие которого с водой приводит к рав­новесной системе:



 

 

 

В этой системе донором протона является угольная кислота Н₂СО₃, а акцептором протона — гидрокарбонат-ион НСО₃^-. С уче­том физиологии условно весь СО₂ в организме, как просто рас-творенный, так и гидратированный до угольной кислоты Н₂СО₃, принято рассматривать как угольную кислоту. Поэтому выражение и значение константы диссоциации для угольной кисло­ты в физиологических условиях отличается от стандартного зна­чения.

Физиологические условия:



Стандартные условия:



Вследствие малой растворимости углекислого газа в плазме крови общую концентрацию угольной кислоты (донора протона) в уравнении Гендерсона — Хассельбаха можно выразить через произведение двух величин: парциального давления р(СО₂), которое измеряют экспериментально, и коэффициента растворимости СО₂ в жидких средах организма s, который в физиологических условиях равен 0,033. Тогда формула для расчета значения рН гидрокарбонатной системы принимает вид:



Угольная кислота при физиологическом значении рН = 7,40 находится преимущественно в виде моноаниона, а отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной сис­теме крови [НСО₃]/[С0₂] = 20 : 1. Следовательно, гидрокарбо­натная система имеет буферную емкость по кислоте значитель­но больше буферной емкости по основанию. Это отвечает осо­бенностям метаболизма нашего организма.

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 легкие:

Н⁺ + НСО₃^- → Н₂СО₃ → СО₂↑ + Н₂О

При поступлении в кровь оснований, они связываются угольной кислотой, и равновесие смещается в сторону НСО₃:     ОН^- + Н₂СО₃ → НСО₃^-+ Н₂О

 

Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот. Он является системой быстрого и эффек­тивного реагирования, так как продукт его взаимодействия с ки­слотами — углекислый газ — быстро выводится через легкие. На­рушение кислотно-основного равновесия в организме прежде всего компенсируется с помощью гидрокарбонатной буферной системы (за 10—15 мин). При этом изменяется отношение [НСО₃]/[Н₂СО₃]. Затем, за счет изменения объема легочной вентиляции, восста­навливается в течение 10-18 ч отношение [НСО₃]/[Н₂СО₃], со­ответствующее норме. Гидрокарбонатный буфер является ос­новной буферной системой плазмы крови, обеспечивающей около 55 % от всей буферной емкости крови. Гидрокарбонатный бу­фер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной    ткани.

Гидрофосфатная буферная система

Гидрофосфатная буферная система содержится как в кро­ви, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно по­чек. В клетках она представлена К₂НРО₄ и КН₂РО₄, а в плазме крови и межклеточной жидкости Na₂HP₄ и NaH₂P₄. Роль донора протона в этой системе играет ион Н₂РО₄, характери­зующийся в физиологических условиях рК_а = 6,8, а акцептора протона — ион НРО₄^2-. Работа фосфатной буферной системы описывается уравнением буферного действия:

рН = 6,8 + lg([HPO₄^2-]/[H₂PO₄^-])

В норме отношение форм [НР0₄^2-]/[Н₂Р0₄^-] = 4:1. Следова­тельно, и эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. При увеличении концентрации ка­тионов Н⁺ во внутриклеточной жидкости, например в резуль­тате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО₄^2-:      Н⁺ + HPO₄^2- ↔ H₂PO₄^-

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^-:     OH^- + H₂PO₄^- ↔ HPO₄^2- + H₂O

 

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 — от 4.8 до 7.5. В отличие от гидрокарбонатной, фосфатная система более "консервативна", так как избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки и полное восстановление отношения [НРО₄^2-]/[Н₂Р0₄^-] происходит только через 2-3 сут. Длительности легочной и почечной компенсации на­рушений отношения компонентов в буферных системах необхо­димо учитывать при терапевтической коррекции нарушений кислотно-основного равновесия организма.

Гемоглобиновая буферная система является сложной бу­ферной системой эритроцитов, которая включает в качестве до­нора протона две слабые кислоты: гемоглобин ННЬ и оксиге-моглобин ННbО₂. Роль акцептора протона играют сопряженные этим кислотам основания, т. е. их анионы Нb^- и НbO₂^-. Меха­низм буферного действия этой системы основан на следующих           реакциях:

H⁺ + Hb^- ↔ HHb                                   pK_a(HHb) = 8,20

H⁺ + HbO₂^- ↔ HHbO₂ ↔ HHb + O₂ pK_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:

OH^- + HHbO₂↔ HbO₂^- + H₂O                                                               OH^- + HHb ↔ 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.

Белковые (протеиновые) буферные системы в зависимости от кислотно-основных свойств белка, характеризующихся его изоэлектрической точкой, бывают анионного и катионного типа.

Анионный белковый буфер работает при рН > рI_белка и со­стоит из донора протонов — молекулы белка HProt, имеющей биполярно-ионное строение, и акцептора протонов — аниона белка (Prot)-. Протолитическое равновесие в этой сопряженной кислотно-основной паре отражается следующим образом:



 

 

 

 

При добавлении кислоты это равновесие смещается в сторону образования молекулы белка, а при добавлении основания в системе увеличивается содержание аниона белка.

Катионный белковый буфер работает при рН < рI_белка и со­стоит из донора протона — катиона белка (H₂P_rot)⁺ и акцептора протона — молекулы белка HProt. Протолитическое равновесие в этой сопряженной кислотно-основной паре отражается так:



 

 

 

 

 

Катионная белковая буферная система HProt, (H₂Prot)+ обычно поддерживает величину рН в физиологических средах с рН < 6, а анионная белковая буферная система (Prot)^-, HProt — в сре­дах с рН > 6. В крови работает анионный белковый буфер.
Взаимодействие буферных систем в организме

Взаимодействие буферных систем в организме. Все буфер­ные системы в организме взаимосвязаны. Рассмотрим это взаи­модействие на уровне плазмы и эритроцитов крови. Протолитические буферные системы крови состоят из нескольких сис­тем, состав и механизм действия которых уже рассмотрен. Вклад каждой из них в поддержание рН крови у человека раз­личен и указан в табл.

Относительный вклад буферных систем крови в поддержание в ней протолитического гомеостаза

 

Буферные системы плазмы крови	Относительный вклад, %	Буферные системы плазмы крови	Относительный вклад, %
Гидрокарбонатная НСО3-, Н2СО3	35	Гемоглобиновая  Hb-; HHb; HbO2-; HHbO2	35
Белковая (Prot)-; HProt	7	Гидрокарбонатная НСО3-, Н2СО3	18
Гидрофосфатная НРО42-, Н2РО4-	1	Гидрофосфатная НРО42-, Н2РО4-	4
Общий	43	Общий	57

 

Когда кровь попадает в легкие, где давление кислорода при вдохе достаточно велико, она обогащается кислородом за счет свя­зывания его в эритроцитах гемоглобином ННb с образованием оксигемоглобина ННbО₂. (Строение гемоглобина и его производ­ных рассмотрено в разд. 10.4.) Оксигемоглобин, как кислота, дис­социирует легче, чем гемоглобин, анион которого, связывая кати­он Н⁺, поддерживает рН в эритроците. Поскольку ННbO₂ в крови легких много и по силе эта кислота (рKа(ННb₂) = 6,95) сопоста­вима с угольной кислотой (pK_a(H₂CO₃) = 6,1), то за счет ННbО₂ и при участии фермента карбоангидразы в легких параллельно происходит процесс очищения крови от летучей кислоты СО₂, которая в эритроцитах находится в виде НСО₃ и аниона карба-миногемоглобина (Нb·CO₂)^-, а в плазме — в виде НСО₃^- и в рас­творенном состоянии (СО₂ · Н₂О). Процессы, происходящие в эритроцитах легочной крови, можно отразить следующими ре­акциями:



 

 

 

 

 

 

 

Уменьшение концентрации НСО₃ в эритроцитах легочной кро­пи приводит к диффузии НСО₃ из плазмы в эритроцит. Вследствие этого плазма очищается от гидрокарбонат-аниона и рас­творенного СО₂ (СО₂·Н₂О), так как переход НСО₃^- в эритроцит способствует следующим превращениям в плазме:

СО₂ · Н₂О             ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + HCO₃^- →  в эритроцит

Поступление НСО₃^- в эритроциты приводит к удалению из них хлорид-анионов (для соблюдения электронейтральности этих кле­ток). Следует подчеркнуть, что протеканию всех приведенных реакций способствуют два физиологических процесса: вдох — поступление кислорода в кровь — и выдох — выделение из крови "летучей кислоты" СО₂.

Обогащенная кислородом артериальная кровь, содержащая оксигемоглобин на 65 % в ионизированном состоянии (НbО₂^-), а гемоглобин — на 10 % (Нb^-), поступает в ткани, которые стремятся получить кислород и отдать в кровь продукты метаболизма: СО₂ и избыток катионов Н⁺. Это приводит к протеканию следующих процессов: поступающий в кровь СО₂ растворяется в плазме и эритроцитах и, реагируя с водой, образует угольную кислоту. В плазме эта реакция идет медленно, а в эритроцитах быстро, за счет участия фермента карбоангидразы. Поэтому СО₂ интенсивно диффундирует в эритроциты, где происходит его связывание с образованием Н₂СО₃, а также карбаминогемоглобина (Нb·СО₂)^- в результате взаимодействия с буферным основанием эритроцитов Нb, при котором СО₂связывается с аминогруппами белка (глобина). Образовавшаяся в эритроцитах Н₂СО₃, как более сильная кислота, реагирует с другим буферным основанием – НbО₂^-, переводя его в неионизированное состояние ННb₂, а сама превращается в НСО₃^-, который диффундирует в плазму. Неионизированный оксигемоглобин легко отдает тканям необходимый кислород. Эти процессы в эритроцитах описываются следующими реакциями:

 



 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, в тканях из эритроцитов в плазму постоян­но поступает HCO₃^-, а из плазмы в эритроциты для соблюдения их электронейтральности диффундируют протолитически неак­тивные хлорид-анионы. В результате встречной диффузии этих ионов в эритроците среда менее щелочная (рН = 7,25), чем в плазме (рН = 7,40).

В плазму крови из тканей поступают метаболический Н⁺ и СО₂, а из эритроцитов – НСО₃^-Буферные основания плазмы – гидрокарбонат-анионНСО₃^-, анион белка (Prot)^- и гидрофосфат-анион НРО₄^-, реагируя с поступающими кислотными субстратами Н⁺, СО₂·Н₂О и Н₂СО₃, нейтрализуют их благодаря сле­дующим реакциям:

 

ПЛАЗМА КРОВИ В ТКАНЯХ

 



 

 

 

В легких кровь очищается от НСО₃^- за счет превращения его в СО₂ и удаления из организма. Нейтрализация кислых про­дуктов HProt и Н₂РО₄^- в соответствующие им буферные основа­ния (Prot)^- и НРО₄^2- происходит при очищении крови в почках, при этом часть фосфатов удаляется с мочой.

Совокупность рассмотренных процессов, происходящих в эри­троцитах и плазме крови, обеспечивает протекание двух важней­ших физиологических процессов — поддержания рН крови на уровне рН = 7,35 — 7,45, несмотря на постоянное поступление в нее из тканей СО₂ и катионов Н⁺, и дыхания — поступления в кровь и транспорта ею кислорода и СО₂. Транспорт кислорода из легких в ткани в основном осуществляется за счет образова­ния в эритроцитах оксигемоглобина (ННbО₂), при этом 100 мл крови транспортируют 21 мл газообразного кислорода. Углекис­лый газ транспортируется кровью из тканей в легкие в следую­щих формах: НСО₃^- — 80 %, (Нb·СO₂)^- — 15 % и (CO₂·H₂O), т. е. в растворенном виде, — 5 %. При этом около двух третей обще­го количества СО₂ находится в плазме, а одна треть — в эритро­цитах. Однако в процессе переноса СО₂ от тканей к легким поч­ти весь СО₂ крови должен пройти через эритроциты, т. е. войти в эритроциты и выйти из них.

Все буферные системы организма характеризуются отноше­нием [акцептор протона]/[донор протона] 4 : 20, т. е. их бу­ферная емкость по кислоте больше, чем буферная емкость по основанию. Это отношение находится в соответствии с особен­ностями метаболизма человеческого организма, образующего больше кислотных продуктов, чем основных. Поэтому очень важным показателем для физиологических сред является ки­слотная буферная емкость В_a. При заболевании органов дыхания, кровообращения, печени, желудка, почек, при отравлениях, голодании, диабете, ожоговой болезни и т. п. может наблю­даться уменьшение или увеличение В_а по сравнению с нормой, т. е. патологические явления: ацидоз и алкалоз.

Ацидоз — это уменьшение кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой.

Алкалоз — это увеличение кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой.

Причинами ацидоза и алкалоза могут быть или увеличение содержания кислот, или уменьшение содержания буферных оснований в системе по сравнению с нормой.

Ацидоз или алкалоз могут быть экзогенного и эндогенного характера. Экзогенный ацидоз возникает при употреблении пи­щи с избыточным содержанием кислот (лимонной, бензойной, уксусной), а также лекарственных средств, трансформация кото­рых в организме способствует понижению рН среды. Экзогенный алкалоз в основном возникает при поступлении в организм ле­карств или других веществ, способствующих повышению рН среды, например соды, ацетата калия. Эндогенный ацидоз или алкалоз возникает при нарушении протолитического баланса в организме вследствие нарушения соотношений скоростей синтеза и выведения тех или иных кислот или оснований.

В зависимости от глубины патологических изменений разли­чают компенсированный и некомпенсированный ацидоз (алкалоз). При компенсированном ацидозе (алкалозе), несмотря на откло­нения от нормы кислотной буферной емкости, рН крови сохра­няет значение в пределах 7,35 < рН < 7,45. Некомпенсированный ацидоз сопровождается уменьшением кислотной буферной емко­сти и снижением рН крови (6,8 < рН < 7,35), а некомпенсиро­ванный алкалоз — увеличением кислотной буферной емкости и повышением рН крови (7,45 < рН < 7,9). Снижение рН крови по сравнению с нормой называется ацидемией, а повышение рН крови — алкалемией. Изменение значения рН крови на 0,6 еди­ницы в любую сторону приводит к летальному исходу.

Для характеристики кислотно-основного состояния крови в физиологии и медицине используются следующие метаболиче­ские показатели: величина рН плазмы и цельной крови, парци­альное напряжение (давление) углекислоты /^(СОг), содержание гидрокарбоната в плазме крови, содержание буферных основа­ний в плазме крови ВВ, избыток или дефицит буферных осно­ваний в крови BE.

Величина рН плазмы крови — фактическая величина водо­родного показателя плазмы артериальной крови при 37 °С. Фи­зиологические пределы 7,35 < рН < 7,45.

Парциальное напряжение углекислоты р(C₂) — парциаль­ное давление СО₂ над кровью, находящейся в равновесии с рас­творенным в плазме СО₂ при 37 °С. В физиологических условиях р(C₂) = (40 ± 5) мм рт. ст. (5,3 кПа). Предельные значения пар­циального давления СО₂ составляют при алкалозе 10 мм рт. ст., а при ацидозе 130 мм рт. ст.

Содержание гидрокарбоната в плазме крови в норме с(НСО₃^-) = (24,4 ± 3) ммоль/л.

Содержание буферных оснований в плазме крови (ВВ) — нормальное значение для плазмы ВВ = (42 ± 3) ммоль/л.

Избыток или дефицит буферных оснований в крови BEха­рактеризует разницу между фактическим содержанием буферных оснований в крови у исследуемого человека и значением ВВ в норме, равным 42 ммоль/л. В норме BEравен ±3 ммоль/л. При патологии интервал значений показателя BEзначительно ши­ре: ±30 ммоль/л.

В клинической практике с помощью указанных метаболи­ческих показателей крови определяют наличие нарушений про­толитического гомеостаза. Различают четыре вида первичных нарушений кислотно-основного баланса в организме, которые относятся к патологическим физиологическим процессам.

Метаболический ацидоз характеризуется избытком нелету­чей кислоты или дефицитом гидрокарбонат-аниона в межкле­точной жидкости.

Показатели:                   В_а < норма; [донор протона] > норма; рН ≤ норма;

с(НСО₃^-) < норма; BE < норма; р(С0₂) < норма.

Причины: нарушение кровообращения, кислородное голодание тка­ней, диарея (понос), нарушение выделительной функции почек, диабет.

Метаболический алкалоз характеризуется удалением моле­кул кислот или накоплением буферных оснований, включая содержание гидрокарбонат-аниона в межклеточной жидкости.

Показатели:                  В_а > норма; [акцептор протона] > норма; рН ≥ норма;

с(НСО₃^-) > норма; BE > норма; р(СО₂) > норма.

Причины: неукротимая рвота, удаление кислых продуктов из же­лудка, запор (накопление щелочных продуктов в кишечнике), дли­тельный прием щелочной пищи и минеральной воды.

Респираторный (газовый) ацидоз характеризуется понижен­ной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоростью образования метаболического СО₂.

Показатели:      В_а < норма; [донор протона] > норма; рН ≤ норма;

с(НСО₃^-) > норма; BE > норма; р(С0₂) > норма.

Причины: заболевания органов дыхания, гиповентиляция легких, угнетение дыхательного центра некоторыми препаратами, например, барбитуратами.

Респираторный (газовый) алкалоз характеризуется повы­шенной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоро­стью образования метаболического СО₂.

Показатели:                                 В_а > норма; [донор протона] < норма; рН ≥ норма;

с(НСО₃^-) < норма; BE < норма; р(С0₂) < норма.

Причины: вдыхание разреженного воздуха, чрезмерное возбужде­ние дыхательного центра вследствие поражения мозга, гипервентиля­ция легких, развитие тепловой одышки.

Идентифицировать характер патологии можно с помощью трехкоординатной диаграммы, представляющей собой равнобед­ренный треугольник, на сторонах которого отложены в масшта­бе величины метаболических показателей: рН; с(НСО₃^-) и р(С0₂), причем так, чтобы их значения, соответствующие норме, нахо­дились на середине стороны треугольника (табл. 8.4). На диаграмме отмечены области, соответствующие различным видам ацидоза и алкалоза (метаболическим — М, респираторным — Р).

Для проведения коррекции нарушений кислотно-основного состояния организма необходимо прежде всего выяснить при­чины их возникновения: нарушение процессов дыхания (респи­раторный ацидоз или алкалоз) или процессов пищеварения и выделения (метаболический ацидоз или алкалоз). Лечение рес­пираторных нарушений требует всего нескольких дней, а для устранения метаболических нарушений обычно необходимы недели.

При ацидозе в качестве экстренной меры используют внут­ривенное вливание растворов гидрокарбоната натрия (по 100-200 мл 4,5 % раствора, в острых случаях до 100 мл 8,4 % рас­твора), но лучше вводить 3,66 % водный раствор трисамина Н₂NC(CH₂H)₃ или 11 % раствор лактата натрия. Последние средства, нейтрализуя кислоты, не выделяют СО₂, что повыша­ет их эффективность.

Для устранения алкалоза иногда используют 5 % раствор аскорбиновой кислоты, частично нейтрализованный гидрокар­бонатом натрия до рН = 6,0-7,0.

В заключение следует отметить, что в организме человека вследствие процессов дыхания и пищеварения происходит по­стоянное образование двух противоположностей: кислот и осно­ваний, причем преимущественно слабых, что обеспечивает рав­новесный характер протолитическим процессам, протекающим в организме. В то же время из организма постоянно выводятся кислотно-основные продукты, в основном через легкие и почки. За счет сбалансированности процессов поступления и выведе­ния кислот и оснований, а также за счет равновесного характе­ра протолитических процессов, определяющих взаимодействие этих двух противоположностей, в организме поддерживается состояние протолитического (кислотно-основного) гомеостаза.