Буферные системы человеческого организма

В организме человека в результате протекания различных метаболических процессов постоянно образуются большие количества кислых продуктов. Среднесуточная норма их выделения соответствует 20-30 литрам раствора сильной кислоты с молярной концентрацией химического эквивалента кислоты, равной 0,1 моль/л (или 2000-3000 ммоль химического эквивалента кислоты).

Образуются при этом и основные продукты: аммиак, мочевина, креатин и др., – но только в гораздо меньшей степени.

В состав кислых продуктов обмена веществ входят как неорганические (H₂CO₃, H₂SO₄), так и органические (молочная, масляная, пировиноградная и др.) кислоты.

Соляная кислота секретируется париетальными гландулацитами и выделяется в полость желудка со скоростью 1-4 ммоль/час.

Угольная кислота является конечным продуктом окисления липидов, углеводов, белков и различных других биоорганических веществ. В пересчете на СО₂ ежесуточно ее образуется до 13 молей.

Серная кислота выделяется при окислении белков, поскольку в их состав входят серосодержащие аминокислоты: метионин, цистеин.

При усвоении 100 г белка выделяется около 60 ммоль химического эквивалента H₂SO₄.

Молочная кислота в большом количестве образуется в мышечных тканях при физических нагрузках.

Из кишечника и тканей образовавшиеся при обмене веществ кислые и основные продукты постоянно поступают в кровь и межклеточную жидкость. Однако подкисления этих сред не происходит, и их водородный показатель поддерживается на определенном постоянном уровне.

Так, значение рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,4 до 7,8, межклеточной жидкости – 6,8-7,4 (в зависимости от вида тканей).

Особенно жесткие ограничения на возможные колебания значений рН накладываются на кровь. Состоянию нормы соответствует интервал значений рН = 7,4±0,05.

Постоянство кислотно-основного состава биологических жидкостей человеческого организма достигается совместным действием различных буферных систем и ряда физиологических механизмов. К последним прежде всего относятся деятельность легких и выделительная функция почек, кишечника, клеток кожи.

Основными буферными системами человеческого организма являются: гидрокарбонатная (бикарбонатная), фосфатная, белковая, гемоглобиновая и оксигемоглобиновая. В различных количествах и сочетаниях они присутствуют в той или иной биологической жидкости. Причем только кровь содержит в своем составе все четыре системы.

Кровь представляет собой взвесь клеток в жидкой среде и поэтому ее кислотно-основное равновесие поддерживается совместным участием буферных систем плазмы и клеток крови.

Бикарбонатная буферная система является самой регулируемой системой крови. На ее долю приходится около 10% всей буферной емкости крови. Она представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из гидратов молекул СО₂ (СО₂ · Н₂О) (выполняющих роль доноров протонов) и гидрокарбонат ионов НСО₃^– (выполняющих роль акцептора протонов).

Гидрокарбонаты в плазме крови и в других межклеточных жидкостях находятся главным образом в виде натриевой соли NaНСО₃, а внутри клеток – калиевой соли.

Концентрация ионов НСО₃^– в плазме крови превышает концентрацию растворенного СО₂ примерно в 20 раз.

СО2

При выделении в кровь относительно больших количеств кислых продуктов ионы Н⁺ взаимодействуют с НСО₃^–.

Н⁺ + НСО₃^– = Н₂СО₃

Н2О

Последующее снижение концентрации получившегося СО₂ достигается в результате его ускоренного выделения через легкие в результате их гипервентиляции.

Если же в крови увеличивается количество оснóвных продуктов, то происходит их взаимодействие со слабой угольной кислотой:

Н₂СО₃ + ОН^– → НСО₃^– + Н₂О

При этом концентрация растворенного углекислого газа в крови уменьшается. Для сохранения нормального соотношения между компонентами буферной системы происходит физиологическая задержка в плазме крови некоторого количества СО₂ за счет гиповентиляции легких.

Фосфатная буферная система представляет собой сопряженную кислотно-оснóвную пару Н₂РО₄^–/НРО₄^2–.

Роль кислоты выполняет дигидрофосфат натрия NaH₂PO₄, а роль ее соли – гидрофосфат натрия Na₂HPO₄. Фосфатная буферная система составляет всего лишь 1% буферной емкости крови. Отношение С(Н₂РО₄^–)/С(НРО₄^2–) в ней равно 1: 4 и не изменяется со временем, т.к., избыточное количество какого-либо из компонентов выделяется с мочой, правда, это происходит в течение 1-2 суток, т.е. не так быстро, как в случае гидрокарбонатного буфера.

Фосфатная буферная система играет решающую роль в других биологических средах: некоторых внутриклеточных жидкостях, моче, выделениях (или соках) пищеварительных желез.

Белковый буфер представляет собой систему из белковых (протеиновых) молекул, содержащих в своих аминокислотных остатках как кислотные СООН-группы, так и оснóвные NH₂-группы, выполняющие роль слабой кислоты и основания. Компоненты этого буфера могут быть условно выражены следующим образом:

1)	Pt-COOH	+	Pt-COONa	Pt-COOH / Pt-COO–
	слабодиссоци-ированная белок-кислота		соль, образованная сильным основанием

2)	Pt-NH2	+	Pt-NH3Cl	(Pt-NH2 / Pt-NH3+
	слабодиссоци-ированное белок-основание		соль, образованная сильной кислотой

Таким образом, белковый буфер по своему составу является амфотерным. При увеличении концентрации кислых продуктов с ионами Н⁺ могут взаимодействовать как белок–соль (Pt-СОО^–), так и белок–основание (Pt-NH₂):

Pt-COO^– + H⁺ → Pt-COOH

Pt-NH₂ + H⁺ → Pt-NH₃⁺

Нейтрализацию основных продуктов обмена веществ осуществляют за счет взаимодействия с ионами ОН^– как белок - кислота (Pt-СООН), так и белок–соль (Pt-NH₃⁺)

Pt-COOН + OH^– → Pt-COO^– + Н₂О

Pt-NH₃⁺ + OH^– → Pt-NH₂ + Н₂О

Благодаря белкам, все клетки и ткани организма обладают определенным буферным действием. В связи с этим попадающее на кожу небольшое количество кислоты или щелочи довольно быстро оказывается нейтрализованным и не вызывает химического ожога.

Наиболее могучими буферными системами крови являются гемоглобиновый и оксигемоглобиновый буфера, которые находятся в эритроцитах. На их долю приходится примерно 75% всей буферной емкости крови. По своей природе и механизму действия они относятся к белковым буферным системам.

Гемоглобиновый буфер присутствует в венозной крови и его состав можно условно отобразить следующим образом:

HHв	+	KНв
слабая органическая кислота		соль этой кислоты

Поступающие в венозную кровь СО₂ и другие кислые продукты обмена веществ реагируют с калиевой солью гемоглобина.

KHв + CO₂ → KНСО₃ + HHв

Попадая в капилляры легких, гемоглобин превращается в оксигемоглобин ННвО₂, присоединяя к себе молекулы О₂.

СО2

Н2О

Оксигемоглобин обладает более сильными кислотными свойствами, чем гемоглобин. Он взаимодействует с гидрокарбонатом калия или натрия, вытесняя из него Н₂СО₃, которая распадается на СО₂ и Н₂О. Образовавшийся избыточный СО₂ через легкие удаляется из крови.

HHвO₂ + KНСО₃ → KHвO₂ + Н₂CО₃

Системы гемоглобинового и оксигемоглобинового буферов являются взаимопревращающимися системами и существуют как единое целое. Они в значительной степени способствуют поддержанию в крови концентрации гидрокарбонат-ионов НСО₃^– (так называемый щелочной резерв крови) на постоянном уровне.

Нарушения кислотно-оснóвного равновесия крови. Ацидоз. Алкалоз

Когда компенсаторные механизмы организма не способны предотвратить сдвиги концентрации водородных ионов, наступает нарушение кислотно-оснóвного равновесия. При этом наблюдаются два противоположных состояния – ацидоз и алкалоз.

При ацидозе концентрация водородных ионов в крови становится выше границ нормы. При этом, естественно, рН уменьшается. Снижение величины рН ниже 6,8 вызывает смерть.

Состояние алкалоза наблюдается при уменьшении концентрации ионов Н⁺ (рН, соответственно, возрастает) по сравнению с нормой. Увеличение значений рН до 8,0 приводит к быстрому летальному исходу.

В зависимости от механизмов развития нарушений кислотно-основного равновесия разделяют дыхательный и метаболический ацидоз или алкалоз.

Дыхательный ацидоз возникает в результате уменьшения минутного объема дыхания (например, при бронхиальной астме, отеке, эмфиземе легких, асфиксии механического порядка и т.д.). Все эти заболевания ведут к гиповентиляции и к повышению парциального давления СО₂ артериальной крови и содержания в плазме НСО₃^– ионов.

Дыхательный алкалоз, наоборот, возникает при вдыхании чистого кислорода, компенсаторной одышке, сопровождающей ряд заболеваний, пребывании в разряженной атмосфере.

При дыхательном алкалозе в крови уменьшается концентрация растворенного СО₂ и гидрокарбонат-ионов (щелочной резерв крови).

Метаболический ацидоз – самая частая и тяжелая форма нарушений кислотно-основного равновесия. Он обусловлен накоплением в тканях и крови органических кислот. Этот вид ацидоза связан с нарушением обмена веществ и возможен при диабете, голодании, лихорадке, заболеваниях желудочно-кишечного тракта и т.д.

Метаболический алкалоз развивается при потере в результате неукротимой рвоты большого количества кислотных эквивалентов) и всасывании в кровь большого числа основных эквивалентов кишечного сока, а также при накоплении в тканях основных продуктов обмена веществ.

Химическая кинетика
и катализ