Буферные системы из чего состоят разновидности уравнения реакций

Буферная система: классификация, пример и механизм действия

Огромную роль для нормального функционирования человеческого организма играет кислотно-основное равновесие. Циркулирующая в организме кровь представляет собой смесь живых клеток, которые находятся в жидкой среде обитания. Первой чертой охраны, что контролирует уровень pH в крови, выступает буферная система . Это физиологический механизм, который обеспечивает сохранение параметров кислотно-основного баланса, препятствуя перепадам pH. Что он собой представляет и какие имеет разновидности, узнаем ниже.

Описание

Буферная система — это уникальный механизм. В организме человека существует их несколько, и все они состоят из плазмы и клеток крови. Буферы представляют собою основания (белки и неорганические соединения), которые связывают или отдают Н+ и ОН-, уничтожая сдвиг pH в течение тридцати секунд. Способность буфера поддерживать кислотно-основный баланс зависит от количества элементов, из которых он слагается.

Виды буферов крови

Кровь, которая постоянно движется, представляет собой живые клетки, которые существуют в жидкой среде. pH в норме составляет 7,37-7,44. Связка же ионов происходит определенным буфером, классификация буферных систем приведена ниже. Сам же он состоит из плазмы и кровяных клеток и может быть фосфатным, белковым, бикарбонатным или гемоглобиновым. Все эти системы имеют достаточно простой механизм действия. Их деятельность нацелена на урегулирование уровня ионов в крови.

Особенности буфера гемоглобинового

Гемоглобиновая буферная система является самой мощной из всех, она представляет собой щелочь в капиллярах тканей и кислоту в таком внутреннем органе, как легкие. На ее долю приходится около семидесяти пяти процентов всей буферной емкости. Этот механизм участвует во множестве процессах, что происходят в крови человека, и имеет в своем составе глобин. При переходе гемоглобинового буфера в другую форму (оксигемоглобин), наблюдается изменение этой формы, изменяются и кислотные свойства действующего вещества.

Качество восстановленного гемоглобина меньшее, чем у угольной кислоты, но становится намного лучше, когда он окисляется. Когда приобретается кислотность pH, гемоглобин соединяет ионы водорода, получается так, что он уже восстановленный. Когда происходит очищение углекислого газа в легких, pH получается щелочным. В это время гемоглобин, который окислился, выступает донором протонов, при помощи чего происходит уравновешивание кислотно-основного баланса. Так, буфер, что состоит из оксигемоглобина и его калиевой соли, способствует выделению из организма углекислоты.

Эта буферная система выполняет немаловажную роль в дыхательном процессе, так как совершает транспортную функцию по переносу к тканям и внутренним органам кислорода и удалению из них углекислоты. Кислотно-основное равновесие внутри эритроцитов при этом придерживается на постоянном уровне, следовательно, в крови также.

Таким образом, когда кровь насыщается кислородом, гемоглобин превращается в сильную кислоту, а когда кислород он отдает, то превращается в достаточно слабую органическую кислоту. Системы оксигемоглобина и гемоглобина — взаимопревращающиеся, они существуют как одно целое.

Особенности бикарбонатного буфера

Бикарбонатная буферная система выступает также мощной, но и самой управляемой в организме. На ее долю приходится около десяти процентов всей буферной емкости. Она имеет универсальные свойства, которые обеспечивают ее двухстороннюю эффективность. В состав этого буфера входит сопряженная кислотно-щелочная пара, что состоит из таких молекул, как угольная кислота (источник протона) и бикарбонат аниона (акцептор протона).

Так, бикарбонатная буферная система способствует протеканию систематического процесса, где в кровь попадает мощная кислота. Этот механизм связывает кислоту с бикарбонатом анионов, образуя кислоту угольную и ее соль. При попадании щелочи в кровь буфер связывается с угольной кислотой, образуя бикарбонатную соль. Так как гидрокарбоната натрия в крови человека больше, чем угольной кислоты, данная буферная емкость будет иметь высокую кислотность. Другими словами, гидрокарбонатная буферная система (бикарбонатная) очень хорошо проводит компенсацию веществ, которые повышают кислотность крови. К ним относится и молочная кислота, концентрация которой увеличивается при интенсивных физических нагрузках, а данный буфер очень быстро реагирует на изменения кислотно-основного баланса в крови.

Особенности фосфатного буфера

Фосфатная буферная система человека занимает близко двух процентов всей буферной емкости, что связано с содержанием в крови фосфатов. Этот механизм поддерживает показатель pH в моче и жидкости, что находится внутри клеток. Буфер состоит из неорганических фосфатов: одноосновного (выполняет роль кислоты) и двухосновного (выполняет роль щелочи). При нормальном показателе pH соотношение кислоты и основания равняется 1:4. При увеличении количества ионов водорода фосфатная буферная система связывается с ними, образуя кислоту. Этот механизм больше кислотный, чем щелочной, поэтому он отлично нейтрализует поступающие в кровь человека кислые метаболиты, например, молочную кислоту.

Особенности белкового буфера

Белковый буфер играет не такую особую роль в стабилизации кислотно-щелочного баланса, по сравнению с другими системами. На его долю приходится около семи процентов всей буферной емкости. Белки состоят из молекул, которые объединяются в кислотно-щелочные соединения. В кислой среде они выступают щелочами, которые связывают кислоты, в щелочной среде все происходит наоборот.

Это приводит к тому, что образуется белковая буферная система , которая достаточно эффективна при значении pH от 7,2 до 7,4. Большая доля белков представлена альбуминами и глобулинами. Так как белковый заряд нулевой, то при нормальном показателе pH он находится в виде щелочи и соли. Эта буферная емкость зависит от количества белков, их структуры и свободных протонов. Данный буфер может нейтрализовать и кислые, и щелочные продукты. Но емкость она имеет больше кислотную, чем щелочную.

Особенности эритроцитов

В норме эритроциты имеют постоянный показатель pH – 7,25. Здесь оказывают действие гидрокарбонатный и фосфатный буферы. Но по мощности они отличаются от тех, что находятся в крови. В эритроцитах белковый буфер играет особую роль в обеспечении органов и тканей кислородом, а также удалению из них углекислоты. Кроме этого, он поддерживает постоянное значение внутри эритроцитов pH. Белковый буфер в эритроцитах тесно связан с гидрокарбонатной системой, так как соотношение кислоты и соли здесь меньшее, чем в крови.

Пример буферной системы

Растворы сильных кислот и щелочей, которые обладаю слабыми реакциями, имеют непостоянный показатель pH. Но смесь кислоты уксусной с ее солью сохраняет имеет стабильное значение. Даже если к ним добавить кислоту или щелочь, кислотно-основное равновесие не изменится. В качестве примера можно рассмотреть ацетатный буфер, который состоит из кислоты СН₃СООН и ее соли СН₃СОО. Если добавить сильную кислоту, то основание соли свяжет ионы Н+ и превратится в кислоту уксусную. Снижение уровня анионов соли уравновешивается увеличением молекул кислоты. В результате этого наблюдается незначительное изменение в соотношении кислоты и ее соли, поэтому pH изменяется совсем незаметно.

Механизм действия буферных систем

При поступлении в кровь кислых или щелочных продуктов буфер обеспечивает постоянное значение pH до тех пор, пока поступившие продукты не выведутся или не используются в процессах метаболизма. В крови человека представлены четыре буфера, каждый из которых состоит из двух частей: кислоты и ее соли, а также сильной щелочи.

Эффект буфера обуславливается тем, что он связывает и нейтрализует ионы, которые поступают соответствующим ему составом. Поскольку в природе организм больше всего сталкивается с недоокисленными продуктами обмена, свойства буфер имеет антикислотные больше, чем антищелочные.

Каждая буферная система имеет свой принцип работы. При снижении уровня pH ниже отметки 7,0 начинается их активная деятельность. Они начинают связывать излишки свободных ионов водорода, образуя комплексы, которые перемещают кислород. Он, в свою очередь, перемещается к системе пищеварения, легким, коже, почкам и так далее. Такая транспортировка кислых и щелочных продуктов способствует их разгрузке и выведению.

В организме человека только четыре буферные системы играют важные роли в сохранении кислотно-основного равновесия, но существуют и другие буферы, например, ацетатная буферная система, которая имеет слабую кислоту (донор) и ее соль (акцептор). Способность этих механизмов противостоять изменениям pH при попадании кислоты или соли в кровь является ограниченной. Они поддерживают кислотно-щелочное равновесие только в том случае, когда сильная кислота или щелочь поступают в определенном количестве. Если оно будет превышено, pH резко изменится, буферная система прекратит свое действие.

Эффективность буферов

Буферы крови и эритроцитов имеют различную эффективность. У последних она выше, так как здесь присутствует гемоглобиновый буфер. Уменьшение количества ионов происходит по направлению от клетки до межклеточной среды, а затем до крови. Это говорит о том, что самая большая буферная емкость у крови, а меньшую имеет внутриклеточная среда.

При метаболизме в клетках появляются кислоты, которые проходят в межклеточную жидкость. Это происходит тем легче, чем их больше появляется в клетках, поскольку переизбыток ионов водорода увеличивает проницаемость мембраны клетки. Нам уже известна классификация буферных систем . В эритроцитах они имеют более эффективные свойства, так как здесь еще играют роль коллагеновые волокна, которые реагируют набуханием на накопление кислоты, они ее поглощают и освобождают от ионов водорода эритроциты. Такая его способность обуславливается свойством абсорбции.

Взаимодействие буферов в организме

Все механизмы, которые находятся в организме, взаимосвязаны между собой. Буферы крови состоят из нескольких систем, вклад которых в поддержание кислотно-щелочного баланса различный. При попадании крови в легкие она получает кислород путем его связывания в эритроцитах гемоглобином, образуя оксигемоглобин (кислоту), что поддерживает уровень pH. При содействии карбоангидразы происходит параллельное очищение крови легких от углекислоты, которая в эритроцитах представлена в виде слабой двухосновной угольной кислотой и карбаминогемоглобином, а в крови – углекислотой и водой.

При уменьшении в эритроцитах количества слабой двухосновной угольной кислоты происходит проникновение ее из крови в эритроцит, и очищение крови от углекислоты. Таким образом, из клеток в кровь постоянно проходит слабая двухосновная угольная кислота, а из крови в эритроциты для соблюдения нейтральности поступают неактивные анионы хлорида. В результате этого в красных клетках крови среда более кислотная, чем в плазме. Все системы буферов обосновываются отношением донор-акцептор протона (4:20), что связано с особенностями метаболизма организма человека, который образует большее число кислотных продуктов, чем щелочных. Очень важным здесь является показатель кислотных буферных емкостей.

Обменные процессы в тканях

Кислотно-основной баланс поддерживается буферами и метаболическими превращениями в тканях организма. Этому помогают биохимические и физико-химические процессы. Они способствуют потере кислотно-щелочных свойств продуктов обмена веществ, их связыванию, образованию новых соединений, которые быстро выводятся из организма. Например, большое количество молочной кислоты выводится в гликоген, органические кислоты нейтрализуются солями натрия. Сильные кислоты и щелочи растворяются в липидах, а органические кислоты подвергаются окислению, образуя угольную кислоту.

Таким образом, буферная система — это первый помощник при нормализации кислотно-щелочного баланса в организме человека. Стабильность pH нужна для нормальной работы биологических молекул и структур, органов и тканей. При нормальных условиях буферные процессы поддерживают равновесие между появлением и удалением ионов водорода и углекислого газа, что способствует обеспечению в крови постоянного уровня pH.

Если происходит сбой в работе буферных систем, то у человека появляются такие патологии, как алкалоз или ацидоз. Все буферные системы взаимосвязаны и направлены на поддержание стабильного кислотно-основного равновесия. В организме человека постоянно образуется большое число кислых продуктов, которое эквивалентно тридцати литрам сильной кислоты.

Постоянство реакций внутри организма обеспечивают мощные буферы: фосфатный, белковый, гемоглобиновый и бикарбонатный. Существуют и другие буферные системы, но эти являются основными и самыми нужными для живого организма. Без их помощи у человека начнут развиваться различные патологии, которые могут привести к коме или летальному исходу.

Буферные системы, классификация буферных систем

Необходимым условием функционирования любого организма является поддержание динамического постоянства его внутренних сред, т.е. гомеостаза. В ходе различных био­химических реакций в организме постоянно образуются или расходуются Н + или ОН — , по­этому значение рН внутренних сред должно непрерывно изменяться, но в результате со­гласованного действия различных систем организма (лёгких, печени, почек, органов пи­щеварения и др.) рН биологических жидкостей сохраняется постоянным.

Биологическая жидкость рН

Желудочный сок 0,9 — 1,1

Грудное молоко 6,6 — 6,9

Особую роль в поддержании рН играют буферные растворы, которые состоят из одной или нескольких буферных систем.

Буферная система — это система, способная поддерживать постоянное значение рН при разбавлении её водой и при добавлении в неё определённых небольших количеств сильных ки­слот и оснований.

По составу буферные системы делят на 3 типа:

Кислотные буферные системы — это системы, состоящие из слабой кислоты и соли этой же кислоты, анион которой выполняет роль сопряжённого с ней основания. Примером может служить ацетатный буфер:

слабая кислота её соль- сильный электролит

кислота сопряженная кислотно-основная пара

Основная буферная система состоит из слабого основания и соли этого основания, ка­тион которого выполняет роль сопряжённой с ним кислоты. Примером является аммиач­ный (аммонийный) буфер:

слабое основание его соль — сильный электролит

основание сопряженная кислотно-основная пара

Амфолитная буферная система — это система, образованная амфотерным соединением, т.е. соединением, для которого характерны свойства и кислоты и основания одновременно. Примером может служить водный раствор белка, биополимера, мономерами которого яв­ляются аминокислоты.

Белковую структуру можно представить в виде схемы:

R –углеводородный остаток белковой молекулы.

От чего зависит рН буферной системы, разберём на примере ацетатного буфера.

В присутствии сильного электролита CH₃COONa, диссоциирующего на ионы полно­стью, равновесие диссоциации слабого электролита СН₃СООН подавляется (по правилу Ле-Шателье), поэтому [СНзСОО¯] = С_соли , а [СНзСООН] = С_{кислоты} .

Прологарифмируем с отрицательным знаком:

— lg [Н + ] = — lg К_{дисс кисл} – lg ————

С _соли

С _кисл

Полученное уравнение носит название уравнения Гендерсона -Хассельбаха для расчета рН кислотных буферных систем.

Для основных буферных систем:

С _соли

рH = 14 – ( рК_{основания} +lg ——— )

Факторы, определяющие рН буферных систем, следуют из анализа уравнения Гендер­сона-Хассельбаха:

1) природа слабой кислоты или слабого основания, которые определяют рК кислоты или рК основания;

2) соотношение концентраций компонентов буферной системы.

На практике вместо молярных концентраций компонентов часто используют число их экви­валентов:

V — объём компонента буфера ; N – его нормальная концентрация

рОН = рК_осн + lg ——————; рН= 14 — рОН

Буферные системы крови

Во избежание недопонимания между читателями и автором в начале поста хотелось бы дать ряд определений, которые мы собираемся использовать в дальнейшем.

Первое — это определения кислот и оснований. Здесь стоит сделать оговорку, что существует несколько теорий кислот и оснований, охватывающих все множество кислотно-основных взаимодействий и рассматривающих кислотные и основные свойства с различных позиций для различных условий, но — для буферных систем крови мы воспользуемся протолитической теорией Бренстеда-Лоури, с разъяснения которой мы и начнем свой рассказ.

Согласно Бренстеду-Лоури, кислоты представляют собой вещества, отдающие протон (ион водорода, или H + ), а основания — вещества, присоединяющие протон. Сила кислоты зависит от ее способности отдать протон, а сила основания — от способности протон связать. Например, в растворе серной кислоты происходит следующее:

Серная кислота (H₂SO₄) передает протон основанию (H₂O), при этом образуется новая кислота (H₃О + ) и новое основание (HSO₄ – ).

Подобным же образом может происходить реакция между соляной кислотой и аммиаком:

Соляная кислота (HCl) передает протон основанию (NH₃), при этом образуется новая кислота (NH₄ + ) и новое основание (Cl – ).

Как было сказано выше, кислоты и основания бывают сильными и слабыми. Например, H₂SO₄ и HCl представляют собой сильные кислоты, так как они очень легко отдают протон в раствор; таким образом, сильные кислоты диссоциируют быстро и полностью. И наоборот, HSO₄ – и Cl – являются слабыми основаниями, так как слабо удерживают протон. В описанных выше реакциях равновесие сдвинуто в сторону образования более слабой кислоты (H₃О + и NH₄ + ) и более слабого основания (HSO₄ – и Cl – ) соответственно. Слабые кислоты (например, H₂CO₃) диссоциируют не полностью, а значит, концентрация протонов в растворах этих кислот будет ниже. Сильные основания (например, OH – ) активно взаимодействуют с протонами в растворе, связывая их, а слабые основания (HCO₃ – ) делают это менее активно.

Второе — единица рН — логарифмическая единица, выражающая концентрацию ионов водорода в растворе в эквивалентах на литр; обратно пропорциональна количеству протонов в растворе, т. е. при высоком содержании протонов рН понижается, при низком, соответственно, повышается.

Рассмотрим пример. Пусть есть 0,1 М (читается как децимолярный) раствор соляной кислоты. Попробуем рассчитать для него значение pH. Мы знаем, что pH = –lg[H + ]. Соляная кислота является сильной и в водном растворе будет диссоциировать полностью. Значит, количество моль/л, или М, [H + ] будет равно [HCl], то есть 0,1 М. Дальше нам нужно просто подставить это значение в формулу:

pH = –lg[0,1] ≈ – (–1) = 1

Таким образом, раствор 0,1 М соляной кислоты имеет pH, равную 1, что соответствует очень кислой среде.

Тут же стоит вспомнить, что нейтральный раствор характеризуется следующей особенностью — значение концентрации ионов водорода [H + ] равно значению концентрации гидроксильных ионов [OH–] = 10 –7 моль/л, или pH = pOH = 7,0.

Третье — кислотно-основное равновесие (КОР) — последнее и самое главное. Буферные системы — это системы, состоящие из компонентов (например, слабой кислота и ее соль с сильным основанием или кислотно-основная пара), поддерживающих определенную концентрацию протонов в растворе, то есть определенный pH среды. Кислотность буферных растворов почти не меняется при их разбавлении или при добавлении к ним некоторых количеств кислот или оснований. Так, буферная система способна обратимо связывать протон (ион водорода). При связывании ионов водорода в условиях их повышенного количества в растворе получается слабая кислота и соль сильной кислоты, например:

И наоборот, при защелачивании среды происходит диссоциация вещества, выделяется слабое основание и вода:

В обоих случаях буферные системы препятствуют резкому изменению pH. С помощью буферных систем и осуществляется регуляция КОР в организме. Однако, при работе буферной системы один из ее компонентов расходуется и требует восстановления.

Рисунок 1 | Общий вид буферной системы

Значения рН в жидких средах организма в норме:

• рН артериальной крови равен 7,4 (изменения КОР, такие как ацидоз и алкалоз, рассматриваются относительно показателя рН в артериальной крови);
• рН венозной крови и тканевой жидкости — 7,35;
• рН внутриклеточной жидкости варьируется от 6,0 до 7,4 в зависимости от клеточного компартмента;
• рН мочи может меняться в пределах от 4,5 до 8,0 в зависимости от КОР в жидких средах организма, т. к. почки являются мощным регулятором КОР;
• наиболее низкий рН (0,8) в желудочном соке, который вырабатывают обкладочные клетки желудка.

Диапазон патологических значений рН, при которых человек может жить в течение нескольких часов, варьируется от 6,8 до 8,0.

Расстройства кислотно-основного равновесия (КОР) — это нарушения физико-химического гомеостаза. Кислотно-основное равновесие определяется соотношением ионов Н+ и ОН– . От их соотношения зависят активность ферментов, интенсивность метаболических процессов, функции ряда органов, чувствительность рецепторов к медиаторам, проницаемость клеточных мембран. Расстройства КОР сопровождают практически все заболевания. Поэтому так же, как и другие виды нарушений обмена веществ, расстройства КОР относятся к типовым патологическим процессам.

Выделяют 2 типа расстройств КОР: ацидозы и алкалозы.

Ацидоз — это типовой патологический процесс, характеризующийся относительным или абсолютным понижением pH. Алкалоз — это типовой патологический процесс, характеризующийся относительным или абсолютным увеличением pH. Ацидозы и алкалозы могут быть компенсированными, субкомпенсированными и декомпенсированными.

Компенсированные формы связаны с сохранением жизнедеятельности клетки, в то время как некомпенсированные формы вызывают нарушения функции клетки. Показателем компенсации является величина рН артериальной крови. В норме, как уже было сказано выше, рН = 7,4 ± 0,05. Если величина рН снижается до 7,24 или увеличивается до 7,56 (колебания составляют ± 0,16), то можно говорить о развитии субкомпенсированных форм. В том случае, если эта величина превышает ± 0,16, можно говорить о развитии декомпенсированных форм ацидоза или алкалоза. По происхождению ацидозы и алкалозы бывают газовые (дыхательные) и негазовые (метаболические), которые в свою очередь делятся на подтипы. Наряду с газовыми и негазовыми формами ацидозов и алкалозов встречаются смешанные формы. Кроме того, ацидозы и алкалозы могут быть острыми и хроническими.

Регуляция содержания ионов водорода в жидких средах

Существует три основные системы, регулирующие содержание протонов и препятствующих возникновению ацидоза и алкалоза:

1) Буферные системы организма — моментально регулируют содержание протонов в растворе путем их связывания, но они не способны вывести избыток протонов из организма. Работа буферных систем поддерживает рН крови в пределах 7,35–7,45, а сдвиг рН более чем на 0,4 в любую сторону ведет к гибели. В жидких средах организма существует несколько буферных систем:
— Бикарбонатная буферная система [H₂CO₃ / HCO₃ – ] является основным буфером крови (до 53 % емкости от всех буферных систем);
— Гемоглобиновый буфер [HHb / Hb – ] — до 35 % буферной емкости от всех буферных систем, является внутриклеточным буфером;
— Белковый буфер [HPr / Pr – ] — до 7 % буферной емкости от всех буферных систем;
— Фосфатный буфер [H₂PO₄ – / HPO₄ 2– ] — до 5 % буферной емкости от всех буферных систем; действует преимущественно в костной ткани, моче и внутриклеточной жидкости;
— Аммонийный буфер [NH₃ / NH₄ + ] — действует преимущественно в моче.

2) Дыхательная система — регулирует КОР путем выведения избытка СО₂, а следовательно и H₂CO₃, из внеклеточной жидкости.

3) Выделительная система — почки устраняют изменения КОР путем выведения избытка кислот или оснований с мочой; эта система работает гораздо медленнее, чем предыдущие, однако значительно эффективнее.

В первую очередь рассмотрим наиболее мощную систему из выше перечисленных, берущую на себя основную роль в регуляции КОР — бикарбонатную.

Бикарбонатная буферная система состоит из водного раствора, содержащего слабую угольную кислоту (H₂CO₃) и слабое основание — бикарбонат-ион (HCO₃ – ), который во внеклеточной жидкости чаще всего находится в виде натриевой соли (NaHCO₃). Вначале стоит разобрать такое понятие, как диапазон буферного действия — диапазон pH, в котором будет эффективен данный буфер. Характеризуется величиной pK.

Для бикарбонатного буфера pK будет равно 6,1 ± 1 — это далеко от среднего значения pH в организме, поэтому мощность бикарбонатного буфера не слишком велика. Тем не менее, бикарбонатный буфер является наиболее эффективной буферной системой. Во-первых, концентрация бикарбоната во внеклеточной жидкости довольно высока, во-вторых, оба компонента буферной пары легко контролируются дыхательной (CO₂) и мочевыделительной (HCO₃ – ) системами.

Тонкий баланс pH возможен в основном только благодаря способности легких и почек изменять соотношение H₂CO₃ / NaHCO₃ (CO₂ / HCO₃ – ). Бикарбонатный буфер является самым чувствительным и связывает до 40 % «лишних» ионов водорода. Он поддерживает pH=7,4. В связи с вышеперечисленными фактами бикарбонатный буфер является индикатором нарушения КОР и определение компонентов этого буфера — основа диагностики нарушения КОР.

Рисунок 2 | Схема работы бикарбонатной буферной системы

При добавлении сильной кислоты в буферный раствор протоны, образовавшиеся при ее диссоциации, нейтрализуются путем взаимодействия с ионом бикарбоната, в результате формируется угольная кислота, которая разлагается на воду и углекислый газ под воздействием фермента карбоангидразы. Избыток углекислого газа, стимулирует барорецепторы в области бифуркации аорты и каротидного синуса, усиливает вентиляцию легких и таким образом выводится из организма. В норме отношение HCO₃ – / H₂CO₃ = 20/1. При этом, как уже упоминалось, работа этой системы неразрывно связана с легкими. Рассмотрим реакцию подробней. При поступлении в кровь кислоты более сильной, чем угольная, происходит реакция обмена и образуется новая соль и угольная кислота. В результате благодаря связыванию введенной в систему кислоты концентрация ионов водорода значительно понижается. (А — анион)

Обратная реакция происходит при добавлении к раствору сильного основания: гидроксид-ион взаимодействует с угольной кислотой с выделением иона бикарбоната, в результате чего концентрация угольной кислоты и, как следствие, углекислого газа в растворе снижается, что тормозит дыхательный центр, снижает вентиляцию легких и задерживает углекислый газ в организме. При этом повышается количество бикарбонат-ионов в плазме крови, что впоследствии компенсируется почками путем выделения их избытка с мочой. Рассмотрим реакцию подробней. При поступлении оснований они реагируют с угольной кислотой в результате чего образуются соль угольной кислоты. (К — катион)

Фосфатная буферная система состоит из водного раствора H₂PO₄ – и HPO₄ 2– , преимущественно в форме натриевой соли; имеет небольшое значение для регуляции КОР во внеклеточной жидкости, однако играет основную роль в регуляции его в просветах почечных канальцев (обеспечивает выведение ионов водорода с мочой) и во внутриклеточной среде. Если добавить в этот раствор сильную кислоту, то протоны, образованные при ее диссоциации, будут связываться с HPO₄ 2– , преобразуясь в H₂PO₄ – . При добавлении сильного основания гидроксид-анион будет реагировать с H₂PO₄ – , образуя HPO₄ 2– и воду. Таким образом, изменения рН в обоих случаях будут незначительными. D В норме соотношение NaH₂PО₄/Na₂HPO₄ = 1/4, а в моче NaH₂PО4/Na₂HPO₄ = 25/1.

Рисунок 3 | Схема работы фосфатной буферной системы

Фосфатная буферная система играет важную роль в регуляции КОР в просвете почечных канальцев в связи с тем, что концентрация фосфатов в канальцах растет. Кроме того рН мочи ниже рН других жидкостей организма и близок к значению константы диссоциации фосфатного буфера (pH = 6,8 = pK для фосфатного буфера), что позволяет ему работать на максимальных мощностях. По тем же причинам фосфатный буфер имеет большое значение в регуляции КОР во внутриклеточной жидкости.

Рассмотрим устройство фосфатной буферной системы подробней. Емкость фосфатной системы составляет около 1–2 % от всей буферной емкости крови и до 50 % буферной емкости мочи. Она образована дигидрофосфатом (NaH₂PO₄) и гидрофосфатом (Na₂HPO₄) натрия. Первое соединение (NaH2PO4) слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, второе (Na₂HPO₄) обладает щелочными свойствами. В норме отношение HРO₄ 2– к H₂РO₄ — равно 4 : 1.

При взаимодействии кислот (ионов водорода) с двузамещенным фосфатом натрия (Na2HPO4) натрий вытесняется, образуется натриевая соль дигидрофосфата (H2PO4–). В результате благодаря связыванию введенной в систему кислоты концентрация ионов водорода значительно понижается. (А — анион)

При поступлении оснований избыток ОН– групп нейтрализуется имеющимися в среде Н+, а расход ионов Н+ восполняется повышением диссоциации NaH2PO4 (К — катион)

Основное значение фосфатный буфер имеет для регуляции pH интерстициальной жидкости и моче. Как уже было отмечено выше в моче его роль состоит в сбережении бикарбоната натрия за счет дополнительного иона водорода (по сравнению с NaHCO₃) в составе выводимого NaH₂PO₄.

Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата, т. к. бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется.

Белковая буферная система играет основную роль в регуляции КОР внутри клетки в связи с их богатым содержанием во внутриклеточной жидкости.

Несмотря на разницу между значениями рН внутри клетки и вне ее, колебания внутриклеточного КОР находится в зависимости от внеклеточного. Компоненты бикарбонатной буферной системы медленно диффундируют через клеточную мембрану. Соответственно работа внутриклеточных буферных систем может оказывать посильную помощь в регуляции внеклеточного КОР, однако занимает этот процесс значительно большее время. Около 60–70 % буферной емкости всего организма приходится на белковые внутриклеточные системы, однако в связи с низкой скоростью переноса компонентов буфера через мембраны, коррекция КОР за счёт них может значительно опаздывать.

Сама по себе белковая буферная система состоит как из белков внутриклеточных, так и внеклеточных. Белки и их главные структурные компоненты, аминокислоты, являются амфолитами и потому в зависимости от величины pH среды способны принимать или отдавать ион водорода. Таким образом, кислые группы (например, COOH) могут отдавать ион водорода, при повышении pH, а аминогруппы (например, NH₂) могут принимать ион водорода при падении pH. Пределы действия белковых кислотно-основных буферных систем ограничиваются количеством групп, способных отдавать или связывать ионы водорода. Жидкости организма, на основе их локализации, можно разделить на внеклеточные и внутриклеточные жидкости.

Рисунок 4 | Схема работы белковой буферной системы

К внеклеточным жидкостям тканей относятся межклеточные жидкости. Разновидностью межклеточных жидкостей является плазма крови. Плазма крови содержит белки, которые могут составляют одну буферных систем крови. Межклеточная жидкость в тканях содержит волокна внеклеточного белка и растворенные аминокислоты. Все эти компоненты составляют буферную систему межклеточных жидкостей в тканях. Основным белковым буфером в случае крови является гемоглобиновый буфер.

Гемоглобиновый буфер — мощный регулятор КОР; представлен в эритроцитах и плазме крови, с тем отличием, что проникновение компонентов бикарбонатного буфера через мембрану эритроцитов происходит значительно быстрее, чем у других клеток. Эта буферная система включает в себя восстановленный гемоглобин (HHb) и калиевую соль восстановленного гемоглобина (KHb). Так, буферные свойства данной системы обусловлены тем, что калиевая соль гемоглобина является солью слабой кислоты и может обменивать ион калия, К + на ион водорода, H + , при этом образуется слабодиссоциирующая кислота. Вот так:

Гемоглобин осуществляет буферирование за счет имидазольных групп гистидиновых остатков и имеет pKa = 6,8. Величина pH крови остаётся постоянной благодаря тому, что гемоглобин способен связывать углекислый газ и ионы водорода, тут гемоглобин играет роль основания. В легких находится окисленная форма гемоглобина HHbO₂, которая является более сильной кислотой (при этом кислотность HHbO₂ в 70 раз выше, чем у HHb), чем угольная кислота (H₂CO₃), в результате чего подавляется диссоциация последней. HHbO₂ отдает свои ионы Н + в среду, предотвращая повышение рН. В целом если говорить о крови, то ее буферные системы более устойчивы к действию кислот, чем оснований.

Рисунок 5 | Схема работы гемоглобиновой буферной системы

Буферные системы тканей предотвращают возможные деструктивные нарушения, причиной которых может быть действие продуктов метаболизма клеток, к которым относятся органические кислоты, такие как молочная кислота и пировиноградная кислота. Поскольку между внутриклеточными и внеклеточными жидкостями осуществляется непрерывный обмен веществами, внутриклеточные буферные системы работают вместе с внеклеточным буферными системами в поддержании кислотно-основного равновесия в целом. Когда во внеклеточной жидкостях уменьшается pH, клетки перекачивают ионы водорода из внеклеточной жидкости в цитоплазму клеток. При этом внутриклеточные белковые буферные системы мгновенно компенсируют увеличение кислотности. И наоборот, когда во внеклеточной жидкости увеличивается pH, транспортные механизмы цитоплазматических мембран клеток перекачивают ионы водорода из внутриклеточных жидкостей во внеклеточную жидкость. При этом, для сохранения ионного равновесия, во внутриклеточную жидкость из внеклеточной жидкости перекачиваются ионы калия K + .

Изогидрическое правило

Поскольку в организме все буферные системы в том или ином соотношении представлены во всех жидкостных средах, они действуют сообща. Смысл изогидрического правила заключается в том, что изменение равновесия в одной буферной системе в растворе ведет за собой изменение и в других системах за счёт перераспределения между ними ионов водорода.

Регуляция кислотно-основного состояния в организме

Дыхательная система — регулирует концентрацию СО₂ во внеклеточной жидкости. При повышении вентиляции СО₂ активно выводится из организма, что вызывает снижение концентрации углекислоты и приводит к снижению количества протонов в крови. Снижение вентиляции вызывает повышение количества СО₂ в крови, и концентрация ионов водорода в крови растет.

В клинической практике удобно использовать показатель парциального давления углекислого газа — рСО₂, в норме равный 40 мм рт.ст. При повышении интенсивности метаболических процессов или уменьшении вентиляции легких рСО₂ растет, накапливается углекислота и соответственно ионы водорода, приводя к снижению рН — ацидозу. Замедление метаболических процессов или рост вентиляции вызывает снижение СО₂ в крови, количества протонов и приводит к алкалозу, что проявляется повышением рН.

Уровень рН в жидких средах организма очень чувствителен к изменению вентиляции. Так, увеличение вентиляции в 2 раза от нормы приводит к повышению рН на 0,23 единиц, при этом снижение альвеолярной вентиляции на ¼ ниже нормы влечет за собой снижение уровня рН на 0,45 единиц. Таким образом, становится понятно значение дыхательной системы в регуляции КОР.

В свою очередь деятельность дыхательной системы зависит от концентрации протонов в крови, то есть изменение рН во внеклеточной жидкости ведёт за собой изменение вентиляции, что является ярким примером принципа отрицательной обратной связи в системе (при работе такой связи, усилия системы направлены на возвращение к исходному состоянию организма). Рост концентрации протонов и сопутствующее ему повышение рН вызывает компенсаторное увеличение вентиляции вследствие стимуляции дыхательного центра. Напротив, уменьшение количества ионов водорода и повышение рН тормозят дыхательный центр. Таким образом, довольно быстро регулируется содержание протонов в системе.

Дыхательная система как физиологический буфер действует медленнее, чем любой из химических буферов, однако ее буферная емкость в 2 раза выше всех вместе взятых буферов внеклеточной жидкости. У нее довольно низкий коэффициент эффективности обратной связи, поэтому коррекция значений рН осуществляется в очень малых пределах, тем не менее, это позволяет выиграть время для стабилизации КОР с помощью выделительной системы.

При нарушениях функций дыхательной системы также происходит изменение уровня ионов водорода и соответственно показателя рН. При нарушении процесса нормальной вентиляции легких (например, при эмфиземе легких), снижается способность выведения СО₂, в результате чего развивается дыхательный ацидоз. В такой ситуации коррекция КОР полностью перекладывается на выделительную систему.

Выделительная система почек — осуществляют регуляцию КОР путем выделения кислых и основных продуктов обмена с мочой. В целом, принцип работы системы заключается в следующем: бикарбонат-ионы попадают в просвет канальцев с первичной мочой путем фильтрации, ионы водорода секретируются эпителиоцитами в просвет канальцев, где они связываются ионами бикарбоната и реабсорбируются обратно в кровь в форме угольной кислоты. Таким образом, осуществляется восполнение компонентов бикарбонатного буфера. Если количество протонов во внутриканальцевой жидкости превышает количество бикарбонат-ионов (при ацидозе), их избыток выводится с мочой, закисляя ее, и наоборот, избыток оснований способствует их выведению (при алкалозе). Эти процессы происходят во всех отделах канальцевой системы, исключая тонкий отдел петли Генле, при этом 80–90 % реабсорбции бикарбонатов и секреции протонов приходится на проксимальный каналец. В различных сегментах эти процессы осуществляются разными механизмами. Кроме того, с мочой выводятся нелетучие кислоты (те, которые не могут выделяться через дыхательную систему), полученные в ходе метаболических процессов, что в свою очередь увеличивает количество протонов в моче. Немаловажным механизмом регуляции КОР почками является образование новых ионов бикарбоната, опять же при участии карбоангидразы.

При выделении в мочу избытка протонов лишь небольшая их часть выводится в свободном виде, остальные связываются с буферными системами в просвете канальцев, способствуя выработке недостающего количества бикарбонатов внутри клеток канальцев с последующей их реабсорбцией в кровь при ацидозе. Наибольшее значение имеют фосфатная и аммонийная системы, меньшую роль играют цитратная и уратная.

Аммонийная буферная система состоит из аммиака (NH₃) и иона аммония (NH₄ + ). При увеличении количества ионов водорода во внеклеточной жидкости, стимулируется дезаминирование глутамина в почке под действием глутаминазы с образованием 2 молекул NH₃ секретируемых в просвет канальца. Глутамин поступает с током крови из печени в эпителиоциты проксимальных канальцев, толстого восходящего отдела петли Генле и дистальных канальцев. В собирательных трубочках выделение иона аммония происходит с помощью другого механизма, при этом вновь синтезируется и реабсорбируется в кровь один бикарбонат-ион. Более подробнее ниже. Активация карбоангидразы, приводит к образованию H₂CO3, который диссоциирует с образованием H + и HCO₃ – . Как NH₃ так и HCO₃ – служат для связывания ионов водорода. При этом HCO₃ – выделяется в кровь, где связывается с ионом водорода, а ион водорода образовавшийся в клетке почечных канальцев при диссоциации H₂CO₃ секретируется в просвет почечного канальца, где связывается NH₃ с образованием NH₄ + . При уменьшении количества ионов водорода во внеклеточной жидкости наблюдается противоположный ответ почек. Во время хронического ацидоза аммонийная система берёт на себя основную роль в выведении кислых продуктов с мочой.

Рисунок 6 | Схема работы аммонийной буферной системы

В заключение, приведенная в данной статье информация далеко не полная и не включает в себя многие нюансы, однако, прочитав данную информацию, можно получить общее представление о регуляции кислотно-основного равновесия в организме.