Буферные системы крови

Поскольку кровь – не просто внеклеточная жидкость, а взвесь клеток в жидкой среде, то ее кислотно-щелочное равновесие поддерживается совместным участием буферных систем плазмы и клеток крови, главным образом эритроцитов. Различают следующие буферные системы крови: плазменные (гидрокарбонатная, фосфатная, органических фосфатов и белковая) и эритроцитарная (гемоглобиновая, гидрокарбонатная, фосфатная).

Главным буфером плазмы крови является гидрокарбонатная система Н₂СО₃ /НСО₃^–

Гидрокарбонатная(бикарбонатная) буферная система

Она состоит из угольной кислоты и гидрокарбонатов (NaHCO₃ – во внеклеточной жидкости, КНСО₃ – внутри клеток). В организме угольная кислота возникает в результате гидратации диоксида углерода – продукта окисления углеводов, белков и жиров. Причем процесс этот ускоряется под действием фермента карбоангидразы.

СО₂ + Н₂О ⇄ СО₂·Н₂О ⇄ Н₂СО₃

Отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [Н₂СО₃] /[НСО₃^–] = 1 / 20. Следовательно, гидрокарбонатная система имеет буферную емкость по кислоте значительно больше буферной емкости по основанию. Т.е. этот буфер особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотность крови. К числу таких веществ прежде всего относят молочную кислоту, избыток которой образуется в результате интенсивной физической нагрузки. (В замкнутых помещениях часто испытывают удушье – нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько с недостатком кислорода, сколько с избытком СО₂. Избыток СО₂ в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО₂ в крови, а это соответственно приводит к понижению рН, т.е к ацидозу.)

 

Механизм буферного действия.

Компоненты: Н₂СО₃ /НСО₃^–

В этой системе донором протона является угольная кислота Н₂СО₃, а акцептором протона – гидрокарбонат-ион НСО₃^–.

Если в кровь поступает кислота и увеличивается концентрация иона водорода, то он взаимодействует с НСО₃^–, образуя Н₂СО₃ и приводит к выделению газообразного СО₂, который выводится из организма в процессе дыхания через легкие.

Н⁺ + НСО₃^– Н₂СО₃ СО₂ + Н₂О

Концентрация слабой кислоты при этом увеличивается, а концентрация соли (сопряженного основания) на ту же величину уменьшается ⇒ рН не изменится, т.к. АК переходит в ПК. ПК и ОК ↑, а АК не изменяется.

При поступлении в кровь оснований, они связываются угольной кислотой:

ОН^–+ Н₂СО₃ НСО₃^– + Н₂О

рН при этом почти не изменится за счет смещения ионизации кислоты вправо в результате связывания одного из продуктов ионизации – протонов – в слабый электролит (воду). Концентрация слабой кислоты при этом уменьшится, а концентрация соли на эту же величину увеличится. рН не изменится, т.к. ПК переходит в АК. ПК и ОК ↓, а АК не изменится.

 

Главное назначение гидрокарбонатной системы заключается в нейтрализации кислот. Этот буфер является системой быстрого реагирования, т.к. продукт его взаимодействия с кислотами - углекислый газ – быстро выводится через легкие.

Гидрокарбонатный буфер определяет в крови кислотно-щелочное равновесие (КЩР) и является щелочным резервом крови (ЩР). Щелочной резерв крови – показатель функциональных возможностей буферных систем крови, представляющий собой количество двуокиси углерода, которое может быть связано 100 мл плазмы крови, предварительно приведенной в состояние равновесия с газовой средой, в которой парциальное давление СО₂ составляет 40 мм рт. ст., т.е. способность крови связывать СО₂.

Гидрокарбонатный буфер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.

Гидрофосфатная буферная система

Компоненты Н₂РО₄^–/НРО₄^2–

Она состоит из дигидрофосфатов и гидрофосфатов (NaH₂РO₄ и Na₂HРO₄ – в плазме крови и межклеточной жидкости, КН₂РО₄ и К₂HРO₄ – внутри клеток). Роль донора протона в этой системе играет ион Н₂РО₄^–, а акцептора протона – ион НРО₄^2–. В норме отношение Н₂РО₄^–/НРО₄^2–= 1 / 4. Следовательно, буферная емкость по кислоте больше, чем по основанию.

При увеличении концентрации ионов водорода (например, при переработке мясной пищи), происходит их нейтрализация ионами НРО₄^2–. Н⁺ + НРО₄^2–⇄ Н₂РО₄^–.При увеличении концентрации оснований в организме (например, при употреблении растительной пищи), они нейтрализуются ионами Н₂РО₄^–.

ОН^–+ Н₂РО₄^– ⇄ НРО₄^2– + Н₂О

Избыточное количество дигидрофосфат и гидрофосфат ионов выводится почками.

В отличие от гидрокарбонатной (в которой восстановление отношения достигается в течение 10-18 часов за счет изменения объема легочной вентиляции), в гидрофосфатной системе полное восстановление отношения компонентов происходит только через 2-3 суток. Фосфатный буфер в крови находится в тесной связи с бикарбонатной буферной системой.

Органические фосфаты также обладают буферными свойствами, но мощность их слабее, чем неорганического фосфатного буфера.

 

Белковая буферная система

Буферные свойства белков крови обусловлены способностью аминокислот ионизироваться. Конечные карбокси- и аминогруппы белковых цепей играют в этом отношении незначительную роль, так как таких групп мало. Значительно больший вклад в создание буферной емкости белковой системы вносят боковые группы, способные ионизироваться.

Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно-основных групп в молекуле белков.

 

 

К буферным белкам крови относятся как белки плазмы (в особенности альбумин), так и содержащийся в эритроцитах гемоглобин.

Особое значение гемоглобинового буфера заключается в том, что кислотность гемоглобина зависит от его степени окисления. При нормальных пределах рН оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Это обусловлено влиянием кислорода, связанного с железом, на сродство ближайших имидазольных групп гистидина к ионам водорода. Благодаря этому гемоглобин, освобождаясь в тканях от кислорода, приобретает большую способность к связыванию ионов водорода, а в венозной крови в результате выделения углекислого газа тканями, происходит накопление в крови этих ионов. При поглощении кислорода в легких происходят обратные процессы.

 

Гемоглобиновая буферная система

Является, разумеется, частью белкового буфера, но выделяется отдельно в связи с особой локализацией — внутри эритроцитов — и особой функцией.

Представлена кислотами гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженным им основаниями – соответственно гемоглобинат и оксигемоглобинат ионами.

Компоненты НHb /Нb^–и НHbО₂ /НbО₂^–

Гемоглобиновый буфер – главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной емкости крови. Оксигемоглобин более сильная кислота, чем гемоглобин. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода от тканей к легким и угольной кислоты. Системы гемоглобина и оксигемоглобина являются взаимопревращающимися системами и существуют как единое целое. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами крови. Эта буферная система в эритроцитах тесно связана с гидрокарбонатной системой.

В эритроцитах рН поддерживается постоянным благодаря действию трех буферных систем:

 

 

Сила этих кислот и оснований изменяется следующим образом:

HHb < H₂CO₃ < HHbO₂

Hb^– > HCO₃^– > HbO₂^–

Перенос протона происходит по схеме:

 

В капиллярах тканей

Кислород отдают тканям оксигемоглобиновая кислота и его сопряженное основание (гемоглобинат-ион).

HHbO₂ ® O₂ + HHb

В результате метаболизма накапливаются углекислый газ и вода, образуя угольную кислоту, которая взаимодействует с сильным основанием Hb^–с образованием слабой кислоты HHb и основания средней силы НСО₃^–.

 

 

HHb и НСО₃^–диффундируют через оболочку эритроцитов в плазму и уносятся с током крови в легкие.

В капиллярах легких слабая кислота HHb связывает О₂, образуется сильная кислота HHbO₂,

HHb + O₂ ® HHbO₂

которая частично взаимодействует с основанием HCO₃^–с образованием Н₂СО₃,

 

 

а частично вместе с сопряженным основанием HbO₂^–возвращается с током крови в ткани. Образовавшаяся Н₂СО₃ разлагается под действием фермента карбоангидразы на воду и углекислый газ,

Н₂СО₃ Н₂О + СО₂

которые выводятся через легкие.

 

Помимо буферных систем крови, активное участие принимают также система дыхания и мочевыделительная система.

 

Ацидоз и алкалоз

При ряде патологических состояний в крови накапливаются такие большие количества кислот или оснований, что буферные системы крови, дыхательная и выделительная системы уже не могут поддерживать рН на постоянном уровне. В зависимости от того, в какую сторону изменяется реакция крови, различают 2 типа нарушений КЩР.

Понижение рН крови по сравнению с нормальным уровнем (рН ‹ 7,37) называется ацидозом, а повышение (рН › 7,43) - алкалозом.

Ацидоз – смещение рН в кислую сторону, рН уменьшается, концентрация ионов водорода растет.

Алкалоз – смещение рН в щелочную область, рН растет, концентрация ионов водорода уменьшается.

Каждый из этих двух типов подразделяется еще на несколько разновидностей в зависимости от причины сдвига рН. Такие сдвиги могут наступать при изменениях вентиляции легких (поражения легких могут сопровождаться увеличением напряжения СО₂ в крови, и гипервентиляции приводят к снижению этого напряжения. Подобные состояния называют дыхательным (респираторным) ацидозом или алкалозом.

Дыхательный ацидоз

Характеризуется повышением парциального давления СО₂ и концентрации углекислоты в крови, а также компенсаторным подъемом гидрокарбонатов чаще всего наблюдается: при пневмонии; при недостаточности кровообращения с застоем в малом кругу кровообращения; под влиянием препаратов, угнетающих дыхательный центр (морфий и его производные); при общем наркозе.

Дыхательный алкалоз

Развивается, когда вследствие альвеолярной гипервентиляции возникает гипокапния - Р (СО₂) 36 мм рт. ст. Несмотря на то, что содержание гидрокарбоната несколько падает вследствие уравновешивания между СО₂ и Н₂СО₃, отношение [НСО₃] к [α·Р (СО₂)] повышается, а поэтому повышается и рН.

При стойкой гипокапнии клетки почечных канальцев выводят дополнительное количество гидрокарбоната, восстанавливая нормальное отношение [НСО₃] к [α·Р (СО₂)]. Восстановление рН может быть почти полным и этот процесс называют компенсированным дыхательным алкалозом.

При нарушениях обмена веществ в крови могут накапливаться нелетучие кислоты; напротив, поступление в кровь оснований или потеря НСl могут сопровождаться уменьшением содержания этих кислот. Такие состояния называют метаболическим ацидозом или алкалозом легких. Метаболический алкалоз с первичным повышением концентрации гидрокарбонатов встречается при: Избыточном и бесконтрольном введении щелочных растворов, Упорной рвоте, Дефиците калия в организме, Врожденном алкалозе с гипокалиемией. Метаболический ацидоз, характеризующийся уменьшением концентрации НСО₃^¯ в плазме, наблюдается при следующих заболеваниях и состояниях: У детей периода новорожденности, Токсические состояния на почве ЖКЗ у детей раннего возраста, Голодание, После длительного введения хлорида аммония или хлорида кальция, Диабетическая кома, Почечная гломерулярная недостаточность.

Поскольку рН крови может изменяться также при поражениях почек, сдвиги КЩР, обусловленные почечными или обменными нарушениями объединяют под названием нереспираторный ацидоз или алкалоз.

Оценка КЩР

Оценка КЩР крови имеет большое значение в клинике. Для такой оценки необходимо измерить ряд показателей, позволяющих выявить у больного ацидоз либо алкалоз и судить о том, является он респираторным или нереспираторным.

Заключение о состоянии КЩР позволяет выбрать правильное лечение. Необходимо измерить следующие показатели артериальной крови:

1. РН.

По величине рН можно судить о том, является ли содержание ионов Н в крови нормальным (рН 7,37-7,43) или сдвинуто в ту либо иную сторону. В то же время нормальное значение рН еще не позволяет с уверенностью говорить об отсутствии нарушения КЩР, т.к. в этом случае нельзя исключить компенсированный ацидоз, либо алкалоз.

2. Парциальное давление углекислого газа.

Повышение или снижение напряжения СО₂ по сравнению с его нормальным уровнем (35-45 мм рт. ст.) служит признаком респираторного нарушения КЩР.

3.Избыток оснований (base excess, ВЕ).

По величине ВЕ можно сделать вывод о наличии нереспираторного нарушения КЩР. Изменения этой величины (норма от-2,5 до +2,5 ммоль/л) непосредственно отражают снижение или увеличение содержания нелетучих кислот в крови.

4.Стандартный бикарбонат.

В качестве показателя нереспираторного нарушения КЩР иногда используют так называемый “стандартный бикарбонат”. Это величина соответствует содержанию бикарбоната в плазме крови, полностью насыщенной с газовой смесью. В норме “стандартный бикарбонат” равен 24 ммоль/л. Этот показатель не отражает буферный эффект белков, поэтому он сравнительно малоинформативен.