Физико-химические гомеостатические механизмы

К физико-химическим механизмам кислотно-основного гомеостазиса отно­сятся буферные системы внутренней среды организма и тканевые гомео­статические обменные процессы.

15.2.1. Буферные системы внутренней среды организма

Основными буферными системами внутриклеточной, межклеточной жидко­сти и крови являются бикарбонатная, фосфатная и белковая буферная систе­ма, причем из последней для крови особо выделяют гемоглобиноный буфер.

Основное значение для поддержания pH межклеточной жидкости и плазмы крови имеет бикарбонатная буферная система. Угольная кислота в плазме и межклеточной жидкости присутствует в четырех формах: физиче­
ски растворенного углекислого газа (СО₂), угольной кислоты (Н₂СО₃), аниона карбоната (СО^) и аниона бикарбоната (гидрокарбонатный анион) (HCOj). В условиях физиологического диапазона pH в плазме крови боль­ше всего содержание бикарбоната, примерно в 20 раз меньше содержание растворенного углекислого газа и угольной кислоты, а ион карбоната практически отсутствует. Бикарбонат представлен в виде натриевых и ка­лиевых солей. Константа диссоциации (К) есть отношение:

КН₂СО_г = Д р^^{3 а} для бикарбоната - KNaHCO₃ = J.

Анион НСО₃ является общим как для кислоты, так и для соли, а соль диссоциирует сильнее, поэтому данный анион, образуясь из бикарбоната, будет подавлять диссоциацию угольной кислоты, т. е. практически все ко­личество аниона НСО7 в бикарбонатном буфере происходит из NaHCO₃ Следовательно:

„„ [}Г][НСО'₃] К[Н₂СО₃]

КН₂СО₃ = !• —Ч _{а отсюда}..

[Я₂Си₃] [NaHCO₃]

(формула Гендерсона, где К —константа диссоциации угольной кислоты). В связи с использованием отрицательного логарифма концентрации фор­мула, названная уравнением Гендерсона—Гассельбаха, для бикарбонатного буфера приняла выражение:

^рН^^рК+1^аНСО^ ^_PK=-l_SK.

При физиологических значениях pH отношение концентрации углеки­слоты к бикарбонату составляет 1:20 (рис. 15.1).

В условиях взаимодействия бикарбонатного буфера с кислотами проис­ходит их нейтрализация с образованием слабой угольной кислоты. Угле­кислый газ, появляющийся при ее разложении, удаляется через легкие. Из­быток оснований, взаимодействуя с бикарбонатным буфером, связывается с угольной кислотой и приводит в конечном счете к образованию бикарбо­ната, излишки которого удаляются, в свою очередь, из крови через почки.

Другой буферной системой плазмы крови, а в большей мере внутрикле­точной среды, является фосфатная буферная система. Она образована од­но- и двузамещенными слоями фосфорной кислоты, где однозамещенные соли являются слабыми кислотами, а двузамещенные — имеют щелочные свойства. Уравнение для фосфатного буфера следующее:

Двухосновной фосфатной соли содержится в плазме в 4 раза больше, чем кислой одноосновной. Общим анионом в этой системе является НРО4. Ее буферная емкость меньше, чем бикарбонатной, так как и фосфа­тов в крови содержится меньше, чем бикарбонатов. Принцип действия фосфатного буфера аналогичен бикарбонатному, хотя роль его в плазме крови мала и, в основном, сводится к поддержанию концентрации бикар­боната при реакции буфера с избытком угольной кислоты. В то же время в клетках значение фосфатного буфера велико.

Третьей буферной системой клеток, плазмы крови и межклеточной жид­кости является белковая. Белки выполняют буферную роль из-за их амфо-

Рис. 15.1. Кислотно-основное равновесие. Стрелка весов указывает на значения pH в норме и при смещениях в сторону ацидоза или алкалоза. На чашах весов помеще­ны Н₂СО₃ (дыхательная компонента) и NaCO₃ (недыхательная компонента), что от­ражает соотношение между ними в норме 1:20.

терности, а характер их диссоциации зависит от природы белка и актуаль­ной реакции внутренней среды. При этом глобулины обладают более выра­женной кислой диссоциацией, т. е. отщепляют больше протонов, чем гид­роксильных ионов, и соответственно играют большую роль в нейтрализа­ции щелочей. Белки, содержащие много диаминокислот, диссоциируют больше как щелочи и поэтому в большей мере нейтрализуют кислоты. Бу­ферная емкость белков плазмы крови сравнительно с бикарбонатной систе­мой невелика, однако в клетках тканей ее роль может быть очень высокой.

Наибольшую буферную емкость крови обеспечивает гемоглобиновая бу­ферная система. Содержащаяся в гемоглобине человека аминокислота гис­тидин (до 8,1 %) имеет в своей структуре как кислые (СООН), так и ос­новные (NH₂) группы. Константа диссоциации у гемоглобина ниже, чем pH крови, поэтому гемоглобин диссоциирует как кислота. Оксигемогло­бин является более сильной кислотой, чем редуцированный гемоглобин. При диссоциации оксигемоглобина в капиллярах тканей с отдачей кисло­рода появляется большее количество щелочно-реагирующих солей гемо­глобина, способных связывать Н-ионы, поступающие из кислот тканевой жидкости, например угольной кислоты. Оксигемоглобин обычно представ­ляет собой калиевую соль. При взаимодействии кислот с калиевой солью оксигемоглобина образуется соответствующая калиевая соль кислоты и свободный гемоглобин со свойствами очень слабой кислоты. Гемоглобин в тканевых капиллярах связывает углекислый газ за счет аминогрупп, обра­зуя карбогемоглобин:

Hb- NH²⁺CO₂ -> Hb- NHCOOH.

Таблица 15.3. Относительная эффективность буферных систем крови

Для кислотно-основного гомеостазиса важное значение имеет также об­мен анионов СГ и НСО7 между плазмой и эритроцитами. Если в плазме крови увеличивается концентрация углекислоты, то образующийся при диссоциации NaCl анион С1 входит в эритроциты, где образует КС1, а ион Na⁺, для которого мембрана эритроцита непроницаема, соединяется с из­бытком НСО7, образуя бикарбонат натрия, восполняя его убыль в бикар­бонатом буфере. При снижении концентрации углекислоты в бикарбо­натом буфере происходит обратный процесс — анионы СГ выходят из эритроцитов и соединяются с избытком Na⁺, освободившимся из бикарбо­ната, этим, следовательно, предотвращается ощелачивание плазмы.

Буферные системы плазмы крови и эритроцитов имеют разную относи­тельную эффективность. Так, эффективность буферных систем эритроци­тов выше (за счет гемоглобинового буфера), чем плазмы крови (табл. 15.3).

Концентрация Н-ионов уменьшается в направлении: клетка — межкле­точная среда — кровь. Это свидетельствует о том, что наибольшую буфер­ную емкость имеет кровь, а наименьшую — внутриклеточная среда. Обра­зуемые в клетках при метаболизме кислоты поступают в межклеточную жидкость тем легче, чем больше их образуется в клетках, так как избыток Н-ионов повышает проницаемость клеточной мембраны. В буферных свойствах межклеточной среды играет роль соединительная ткань, особен­но коллагеновые волокна, известные как «ацидофильные». На минимальное накопление кислот они реагируют набуханием, быстро поглощая кислоту и освобождая от Н-ионов межклеточную жидкость. Эта способность колла­гена объясняется свойством абсорбции.

15.2,2. Тканевые гомеостатические обменные процессы

Кислотно-основное состояние поддерживается в пределах физиологиче­ских значений pH и путем метаболических превращений в тканях. Это достигается за счет совокупности биохимических и физико-химических процессов, которые обеспечивают: 1) потерю кислотных и щелочных свойств продуктов обмена веществ, 2) их связывание в средах, препятст­вующих диссоциации, 3) образование новых, более легко нейтрализуемых и выводимых из организма соединений.

Так, например, органические кислоты могут соединяться с продуктами белкового обмена (бензойная кислота с глицином) и тем самым терять кислые свойства. Избыток молочной кислоты ресинтезируется в гликоген, кетоновых тел — в высшие жирные кислоты и жиры. Неорганические ки­слоты нейтрализуются солями калия, натрия, освобождающимися при дез­аминировании аминокислот аммиаком, образующим аммонийные соли. После внутривенного введения животным кислоты 43 % ее количества нейтрализуется бикарбонатом плазмы крови, 36 % нейтрализуются за счет клеточного натрия, а 15 % — за счет выходящего из клеток калия. Основа­ния нейтрализуются преимущественно молочной кислотой, образуемой из гликогена при ощелачивании микроокружения клеток.

В поддержании внутриклеточного pH существенную играет роль обмен производных имидазола и его изомера пиразола. Особенности пятичленно­го кольца этих соединений определяют их амфотерные свойства, т. е. спо­собность быть одновременно и донатором, и акцептором протонов. Ими- задол способен очень быстро образовывать соли с сильными кислотами и щелочными металлами. Наиболее распространенным соединением имида­зола является а-аминокислота гистидин, участвующая в кислотном и ос­новном катализе.

Сильные кислоты и щелочи могут растворяться в липидах, обладающих низкой диэлектрической константой, что препятствует их диссоциации. Наконец, органические кислоты могут подвергаться окислению с образо­ванием летучей слабой угольной кислоты.