Кислотно-основное равновесие

• Нормальный баланс. Под кислотно–щелочным равновесием (КЩР) понимают регуляцию концентрации ионов водорода (протоны, Н⁺) в жидкостях организма при помощи буферных систем (например, бикарбоната), лёгких и почек. Так как Н⁺ обладают высокой химической активностью, даже небольшое изменение [Н⁺] может привести к значительным нарушениям баланса.

† Концентрация ионов водорода и рН. [Н⁺] в жидкостях организма низка. Поэтому её удобнее выражать в виде показателя рН (обратный логарифм [Н⁺]). рН внеклеточной жидкости поддерживается на уровне около 7,4. Хотя на практике внутриклеточный рН не может быть измерен непосредственно, видимо, он составляет от 6,8 до 7,0.

† Накопление и удаление Н⁺. При нормально протекающих метаболических процессах происходит накопление большого количества угольной кислоты (H₂CO₃) и других (нелетучих) кислот, поступающих в жидкости организма; они должны быть нейтрализованы с помощью буферных систем и удалены.

‡ H₂CO₃. Н⁺ образуются при полном окислении глюкозы и жирных кислот до H₂CO₃. Эта кислота диссоциирует с образованием воды и двуокиси углерода, удаляемой через лёгкие.

‡ Нелетучие кислоты образуются при неполном метаболизме глюкозы и жирных кислот до органических кислот (например, ацетоуксусной и β-оксимасляной), а также при распаде белков. Ежедневно образуется и экскретируется (преимущественно почками) примерно 1 мэкв нелетучих кислот на 1 кг массы тела.

• Уравнение Хендерсона – Хассельбальха. Система бикарбонат–угольная кислота (НСО₃^–/СО₂) — основной буферный компонент внеклеточной жидкости. Нарушения КЩР часто характеризуются изменениями или бикарбонатного компонента (основного), или растворённой двуокиси углерода (кислого компонента) этой буферной пары. Классическое описание КЩР основано на уравнении Хендерсона – Хассельбальха, рассматривающего соотношение трёх переменных — рН, парциального давления двуокиси углерода (pСО₂), концентрации бикарбоната плазмы ([HCO₃^–]) — и двух констант (рК и S) cледующим образом:

где рК — обратный логарифм константы диссоциации угольной кислоты (6,1), а S — константа растворимости двуокиси углерода в плазме (0,03 ммоль/л/мм рт.ст.). В норме [HCO₃^–] плазмы составляет 24 ммоль/л, а pСО₂ артериальной крови 40 мм рт.ст.

Таким образом,

• Дыхательная регуляция рСО₂ артериальной крови. Лёгкие обладают способностью задерживать или активизировать выделение СО₂ и таким образом регулировать кислый компонент бикарбонатной буферной системы.

• Почечная регуляция содержания бикарбоната плазмы. Почки при секреции Н⁺ регулируют содержание бикарбоната плазмы за счёт образования нового бикарбоната. Этот процесс восполняет бикарбонат, используемый для нейтрализации кислот, образующихся при незавершённом метаболизме нейтральных пищевых продуктов и при метаболизме кислых продуктов. Существует два важных аспекта метаболизма Н⁺ в почках: реабсорбция ионов бикарбоната и секреция Н⁺.

† Реабсорбция ионов бикарбоната. Примерно 4300 мэкв бикарбоната фильтруется ежедневно через клубочки, бикарбонат практически полностью реабсорбируется в проксимальных канальцах почек. Оставшееся минимальное количество бикарбоната реабсорбируется в дистальных канальцах и собирательных трубочках. Проксимальная канальцевая реабсорбция бикарбоната осуществляется косвенно за счёт следующего процесса.

‡ Отфильтрованный бикарбонат и секретируемый H⁺ в просвете канальца образуют угольную кислоту. Реабсорбция Na⁺ сопряжена с секрецией H⁺, что поддерживает состояние электронейтральности.

‡ Карбоангидраза щёточной каёмки клеток проксимальных канальцев катализирует превращение угольной кислоты в двуокись углерода и воду. Двуокись углерода диффундирует в цитоплазму клеток проксимальных канальцев, где внутриклеточная карбоангидраза катализирует её регидратацию в угольную кислоту.

‡ Бикарбонат, образующийся при диссоциации угольной кислоты, пассивно реабсорбируется в кровь вместе с эквимолярным количеством Na⁺, активно транспортирующегося в кровь. Н⁺, образующийся при диссоциации угольной кислоты внутриклеточно, служит источником дополнительных Н⁺, подлежащих секреции.

‡ Вход Na⁺ в клетку канальца происходит двояко: при пассивной диффузии Cl^– внутрь клетки из просвета канальца и при обмене H⁺ на Na⁺. Конечный результат диффузии Cl^– в клетку и Na⁺-H⁺–обмена — реабсорбция NaCl или бикарбоната натрия соответственно.

† Добавление нового бикарбоната. В дополнение к сохраняемому бикарбонату почки добавляют к плазме новый бикарбонат посредством секреции Н⁺.

‡ Добавление нового бикарбоната касается не столько бикарбоната, реабсорбирующегося в проксимальных канальцах, сколько бикарбоната, накапливающегося внутри клеток дистальных канальцев путём гидратации двуокиси углерода и последующей диссоциации угольной кислоты.

‡ Участие почек в образовании нового бикарбоната сопровождается экскрецией эквивалентного количества кислоты в мочу в виде титруемой кислоты, иона аммония или их обоих.

‡ Образование и секреция титруемой кислоты. Обмен Н⁺ на Na⁺ превращает двухосновный фосфат или сульфат натрия в фильтрате в одноосновный фосфат или сульфат натрия, экскретирующиеся с мочой в виде титруемой кислоты. Вследствие этого Н⁺, секретируемый в дистальные канальцы, может реагировать с фосфатом, а не с бикарбонатом.

‡ Образование и секреция аммиака. В отличие от фосфата, аммиак попадает в просвет канальца не за счёт фильтрации, а за счёт образования в канальцах и секреции. Фактически весь аммиак, проникающий в просвет канальцев, немедленно соединяется с Н⁺ с образованием иона аммония, не обладающего способностью к диффузии вследствие его нерастворимости в жирах. В результате экскреция иона аммония почками приводит к добавлению бикарбоната к плазме.

† Концепция компенсации. Компенсацию можно определить как физиологический ответ на изменение или респираторного, или метаболического (почечного) компонента в КЩР для восстановления нормальной величины рН. Физиологическая компенсация обычно бывает неполной. В уравнении Хендерсона–Хассельбальха изменения в числителе (метаболический компонент) связаны с вторичными изменениями в знаменателе (респираторный компонент), что восстанавливает логарифм отношения в пределах 24:1,2 (т.е. 20:1); в результате рН поддерживается в пределах нормы. И наоборот, изменения респираторного компонента сочетаются с компенсаторными изменениями метаболического компонента, что также поддерживает рН в пределах нормы.