Основные изменения кислотно-основного состояния и их компенсация

Кислотно-основное состояние внутренней среды характеризуют по содер­жанию в ней количества водородных ионов, зависящего от их поступления и выделения, т. е. баланса. В связи с этим выделяют две формы сдвига ки­слотно-основного состояния: ацидоз и алкалоз. Ацидоз — это сдвиг кислот­но-основного состояния в связи с положительным балансом водородных ионов, т. е. при накоплении Н-ионов в крови. Алкалоз — это сдвиг кислот­но-основного состояния в связи с отрицательным балансом водородных ионов, т. е. при уменьшении Н-ионов в крови.

Концентрация водородных ионов в крови определяется, во-первых, [Н₂СО₃] или рСО₂, выводимого в большей или меньшей степени через лег­кие, — дыхательная, или респираторная, компонента. Во-вторых, содержа­ние Н⁺ определяется концентрацией бикарбоната (HCOj), не выделяемого через легкие,— недыхательная, или нереспираторная, компонента.

Таким образом, как ацидозы, так и алкалозы можно представить в двух видах: 1) дыхательные или респираторные и 2) недыхательные или нерес­пираторные (см. рис. 15.1). При дыхательных сдвигах кислотно-основного состояния изменяется концентрация углекислоты (повышается при ацидо­зе и снижается при алкалозе), а при недыхательных — бикарбоната, т. е. основания (снижается при ацидозе, повышается при алкалозе). Однако нарушения баланса водородных ионов не обязательно приводят к сдвигу уровня свободных Н⁺, т. е. pH, поскольку буферные системы и физиоло­гические гомеостатические системы компенсируют изменения баланса во­дородных ионов. Компенсацией называют процесс выравнивания наруше­ния путем изменения в той системе, которая не была нарушена. Таким образом, дыхательные нарушения компенсируются сдвигами в недыха­тельной компоненте и, наоборот, сдвиги уровня бикарбоната компенсиру­ются изменениями дыхательной компоненты, т. е. выведения углеки­слоты.

В зависимости от степени эффективности компенсации возможны три варианта сдвигов кислотно-основного состояния: некомпенсированные (сдвиг рН<7,29 или >7,56), частично компенсированные (рН<7,35 или >7,45, отмечается избыток иди дефицит буферных оснований), компенси­рованные (сдвиг pH отсутствует /7,35—7,45/, благодаря полной компенса­ции изменившегося баланса водородных ионов) (см. рис. 15.1).

Определение характера сдвига кислотно-щелочного состояния в случаях компенсированных ацидоза или алкалоза требует специального расширен­ного исследования. Выявление частично компенсированных и некомпен­сированных сдвигов может быть осуществлено путем сопоставления трех параметров: pH, дыхательной и недыхательной компонент баланса, как это показано в табл. 15.4.

Таблица 15.4. Сдвиги основных параметров кислотно-основного состояния при ацидо­зах и алкалозах

У здоровых людей дыхательный ацидоз может возникать при длитель­ном пребывании в среде с повышенным содержанием углекислого газа, например в замкнутых помещениях малого объема, шахтах, подводных лодках. Недыхательный ацидоз у здоровых людей бывает при длительном употреблении кислой пищи, углеводном голодании, усиленной мышечной работе, особенно у нетренированных людей.

Дыхательный алкалоз формируется у здоровых людей при нахождении в условиях сниженного атмосферного давления и, соответственно, парци­ального давления СО₂, например при пребывании высоко в горах, полетах в негерметизированных летательных аппаратах, что создает условия для избыточных потерь СО₂ кровью. Гипервентиляция легких также способст­вует потере двуокиси углерода и дыхательному алкалозу.

Недыхательный алкалоз развивается у здоровых людей при длительном приеме щелочной пищи или минеральной воды типа боржоми.

15.5.1. Функциональное значение ацидозов и алкалозов

• Физиологические свойства ферментов, транспорт и связывание бел­ков, обусловленные диссоциацией кислых или основных аминокис­лот (особенно гистидина), зависят от pH.

• Ферменты гликолиза, особенно фосфофрукто киназа, зависят от pH. Внутриклеточный алкалоз стимулирует, а ацидоз подавляет гликолиз и образование молочной кислоты. Алкалоз подавляет глюконеогенез и повышает содержание субстратов цикла Кребса, например цитрата. Ацидоз стимулирует деградацию глюкозы через пентозо-фосфатный цикл.

• Для синтеза ДНК и пролиферации клеток pH не должен быть кис­лым. Легкий алкалоз всегда имеет место при клеточной пролифера­ции. Множество регуляторов роста активируют Na/H-обменник мем­браны и приводят к защелачиванию внутриклеточной среды. Щелоч­ной pH характерен для опухолевых клеток.

• К⁺-каналы большинства клеток активируются алкалозом и подавля­ются ацидозом, что способствует изменению потенциала покоя и воз­будимости клеток.

• Ащидоз ведет к уменьшению входа Са²⁺ через Са-каналы, приводя, например, к снижению сократимости миокарда.

• В легочных артериолах Н⁺-ионы вызывают вазоконстрикцию, а в со­судах большого круга они способствуют вазодилатации, что в услови­ях кислородного голодания может вести к снижению артериального давления. Алкалоз способствует вазоконстрикции, особенно мозговых сосудов.

• Ацидоз снижает, а алкалоз повышает проводимость в плотных меж­клеточных контактах, в частности в миокарде, следствием чего могут быть аритмии сердца.

• Ацидоз снижает, а алкалоз повышает сродство гемоглобина к кисло­роду (эффект Бора).

• Алкалоз стимулирует диссоциацию плазменных белков, которые за­тем связывают больше Са²⁺ и снижают его активность в плазме. На­против, ацидоз снижает кальций-связывающую активность белков плазмы. С другой стороны, бикарбонат соединяется с Са²⁺ и умень­шает его активность.

Все случаи возникновения сдвигов кислотно-основного состояния у здоровых людей обычно полностью компенсированы. В условиях патоло­гии ацидозы и алкалозы у человека бывают значительно чаще и, соответст­венно, чаще являются частично компенсированными или даже некомпен­сированными, что требует искусственной коррекции.

15.5.2. Дыхательный ацидоз

Причиной развития дыхательного ацидоза у человека является гиперкап­ния, т. е. повышение содержания и напряжения СО₂ в крови (выше 45 мм рт. ст.) в результате того, что скорость образования СО₂ в тканях превыша­ет скорость его выделения легкими. Это одно из наиболее тяжелых нару­шений кислотно-основного состояния. В зависимости от скорости возник­новения и тяжести, выделяют острый и хронический дыхательный ацидоз.

Острое повышение напряжения СО₂ в плазме крови вызывает рост со­держания Н⁺-ионов до почти двукратного их увеличения, а также повыше­ние концентрации НСО₃ за счет реакции, катализируемой карбоангидра­зой:

СО₂ +Н₂О -> Н₂СО₃ -> Н⁺ + НСО₃

Острая гиперкапния вызывает повышение концентрации Н⁺-ионов в соотношении: на каждый мм рт. ст. прироста РСО₂ увеличение [Н⁺] на 0,75 нмоль/л.

Компенсаторные реакции организма, возникающие немедленно вслед за ростом концентрации Н⁺-ионов, состоят в связывании избытка водо­родных ионов протеинами, гемоглобином и фосфатной буферной систе­мой. Спустя несколько часов включаются почечные компенсаторные про­цессы — в канальцах почек активируется обмен Н⁺-ионов на Na⁺, повы­шается реабсорбция HCOJ, избыток Н⁺-ионов выводится с солями аммо­ния, прежде всего в виде NH₄Cl. Избыточное выведение хлорида аммония с мочой влечет за собой усиление потерь СГ и истощение его запасов в организме, что замедляет процессы почечной компенсации ацидоза и тре­бует экзогенного восполнения хлоридного аниона. Содержание НСО₃ в жидкостях внутренней среды в результате активации реабсорбции в поч­ках повышается, актуальный бикарбонат крови становится выше стан­дартного бикарбоната при неизмененном количестве буферных оснований крови и, если причина гиперкапнии устранена (например, при искусст­венной вентиляции легких), на смену дыхательному ацидозу в результате роста избытка буферных оснований может формироваться недыхательный «постгиперкапнический» алкалоз. Избыток Н⁺-ионов во внеклеточной среде приводит к поступлению в клетки не только Н⁺-ионов, но и ионов Na⁺, что вызывает выход из них ионов К⁺ и развитие гиперкалиемии. По­вышается и концентрация фосфатов в плазме. В то же время при компен­сации ацидоза накопление в плазме НСО3 снижает содержание калия в плазме крови, а «постгиперкапнический» алкалоз может вести к гипока­лиемии.

15.5.3. Недыхательный ацидоз

Ацидоз возникает при превышении образования в организме над возмож­ностями выведения из него нелетучих органических и неорганических ки­слот, при повышенной потере организмом оснований и относительном из­бытке кислот, а также при поступлении кислот в организм из внешней среды. Соответственно этому, выделяют четыре типа недыхательного аци­доза: 1) метаболический — возникающий при повышенном образовании нелетучих кислот в случаях шока, гипоксии, лихорадки, гипертиреоза, не­достаточности кровообращения, диабета, голодания и усиленной мышеч­ной работы; 2) выделительный — формирующийся в результате сниженного выделения нелетучих кислот почками (уремия, дистальный канальцевый ацидоз, пиелонефрит) или повышенных потерь HCOJ с содержимым ки­шечника (кишечные и желчные свищи, диарея); 3) экзогенный — прояв­ляющийся при введении в организм с лечебной целью нелетучих кислот (прием салицилатов, хлорида аммония, парентеральное вливание 0,1 моль/ л раствора хлористоводородной кислоты); 4) дилюционный — причиной ко­торого является разведение внеклеточной жидкости, ведущее к уменьше­нию концентрации НСО₃ (при быстрых и чрезмерных внутривенных вли­ваниях изотонического раствора хлорида натрия, в первой фазе действия осмотических диуретиков типа маннита).

Общие компенсаторные реакции организма при недыхательных типах ацидоза состоят в буферировании кровью избытка Н⁺-ионов, прежде всего бикарбонатной буферной системой, и выведении избытка освобождающе­гося из нее СО₂ через легкие. При ацидозе метаболического типа важней­шим компенсаторным механизмом является выделение почками избытка Н⁺. К числу компенсаторных реакций при недыхательном ацидозе (глав­ным образом, метаболического типа) также относятся: 1) активация сим­патоадреналовой системы, повышающая производительность сердца и вы­зывающая вазодилатацию за счет стимуляции в условиях ацидоза преиму­щественно бета-адренорецепторов сосудов; усиливающийся при этом тка­невый кровоток повышает доставку кислорода и уменьшает тканевый аци- догенез; 2) смещение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо, что облегчает отдачу кислорода тканям; 3) возбуждение дыхательного центра, приводящее к гипервентиляции, облегчающей выведение СО₂.

Наиболее распространенным метаболическим ацидозом у человека яв­ляется лактат-ацидоз. При физиологических условиях обмена углеводов во всех клетках и тканях организма образуется молочная кислота, посту­пающая во внеклеточную жидкость. Извлекается при этом лактат из крови в значительных количествах преимущественно печенью и корковым веще­ством почек, где основная его часть превращается в глюкозу, а остаток ме­таболизирует до СО₂ и воды. При гипоксии в тканях образуется больше лактата, чем может превратиться в пируват, и отношение лактат/пируват, в норме составляющее 10:1, возрастает, т. е. развивается избыток лактата в крови. К появлению избытка лактата и лактат-ацидозу ведет и чрезмерная активация симпатоадреналовой системы при стрессе, поскольку адреналин снижает поступление пирувата в цикл трикарбоновых кислот и, следова­тельно, повышает образование лактата. Кроме того, возникающая при симпатической стимуляции констрикция сосудов печени снижает утилиза­цию ею избытка лактата. Основными поставщиками лактата в плазму кро­ви являются эритроциты (до 25 % всего лактата) и активно работающие скелетные мышцы.

Таким образом, накопление лактата в крови является следствием изме­нения как его продукции, так и утилизации. Нормальное содержание лак­тата в плазме крови составляет около 1 ммоль/л, но лишь возрастание концентрации молочной кислоты свыше 4 ммоль/л является патологиче­ским и ведет к лактат-ацидозу.

Одним из компенсаторных процессов, реализуемых при этом на уровне образования лактата, является метаболическая ауторегуляция по механиз­му обратной связи: ацидоз подавляет активность ключевого фермента гли­колиза в эритроцитах фосфофруктокиназы, в результате скорость гликоли­за падает и образование молочной кислоты снижается.

15.5.4. Дыхательный алкалоз

Дыхательный алкалоз возникает как следствие гипервентиляции, в резуль­тате которой выведение СО₂ из крови превышает его образование в орга­низме. В крови при этом снижается РСО₂, т. е. возникает гипокапния и уменьшается концентрация водородных ионов.

Остро возникающий дыхательный алкалоз, как правило, в начальный период декомпенсирован, и pH может повышаться до критических преде­лов (7,6—7,8).

Компенсаторные реакции организма при дыхательном алкалозе начина­ются прежде всего в системе крови с буферирования сдвига pH, что осу­ществляется пополнением недостатка Н⁺ путем диссоциации протеинов и фосфатов, при этом содержание не гидрокарбонатных анионов возрастает. В эритроцитах при алкалозе увеличивается активность фосфофруктокина­зы, и образуются повышенные количества молочной кислоты, восполняю­щей низкую концентрацию Н⁺-ионов.

Почечная компенсация дыхательного алкалоза формируется медленно, в течение 2—4 сут. Она проявляется торможением в дистальных отделах нефрона обмена протонов на Na⁺, подавлением реабсорбции НСО₃ и сек­реции Н⁺. При этом повышается экскреция с мочой НСО7, в крови умень­шается избыток буферных оснований.

Сниженные концентрации СО₂ в плазме крови ведут к сужению внут- риорганных сосудов, гипоксии и активации гликолиза в клетках, что приводит к увеличению продукции ими молочной кислоты и компенса­ции алкалоза. Ослабление тонуса сосудодвигательного центра при недос­татке возбуждающих его Н⁺ и, как следствие, уменьшение симпатических эффектов на сосуды способствует артериальной гипотензии, снижению кровотока в тканях и активации образования в них молочной кислоты, а снижение почечного и печеночного кровотока ослабляет ее утилизацию из крови, способствуя тем самым восстановлению [Н⁺]. Кислородному голоданию тканей и, соответственно, росту образования в них лактата способствует и сдвиг при алкалозе кривой диссоциации оксигемоглобина влево, уменьшающий отдачу кислорода. В то же время в эритроцитах растет содержание 2,3-дифосфоглицерата, что ограничивает величину сдвига кривой влево и не позволяет резко снизиться диссоциации оксиге­моглобина.

Следствием алкалоза является изменение внутреннего баланса электро­литов: перемещение К⁺ из плазмы крови в клетки и гипокалиемия; выход Na⁺ из клеток в плазму крови и увеличение его экскреции с мочой; умень­шается в плазме крови и содержание фосфата.

15.5.5. Недыхательный алкалоз

Различают три основных типа недыхательного алкалоза: 1) выделительный (при избыточных потерях Н⁺-ионов в сочетании с потерями СГ или К⁺); 2) экзогенный или нагрузочный (при поступлении в организм НСОу или его предшественников); 3) контракционный (при уменьшении объема внекле­точной жидкости без соответствующего снижения концентрации НСО^).

Выделительный алкалоз может быть следствием: потери ионов Н⁺ и Cl- при частой рвоте; выведения Н⁺-ионов с мочой при подавлении реабсорб­ции ионов СГ в почках при назначении диуретиков-хлоруретиков; избыт­ка глюкокортикоидов; потери Н⁺-ионов в комбинации с ионами К⁺ при альдостеронизме; повышении секреции Н⁺-ионов канальцами почек; поте­ри Н⁺-ионов с калом.

Недыхательный, особенно выделительный, алкалоз сопровождается, как правило, гипокалиемией, причиной которой является перемещение калия из плазмы крови в клетки, а также общий дефицит калия в организме. Наиболее выражен дефицит калия при алкалозе, связанном с гиперкорти- цизмом. Обмен калия и Н⁺-ионов имеет положительную обратную связь: алкалоз усиливает гипокалиемию, но гипокалиемия усиливает недыхатель­ный алкалоз. Гипокалиемический алкалоз нередко бывает хлоррезистив- ным, т. е. введение экзогенного С1“ не устраняет алкалоз. Дефицит калия вызывает активацию канальцевой реабсорбции НСО₃ в почках, гипокалие­мия стимулирует продукцию NH₃ в почках и снижение реабсорбции СГ, вследствие чего при искусственной компенсации алкалоза введением в ор­ганизм кислых валентностей необходимым условием является восстановле­ние содержания калия.

Недыхательный алкалоз редко бывает компенсированным, чаще он суб- компенсирован, при этом pH > 7,45. Компенсаторные реакции состоят в буферировании слабыми кислотами негидрокарбонатных буферных сис­тем. Как и при дыхательном алкалозе, в этом случае увеличивается образо­вание молочной кислоты, прежде всего в эритроцитах, благодаря актива­ции гликолиза.

Компенсация недыхательного алкалоза со стороны легких заключается в уменьшении вентиляции, что связано со снижением возбудимости дыха­тельного центра в условиях уменьшения в плазме крови величины [Н⁺] и [СО₂]. Следствием гиповентиляции является повышение РСО₂ в плазме крови. Почечная компенсация недыхательного алкалоза осуществляется за счет усиленного выведения НСО7 и падения экскреции титруемых кислот.

Контракционный алкалоз усиливается за счет изменений функции по­чек, так как уменьшение при нем объема внеклеточной жидкости ведет к снижению почечной экскреции НСО₃ и увеличивает выраженность алка­лоза. Таким образом, искусственная компенсация контракционного алка­лоза достигается уже при восполнении дефицита внеклеточного объема вводимой жидкостью, что не только снижает концентрацию HCOj в кро­ви, но и усиливает экскрецию бикарбоната почками, способствуя тем са­мым устранению алкалоза. Однако для более эффективного устранения контракционного алкалоза необходимо искусственно восполнять имею­щийся в организме дефицит С Г.

15.5.6. Общие закономерности компенсации нарушений кислотно­основного состояния

Как правило, компенсация изменений кислотно-основного состояния в организме человека является вторичным физиологическим процессом в ответ на первичное нарушение одной из систем поддержания pH. При этом отклонение pH восстанавливается благодаря компенсаторным реак­циям ненарушенных систем регуляции pH.

Основные компенсаторные реакции у человека:

• реакция буферных систем внеклеточной жидкости и перемещение Н⁺-ионов через клеточные мембраны в направлении, нормализую­щем сдвиги pH крови;

• дыхательная компенсация, вызванная изменениями pH крови и влия­нием Н⁺-ионов на дыхательный центр, что в результате увеличения или уменьшения альвеолярной вентиляции меняет РСО₂ в альвеоляр­ном воздухе и артериальной крови и таким образом противодействует сдвигам pH. При этом повышение РаСО₂, является потенциальной причиной роста [Н⁺], так как реакция с участием карбангидразы: СО₂ + Н₂О -> Н₂СО₃ -> Н⁺ + НСО; ведет к росту [Н⁺]. Эта дыхатель­ная компенсация первичного накопления либо дефицита некарбоно­вых кислот или оснований, как правило, не восстанавливает pH кро­ви до нормы;

• компенсация костной тканью: бикарбонатный ион при ацидозе осво­бождается из кости для нейтрализации некарбоновых кислот крови, а Н⁺ связывается костной тканью;

• почечная компенсация путем увеличения экскреции некарбоновых ки­слот или оснований при дыхательных ацидозах или алкалозах, веду­щих к изменениям РСО₂ в плазме крови, уменьшения или увеличе­ния выведения Н⁺ и НСОу из организма.

Репродуктивная функция человека

Отличительной особенностью репродуктивной функции человека от дру­гих физиологических функций организма является то, что ее нормальное функционирование проводит к слиянию половых клеток мужского и жен­ского организмов в процессе половой репродукции. Ооциты и спермато­зоиды называются женскими и мужскими половыми клетками, или гаме­тами, Мужские и женские гаметы в зрелой форме содержат гаплоидное число хромосом, т. е. половину нормального числа. Гаплоидное число хро­мосом в гаметах формируется в процессе сперматогенеза и оогенеза (рис. 16.1). В мужском организме мейотическое деление сперматогенных клеток происходит постоянно на протяжении всей жизни после начала пе­риода полового созревания (пубертатный период). Напротив, в ооците гап­лоидное число хромосом образуется непосредственно перед овуляцией яй­цеклетки из фолликула. В результате способности ооцита и сперматозоида

Рис. 16.1. Схема сперматогенеза и оогенеза.

Первичные сперматоциты образуются путем митоза из сперматогоний и содержат диплоидное число хромосом. В результате первого мейотического деления образуются сперматоциты, со­держащие гаплоидное число двухроматидных хромосом (22 единичные соматические хромосо­мы и одна половая — X или Y). После второго мейотического деления образуются спермати­ды, содержащие гаплоидный набор монохроматидных хромосом. Оогенез начинается со ста­дии первичного ооцита, содержащего диплоидное число хромосом. Первичный ооцит путем первого мейотического деления превращается во вторичный ооцит, содержащий гаплоидное число двухроматидных хромосом (22 единичные соматические хросомы и одна половая Х-хро- мосома). В процессе оплодотворения ооцита сперматозоидом образуется зигота, содержащая 22 пары соматических хромосом и одну пару половых (XX или XY). Таким образом, в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом.

соединяться друг с другом во время оплодотворения в женском половом тракте происходит образование зиготы. Этот процесс называется фертили- зацией. В зиготе содержится диплоидное число хромосом, как в любой со­матической клетке организма человека и животных. Две хромосомы из ди­плоидного числа в зиготе, а именно половые X- и Y-хромосомы, обуслов­ливают мужской или женский пол будущей особи в новом поколении. Женская половая клетка содержит только Х-хромосомы, а мужская — X- и Y-хромосомы. Хромосомы заключаю? в себе гены, которые передают гене­тические особенности одного поколения другому.

Способность человека как вида передавать одну половину генетической информации будущего поколения от отца к матери обеспечивается физио­логическими особенностями репродуктивной функции мужского организ­ма. Репродуктивная функция женского организма обеспечивает процесс фертилизации, внутриутробное развитие плода, рождение ребенка и его вскармливание грудным молоком.