Нарушение кислото-основного состояния

10.08.2016
Кислотно-основное состояние (кислотно-щелочное равновесие) — поддержание концентрации ионов водорода (протонов, H+) в биологических жидкостях на очень низком уровне и в очень узких пределах колебаний.

В норме концентрация ионов водорода (H+) во внеклеточной жидкости составляет 40 нэкв/л, что соответствует pH 7,4. Такая концентрация H+ в 100 тыс. раз меньше, чем концентрация K+, и в 1 млн раз меньше, чем концентрация Na+. Нормальные колебания pH от 7,35 до 7,45 соответствуют изменениям концентрации H+ только на 10 нэкв/л, а изменение pH в пределах от 7,0 до 7,8, совместимое с жизнью, — на 86 нэкв/л. Это связано с тем, что ионы водорода имеют очень высокую биологическую активность. Нарушение КОС, т. е. сдвиг pH за границы нормы, обусловливает изменения активности ферментов, проницаемости мембран, чувствительности рецепторов, активности БАВ, секреции гормонов, состояния коллоидов, нервно-мышечной возбудимости, нарушение синтеза АТФ и т. п.

Tем временем в процессе метаболизма жиров, белков и углеводов ежесуточно образуется 15 000—20 000 ммоль углекислого газа. Частично растворяясь в воде, он превращается в углекислоту. Кроме того, в реакциях промежуточного обмена при нормальных условиях за сутки в организме человека образуется приблизительно 50—100 мэкв нелетучих кислот, из которых 1/3 составляет сульфатная (серная) кислота, синтезируемая в процессе метаболизма метионина и цистеина, 1/3 — молочная кислота, ацетоацетат и β-гидроксибутират, образующиеся в случае неполного окисления углеводов и жиров. Еще 1/3 нелетучих кислот является результатом обмена фосфолипидов, фосфопротеидов и солей с метаболизирующимися органическими катионами. Количество образующихся кислот зависит от содержания белка в пище и резко уменьшается при соблюдении молочно-растительной диеты. Значительная активация выработки органических кислот происходит при гипоксии, голодании и сахарном диабете.

Механизмы поддержания постоянства КОС. В норме pH межклеточной жидкости и крови составляет 7,4, цитоплазмы — 7,0-7,2, активированных лизосом — 5,0-5,5. При этом pH дистиллированной воды при температуре 37 °С составляет 6,8. Следовательно, pH внеклеточной жидкости имеет более щелочную реакцию, чем вода, которая является универсальным биологическим растворителем. Наличие градиента концентрации ионов водорода между различными компартментами (водными секторами) организма и их строгое поддержание в очень узких пределах необходимы, с одной стороны, в связи с тем, что физиологические реакции могут происходить только при определенных значениях pH, с другой — они обеспечиваются соответствующими физико-химическими (работа буферов и ионообмен) и физиологическими (функционирование легких и почек) механизмами.

Главный физико-химический механизм поддержания постоянства pH — буферные системы, которые представляют собой смесь слабых кислот с их солями, образованными сильными основаниями. После добавления в буферный раствор сильной кислоты большинство ионов водорода связываются с сопряженным основанием, образуя нейтральную соль и слабую кислоту, которая не диссоциирует. Это уменьшает количество свободных ионов водорода и предотвращает сдвиг pH, как, например, в такой реакции:

HCl + NaHCO3 = H2CO3 + NaCl.


Если принять всю буферную емкость крови за 100 %, то гидрокарбонатный (бикарбонатный) буфер составляет 53 %, из которых гидрокарбонат плазмы — 35 %, а эритроцитов — 18 %; 35 % представляет емкость гемоглобинового буфера, 7 % — белкового буфера плазмы, 3 % — органических фосфатов эритроцитов, 2 % — неорганических фосфатов плазмы и эритроцитов.

Итак, важнейшим буфером крови является гидрокарбонатный буфер. В межклеточной жидкости, объем которой в 3 раза превышает объем крови, буферная емкость почти исключительно определяется гидрокарбонатным буфером. Кроме того, уникальным свойством этого буфера является его открытый характер. Это видно из уравнения Гендерсона—Гассельбалха:
Нарушение кислото-основного состояния

Поскольку H2CO3 образуется в процессе гидратации растворенного CO2, а концентрация последнего равняется рСО2, умноженному на коэффициент растворимости (0,03 ммоль/л на 1 мм рт. ст.), то уравнение будет иметь следующий вид:
Нарушение кислото-основного состояния

Напряжение углекислого газа в артериальной крови человека находится в равновесии с парциальным его давлением в альвеолярном воздухе — приблизительно 40 мм рт. ст. при температуре 37 °С. Таким образом, количество углекислого газа, растворенного в плазме крови, а следовательно, и концентрация H2CO3 равны:

[СО2]раствор. = 0,03 * рСО2 = 0,03 * 40 = 1,2 ммоль/л.


За счет того, что легкие, выводя углекислый газ (респираторный компонент буфера), поддерживают концентрацию растворенного углекислого газа, а следовательно, и H2CO3 на постоянном уровне, можно легко рассчитать концентрацию гидрокарбоната во внеклеточной жидкости, необходимую для поддержания нормального pH.
Нарушение кислото-основного состояния

Итак, эффективность работы гидрокарбонатного буфера по поддержанию pH на нормальном уровне зависит от сохранения соотношения [гидрокарбонат]/[СО2]раствор в пределах, близких к 20. Резервные же возможности этого буфера при нормальном рСО2 будут наибольшими при концентрации гидрокарбоната в плазме крови около 24 мэкв/л. Постоянство респираторного компонента данного буфера зависит от функционирования легких и дыхательного центра, метаболического — определяется деятельностью почек. Открытый характер и быстрая регенерация гидрокарбонатного буфера обеспечивают нейтрализацию подавляющего большинства кислот и оснований, образующихся в организме человека.