Як бікарбонатний буфер регулює pH крові

Буферні системи

Буферні системи - це такі хімічні системи, pH яких не змінюється (точніше, мало змінюється) при додаванні деякої кількості кислот або основ.

Компонентами буферних систем є будь-які речовини, здатні порівняно міцно, але обернемо зв'язувати протони:

Якщо до розчину такої речовини додати сильну (тобто легко дисоціюючу з утворенням протонів) кислоту, то рівновага зміститься у бік HБ:

в результаті протони будуть пов'язані, і pH (показник концентрації вільних протонів!) не зміниться.

Якщо до розчину такої речовини додати основу (дисоціюючу з утворенням гідроксилу OH-), то рівновага, навпаки, зміститься у бік H+ + Б-:

в результаті протони вивільняються, нейтралізують іони гідроксилу:

і pH також не зміниться.

Найчастіше буферними речовинами є аніони слабких кислот, тобто погано дисоціюючих кислот, у яких протони пов'язані міцно, хоч і оборотно. Буферні системи, як правило, складаються із слабкої кислоти та її солі з сильною основою (тобто її аніону у складі легко дисоціюючої речовини):

при додаванні до такої системи кислоти аніон солі пов'язує протони;

при додаванні до такої системи основи кислота вивільняє протони.

Кількісно буферна система характеризується буферною ємністю. Цей показник відбиває, скільки кислоти чи лугу треба додати до буферної системі, щоб pH розчину змінився на 1.

pH буферної системи визначається співвідношенням буферних компонентів (кислоти та солі). Якщо це співвідношення не змінюється (наприклад, обидва компоненти зростають однаковою мірою), то не змінюється і pH буферної системи.

В організмі існують чотири буферні системи:

гемоглобіновий буфер (що є, зрозуміло, частиною білкового буфера, але виділяється окремо у зв'язку з особливою локалізацією - всередині еритроцитів - і особливою функцією див. нижче, розд. "Гемоглобіновий буфер").

Бікарбонатний буфер

Цей буфер утворений вугільною кислотою та її натрієвою сіллю (Na+ - головний позаклітинний катіон), тобто бікарбонатом натрію: H2CO3 + NaHCO3.

При додаванні до бікарбонатного буфера кислоти протони зв'язуються з бікарбонатом:

в результаті замість сильної кислоти утворюється слабка (погано дисоціююча) вугільна кислота, і pH змінюється мало.

При додаванні до бікарбонатного буфера основи протони вивільняються вугільною кислотою та нейтралізують гідроксил:

OH- + H2CO3® OH- + H+ + HCO3-® H2O + HCO3-,(7)

в результаті замість основи утворюється сіль, pH також змінюється мало.

Бікарбонатний буфер - не найпотужніший буфер організму, за буферною ємністю він суттєво поступається, зокрема, гемоглобіновому. Однак він грає найбільшу фізіологічну роль у зв'язку з такими моментами:

це головний буфер плазми (фосфатний, білковий та гемоглобіновий - це переважно внутрішньоклітинні буфери, а фосфатний буфер - ще й важливий буфер сечі);

вміст обох його компонентів - вугільної кислоти та бікарбонату - безпосередньо регулюється системами виділення: нирки виводять бікарбонат, а легені - вуглекислий газ, що утворюється при розпаді вугільної кислоти (див. нижче).

Цей буфер утворений одно- та двозаміщеною солями фосфорної кислоти:

При додаванні до фосфатного буфера кислоти протони зв'язуються з однозаміщеною сіллю:

При додаванні до фосфатного буфера основи протони вивільняються двозаміщеною сіллю і нейтралізують гідроксил:

OH- + H2PO4- = OH- + H+ + HPO42- = H2O + HPO42-.(9)

Фосфатний буфер виконує такі функції:

це найважливіший буфер сечі;

це один із внутрішньоклітинних буферів.

У плазмі його роль невелика.

Буферні властивості білків обумовлені наявністю в амінокислот груп, здатних оборотно зв'язувати протони.

Гемоглобіновий буфер

Буферні властивості гемоглобіну обумовлені його білковою частиною (глобіном), в якій, як і в інших білках, є групи, здатні оборотно зв'язувати протони.

це найпотужніший буфер організму;

це єдиний буфер еритроцитів;

його буферна ємність залежить від того, якою мірою гемоглобін насичений киснем.

Видільні системи

Навіть у нормі організм постійно піддається впливам, які прагнуть порушити кислотно-лужну рівновагу.

У процесі метаболізму виробляються кислі речовини, насамперед - CO2, але й інші, нелеткі кислоти (див. нижче, розд. «Підтримання pH у нормі і за патології»).

всмоктуються кислі та лужні речовини (компоненти їжі, лікарські засоби та ін.);

секретуються у просвіт шлунка та кишечника кислі (соляна кислота у шлунку) та лужні (бікарбонати в кишечнику) речовини (гл. 12); при секреції соляної кислоти в крові залишаються лужні речовини, при секреції бікарбонатів – кислі.

Буферні системи що неспроможні виводити всі ці речовини з організму; вони можуть лише тимчасово згладжувати викликані цими речовинами зміни pH.У той же час кислі та лужні речовини повинні швидко виводитися в такій кількості, в якій вони надходять у кров. Цю функцію виконують видільні системи - легені та нирки:

легені виводять леткі речовини, насамперед - CO2;

нирки виводять нелеткі речовини, насамперед, як побачимо нижче - бікарбонат.

Буферні системи крові

Постійність концентрації водневих іонів одна із властивостей крові, що необхідне нормального існування організму. У ході метаболізму постійно відбувається утворення кислих і лужних еквівалентів, регулюючі механізми призводять до того, що для різних тканин характерні свої значення pH, наприклад, для клітин простати – 4,5, для остеобластів – 8,5. У крові коливання концентрації водневих іонів дуже невеликі, не більше 7,36-7,48; межі відхилення pH від норми, сумісні з життям, від 7,0 при ацидозі та до 7,8 при алкалозі.

Регуляція кислотно-лужної рівноваги здійснюється буферними системами крові та фізіологічними механізмами. До останніх відносяться: легенева вентиляція (видалення Н₂СО₃), видільна функція нирок (видалення кислих фосфатів та солей амонію), шкіри, травного тракту та печінки. Мінеральні компоненти скелета регулюють кислотно-лужну рівновагу шляхом обміну Н+ крові на іони Сa2+ та Na+ кісткової тканини. Буферні системи крові ліквідують зсув pH протягом 30 с, легким необхідно 1-3 хв, а ниркам - 10-20 годин.

Білки плазми відіграють роль буфера завдяки своїм амфотерним властивостям. У кислому середовищі пригнічується дисоціація СООН-груп, а групи NH₂ пов'язують надлишок Н+, при цьому білок заряджається позитивно.У лужному середовищі посилюється дисоціація карбоксильних груп, Н +, що утворюються, зв'язують надлишок ОН – ‑іонів і pH зберігається, білки виступають як кислоти і заряджаються негативно.

Найбільшу потужність має гемоглобіновий буфер, що складається з вільного гемоглобіну (Hb), відновленого гемоглобіну (H-Hb), калієвої солі гемоглобіну (K-Hb), карбгемоглобіну (Н-НbСО₂) та оксигемоглобіну (К-НbО₂). На нього припадає до 3/4 усієї буферної ємності крові. Зміни кислотності гемоглобіну в тканинах і легенях при зв'язуванні відповідно H + або О₂ обумовлені конформаційними перебудовами глобінової частини молекули. В основі буферних властивостей гемоглобіну лежить наступна особливість: відновлений гемоглобін є слабшою, а оксигемоглобін сильнішою кислотою порівняно з вугільною. Іншими словами, коли в середовищі накопичується вугільна кислота, її протон приєднується до вільного гемоглобіну і утворюється відновлений. При видаленні Н₂СО₃ (капіляри легень) протон у середу надходить від оксигемоглобіну.

Процеси, що відбуваються у тканинах

Що виділяється при клітинному диханні CO₂ у оборотній реакції під дією карбангідрази еритроцитів перетворюється на вугільну кислоту, дисоціює на H+ та HCO₃ – і зміщує pH крові у тканинних капілярах у кислу сторону:

Збільшення концентрації протонів водню сприяє відщепленню₂ від оксигемоглобіну (К-НbО₂) і утворюється калієва сіль гемоглобіну.
Паралельно кислі сполуки взаємодіють із калієвою сіллю гемоглобіну (K-Hb). При цьому утворюється відповідна калійна сіль кислоти та вільний гемоглобін.Вільний гемоглобін, володіючи лужними властивостями, пов'язує протони водню і утворюється відновлений гемоглобін, який згодом перетворюється на карбгемоглобін (H‑HbCO₂).
Таким чином, при дисоціації оксигемоглобіну відбувається збільшення кількості основ, вони приєднують іони Н + і це перешкоджає закисленню крові.

Процеси, що відбуваються в легеневих капілярах

Перехід вуглекислого газу з крові в альвеолярне повітря веде до зниження напруги₂ у плазмі. Відбувається відщеплення СО₂ від карбгемоглобіну з утворенням Н-Нb, приєднання кисню, створення Н-НbО₂ та його дисоціація на Н+ та НbО₂. Далі іон Н+ використовується для синтезу вугільної кислоти та ліквідує залужування крові, а НbО₂ приєднує іон К+.
Паралельно зниження напруги₂ у плазмі зміщує рівновагу карбангідразної реакції у бік утворення СО₂ та Н₂Про з вугільної кислоти, яка синтезується з КHCO₃ та H + . Отже, бікарбонат-іони та протони водню із середовища зникають.

Таким чином, утворення оксигемоглобіну збільшує ступінь дисоціації кислотних груп його білкової частини, іони водню, що вивільняються, нейтралізують HCO₃ – з утворенням вугільної кислоти та виділенням СО₂. Разом з цим, дисоціація протону від оксигемоглобіну перешкоджає залуженню крові.

Завдяки поєднанню хімічних процесів з актом дихання наступним за важливістю є бікарбонатний буфер. При надходженні в кров сильнішої кислоти, ніж вугільна, іони бікарбонату натрію взаємодіють з нею, відбувається реакція обміну та утворюється відповідна сіль та вугільна кислота. Вугільна кислота є дуже слабкою кислотою, отже, концентрація водневих іонів знижується.Разом з тим, завдяки присутності в еритроцитах ферменту карбангідрази, вона швидко розщеплюється з утворенням CO₂, що видаляється з повітрям, що видихається, і H₂O. Крім еритроцитів, значна активність карбангідрази відзначена в нирках та печінці. У разі надходження лужних речовин вони реагують із вугільною кислотою та утворюють бікарбонати. Дефіцит вугільної кислоти, що виникає при цьому, негайно компенсується зменшенням виділення CO₂ легкими.

Стан бікарбонатного буфера оцінюється, виходячи з рівняння реакції:

Вуглекислота знаходиться в рівновазі з розчиненою в крові діоксидом вуглецю та іонами, на які вона дисоціює, при цьому кількість H₂CO₃ у двадцять разів менше кількості іона HCO₃ - . У клініці показником реакції є:

стандартні бікарбонати (СБ) - концентрація HCO₃ – у плазмі за стандартних умов: повне насичення киснем крові, врівноваженої при 38°С з газовою сумішшю, в якій pCO₂ одно 40 мм рт.ст.
актуальні бікарбонати (АБ) - концентрація HCO₃ – у крові при 38°С та реальних значеннях pH та pCO₂.
CO ₂ ‑зв'язуюча здатність крові — відбиває концентрацію бікарбонатів у плазмі. Визначається газометрично і нині у зв'язку з розвитком електрохімічних методів немає.
лужний запас - відображає концентрацію лужних сполук у цільній крові, визначається титрометрично, відноситься до застарілих методів.
парціальний тиск вуглекислого газу (pCO₂) - тиск СО₂ в газі, що знаходиться в рівновазі з артеріальною плазмою крові при температурі 38°С. Відображає концентрацію вуглекислоти в крові, яка залежить від вентиляції легень та дифузії СО₂ у повітря альвеол. Змінюється при порушенні дихання та доставці вуглекислоти до легень.

Розмір парціального тиску залежить від суми концентрацій у крові CO₂ та H₂CO₃ згідно з рівнянням:

[CO₂ + H₂CO₃] = a × pСО₂ ,
де a - коефіцієнт абсорбції Бунзена, a = 0,0301

Фосфатна буферна система утворена дигідрофосфатом (NaH₂PO₄) та гідрофосфатом (Na₂HPO₄) натрію. Перша сполука слабо дисоціює і веде себе як слабка кислота, друга має лужні властивості. При взаємодії іонів водню (у тому числі і вугільної кислоти) із двозаміщеним фосфатом натрію (Na₂HPO₄) утворюється нейтральна сіль та NaH₂PO₄. Таким чином, завдяки зв'язуванню введеної в систему кислоти концентрація іонів водню значно знижується. При надходженні в кров підстав надлишок ОН – ‑груп нейтралізується кислотними Н + , а витрата іонів Н + заповнюється підвищенням дисоціації NaH₂PO₄. Основне значення фосфатний буфер має для регуляції pH інтерстиціальної рідини та сечі. У сечі роль його полягає у заощадженні бікарбонату натрію, а також бікарбонатів інших катіонів - калію, магнію, кальцію, за рахунок додаткового іону водню (порівняно з NaHCO₃) у складі виведеного NaH₂PO₄ :