Биологическая роль буферных систем

Буферные системы крови

Нормальное значение рН крови составляет 7,40 ± 0,05. Это означает, что значения активной кислотности а(Н⁺) должны находиться в интервале от 3,7×10^-8 до 4,0×10^-8 моль/л. Присутствующие в крови электролиты (НСО₃^–, Н₂СО₃, Н₂РО₄^–, НРО₄^2–, белки, аминокислоты) диссоциируют в такой степени, что активность а(Н⁺) находится в рамках приведенного выше диапазона.

Однако в ряде физиологических процессов в кровь поступают вещества в количествах, достаточных для того, чтобы вызвать заметные отклонения рН крови от нормы. Наиболее сложной и часто встречаемой причиной нарушения кислотно-основного равновесия крови является ацидоз. Различают две формы ацидоза: газовую и метаболическую.

Газовая форма ацидоза обычно бывает вызвана увеличением в парциального давления СО₂ в плазме крови. Метаболическая форма ацидоза отражает такое состояние, когда кислые метаболиты уже проникли в ткани и вызвали стойкую гипоксию (снижение содер-жания О₂). Способы подавления этих форм ацидоза в плазме и клетках крови различны, поэтому целесообразно рассмотреть про-цессы, протекающие в этих составляющих крови, отдельно.

Плазма крови

Кислотно-основное равновесие в плазме крови человека в основном обеспечивается гидрокарбонатной, фосфатной, белковой и аминокислотной буферными системами.

1. Гидрокарбонатная буферная система.

В плазме крови наиболее важной буферной системой в поддер-жании постоянства рН является гидрокарбонатная Н₂СО₃/НСО₃^-. Особенность этой буферной системы заключается в том, что один из ее компонентов - угольная кислота Н₂СО₃ - образуется при взаимо-действии растворенного в воде СО₂ с водой:

CO_2(р-р) + H₂O ? Н₂СО₃

Концентрация растворенного СО₂ определяется равновесием:

CO_2(р-р) ? CO_2(газ),

которое описывается законом Генри:

,

(10)

где S - постоянная Генри [моль/(л?давление)];

P - парциальное давление CO₂, [атм; Па; мм рт. ст.].

Таким образом, в плазме крови устанавливается равновесие:

CO₂ + H₂O ? Н₂СО₃ ? H⁺ + НСО₃^-

Диссоциация угольной кислоты по первой ступени описывается уравнением:

В стандартных условиях , соответственно .

Учитывая довольно низкую растворимость CO₂ в воде [S = 0,033 ммоль/(л?мм рт. ст.)], в физиологических условиях весь CO₂, растворенный в плазме крови, рассматривают как гидратиро-ванный до Н₂СО₃, поэтому выражение для имеет вид:

Отсюда .

Так как концентрация Н₂СО₃ в гидрокарбонатной буферной си-стеме зависит от парциального давления СО₂ в газовой фазе, значение рН гидрокарбонатного буфера в конечном счете определяется кон-центрацией ионов НСО₃^- в растворе и парциальным давлением СО₂:

.

(11)

Гидрокарбонатная буферная система действует как эффективный физиологический буфер вблизи рН = 7,4. В этих условиях отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной системе составляет:

Таким образом, в плазме крови в норме отношение концентраций компонентов в системе сопряженного основания НСО₃^- и угольной кислоты Н₂СО₃ составляет примерно 20:1. Вследствие того, что концентрация NaHCO₃ в крови значительно превышает концен-трацию Н₂СО₃, буферная емкость этой системы по кислоте (40 ммоль/л плазмы крови) значительно выше, чем по щелочи (1-2 ммоль/л плазмы крови).

В норме парциальное давление СО₂ в крови составляет 5,3 кПа (40 мм. рт. ст.) и содержание СО₂ в плазме не достигает максималь-ной величины, определяемой растворимостью газа. Поэтому избыток СО₂ в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО₂ в крови, что в соответствии с уравнением (11) может сопровождаться снижением рН крови и вызывать газовую форму ацидоза:

Между СО₂ в альвеолах и гидрокарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается равновесие:

При поступлении в кровь, протекающую через сосуды тканей, кислот - доноров Н⁺ - равновесие «3» в соответствии с принципом Ле Шателье смещается в сторону образования молекул Н₂СО₃. При этом концентрация Н₂СО₃ повышается, а концентрация ионов НСО₃^- соответственно понижается. В свою очередь, повышение концентра-ции Н₂СО₃ приводит к смещению равновесия «2» в сторону образования СО₂ при разложении Н₂СО₃, т.е. к увеличению концен-трации растворенного в плазме СО₂. В результате равновесие «1» смещается в сторону образования газообразного СО₂, что приводит к повышению давления СО₂ в легких и выведению последнего за счет изменения объема легочной вентиляции.

При поступлении в кровь оснований - акцепторов Н⁺ - сдвиг рав-новесий происходит в обратной последовательности: равновесие «3» смещается в сторону усиления диссоциации Н₂СО₃, т.е. уменьшения ее концентрации, что в свою очередь смещает равновесие «2», а затем и равновесие «1» вправо и сопровождается растворением в плазме крови дополнительного количества СО_2(газ), содержащегося в легких.

В результате рассмотренных процессов гидрокарбонатная систе-ма крови быстро приходит в равновесие с СО₂ в альвеолах и эффекти-вно обеспечивает поддержание постоянства рН плазмы крови.

Гидрокарбонатная буферная система крови способна компенси-ровать и не только газовую, но и другие формы ацидоза, возникаю-щие в процессах жизнедеятельности организма. Так, избыток молоч-ной кислоты HLac, образующийся в результате интенсивной физичес-кой нагрузки, также нейтрализуется ионом НСО₃^-:

HCO₃^- + HLac ? Lac^- + H₂CO₃ ? H₂O + CO_2(p-p) ? СО_2(газ)

Гидрокарбонатная буферная система, обеспечивая около 55% всей буферной емкости крови, является основной буферной системой плазмы крови и содержится также в эритроцитах, интерстициальной жидкости, почечной ткани.

2. Фосфатная буферная система.

В поддержании постоянства рН плазмы принимает участие и фосфатная буферная система, состоящая из слабой кислоты Н₂РО₄^- и сопряженного основания НРО₄^2-. Фосфатная буферная система спо-собна поддерживать постоянство рН в интервале 6,2-8,2 и обеспечи-вает значительную долю буферной емкости крови.

Для фосфатной буферной системы уравнение Гендерсона-Гассельбаха выглядит так:

.

Подставив физиологическое значение и значение рН крови в норме, равное 7,4, получим:

.

Отсюда:

Таким образом, соотношение концентраций Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄ в фосфатной буферной системе крови приблизительно равно 4, поэтому фосфатная буферная система имеет более высокую емкость по кислоте, чем по щелочи и более эффективно нейтрализует кислые метаболиты плазмы крови, например молочную кислоту и продукты переработки мясной пищи:

НРО₄^2- + HLac ? Н₂РО₄^- + Lac^-

Образующееся в результате нейтрализации избыточное количест-во дигидрофосфат-иона H₂PO₄^- выводится почками.

Однако, в отличие от гидрокарбонатной буферной системы, различия буферной емкости фосфатной системы по кислоте и по щелочи не столь существенны. Эти величины составляют: = 1-2 ммоль/л, = 0,5 ммоль/л.

Фосфатная буферная система менее мощная, чем гидрокарбонат-ная, что объясняется малым содержанием фосфатов в плазме крови. Фосфатная буферная система содержится также в тканях, особенно в почках, и внутри клеток, например, в эритроцитах.

3. Белковая буферная система.

Белковая буферная система представляет собой совокупность альбуминов и глобулинов - белков, составляющих основную часть плазмы крови (~90%).

Изоэлектрические точки этих белков лежат в интервале значений рН = 4,9-6,3, т. е., в слабокислой среде. Поэтому в физиологических условиях (при рН = 7,4) белки находятся преимущественно в формах «белок-основание» и соль «белка-основания».

Соответствующее кислотно-основное равновесие:

смещено в сторону преобладания формы «белок-основание».

Буферная емкость, определяемая белками плазмы, зависит от концентрации белков, их вторичной и третичной структуры и числа свободных протонакцепторных групп. Эта система может нейтрали-зовать как кислые, так и основные продукты. Однако вследствие преобладания формы «белок-основание», ее буферная емкость значи-тельно выше по кислоте и составляет: для альбуминов = 10 ммоль/л, а для глобулинов = 3 ммоль/л.

4. Аминокислотная буферная система.

Буферная емкость свободных аминокислот плазмы крови незначительна как по кислоте, так и по щелочи. Это связано с тем, что почти все аминокислоты имеют значения , заметно отличающиеся от 7,4. Поэтому при физиологическом значении рН = 7,4 их мощность мала. Практически только одна аминокислота - гистидин ( = 6,0) - обладает значительным буферным действием при значениях рН, близких к рН плазмы крови.

Таким образом, мощность буферных систем плазмы крови уменьшается в ряду:

гидрокарбонатная > белковая > фосфатная > аминокислотная

Эритроциты

Во внутренней среде эритроцитов норме соответствует рН = 7,25. Здесь также действуют гидрокарбонатная и фосфатная буферные системы. Однако их мощность отличается от таковой в плазме крови. Кроме того, в эритроцитах большую роль играет белковая система гемоглобин-оксигемоглобин, на долю которой приходится около 75% всей буферной емкости крови.

Гемоглобин является слабой кислотой ( = 8,2) и диссоци-ирует по уравнению:

HHb ? H⁺ + Hb^-

При физиологическом значении рН = 7,25 этот описывается уравнением Гендерсона-Гассельбаха:

,

из которого видно, что:

.

Таким образом, при рН = 7,25 кислота HHb диссоциирована только на 10% и концентрация солевой формы гемоглобина (Hb^-) значительно меньше, чем концентрация кислоты (HHb).

Система HHb/Hb^- может активно нейтрализовать кислые и основные продукты метаболизма, однако обладает более высокой емкостью по щелочи, чем по кислоте.

В легких гемоглобин реагирует с кислородом. При этом образуется оксигемоглобин HHbО₂:

HHb + O₂ ? HHbО₂,

который переносится артериальной кровью в капиллярные сосуды, откуда кислород попадает в ткани.

Оксигемоглобин - слабая кислота ( = 6,95), но существенно более сильная, чем гемоглобин ( = 8,2). При физиологическом значении рН = 7,25 кислотно-основному равновесию:

HHbО₂ ? H⁺ + HbО₂^-

соответствует уравнение Гендерсона-Гассельбаха:

.

Отсюда можно заключить, что С(HbО₂^-)/С(HHbО₂) = 2:1 и доля продиссоциировавших молекул HHbО₂ составляет примерно 65%.

При добавлении кислот нейтрализовать ионы H⁺ в первую очередь будут анионы гемоглобина Hb^-:

Hb^- + H⁺ ? HHb,

так как они имеют большее сродство к протону, чем ионы HbO₂^-.

При действии оснований в первую очередь будет реагировать более сильная кислота оксигемоглобин HHbO₂:

HHbO₂ + OH^- ? HbO₂^- + H₂O,

однако и кислота гемоглобин также будет участвовать в нейтрализации поступающих в кровь ионов OH^-:

HHb + OH^- ? Hb^- + H₂O.

Система гемоглобин-оксигемоглобин играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них метаболического СО₂), так и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом.

В организме человека все буферные системы взаимосвязаны. Так, в эритроцитах гемоглобин-оксигемоглобиновая буферная система тесно связана с гидрокарбонатной буферной системой. Поскольку внутри эритроцитов рН равен 7,25, то соотношение концентраций соли (НСО₃^-) и кислоты Н₂СО₃ здесь несколько меньше, чем в плазме крови. Действительно, из уравнения Гендерсона-Гассельбаха следует, что в эритроцитах C(НСО₃^-)/С(Н₂СО₃) = 14:1. Тем не менее, несмотря на то, что буферная емкость этой системы по кислоте внутри эритроцитов несколько меньше, чем в плазме, она эффективно поддерживает постоянство рН.

Фосфатная буферная система играет в клетках крови гораздо более важную роль, чем в плазме крови. Прежде всего это связано с тем, что в эритроцитах содержится большое количество неорганичес-ких фосфатов, главным образом, KH₂PO₄ и K₂HPO₄. Кроме того, большую роль в поддержании постоянства рН имеют эфиры фосфорных кислот - главным образом, фосфолипиды, составляющие основу мембран эритроцитов.

Фосфолипиды являются относительно слабыми кислотами. Значения фосфатных групп находятся в пределах от 6,8 до 7,2. Следовательно, при физиологическом значении рН = 7,25 фосфоли-пиды мембран эритроцитов находятся как в виде неионизированных, так и в виде ионизированных форм, т.е. в виде слабой кислоты и ее соли. При этом соотношение концентраций соли и кислоты приблизительно составляет (1,5-4):1. Таким образом, сама мембрана эритроцитов обладает буферным действием и поддерживает посто-янство рН внутренней среды эритроцитов.

В случаях, когда буферная и выделительная защита организма исчерпывает свои возможности и развивается тяжелая форма ацидоза (алкалоза), прибегают к медикаментозному подавлению этих наруше-ний. Так, при газовой форме ацидоза внутривенно вводят препараты основного характера, представляющие собой соли слабых кислот: 4%-й раствор NaHCO₃, раствор натриевой соли лимонной кислоты - цитрат натрия (Na₃Cit) и др., которые нейтрализуют избыточную кислотность, связывая ионы H⁺ в слабые кислоты:

H⁺ + HCO₃^- H₂CO₃ H₂O + CO₂

Ликвидацию метаболической формы ацидоза также проводят пу-тем введения солей слабых кислот и других препаратов, обладающих свойством проходить через фосфолипидные мембраны.

При алкалозе вводят растворы слабых кислот, например, 4%-й раствор аскорбиновой кислоты.

Однако перечисленные методы медикаментозного вмешательства не имеют, строго говоря, лечебного эффекта: они позволяют лишь «выиграть время» для более детального установления причин возник-новения отклонений и назначения курса лечения или профилактики.