Физиологические гомеостатические механизмы

Второй эшелон поддержания кислотно-щелочного гомеостаза представлен физиологическими регуляторными механизмами, среди которых главная роль принадлежит легким и почкам.

Благодаря буферам крови органические кислоты, образующиеся в процессе обмена, или кислоты, введенные в организм извне, не изменяют реакции крови, а лишь вытесняют углекислоту из ее соединения с основаниями; избыток же углекислого газа выводится легкими. Высокая диффузионная способность углекислого газа обеспечивает быстрое прохождение газа через мембраны и выведение его из организма. Скорость диффузии любого газа обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярной массы, а количество диффундирующего газа пропорционально его растворимости в жидкости.

Объединение этих двух законов диффузии позволяет сделать вывод, что углекислый газ диффундирует примерно в 20 раз интенсивнее кислорода:

где 0,545 и 0,023 - коэффициенты растворимости соответственно СО₂ и О₂ в воде при t=38°C. Переход углекислого газа из крови в альвеолярный воздух объясняется имеющимся здесь градиентом Рсо₂. Облегчается этот процесс двумя механизмами: переходом Нb в НbО₂, вытесняющий как более сильная кислота углекислый газ из крови, и действием угольной ангидразы, которой принадлежит большая роль в освобождении свободной углекислоты в легких. Количество углекислого газа, выводимого из легких, зависит прежде всего от амплитуды и частоты дыхательных движений. Параметры дыхания регулируются в зависимости от содержания углекислоты в организме. В целом же отношение между Рсо₂ в крови и легочной вентиляцией выражается следующим образом (Рут Г., 1978):

где Рсо₂ и Р (барометрическое давление) выражаются в миллиметрах ртутного столба, продукция СО₂ - в молях, а альвеолярная вентиляция - в литрах.

Роль почек в поддержании кислотно-щелочного гомеостаза определяется главным образом их кислото -выделительной функцией. В физиологических условиях почки выделяют кислую мочу, pH которой колеблется от 5,0 до 7,0. Величина pH мочи может достигать 4,5, и, следовательно, концентрация свободных ионов Н⁺может в 800 раз превышать содержание их в плазме крови. Подкисление мочи в проксимальных и дистальных канальцах является результатом секреции ионов Н⁺, в образовании и секреции которых (ацидогенезе) важная роль принадлежит ферменту карбоангидразе (КА), содержащемуся в клетках канальцев. Фермент ускоряет достижение равновесия между медленной реакцией гидратации и дегидратации угольной кислоты (Н₂СО₃):

Скорость этой некатализируемой реакции возрастает при снижении pH. Ацидогенез обеспечивает выведение кислых компонентов фосфатного буфера (в процессе образования кислой мочи происходит превращение : НРО^2-₄ + H⁺ ---> H₂PO₄), а также слабых органических кислот: молочной, лимонной, β-оксимасляной и др. Процесс выделения эпителием почечных канальцев Н⁺ происходит против электрохимического градиента с затратой большого количества энергии и требует одновременной реабсорбции эквивалентного количества ионов Na⁺. Уменьшение реабсорбции натрия, как правило, сопровождается снижением ацидогенеза. Реабсорбированный в результате ацидогенеза Na⁺ образует в крови вместе с НСО^-₃ выделяемым из эпителия почечных канальцев, бикарбонат натрия. Ионы Н⁺, секретируемые клетками почечных канальцев, вступают во взаимодействие с анионами буферных соединений. Ацидогенез обеспечивает выделение преимущественно анионов карбонатного и фосфатного буферов, а также анионов слабых органических кислот.

При фильтрации соединений, содержащих анионы сильных органических и неорганических кислот (Cl^-, SO^2-₄), в почках включается другой механизм - аммониогенез, обеспечивающий выведение кислот и предохраняющий от снижения pH мочи ниже критического уровня (рис. 39). Аммониогенез происходит на уровне дистальных канальцев и собирательных трубок. Образующийся в эпителии почечных канальцев NH₃ поступает в просвет канальцев, где взаимодействует с Н⁺, происходящими от ацидогенеза. Таким образом, NH3 обеспечивает, с одной стороны, связывание Н⁺, а с другой - выведение анионов сильных кислот в виде аммонийных солей, в составе которых ионы Н⁺ не оказывают повреждающего воздействия на эпителий канальцев. Источником аммония является в основном глутамин крови. Около 60% NH₃ образуется из глутамина путем его дезаминирования иод воздействием фермента глутаминазы I. Остальные 40% аммиака , образуются из других аминокислот .

Так как аммониогенез тесно связан с ацидогенезом, очевидно, что концентрация аммония в моче находится в прямой зависимости от концентрации в ней Н⁺. Закисление крови, приводящее к снижению pH канальцевой жидкости, способствует диффузии аммиака из клеток. Интенсивность экскреции аммония определяется также скоростью его продукции и скоростью потока мочи, от которой зависит время контакта между канальцевой жидкостью и эпителием почечного канальца, и, следовательно, своевременное удаление образующегося иона из клетки.

В регуляции экскреции почками кислот важную роль выполняют хлориды. В частности, увеличение реабсорбции НСО^-₃, как правило, сопровождается увеличением реабсорбции хлоридов. Ион С1^- в общем пассивно следует за катионом Na⁺. Повышение концентрации гидрокарбонатов НСО^-₃ в моче обычно сопровождается уменьшением содержания в них хлоридов таким образом, что сумма этих анионов оказывается эквивалентной количеству Na⁺ . Изменение транспорта хлоридов является следствием первичного изменения секреции ионов Н⁺ и реабсорбции бикарбоната и обусловлено необходимостью поддержания электронейтральности канальцевой мочи. Согласно другой точке зрения, первично изменяется транспорт хлоридов.

Кроме механизмов ацидо- и аммониогенеза , в сохранении иона Na⁺при закислении крови существенная роль принадлежит секреции ионов К⁺. Калий, освобождающийся из клеток при снижении pH крови, экскретируется почечными канальцами в повышенном количестве; одновременно при этом происходит увеличенная реабсорбция Na⁺. Этот обмен регулируется минералокортикоидами (альдостерон, дезоксикортикостерон). В нормальных условиях почки выделяют преимущественно кислые продукты обмена. При увеличении поступления в организм оснований реакция мочи становится более щелочной вследствие усиленного выделения бикарбоната и основного фосфата.

Определенное место в выделительной регуляции кислотно-щелочного гомеостаза занимает желудочно-кишечный тракт. Клетки слизистой оболочки желудка секретируют НСl, образующую из ионов Сl^-, поступающих из крови, и ионов Н⁺, происходящих из желудочного эпителия. В обмен на хлориды в кровь в процессе желудочной секреции поступает бикарбонат. Защелачивания крови, однако, при этом не происходит, так как ионы Сl^- желудочного сока вновь всасываются в кровь в кишечнике. Эпителий слизистой оболочки кишечника секретирует щелочной сок, богатый бикарбонатами. При этом ионы Н⁺ переходят в кровь в виде НС1. Кратковременный сдвиг реакции сразу же уравновешивается обратным всасыванием бикарбоната в кишечнике. В то время как почки концентрируют и выделяют из организма главным образом Н⁺ и одновалентные катионы, кишечный тракт концентрирует и выделяет двухвалентные щелочные ионы. При кислой диете увеличивается выделение главным образом двухвалентных Са²⁺ и Mg²⁺, при щелочной - выделение всех катионов.