Кислотно-щелочной обмен

Химические буферные системы – это растворы, демпфирующие изменения рН. Внутри- и внеклеточные буферные системы немедленно реагируют на нарушения кислотно-основного баланса. Важную буферную функцию выполняют и кости, особенно при перегрузке кислотами.

Буферная система состоит из слабой кислоты и связанного с ней основания. Основание присоединяет Н⁺, а слабая кислота его отсоединяет, тем самым сводя к минимуму изменения концентрации свободного Н⁺. Буферная система позволяет минимизировать изменения рН вблизи константы равновесия (рКа); таким образом, хотя в организме потенциально существуют много буферных пар, физиологически значимы только некоторые из них.

Отношения между рН буферной системы и концентрацией ее компонентов описывается уравнением Гендерсона-Хассельбаха:

где рКа представляет собой константу диссоциации слабой кислоты

Наиболее важная внеклеточная буферная система HCO₃⁻/CO₂ описывается уравнением:

Увеличение концентрации Н⁺сдвигает уравнение вправо, т.е. образуется CO₂.

Эта важная буферная система регулируется на высоком уровне. Концентрацию CO₂ можно точно контролировать с помощью альвеолярной вентиляции, а концентрации H⁺ и HCO₃⁻ можно точно отрегулировать с помощью почечной экскреции.

Соотношение между рН, HCO₃⁻, и CO₂ в системе, описываемой уравнением Гендерсона-Хассельбаха, следующее:

Или аналогично, с помощью уравнения Кассирера-Блайха, полученного из уравнения Гендерсона-Хассельбаха:

ПРИМЕЧАНИЕ: для преобразования артериального рН в [H⁺] используют:

или

Оба уравнения показывают, что кислотно-щелочной баланс зависит от соотношения парциального давления углекислого газа (PСО₂) и HCO₃⁻, а не абсолютного значения только одного из этих веществ. С помощью этих формул любую из 2 переменных можно использовать для вычисления третьей.

К другим важным химическим буферным системам относятся внутриклеточные органические и неорганические фосфаты, а также белки, в том числе гемоглобин в эритроцитах. Внеклеточные фосфаты и белки плазмы в этом отношении играют меньшую роль.

При кислотной нагрузке важным буфером становятся кости. Кости вначале выделяют бикарбонат натрия (NaHCO₃) и бикарбонат калия (KHCO₃) в обмен на Н⁺. При длительной кислотной нагрузке в кости выделяется карбонат кальция (СаCO₃) и фосфат кальция (Са)PO₄). Поэтому длительная ацидемия сопровождается деминерализацией костей и остеопорозом.

Клинический калькулятор

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха

Концентрация CO₂ жестко регулируется дыхательным объемом и частотой дыхания (минутной вентиляцией). Снижение рН воспринимается артериальными хеморецепторами и приводит к увеличению дыхательного объема или частоты дыхания, и это увеличивает выдыхание CO₂ и тем самым повышает рН крови. В отличие от химических буферных систем, которые немедленно реагируют на изменения рН, легочная регуляция осуществляется в течение минут или часов. Ее эффективность колеблется от 50 до 75%, и она не полностью нормализует рН.

Контроль рН почками регулирует выводимое или поглощаемое количество HCO₃⁻. Реабсорбция HCO₃⁻ эквивалентна экскреции свободного H⁺. Реакция почек на изменение кислотно-основного баланса продолжается от нескольких часов до нескольких суток.

HCO₃⁻ в сыворотке при прохождении через клубочки полностью фильтруется. Реабсорбция HCO₃⁻ происходит главным образом в проксимальных канальцах и (в меньшей степени) в собирательных трубочках. В дистальных канальцевых клетках H₂О диссоциирует на Н⁺и гидроксид (ОН⁻); под действием карбоангидразы ОН⁻ соединяется с CO₂, образуя HCO₃⁻, который транспортируется обратно в перитубулярные капилляры, тогда как Н⁺ секретируется в просвет канальца и там соединяется со свободно фильтруемым HCO₃⁻, образуя CO₂ и H₂О, которые также подвергаются реабсорбции. Таким образом, реабсорбируемые в дистальных канальцах ионы HCO₃⁻ – это образовавшиеся заново, а не профильтрованные в клубочках.

Снижение эффективного объема циркуляции (как это происходит при приеме диуретиков) усиливает реабсорбцию HCO₃⁻, тогда как повышение уровня паратиреоидного гормона в ответ на кислотную нагрузку снижает реабсорбцию HCO₃⁻. К усилению реабсорбции Pco₂ приводит также повышение HCO₃⁻, а снижение уровня хлорид-ионов (Cl⁻) (обычно вследствие гиповолемии) усиливает реабсорбцию ионов натрия (Na⁺) и образование HCO₃⁻ в проксимальных канальцах.

Кислота активно экскретируется в просвет проксимальных и дистальных канальцев, где присоединяется к буферным соединениям мочи – главным образом к свободно фильтруемым фосфатам (HPO₄⁻²), креатинину, мочевой кислоте и аммиаку – и выводится из организма. Аммиачная буферная система играет особенно важную роль, так как другие буферные соединения фильтруются в фиксированных концентрациях, и их содержание при высоких кислотных нагрузках может снижаться, в отличие от этого продукция аммиака активно регулируется канальцевыми клетками в ответ на изменения кислотной нагрузки. Секреция кислоты зависит главным образом от рН артериальной крови, но на экскрецию также влияют уровни содержания калия (К⁺), Cl⁻ и альдостерона. Секреция Н⁺ и внутриклеточная концентрация К⁺ находятся в реципрокных отношениях: снижение уровня К⁺ усиливает секрецию Н⁺ и, следовательно, способствует развитию метаболического алкалоза.