Основание — вещество, являющееся в растворе акцептором протонов.

Сильные кислоты [HCl, H₂SO₄] и сильные основания [NaOH, KON, Ca(OH)₂] в организме не образуются. В разбавленных растворах они полностью ионизированы.

В отличие от них, слабые кислоты [уксусная — CH₃COOH, угольная — H₂CO₃] и слабые основания [гидрокарбонат калия — KHCO₃, гидрофосфат натрия — NaH₂PO₄] при растворении ионизируются не полностью.

В организм с пищей поступают вода, белки, жиры, углеводы, минеральные соединения, витамины. При метаболизме из них образуется большое количество эндогенных кислот: молочная, угольная, пировиноградная, ацетоуксусная, b-оксимасляная, серная, соляная и др.

Выделяют летучие и нелетучиеэндогенные кислоты.

Нелетучие кислоты не способны превращаться в газообразное вещество и не удаляются легкими. К основным нелетучим кислотам относятся серная (образуется при катаболизме белков и серосодержащих аминокислот метионина и цистеина), b-оксимасляная, ацетоуксусная, молочная, пировиноградная (образуются при неполном окислении жиров и углеводов). Ежедневно в организме образуется около 1 мэкв нелетучих кислот на 1 кг массы тела.

В живом организме образуется лишь одна летучая кислота — угольная — (H₂CO₃). Она легко расщепляется на H₂O и CO₂. Углекислый газ выводится из организма легкими.

Параметры и показатели оценки кислотно-основного состояния

Параметры оценки КОС делят на основные и дополнительные (таблица 14-1).

Основные параметры

Оценку КОС и его сдвигов во врачебной практике проводят с учетом нормального диапазона его основных параметров: pH, pCO₂, стандартный бикарбонат плазмы крови SB (Standart Bicarbonate), буферные основания капиллярной крови BB (Buffer Base) и избыток оснований капиллярной крови BE (Base Excess). Учитывая, что [H⁺] крови адекватно отражает этот показатель в разных регионах организма, а также простоту процедуры взятия крови для анализа, основные показатели КОС исследуют именно в плазме крови.

Дополнительные показатели

С целью выяснения причины и механизма развития негазовых форм нарушений КОС определяют ряд дополнительных показателей крови (КТ, МК) и мочи (титруемая кислотность — ТК и аммиак).

Таблица 14-1. Показатели кислотно-основного равновесия

Механизмы устранения сдвигов кислотно-основного состояния организма

Учитывая важность поддержания [H⁺] в сравнительно узком диапазоне для оптимальной реализации процессов жизнедеятельности, в эволюции сформировались системные, хорошо интегрированные механизмы регуляции этого параметра в организме в норме и устранения его сдвигов при развитии патологии.

В норме в организме образуются почти в 20 раз больше кислых продуктов, чем основных (щелочных). В связи с этим в нем доминируют системы, обеспечивающие нейтрализацию, экскрецию и секрецию избытка соединений с кислыми свойствами. К этим системам относятся химические буферные системы и физиологические механизмы регуляции КЩР.

Химические буферные системы

Химические буферные системы представлены, в основном, бикарбонатным, фосфатным, белковым и гемоглобиновым буферами.

Буферные системы начинают действовать сразу же при увеличении или снижении [H⁺], а следовательно, представляют собой первую мобильную и действенную систему компенсации сдвигов рН. Например, буферы крови способны устранить умеренные сдвиги КОС в течение 10–40 с. Емкость и эффективность буферных систем крови весьма высока (таблица 14-2).

Таблица 14-2. Относительная емкость буферов крови, %

Принцип действия химических буферных систем заключается в трансформации сильных кислот и сильных оснований в слабые. Эти реакции реализуются как внутри- так и внеклеточно (в крови, межклеточной, спинномозговой и других жидких средах), но в наибольшем масштабе — в клетках.

Гидрокарбонатная буферная система

Гидрокарбонатная буферная система — основной буфер крови и межклеточной жидкости. Она составляет около половины буферной емкости крови и более 90% — плазмы и интерстициальной жидкости. Гидрокарбонатный буфер внеклеточной жидкости состоит из смеси угольной кислоты H₂ÑO₃ и гидрокарбоната натрия NaHCO₃. В клетках в состав соли угольной кислоты входят калий и магний.

Гидрокарбонатный буфер — система открытого типа, она ассоциирована с функцией внешнего дыхания и почек. Система внешнего дыхания поддерживает оптимальный уровень рCO₂ крови (и как следствие — концентрацию H₂CO₃), а почки — содержание аниона HCO₃^–. Именно это обеспечивает функционирование системы HCO₃^–/H₂CO₃ в качестве эффективного и емкого буфера внеклеточной среды даже в условиях образования большого количества нелетучих кислот (таблица 14-3).

Таблица 14-3. Начальные сдвиги и компенсаторные реакции при нарушениях кислотно-основного равновесия

Гидрокарбонатную буферную систему используют как важный диагностический показатель состояния КЩР организма в целом.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система играет существенную роль в регуляции КЩР внутри клеток, особенно канальцев почек. Это обусловлено более высокой концентрацией фосфатов в клетках в сравнении с внеклеточной жидкостью (около 8% общей буферной емкости). Фосфатный буфер состоит из двух компонентов: щелочного — Na₂HPO₄, и кислого — (NaH₂PO₄).

Эпителий канальцев почек содержит компоненты буфера в максимальной концентрации, что обеспечивает его высокую мощность. В крови фосфатный буфер способствует поддержанию («регенерации») гидрокарбонатной буферной системы. При увеличении уровня кислот в плазме крови (содержащей и гидрокарбонатный, и фосфатный буфер) увеличивается концентрация H₂CO₃ и уменьшается содержание NaHCO₃:

H₂CO₃ + Na₂HPO₄ Û NaHCO₃ + NaH₂PO₄.

В результате избыток угольной кислоты устраняется, а уровень NaHCO₃ возрастает.

Белковая буферная система

Белковая буферная система — главный внутриклеточный буфер. Он составляет примерно три четверти буферной емкости внутриклеточной жидкости.

Компонентами белкового буфера являются слабодиссоциирующий белок с кислыми свойствами (белок‑COOH) и соли сильного основания (белок‑COONa). При нарастании уровня кислот они взаимодействуют с солью белка с образованием нейтральной соли и слабой кислоты. При увеличении концентрации оснований реакция их происходит с белком с кислыми свойствами. В результате вместо сильного основания образуется слабоосновная соль.

Гемоглобиновая буферная система

Гемоглобиновая буферная система — наиболее емкий буфер крови — составляет более половины всей ее буферной емкости. Гемоглобиновый буфер состоит из кислого компонента — оксигенированного Hb — HbO₂ и основного — неоксигенированного. HbO₂ примерно в 80 раз сильнее диссоциирует с отдачей в среду H⁺, чем Hb. Соответственно, он больше связывает катионов, главным образом K⁺.

Основная роль гемоглобиновой буферной системы заключается в ее участии в транспорте CO₂ от тканей к легким.

В капиллярах большого круга кровообращения HbO₂ отдает кислород. В эритроцитах CO₂ взаимодействует с H₂O и образуется H₂CO₃. Эта кислота диссоциирует на HCO₃^– и H⁺, который соединяется с Hb. Анионы HCO₃^– из эритроцитов выходят в плазму крови, а в эритроциты поступает эквивалентное количество анионов Cl^–. Остающиеся в плазме крови ионы Na⁺ взаимодействуют с HCO₃^– и благодаря этому восстанавливают ее щелочной резерв.

В капиллярах легких, в условиях низкого pСО₂ и высокого pО₂, Hb присоединяет кислород с образованием HbO₂. Карбаминовая связь разрывается, в связи с чем высвобождается CO₂. При этом, HCO₃^– из плазмы крови поступает в эритроциты (в обмен на ионы Cl^–) и взаимодействует с H⁺, отщепившимся от Hb в момент его оксигенации. Образующаяся H₂CO₃ под влиянием карбоангидразы расщепляется на CO₂ и H₂O. CO₂ диффундирует в альвеолы и выводится из организма.

Карбонаты костной ткани

Карбонаты костной ткани функционируют как депо для буферных систем организма. В костях содержится большое количество солей угольной кислоты: карбонаты кальция, натрия, калия и др. При остром увеличении содержания кислот (например, при острой сердечной, дыхательной или почечной недостаточности, шоке, коме и других состояниях) кости могут обеспечивать до 30–40% буферной емкости. Высвобождение карбоната кальция в плазму крови способствует эффективной нейтрализации избытка H⁺. В условиях хронической нагрузки кислыми соединениями (например, при хронической сердечной, печеночной, почечной, дыхательной недостаточности) кости могут обеспечивать до 50% буферной емкости биологических жидкостей организма.

Физиологические механизмы

Наряду с мощными и быстродействующими химическими системами в организме функционируют органные механизмы компенсации и устранения сдвигов КОС. Для их реализации и достижения необходимого эффекта требуется больше времени — от нескольких минут до нескольких часов. К наиболее эффективным физиологическим механизмам регуляции КОС относят процессы, протекающие в легких, почках, печени и ЖКТ.

Легкие

Легкие обеспечивают устранение или уменьшение сдвигов КОС путем изменения объема альвеолярной вентиляции. Это достаточно мобильный механизм — уже через 1–2 мин после изменения объема альвеолярной вентиляции компенсируются или устраняются сдвиги КОС.

Причина изменения объема дыхания заключается в прямом или рефлекторном изменении возбудимости нейронов дыхательного центра.

Снижение рН в жидкостях организма (плазма крови, ликвор) является специфическим рефлекторным стимулом увеличения частоты и глубины дыхательных движений. Вследствие этого легкие выделяют избыток CO₂ (образующийся при диссоциации угольной кислоты). В результате содержание H⁺ (HCO₃^– + H⁺ = H₂CO₃ ® H₂O + CO₂) в плазме крови и других жидкостях организма снижается.

Повышение рН в жидких средах организма снижает возбудимость инспираторных нейронов дыхательного центра. Это приводит к уменьшению альвеолярной вентиляции и выведению из организма CO₂, т.е. к гиперкапнии. В связи с этим в жидких средах организма возрастает уровень угольной кислоты, диссоциирующей с образованием H⁺, — показатель рН снижается.

Следовательно, система внешнего дыхания довольно быстро (в течение нескольких минут) способна устранить или уменьшить сдвиги рН и предотвратить развитие ацидоза или алкалоза: увеличение вентиляции легких в 2 раза повышает рН крови примерно на 0,2; снижение вентиляции на 25% может уменьшить рН на 0,3‑0,4.

Почки

К главным механизмам уменьшения или устранения сдвигов КОС крови, реализуемых нефронами почек, относят ацидогенез, аммониогенез, секрецию фосфатов и K⁺,Na⁺-обменный механизм.

Ацидогенез. Этот энергозависимый процесс, протекающий в эпителии дистальных отделов нефрона и собирательных трубочек, обеспечивает секрецию в просвет канальцев H⁺ в обмен на реабсорбируемый Na⁺ (рис. 14-1).

Ы верстка! вставить рисунок «рис-14-1» Ы

Рис. 14-1. Реабсорбция HCO^3‑ в клетках проксимального отдела. КА — карбоангидраза.

Ы верстка! вставить рисунок «рис-14-2» Ы

Рис. 14-2. Секреция H⁺ клетками канальцев и собирательных трубочек. КА — карбоангидраза.

Количество секретируемого H⁺ эквивалентно его количеству, попадающему в кровь с нелетучими кислотами и H₂CO₃. Реабсорбированный из просвета канальцев в плазму крови Na⁺ участвует в регенерации плазменной гидрокарбонатной буферной системы (рис. 14-2).

Аммониогенез, как и ацидогенез, реализует эпителий канальцев нефрона и собирательных трубочек. Аммониогенез осуществляется путем окислительного дезаминирования аминокислот, преимущественно (примерно 2/3) — глютаминовой, в меньшей мере — аланина, аспарагина, лейцина, гистидина. Образующийся при этом аммиак диффундирует в просвет канальцев. Там NH₃⁺ присоединяет ион H⁺ с образованием иона аммония (NH₄⁺). Ионы NH₄⁺ замещают Na⁺ в солях и выделяются преимущественно в виде NH₄Cl и (NH₄)₂SO₄. В кровь при этом поступает эквивалентное количество гидрокарбоната натрия, обеспечивающего регенерацию гидрокарбонатной буферной системы.

Секреция фосфатов осуществляется эпителием дистальных канальцев при участии фосфатной буферной системы:

Na₂HPO₄ + H₂CO₃ Û NaH₂PO₄ + NaHCO₃.

Образующийся гидрокарбонат натрия реабсорбируется в кровь и поддерживает гидрокарбонатный буфер, а NaH₂PO₄ выводится из организма с мочой.

Таким образом, секреция H⁺ эпителием канальцев при реализации 3 описанных выше механизмов (ацидогенеза, аммониогенеза, секреции фосфатов) сопряжена с образованием гидрокарбоната и поступлением его в плазму крови. Это обеспечивает постоянное поддержание одной из наиболее важных, емких и мобильных буферных систем — гидрокарбонатной и как следствие — эффективное устранение или уменьшение опасных для организма сдвигов КОС.

К⁺,Na⁺-обменный механизм, реализуемый в дистальных отделах нефрона и начальных участках собирательных трубочек, обеспечивает обмен Na⁺ первичной мочи на K⁺, выводящийся в нее эпителиальными клетками. Реабсорбированный Na⁺ в жидких средах организма участвует в регенерации гидрокарбонатной буферной системы. K⁺,Na⁺-обмен контролируется альдостероном. Кроме того, альдостерон регулирует (увеличивает) объем секреции и экскреции H⁺.

Таким образом, почечные механизмы устранения или уменьшения сдвигов КОС осуществляются путем экскреции H⁺ и восстановления резерва гидрокарбонатной буферной системы в жидких средах организма.

Печень

Печень играет существенную роль в компенсации сдвигов КОС. В ней действуют, с одной стороны, общие внутри- и внеклеточные буферные системы (гидрокарбонатная, белковая и др.), с другой стороны, в гепатоцитах осуществляются различные реакции метаболизма, имеющие прямое отношение к устранению расстройств КОС.

Синтез белков крови, входящих в белковую буферную систему. В печени образуются все альбумины, а также фибриноген, протромбин, проконвертин, проакцелерин, гепарин, ряд глобулинов и ферментов.

Образование аммиака, способного нейтрализовать кислоты как в самих гепатоцитах, так и в плазме крови и в межклеточной жидкости.

Синтез глюкозыиз неуглеводных веществ — аминокислот, глицерина, лактата, пирувата. Включение этих органических нелетучих кислот при образовании глюкозы обеспечивает снижение их содержания в клетках и биологических жидкостях. Так, МК, которую многие органы и ткани не способны метаболизировать, в гепатоцитах примерно на 80% трансформируется в H₂O и CO₂, а оставшееся количество ресинтезируется в глюкозу. Таким образом, лактат превращается в нейтральные продукты.

Выведение из организма нелетучих кислот — глюкуроновой и серной при детоксикации продуктов метаболизма и ксенобиотиков.

Экскреция в кишечниккислых и основных веществ с желчью.

Желудок и кишечник

Желудок участвует в демпфировании сдвигов КОС, главным образом, путем изменения секреции соляной кислоты: при защелачивании жидких сред организма этот процесс тормозится, а при закислении — усиливается. Кишечник способствует уменьшению или устранению сдвигов КОС посредством:

Ú секреции кишечного сока, содержащего большое количество гидрокарбоната. При этом в плазму крови поступает H⁺;

Ú изменения количества всасываемой жидкости. Это способствует нормализации водного и электролитного баланса в клетках, во внеклеточной и других биологических жидкостях и как следствие — нормализации рН;

Ú реабсорбции компонентов буферных систем (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^–, HCO₃^–).

Поджелудочная железа способствует компенсации сдвигов КОС при помощи гидрокарбоната. Его секреция увеличивается при алкалозах и уменьшается в условиях ацидоза.

Виды расстройств кислотно-основного состояния

Расстройства КОС классифицируют по нескольким критериям (таблица 14-4).

Таблица 14-4. Виды нарушений кислотно-основного равновесия

Ацидоз и алкалоз