1.3. Кислотно-щелочное состояние

Является ли раствор кислым, нейтральным или щелочным, можно определить по концентрации (точнее активности) ионов водорода (Н⁺) (см. 1.3.4).

Она выражается, как и для всех ионов, в экв, мэкв или (так как концентрация ионов водорода очень мала) в нэкв (1 мэкв<=1 млн. нэкв). Для упрощения написания исполь­зуют в качестве равнозначного выражения (Н⁺) значение рН (см. 1.3.4).

Для правильного течения процессов обмена веществ кон­центрация ионов водорода в тканях должна колебаться в узких лраницах (изогидрия). Правда, амплитуда колебаний значений рН, совместимых с жизнью (рН 6,8—7,8), больше по сравнению со значениями концентрации натрия:

Значению рН 6,80 соответствуют (Н⁺) 158 нэкв/л, значе­нию рН 7,8 соответствует 16 нэкв/л; соотношение 1 : 10.

1.3.1. Кислоты и основания

Кислотами называются соединения, способные отдавать ионы водорода; основаниями — соединения, способные при­соединять ионы водорода (Brfinsted).

1.3.1. Кислоты и основания

Кислотами называются соединения, способные отдавать ионы водорода; основаниями — соединения, способные при­соединять ионы водорода (Brfinsted).

Примеры

Кислоты Основания

H₂CO₃ == н⁺ + нсо₃^—

H₂SO₄ == H⁺+ HSO₄^—

NH₄⁺== H⁺ + NH₃

H₂PO₄^2—== H⁺ + HPO₄^2—

B обмене веществ в организме взрослого за 24 ч распада­ется приблизительно 15000 ммоль (так называемой лету­чей) угольной кислоты (0,13 ммоль/кг массы тела/мин) и 30—80 мэкв (1 мэкв/кг массы тела/сут) нелетучих кислот. Нелетучие кислоты образуются главным образом из серо­содержащих аминокислот (пищевые белки и белки орга­низма), а также при патологических состояниях, например при неполном окислении жирных кислот и углеводов. Кис­лоты, диссоциирующие на ионы водорода и анионы, должны удаляться органами выведения (легкие и почки) без превы­шения допустимой концентрации ионов водорода (значение рН). Это регулируется буферными основаниями (гидрокар­бонат, белки, фосфат), которые после образования ионов водорода из кислот выравнивают изменения рН.

1.3.2. Буферные процессы

Теоретические замечания

Буфер представляет собой смесь слабой кислоты с сопря­женным с нею основанием. Она находится в положении, способном выравнивать («забуферивать») концентрацию ионов водорода.

Процесс «забуферивания» можно выразить математичес­ки. Выражение этих взаимодействий вытекает из следующих рассуждений.

Угольная кислота диссоциирует частично на ионы водо­рода и гидрокарбоната:

Эта диссоциация по закону действующих масс формуляру-ется следующим образом:

Выделяя концентрацию ионов водорода, получаем:

Так как (Н⁺) равнозначно можно представить как значе­ние рН или как отрицательный десятичный логарифм, то далее следует:

или

(уоавнение Henderson—Hasselbalch) Это уравнение Henderson—Hasselbalch можно выразить совершенно равнозначно:

Если рК и рН равны, то буферные кислота и основание находятся в одинаковых концентрациях. Значение рН при этом является и мерой силы кислоты: чем оно ниже, тем сильнее кислота.

Примеры рК (Rausher с соавт.)

— угольная кислота 1-я ступень диссоциации 6,37 (25 °С)

— фосфорная кислота 1-я ступень диссоциации 2,12 (25 °С)

2-я ступень диссоциации 7,21 (25 °С)

3-я ступень диссоциации 12,66 (25°С)

— уксусная кислота 4,76 (25 °С)

— молочная кислота 3,86 (25 °С)

Примеры забуферивания

При голодании и диабетической коме образуются кетоновые тела (бета-гидроксимасляная и ацетоуксусная кислоты). Они тотчас диссоциируют на ионы водорода и кислотный ради­кал (бета-гидроксибутират и ацетоацетат). Эти распавшиеся ионы водорода вели бы к значительному повышению [H⁺] (снижение значения рН), если бы они не связывались с буферным основанием, например гидрокарбонатом: гидрокарбонат после присоединения ионов водорода превращается в угольную кислоту. При этом снижается концентрация гидрокарбоната. Место, свободное от анионов, занимают анионы гидрокарбоната и бета-гидроксибутират и ацетоацетат (рис. 7).

Рисэ 7. «Вытеснение бикарбоната» кетоновыми телами.

Если мы сформулируем результат этого процесса по урав­нению Henderson—Hasselbalch, то получим:

рН = 6,1 + lg(16/1.2) = 6,1 + 1,12 = 7,22

Без этого буферного действия значение рН упало бы зна­чительно ниже. Буферная система более эффективна, так как угольная кислота удаляется из организма дыханием (открытая система!):

pH = 6,l + lg(16 /0.90) = 6,1 + 1,25 = 7,35

Снижение значения рН таким образом могло выравняться, если функция легких не нарушена.

Буферная система организма.

Угольная кислота/гидрокарбонат

Эта система является важнейшей внеклеточной буферной смесью. Ее действие значительно повышается вследствие того, что угольная кислота удаляется дыханием. По уравне­нию Henderson—Hasselbalch, зная две величины, можно рассчитать третью, например значение рН крови из соотношения гидрокарбонат/угольная кислота (рис. 8).