Буферные системы.

Соединения, предотвращающие резкое изменение концентрации ионов водорода, называются буферами. К ним относятся слабые кислоты и их соли, способные связывать или высвобождать Н⁺ таким образом, что изменения концентрации водородных ионов минимальны. В организме буферные системы (бикарбонатная, фосфатная и белковая) присутствуют как вне, так и внутри клеток. Их основная функция - стабилизировать физиологически оптимальное значение рН (7,4).

Внеклеточные буферы.

Внеклеточные буферы в течение 1-2 секунд реагируют на изменение рН при нагрузке как кислотами, так и щелочами. Внеклеточные буферы способны компенсировать более 50 % нагрузки органическими кислотами и практически всю нагрузку неорганическими кислотами. Основная буферная емкость внеклеточных буферов (75 %) приходится на бикарбонатную буферную систему. Остальная часть внеклеточной буферной емкости распределяется в основном между гидрофосфатной и белковой буферными системами.

Фосфатная буферная система (НРО₄^2-/Н₂РО₄^-).

Для крови принципиальной роли эта система не играет. Ее буферная емкость составляет не более 5 %. Механизм буферного действия при нагрузке кислыми продуктами заключается в образовании из гидрофосфата (НРО₄^2-) дигидрофосфата (Н₂РО₄^-). Дигидрофосфат это слабодиссоциирующееся соединение. При избыточной потере кислых продуктов и преобладании в среде оснований фосфатная буферная система работает в обратном направлении с образованием слабодиссоциирующегося соединения - гидрофосфата.

Белковая буферная система.

Концентрация белков в плазме крови составляет 60-80 г/л. В буферных процессах при рН 7,4 принимает участие имидазольная группа гистидина, содержание которого в структуре белков плазмы крови невелико. В этой связи вклад белков плазмы крови в буферную емкость не превышает 3-5 %.

Бикарбонатная буферная система (НСО₃^-/Н₂СО₃).

Бикарбонатный буфер является основным внеклеточным буфером. На него приходится 75 % буферной емкости плазмы крови. Ведущая роль бикарбонатного буфера обусловлена интегрирующей ролью его компонентов между спектром биохимических реакций и физиологических функций, связанных с работой почек и легких.

Анаэробный метаболизм углеводов, липидов, белков приводит к образованию углекислого газа и воды, что в общем виде можно записать:

Анаэробный метаболизм

Субстраты СО₂ + Н₂О.

Вода и углекислый газ способны реагировать с образованием угольной кислоты, диссоциирующей на бикарбонат и ион водорода:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ НСО₃^- + Н⁺.

Количество образующегося в течение суток при анаэробном метаболизме СО₂ способно обеспечить синтез 15000-20000 ммоль угольной кислоты. Однако СО₂ быстро удаляется при дыхании и его остаточное содержание при сбалансированном метаболизме обеспечивает синтез 1,2 ммоль/л Н₂СО₃.

Концентрация бикарбоната в плазме крови является стабильной величиной (24 ммоль/л) благодаря функциональной активности почек по его реабсорбции, синтезу при недостатке, удалению при избытке.

Увеличение внеклеточной концентрации угольной кислоты и соответственно Н⁺ приводит к приросту содержания водородных ионов в клетках, что сопровождается депрессией внутриклеточных биохимических процессов образования Н⁺ и СО₂.

Взаимодействие бикарбонатной буферной системы с биохимическими и физиологическими процессами обеспечивает ее динамичность и устойчивость. Механизм буферного действия бикарбонатной буферной системы принципиально совпадает с механизмом действия фосфатной буферной системы. Ионы водорода соединяются с бикарбонатом и дают слабодиссоциирующуюся угольную кислоту:

НCl + NaНСО₃ ↔ NaCl + Н₂СО₃

сильная кислота буфер соль слабая кислота

В случае нагрузки гидроксильным ионом (ОН^-) угольная кислота отдает ион водорода, и в результате реакции образуются бикарбонат (НСО₃^-) и вода (Н₂О):

NaОН + Н₂СО₃ ↔ NaНСО₃ + Н₂О

щелочь слабая кислота бикарбонат вода

Внутриклеточные буферы.

Внутриклеточные буферы активно участвуют в минимизации изменений рН внутри и вне клеток при нагрузке как кислотами, так и щелочами. Внутриклеточные буферы способны компенсировать более 50 % нагрузки некарбоновыми кислотами и практически всю нагрузку угольной кислотой.

Падение рН крови ниже предала нормы приводит к активному поглощению ионов водорода внутриклеточным пространством в обмен на ионы натрия и калия. Концентрация калия плазмы в этих условиях может возрасти на 1-4 ммоль/л. Увеличение внутриклеточной концентрации ионов водорода сопровождается депрессией внутриклеточных биохимических процессов образования Н⁺.

Наоборот, увеличение рН крови выше пределов нормы приводит к активному выделению ионов водорода внутриклеточным пространством в обмен на ионы натрия и калия. Снижение концентрации калия плазмы в этих условиях может привести к гипокалиемии.

Значительное депо буферов находится в кости. Костное депо буферов способно обеспечить до 40 % буферной емкости при острой нагрузке кислотой. Нейтрализация избытка Н⁺ осуществляется, в частности, карбонатом костной ткани, что вызывает высвобождение из нее кальция во внеклеточную жидкость. При хронической нагрузке кислотами и ли щелочами вклад буферов кости в общую буферную емкость превышает 40 %.

Особое место среди внутриклеточных буферов занимает гемоглобиновая буферная система (Hb^-/HHb и HbO₂^-/KhbO₂). Гемоглобиновая буферная система состоит из неионизированного гемоглобина - HHb (слабая органическая кислота) и калиевой соли гемоглобина - KHb (сопряженное основание). На нее приходится около 65 % буферной емкости цельной крови. Буферные свойства гемоглобина обусловлены возможностью взаимодействия кислореагирующих соединений с KHb и образованием эквивалентного количества соответствующей калиевой соли кислоты и свободного Hb:

K Hb + H₂CO₃ KHCO₃ + HHb

В буферном действии молекулы гемоглобина имеет значение имидазольная группа гистидина. Ее диссоциация зависит от насыщения гемоглобина кислородом. При насыщении гемоглобина кислородом он становится более сильной кислотой. Оксигемоглобин легко отдает ионы водорода, напротив, дезоксигемоглобин способен активно связывать ионы водорода. В капиллярах тканей оксигемоглобин, превращаясь в дезоксигемоглобин, играет роль оснований. В легких идет обратный процесс: оксигенируясь, гемоглобин отдает в среду ион водорода, который связывается с бикарбонатом, образующаяся угольная кислота разлагается карбоксиангидразой на воду и углекислый газ. СО₂ диффундирует в альвеолярное пространство благодаря разности парциальных давлений углекислого газа в венозной крови и альвеолах (около 6 мм.рт.ст.).