Практическая работа №10. Функциональная система, поддерживающая кислотно-щелочное равновесие в организме

Цель работы: изучить механизмы поддержания кислотно-основного равновесия в организме.

Краткие теоретические сведения.

Важнейшим показателем постоянства внутренней среды организма является рН крови, так как абсолютное большинство обменных реакций наиболее активно протекает только при определенных значениях рН. Кровь млекопитающих и человека имеет слабощелочную реакцию: рН артериальной крови составляет 7,35-7,48, венозной – на 0,02 ниже. Если возникает сдвиг рН в кислую сторону, это называется ацидоз, если в щелочную – алкалоз.

Несмотря на непрерывное поступление в кровь кислых и щелочных продуктов обмена, рН крови поддерживается на достаточно постоянном уровне (одна из важнейших констант гомеостазиса) – кислотно-щелочное равновесие (КЩР).

Главные пути поддержания рН на постоянном уровне:

- буферные системы жидкой внутренней среды (крови);

- выделение углекислого газа легкими;

- выделение кислых или удержание щелочных продуктов почками.

Кислотно-щелочное равновесие — это константа крови, регулируемая наиболее часто. Кровь имеет слабощелочную реакцию: pH артериальной крови составляет 7,4, а венозной — 7,35 (вследствие избытка С02). Снижение pH может происходить в узких пределах (максимально до 6,8). В случае большего изменения наступает смерть. Смещение pH в кислую сторону осуществляют кислоты Н3Р04, Н2С03, молочная, пировиноградная, некоторые кетосоединения. Возможным является и повышение щелочности внутренней среды организма, прежде всего в горных условиях. Щелочные электролиты поступают во внутреннюю среду с пищевыми продуктами (овощи, фрукты). Благодаря регуляторным механизмам двух типов pH крови четко поддерживается:

а) физико-химические (буферные системы), состоящие из кислотного и щелочного компонентов, связывают кислоты или щелочи, предотвращая существенное изменение концентрации Н+. Этот механизм действует очень быстро (доли секунды) и потому относится к быстрым механизмам регуляции устойчивости внутренней среды (Булич, Муравов, 2003; Волков Н. И. и соавт., 1998; Функциональные резервы..., 1990).

В плазме крови содержатся такие основные буферные системы:

• бикарбонатная: Н₂СО₃/NaHC0₃

• фосфатная: NaH₂P0₄/NaHP0₄

• белковая: Н белок/Na белок

В эритроцитах функционируют такие буферные системы:

1. Оксигемоглобин и восстановленная форма гемоглобина. Они действуют как слабая кислота в буферной паре с калиевой солью гемоглобина: ННbО₂ /KНЬО₂;ННb/ КНЬ

2. Калиевые соли Н₃Р0₄ (калийфосфатная буферная система):

КН₂Р0₄/К₂НР0₄

Механизм функционирования буферных систем можно продемонстрировать на примере карбонатной буферной системы. Если во внутренней среде организма образуется избыток щелочи, в реакцию вступает кислотный компонент буферной системы — Н₂С0₃: NaOH + Н₂С0₃ = NaHC0₃ + Н₂0.

Если среда подкисляется кислыми продуктами обмена веществ, в реакции участвует щелочной компонент буферной системы: HCI + NaHC0₃ = NaCI + Н₂С0₃.

В обоих случаях образуются продукты, которые легко диссоциируют и существенно не влияют на pH внутренней среды;

б) физиологические механизмы связаны с функционированием легких и почек, которые соответственно регулируют концентрацию С0₂ и минеральных солей. Такой физиологический механизм регуляции гомеостаза, как почки, действует очень медленно (10—12 ч). Но этот механизм наиболее мощный и способен полностью восстановить pH организма, удалив мочу со щелочными или кислыми значениями pH (Волков Н. И. и соавт., 1998; Медведев, 1984).

Физиологические механизмы регуляции устойчивости внутренней среды тесно взаимодействуют с физико-химическими, дополняя их и делая систему регуляции в целом более надежной. Например, у бикарбонатной системы небольшая емкость, но в организме по важности она превосходит все другие вследствие того, что концентрация каждого из элементов буферной системы может регулироваться: С02—дыхательной системой, а бикарбонатный ион — почками. Благодаря легкости, с которой легкие регулируют концентрацию С02, эта система обладает значительной буферной емкостью.

Все буферные системы вместе взятые образуют щелочной резерв, способный связывать избыток кислот, образующихся в процессе обмена веществ, в том числе и во время физических нагрузок.

Зависимость состояния организма от кислотности показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Кислотность крови и состояние организма.

Ниже приведены нормальные значения и допустимые диапазоны колебаний для биологических жидкостей и сред:

• Слезы – от 7,3 до 7,5;

• Слюна взрослого человека – 6,8 – 7,4 pH (при большой скорости слюноотделения может достигать значения 7,8);

• Слюна детей – 7,32 (среднее значение);

• Кислотность влагалища колеблется в диапазоне от 3,8 до 4,4 pH (среднее значение 4,0 – 4,2);

• Сперма – от 7,2 до 8,0;

• Кислотность в просвете тела желудка натощак и на поверхности эпителиального слоя, обращенного в просвет – 1,5 – 2,0 pH;

• Кислотность в глубине эпителиального слоя желудка ~7,0;

• Нормальная кислотность в антруме желудка 1,3 – 7,4 pH;

• Нормальная кислотность в луковице двенадцатиперстной кишки 5,6 – 7,9;

• Кислотность в тощей и подвздошной кишках находится в пределах от 7 до 8 pH;

• Сок тонкой кишки – 7,2 – 7,5 pH (при увеличении секреции достигает 8,6);

• Секрет дуоденальных желез – от 7 до 8;

• Панкреатический сок – от 7,5 до 9;

• Сок толстой кишки – от 8,5 до 9,0;

• Кал – от 6,0 до 8,0 pH;

• Меконий (первородный кал новорожденных) ~6 pH;

• Грудное женское молоко – от 6,9 до 7,5 pH;

• Диапазон колебаний кислотности мочи взрослого человека находится в границах от 5,0 до 7,0 pH (кратковременные отклонения – в границах 4,6 – 8).

Порядок выполнения работы:

1. Изучить теоретический материал.

2. Провести эксперимент по результатам которого построить передаточную функцию влияния концентрации углекислого газа в организме на кислотно-щелочной баланс крови.

Эксперимент проводится с помощью лакмусовых бумажек (тест-полосок) и Рн-метра следующим образом. У группы обучающихся в проветренном помещение измеряется Рн. Затем, помещение закрывается от доступа воздуха на 70 минут. Зная количество людей в помещении и его объем, производится оценка изменении углекислого газа в помещении. (За 70 минут рекомендуется осуществление обсуждение кибернетических регуляторных механизмов обеспечения кислотно-щелочного баланса в организме). По истечении 70 минут повторно осуществляется измерение Рн-крови. Пренебрегая погрешностью измерения строится и исследуется передаточная функция зависимости Рн-крови от концентрации углекислого газа в крови, принимая следующие допущения: концентрация газа в крови пропорциональна квадрату углекислого газа во вдыхаемом воздухе, следовательно, изменение концентрации в крови пропорциональна удвоенному изменению концентрации газа. Для построения передаточной функции строится таблица дельтаРн-дельтаСО₂. («дельта» означает абсолютное приращение). Поскольку дельтаСО₂ в данном случае является константой, то осуществляется его рандомизация в 5% диапазоне. (Примечание: с точки зрения математики, предлагаемый подход является не адекватным, и если есть возможность и желание студентов повторение данного эксперимента 5-6 раз, то необходимо провести его).

3. Провести исследование кибернетической модели, соответствующей полученной передаточной функции. Сделать выводы.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Что такое pH крови в организме человека?

2. Назовите pH артериальной и pH венозной крови.

3. Назовите главные пути поддержания рН на постоянном уровне.

4. Что такое кислотно-щелочное равновесие?

5. Из чего состоят буферные системы?

6. По какой формуле проводят расчет резервной щелочности крови?

7. Приведите пример кибернетической модели регуляции кислотно-щелочного баланса в организме.

Приложение