Буферные белки. Буферные системы человеческого организма

У всех живых организмов внутриклеточные и внеклеточные жидкости обычно имеют характерную и постоянную величину pH, которая поддерживается с помощью различных биологических систем. Однако первая линия защиты живых организмов, препятствующая изменениям их внутреннего pH, обеспечивается буферными системами.

Две наиболее важные буферные системы у млекопитающих - это фосфатная и бикарбонатная системы. Фосфатная буферная система, играющая важную роль в поддержании pH внутриклеточной жидкости, представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из иона (донора протона) и иона (акцептора протона).

Фосфатная буферная система работает точно так же, как ацетатная, с той разницей, что она функционирует в другом интервале значений pH. Эта система обладает максимальной эффективностью вблизи поскольку величина ионов равна 6,86 (см. табл. 4-4 и рис. 4-11). Фосфатная буферная пара способна сопротивляться изменениям pH в интервале между 6,1 и 7,7 и может, следовательно, обеспечивать достаточную буферную емкость внутриклеточной жидкости, величина pH которой лежит в пределе 6,9-7,4.

Главной буферной системой плазмы крови служит бикарбонатная система, представляющая собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты выполняющей роль донора протона и бикарбонат-иона выполняющего роль акцептора протона:

Эта система, которая имеет свою собственную константу равновесия

функционирует в качестве буфера так же, как и другие сопряженные кислотно-основные пары. Ее уникальная особенность состоит, однако, в том, что один из ее компонентов, а именно угольная кислота образуется в результате взаимодействия растворенной в воде () двуокиси углерода с водой в соответствии с обратимой реакцией:

константа равновесия которой равна

Поскольку при нормальных условиях двуокись углерода представляет собой газ, величина т.е. концентрация растворенной определяется равновесием с газовой фазы (г):

характеризуемым константой равновесия равной

Величина pH бикарбонатной буферной системы зависит от концентрации растворенных в ней компонентов и выполняющих роль донора и акцептора протонов. Поскольку, однако, концентрация в свою очередь зависит от концентрации растворенной а последняя - от парциального давления в газовой фазе, величина pH бикарбонатного буфера, находящегося в контакте с газовой фазой, в конечном счете определяется концентрацией ионов в водной фазе и парциальным давлением в газовой фазе (см. дополнение 4-3).

Бикарбонатная буферная система функционирует как эффективный физиологический буфер вблизи потому что донор протона в плазме крови находится в подвижном равновесии с большим резервным объемом газообразной в воздушном пространстве легких. В любых условиях, когда кровь почему-либо вынуждена поглощать избыток ионов ОН и повышается, количество угольной кислоты частично превратившейся в в результате взаимодействия с ионами быстро восстанавливается за счет большого запаса газообразной в легких.

Дополнение 4-3. Как работает бикарбонатная система крови

Буферная система крови включает три взаимосвязанных обратимых равновесия между газообразной в легких и бикарбонат-ионом () в плазме крови (рис. 1). Когда ионы попадают в кровь при ее протекании через сосуды тканей, их концентрация сразу же повышается. Это приводит к тому, что равновесие реакции 3 (рис. 1) смещается и устанавливается новое равновесие, соответствующее более высокой концентрации что в свою очередь приводит к повышению концентрации в крови.

Рис. 1. Между в воздушном пространстве легких и бикарбонатыым буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается равновесие. Так как концентрация растворенной может быть быстро отрегулирована путем изменений скорости дыхания, бикарбонатная буферная система крови находится почти в равновесии с обширным потенциальными резервуаром

В результате давление в газовой фазе легких тоже повышается и лишняя выдыхается. Наоборот, когда в плазму крови поступает некоторое количество ионов события происходят в обратной последовательности. Понижение концентрации ионов вызывает диссоциацию части молекул на ионы и , а это в свою очередь приводит к растворению в плазме крови некоторого дополнительного количества , содержащегося в легких. Таким образом, высокая интенсивность процесса дыхания, т.е. высокая скорость вдыхания воздуха и выдыхания может обеспечить достаточно быстрые сдвиги этих равновесий, что обусловливает сохранение постоянной величины pH в крови.

Растворяется в крови, образуя , которая вступает в реакцию с водой, что приводит к образованию (см. дополнение 4-3). И наоборот, когда величина pH крови почему-либо уменьшается, некоторое количество буферной системы связывается с избытком ионов и образуется избыток . Эта распадается, выделяя растворенную которая в свою очередь переходит в газовую фазу в легких и в конце концов выдыхается организмом. По мере того как кровь протекает через многочисленные капиллярные сосуды в легких, ее бикарбонатная буферная система быстро приходит почти в равновесное состояние с С02 в газовом пространстве легких.

Совместное функционирование бикарбонатной буферной системы и легких представляет собой очень ответственный механизм, обеспечивающий поддержание постоянной величины рн крови.

Величина pH плазмы крови поддерживается на удивительно постоянном уровне. В норме плазма крови имеет pH, близкий к 7,40. Нарушения механизмов, регулирующих величину pH, наблюдающиеся, например, при тяжелых формах диабета вследствие ацидоза, обусловленного «перепроизводством» метаболических кислот, вызывают падение pH крови до величины 6,8 и ниже, что в свою очередь, может приводить к непоправимым последствиям и смерти. При некоторых других заболеваниях величина pH крови иногда достигает столь высоких значений, что она уже не поддается нормализации. Поскольку повышение концентрации ионов всего лишь на (приблизительная разница между кровью при и кровью при может оказаться опасным для жизни, возникает вопрос: какие молекулярные механизмы обеспечивают поддержание величины pH в клетках со столь высокой точностью? Величина pH влияет на многие структурные и функциональные свойства клетки, однако к изменениям pH особенно чувствительна каталитическая активность ферментов. На рис. 4-13 приведены типичные кривые, характеризующие зависимость активности некоторых ферментов от pH. Видно, что каждый из этих ферментов проявляет максимальную активность при определенном значении pH, которое называется оптимумом pH. Отклонение величины pH в любую сторону от этого оптимального значения часто сопровождается резким падением активности фермента. Таким образом, небольшие сдвиги pH могут приводить к значительным изменениям скорости некоторых жизненно важных для организма ферментативных реакций, протекающих, например, в скелетных мышцах или в мозгу.

Рис. 4-13. Влияние на активность некоторых ферментов. Каждый фермент имеет характерную для него кривую зависимости - активность.

Биологический контроль, обеспечивающий постоянство pH в клетках и жидкостях организма, имеет, следовательно, исключительно важное значение для всех аспектов метаболизма и клеточной активности.

Поскольку кровь – не просто внеклеточная жидкость, а взвесь клеток в жидкой среде, то ее кислотно-щелочное равновесие поддерживается совместным участием буферных систем плазмы и клеток крови, главным образом эритроцитов. Различают следующие буферные системы крови: плазменные (гидрокарбонатная, фосфатная, органических фосфатов и белковая) и эритроцитарная (гемоглобиновая, гидрокарбонатная, фосфатная).

Главным буфером плазмы крови является гидрокарбонатная система Н 2 СО 3 / НСО 3 –

Гидрокарбонатная(бикарбонатная) буферная система

Она состоит из угольной кислоты и гидрокарбонатов (NaHCO 3 – во внеклеточной жидкости, КНСО 3 – внутри клеток). В организме угольная кислота возникает в результате гидратации диоксида углерода – продукта окисления углеводов, белков и жиров. Причем процесс этот ускоряется под действием фермента карбоангидразы.

СО 2 + Н 2 О ⇄ СО 2 ·Н 2 О ⇄ Н 2 СО 3

Отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [Н 2 СО 3 ] / [НСО 3 – ] = 1 / 20. Следовательно, гидрокарбонатная система имеет буферную емкость по кислоте значительно больше буферной емкости по основанию. Т.е. этот буфер особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотность крови. К числу таких веществ прежде всего относят молочную кислоту, избыток которой образуется в результате интенсивной физической нагрузки. (В замкнутых помещениях часто испытывают удушье – нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько с недостатком кислорода, сколько с избытком СО 2 . Избыток СО 2 в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО 2 в крови, а это соответственно приводит к понижению рН, т.е к ацидозу.)

Механизм буферного действия.

Компоненты: Н 2 СО 3 / НСО 3 –

В этой системе донором протона является угольная кислота Н 2 СО 3 , а акцептором протона – гидрокарбонат-ион НСО 3 – .

Если в кровь поступает кислота и увеличивается концентрация иона водорода, то он взаимодействует с НСО 3 – , образуя Н 2 СО 3 и приводит к выделению газообразного СО 2 , который выводится из организма в процессе дыхания через легкие.

Н + + НСО 3 – Н 2 СО 3 СО 2 + Н 2 О

Концентрация слабой кислоты при этом увеличивается, а концентрация соли (сопряженного основания) на ту же величину уменьшается ⇒ рН не изменится, т.к. АК переходит в ПК. ПК и ОК , а АК не изменяется.

При поступлении в кровь оснований, они связываются угольной кислотой:

ОН – + Н 2 СО 3 НСО 3 – + Н 2 О

рН при этом почти не изменится за счет смещения ионизации кислоты вправо в результате связывания одного из продуктов ионизации – протонов – в слабый электролит (воду). Концентрация слабой кислоты при этом уменьшится, а концентрация соли на эту же величину увеличится. рН не изменится, т.к. ПК переходит в АК. ПК и ОК ↓, а АК не изменится.

Главное назначение гидрокарбонатной системы заключается в нейтрализации кислот. Этот буфер является системой быстрого реагирования, т.к. продукт его взаимодействия с кислотами - углекислый газ – быстро выводится через легкие.

Гидрокарбонатный буфер определяет в крови кислотно-щелочное равновесие (КЩР) и является щелочным резервом крови (ЩР). Щелочной резерв крови – показатель функциональных возможностей буферных систем крови, представляющий собой количество двуокиси углерода, которое может быть связано 100 мл плазмы крови, предварительно приведенной в состояние равновесия с газовой средой, в которой парциальное давление СО 2 составляет 40 мм рт. ст., т.е. способность крови связывать СО 2 .

Гидрокарбонатный буфер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.

Гидрофосфатная буферная система

Компоненты Н 2 РО 4 – / НРО 4 2–

Она состоит из дигидрофосфатов и гидрофосфатов (NaH 2 РO 4 и Na 2 HРO 4 – в плазме крови и межклеточной жидкости, КН 2 РО 4 и К 2 HРO 4 – внутри клеток). Роль донора протона в этой системе играет ион Н 2 РО 4 – , а акцептора протона – ион НРО 4 2– . В норме отношение Н 2 РО 4 – / НРО 4 2– = 1 / 4. Следовательно, буферная емкость по кислоте больше, чем по основанию.

При увеличении концентрации ионов водорода (например, при переработке мясной пищи), происходит их нейтрализация ионами НРО 4 2– . Н + + НРО 4 2– ⇄ Н 2 РО 4 – .При увеличении концентрации оснований в организме (например, при употреблении растительной пищи), они нейтрализуются ионами Н 2 РО 4 – .

ОН – + Н 2 РО 4 – ⇄ НРО 4 2– + Н 2 О

Избыточное количество дигидрофосфат и гидрофосфат ионов выводится почками.

В отличие от гидрокарбонатной (в которой восстановление отношения достигается в течение 10-18 часов за счет изменения объема легочной вентиляции), в гидрофосфатной системе полное восстановление отношения компонентов происходит только через 2-3 суток. Фосфатный буфер в крови находится в тесной связи с бикарбонатной буферной системой.

Органические фосфаты также обладают буферными свойствами, но мощность их слабее, чем неорганического фосфатного буфера.

Белковая буферная система

Буферные свойства белков крови обусловлены способностью аминокислот ионизироваться. Конечные карбокси- и аминогруппы белковых цепей играют в этом отношении незначительную роль, так как таких групп мало. Значительно больший вклад в создание буферной емкости белковой системы вносят боковые группы, способные ионизироваться.

Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно-основных групп в молекуле белков.

К буферным белкам крови относятся как белки плазмы (в особенности альбумин), так и содержащийся в эритроцитах гемоглобин.

Особое значение гемоглобинового буфера заключается в том, что кислотность гемоглобина зависит от его степени окисления. При нормальных пределах рН оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Это обусловлено влиянием кислорода, связанного с железом, на сродство ближайших имидазольных групп гистидина к ионам водорода. Благодаря этому гемоглобин, освобождаясь в тканях от кислорода, приобретает большую способность к связыванию ионов водорода, а в венозной крови в результате выделения углекислого газа тканями, происходит накопление в крови этих ионов. При поглощении кислорода в легких происходят обратные процессы.

Гемоглобиновая буферная система

Является, разумеется, частью белкового буфера, но выделяется отдельно в связи с особой локализацией - внутри эритроцитов - и особой функцией.

Представлена кислотами гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженным им основаниями – соответственно гемоглобинат и оксигемоглобинат ионами.

Компоненты НHb / Нb – и НHbО 2 / НbО 2 –

Гемоглобиновый буфер – главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной емкости крови. Оксигемоглобин более сильная кислота, чем гемоглобин. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода от тканей к легким и угольной кислоты. Системы гемоглобина и оксигемоглобина являются взаимопревращающимися системами и существуют как единое целое. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами крови. Эта буферная система в эритроцитах тесно связана с гидрокарбонатной системой.

В эритроцитах рН поддерживается постоянным благодаря действию трех буферных систем:

Сила этих кислот и оснований изменяется следующим образом:

HHb < H 2 CO 3 < HHbO 2

Hb – > HCO 3 – > HbO 2 –

Перенос протона происходит по схеме:

В капиллярах тканей

Кислород отдают тканям оксигемоглобиновая кислота и его сопряженное основание (гемоглобинат-ион).

HHbO 2 ® O 2 + HHb

В результате метаболизма накапливаются углекислый газ и вода, образуя угольную кислоту, которая взаимодействует с сильным основанием Hb – с образованием слабой кислоты HHb и основания средней силы НСО 3 – .

HHb и НСО 3 – диффундируют через оболочку эритроцитов в плазму и уносятся с током крови в легкие.

В капиллярах легких слабая кислота HHb связывает О 2 , образуется сильная кислота HHbO 2 ,

HHb + O 2 ® HHbO 2

которая частично взаимодействует с основанием HCO 3 – с образованием Н 2 СО 3 ,

а частично вместе с сопряженным основанием HbO 2 – возвращается с током крови в ткани. Образовавшаяся Н 2 СО 3 разлагается под действием фермента карбоангидразы на воду и углекислый газ,

Н 2 СО 3 Н 2 О + СО 2

которые выводятся через легкие.

Помимо буферных систем крови, активное участие принимают также система дыхания и мочевыделительная система.

Ацидоз и алкалоз

При ряде патологических состояний в крови накапливаются такие большие количества кислот или оснований, что буферные системы крови, дыхательная и выделительная системы уже не могут поддерживать рН на постоянном уровне. В зависимости от того, в какую сторону изменяется реакция крови, различают 2 типа нарушений КЩР.

Понижение рН крови по сравнению с нормальным уровнем (рН ‹ 7,37) называется ацидозом , а повышение (рН › 7,43) - алкалозом.

Ацидоз – смещение рН в кислую сторону, рН уменьшается, концентрация ионов водорода растет.

Алкалоз – смещение рН в щелочную область, рН растет, концентрация ионов водорода уменьшается.

Каждый из этих двух типов подразделяется еще на несколько разновидностей в зависимости от причины сдвига рН. Такие сдвиги могут наступать при изменениях вентиляции легких (поражения легких могут сопровождаться увеличением напряжения СО 2 в крови, и гипервентиляции приводят к снижению этого напряжения. Подобные состояния называют дыхательным (респираторным) ацидозом или алкалозом.

Дыхательный ацидоз

Характеризуется повышением парциального давления СО 2 и концентрации углекислоты в крови, а также компенсаторным подъемом гидрокарбонатов чаще всего наблюдается: при пневмонии; при недостаточности кровообращения с застоем в малом кругу кровообращения; под влиянием препаратов, угнетающих дыхательный центр (морфий и его производные); при общем наркозе.

Дыхательный алкалоз

Развивается, когда вследствие альвеолярной гипервентиляции возникает гипокапния - Р (СО 2) 36 мм рт. ст. Несмотря на то, что содержание гидрокарбоната несколько падает вследствие уравновешивания между СО 2 и Н 2 СО 3 , отношение [НСО 3 ] к [α·Р (СО 2)] повышается, а поэтому повышается и рН.

При стойкой гипокапнии клетки почечных канальцев выводят дополнительное количество гидрокарбоната, восстанавливая нормальное отношение [НСО 3 ] к [α·Р (СО 2)]. Восстановление рН может быть почти полным и этот процесс называют компенсированным дыхательным алкалозом.

При нарушениях обмена веществ в крови могут накапливаться нелетучие кислоты; напротив, поступление в кровь оснований или потеря НСl могут сопровождаться уменьшением содержания этих кислот. Такие состояния называют метаболическим ацидозом или алкалозом легких. Метаболический алкалоз с первичным повышением концентрации гидрокарбонатов встречается при: Избыточном и бесконтрольном введении щелочных растворов, Упорной рвоте, Дефиците калия в организме, Врожденном алкалозе с гипокалиемией. Метаболический ацидоз, характеризующийся уменьшением концентрации НСО 3 ¯ в плазме, наблюдается при следующих заболеваниях и состояниях: У детей периода новорожденности, Токсические состояния на почве ЖКЗ у детей раннего возраста, Голодание, После длительного введения хлорида аммония или хлорида кальция, Диабетическая кома, Почечная гломерулярная недостаточность.

Поскольку рН крови может изменяться также при поражениях почек, сдвиги КЩР, обусловленные почечными или обменными нарушениями объединяют под названием нереспираторный ацидоз или алкалоз.

Оценка КЩР

Оценка КЩР крови имеет большое значение в клинике. Для такой оценки необходимо измерить ряд показателей, позволяющих выявить у больного ацидоз либо алкалоз и судить о том, является он респираторным или нереспираторным.

Заключение о состоянии КЩР позволяет выбрать правильное лечение. Необходимо измерить следующие показатели артериальной крови:

По величине рН можно судить о том, является ли содержание ионов Н в крови нормальным (рН 7,37-7,43) или сдвинуто в ту либо иную сторону. В то же время нормальное значение рН еще не позволяет с уверенностью говорить об отсутствии нарушения КЩР, т.к. в этом случае нельзя исключить компенсированный ацидоз, либо алкалоз.

2. Парциальное давление углекислого газа.

Повышение или снижение напряжения СО 2 по сравнению с его нормальным уровнем (35-45 мм рт. ст.) служит признаком респираторного нарушения КЩР.

3.Избыток оснований (base excess, ВЕ).

По величине ВЕ можно сделать вывод о наличии нереспираторного нарушения КЩР. Изменения этой величины (норма от-2,5 до +2,5 ммоль/л) непосредственно отражают снижение или увеличение содержания нелетучих кислот в крови.

4.Стандартный бикарбонат.

В качестве показателя нереспираторного нарушения КЩР иногда используют так называемый “стандартный бикарбонат”. Это величина соответствует содержанию бикарбоната в плазме крови, полностью насыщенной с газовой смесью. В норме “стандартный бикарбонат” равен 24 ммоль/л. Этот показатель не отражает буферный эффект белков, поэтому он сравнительно малоинформативен.

Огромную роль для нормального функционирования человеческого организма играет кислотно-основное равновесие. Циркулирующая в организме кровь представляет собой смесь живых клеток, которые находятся в жидкой среде обитания. Первой чертой охраны, что контролирует уровень pH в крови, выступает . Это физиологический механизм, который обеспечивает сохранение параметров кислотно-основного баланса, препятствуя перепадам pH. Что он собой представляет и какие имеет разновидности, узнаем ниже.

Описание

Буферная система - это уникальный механизм. В организме человека существует их несколько, и все они состоят из плазмы и клеток крови. Буферы представляют собою основания (белки и неорганические соединения), которые связывают или отдают Н+ и ОН-, уничтожая сдвиг pH в течение тридцати секунд. Способность буфера поддерживать кислотно-основный баланс зависит от количества элементов, из которых он слагается.

Виды буферов крови

Кровь, которая постоянно движется, представляет собой живые клетки, которые существуют в жидкой среде. pH в норме составляет 7,37-7,44. Связка же ионов происходит определенным буфером, приведена ниже. Сам же он состоит из плазмы и кровяных клеток и может быть фосфатным, белковым, бикарбонатным или гемоглобиновым. Все эти системы имеют достаточно действия. Их деятельность нацелена на урегулирование уровня ионов в крови.

Особенности буфера гемоглобинового

Гемоглобиновая буферная система является самой мощной из всех, она представляет собой щелочь в капиллярах тканей и кислоту в таком внутреннем органе, как легкие. На ее долю приходится около семидесяти пяти процентов всей буферной емкости. Этот механизм участвует во множестве процессах, что происходят в крови человека, и имеет в своем составе глобин. При переходе гемоглобинового буфера в другую форму (оксигемоглобин), наблюдается изменение этой формы, изменяются и кислотные свойства действующего вещества.

Качество восстановленного гемоглобина меньшее, чем у угольной кислоты, но становится намного лучше, когда он окисляется. Когда приобретается кислотность pH, гемоглобин соединяет ионы водорода, получается так, что он уже восстановленный. Когда происходит очищение углекислого газа в легких, pH получается щелочным. В это время гемоглобин, который окислился, выступает донором протонов, при помощи чего происходит уравновешивание кислотно-основного баланса. Так, буфер, что состоит из оксигемоглобина и его калиевой соли, способствует выделению из организма углекислоты.

Эта буферная система выполняет немаловажную роль в дыхательном процессе, так как совершает транспортную функцию по переносу к тканям и внутренним органам кислорода и удалению из них углекислоты. Кислотно-основное равновесие внутри эритроцитов при этом придерживается на постоянном уровне, следовательно, в крови также.

Таким образом, когда кровь насыщается кислородом, гемоглобин превращается в сильную кислоту, а когда кислород он отдает, то превращается в достаточно слабую органическую кислоту. Системы оксигемоглобина и гемоглобина - взаимопревращающиеся, они существуют как одно целое.

Особенности бикарбонатного буфера

Бикарбонатная буферная система выступает также мощной, но и самой управляемой в организме. На ее долю приходится около десяти процентов всей буферной емкости. Она имеет универсальные свойства, которые обеспечивают ее двухстороннюю эффективность. В состав этого буфера входит сопряженная кислотно-щелочная пара, что состоит из таких молекул, как угольная протона) и бикарбонат аниона (акцептор протона).

Так, бикарбонатная буферная система способствует протеканию систематического процесса, где в кровь попадает мощная кислота. Этот механизм связывает кислоту с бикарбонатом анионов, образуя кислоту угольную и ее соль. При попадании щелочи в кровь буфер связывается с угольной кислотой, образуя бикарбонатную соль. Так как гидрокарбоната человека больше, чем угольной кислоты, данная буферная емкость будет иметь высокую кислотность. Другими словами, гидрокарбонатная буферная система (бикарбонатная)очень хорошо проводит компенсацию веществ, которые повышают кислотность крови. К ним относится и молочная кислота, концентрация которой увеличивается при интенсивных физических нагрузках, а данный буфер очень быстро реагирует на изменения кислотно-основного баланса в крови.

Особенности фосфатного буфера

Фосфатная буферная система человека занимает близко двух процентов всей буферной емкости, что связано с содержанием в крови фосфатов. Этот механизм поддерживает показатель pH в моче и жидкости, что находится внутри клеток. Буфер состоит из неорганических фосфатов: одноосновного (выполняет роль кислоты) и двухосновного (выполняет роль щелочи). При нормальном показателе pH соотношение кислоты и основания равняется 1:4. При увеличении количества ионов водорода связывается с ними, образуя кислоту. Этот механизм больше кислотный, чем щелочной, поэтому он отлично нейтрализует поступающие в кровь человека кислые метаболиты, например, молочную кислоту.

Особенности белкового буфера

Белковый буфер играет не такую особую роль в стабилизации кислотно-щелочного баланса, по сравнению с другими системами. На его долю приходится около семи процентов всей буферной емкости. Белки состоят из молекул, которые объединяются в кислотно-щелочные соединения. В они выступают щелочами, которые связывают кислоты, в щелочной среде все происходит наоборот.

Это приводит к тому, что образуется , которая достаточно эффективна при значении pH от 7,2 до 7,4. Большая доля белков представлена альбуминами и глобулинами. Так как белковый заряд нулевой, то при нормальном показателе pH он находится в виде щелочи и соли. Эта буферная емкость зависит от количества белков, их структуры и свободных протонов. Данный буфер может нейтрализовать и кислые, и щелочные продукты. Но емкость она имеет больше кислотную, чем щелочную.

Особенности эритроцитов

В норме эритроциты имеют постоянный показатель pH - 7,25. Здесь оказывают действие гидрокарбонатный и фосфатный буферы. Но по мощности они отличаются от тех, что находятся в крови. В эритроцитах белковый буфер играет особую роль в обеспечении органов и тканей кислородом, а также удалению из них углекислоты. Кроме этого, он поддерживает постоянное значение внутри эритроцитов pH. Белковый буфер в эритроцитах тесно связан с гидрокарбонатной системой, так как соотношение кислоты и соли здесь меньшее, чем в крови.

Пример буферной системы

Растворы сильных кислот и щелочей, которые обладаю слабыми реакциями, имеют непостоянный показатель pH. Но смесь кислоты уксусной с ее солью сохраняет имеет стабильное значение. Даже если к ним добавить кислоту или щелочь, кислотно-основное равновесие не изменится. В качестве примера можно рассмотреть ацетатный буфер, который состоит из кислоты СН 3 СООН и ее соли СН 3 СОО. Если добавить сильную кислоту, то основание соли свяжет ионы Н+ и превратится в кислоту уксусную. Снижение уровня анионов соли уравновешивается увеличением молекул кислоты. В результате этого наблюдается незначительное изменение в соотношении кислоты и ее соли, поэтому pH изменяется совсем незаметно.

Механизм действия буферных систем

При поступлении в кровь кислых или щелочных продуктов буфер обеспечивает постоянное значение pH до тех пор, пока поступившие продукты не выведутся или не используются в процессах метаболизма. В крови человека представлены четыре буфера, каждый из которых состоит из двух частей: кислоты и ее соли, а также сильной щелочи.

Эффект буфера обуславливается тем, что он связывает и нейтрализует ионы, которые поступают соответствующим ему составом. Поскольку в природе организм больше всего сталкивается с недоокисленными продуктами обмена, свойства буфер имеет антикислотные больше, чем антищелочные.

Каждая буферная система имеет свой принцип работы. При снижении уровня pH ниже отметки 7,0 начинается их активная деятельность. Они начинают связывать излишки свободных ионов водорода, образуя комплексы, которые перемещают кислород. Он, в свою очередь, перемещается к системе пищеварения, легким, коже, почкам и так далее. Такая транспортировка способствует их разгрузке и выведению.

В организме человека только четыре буферные системы играют важные роли в сохранении кислотно-основного равновесия, но существуют и другие буферы, например, ацетатная буферная система, которая имеет слабую кислоту (донор) и ее соль (акцептор). Способность этих механизмов противостоять изменениям pH при попадании кислоты или соли в кровь является ограниченной. Они поддерживают кислотно-щелочное равновесие только в том случае, когда сильная кислота или щелочь поступают в определенном количестве. Если оно будет превышено, pH резко изменится, буферная система прекратит свое действие.

Эффективность буферов

Буферы крови и эритроцитов имеют различную эффективность. У последних она выше, так как здесь присутствует гемоглобиновый буфер. Уменьшение количества ионов происходит по направлению от клетки до межклеточной среды, а затем до крови. Это говорит о том, что самая большая буферная емкость у крови, а меньшую имеет внутриклеточная среда.

При метаболизме в клетках появляются кислоты, которые проходят в межклеточную жидкость. Это происходит тем легче, чем их больше появляется в клетках, поскольку переизбыток ионов водорода увеличивает проницаемость мембраны клетки. Нам уже известна . В эритроцитах они имеют более эффективные свойства, так как здесь еще играют роль коллагеновые волокна, которые реагируют набуханием на накопление кислоты, они ее поглощают и освобождают от ионов водорода эритроциты. Такая его способность обуславливается свойством абсорбции.

Взаимодействие буферов в организме

Все механизмы, которые находятся в организме, взаимосвязаны между собой. Буферы крови состоят из нескольких систем, вклад которых в поддержание кислотно-щелочного баланса различный. При попадании крови в легкие она получает кислород путем его связывания в эритроцитах гемоглобином, образуя оксигемоглобин (кислоту), что поддерживает уровень pH. При содействии карбоангидразы происходит параллельное очищение крови легких от углекислоты, которая в эритроцитах представлена в виде слабой двухосновной угольной кислотой и карбаминогемоглобином, а в крови - углекислотой и водой.

При уменьшении в эритроцитах количества слабой двухосновной угольной кислоты происходит проникновение ее из крови в эритроцит, и очищение крови от углекислоты. Таким образом, из клеток в кровь постоянно проходит слабая двухосновная угольная кислота, а из крови в эритроциты для соблюдения нейтральности поступают неактивные анионы хлорида. В результате этого в красных клетках крови среда более кислотная, чем в плазме. Все системы буферов обосновываются отношением донор-акцептор протона (4:20), что связано с особенностями метаболизма организма человека, который образует большее число кислотных продуктов, чем щелочных. Очень важным здесь является показатель кислотных буферных емкостей.

Обменные процессы в тканях

Кислотно-основной баланс поддерживается буферами и метаболическими превращениями в тканях организма. Этому помогают биохимические и Они способствуют потере кислотно-щелочных свойств продуктов обмена веществ, их связыванию, образованию новых соединений, которые быстро выводятся из организма. Например, большое количество молочной кислоты выводится в гликоген, органические кислоты нейтрализуются солями натрия. Сильные кислоты и щелочи растворяются в липидах, а органические кислоты подвергаются окислению, образуя угольную кислоту.

Таким образом, буферная система - это первый помощник при нормализации кислотно-щелочного баланса в организме человека. Стабильность pH нужна для нормальной работы биологических молекул и структур, органов и тканей. При нормальных условиях буферные процессы поддерживают равновесие между появлением и удалением ионов водорода и углекислого газа, что способствует обеспечению в крови постоянного уровня pH.

Если происходит сбой в работе буферных систем, то у человека появляются такие патологии, как алкалоз или ацидоз. Все буферные системы взаимосвязаны и направлены на поддержание стабильного кислотно-основного равновесия. В организме человека постоянно образуется большое число кислых продуктов, которое эквивалентно тридцати литрам сильной кислоты.

Постоянство реакций внутри организма обеспечивают мощные буферы: фосфатный, белковый, гемоглобиновый и бикарбонатный. Существуют и другие буферные системы, но эти являются основными и самыми нужными для живого организма. Без их помощи у человека начнут развиваться различные патологии, которые могут привести к коме или летальному исходу.

Белковая буферная система представляет собой совокупность альбуминов и глобулинов - белков, составляющих основную часть плазмы крови (~90%).

Изоэлектрические точки этих белков лежат в интервале значений рН = 4,9-6,3, т. е., в слабокислой среде. Поэтому в физиологических условиях (при рН = 7,4) белки находятся преимущественно в формах «белок-основание» и соль «белка-основания».

Соответствующее кислотно-основное равновесие:

смещено в сторону преобладания формы «белок-основание».

Буферная емкость, определяемая белками плазмы, зависит от концентрации белков, их вторичной и третичной структуры и числа свободных протонакцепторных групп. Эта система может нейтрали-зовать как кислые, так и основные продукты. Однако вследствие преобладания формы «белок-основание», ее буферная емкость значи-тельно выше по кислоте и составляет: для альбуминов = 10 ммоль/л, а для глобулинов = 3 ммоль/л.

4. Аминокислотная буферная система.

Буферная емкость свободных аминокислот плазмы крови незначительна как по кислоте, так и по щелочи. Это связано с тем, что почти все аминокислоты имеют значения , заметно отличающиеся от 7,4. Поэтому при физиологическом значении рН = 7,4 их мощность мала. Практически только одна аминокислота - гистидин ( = 6,0) - обладает значительным буферным действием при значениях рН, близких к рН плазмы крови.

Таким образом, мощность буферных систем плазмы крови уменьшается в ряду:

гидрокарбонатная > белковая > фосфатная > аминокислотная

Эритроциты

Во внутренней среде эритроцитов норме соответствует рН = 7,25. Здесь также действуют гидрокарбонатная и фосфатная буферные системы. Однако их мощность отличается от таковой в плазме крови. Кроме того, в эритроцитах большую роль играет белковая система гемоглобин-оксигемоглобин , на долю которой приходится около 75% всей буферной емкости крови.

Гемоглобин является слабой кислотой ( = 8,2) и диссоци-ирует по уравнению:

HHb ⇄H + + Hb -

При физиологическом значении рН = 7,25 этот описывается уравнением Гендерсона-Гассельбаха:

,

из которого видно, что:

.

Таким образом, при рН = 7,25 кислота HHb диссоциирована только на 10% и концентрация солевой формы гемоглобина (Hb -) значительно меньше, чем концентрация кислоты (HHb).

Система HHb/Hb - может активно нейтрализовать кислые и основные продукты метаболизма, однако обладает более высокой емкостью по щелочи, чем по кислоте.

В легких гемоглобин реагирует с кислородом. При этом образуется оксигемоглобин HHbО 2:

HHb +O 2 ⇄HHbО 2 ,

который переносится артериальной кровью в капиллярные сосуды, откуда кислород попадает в ткани.

Оксигемоглобин - слабая кислота ( = 6,95), но существенно более сильная, чем гемоглобин ( = 8,2). При физиологическом значении рН = 7,25 кислотно-основному равновесию:

HHbО 2 ⇄H + + HbО 2 -

соответствует уравнение Гендерсона-Гассельбаха:

.

Отсюда можно заключить, что С(HbО 2 -)/С(HHbО 2) = 2:1 и доля продиссоциировавших молекул HHbО 2 составляет примерно 65%.

При добавлении кислот нейтрализовать ионы H + в первую очередь будут анионы гемоглобина Hb - :

Hb - + H + ⇄ HHb,

так как они имеют большее сродство к протону, чем ионы HbO 2 - .

При действии оснований в первую очередь будет реагировать более сильная кислота оксигемоглобин HHbO 2:

HHbO 2 + OH - ⇄ HbO 2 - + H 2 O,

однако и кислота гемоглобин также будет участвовать в нейтрализации поступающих в кровь ионов OH - :

HHb + OH - ⇄ Hb - + H 2 O.

Система гемоглобин-оксигемоглобин играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них метаболического СО 2), так и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом.

В организме человека все буферные системы взаимосвязаны. Так, в эритроцитах гемоглобин-оксигемоглобиноваябуферная система тесно связана с гидрокарбонатной буферной системой. Поскольку внутри эритроцитов рН равен 7,25, то соотношение концентраций соли (НСО 3 -) и кислоты Н 2 СО 3 здесь несколько меньше, чем в плазме крови. Действительно, из уравнения Гендерсона-Гассельбахаследует, что в эритроцитах C(НСО 3 -)/С(Н 2 СО 3) = 14:1. Тем не менее, несмотря на то, что буферная емкость этой системы по кислоте внутри эритроцитов несколько меньше, чем в плазме, она эффективно поддерживает постоянство рН.

Фосфатная буферная система играет в клетках крови гораздо более важную роль, чем в плазме крови. Прежде всего это связано с тем, что в эритроцитах содержится большое количество неорганичес-ких фосфатов, главным образом, KH 2 PO 4 и K 2 HPO 4 . Кроме того, большую роль в поддержании постоянства рН имеют эфиры фосфорных кислот -главным образом, фосфолипиды , составляющие основу мембран эритроцитов.

Фосфолипиды являются относительно слабыми кислотами. Значения фосфатных групп находятся в пределах от 6,8 до 7,2. Следовательно, при физиологическом значении рН = 7,25 фосфолипиды мембран эритроцитов находятся как в виде неионизированных, так и в виде ионизированных форм, т.е. в виде слабой кислоты и ее соли. При этом соотношение концентраций соли и кислоты приблизительно составляет (1,5-4):1. Таким образом, сама мембрана эритроцитов обладает буферным действием и поддерживает посто-янство рН внутренней среды эритроцитов.

В случаях, когда буферная и выделительная защита организма исчерпывает свои возможности и развивается тяжелая форма ацидоза (алкалоза), прибегают к медикаментозному подавлению этих наруше-ний. Так, при газовой форме ацидоза внутривенно вводят препараты основного характера, представляющие собой соли слабых кислот: 4%-й раствор NaHCO 3 , раствор натриевой соли лимонной кислоты - цитрат натрия (Na 3 Cit) и др., которые нейтрализуют избыточную кислотность, связывая ионы H + в слабые кислоты:

H + + HCO 3 - H 2 CO 3 H 2 O + CO 2

Ликвидацию метаболической формы ацидоза также проводят пу-тем введения солей слабых кислот и других препаратов, обладающих свойством проходить через фосфолипидные мембраны.

При алкалозе вводят растворы слабых кислот, например, 4%-й раствор аскорбиновой кислоты.

Однако перечисленные методы медикаментозного вмешательства не имеют, строго говоря, лечебного эффекта: они позволяют лишь «выиграть время» для более детального установления причин возник-новения отклонений и назначения курса лечения или профилактики.

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 ёмкости). Фосфатный буфер состоит из двух компонентов: щелочного - (Na 2 HPO 4) и кислого - (NaH 2 PO 4).

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 H 2 CO 3 и уменьшается содержание NaHCO 3:

H 2 CO 3 + Na 2 HPO 4  NaHCO 3 + NaH 2 PO 4

В результате избыток угольной кислоты устраняется, а уровень NaHCO 3 возрастает.

Белковая буферная система

Белковая буферная система - главный внутриклеточный буфер. Он составляетпримерно 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 ёмкий буфер крови - составляет более половины всей её буферной ёмкости. Гемоглобиновый буфер состоит из кислого компонента - оксигенированного Hb - HbO 2 и основного - неоксигенированного. HbO 2 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 её участии в транспорте CO 2 от тканей к лёгким.

В капиллярах большого круга кровообращения HbO 2 отдаёт кислород. В эритроцитах CO 2 взаимодействует с H 2 O и образуется H 2 CO 3 . Эта кислота диссоциирует на HCO 3 – и H + , который соединяется с Hb. Анионы HCO 3 – из эритроцитов выходят в плазму крови, а в эритроциты поступает эквивалентное количество анионов Cl – . Остающиеся в плазме крови ионы Na + взаимодействуют с HCO 3 – и благодаря этому восстанавливают её щелочной резерв.

В капиллярах лёгких , в условиях низкого pСО 2 и высокого pО 2 , Hb присоединяет кислород с образованием HbO 2 . Карбаминовая связь разрывается, в связи с чем высвобождается CO 2 . При этом, HCO 3 – из плазмы крови поступает в эритроциты (в обмен на ионы Cl –) и взаимодействует с H + , отщепившимся от Hb в момент его оксигенации. Образующаяся H 2 CO 3 под влиянием карбоангидразы расщепляется на CO 2 и H 2 O. CO 2 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 ёмкости. Высвобождение карбоната кальция в плазму крови способствует эффективной нейтрализации избытка H + . В условиях хронической нагрузки кислыми соединениями (например, при хронической сердечной, печёночной, почечной, дыхательной недостаточности) кости могут обеспечивать до 50% буферной ёмкости 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 лёгких, почках, печени и ЖКТ.

Лёгкие

Лёгкие обеспечивают устранение или уменьшение сдвигов КОС путём изменения объёма альвеолярной вентиляции. Это достаточно мобильный механизм - уже через 1–2 мин после изменения объёма альвеолярной вентиляции компенсируются или устраняются сдвиги КОС.

Причиной изменения объёма дыхания является прямое или рефлекторное изменение возбудимости нейронов дыхательного центра.

Снижение рН в жидкостях организма (плазма крови, СМЖ) является специфическим рефлекторным стимулом увеличения частоты и глубины дыхательных движений. Вследствие этого лёгкие выделяют избыток CO 2 (образующийся при диссоциации угольной кислоты). В результате содержание H + (HCO 3 – + H + = H 2 CO 3 ® H 2 O + CO 2) 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 CO 2 , 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 лёгких в два 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 ВЁРСТКА Вставить файл « ПФ Рис 14 01 Реабсорбция HCO3‑ в клетках проксимального отдела»

Рис .14–1 .Реабсорбция HCO 3‑ в клетках проксимального отдела .

КА - карбоангидраза.

Ы ВЁРСТКА Вставить файл « ПФ Рис 14 02 Реабсорбция HCO3‑ в клетках проксимального отдела»

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 H 2 CO 3 . Реабсорбированный из просвета канальцев в плазму крови Na + участвует в регенерации плазменной гидрокарбонатной буферной системы (рис. 13–2).

Аммониогенез , как и ацидогенез, реализует эпителий канальцев нефрона и собирательных трубочек. Аммониогенез осуществляется путём окислительного дезаминирования аминокислот, преимущественно (примерно 2/3) - глютаминовой, в меньшей мере - аланина, аспарагина, лейцина, гистидина. Образующийся при этом аммиак диффундирует в просвет канальцев. Там NH 3 + присоединяет ион H + с образованием иона аммония (NH 4 +). Ионы NH 4 + замещают Na + в солях и выделяются преимущественно в виде NH 4 Cl и (NH 4) 2 SO 4 . 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:

Na 2 HPO 4 + H 2 CO 3  NaH 2 PO 4 + NaHCO 3

Образующийся гидрокарбонат натрия реабсорбируется в кровь и поддерживает гидрокарбонатный буфер, а NaH 2 PO 4 выводится из организма с мочой.

Таким образом, секреция H + эпителием канальцев при реализации трёх 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, ёмких 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 неё эпителиальными клетками. Реабсорбированный Na + в жидких средах организма участвует в регенерации гидрокарбонатной буферной системы. K + ,Na + ‑обмен контролируется альдостероном. Кроме того, альдостерон регулирует (увеличивает) объём секреции и экскреции H + .

Таким образом, почечные механизмы устранения или уменьшения сдвигов КОС осуществляются путём 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 глюкозы из 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 H 2 O и CO 2 , 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 кишечник кислых и основных веществ с жёлчью.

Желудок и кишечник

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

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

Изменения количества всасываемой жидкости . Это способствует нормализации водного и электролитного баланса в клетках, во внеклеточной и других биологических жидкостях и как следствие - - нормализации рН.

Реабсорбции компонентов буферных систем (Na + , K + , Ca 2+ , Cl – , HCO 3 –).

Похожая информация.