Реакция среды
Реакция среды (рН) определяется концентрацией в ней протонов водорода (Н+). Они влияют на степень ионизации белковых молекул и реализацию их функций: активность ферментов, процессы синтеза и расщепления органических веществ, взаимодействие клеточных рецепторов с лигандами.
Концентрацию протонов Н+ принято выражать через показатель рН (от англ. power hidrogenium — напряжение водорода) — отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации Н+. Таким образом, рН = -lg[H+]. Если рН = 7, то концентрация ионов Н+ равна 10-7 моль/л. Эта величина рН характерна для чистой дистиллированной воды; рН < 7 наблюдается в кислых растворах, в которых концентрация Н+>10-7 моль/л; рН>7 характерна для щелочных растворов с концентрацией Н+<10-7 моль/л.
pH крови
Интегральным показателем реакции внутренней среды организма является рН плазмы крови, величина которой в физиологических условиях колеблется в пределах 7,35-7,45. Такой уровень рН является жизненно важным и относительно «жестким» показателем гомеостаза. Сдвиг рН крови лишь на 0,1 за указанные границы сопряжен с нарушением функций кардиореспираторной системы; на 0,3 — с изменением состояния центральной нервной системы (угнетение ее функций или перевозбуждение); а на 0,4 — как правило, не совместим с жизнью.
Уменьшение уровня рН крови ниже 7,35 расценивается как ацидоз (закисление крови), а увеличение более 7,45 — как алкалоз (защелачивание крови). Основным источником протонов Н в организме является угольная кислота (Н2С03), которая образуется при взаимодействии углекислого газа (СО2) с водой. Углекислый газ образуется в клетках (как конечный продукт аэробного окисления питательных веществ) со скоростью 10-15 ммоль/мин. Гидратация СО2, приводит к образованию 13000-25000 ммоль Н2С03 в сутки, которая диссоциирует с образованием протонов водорода (Н+). Кроме того, в процессе метаболизма различных аминокислот и фосфолипидов образуются фосфорная, серная, соляная и другие кислоты — до 100 ммоль/сутки.
При усиленном потреблении белковой пищи в организме дополнительно создаются условия для попадания в кровь кислых соединений. И, наоборот, при преимущественно растительной диете увеличивается поступление в кровоток оснований. Однако, реакция крови остается достаточно постоянной, а отмечающиеся колебания рН крайне малы и кратковременны.
Буферные системы крови
Поддержание постоянства рН (изогидрии) обеспечивается физико-химическими и физиологическими механизмами регуляции (рис. 1.). К первым относят буферные системы (растворы).
Буферный раствор — это смесь (в определенных соотношениях) слабой кислоты и сопряженного с ней основания. Буферные системы находятся во всех жидких средах организма, в клетках и функционируют во взаимосвязи и взаимосодействии между собой. Основным свойством буферных систем является способность противодействовать изменению рН при добавлении к ним в небольших количествах сильных кислот или оснований. Они являются первой линией защиты организма от сдвигов рН, так как срабатывают мгновенно, предотвращая значительные изменения концентрации протонов Н+ (см. рис. 1).
К основным буферным системам крови относятся: гидрокарбонатная — [Н2С03] / [HCO3-] = 1/20; фосфатная — [Н2РО4-]/ [НР042-]=1/4; белковая (в плазме); гемоглобиновая (в эритроцитах). В тканевой жидкости, ликворе, лимфе главной буферной системой является гидрокарбонатная, а во внутриклеточной жидкости — фосфатная и белковая системы.
Рис. 1. Физико-химические (а) и физиологические (б) механизмы регуляции рН крови
Буферные системы не выводят продукты метаболизма из организма и возможность стабилизации ими сдвигов рН ограничивается величиной их емкости, которая определяется количеством эквивалентов сильной кислоты или основания, которые необходимо добавить для изменения рН буфера на единицу (при этом буферная система уже не функционирует). Поэтому для поддержания рН внутренней среды организма относительно стабильной необходимо постоянно выводить из организма кислые или щелочные продукты обмена, и особенно активно — при исчерпании емкости буферных систем. Эту функцию выполняют физиологические механизмы регуляции рН, которые включают механизмы респираторной и выделительной систем (почек), а также в определенной степени механизмы печени, желудочно-кишечного тракта и потовых желез (см. рис. 1).
Дыхательные механизмы регуляции рН крови являются второй линией защиты организма от нарушений кислотно-основного состояния за счет быстроты их реализации (3-12 мин после изменения рН) и активного участия в поддержании должной емкости гидрокарбонатной буферной системы через удаление С02 и регуляцию уровня Н2С03. Однако, регуляторные механизмы дыхательной системы обеспечивают восстановление рН при ее снижении, смещая рН в щелочную сторону лишь на 50-75%, и оказываются не эффективными при наличии избытка оснований в организме.
Почечные механизмы регуляции рН крови (см. рис. 1) представляют собой третью линию защиты организма от нарушений кислотно-основного состояния. Они осуществляются за счет способности почек экскретировать кислые или щелочные продукты обмена в составе мочи (до 500 ммоль/сут кислот или оснований при колебаниях рН мочи от 4,5 до 8,0) и регулировать уровень гидрокарбонатов в крови. Для восстановления нормальных значений рН с участием почечных механизмов требуется продолжительное время — от нескольких часов до нескольких суток. Их главная ценность заключается в возможности удаления из организма избытка нелетучих (не удаляемых через легкие) кислот либо оснований.
0.068 сек.