Глава 20. Кислотно-основное состояние

20.1. Механизмы регуляции кислотно-основного состояния

20.1.1. Физико-химические механизмы регуляции кислотно-основного состояния

Постоянная концентрация ионов водорода во внутренней среде организма является одним из ее важнейших физиологических свойств. Активность биохимических, физико-химических и физиологических процессов, составляющих функционально единую систему стабилизации количества ионов водорода, определяют как КОС.

Количество ионов водорода (Н⁺) во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях измеряется в наномолях. Например, в крови при сбалансированном метаболизме концентрация ионов водорода составляет 40 нмоль/л (40×10^–9 моль/л). Содержание Н⁺ составляет приблизительно одну миллионную от количества натрия, калия, кальция, магния, хлора и других ионов биологических сред организма. Однако регуляция концентрации ионов водорода на два порядка точнее регуляции любого из ионов, концентрация которого в крови выражается в более ощутимых величинах — ммоль/л, в отличие от концентрации Н⁺ (нмоль/л) [1, 4–9].

Стабильная концентрация Н⁺ необходима для нормального функционирования биомолекул, субклеточных структур, клеток, органов и организма в целом. В частности, оптимальные концентрации ионов водорода в организме необходимы для:

1)  формирования и сохранения физиологически активной, трехмерной структуры биомолекул (например, белковые молекулы при нефизио­логических концентрациях ионов водорода способны денатурировать и полностью утратить свою функциональную активность);

2)  проявления функциональной активности биомолекул и биологических структур (так, ферменты функционально активны как биокатализаторы при строго определенных концентрациях ионов водорода);

3)  перехода в растворенное состояние неорганических, низкомолекулярных и высокомолекулярных органических биомолекул (количество растворенных ионизированных форм кальция и магния находится в строгой зависимости от концентрации ионов водорода; щавелевая, мочевая и другие труднорастворимые кислоты требуют для растворения определенные концентрации ионов водорода; для белков концентрация ионов водорода, определяющая их минимальную растворимость, является одной из ключевых характеристик и называется изоэлектрической точкой); ионы водорода участвуют в системе реакций освобождения энергии, формируя трансмембранный электрохимический потенциал, преобразуемый в энергию химической связи АТФ; содержание ионов водорода в секрете клеток покровных тканей определяет активность их неспецифической защиты.

Количество ионов водорода выражается в виде отрицательного логарифма от молярной концентрации Н⁺ и записывается символом рН. Пра­вильное течение процессов обмена веществ возможно при незначительных колебаниях концентрации ионов водорода в тканях. В процессе метаболизма в результате превращений веществ в течение 24 ч образуется около 15 кммоль угольной кислоты (Н₂СО₃) и до 1 ммоль-экв/кг массы тела — нелетучих кислот. Основным источником нелетучих кислот являются серосодержащие белки пищи и распадающие­ся белки клеток, продукты неполного окисления жирных кислот и углеводов (кетокислоты, молочная кислота и др.). Значения рН, совместимые с жизнью, находятся в пределах от 6,80 до 7,80 ед. ([Н] от 160 до 16 нмоль/л). Состоянию нормы соответствует еще более узкий диапазон значений рН. В частности, для крови он составляет 7,37–7,44, со средним значением 7,40 ([Н] = 40 нмоль/л). Образующиеся в результате метаболизма кислоты, а при их диссоциации ионы водорода и основания, в норме не должны изменять величину рН за пределы диапазона физиологической нормы. В организме физиологический оптимум значений концентрации Н⁺ поддерживается благодаря сбалансированному уровню активности функционально единой системы, включающей биохимические, буферные и физиологические процессы [8].

Реакция организма на образование физиологически неприемлемых количеств СО₂ и Н⁺ включает:

1)  химическое действие вне- и внутриклеточных буферов;

2)  изменение интенсивности:

• внутриклеточных биохимических процессов образования Н⁺ и СО₂;
• альвеолярной вентиляции, контролирующей уровень рСО₂; 
• почечной экскреции Н⁺, реабсорбции и син­теза бикарбоната.

При нормальных условиях буферные, биохимические и физиологические процессы регуляции поддерживают устойчивое равновесие между образованием и удалением Н⁺ и СО₂, что обеспечивает в плазме крови рН 7,4 [3] (рис. 20.1).

Рис. 20.1. Продукция ионов водорода [Н⁺] в организме человека (pH крови отражает уровень равновесия между процессами продукции и удаления ионов водорода) (а); pH биологических сред организма в сравнении с плазмой крови (б)

Буферные системы

Соединения, предотвращающие резкое изменение концентрации ионов водорода, называются буферами. К ним относятся кислотно-основные пары, образованные слабыми кислотами (НА) и их кислотными остатками (А^–), которые обладают основными свойствами, так как способны связывать ионы водорода (Н⁺).

H⁺ + A^– ↔ HA

Основными буферными системами организма являются бикарбонатная, фосфатная и белковая, включающая гемоглобиновый буфер (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Буферные системы плазмы крови

Другие буферные системы организма менее важны в количественном отношении. Буферные системы в организме присутствуют как вне, так и внутри клеток. В буферной системе взаимосвязь между компонентами — ионами водорода, основными остатками и молекулами кислоты подчиняется закону действующих масс: