PH крови: кислотно-щелочное равновесие

Что означает pH?

pH — это водородный показатель раствора (Power of Hydrogen). Величина pH, по определению, равна отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода. У читателей может возникнуть вопрос, зачем вообще понадобилось вводить новое понятие, не проще ли выражать концентрацию ионов водорода в обычных единицах. Дело в том, что понятие pH было введено химиками. Оказалось, что при проведении химических опытов значительно удобнее выражать концентрацию ионов водорода через водородный показатель. В клинической практике мы измеряем pH артериальной крови, который варьирует незначительно — от 6,9 до 7,9, но химики имеют дело со всем спектром возможных значений pH, от 1 до 14. Если бы мы выражали концентрацию ионов водорода в обычных единицах (моль/л), вычисления оказались бы слишком громоздкими. Таким образом, использование pH значительно облегчает и сокращает расчеты. В таблице показаны нормальные значения pH крови и крайние значения, которые наблюдаются при патологических состояниях, сопровождающихся развитием ацидоза или алкалоза.

Шкала pH — не линейная!

Выражение «pH крови пациента изменился на 0,3 единицы» означает, что концентрация ионов водорода повысилась (или понизилась) вдвое.

Когда мы слышим, что «pH артериальной крови пациента повысился/понизился на 0,2», мы можем недооценить истинное изменение концентрации ионов водорода. Всегда нужно помнить: значение pH — это логарифм. Так, если pH артериальной крови снизился с 7,20 до 7,00, это означает, что концентрация ионов водорода изменилась на 37 нмоль/л, а падение значения pH с 7,00 до 6,80 соответствует повышению [Н⁺] на 60 нмоль/л.

Десятичный логарифм числа 2 равен 0,3 (2=10^0,3). Поэтому если pH падает на 0,3 единицы, например, с 7,40 до 7,10, это значит, что концентрация ионов Н⁺ повысилась вдвое (с 40 до 80 нмоль/л). Соответственно повышение pH с 7,40 до 7,70 отражает понижение концентрации ионов Н⁺ с 40 до 20 нмоль/л.

Что такое pH

Почему же многие учащиеся не могут разобраться в теории кислот и оснований?

Это происходит из-за злоупотребления сложившимся «псевдонаучным жаргоном». Часто теорию кислот и оснований считают трудной темой. В этой теории рассматривается понятие кислоты как вещества, способного диссоциировать на анион кислотного остатка (сопряженное основание) и на ион водорода (протон). Еще в 1962 г. Криз (Creese) с соавторами в своей статье в журнале «Ланцет» (Lancet) писали, что «в медицинской литературе, посвященной этой теме, авторы злоупотребляют псевдонаучным жаргоном, что только сбивает читателей с толку».

Трудности возникают из-за традиционной номенклатуры, которую проиллюстрируем таким диалогом:

Научное определение pH

pH — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода.

pH=-log₁₀[H⁺]

Так, при рН=7,0 концентрация ионов водорода составляет 0,0000001 ммоль/л, или 10^-7 ммоль/л.

Десятичный логарифм 0,0000001 равен — 7,0.

Таким образом, отрицательный десятичный логарифм равен —(-7,0), т.е. +7,0. Отсюда рН=7,0.

Вспомним свойства логарифмов

10 000 х 100 000 = 1 000 000 000 = 10⁹ или 10⁴х10⁵ = 10⁹ (при умножении чисел их показатели степени складываются)

Log х/у = log x - log y

Log 1/х = - log х

Примеры значений pH, встречающихся в клинической практике

Величина pH артериальной крови при ацидозе		Примеры
pH 6,8	160 нмоль/л	Метаболический ацидоз (например, диабетический кетоацидоз, почечный канальцевый i ацидоз); респираторный ацидоз
pH 6,9	130 нмоль/л
pH 7,0	100 нмоль/л
pH 7,1	80 нмоль/л
pH 7,2	63 нмоль/л
pH 7,3	50 нмоль/л
Нормальные значения pH артериальной крови		Примеры
pH 7,35	45 нмоль/л	В норме уровень pH атериальной крови колеблется в диапазоне 7,35-7,45 (45-35 нмоль Н+/л)
pH 7,36	44 нмоль/л
pH 7,38	42 нмоль/л
pH 7,40	40 нмоль/л
pH 7,42	38 нмоль/л
pH 7,44	36 нмоль/л
pH 7,45	35 нмоль/л
Величина pH артериальной крови при алкалозе		Примеры
pH 7,5	32 нмоль/л	Метаболический алкалоз; респираторный алкалоз
pH 7,6	26 нмоль/л
pH 7,7	20 нмоль/л
pH 7,8	16 нмоль/л
pH 7,9	13 нмоль/л
pH 8,0	10 нмоль/л

pH и эквивалентные значения концентрации протонов

Значение pH	Эквивалентные значения концентрации протонов в других единицах
pH 1	0,1 моль ионов водород на литр, или 10-1 моль ионов водорода на литр, или 10-1 г иона водорода на литр
pH 14	0,00000000000001 моль/л, или 10-14 моль ионов водорода на литр, или 10-14 г ионов водорода на литр

Особенности параметров внутренней среды организма во время выполнения упражнений разного характера (на примере исследования резервной щелочности крови методом титрования)

Источник:
Учебное пособие для ВУЗов «Спортивная физиология».
Автор: И.И. Земцова Изд.: Олимпийская лит-ра, 2010 год.

Относительное постоянство внутренней среды и некоторых физиологических функций организма человека называют гомеостазом (Булич, Муравов, 2003; Н. И. Волков и соавт., 1988; Меерсон, 1986; Функциональные резервы..., 1990).

Особое значение для жизни человека имеет постоянство состава крови. Такие ее особенности, как активная реакция (pH) и осмотическое давление, наиболее устойчивы.

Регуляция кислотно-щелочного равновесия крови

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.

Оснащение: микробюретки, пипетки на 10 мл, микропипетки, колбы на 25 мл, кровь, 0,1N раствор гидроксида натрия, 0.01N раствор HCI.

Ход работы

В колбы, содержащие 10 мл 0,01 N раствора HCI, добавляют 0,2 мл крови спортсменов разной специализации и тщательно перемешивают. Прозрачную жидкость бурого цвета титруют 0.1N раствором гидроксида натрия до появления мути и выпадения осадка, то есть до изоэлектрической точки смеси белков крови (альбумины, глобулины, гемоглобин). Окончание реакции наступает сразу после добавления одной капли щелочи.

Расчет резервной щелочности крови спортсменов разной спортивной специализации проводят по формуле:

х =(1-а) с -100/ V

где 1 — объем HCI, взятый для определения, приведенный к 0,1 N концентрации, мл; а — объем щелочи, затраченной на титрование, мл; с — концентрация щелочи (0,1 N); V— объем крови, взятой для определения (0,2 мл).

Полученные данные анализируют и делают выводы.

Читайте также

• Кислотно-щелочной баланс
• Кислоты, основания и ионы водорода (биохимия)