Кислотно-щелочной баланс

pH, рН-буферы.Кислотно-основный баланс

Значение pH (водородный показатель) служит для оценки активности (эффективной концентрации) ионов водорода Н⁺ в растворе (активность Н⁺ = fH • [Н⁺], квадратные скобки означают концентрацию).

pH = -lg (fH • [Н⁺]). [6.1]

У здоровых людей pH крови в среднем составляет 7,4 (область нормальных значений), что соответствует активности ионов Н⁺ примерно в 40 нмоль/л. Поддержание в организме постоянного pH жизненно важно. Большие отклонения от нормы могут оказывать нежелательное влияние на метаболизм, проницаемость мембраны, распределение электролитов. Значения pH крови ниже 7,0 и выше 7,8 являются летальными.

За поддержание постоянного pH в организме отвечают различные pH-буферы. Одним из важных буферов крови и других жидкостей организма является бикарбонатная буферная система (HCO₃/СO₂):

СO₂ + H₂O ⇄ HCO₃- + Н⁺. [6.2]

Значение рКа определяет соотношение между концентрациями буферного основания и буферной кислоты (в уравнении [6.2] [HCO₃] и [СO2] соответственно) при заданном значении pH [уравнениеХендерсона-Хассельбаха А).

Основная функция бикарбонатной буферной системы крови - нейтрализация ионов Н⁺. Эта буферная система играет особо важную роль, поскольку концентрации обоих буферных компонентов можно регулировать независимо друг от друга; [СO₂] - путем дыхания, [HCO₃] - в печени и в почках (А). Таким образом, это открытая буферная система.

Гэмоглобин красных кровяных клеток (320 г НЬ/л эритроцитарной массы) - вторая важная буферная система крови, которая также называется небикарбонатной.

НbН ⇄ Hb + Н⁺ [6.3]

Оху-НЬН ⇄ Оху-Hb- + Н⁺. [6.4]

Анион оксигемоглобина (Oxy-Hb) способен присоединить меньше ионов Н⁺, чем дезоксигенированный Hb(более слабая кислота). Таким образом, в легких при окислении гемоглобина до оксигемоглобина высвобождаются ионы Н⁺. Равновесие реакции [6.2] сдвигается влево, что способствует высвобождению СO₂ из бикарбоната. При этом, в свою очередь, увеличивается удаление СO₂ легкими.

Другие небикарбоиатные буферы крови включают белки плазмы и неорганический фосфат (Н2РО4 ⇄ Н⁺ + НРO24), а также органические фосфаты (в красных кровяных клетках). Внутриклеточные органические и неорганические вещества в различных тканях также функционируют как буферы.

Буферная система характеризуется буферной емкостью (моль • л^-1 • [ΔрН]^-1); это количество ионов Н⁺ или ОН^-, которое надо добавить в расчете на единицу объема, чтобы изменить pH раствора на одну единицу. Буферную емкость можно найти из кривой титрования. Буферная емкость зависит: (а) от концентрации буфера и (б) от pH. Чем дальше pH раствора от рКа буферной кислоты, тем меньше буферная емкость. Буферная емкость крови составляет —75 ммоль • л^-1 • [ΔрН]^-1 при pH 7,4 и постоянном PCO₂. Поскольку буферная емкость зависит от PCO₂, для оценки буферной емкости крови в клинической медицине обычно используется концентрация буферных оснований крови (норма —48 мэкв/л). Концентрация буферных оснований - это сумма концентраций всех компонентов буфера, которые связывают ионы водорода, т. е. HCO₃, Hb~, Oxy-Htf, дифосфоглицерат-анионы, анионные белки плазмы, НРО₄- и т. д.

А. факторы, вызывающие изменение pH (водородного показателя) крови

Изменения pH крови обусловлены главным образом следующими факторами (А).

• Поступление ионов Н⁺: из пищи (например, из уксуса) или как продуктов метаболизма; они могут также удаляться из крови (например, почками).

• Поступление ионов ОН~ из пищи, содержащей соли слабых кислот, особенно при вегетарианской диете.

• Изменение концентрации СO₂: из-за нарушений метаболизма или выведения СO₂ через легкие. Уменьшение [СO₂] ведет к увеличению pH (А: [СO₂] находится в знаменателе).

• HCO₃. может удаляться прямо из крови через почки или кишечник (при диарее). Увеличение или уменьшение [HCO₃] ведет к изменению pH (А: [HCO₃] в числителе).

Буферная система бикарбонат - диоксид углерода

А. Бикарбонатный буфер в закрытой и открытой системах

pH в любом буферном растворе определяется соотношением концентраций компонентов буфера и рКа. Согласно уравнению Хендерсона-Хассельбаха, pH раствора бикарбонатного буфера определяется отношением концентраций бикарбоната и растворенного углекислого газа ([HCO₃~]/[СO₂]) СА1). Если [HCO₃] = 24 ммоль/л, а [СO₂] = 1,2 ммоль/л, то [HCO₃]/[СO₂] = 24/1,2 = 20. Ig 20 = 1,3, а рКд = 6,1. Подставив эти значения в уравнение (А2), получим pH = 7,4. Если [HCO₃] уменьшится до 10, а [СO₂] до 0,5 ммоль/л, то отношение концентраций [НС0з]/[СO₂] не изменится, и pH останется постоянным.

При добавлении к буферному раствору ионы Н⁺ соединяются с буферным основанием (HCO₃ в данном случае), что приводит к образованию буферной кислоты (HCO₃ + Н⁺ -* СO₂ + H₂O). В закрытой системе, из которой не может быть удален СO₂ (АЗ), количество образовавшейся буферной кислоты (СO₂) эквивалентно количеству буферного основания (HCO₃). Обращение направления реакции происходит при добавлении гидроксид-ионов: СO₂ + ОН^-⇄ HCO₃. После добавления 2 ммоль/л ионов Н⁺ исходное отношение [HCO₃]/[СO₂] = 24/1,2 (А2) меняется на 22/3,2, что приводит к уменьшению pH до 6,93 (АЗ). Таким образом, в закрытой системе при pH 7,4 буферная емкость НС0з/СO₂, рKa, = 6,1, очень низкая.

Б. Бикарбонатный буфер в крови (открытая система)

Если, однако, дополнительно образовавшийся СO₂ выводится из системы (открытая система; А4), при добавлении Н⁺ (2 ммоль/л) изменится только [HCO₃], а отношение [НС0з1/[СO₂] (24/1,2) и pH (7,36) при этом лишь немного отличается от закрытой системы. В организме бикарбонатный буфер действует как открытая система, в которой парциальное давление (PCO₂) и, следовательно, концентрация углекислого газа в плазме ([СO₂] = а * PCO₂) регулируется при дыхании (Б). Через легкие обычно удаляется столько СO₂, сколько его образуется в результате метаболизма (15 000-20 000 ммоль/сут), а альвеолярное давление PCO₂ остается постоянным. Поскольку при каждом дыхательном цикле РСO₂ в плазме крови приводится к альвеолярному PCO₂- артериальное PCO₂ (PaCO2) также остается постоянным. Увеличение концентрации Н⁺ на периферии ведет к увеличению PCO₂ венозной крови (HCO₃ + Н⁺ ⇄ СO₂ + H₂O) (Б1). Легкие удаляют дополнительный СO₂ так быстро, что артериальное давление PCO₂ остается практически неизменным, несмотря на поступление дополнительного количества ионов Н⁺ (открытая система).

Следующий пример демонстрирует, что повышенное выведение СО; через легкие дает небольшой эффект. Двукратное увеличение количества ионов Н⁺, образующихся в организме за день (обычно 60 ммоль/сут), приведет к дополнительному образованию 60 ммоль СO₂ (без учета небикарбонатных буферов). Это соответствует только 0,3% от нормального ежедневного удаления СO₂.

Повышенный приток ионов ОН^- на периферию имеет примерно такой же эффект. Поскольку СO₂ + ОН" -» HCO₃, концентрация бикарбоната [HCO₃] возрастает, PCO₂ в венозной крови становится меньше нормы. Так как скорость удаления СO₂ также снижена, артериальное давление PCO₂ (в приведенном примере) не меняется (Б2).

При pH 7,4 открытая буферная система HCO₃/СO₂ обеспечивает около 2/3 буферной емкости крови, когда PCO₂ остается постоянным - на уровне 5,33 кПа. Остальную буферную емкость создают внутриклеточные небикарбонатные буферы.

Поскольку небикарбонатные буферы (НББ) действуют в закрытых системах, общая концентрация их компонентов ([основание] + [кислота]) остается постоянной даже после нейтрализации, однако в ответ на изменения концентрации гемоглобина она изменяется (гемоглобин - главный компонент НББ). При нереспираторных (метаболических) кислотно-основных нарушениях небикарбонатные буферы дополняют карбонатную буферную систему НС0з/СO₂, а если патология не связана с дыхательной системой, то эффективно работают только НББ.

Ацидоз и алкалоз

Основная цель кислотно-основной регуляции - поддержание в норме pH крови и, таким образом, всего организма. Референтные (в норме) показатели кислотно-основного гомеостаза в плазме (артериализо-ванной капиллярной крови) указаны в таблице 2 и [HCO₃]).

Референтные (в норме) кислотно-основные показатели плазмы крови

	женщины	мужчины
[Н+] (нмоль/л)	39,8 ± 1,4	40,7 ±1,4
pH	7,40 ± 0,015	7,39 ±0,015
РСO2, (кПа)	5,07 ± 0,3	5,47 ± 0,3
[мм рт. ст.)	38,9 ± 2,3	41,0 ±2,3
[HCO3] (ммол/л)	24,0 ± 2,5	24,0 ±2,5

Кислотно-основный гомеостаз осуществляет сохранение баланса в нескольких процессах:

• (Приток извне или образование ионов Н⁺) -(приток или образование ионов HCO₃) = = (выведение ионов Н⁺) - (выведение ионов HCO₃) = 60 ммоль/сут (зависит от диеты).

• (Образование ионов CO2) = (выведение СO₂) = 15 000-20 000 ммоль/сут.

Основными факторами, влияющими на первое равновесие, являются образование ионов Н⁺ (HCI, H2SO4, молочная кислота, Н3РО4 и т. д.) и их адекватное выведение почками. Вегетарианская диета может привести к значительному притоку ионов HCO₃ (метаболизм: СO₂ + ОН^-⇄ HCO₃). Чтобы компенсировать дополнительный приток извне, HCO₃ выводится с мочой (следовательно, моча у вегетарианцев имеет тенденцию к защелачиванию).

Нарушения кислотно-основного баланса. Алкалоз наступает в том случае, если pH крови увеличивается выше нормы (см. таблицу), а ацидоз - при падении pH крови ниже наименьшего допустимого значения. Респираторные (дыхательные) кислотно-основные патологии наступают из-за первичных изменений PCO₂, тогда как нереспираторные (метаболические)-из-за изменений [HCO₃]. Кислотно-основные патологии могут быть частично или почти полностью компенсированы.

Нереспираторные (метаболические) кислотно-основные патологии

Ацидоз

Нереслираторный ацидоз в основном вызывается: (1) почечной недостаточностью или дефектом секреции Н⁺ в почечных канальцах, что приводит к нарушению нормального выведения ионов Н⁺ (почечный ацидоз), (2) гиперкалиемией; (3) увеличенным образованием β-гидроксимасляной и ацетоуксусной кислот (сахарный диабет, голодание); (4) повышенным анаэробным превращением глюкозы в молочную кислоту (лактат + Н⁺), т. е. интенсивной физической нагрузкой или гипоксией; (5) усиленным метаболическим образованием HCI и H2SO4 в случае потребления пищи, богатой белками', (6) потерей HCO₃ за счет почечной экскреции (проксимальный почечно-канальцевый ацидоз, использование ингибиторов карбоангидразы) или при диарее.

Нейтрализация (А1) избытка ионов Н⁺ происходит на первых стадиях нереспираторного ацидоза (потеря одного аниона HCO₃ приводит к прибавлению одного иона Н⁺). Две трети буферной емкости обеспечивается за счет HCO₃, остальное (V3) - за счет небикарбонатной буферной системы (НББ~), причем СO₂, образующийся из HCO₃, удаляется из организма через легкие (открытая система). Понижаются стандартный бикарбонат [HCO₃]St, фактическая концентрация [HCO₃]Act и концентрация буферных оснований (БО), возникает «дефицит оснований», т. е. отрицательный избыток оснований (BE, от англ, base excess).

Дыхательная компенсация нереспираторного ацидоза (А2) происходит на второй стадии. Общая вентиляция в ответ на уменьшение pH (через центральные хемосенсоры) снижает альвеолярное и артериальное давление PCO₂ [гипервентиляция, А2а). Это не только помогает вернуть отношение [HCO₃]/[СO₂] к норме (20:1), но и превращает НББ-Н обратно в НББ- (через увеличение pH) (А2б). Дальнейший процесс также требует HCO₃ и, следовательно, дальнейшего компенсационного удаления СO₂ через легкие (А2в). Если причина ацидоза сохраняется, то дыхательная компенсация в итоге становится недостаточной и происходит увеличение почечной экскреции ионов Н⁺, при условии ацидоза непочечного происхождения (см. выше, причина 1).

Нереспираторный (метаболический) алкалоз вызывается: (1) введением оснований (например, при инфузии HCO₃): (2) увеличением распада органических анионов (например, лактат, а-кетоглутарат2-); (3) потерей ионов Н⁺ из-за рвоты или гипокалиемии; (4) уменьшением объема жидкости. Нейтрализация при метаболическом алкалозе аналогична таковой при нереспираторном ацидозе (увеличение [НС0з]St, положительный избыток оснований; BE - международный показатель; от англ, base excess). Однако емкость дыхательной компенсации посредством гиповентиляции ограничена из-за возникающего дефицита О2.

Респираторные (дыхательные) кислотно-основные патологии

Б. Респираторный ацидоз

Респираторный (дыхательный) алкалоз (Б) происходит в том случае, когда легкие удаляют больше СO₂, чем образуется при метаболизме - гипервентиляция, что приводит к снижению РСO₂ в плазме крови (гипокапния). И соответственно респираторный ацидоз происходит в том случае (Б), если удаляется меньше СОг, чем образуется, - гиповентиляция, что приводит к увеличению PCO₂ в плазме (гиперкапния). Бикарбонатные и небикарбонатные (НББ-) буферные основания вместе компенсируют увеличение pH при метаболическом (нереспираторном) ацидозе, однако при респираторном алкалозе эти две буферные системы ведут себя различно (Б1). Система HCO₃/СO₂ в данном случае неэффективна, поскольку изменение РСO₂ - причина, а не результат дыхательного алкалоза.

Респираторный (дыхательный) ацидоз может происходить при повреждении легочной ткани (например, при туберкулезе), при ухудшении альвеолярного газообмена (например, при отеке легких), при параличе дыхательных мышц (например, при полиомиелите), дыхательной недостаточности (например, при передозировке наркотиков), при недостаточной подвижности грудной клетки (например, в результате сильного искривления позвоночника), а также при других патологиях. В результате происходит увеличение концентрации СO₂ в плазме ([СO₂] = а • PCO₂) и увеличение продукции HCO₃ и Н⁺ (Б1, слева). Ионы Н⁺ связываются основаниями некарбонатных буферов (НББ- + Н⁺ ⇄ НББ-Н; Б1, справа), в то время как фактическая концентрация [HCO₃]Act увеличивается. В отличие от нереспираторного ацидоза при респираторном ацидозе HCO₃]St не изменяется (по крайней мере, в начале, так как этот показатель определен для нормы PCO₂ и [БО] сохраняется неизменной, потому что снижение [НББ] эквивалентно увеличению [HCO₃]Act;. Поскольку относительное увеличение [HCO₃]Act гораздо ниже, чем рост [СO2], отношение [HCO₃]/[СO₂] и pH ниже, чем в норме (ацидоз).

Если повышенное давление PCO₂ поддерживается, происходит почечная компенсация (Б2) дыхательных нарушений. После латентного периода в 1-2 дня почки также начинают выводить избыточное количество ионов Н⁺ в составе титруемых кислот и NH₄⁺. Каждый выведенный ион NH₄⁺ приводит к связыванию одного иона HCO₃ в печени, а каждый выведенный ион Н⁺ приводит к высвобождению канальцевыми клетками одного иона HCO₃ в кровь. Этот процесс продолжается до тех пор, пока pH не достигнет нормы,

несмотря на увеличение PCO₂. Часть ионов HCO₃ используется для связывания Н⁺, высвобождаемых в реакции НББ-Н ⇄НББ- + Н⁺ (Б2, справа). По причине сравнительно длительного латентного периода почечной компенсации уменьшение pH более выражено при остром дыхательном ацидозе, чем при хроническом. При хронической форме ацидоза [HCO₃] может возрастать примерно на 1 ммоль на каждые 1,34 кПа (10 мм рт. ст.) увеличения PCO₂.

Респираторный (дыхательный) алкалоз обычно вызывается гипервентиляцией из-за тревоги (беспокойства) или в условиях высокогорья (дефицит кислородной вентиляции), что приводит к уменьшению PCO₂ в плазме крови. Это ведет к небольшому снижению [HCO₃ ]Act, поскольку некоторые ионы HCO₃- превращаются в СO₂ (HCO₃ + Н⁺ ⇄ СO₂ + Н2О); необходимые для этой реакции ионы HCO₃ нейтрализуются ионами Н⁺ из НББ (нейтрализация: НББ-Н ⇄ НББ- + Н⁺). Это также является причиной для дополнительного снижения [HCO₃-] при дыхательной компенсации нереспираторного ацидоза. Для адекватной нормализации pH (компенсации) требуется дальнейшее снижение [HCO₃]Act. Это достигается при уменьшении выведения ионов Н⁺ почечными канальцами. В результате почки выводят повышенное количество ионов HCO₃ (почечная компенсация).

При остром респираторном ацидозе или алкалозе СO₂ диффундирует из крови в спинномозговую жидкость (СМЖ) быстрее, чем HCO₃ и Н⁺. Низкая концентрация НББ при этом вызывает довольно сильные флуктуации значений pH спинномозговой жидкости, обеспечивая адекватную стимуляцию центральных хемосенсоров.

Оценка кислотно-основного статуса

А. Номограмма РСO₂/рН (без НББ) Б. Номограмма Рсо /pH (с НББ)

По уравнению Хендерсона-Хассельбаха для бикар-бонатной буферной системы (НС0з/СO₂)

pH = р Ка + Iд[HCO₃]/[СO₂]. [6.5]

Поскольку [СO₂] = а • PCO₂, уравнение [6.5] содержит две константы (рKа и а) и три переменные (pH, [HCO₃] и PCO₂). При 37 °С плазмы крови рКa = 6,1 и а = 0,225 ммоль * л^-1 • кПа^-1. Когда одна из переменных не изменяется (например, [HCO₃]), две другие (например, PCO₂ и pH) взаимозависимы. На графике это прямая, если по оси X отложить pH, а по оси Y - lg PCO₂ (A-В).

Если в бикарбонатном буфере (в отсутствие других буферов) изменяется PCO₂, то pH меняется, но [HCO₃] остается постоянной (А, жирная линия). Можно также нанести на график линии для различных концентраций HCO₃, все они параллельны друг другу (А, Б, оранжевые прерывистые линии). На рис. A-В использованы шкалы, при которых линии концентраций бикарбоната пересекают оси координат под углом в 45°. Номограмма Сиггарда-Андерсена (В) использует не линии, а точки пересечения линий [HCO₃] с линией РСO₂ в норме (5,33 кПа = 40 мм рт. ст.).

Кровь содержит не только буфер НС0з/СO₂, но также небикарбонатный буфер, НББ). Благодаря этому изменения PCO₂ не затрагивают pH в той степени, как в растворе, содержащем только бикарбонатный буфер. Следовательно, в номограмме PCO₂/pH наклон круче, чем 45° (Б, зеленая и красная линии). Отсюда при изменении pH фактическая концентрация бикарбоната в крови [HCO₃]Act меняется в том же направлении, что и PCO₂. Поэтому при анализе крови определяют и [HCO₃]Act, и стандартный бикарбонат [HCO₃]St. По определению, [HCO₃]St представляет собой [HCO₃] при PCO₂ в норме (5,33 кПа = 40 мм рт. ст.). Следовательно, [HCO₃]st позволяет оценить концентрацию [HCO₃], которая не зависит от изменения PCO₂.

В. Номограмма Сиггарда-Андерсена

Концентрации [HCO₃]Act, и [HCO₃']St, находят путем измерения в крови PCO₂ и pH на анализаторе газов. На номограмме Сиггарда-Андерсена [HCO₃]St определяется в точках пересечения линии [HCO₃] (Б, оранжевые линии) и линии PCO₂/pH (Б и В, зеленая и красная линии) при PCO₂ в норме 5,33 (Б и В, точки D и d). [HCO₃]Act определяют из пересечения линии [HCO₃] с линией PCO₂/рН на уровне фактически измеряемого давления PCO₂. Поскольку PCO₂ в норме и измеряемая величина коррелируют, обычно [HCO₃]Act [HCO₃]st. Если PCO₂ отклоняется от нормы (Б, В, точка с), то [HCO₃]Act соответствует точке е на линии HCO₃ (Б, В, прерывистая линия 45°), на которой расположена фактически измеряемое давление PCO₂ (Б, В, точка с).

Измерения и pH крови. При использовании метода калибровки (метода Аструпа) снимается три показания pH: (1) в образце цельной крови;(2) в равновесном образце с высоким PCO₂ (например, 10 кПа = 75 мм рт. ст.; В: точки А и а), (3) в равновесном образце с низким PCO₂ (2,7 кПа = = 20 мм рт. ст.; В: точки В и b). PCO₂ в исходном образце крови затем можно определить из линий A-В и а—Ь, используя значение pH, полученное в измерении 1. В норме (В, прописные буквы, зеленый цвет) [HCO₃]Act = [НС0з-]St = 24 ммоль/л (В, точки Е и D).

На примере 2 (В, строчные буквы, красный цвет) показаны кислотно-основные нарушения: pH слишком низкий (7,2) и [HCO₃]St (В, точка d) уменьшилась до 13 ммоль/л (метаболический ацидоз). Произошла частичная компенсация с уменьшением PCO₂ до 4 кПа, что привело к снижению [HCO₃]Act до 11 ммоль/л (В, точка е).

Общее содержание буферных оснований (БО) и избыток оснований (BE) также можно определить из номограммы Сиггарда-Андерсена (В). Избыток оснований (точки F и f) равен разности между измеренной суммарной концентрацией буферных оснований (точки G и д) и нормой буферных оснований (точка G). Точка G зависит от концентрации гемоглобина в крови (В, [Нb/БО). Подобно [HCO₃]St, отклонение БО от нормы (0 ± 2,5 мэкв/л) применяется при диагностике первичных нереспираторных кислотно-основных патологий.

Зависимость PCO₂/рН образца крови (В) может быть определена, если известны: (1) PCO₂, (2) pH, (3) концентрация гемоглобина.