Буферные системы

Буферные системы — это соединения, противодействующие резким изменениям концентрации ионов Н⁺, включающие кислотно-основные пары: слабое основание (анион, А^-) и слабая кислота (Н-А). Они вступают в действие моментально и через несколько минут их эффект достигает максимума возможного.

Роль буферных систем

Постоянство концентрации водородных ионов является одним из свойств крови, которое необходимо для нормального существования организма. В ходе метаболизма постоянно происходит образование кислых и щелочных эквивалентов, регулирующие же механизмы приводят к тому, что для различных тканей характерны свои значения pH, например, для клеток простаты – 4,5, для остеобластов – 8,5. В крови колебания концентрации водородных ионов очень невелики, в пределах 7,36‑7,48; пределы отклонения pH от нормы, совместимые с жизнью, от 7,0 при ацидозе и до 7,8 при алкалозе.

Регуляция кислотно‑щелочного равновесия осуществляется физиологическими механизмами и буферными системами крови. Существует несколько буферных систем жидкостей организма — бикарбонатная, фосфатная, белковая, гемоглобиновая.

Бикарбонатная буферная система

Эта система состоит из бикарбонат-иона (НСО₃^–) и угольной кислоты (Н₂СО₃), буферная мощность составляет 65 % от общей буферной емкости крови. В норме отношение HCO₃^– к Н₂СО₃ равно 20 : 1. Работа этой системы неразрывно и тесно связана с легкими.

При поступлении в кровь более сильной кислоты, чем угольная, ионы бикарбоната натрия взаимодействуют с ней, происходит реакция обмена и образуется соответствующая соль и угольная кислота. В результате, благодаря связыванию введенной в систему кислоты, концентрация ионов водорода значительно понижается.

NaНСО₃ + Н-Анион → Н₂СО₃ + Na⁺ + Анион^–

При поступлении оснований они реагируют с угольной кислотой и образуют соли бикарбонатов:

H₂CO₃ + Катион-ОН → Катион⁺ + HCO₃^– + Н₂О

Возникающий при этом дефицит угольной кислоты компенсируется уменьшением выделения CO₂ легкими.

При накоплении угольной кислоты в крови не происходит параллельного значимого увеличения концентрации НСО₃^–, т.к. угольная кислота очень плохо диссоциирует.

Благодаря работе бикарбонатного буфера концентрация водородных ионов понижается по двум причинам:

• угольная кислота является очень слабой кислотой и плохо диссоциирует;
• в крови легких благодаря присутствию в эритроцитах фермента карбоангидразы, угольная кислота быстро расщепляется с образованием CO₂, удаляемого с выдыхаемым воздухом:

Н₂СО₃ → Н₂О + СО₂↑

Кроме эритроцитов, значительная активность карбоангидразы отмечена в эпителии почечных канальцев, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников и клетках печени, в незначительных количествах — в центральной нервной системе, поджелудочной железе и других органах.

В клинике показателем реакции служат:

• стандартные бикарбонаты (СБ) — концентрация HCO₃^– в плазме при стандартных условиях: полное насыщение кислородом крови, уравновешенной при 38°С с газовой смесью, в которой pCO₂ равно 40 мм рт.ст.
• актуальные бикарбонаты (АБ) — концентрация HCO₃^– в крови при 38°С и реальных значениях pH и pCO₂.
• CO₂‑связывающая способность крови — отражает концентрацию бикарбонатов в плазме. Определяется газометрически и в настоящее время в связи с развитием электрохимических методов не используется.
• щелочной запас — отражает концентрацию щелочных соединений в цельной крови, определяется титрометрически, относится к устаревшим методам.
• парциальное давление углекислого газа (pCO₂) — давление CO₂ в газе, находящемся в равновесии с плазмой артериальной крови при температуре 38°С. Отражает концентрацию углекислоты в крови, зависящей от вентиляции легких и диффузии CO₂ в воздух альвеол. Изменяется при нарушении дыхания и доставке углекислоты к легким.

Величина парциального давления зависит от суммы концентраций в крови CO₂ и H2CO3 согласно уравнению:

[CO₂ + CO₂] = a × pCO₂,

где a — коэффициент абсорбции Бунзена, a=0,0301

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система составляет около 1-2 % от всей буферной емкости крови и до 50 % буферной емкости мочи. Она образована дигидрофосфатом (NaH₂PO₄) и гидрофосфатом (Na₂HPO₄) натрия. Первое соединение слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, второе обладает щелочными свойствами. В норме отношение HРO₄^2- к H₂РO₄^- равно 4 : 1.

При взаимодействии кислот (ионов водорода) с двузамещенным фосфатом натрия (Na₂HPO₄) натрий вытесняется, образуется натриевая соль дигидрофосфата (H₂PO₄^–). В результате, благодаря связыванию введенной в систему кислоты, концентрация ионов водорода значительно понижается.

HPO₄^2– + Н-Анион → H₂PO₄^– + Анион^–

При поступлении оснований избыток ОН^– групп нейтрализуется имеющимися в среде Н⁺, а расход ионов Н⁺ восполняется повышением диссоциации NaH₂PO₄.

H₂PO₄^– + Катион-ОН → Катион⁺ + HPO₄^2– + Н₂О

Основное значение фосфатный буфер имеет для регуляции pH интерстициальной жидкости и мочи. В моче роль его состоит в сбережении бикарбоната натрия за счет дополнительного иона водорода (по сравнению с NaHCO₃) в составе выводимого NaH₂PO₄:

H₂PO₄^– + Катион-ОН → Катион⁺ + HPO₄^2– + Н₂О

Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата, так как бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется.

Белковая буферная система

Буферная мощность этой системы составляет 5 % от общей буферной емкости крови.

Белки плазмы, в первую очередь альбумин, играют роль буфера благодаря своим амфотерным свойствам. В кислой среде подавляется диссоциация СООН-групп, а группы NH₂ связывают избыток Н⁺, при этом белок заряжается положительно. В щелочной среде усиливается диссоциация карбоксильных групп, образующиеся Н⁺ связывают избыток ОН^–-ионов и pH сохраняется, белки выступают как кислоты и заряжаются отрицательно.

Гемоглобиновая буферная система

Наибольшей мощностью обладает гемоглобиновый буфер, состоящий из свободного гемоглобина (Hb), восстановленного гемоглобина (H‑Hb), калиевой соли гемоглобина (K‑Hb), карбгемоглобина (Н‑НbСО₂) и оксигемоглобина (К‑НbО₂)(Строение и формы гемоглобина). На него приходится до 3/4 всей буферной емкости крови. Изменения кислотности гемоглобина в тканях и в легких при связывании соответственно H⁺ или О₂ обусловлены конформационными перестройками глобиновой части молекулы. В основе буферных свойств гемоглобина лежит следующая особенность: восстановленный гемоглобин является более слабой, а оксигемоглобин более сильной кислотой по сравнению с угольной. Иными словами, когда в среде накапливается угольная кислота, то ее протон присоединяется к свободному гемоглобину и образуется восстановленный. При удалении Н₂СО₃ (капилляры легких) протон в среду поступает от оксигемоглобина.

Процессы, происходящие в тканях

Выделяемый при клеточном дыхании CO₂ в обратимой реакции под действием карбангидразы эритроцитов превращается в угольную кислоту, диссоциирует на H⁺ и HCO₃^– и смещает pH крови в тканевых капиллярах в кислую сторону:

H₂O + CO₂ ↔ H₂CO₃↔ HCO₃ + H⁺

Увеличение концентрации протонов водорода способствует отщеплению О₂ от оксигемоглобина (К‑НbО₂) и образуется калиевая соль гемоглобина.

Паралельно кислые соединения взаимодействуют с калиевой солью гемоглобина (K‑Hb). При этом образуется соответствующая калийная соль кислоты и свободный гемоглобин. Свободный гемоглобин, обладая щелочными свойствами, связывает протоны водорода и образуется восстановленный гемоглобин, который впоследствии превращается в карбгемоглобин (H‑HbCO₂).

Таким образом, при диссоциации оксигемоглобина происходит увеличение количества оснований, они присоединяют ионы Н⁺, и это препятствует закислению крови.

Процессы, происходящие в легочных капиллярах

Переход углекислого газа из крови в альвеолярный воздух ведет к снижению напряжения СО₂ в плазме. Происходит отщепление СО₂ от карбгемоглобина с образованием Н‑Нb, присоединение кислорода, создание Н‑НbО₂ и его диссоциация на Н⁺ и НbО₂. Далее ион Н⁺ используется для синтеза угольной кислоты и ликвидирует защелачивание крови, а НbО₂ присоединяет ион К⁺.

Параллельно снижение напряжения СО₂ в плазме смещает равновесие карбангидразной реакции в сторону образования СО₂ и Н₂О из угольной кислоты, которая синтезируется из КHCO₃ и H⁺. Следовательно, бикарбонат-ионы и протоны водорода из среды исчезают.

Таким образом, образование оксигемоглобина увеличивает степень диссоциации кислотных групп его белковой части, высвобождающиеся ионы водорода нейтрализуют HCO₃^– с образованием угольной кислоты и выделением СО₂. Вместе с этим, диссоциация протона от оксигемоглобина препятствует защелачиванию крови.

См. также

В категории «Кислотно-основное состояние»

• Длительная (физиологическая) стабилизация сдвигов рН
• Показатели кислотно-основного состояния (КОС) крови

В категории «Клиническая биохимия»

• Хлор