Выше уже отмечался характерный для плазмы значительный дисбаланс между катионами щелочных металлов (Иа+, К+) и анионами сильных кислот (представленными, в основном, ионами СГ). Многие факторы могут влиять на него, сдвигая соотношение в ту или иную сторону. Тем самым создается опасность существенных изменений величины pH, одного из физико-химических параметров, наиболее значимых для функционирования белковых молекул, особенно ферментов.
В плазме (и не только в ней) эффективно поддерживается определенное соотношение между кислотами (донорами протонов) и щелочами (донорами гидроксильных групп, которые, захватывая протоны, быстро превращаются в воду). Это кислотно-щелочное равновесие (кислотно-основный баланс, кислотно-основ- ное равновесие) обеспечивается наличием буферных систем, способных противостоять резким сдвигам pH, которые могли бы произойти при поступлении кислых или щелочных эквивалентов. Свойствами такого буфера обладают слабые кислоты (и слабые основания), т.е., вещества, степень электролитической диссоциации которых строго зависит от pH среды. Точнее, системой является пара кислой и основной формы буфера (например, недиссоциированная кислота и ее анионная форма).
Бикарбонатный буфер является преобладающим в плазме крови. Он не только самый мощный, но и довольно просто регулируемый, ибо при накоплении Н2СО3 (в случае усиленного поступления в плазму протонов) угольная кислота достаточно быстро распадается на Н2О и растворенный газ СО2, избыток которого легко выводится легкими (а недостаток компенсируется поступлением СОг из тканей).
При логарифмировании этого соотношения получаем:
Соотношение молярных концентраций слабой кислоты ([НА]) и генерируемых ею анионов ([А-]) и протонов ([Н+]) определяется константой ее диссоциации (К):
Поскольку логарифм концентрации водородных ионов, взятый с отрицательным знаком, принято обозначать символом pH и, аналогично этому, -% К = рК, то после умножения последнего уравнения на (-1) его можно записать в такой форме:
Это соотношение, именуемое (по авторам) уравнением Гендерсона-Гассельбальха, связывает величины pH и рК с соотношением концентраций ионизированной и неионизирован- НОЙ форм «буферящей» КИСЛОТЫ. Для Н2СО3 значение рК составляет 6,1. Поэтому обычное для плазмы содержание анионов НСОз- (~ 24 мМ) и недиссоциированной кислоты Н2С03 0= 1,2 мМ) соответствует величине pH, равной 7,4 [т.е., 6,1 + ^(24/1,2) = 6,1 + ^ 20 = 6,1 + 1,3 = 7,4].
Реально в состоянии покоя pH плазмы артериальной крови поддерживается в пределах 7,36-7,44. Венозная кровь немного кислее: pH плазмы здесь на 0,01-0,03 единицы ниже (в эритроцитах pH составляет 7,2).
При усиленном поступлении кислот бикарбонаты плазмы связывают избыток протонов, превращаясь в Н2СО3. В этом и заключается противодействие буфера резкому сдвигу кислотности среды. Например, прибавка 2 мМ протонов почти мгновенно приведет к падению уровня НС03~ (до =22 мМ), но при этом эквивалентно возрастает концентрация Н2СО3 (до =1,4 мМ). И хотя наступающий сдвиг соотношения [НС0з-]/[Н2С03] довольно значителен (с 20 до =16), величина pH плазмы снизится всего лишь на 0,1, т.е., с 7.4 до 7,3 [расчеты:
+ ^(22/1,4) = 6,1 + 1ё 16 = 6,1 + 1,2 = 7,3].
Но и это еще не все. Возникший избыток угольной кислоты способствует ее разложению на Н20 и С02, который достаточно быстро удаляется легкими. Необходимое для этого время измеряется минутами, после чего соотношение бикарбоната и Н2СОз возвращается к исходному уровню. Следовательно, и значение pH возвратится к исходному (как это следует из уравнения Гендерсона-Гассельбальха). И это — несмотря на уменьшение абсолютных величин концентрации и бикарбоната, и кислоты. Иными словами, ради стабилизации pH приходится жертвовать буферной емкостью бикарбонат- ной системы, т.е., степенью ее устойчивости к поступлению новых порций протонов. Оценивают буферную емкость количеством кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 л буфера для сдвига pH на единицу (емкость по кислоте и щелочная емкость совпадают только в том случае, когда титрование начинают при pH, равном значению рК буферной пары).
Аналогичные изменения наступают и в противоположной ситуации, когда в плазму поступают щелочные эквиваленты. Только в этом случае начальные сдвиги будут обратными: уменьшение [Н2СО3] в ходе нейтрализации оснований и соответствующий прирост концентрации НСОз”. Легче всего эти сдвиги компенсируются поступлением С02 из тканей, что ведет к повышению концентрации Н2С03, вплоть до нормализации соотношения [НСОз”]/[Н2СОз] и, следовательно, величины pH. Однако в данном случае достигается это на фоне увеличения буферной емкости системы (обусловленного повышением абсолютных значений концентрации и бикарбоната, и Н2С03).
Важно подчеркнуть, что сама по себе буферная система лишь ослабляет влияние притока (или убыли) протонов на pH биологической жидкости. Полная же стабилизация pH (считая и нормализацию емкости буферной системы) требует вовлечения физиологических регуляторов. Для бикарбонатного буфера это, прежде всего, выведение избыточного С02 легкими, дающее быстрый эффект. Не меньшую роль играет ускорение (либо замедление) почечной экскреции бикарбоната, а также фосфатов, ионов СГ, №+, К КН4+ и других (такой способ компенсации реализуется не сразу, но обеспечивает более полный результат).
Поскольку поток ионизируемых веществ проходит через кровь непрерывно (причем, в переменчивом темпе), то поддержание кислотно-щелочного баланса зависит, главным образом, от регуляции на физиологическом уровне. В частности, недостаточность альвеолярной вентиляции приводит к накоплению растворенного в плазме С02 (а, следовательно, и Н2СОз), способствуя тем самым сдвигу кислотно-щелочного равновесия организма в кислую сторону (дыхательный ацидоз, или респираторный ацидоз). Напротив, слишком чрезмерная вентиляция легких, в том числе искусственная, вызывает снижение содержания углекислоты в крови, чреватое развитием дыхательного (респираторного) алкалоза. Накопление в крови кислых метаболитов (чаще всего это кетоновые тела или лактат) приводит к метаболическому ацидозу, тогда как метаболический алкалоз отражает обычно нарушения натриевого баланса.
Перечисленные сдвиги кислотно-щелочного равновесия организма проявляются сначала смещением емкости буферной системы, и лишь по мере его нарастания наступают выраженные изменения величины pH. Поэтому определение концентрации бикарбоната в плазме крови играет важную роль и в оценке кислотно-щелочного состояния, и в ранией диагностике характера его нарушений.
Гемоглобиновый буфер заслуживает здесь упоминания, хотя локализован он в эритроцитах. Из приведенного в разделе 13.1.2 описания роли НЬ в переносе С02 ясно, что сам гемоглобин (Н-НЬ) и оксигемоглобин (НЬ02) составляют сопряженную буферную пару, которая находится в равновесии с бикарбонат- ным буфером эритроцита. Более того, вся эта внутриклеточная система взаимодействует с бикарбоиатной системой плазмы, ибо наличие анионных каналов обеспечивает легкость перемещения ионов НСОэ~ из эритроцита в плазму (и обратно) в обмен на ионы СГ. К тому же и растворенный С02 легко диффундирует по градиенту концентрации, благодаря чему выравнивается содержание Н2С03 в клетках и плазме крови.
Таким образом, внеклеточные бикарбонаты и гемоглобин эритроцитов образуют единую систему поддержания постоянства pH. В этой системе на долю бикарбонатов плазмы приходится более половины общей буферной емкости крови. Вдвое меньший вклад вносит гемоглобиновый буфер. Что же касается буферной емкости белков плазмы, то она сравнительна невелика в силу низкой их концентрации (в молярном выражении) и составляет примерно 15% от всего потенциала крови. Еще меньшей емкостью обладает фосфатный буфер, доля которого не превышает 1-2%.
Фосфатный буфер представлен в плазме сопряженной парой, в которой роль кислоты (донора протонов) выполняет Н2РО4-, а анионным компонентом является НРО42-, количественно вчетверо преобладающий над своим партнером. Будучи несущественным в деле стабилизации pH плазмы, этот буфер, тем не менее, вносит заметный вклад в механизмы экскреции избыточных протонов с мочой. Особенно ощутимо это при продолжительном ацидозе, когда с мочой усиленно выводится кислая форма фосфата (Н2Р04_), а убыль неорганического фосфата в плазме компенсируется поступлением его из минерализованных тканей (ибо, как известно, подкисление среды способствует
растворению гидроксиапатита). Такая возможность преодоления ацидоза предпочтительна тем, что она предотвращает потерю ионов Ка+ (используемых обычно для нейтрализации удаляемых с мочой кислот). Однако, в конечном счете этот механизм может привести к опасной степени деминерализации костей (и зубов).
