Медицина / Физиология / Физиология (статья)

Кислотно-щелочной баланс (Водородный показатель)

Бикарбонатный буферДля обеспечения полноценного метаболизма в клетках, уровень кислотно-щелочного баланса (pH) должен находится в пределах 7,35-7,45, в независимости от постоянного образования ионов водорода, которые способствуют снижению pH. Даже незначительные нарушения нормы кислотно-щелочного баланса могут привести к серьезным последствиям для здоровья, а смещение значений показателя pH до 7,8 или ниже 6,8 представляют опасность для жизни.

Чтобы лучше понимать значение pH (водородного показателя), нужно рассмотреть несколько базовых понятий.

Что такое pH

pH представляет собой логарифмическую шкалу кислотности и щелочности со значениями от 1 до 14. Очищенная вода, в которой практически не содержится посторонних включений и примесей (дистиллированная вода) имеет нейтральную среду (pH = 7), то есть не щелочную и не кислую. Если значение pH < 7, то раствор имеет кислое основание, если pH > 7 – щелочное. 

Сам термин pH является аббревиатурой «puissance hydrogen» (фр. puissance – сила, энергия; hydrogen – водород). То есть – мера концентрации или активности ионов водорода, или «водородный показатель». Таким образом, pH определяют как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода в моль/л:

pH = -lg[H⁺]
где H⁺ - концентрация ионов водорода в моль/л.

Из приведенного уравнения следует, что:

- при pH = 7,4 – концентрация ионов водорода составляет 40 нмоль/л;
- при pH = 7,0 – концентрация ионов водорода составляет 100 нмоль/л;
- при pH = 6,0 – концентрация ионов водорода составляет 1000 нмоль/л.

Данные позволяют сделать вывод:

• Оба параметра меняются в противоположных направлениях. То есть, в случае повышения концентрации водорода значение pH снижается
• С помощью логарифмической природе шкалы pH незначительные изменения кислотно-щелочного баланса означают значительные изменения водородного показателя (концентрации ионов водорода). Например, повышение концентрации ионов водорода в 2 раза соответствует снижению показателя pH всего лишь на 0,3 ед.

Некоторые диагностические лаборатории используют показатель конценцентрации ионов водорода не в pH, а в нмоль/л.

Кислоты и щелочи (основания)

Кислота – вещество, диссоциирующееся (распадающееся, растворяющееся) в растворах с высвобождением ионов водорода. Щелочи (основания), наоборот, ионы водорода присоединяют.

Например, HCL (соляная кислота) диссоциирует на ионы хлора и ионы водорода:

HCL ↔ H⁺ + Cl^-

HCO-3 (бикарбонат) – щелочь (основание), захватывающая ион водорода, в результате чего образуется угольная кислота:

HCO^-₃ + H⁺ → H₂CO₃

Сильные кислоты (например, соляная) легко диссоциируют, высвобождая при этом большое количество ионов водорода – они имеют низкое значение pH. Слабые кислоты диссоциируют хуже, высвобождая меньшее количество ионов водорода – у них значение pH выше, чем у сильных кислот.

Буфер

Буфер – растворы химических соединений, способные смягчать изменения pH, происходящие при добавлении кислот, путем нейтрализации вновь образующихся ионов водорода. Буфер состоит из основания какой-либо слабой кислоты.

В крови человека есть несколько буферных систем. Для примера рассмотрим основную буферную систему крови – бикарбонатную. Бикарбонатный буфер состоит из угольной кислоты и бикарбоната. При добавлении в буфер (раствор бикарбоната натрия) сильной кислоты (например, соляной), образующиеся при ее диссоциации ионы водорода будут включаться в угольную кислоту, которая слабо диссоциирует:

HCl + NaHCO₃ → H₂CO₃ + NaCl

где сильная кислота – HCl (соляная кислота)
буфер – NaHCO₃ (бикарбонат натрия)
слабая кислота – H₂CO₃ (угольная кислота)
NaCl – натрия хлорид

При этом нужно понимать следующее: высвободившиеся из соляной кислоты ионы водорода включаются в слабую кислоты, которая плохо диссоциирует. Поэтому общее количество ионов водорода в растворе (следовательно, и pH) не изменяется настолько существенно, как в случае отсутствия буфера. Однако, несмотря на то, что буфер позволяет минимизировать изменения pH при добавлении ионов водорода, он не способен полностью удалить их из раствора, поскольку слабые кислоты тоже диссоциируют, хоть и в значительно меньшей степени.

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха позволяет количественно описать взаимодействие компонентов бикарбонатной буферной системы и результирующей величины pH:

где [HCO^-₃] – щелочь (концентрация бикарбоната);
[H₂CO₃] – слабая кислота (концентрация угольной кислоты)

Из этого уравнения видно, что pH определяется отношением концентраций основания (HCO^-₃) кислоты (H₂CO₃). При добавлении ионов водорода к бикарбонатному буферу, концентрация последнего снижается, поскольку бикарбонат частично преобразуется в кислоту, при этом повышается концентрация угольной кислоты, что приводит к снижению значения pH. При постоянном поступлении кислоты (ионов водорода) в систему, весь бикарбонат будет израсходован (он весь преобразуется в угольную кислоту). В случае истощения буферной способности по мере поступления кислоты pH начнет резко снижаться. Однако, при условии постоянного удаления из системы угольной кислоты после ее образования, буферная емкость (то есть pH) будет поддерживаться несмотря на продолжающееся добавление ионов водорода (кислоты).

При более детальном изучении физиологических механизмов регуляции кислотно-щелочного баланса, в организме человека все происходит практически по такой же схеме. В почках постоянно происходит регенерация бикарбоната, а дыхательная система обеспечивает выведение угольной кислоты в виде углекислого газа (CO₂) через легкие.

Роль дыхательной системы в регуляции кислотно-щелочного баланса крови зависит непосредственно от характеристик бикарбонатной буферной системы и преобразования угольной кислоты в ходе химической реакции в воду (H₂O) и углекислый газ (CO₂). Ниже представлено уравнение, демонстрирующее взаимосвязь всех элементов бикарбонатного буфера в организме:

Отметим, что такая реакция обратима – ее направление меняется в зависимости от относительной концентрации каждого отдельного элемента. Так, при высокой концентрации углекислого газа направление реакции смещается влево с повышением соответственно образования угольной кислоты и ионов водорода. Это демонстрирует значительную роль дыхательной системы и объясняет кислотный потенциал углекислого газа в процессе регуляции кислотно-щелочного баланса.

Роль дыхательной системы в регуляции кислотно-щелочного баланса

Роль дыхательной системы в регуляции кислотно-щелочного баланса заключается в поддержании уровня CO₂ (углекислого газа) в крови. Содержание углекислого газа в крови отражает баланс между количеством его образования в процессе клеточного метаболизма, и количеством CO₂, которое выводится через легкие с выдыхаемым воздухом. В головном мозге находятся дыхательные (респираторные) хеморецепторы, которые определяют в поступающей к ним крови изменения концентрации углекислого газа. Если концентрация CO₂ в крови низкая, головной мозг ослабляет дыхание, если высокая – усиливает. То есть, частота дыхания является основной детерминантой экскреции углекислого газа легкими и, как следствие, концентрации углекислого газа в крови.

На рисунке 1 продемонстрирована последовательность процесса образования углекислого газа в тканях организма и дальнейшая его экскреция с выдыхаемым воздухом.

Газообмен и кислотно-щелочной баланс

O₂ – кислород
CO₂ – углекислый газ
H₂CO₃ – угольная кислота
HCO^-₃ – бикарбонатный ион
H⁺ - ионы водорода
Hb – гемоглобин
H⁺Hb – восстановленный гемоглобин (буфер)
O₂-Hb - оксигемоглобин

Рисунок 1.

А) Доставка кислорода (O₂) к тканям и первые стадии элиминации углекислого газа (CO₂)
Б) бикарбонат в легких преобразуется в углекислый газ (CO₂) и выводится из организма с выдыхаемым воздухом

Углекислый газ из тканей диффундирует в капиллярную кровь. В плазме крови он растворяется в незначительной концентрации и в неизменном состоянии транспортируется в легкие. Основное количество CO₂ попадает в эритроциты, где под действием фермента карбоангидразы реагирует с водой, в результате этой реакции образуется угольная кислота, которая в дальнейшем диссоциирует на бикарбонат и ион водорода. В свою очередь, ионы водорода комбинируются с дезоксигенированным гемоглобином (в данном случае гемоглобин выступает в роли буфера), тем самым предотвращая опасное снижение уровня pH в клетках, в то время как бикарбонат диффундирует по градиенту концентрации из эритроцитов в плазму крови. Таким образом, основное количество образовавшегося в тканях CO₂ транспортируется плазмой крови в виде бикарбоната в легкие. И незначительное количество диффундирующего в эритроциты углекислого газа, транспортируется в связанном с гемоглобином виде.

В альвеолах легких начинается обратный процесс. Из гемоглобина высвобождаются ионы водорода, на место которых попадает кислород из вдыхаемого воздуха. Затем ионы водорода вступают в реакцию с бикарбонатом, который диффундирует из плазмы крови в эритроциты, при этом образуется угольная кислота. Поскольку концентрация угольной кислоты повышается, она преобразуется в H₂O (воду) и CO₂ (углекислый газ), который в итоге диффундирует по градиенту концентрации из эритроцитов в альвеолы и выводится из организма с выдыхаемым воздухом.

Роль мочевыделительной системы в регуляции pH крови

Образование ионов водорода в организме человека происходит постоянно – это результат нормального метаболизма (обмена веществ). При отсутствии бикарбонатного буфера ионы водорода накапливались бы, что привело бы к опасному снижению уровня pH в крови. Но сам по себе бикарбонатный буфер не способен удалять из крови ионы водорода, в то время как поддержание нормального кислотно-щелочного баланса в конечном счете зависит от способности организма к их элиминации. Одновременно необходимо регулярно восполнять ионы бикарбоната, которые используются в буфере.

Все эти задачи выполняют почки, а именно клетки почечных канальцев. В этих клетках содержится много фермента карбоангидразы. Этот фермент выступает в роли катализатора синтеза угольной кислоты из воды и углекислого газа. При этом угольная кислота диссоциирует с высвобождением бикарбоната, который попадает в кровь, и ионов водорода, которые выводятся из организма с мочой. Этот процесс зависит от наличия в моче буферов, основными из которых являются ионы аммония и фосфатные ионы.

Условия поддержания нормального кислотно-щелочного баланса

• Адекватная буферная емкость крови
• Полноценная функция респираторных рецепторов в головном мозге
• Полноценная функция дыхательной системы (выведение CO₂)
• Полноценная функция мочевыделительной системы (регенерация бикарбоната и выведение ионов водорода)