Водородкарбонатная буферная система наиболее "быстро" отзывается на изменение рН крови. Ее буферная емкость по кислоте составляет Вк = 40 ммоль/л плазмы крови, а буферная емкость по щелочи значительно меньше и равна примерно Вщ = 1 – 2 ммоль/л плазмы крови.
2. Фосфатная буферная система НРО42-/Н2РО4- состоит из слабой кислоты Н2РО4- и сопряженного основания НРО42-. В основе ее действия лежит кислотно-основное равновесие, равновесие между гидрофофсфат- и дигидрофосфат-ионами:
НРО42- + Н+Û Н2РО4-
НРО42- + Н2О Û Н2РО4- + ОН-
Фосфатная буферная система способа сопротивляться изменению рН в интервале 6, 2 – 8, 2, т. е. обеспечивает значительную долю буферной емкости крови.
Из уравнения Гендерсона–Гассельбаха (4) для этой уферной системы следует, что в норме при рН 7, 4 отношение концентраций соли (НРО42-) и кислоты (Н2РО4-) примерно составляет 1. 6. Это следует из равенства:
| рН = 7, 4 = 7, 2 + lg | с (НРО42-) | , где 7, 2 = рКа (Н2РО4-) |
| с (Н2РО4-) |
Отсюда
| lg = | с (НРО42-) | = 7, 4 – 7, 2 = 0, 2 и | с (НРО42-) | = 1, 6 |
| с (Н2РО4-) | с (Н2РО4-) |
Фосфорная буферная система имеет более высокую емкость по кислоте, чем по щелочи. Поэтому она эффективно нейтрализует кислые метаболиты, поступающие в кровь, например молочную кислоту HLac:
НРО42- + HLacÛ Н2РО4- + Lac-
Однако различия буферной емкости данной системы по кислоте и щелочи не столь велики, как у водородкарбонатной: Вк = 1 –2 ммоль/ л; Вщ = 0, 5 ммоль/ л. Поэтому фосфатная система в нейтрализации как кислых, так и основных продуктов метаболизма. В связи с малым содержанием фосфатов в плазе крови она менее мощная, чем вородкарбонатная буферная система.
3. Буферная система оксигемоглобин-гемоглобин, на долю которой приходится около 75% буферной емкости крови, характеризующаяся равновесием между ионами гемоглобина Hb- и самим гемоглобином HНb, являющимся очень слабой кислотой (КHНb= 6, 3 ´ 10-9; рКHНb = 8, 2).
Hb- + Н+ÛHНb
Hb- + Н2О ÛHНb + ОН-
а также между ионами оксигемоглобина HbО2- и самим оксигемоглобином HНbО2, который является несколько более сильной, чем гемоглобин, кислотой (КHНbО2 = 1. 12 ´ 10-7; рКHНbО2 = 6, 95):
HbО2- + Н+ÛHНbО2
HbО2- + Н2О ÛHНbО2 + ОН-
Гемоглобин HНb, присоединяя кислород, образует оксигемоглобин HНbО2
HНb + О2ÛHНbО2
и, таким образом, первые два равновесия взаимосвязаны со следующими двумя.
4. Белковая буферная система состоит из "белка-основания" и "белка-соли".
СОО- СОО-
R – СН + Н+ ÛR – СН
NН2 N+Н3
белок-основание белок-соль
Соответствующее кислотно-основное равновесие в средах, близких к нейтральным, смещено влево и "белок-основание" преобладает.
Основную часть белков плазмы крови (»90%) составляют альбумины и глобулины. Изоэлектрические точки этих белков (число катионных и анионных групп одинаково, заряд молекулы белка равен нулю) лежат в слабокислой среде при рН 4,9 – 6,3, поэтому в физиологических условиях при рН 7,4 белки находятся преимущественно в формах "белок-основание" и "белок-соль".
Буферная емкость, определяемая белками плазмы, зависит от концентрации белков, их вторичной и третичной структуры и числа свободных протон-акцепторных групп. Эта система может нейтрализовать как кислые, так и основные продукты. Однако вследствие преобладания формы "белок-основание" ее буферная емкость значительно выше по кислоте и составляет для альбуминов Вк = 10 ммоль/л, а для глобулинов Вк = 3 ммоль/л.
Буферная емкость свободных аминокислот плазмы крови незначительна как по кислоте, так и по щелочи. Это связано с тем, что почти все аминокислоты имеют значения рКа, очень далекие от рКа = 7. Поэтому при физиологическом значении рН их мощность мала. Практически только одна аминокислота – гистидин (рКа = 6,0) обладает значительным буферным действием при значениях рН, близких к рН плазмы крови.
Таким образом, мощность буферных систем плазмы крови уменьшается в направлении
НСО3-/ Н2СО3> белки > НРО42-/ Н2РО4- > аминокислоты
Эритроциты. Во внутренней среде эритроцитов в норме поддерживается постоянное рН, равное 7,25. Здесь также действуют водородкарбонатная и фосфатная буферные системы. Однако их мощность отличается от таковой в плазме крови. Кроме того, в эритроцитах белковая система гемоглобин-оксигемоглобин играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них метаболической СО2), так и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом. Необходимо отметит, что эта буферная система в эритроцитах тесно связана с водородкарбонатной системой. Т. к. рН внутри эритроцитов 7,25, то соотношение концентраций соли (НСО3-) и кислоты (Н2СО3) здесь несколько меньше, чем в плазме крови. И хотя буферная емкость этой системы по кислоте внутри эритроцитов несколько меньше, чем в плазме, она эффективно поддерживает постоянство рН.
Фосфатная буферная емкость играет в клетках крови гораздо более важную роль, чем в плазме крови. Прежде всего, это связано с большим содержанием в эритроцитах неорганических фосфатов. Кроме того, большое значение в поддерживании постоянства рН имеют эфиры фосфорных кислот, главным образом фосфолипиды, составляющие основу мембран эритроцитов.
Фосфолипиды являются относительно слабыми кислотами. Значения рКа диссоциации фосфатных групп находятся в пределах от 6,8 до 7,2. Поэтому при физиологическом рН 7,25 фосфолипиды мембран эритроцитов находятся как в виде неионизированных, так ионизированных форм. Иначе говоря, в виде слабой кислоты и ее соли. При этом соотношение концентраций соли и слабой кислоты составляет примерно (1,5 – 4) : 1. Следовательно, сама мембрана эритроцитов обладает буферным действием, поддерживая постоянство рН внутренней среды эритроцитов.
Таким образом, в поддержании постоянства кислотно-щелочного равновесия в крови участвует ряд буферных систем, обеспечивающих кислотно-основной гомеостаз в организме.
В современной клинической практике кислотно-щелочное равновесие (КЩР) организма обычно определяют путем исследования крови по микрометоду Аструпа и выражают в единицах ВЕ (от лат. "би-эксцесс" – избыток оснований). При нормальном кислотно-щелочном состоянии организма ВЕ = 0 (в аппарате Аструпа этому значению ВЕ отвечает рН 7,4).
При значениях ВЕ от 0 до ± 3 КЩС организма считается нормальным, при ВЕ = ± (6 – 9) – тревожным, при ВЕ = ± (10 – 14) – угрожающим, а при абсолютном значении ВЕ, превышающим 14, - критическим.
Для коррекции КЩР при ВЕ<0 (ацидоз) чаще используют 4%-ный раствор гидрокарбонаната натрия, который вводят внутривенно. Необходимый объем этого раствора в мл рассчитывают по эмпирической формуле v = 0,5mВЕ, где m – масса тела, кг.
Если состояние ацидоза возникло в результате кратковременной остановки сердца, то объем 4%-ного раствора NаНСО3 (v мл), необходимый для компенсации сдвига КЩР в кислую область, рассчитывают по формуле v = mz, где z – продолжительность остановки сердца, мин.
Коррекция КЩР при алкалозе более сложна и требует учета многих привходящих обстоятельств. В качестве одной из временных мер целесообразно введение от 5 до 15 мл 5%-го раствора аскорбиновой кислоты.
Метод кислотно-основного титрования в одном из своих вариантов (алкалиметрия) позволяет определять количества кислот и кислотообразующих веществ (солей, составленных из катиона слабого основания и аниона сильной кислоты и т. п.) с помощью растворов щелочной известной концентрации, называемых рабочими. В другом варианте (ацидиметрия) этот метод позволяет определять количества оснований и веществ основного характера (оксидов, гидридов и нитридов металлов, органических аминов, солей, составленных из катионов сильных оснований и анионов слабых кислот и т. п.) с помощью рабочих растворов кислот.
Метод кислотно-основного титрования используется в практике клинических, судебно-экспертных и санитарно-гигиенических исследований, а также при оценке качества лекарственных препаратов.
1 Согласно протонной теории, кислотой называют всякое вещество, молекулярные частицы которого (в том числе и ионы) способны отдавать протон, т.е. быть донором протонов; основанием называют всякое вещество, молекулярные частицы которого (в том числе и ионы) способны присоединять протоны, т.е. быть акцептором протонов.