Сопряженные пары и буферы

В то время как находящаяся в растворе слабая кис­лота НА отдает H⁺, А~ может действовать как осно­вание, присоединяя H⁺. Поэтому А" называют со­пряженным основанием для НА. Подобная концепция применима и для слабых оснований. Слабое основание В можно представить следую­щим образом:

в + н⁺ — вн⁺.

Тогда BH^является сопряженной кислотой для В. Буфером является раствор, содержащий сла­бую кислоту и сопряженное с ней основание или слабое основание и сопряженную с ней кислоту (сопряженные пары). Буферы, легко отдавая или присоединяя ионы водорода, нивелируют измене­ния [H⁺]. Из уравнения Гендерсона-Хассельбальха следует, что буферы наиболее эффективно компен­сируют изменения рН в растворе, когда рН ⁼ рК. Кроме того, чтобы буфер функционировал эффек­тивно, в растворе должно содержаться значитель­ное количество сопряженных пар.

Клинические нарушения

При описании нарушений кислотно-основного со­стояния и компенсаторных механизмов необходимо использовать точную терминологию (табл. 30-1). Суффикс "оз" отражает патологический процесс, приводящий к изменению рН артериальной крови. Нарушения, которые приводят к снижению рН, на­зывают ацидозом,тогда как состояния, которые вызывают увеличение рН,— алкалозом.Если пер­вопричиной нарушений является изменение кон­центрации бикарбоната ([HC(V]), то их называют метаболическими. Если же первопричиной нару­шений является изменение PaCO₂, то их называют респираторными. Вторичные компенсаторные ре­акции следует обозначать именно как реакции, не используя суффикса "оз". Например, можно ска­зать "метаболический ацидоз с респираторной компенсацией".

В случаях, когда имеется только одно первич­ное нарушение кислотно-основного состояния, его называют простым.Если имеются два или более первичных процесса, то говорят о смешанномна­рушении кислотно-основного состояния.

Суффикс "-емия" применяется для характерис­тики суммарного эффекта всех первичных патоло­гических процессов и компенсаторных физиологи­ческих реакций на рН артериальной крови. Поскольку рН артериальной крови у взрослого че­ловека в норме равно 7,36-7,44, ацидемия означает рН < 7,35, алкалемия — рН > 7,45.

Компенсаторные механизмы

Физиологическая реакция организма в ответ на изменения [H⁺] во времени подразделяется на три фазы: 1) немедленная химическая реакция буфер­ных систем; 2) дыхательная компенсация (при ме­таболических нарушениях кислотно-основного состояния); 3) более медленная, но более эффек­тивная компенсаторная реакция почек, способная

ТАБЛИЦА 30-1.Диагностика нарушений кислотно-основного состояния

Нарушение	Первичные изменения	Компенсаторная реакция
Респираторный
Ацидоз	IPaCO2	IHCO3-
Алкалоз	IPaCO2	JHCO3-
Метаболический
Ацидоз	JHCO3-	IPaCO2
Алкалоз	IHCO3-	TPaCO2

практически полностью нормализовать рН арте­риальной крови даже при сохраняющемся патоло­гическом процессе.

Буферные системы организма

К основным буферным системам относятся бикар­бонат (Н₂СО₃/НСО;Г), гемоглобин (HbHXHb"), внутриклеточные белки (HPrXPr"), фосфаты (H₂PO₄^-X HPO₄^2-), а также аммиакХион аммония (NH₃XNH/). Эффективность этих буферов в раз­личных жидкостных компартментах организма за­висит от их концентрации (гл. 28). Наиболее важ­ный буфер внеклеточной жидкости — бикарбонат. Несмотря на то что гемоглобин находится внутри эритроцитов, он является важным буфером крови. Многие другие белки играют ведущую роль в под­держании кислотно-основного состояния внутри­клеточной жидкости. Фосфаты и ионы аммония являются главными буферами в моче.

Действие буферных систем внеклеточной жид­кости может сопровождаться обменом внеклеточ­ного H⁺ на Na⁺ и Ca²⁺ из костей, а также обменом внеклеточного H⁺ на внутриклеточный K⁺ (гл. 28). Кислотная нагрузка способна привести к демине-рализации костей и высвобождению из них щелоч­ных соединений (CaCO₃ и CaHPO₄). Щелочная нагрузка (NaHCO₃) стимулирует отложение кар­бонатов в костях.

Действие бикарбонатного буфера в плазме раз­вивается практически немедленно, тогда как в ин-терстициальной жидкости — в течение 15-20 мин. Напротив, действие буферов внутриклеточных белков и костной ткани развивается медленнее (2-4 ч). До 50-60 % кислотной нагрузки в конце кон­цов связывается в буферных системах внутрикле­точных белков и костной ткани.

Бикарбонатный буфер

Под бикарбонатным буфером понимают H₂CO₃ и HCO₃", но H₂CO₃ можно заменить на PaCO₂, так как:

H₂O + CO₂ ~ H₂CO₃ — H⁺ + HCO₃".

Соединение CO₂ с водой происходит под действи­ем карбоангидразы. Если использовать константу диссоциации для бикарбонатного буфера и учиты­вать коэффициент растворимости для CO₂ (0,03 ммольХл), то уравнение Гендерсона-Хас-сельбальха для бикарбоната приобретает следую­щий вид:

рН - рК + log ([НСОЛДО.ОЗ x PaCO₂), где р К = 6,1.

Отметим, что рК бикарбонатного буфера значи­тельно отличается от рН артериальной крови (7,40); это означает, что бикарбонат не является достаточно эффективным внеклеточным буфером. Однако бикарбонатный буфер очень важен по двум причинам: 1) концентрация бикарбоната (НСОз~) во внеклеточной жидкости довольно вы­сока; 2) еще большее значение имеет тонкая регуляция PaCO₂ легкими и [HCO₃"] плазмы — почками. Способность этих органов изменять соот­ношение [HCO₃^-]XPaCO₂ позволяет им играть важную роль в регуляции рН артериальной крови. Упрощенный и более практичный вариант уравнения Гендерсона-Хассельбальха для бикар­бонатного буфера следующий:

[Н⁺] = 24хРаС0₂/[НСОЛ.

Это уравнение очень полезно в клинической прак­тике, поскольку по величине рН можно легко вы­числить [H⁺] (табл. 30-2). Если рН < 7,40, то при снижении рН на каждые 0,01 прирост [H⁺] состав­ляет 1,25 нмольХл; если рН > 7,40, то при повыше­нии рН на каждые 0,01 снижение [H⁺] составляет 0,8 нмольХл.

Пример:если рН артериальной крови = 7,28, a PaCO₂ = 24 ммольХл, то какова [HCO₃"] в плазме?

[H⁺] = 40 + [(4O - 28) х 1,25] - 55 нмоль/л (расчет на основе данных табл. 30-2). Поэтому,

55 = 24 х 24/[HCO₃'], a [HCO₃"] - (24 х 24)/55 = = 10,5 ммоль/л.

Подчеркнем, что бикарбонатный буфер оказывает­ся эффективным для компенсации метаболического, но не респираторного ацидоза. Если во внеклеточ­ную жидкость ввести 3 ммольХл сильной нелетучей кислоты, например HCl, то произойдет следующее:

3 ммоль/л H⁺ + 24 ммоль/л НСО₃~ —» H₂CO₃ -> H₂O + 3 ммоль/л CO₂+ 21 ммоль/л HCO₃".

ТАБЛИЦА 30-2.Взаимозависимость величин рН и [H⁺]

PH	[H+]
6,80	158 нэкв/л
6,90	1 26 нэкв/л
7,00	1 0O нэкв/л
7,10	79 нэкв/л
7,20	63 нэкв/л
7,30	50 нэкв/л
7,40	40 нэкв/л
7,50	32 нэкв/л
7,60	25 нэкв/л
7,70	20 нэкв/л

При этом HCO₃ , соединяясь с H⁺, образует CO₂. Более того, образующийся CO₂ в норме выделяется легкими, так что величина PaCO₂ не изменяется. Следовательно, [H⁺] = 24 X 40/21 = 45,7 ммоль/л, а рН = 7,34. Снижение [HCO₃"] отражает количе­ство добавленной нелетучей кислоты.

С другой стороны, увеличение PaCO₂ (летучей кислоты) не оказывает существенного влияния на [HCO₃ ]. Например, при повышении PaCO₂ с 40 до 80 мм рт. ст. содержание растворенного в плазме CO₂ увеличивается с 1,2 до 2,2 ммоль/л. Более того, константа равновесия для гидратации CO₂ такова, что повышение содержания CO₂ приведет лишь к минимальному смещению реакции вправо:

H₂O + CO₂ ~ H₂CO₃ ~ H⁺ + HCO₃".

Если верно предположение, что [HCO₃ ] суще­ственно не меняется, то:

[H⁺] - 24 х 80/24 = 80 нмоль/л, а рН = 7,10.

Соответственно, [H⁺] увеличивается на 40 нмоль/л, а поскольку HCO₃" вырабатывается в соотноше­нии 1 : 1 с H⁺, то [HCO₃"] также повышается на 40 нмоль/л. Таким образом, [HCO₃"] внекле­точной жидкости увеличивается на абсолютно несущественные 40 нмоль/л, с 24 ммоль/л до 24,000040 ммоль/л. Поэтому бикарбонатный бу­фер при повышении PaCO₂ является неэффек­тивным, а изменения [HCO₃"] не отражают тя­жесть респираторного ацидоза.

Гемоглобиновый буфер

Гемоглобин в количественном отношении являет­ся наиболее важным небикарбонатным буфером внеклеточной жидкости. Гемоглобин — это слож­ная молекула со множеством сайтов, осуществля­ющих буферное взаимодействие. Основная буфер­ная роль приходится на долю гистидина (рК около 6,8). Несколько упрощая можно принять, что вос­становленный гемоглобин (слабая кислота, HHb) находится в равновесии с его калиевой солью (KHb). В отличие от бикарбонатного буфера, ге­моглобин позволяет нейтрализовать как летучие (CO₂), так и нелетучие кислоты:

H⁺+KHb-HHb+ K⁺ и H₂CO₃ + KHb- HHb + НСО₃~.