Кислотно-основное состояние. Практически все химические реакции в организме человека зависят от поддержания концентрации ионов водорода в физиологически допустимых пределах

Практически все химические реакции в организме человека зависят от поддержания концентрации ионов водорода в физиологически допустимых пределах. Концентрация ионов водорода жестко регулируется, поскольку ее изменения могут вы­звать дисфункцию многих органов и систем.

Сложную систему регуляции концентрации во­дородных ионов часто называют кислотно-основ­ным состоянием, знание которого чрезвычайно важно для анестезиолога. Интраоперационные из­менения вентиляции и перфузии быстро приводят к изменениям кислотно-основного состояния. Следовательно, чтобы правильно проводить анес­тезию, необходимо хорошо разбираться в наруше­ниях кислотно-основного состояния, их влиянии на организм и методах лечения.

В этой главе обсуждается физиология и пато­физиология кислотно-основного состояния, а так­же предлагается системный подход к интерпрета­ции результатов анализа газов крови.

Определения и терминология

Химия кислот и основанийКонцентрация ионов водорода и рН

В любом водном растворе молекулы воды обрати­мо диссоциируют на ионы водорода и гидроксид-ные ионы:

H₂O ~ H⁺ + ОН'.

Кинетику этого процесса можно описать с помо­щью константы диссоциации K_w:

K_w= [H⁺] х [OhT] = I (Г¹⁴.

Концентрацию воды в знаменателе этого уравне­ния опускают, поскольку она не имеет существен­ного значения и уже включена в константу. Следо­вательно, если [H⁺] или [ОН~] известна, можно легко рассчитать концентрацию другого иона.

Пример:если [H⁺] = КГ⁸ нмоль/л, тогда [ОН ] = KT¹VlO'⁸= 10~⁶ нмоль/л.

В норме [H⁺] артериальной крови составляет 40 нмоль/л (40 X КГ⁹ моль/л). Проводить расчеты с числами такого порядка крайне неудобно, поэто­му концентрацию ионов водорода принято выра­жать через рН. рН раствора — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водоро­да (рис. 30-1). Следовательно, в норме рН артери­альной крови составляет -log (40 X 10~⁹) = 7,40. Концентрация ионов водорода от 16 до 160 нмоль/л (рН 6,8-7,8) совместима с жизнью.

Как и большинство других констант диссоциа­ции, K_w зависит от температуры. Если температу­ра составляет 25 ⁰C, то точка электронейтральнос­ти для воды достигается при рН 7,0, если 37 ⁰C — то при рН 6,8. Изменения рН в зависимости от темпе­ратуры имеют важное значение при гипотермии (гл.21).

Рис. 30-1.Взаимосвязь между рР1 и [H⁺]. В интервале значений рН от 7,1 до 7,5 зависимость между рН и [H⁺] принимает почти линейный характер. (Из: Narins R. G., Emmett M. Simple and Mixed Acid-base Disorders: A Practical Approach. Medicine, 1980; 59: 161.)

Кислоты и основания

В соответствии с определением Бренстеда-Лоури, кислотой называют донор протона (H⁺), а основа­нием — акцептор протона. Соответственно, кис­лотность водного раствора отражает концентра­цию РГ. Сильной кислотой является вещество, которое легко и почти необратимо отдает H⁺ и по­вышает [H⁺] в растворе. Сильное основание, на­оборот, активно связывает H⁺ и снижает [H⁺]. Сла­бые кислоты обратимо отдают H⁺, а слабые основания — обратимо связывают H^; те и другие оказывают меньшее влияние на [H^] в растворе, чем сильные кислоты и основания. Большинство биологических соединений являются либо слабы­ми основаниями, либо слабыми кислотами.

Для растворов, содержащих слабую кислоту НА, где

НА ~ H⁺ + А',

константу диссоциации К рассчитывают следую­щим образом:

К - [H⁺] х [A']/ [НА], или [H⁺] = К X [HA]/ [A"].

Последнее уравнение, представленное в форме от­рицательного десятичного логарифма, называют уравнением Гендерсона-Хассельбальха:

_РН = рК+log ([A-]/[HA]).

Из этого уравнения следует, что рН раствора зави­сит от величины отношения концентрации аниона к концентрации недиссоциированной кислоты.

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.