Кислотно-щелочное равновесие

Концентрация ионов водорода [Н⁺] в клетках и жидкостях определяет их кислотно‑щелочное равновесие (КЩР), или кислотно-основное равновесие. Хотя [Н⁺] во внеклеточной жидкости относительно мала (40´10^–9 моль/л), [H⁺] влияет практически на все жизненно важные функции. КЩР оценивают по величине рН — водородному показателю: рН — отрицательный десятичный логарифм молярной [H⁺] в среде. рН жидких сред организма зависит от содержания в них органических и неорганических кислот и оснований (кислота — вещество, которое в растворе является донором протонов, а основание — вещество, являющееся в растворе акцептором протонов). Сильные кислоты [HCl, H₂SO₄] и сильные основания [NaOH, KON, Ca(OH)₂] в организме не образуются, а в разбавленных растворах полностью ионизированы. Слабые кислоты [уксусная — CH₃COOH, угольная — H₂CO₃] и слабые основания [гидрокарбонат калия — KHCO₃, гидрофосфат натрия — NaH₂PO₄] в растворе ионизированы не полностью. Большинство кислот и оснований во внеклеточной жидкости — слабые кислоты и основания. Концентрацию ионов водорода [H⁺] — водородный показатель — выражают в логарифмической шкале (единицы pH):

Уравнение 24–4

pH = log 1/[H⁺] = –log [H⁺]

pH находится в обратной зависимости к [H⁺], т.е. низкое pH соответствует высокой концентрации H⁺, а высокое pH — низкой концентрации H⁺. Нормальное значение pH артериальной крови — 7,4, pH венозной крови и интерстициальной жидкости около 7,35. Падение величины pH ниже этих значений указывает на ацидоз, подъём pH — на алкалоз. Другими словами, ацидоз — избыток H⁺, уменьшение H⁺ — алкалоз. В организме образуются почти в 20 раз больше кислых продуктов, чем основных (щелочных). В связи с этим необходимы системы нейтрализации избытка соединений с кислыми свойствами. К этим системам относятся химические буферные системы.

Химические буферные системы

Принцип действия химических буферных систем заключается в трансформации сильных кислот и сильных оснований в слабые. Химические буферные системы крови представлены бикарбонатным, фосфатным, белковым и гемоглобиновым буферами. Буферные системы начинают действовать сразу же при увеличении или снижении [H⁺], т.е. являются быстрой системой компенсации сдвигов рН. Например, буферы крови способны устранять умеренные сдвиги КЩР в течение 10–40 с.

Относительная ёмкость буферных систем крови приведена в табл. 24–3.

Таблица 24–3. Относительная ёмкость (%) буферов крови [17]

	Плазма крови	Эритроциты
Гидрокарбонатный
Гемоглобиновый
Белковый
Фосфатный
Общая ёмкость

Гидрокарбонатная буферная система — основной буфер крови и межклеточной жидкости, составляет около половины буферной ёмкости крови и более 90% — плазмы и интерстициальной жидкости. Гидрокарбонатный буфер (смесь угольной кислоты [H₂СO₃] и гидрокарбоната натрия [NaHCO₃] — система открытого типа, она ассоциирована с функцией внешнего дыхания и почек. Система внешнего дыхания поддерживает оптимальный уровень рCO₂ крови (и как следствие — концентрацию H₂CO₃), а почки — содержание аниона HCO₃^–. Именно это и обеспечивает функционирование системы HCO₃^–/H₂CO₃ в качестве эффективного и ёмкого буфера внеклеточной среды.

Фосфатная буферная система играет существенную роль внутри клеток, особенно — канальцев почек, что обусловлено более высокой концентрацией фосфатов в клетках по сравнению с внеклеточной жидкостью. Фосфатный буфер состоит из двух компонентов: щелочного — (Na₂HPO₄) и кислого — (NaH₂PO₄). Эпителий канальцев почек содержит компоненты буфера в максимальной концентрации, что обеспечивает его высокую мощность. В крови фосфатный буфер способствует поддержанию («регенерации») гидрокарбонатной буферной системы. При увеличении уровня кислот в плазме крови (содержащей и гидрокарбонатный, и фосфатный буферы) увеличивается концентрация H₂CO₃ и уменьшается содержание NaHCO₃:

Уравнение 24–5

H₂CO₃ + Na₂HPO₄ « NaHCO₃ + NaH₂PO₄

В результате избыток угольной кислоты устраняется, а уровень NaHCO₃ возрастает.

Белковая буферная система — главный внутриклеточный буфер, составляющий примерно 3/4 буферной ёмкости внутриклеточной жидкости. Компонентами белкового буфера являются слабодиссоциирующий белок с кислыми свойствами (белок‑COOH) и соли сильного основания (белок‑COONa).

Гемоглобиновая буферная система — наиболее ёмкий буфер крови (более половины всей её буферной ёмкости) — состоит из кислого компонента — оксигенированного Hb (HbO₂) и основного — неоксигенированного (Hb). HbO₂ примерно в 80 раз сильнее диссоциирует с отдачей в среду H⁺, чем Hb. Соответственно, HbO₂ связывает больше катионов (главным образом K⁺). Основная роль гемоглобиновой буферной системы заключается в её участии в транспорте CO₂ от тканей к лёгким.

Клеточные элементы крови

К клеткам крови (устаревшее название — форменные элементы) относятся эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, или кровяные пластинки (рис. 24–1). Клетки крови изучают микроскопически на мазках, окрашенных по Романовскому–Гимзе, Райту и др.; рис 24–2). Содержание в периферической крови взрослого человека эритроцитов у мужчин — 4,5–5,7´10¹²/л (у женщин — 3,9–5´10¹²/л), лейкоцитов — 3,8–9,8´10⁹/л (лимфоциты — 1,2–3,3´10⁹/л, моноциты — 0,2–0,7´10⁹/л, зернистые лейкоциты — 1,8–6,6´10⁹/л), тромбоцитов — 190–405´10⁹/л. В периферической крови циркулируют дефинитивные формы клеток, образование которых (кроветворение, или гемопоэз) происходит в красном костном мозге и органах лимфоидной системы (тимусе, селезёнке, лимфатических узлах и лимфоидных фолликулах). Из стволовой кроветворной клетки в красном костном мозге формируются эритроидные клетки (в кровь поступают эритроциты и ретикулоциты), миелоидные клетки (зернистые лейкоциты, в кровь поступают палочко- и сегментоядерные нейтрофильные лейкоциты, зрелые базофильные и эозинофильные лейкоциты), моноциты, кровяные пластинки и часть лимфоцитов, в органах лимфоидной системы — T- и B-лимфоциты.

Рис. 24–1. Клетки крови [11]. Кровь содержит три разновидности клеток: эритроциты (безъядерные клетки, имеющие форму двояковогнутого диска), лейкоциты (ядерные клетки шаровидной формы, содержащие различного типа гранулы) и тромбоциты (фрагменты цитоплазмы расположенных в костном мозге гигантских клеток — мегакариоцитов). А — эритроцит; Б — нейтрофил; В — эозинофил; Г — базофил; Д — лимфоциты (малый и большой); Е — моноцит; Ж — тромбоциты.

Рис. 24–2. Мазок крови [11]. 1 — эритроциты; 2 — сегментоядерный нейтрофил; 3 — палочкоядерный нейтрофил; 4 — эозинофил; 5 — базофил; 6 — лимфоцит; 7 — моноцит. Окраска по Романовскому–Гимзе.

Гемопоэз

Кроветворение — образование из стволовой кроветворной клетки клеток-предшественниц конкретных гемопоэзов, их пролиферация и дифференцировка, а также созревание клеточных элементов крови в условиях специфического микроокружения и под влиянием факторов гемопоэза. В пренатальном периоде гемопоэз происходит в нескольких развивающихся органах. Кроветворение после рождения, у детей, подростков и взрослого человека осуществляется в костном мозге плоских костей (череп, рёбра, грудина, позвонки, кости таза) и эпифизов трубчатых костей, а кроветворными органами для лимфоцитов являются селезёнка, тимус, лимфатические узлы, лимфоидные фолликулы в составе разных органов.

· Клетки кровяных островков желточного мешка до 12 нед внутриутробного развития образуют первые клетки крови — первичные эритробласты — крупные клетки, содержащие ядро и эмбриональные типы Hb.

· В течение второго месяца развития стволовые клетки крови заселяют печень, селезёнку и тимус. Образуются все виды клеток крови.

· Костный мозг у эмбриона закладывается к концу третьего месяца внутриутробного периода. К четвёртому месяцу в костном мозге появляются лимфоидные элементы и родоначальные клетки крови, а с пятого месяца возникает дифференцированное костномозговое кроветворение. Помимо этого, созревание лимфоцитов происходит и в других органах — печени, тимусе, селезёнке, лимфатических узлах. Последние в антенатальном периоде также являются органом эритроцитопоэза. К моменту рождения, после рождения и у взрослого кроветворение ограничивается костным мозгом и лимфоидной тканью. При недостаточности костного мозга восстанавливается экстрамедуллярный гемопоэз (кроветворение в печени, селезёнке и лимфатических узлах).

Зрелые клетки периферической крови развиваются из предшественников, созревающих в красном костном мозге. Унитарная теория кроветворения (рис. 24–3) предусматривает, что родоначальница всех клеточных элементов крови — стволовая кроветворная клетка. Её потомки — полипотентные клетки-предшественницы лимфоцитопоэза (CFU-Ly) и миелопоэза (CFU-GEMM). В результате деления CFU-Ly и CFU-GEMM их потомки остаются полипотентными или превращаются в коммитированные (предопределённые судьбой) унипотентные клетки-предшественницы, также способные делиться, но дифференцирующиеся (развивающиеся) только в одном направлении. Пролиферацию унипотентных клеток–предшественниц стимулируют колониестимулирующие факторы и интерлейкины (особенно ИЛ3).

Рис. 24–3. Схема гемопоэза.; CFU‑GEMM — полипотентная клетка-предшественница миелопоэза; CFU‑Ly — полипотентная клетка-предшественница лимфоцитопоэза; CFU‑GM — полипотентная клетка-предшественница гранулоцитов и моноцитов; CFU‑G — полипотентная клетка-предшественница нейтрофилов и базофилов. Унипотентные предшественники: BFU‑E и CFU‑E — эритроцитов; CFU‑Eo — эозинофилов; CFU‑M — моноцитов; CFU‑Meg — мегакариоцитов. CFU — Colony Forming Unit — колониеобразующая единица (КОЕ), BFU — Burst Forming Unit — взрывообразующая единица.

· Эритропоэз (рис. 24–4). Начало эритроидного ряда — стволовая клетка эритропоэза, или взрывообразующая единица (BFU-E), из которой формируется унипотентный предшественник эритроцитов (CFU-E). Последний даёт начало проэритробласту. Дальнейшая дифференцировка приводит к увеличению содержания Hb и потере ядра. Из проэритробласта путём пролиферации и дифференцировки последовательно развиваются эритробласты: базофильный ® полихроматофильный ® оксифильный (нормобласт) и далее неделящиеся формы — ретикулоцит и эритроцит. От BFU-E до нормобласта — 12 клеточных поколений, а от CFU-E до позднего нормобласта — 6 или меньше клеточных делений. Длительность эритропоэза (от его стволовой клетки BFU-E до эритроцита) — 2 недели. Интенсивность эритропоэза контролирует эритропоэтин. Основной стимул для выработки эритропоэтина — уменьшение содержания кислорода в крови (рО₂) — гипоксия (рис. 24–5).

Рис. 24–4. Эритропоэз [11]. Из взрывообразующей единицы эритропоэза BFU-E дифференцируется унипотентный предшественник эритроцитов CFU-E. Последний даёт начало проэритробласту. Дальнейшая дифференцировка приводит к уменьшению размеров клеток и количества органелл, но к увеличению содержания Hb и потере ядра. При этом из проэритробласта последовательно дифференцируются базофильный, полихроматофильный, оксифильный (неделящийся нормобласт) эритробласт, ретикулоцит, эритроцит. Вытолкнутое из нормобласта ядро поглощает макрофаг.

Рис. 24–5. Регуляция эритропоэза [11]. Пролиферацию взрывообразующей единицы эритропоэза (BFU-E) стимулирует ИЛ3. Унипотентный предшественник эритроцитов CFU-E чувствителен к эритропоэтину. Решающий стимул для образования эритроцитов — гипоксия, запускающая синтез эритропоэтина в почке, а у плода также в печени. Эритропоэтин выходит в кровь и поступает в костный мозг, где стимулирует размножение и дифференцировку унипотентного предшественника эритроцитов (CFU-E) и дифференцировку последующих клеток эритроидного ряда. В результате количество эритроцитов в крови увеличивается. Соответственно возрастает количество кислорода, поступающего в почку, что тормозит образование эритропоэтина.

· Гранулоцитопоэз (рис. 24–6). Гранулоциты образуются в костном мозге. Нейтрофилы и базофилы происходят из полипотентной клетки-предшественницы нейтрофилов и базофилов (CFU-G), а эозинофилы — из унипотентного предшественника эозинофилов (CFU-Eo). CFU-G и CFU-Eo — потомки полипотентной клетки-предшественницы гранулоцитов и моноцитов (CFU-GM). При развитии гранулоцитов можно выделить такие стадии: миелобласты ® промиелоциты ® миелоциты ® метамиелоциты ® палочкоядерные и сегментоядерные гранулоциты. Специфические гранулы появляются на стадии миелоцитов; с этого момента клетки называют в соответствии с типом образующихся из них зрелых гранулоцитов. Клеточные деления прекращаются на стадии метамиелоцита. Пролиферацию и дифференцировку клеток-предшественниц контролируют колониестимулирующие факторы (гранулоцитов и макрофагов — GM-CSF, гранулоцитов — G-CSF), ИЛ3 и ИЛ5 (предшественники эозинофилов).

Рис. 24–6. Гранулоцитопоэз [11]. В ходе дифференцировки предшественников гранулоцитов выделяют: миелобласт, промиелоцит, миелоцит, метамиелоцит, палочкоядерный и сегментоядерный гранулоциты.

· Колониестимулирующий фактор гранулоцитов и макрофагов (GM-CSF). На образование и пролиферацию фагоцитов (гранулоцитов и моноцитов) влияет более десятка цитокинов. Наиболее значим GM-CSF, способствующий образованию моноцитов и гранулоцитов. GM-CSF продуцируют моноциты, Т-лимфоциты, фибробласты, клетки эндотелия. GM-CSF влияет на ранние стадии гемопоэза, стимулируя пролиферацию практически всех классов ранних клеток-предшественниц гранулоцитов и макрофагов.

· Колониестимулирующий фактор гранулоцитов (G-CSF) влияет на полипотентную клетку-предшественницу нейтрофилов и базофилов (CFU-G), стимулируя её дифференцировку в унипотентные клетки-предшественницы нейтрофилов и базофилов. G-CSF синтезируют макрофаги и фибробласты.

· Колониестимулирующий фактор макрофагов (M-CSF) стимулирует полипотентную клетку-предшественницу гранулоцитов и моноцитов (CFU-GM), а также на унипотентный предшественник моноцитов (CFU-M). M-CSF вырабатывают макрофаги и фибробласты.

· Интерлейкин-3 действует на стволовую кроветворную клетку и полипотентную клетку-предшественницу миелопоэза (CFU-GEMM), на большинство клеток-предшественниц миелоидного ряда, стимулируя формирование эритроцитов, гранулоцитов, моноцитов, тромбоцитов. Вырабатывается Т-лимфоцитами и клетками стромы костного мозга. ИЛ-3 поддерживает размножение практически всех классов ранних клеток-предшественниц.

· Моноцитопоэз. Моноциты и гранулоциты имеют общую клетку-предшественницу — колониеобразующую единицу гранулоцитов и моноцитов (CFU-GM), образующуюся из полипотентной клетки-предшественницы миелопоэза (CFU-GEMM). В развитии моноцитов выделяют две стадии — монобласт и промоноцит.

· Тромбоцитопоэз. Из мегакариобластов развиваются самые крупные (30–100 мкм) клетки костного мозга — мегакариоциты (рис. 24–7). При дифференцировке мегакариоцит увеличивается в размерах, его ядро становится дольчатым. Образуется развитая система демаркационных мембран, по которым происходит отделение («отшнуровка») тромбоцитов (рис. 24–8). Пролиферацию предшественников мегакариоцитов — мегакариобластов — стимулирует синтезируемый в печени тромбопоэтин.

Рис. 24–7. Мазок костного мозга [11]. Видны клетки крови, преимущественно эритроциты, на разных стадиях дифференцировки. Хорошо заметен мегакариоцит (1) — очень крупная клетка с большим дольчатым ядром. Окраска по Романовскому–Гимзе.

Рис. 24–8. Образование тромбоцитов [11]. Находящийся в костном мозге мегакариоцит образует протромбоцитарную псевдоподию. Последняя проникает сквозь стенку капилляра в его просвет. От псевдоподии отделяются тромбоциты и поступают в кровоток.

· Лимфопоэз. Из стволовой кроветворной клетки (CFU-blast) происходит полипотентная клетка-предшественница лимфопоэза (CFU-Ly), которая впоследствии даёт начало клеткам-предшественницам B-лимфопоэза, T-лимфопоэза и (частично) предшественницам NK-клеток. Ранние предшественники В-лимфоциты образуются в костном мозге, а Т-лимфоцитов — в тимусе. Дальнейшая дифференцировка включает в себя уровни про-B(T)-клеток, пре-B(T)-клеток, незрелых B(T)-клеток, зрелых («наивных») B(T)-клеток и (после контакта с Аг) — зрелых B(T)-клеток окончательных стадий дифференцировки. Продуцируемый клетками стромы костного мозга ИЛ7 способствует образованию Т- и В-лимфоцитов, воздействуя на их клетки-предшественницы. В отличие от других клеток крови, лимфоциты могут пролиферировать и вне костного мозга. Это происходит в тканях иммунной системы в ответ на стимуляцию.

· Пункция костного мозга. Для оценки гемопоэзов, особенно при заболеваниях крови, проводят пункцию костного мозга.

à Оснащение: игла Кассирского; шприц ёмкостью 10–20 мл; стерильные шарики и салфетки; спирт, 5% раствор йода, эфир; лейкопластырь; предметные стёкла; шлифованное стекло; пробирки с разводящей жидкостью для подсчёта абсолютного количества мегакариоцитов и миелокариоцитов.

à Обезболивание: премедикация с использованием промедола, седуксена, пипольфена и дроперидола; местное обезболивание раствором новокаина.

à Техника

1. Место пункции — грудина на уровне III–IV межреберья или рукоятка по средней линии.

2. Положение больного — на спине, под лопатки подкладывают валик.

3. После обработки кожи больного иглу Кассирского берут в правую руку и быстрым движением вводят в костномозговой канал. Иглу вводят строго по срединной линии вращающими движениями. При прокалывании наружной костной пластинки слышится хруст и ощущается чувство «провала»; при этом необходимо прекратить дальнейшее продвижение иглы вглубь. После этого из иглы вынимают мандрен, насаживают шприц и проводят аспирацию. Во избежание большой примеси крови к костному мозгу необходимо набирать как можно меньше материала (не более 0,5 мл).

4. Если аспират получить не удаётся, следует осторожно продвинуть иглу вглубь кости или, не вынимая иглу из кожи, сделать прокол соседнего участка кости, предварительно вставив мандрен.

5. При появлении в шприце костного мозга, аспирацию прекращают, шприц снимают с иглы, вставляют мандрен и в таком собранном виде иглу извлекают из кости. Место пункции смазывают йодом и накладывают стерильную повязку (салфетку прикрепляют лейкопластырем).

6. Из аспирированного костного мозга приготавливают мазок и проводят его исследование (см. рис. 24–7).

Эритроциты

Из красного костного мозга в кровь поступают преимущественно незрелые эритроциты — ретикулоциты. Они (в отличие от зрелых эритроцитов) содержат рибосомы, митохондрии и комплекс Гольджи. Окончательная дифференцировка в эритроциты происходит в течение 24–48 часов после выхода ретикулоцитов в кровоток. Количество поступающих в кровоток ретикулоцитов в норме равно количеству удаляемых эритроцитов. Ретикулоциты составляют около 1% всех циркулирующих красных клеток крови. Эритроциты (см. рис. 24–1,А, 24–2,1) — безъядерные клетки диаметром 7–8 мкм (нормоциты). Количество эритроцитов: у женщин — 3,9–4,9´10¹²/л, у мужчин — 4,0–5,2´10¹²/л. Более высокое содержание эритроцитов у мужчин обусловлено стимулирующим эритропоэз влиянием андрогенов. Продолжительность жизни (время циркуляции в крови) — 100–120 дней.