Буферні системи організму людини - Біологія та хімія
Організм можна визначити як фізико-хімічну систему, що існує у навколишньому середовищі у стаціонарному стані. Саме ця здатність живих систем зберігати стаціонарний стан в умовах безперервно змінного середовища та обумовлює їхнє виживання. Задля більшої стаціонарного стану в усіх організмів – від морфологічно найпростіших до найскладніших – виробилися різноманітні анатомічні, фізіологічні і поведінкові пристосування, службовці однієї мети – збереження сталості внутрішнього середовища.
Це відносна динамічна сталість внутрішнього середовища (крові, лімфи, тканинної рідини) та стійкість основних фізіологічних функцій (кровообігу, дихання, терморегуляції, обміну речовин тощо) організму людини та тварин називається гомеостазом.
Цей процес здійснюється переважно діяльністю легень та нирок за рахунок дихальної та видільної функції. В основі гомеостазу лежить збереження кислотно-основного балансу.
1. Утворення кислот в організмі
При метаболізмі у клітинах утворюються різні кислоти. Більшість із них потім виділяється клітинами у вигляді вуглекислого газу, який за допомогою ферменту карбоангідрази зв'язується в еритроцитах з гемоглобіном і переноситься у легені. У легких вуглекислий газ заміщається киснем і видаляється при диханні у навколишнє середовище. У звичайних умовах в організмі існує постійний баланс між вуглекислим газом, що утворюється і видихається, і тому накопичення кислот у тканинах не відбувається.
В результаті метаболізму білків утворюються нелеткі кислоти, такі як сірчана та фосфорна. Щодня при нормальному харчуванні тільки за рахунок продукції нелетких кислот виробляється близько одного ммоль/л іонів водню на коженкілограм маси тіла. Якби утворення кислот відбувалося безконтрольно, то за добу концентрація іонів водню в організмі могла б збільшитися від нормальної величини в 40 нмоль/л до 2 ммоль/л, а показник рН відповідно знизився б до 2.7. Для нормальної життєдіяльності більшості клітин необхідні досить вузькі межі рН (6.9 - 7.8), і організм змушений постійно здійснювати нейтралізацію кислот, що утворюються. Цей процес виконують буферні системи, які пов'язують надлишок іонів водню та контролюють їх подальші переміщення в організмі. Регенерація буферних систем відбувається в нирках, іони водню, що звільнилися, екскретуються з сечею. Коли функцію нирок не порушено, організму легко вдається підтримувати оптимальну для себе рН - 7.4.
2. Буферні системи організму
Основна функція буферних систем запобігання значним зрушенням рН шляхом взаємодії буфера як з кислотою, так і з основою. Дія буферних систем в організмі спрямована переважно на нейтралізацію кислот, що утворюються.
Н+ + буфер-Н-буфер
В організмі одночасно існує кілька різних буферних систем. У функціональному плані їх можна розділити на бікарбонатну та небікарбонатну. Небікарбонатна буферна система включає гемоглобін, різні білки та фосфати. Вона найактивніше діє у крові та всередині клітин.
Рис.1. Іон бікарбонату.
Бікарбонат є основним компонентом головної буферної системи організму. Вона складається з двох кислотно-основних частин, що знаходяться в динамічній рівновазі: вугільна кислота/бікарбонатний іон та бікарбонатний іон/карбонатний іон.
Кислоти, що утворюються у процесі метаболізму, нейтралізуються бікарбонатом. При рН близько 7.4 в організмі переважаєбікарбонатний іон, та його концентрація може у 20 разів перевищувати концентрацію вугільної кислоти. За своєю природою вугільна кислота дуже нестійка і відразу після свого утворення розщеплюється на вуглекислий газ та воду. Реакції утворення та подальшого швидкого розщеплення вугільної кислоти в організмі настільки досконалі, що їм часто не надають особливого значення. Ці реакції каталізується ферментом карбоангідразою, який знаходиться в еритроцитах та нирках. Залежно від умов обидві реакції можуть йти в тому чи іншому напрямку.
Якщо закритій системі з'являється надлишок вуглекислого газу, то рівновага цих реакцій зміщується вліво, що призводить до незначного зниження рН. Особливість бікарбонатної буферної системи у тому, що вона відкрита. Надлишок іонів водню зв'язується з бікарбонатом, що утворюється при цьому вуглекислий газ стимулює дихальний центр, вентиляція легень підвищується, а надлишки вуглекислого газу видаляються при диханні. Так у організмі підтримується баланс рН. Чим більше клітинах утворюється іонів водню, тим більше витрата бікарбонатного буфера. На цьому етапі метаболізму підключаються нирки, які виводять надлишок іонів водню і кількість бікарбонату в організмі відновлюється.
Мал. 2. Буферні системи організму.
Небікарбонатні буферні системи активно функціонують у крові та всередині клітин. Фосфатний буфер може діяти як у складі органічних молекул, так і як вільні іони. Одна його молекула здатна пов'язувати до трьох катіонів водню. Білки можуть приєднувати до свого поліпептидного ланцюжка як кислотні, так і основні групи.
Буферна ємність білкової буферної системи може охоплювати широкий спектр рН. Залежно від наявної рН вона може пов'язуватияк гідроксильні групи, так і іони водню. Третя частина буферної ємності крові посідає гемоглобін. Кожна молекула гемоглобіну може нейтралізувати декілька іонів водню. Коли кисень переходить із гемоглобіну в тканини, здатність гемоглобіну зв'язувати іони водню зростає і навпаки: коли в легенях відбувається оксигенація гемоглобіну, він втрачає приєднані іони водню. Іони водню, що звільнилися, реагують з бікарбонатом, і в результаті утворюється вуглекислий газ і вода. Вуглекислий газ, що утворився, видаляється з легень при диханні. Наведений приклад ілюструє процес відновлення буферних небікарбонатних систем за допомогою бікарбонатної буферної системи.
Цей процес можна як ланцюг реакцій, у яких іон водню переміщається між різними буферними системами, зрештою досягаючи бікарбонатного буфера.
Як описано вище, кислоти, що утворилися в результаті метаболізму, відразу ж потрапляють під контроль різних буферних систем. Це перешкоджає різким зсувам рН внутрішнього середовища організму. Вуглекислий газ, що утворюється, виділяється через легені при диханні, а нелеткі кислоти можуть екскретуватися тільки нирками.
Підтримка буферної ємності організму та відновлення різних буферних систем відбувається за рахунок відновлення рівня сироваткового бікарбонату. Цей процес здійснюється у нирках.
На першому етапі утворення сечі (клубочкова фільтрація) утворюється ультрафільтрат плазми, що є первинною сечею, за складом аналогічну плазмі. У первинній сечі міститься значна кількість бікарбонату, який необхідно зберегти організму. Тому, коли рівень бікарбонату в плазмі падає нижче за фізіологічні показники, у проксимальних канальцях нирок за участюферменту карбоангідрази починається процес реабсорбції профільтрованих у клубочках бікарбонатних іонів.
Рис.3. Процес збереження іонів бікарбонату у нирках.
Але одного збереження бікарбонату недостатньо, оскільки його кількість витрачається відновлення інших буферів організму і втрачається при диханні як вуглекислого газу. Кількість бікарбонату в організмі потрібно постійно заповнювати. Цей процес здійснюється в дистальних канальцях за участю карбоангідрази. При цьому сечу секретуються іони водню, які зв'язуються з фосфатами або амонієм в канальцевому фільтраті, а бікарбонатні іони повертаються в кров. Відбувається секреція нелетких кислот та відновлення бікарбонату.
В результаті процесів, описаних вище, запобігають втрати бікарбонату з сечею, і утворюється додаткова кількість іонів бікарбонату, яке відповідає ендогенної продукції катіонів водню. За нормальних умов відбувається відновлення фізіологічного рівня бікарбонату у крові (24 - 27 ммоль/л).
4. Ниркова недостатність
Погіршення функції нирок веде до зниження секреції іонів водню та реабсорбції бікарбонату, в організмі відбувається накопичення кислот, а рівень бікарбонату плазми падає нижче за фізіологічну норму. У початковій стадії ниркової недостатності рахунок гіпервентиляції деякий час може підтримуватися фізіологічний рівень рН плазми, хоча потім все одно розвивається метаболічний ацидоз. Для зниження кислотного навантаження та покращення самопочуття хворих на цій стадії ниркової недостатності призначається дієта з обмеженням білка та таблетований бікарбонат.
У міру прогресування ниркової недостатності метаболізм залучаються всі наявні буферні запаси організму,включаючи карбонат, що міститься у кістках. Надалі, коли симптоми стають небезпечними для життя, настає необхідність лікування діалізом.
Незважаючи на зусилля лікарів, більшість діалізних хворих постійно перебувають у стані метаболічного ацидозу. Це пояснюється тим, що за час гемодіалізу у них не відбувається адекватної корекції кислотно-основного стану.
Внаслідок різних метаболічних процесів у нашому організмі постійно утворюються різні кислоти. Вони відразу ж нейтралізуються буферними системами, серед яких найважливішою є бікарбонатна. Для підтримки постійного рівня рН внутрішнього середовища організму витрачається бікарбонат, що потребує його постійної регенерації. У нормі цей процес відбувається у нирках. У хворих з нирковою недостатністю функцію нирок замінює діаліз, а буферна ємність крові відновлюється за допомогою включення до складу діалізуючого розчину різних буферних джерел, найбільш фізіологічним з яких є бікарбонат. Через недостатню корещу кислотно-основного стану під час сеансу гемодіалізу багато діалізних хворих постійно перебувають під впливом метаболічного ацидозу.
Бікарбонати сироватки чи плазми /Р. Маррі, Д. Греннер, П. Мейєс, В. Родуелл // Біохімія людини: у 2-х томах. Т.2. Пров. з англ.: - М: Світ, 1993.
Буферні системи крові та кислотно-основна рівновага /Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкін// Біологічна хімія: Підручник / За ред.акад. РАМН С.С. Дебова. - 2-ге вид. перероб. та дод. - М: Медицина, 1990.
Ацетатний та бікарбонатний діаліз Ледебо І. (переклад з англ. С. Лашутіна, І. Дяченко) М.:19