Зачем нужны буферы и как они работают
В процессе нормальной жизнедеятельности наше тело непрерывно генерирует колоссальное количество метаболитов. Физиологическая норма такова, что кислых продуктов образуется почти в 20 раз больше, чем основных (щелочных). Следствием этого дисбаланса является доминирование в организме систем, которые обеспечивают быструю нейтрализацию, секрецию и экскрецию избытка кислот.
Первой линией защиты выступают химические буферные системы. Это мобильные комплексы, которые включаются в работу сразу же при изменении концентрации ионов водорода. Их главный принцип действия — трансформация сильных кислот и оснований в слабые. Благодаря определенной емкости и высокой эффективности, они способны сгладить умеренные колебания кислотно-основного состояния всего за несколько десятков секунд.
Главные химические буферы
Общая буферная емкость крови распределена неравномерно: 57% обеспечивают эритроциты, а 43% — плазма. Выделяют четыре основные химические системы:
- Гемоглобиновая. Самый емкий буфер, на который приходится более 50% всей буферной емкости крови. Функционирует исключительно внутри эритроцитов. Оксигенированный гемоглобин (HbO_2) выступает кислотным компонентом — он диссоциирует примерно в 80 раз сильнее, чем восстановленный (Hb), отдавая в среду ионы водорода и связывая катионы (главным образом калий). Восстановленный гемоглобин работает как основной компонент. Главная задача системы — участие в транспорте углекислого газа от тканей к легким.
- Гидрокарбонатная (бикарбонатная). Ключевой буфер крови и внеклеточной жидкости. Во внеклеточной среде состоит из смеси угольной кислоты и гидрокарбоната натрия, а внутри клеток соли натрия заменяются на соли калия и магния. Это открытая система, тесно ассоциированная с функцией внешнего дыхания и почек.
- Белковая. Главный внутриклеточный буфер, обеспечивающий около 3/4 емкости внутриклеточной жидкости. Состоит из слабо диссоциирующего белка с кислыми свойствами и соли сильного основания. При ацидозе нарастающий избыток кислот взаимодействует с солью белка, в результате чего образуется нейтральная соль и слабая кислота.
- Фосфатная. Составляет около 8% общей емкости. В самой крови ее роль невелика, но она играет существенную роль внутри клеток и в канальцах почек благодаря высокой концентрации фосфатов. Щелочным компонентом служит гидрофосфат натрия (Na_2HPO_4), а кислым — дигидрофосфат натрия (NaH_2PO_4).
| Буферная система | Плазма крови (%) | Эритроциты (%) |
|---|---|---|
| Гидрокарбонатный | 35 | 18 |
| Гемоглобиновый | — | 35 |
| Белковый | 7 | — |
| Фосфатный | 1 | 4 |
Физиологическая компенсация и нарушения КОС
Если химические буферы не справляются с нагрузкой, подключаются физиологические (органные) механизмы регуляции. В них участвуют легкие, почки, печень и желудочно-кишечный тракт. В отличие от химических реакций, органная компенсация требует значительно больше времени для достижения эффекта — от нескольких минут до нескольких часов.
При различных патологиях возникают специфические первичные сдвиги КОС, которые организм компенсирует встречными реакциями:
- Дыхательный ацидоз. Первично снижается pH и растет напряжение углекислого газа (pCO_2). Для компенсации почки начинают активно задерживать бикарбонат (HCO_3^-).
- Дыхательный алкалоз. Первично растет pH и падает pCO_2. Почки реагируют усиленным выведением бикарбоната из организма.
- Негазовый (метаболический) ацидоз. Характеризуется падением pH и снижением уровня бикарбоната. Включается гипервентиляция легких для сброса избытка углекислоты (снижение pCO_2).
- Негазовый (метаболический) алкалоз. На фоне роста pH и бикарбоната легкие снижают вентиляцию (гиповентиляция), чтобы накопить углекислый газ.
В критических ситуациях (острая сердечная, дыхательная или почечная недостаточность, шок, кома) на помощь приходят кости. Они функционируют как огромное депо для буферных систем, содержащее большое количество солей угольной кислоты (карбонаты кальция, натрия и калия). При остром увеличении содержания кислот костная ткань способна обеспечить 30–40% всей буферной емкости организма.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Каковы нормальные значения pH артериальной и венозной крови?
Нормальные значения pH крови составляют 7,35 для венозной и 7,45 для артериальной крови. Данный параметр относится к жестким физиологическим константам, которые поддерживаются в организме практически без вариабельности. Поддержание кислотно-основного состояния на заданном уровне обеспечивается несколькими механизмами: химическими буферными системами, дыханием за счет удаления углекислого газа и почками путем регуляции реабсорбции бикарбонатов и секреции ионов водорода. Любой сдвиг pH за пределы этих референсных значений свидетельствует о патологии и приводит к развитию ацидоза или алкалоза.
По какому биохимическому механизму происходит реабсорбция бикарбоната в почечных канальцах?
Реабсорбция бикарбоната в почечных канальцах осуществляется по механизму электростатического притяжения к ионам натрия и калия. Этот процесс неразрывно связан с ферментативной активностью в эпителиальных клетках, где фермент карбоангидраза расщепляет угольную кислоту. Всасывание ионов бикарбоната обратно в кровь критически важно для поддержания ее щелочной реакции. Параллельно с этим в просвет канальца секретируются ионы водорода, которые вступают в буферную реакцию с профильтровавшимся гидрофосфатом натрия, обеспечивая выведение кислот.
Какие буферные системы составляют основу внутриклеточной жидкости?
Основу внутриклеточной жидкости составляют три главных вида буферных систем:
- Белковая система — является главным внутриклеточным буфером, обеспечивающим примерно 3/4 емкости внутриклеточной жидкости. Включает слабо диссоциирующий белок с кислыми свойствами.
- Фосфатная система — играет существенную роль в регуляции кислотно-основного состояния внутри клеток благодаря высокой концентрации фосфатов по сравнению с внеклеточной средой.
- Карбонатная система (гидрокарбонатная) — внутри клеток в состав данной системы вместо солей натрия входят соли калия и магния.
Как легко запомнить компенсацию КОС: «Кто виноват, тот не исправляет». При дыхательных (легочных) сдвигах компенсацию берут на себя почки (меняют уровень бикарбоната), а при метаболических (негазовых) нарушениях на помощь приходят легкие (меняют вентиляцию).
Вопросы с занятий и экзамена
Какой буфер крови самый мощный?
Гемоглобиновый. На него приходится более 50% всей буферной емкости крови, при этом он работает исключительно внутри эритроцитов.
Почему гидрокарбонатную систему называют открытой?
Потому что ее компоненты постоянно регулируются внешними органами: легкие контролируют уровень углекислого газа, а почки поддерживают необходимое содержание гидрокарбонат-аниона.
Какую роль играют кости в регуляции pH?
Костная ткань служит резервным депо солей угольной кислоты. При острых состояниях (шок, кома, недостаточность органов) кости отдают карбонаты, обеспечивая до 30–40% буферной емкости.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы работы белкового буфера при алкалозе
- Роль печени и ЖКТ в физиологической регуляции КОС
- Особенности работы фосфатного буфера в почечных канальцах
- Различия внутриклеточного и внеклеточного гидрокарбонатного буфера
- Транспорт углекислого газа гемоглобиновой системой
Разберите тему целиком в курсе «Патофизиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Буферные системы крови» и ещё 4 913 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 133 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 13. Расстройства кислотно-основного состояния (КОС)»
Бесплатные видеоуроки: патофизиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.