Величина рН формирует активность клеток

Кислотно-основное равновесие представляет собой активность физиологических и физико-химических процессов, составляющих функционально единую систему стабилизации концентрации ионов Н⁺.

Основной количественной характеристикой кислотности водных растворов. является водородный показатель (рН) – отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов в растворе, т.е. зависимость pH и [H⁺] не линейная!

pH=-lg [H⁺]).

Установленный диапазон концентраций ионов Н⁺, совместимый с жизнью 16-160 нмоль/л, что соответствует рН 6,8-7,8. В среднем в плазме крови концентрация ионов водорода [Н+] = 40 нмоль/л, нормальный диапазон рН 7,35-7,45.

Сдвиги концентрации ионов Н⁺ приводят к изменению активности внутриклеточных ферментов даже в пределах физиологических значений. Например, ферменты глюконеогенеза более активны при закислении цитоплазмы гепатоцитов кетоновыми телами или молочной кислотой, что имеет значение при голодании и физической нагрузке.

Закисление саркоплазмы в мышечной клетке при работе подавляет активность фермента 3-й реакции гликолиза фосфофруктокиназы и останавливает сокращение мышцы. Интересной оборотной стороной данного эффекта служит повышенная устойчивость плода и новорожденных к острой гипоксии благодаря наличию особой фосфофруктокиназы, нечувствительной к закислению среды, что позволяет продолжать окисление глюкозы и получать энергию при накоплении лактата.

Роль систем гомеостаза организма – обеспечить неизменность концентрации ионов водорода в клетке и вне ее при жизнедеятельности, что необходимо для:

• сохранения активности ферментативных и транспортных белков,

• неспецифической защиты кожного эпителия;

• отрицательного заряда наружной поверхности мембраны эритроцитов, при снижении величины заряда мембран эритроциты начинают агрегировать, образуя "монетные столбики", что повышает вязкость крови,

• растворимости неорганических и органических молекул (кальция и магния, щавелевой и мочевой кислот),

• формирования электро-химического градиента мембраны митохондрий на должном уровне и активности катаболических процессов.

Водородный показатель является главным при оценке кислотно-основного состояния и его значение определяет диагноз ацидоза (снижение pH) или алкалоза (повышение pH).

Источники атомов водорода в организме

1. В реакциях аэробного метаболизма глюкозы, аминокислот и жирных кислот постоянно образуются молекулы CO₂. При участии фермента карбоангидразы он реагирует с водой и образует угольную кислоту, слабо диссоциирующую на ион Н+ и бикарбонат-ион НСО₃ .

СО₂ + Н₂О → Н₂СО₃ → НСО_3¯ + Н⁺

Данный способ продукции протонов характерен почти для всех клеток и протекает при аэробном метаболизме, когда активно идут реакции окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла трикарбоновых кислот.

2. Еще одним источником кислотных эквивалентов является анаэробный метаболизм глюкозы, при котором появляется молочная кислота.

Глюкоза → Молочная кислота → Лактат¯ + Н⁺

Особенно ярко это проявляется при интенсивной мышечной работе. В клинической практике с накоплением молочной кислоты сталкиваются при недостаточном поступлении кислорода в клетки – при любых анемиях, шоке, тромбозах, сердечной и дыхательной недостаточности, повышении вязкости крови, обезвоживании. Также играет роль дефицит железа и меди в составе ферментов дыхательной цепи.

3. Метаболизм серусодержащих аминокислот и других соединений приводит к появлению серной кислоты:

Метионин →Н₂SО₄ → SО₄^2- + 2Н⁺

Цистеин → Н₂SО₄ → SО₄^2- + 2Н⁺

4. В определенных условиях (голодание, сахарный диабет 1 типа) в кровь поступают кетоновые тела (ацетоуксусная и β-гидроксимасляная кислоты):

Жирные кислоты → Ацетил-SКоА → Ацетоуксусная кислота → Ацетоацетат¯ + Н⁺

Жирные кислоты → Ацетил-SКоА → Гидроксимасляная кислота → Гидроксибутират¯ + Н⁺

5. При отравлениях органическими соединениями источником ионов Н⁺ могут служить щавелевая и муравьная кислоты при метаболизме, соответственно, этиленгликоля и метанола.

Газы крови влияют на pH

Несмотря на то, что исследование кислотно-основного состояния, строго говоря, подразумевает исследование только величины pH (концентрации ионов H⁺), в реальности в него также включается исследование физиологически важных газов, присутствующих в крови – O₂ и CO₂. Анализ газов показывает эффективность газообмена по величинам парциальных давлений – pO₂ и pCO₂.

Через альвеолярную мембрану молекулы любых газов перемещаются диффузно по градиенту концентрации. Молекулы O₂ атмосферного воздуха поступают из альвеол в кровь, а молекулы CO₂ из крови в альвеолы до тех пор, пока их парциальные давления не выровняются.

Величина парциального давления – это процентная доля газа в общем объеме.

Углекислый газ

Концентрация СО₂ в альвеолярном воздухе столь низка, а в крови столь высока, что диффузия этого газа в альвеолы чрезвычайно эффективна и скорость его удаления зависит только от альвеолярной вентиляции – общего объема воздуха, транспортируемого в минуту между альвеолами и атмосферой ("скорости выдувания").

Следовательно,

• при усиленной вентиляции легких углекислый газ быстро выводится, и показатель pCO₂ в крови снижается. Это означает потерю организмом угольной кислоты (ионов H⁺), что является причиной защелачивания крови – алкалоза, называемого дыхательным или респираторным.

• при недостаточной альвеолярной вентиляции величина рСО₂ повышается, что свидетельствует о недостаточном его удалении и накоплении H₂CO₃. Иными словами, повышение в крови показателя рСО₂  является причиной дыхательного ацидоза.

Увеличенное pCO₂ (гиперкапния) всегда свидетельствует о снижении альвеолярной вентиляции.

Кислород

Вопросы, связанные с оксигенацией крови и транспортом кислорода более сложны. Связано это с тем, что в виде свободных (растворенных) молекул O₂ находится лишь небольшая доля общего кислорода крови. Основная часть кислорода связана с гемоглобином (оксигемоглобин) и истинное содержание кислорода зависит от двух дополнительных параметров – концентрации Hb и насыщения (сатурации) гемоглобина кислородом.

Оксигемоглобин

Оксигемоглобин (HbО₂) – процентное содержание в крови, является отношением фракции оксигемоглобина (HbО₂) к сумме всех фракций (общему гемоглобину).

Насыщение гемоглобина кислородом

Насыщение гемоглобина кислородом (HbO_SAT, SО₂), представляет собой отношение фракции оксигенированного гемоглобина к тому количеству гемоглобина в крови, который способен транспортировать О₂. 

Отличия между двумя показателями HbО₂ и HbO_SAT заключаются в том, что у пациентов возможно наличие в крови такой формы гемоглобина, которая не способна акцептировать О₂ (Hb‑CO, metHb, сульфоHb). Но так как большинство больных не имеют в крови повышенного содержания этих форм гемоглобина, значения HbО₂ и SО₂ обычно очень близки. 

Например, если при отравлении нитритами количество metHb составляет 15%, тогда величина HbО₂ никогда не сможет превысить 85%, но насыщение (HbOsat) может быть различно – от максимума (HbOsat=95-98%) при полном насыщении до низких величин при отсутствии кислорода.

Показатель насыщения кислородом показывает процент доступных мест связывания на гемоглобине.