Как удаляются ионы водорода?

Метаболическая активность организма сопровождается непрерывным потреблением кислорода, поступлением в среду ионов водорода и углекислого газа. Все это может повлиять на активность гормональных сигналов, ферментативных и транспортных систем клетки.

Источники и пути удаления ионов водорода

Для сохранения кислотно-основного гомеостаза в организме необходимо наличие двух крупных систем компенсации сдвигов КОС:

1. Система химических реакций:

• действие вне- и внутриклеточных буферных систем (бикарбонатная, фосфатная, белковая, гемоглобиновая),

• интенсивность внутриклеточного образования ионов Н⁺ и НСО₃^–.

2. Система физиологических механизмов:

• легочная вентиляция и удаление СО₂.

• почечная экскреция ионов Н⁺, реабсорбция и синтез НСО₃^–,

• пассивное, т.е. нерегулируемое, влияние оказывают печень и костная ткань.

Быстрая компенсация сдвигов рН Буферные системы

Буферные системы – это соединения, противодействующие резким изменениям концентрации ионов Н⁺. Любая буферная система - это кислотно-основная пара: слабое основание (анион, А^–) и слабая кислота (Н-Анион, H-А). Они минимизируют сдвиги количества ионов Н⁺ в растворе за счет их связывания с анионом и включения в плохо диссоциирующее соединение – в слабую кислоту. Поэтому общее количество ионов Н⁺ изменяется не так заметно, как это могло бы быть.

Существует три буферные системы жидкостей организма – бикарбонатная, фосфатная, белковая (включая гемоглобиновую).Они вступают в действие моментально и через несколько минут их эффект достигает максимума возможного.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система составляет около 2% от всей буферной емкости крови и до 50% буферной емкости мочи. Она образована гидрофосфатом (HPO₄^2–) и дигидрофосфатом (H₂PO₄^–). Дигидрофосфат слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, гидрофосфат обладает щелочными свойствами. В норме отношение HРO₄^2– к H₂РO₄^– равно 4 : 1.

При взаимодействии кислот (ионов Н⁺) с двузамещенным фосфатом (HPO₄^2‑) образуется дигидрофосфат (H₂PO₄^–):

Удаление ионов H⁺ фосфатным буфером

В результате концентрация ионов Н⁺ понижается.

При поступлении в кровь оснований (избыток ОН^–‑групп) они нейтрализуются поступающими в плазму от H₂PO₄^–  ионами Н⁺:

Удаление щелочных эквивалентов фосфатным буфером

Роль фосфатного буфера особенно высока во внутриклеточном пространстве и в просвете почечных канальцев. Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата (H2PO4–), т.к. бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется.

Бикарбонатная буферная система

Эта система самая мощная, на ее долю приходится 65% всей буферной мощности крови. Она состоит из бикарбонат-иона (НСО₃^–) и угольной кислоты (Н₂СО₃). В норме отношение HCO₃^– к H₂CO₃ равно 20 : 1.

При поступлении в кровь ионов H⁺ (т.е. кислоты) ионы бикарбоната натрия взаимодействуют с ней и образуется угольная кислота:

При работе бикарбонатной системы концентрация водородных ионов понижается, т.к. угольная кислота является очень слабой кислотой и плохо диссоциирует. При этом в крови не происходит параллельного значимого увеличения концентрации НСО₃^–.

Если в кровь поступают вещества с щелочными свойствами, то они реагируют с угольной кислотой и образуют ионы бикарбоната:

Работа бикарбонатного буфера неразрывно связана с дыхательной системой (с вентиляцией легких). В легочных артериолах при снижении плазменной концентрации СО₂  и благодаря присутствию в эритроцитах фермента карбоангидразы угольная кислота быстро расщепляется с образованием CO₂, удаляемого с выдыхаемым воздухом:

Н₂СО₃→ Н₂О + СО₂↑

Кроме эритроцитов, значительная активность карбоангидразы отмечена в эпителии почечных канальцев, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников и клетках печени, в незначительных количествах – в центральной нервной системе, поджелудочной железе и других органах.