2.3. Концентрация водородных ионов - рН

Кислотно-щелочное равновесие является одним из важнейших физико-химических параметров внутренней среды организма. От соотношения водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде организма в значительной мере зависят активность ферментов, направленность и интенсивность окислительно-восстановительных реакций, процессы расщепления и синтеза белка, гликолиз и окисление углеводов и жиров, функции ряда органов, чувствительность рецепторов к медиаторам, проницаемость мембран и т. д. Активность реакции среды определяет способность гемоглобина связывать кислород и отдавать его тканям. При изменении реакции среды меняются физико-химические характеристики коллоидов клеток и межклеточных структур — степень их дисперсности, гидрофилии, способность к адсорбции и другие важные свойства.

К веществам, постоянно поступающим в кровь и способным изменить величину рН, относится молочная кислота, образующаяся в ходе гликолиза из нейтральных углеводов, а также угольная кислота, образующаяся при дыхании. Вещества, принимаемые с пищей, например соли органических кислот, окисляются, и их основания, задерживаясь в организме, попадают в кровь, изменяя ее рН.

Реакция жидкостей организма характеризуется концентрацией ионов водорода и зависит от соотношения концентрации кислот и оснований этих жидкостей [Робинсон, 1969]. Прямое и точное измерение концентрации ионов водорода в биологических жидкостях затруднено. Учитывая сложность использования при практических расчетах величин порядка 0,0000001, приблизительно отражающих концентрацию ионов водорода, Serensen (1909) предложил использовать отрицательные десятичные логарифмы концентрации ионов водорода. Этот показатель был сокращенно назван рН по первым буквам слов puissance (potenz power) hydrogen, обозначающих «сила водорода».

Даже относительно небольшие изменения сН⁺ неизбежно ведут к нарушению физиологических процессов, а при сдвигах за известные пределы — и к гибели организма. В связи с этим величина рН, характеризующая состояние кислотно-щелочного равновесия, является одним из самых «жестких» параметров крови и колеблется у человека в узких пределах — от 7,32 до 7,45. Сдвиг рН на 0,1 за указанные границы обусловливает выраженные нарушения со стороны дыхания, сердечно-сосудистой системы и др.; снижение рН на 0,3 вызывает ацидотическую кому, а сдвиг рН па 0,4 зачастую несовместим с жизнью.

Обмен кислот и оснований в организме теснейшим образом связан с обменом воды и электролитов. Все эти виды обмена объединены законами электронейтральиости, изоосмолярности и гоместатическими физиологическими механизмами.

Кислотно-щелочное равновесие поддерживается мощными гомеостатическими механизмами. В основе этих механизмов лежат особенности физико-химических свойств крови и физиологические процессы, в которых принимают участие системы внешнего дыхания, почки, печень, желудочно-кишечный тракт и др.

2.4. Физико-химические механизмы регуляции рН.

Буферные системы крови и ткани.

Карбонатная система состоит из углекислоты Н₂С0₃ и гидрокарбоната натрия NaHC0₃ в соотношении 1:20. У этих химических соединений общий ион НСОз. Большая часть бикарбонатных ионов высвобождается при диссоциации NaHC0₃. Ион, высвобождаемый из соли, подавляет диссоциацию слабой кислоты – Н₂С0_3.

Механизм буферного действия этой системы заключается в том, что при выделении в кровь больших количеств кислых продуктов водородные ионы соединяются с анионами бикарбоната, что приводит к образованию слабо диссоциирующей угольной кислоты, которая диссоциируется на СО₂ и Н₂О

СН₃ – СН – СООН + NаНСО₃ ↔ СН₃ – СН – СООNа + Н₂ СО₃

ОН ОН СО₂ Н₂О

Образующийся СО₂ выделяется через легкие, т.е. деятельность этой буферной системы тесно связана с дыхательной системой.

Если же увеличивается количество гидроксильных ионов в крови, то они, соединяясь со слабой угольной кислотой, образуют воду и анионы бикарбоната. Таким образом, резкие сдвиги в щелочную или в кислую сторону, которые могут явиться результатом тех или иных изменений метаболизма клеток, не приводят к сколько-нибудь заметным сдвигам в концентрации водородных ионов. Емкость этой системы составляет 7-9%.

R⁺ОН^- + Н⁺НСО₃^- ↔ RНСО₃ Н₂О

Образовавшиеся соли выводятся с мочой.

2. фосфатная буферная система состоит из кислой натриевой соли фосфатной кислоты (NаН₂РО₄) и основной её соли (Nа₂НРО₄) в соотношении 1:4. В связи с небольшим содержанием фосфатов емкость этой системы более низкая (5% общей буферной емкости крови).

3. Белковая буферная система представлена белками, благодаря их амфотерности, которая обеспечивается аминокислотами, особенно карбоксильными группами и аминогруппами

C ОНН источник Н⁺

R

NН₂ связывают Н⁺

Емкость белковой буферной системы – 7%.

4. Гемоглобиновая буферная система образована восстановленным гемоглобином (ННb – щелочной компонент и калиевой солью оксигемоглобина (КНbО₂) – кислый компонент.

Тканевые гомеостатические обменные процессы имеют важное значение в регуляции рН. Это достигается за счет совокупности биохимических и химических процессов, которые обеспечивают 1) потерю кислотных и щелочных свойств продуктов обмена веществ; 2) их связывание в средах, препятствующих диссоциации; 3) образование новых, более легко нейтрализуемых и выводимых из организма соединений.