Буферни системи на човешкото тяло - биология и химия
Организмът може да се определи като физикохимична система, която съществува в околната среда в неподвижно състояние. Именно тази способност на живите системи да поддържат стационарно състояние в непрекъснато променяща се среда определя тяхното оцеляване. За да осигурят стабилно състояние, всички организми - от морфологично най-простите до най-сложните - са развили различни анатомични, физиологични и поведенчески адаптации, които служат на една и съща цел - да поддържат постоянството на вътрешната среда.
Това относително динамично постоянство на вътрешната среда (кръв, лимфа, тъканна течност) и стабилността на основните физиологични функции (кръвообръщение, дишане, терморегулация, метаболизъм и др.) на човешкия и животинския организъм се нарича хомеостаза.
Този процес се осъществява главно от дейността на белите дробове и бъбреците поради дихателната и отделителната функция. Хомеостазата се основава на поддържането на киселинно-алкалния баланс.
1. Образуване на киселини в организма
По време на метаболизма в клетките се образуват различни киселини. Повечето от тях след това се отделят от клетките под формата на въглероден диоксид, който с помощта на ензима карбоанхидраза се свързва с хемоглобина в червените кръвни клетки и се транспортира до белите дробове. В белите дробове въглеродният диоксид се заменя с кислород и се отстранява по време на дишането в околната среда. При нормални условия в организма има постоянен баланс между образувания и издишания въглероден диоксид, поради което не настъпва натрупване на киселини в тъканите.
В резултат на протеиновия метаболизъм се образуват нелетливи киселини като сярна и фосфорна киселина. Ежедневно, при нормална диета, само поради производството на нелетливи киселини, се произвежда около един mmol / l водородни йони за всекикилограм телесно тегло. Ако образуването на киселини се случи неконтролируемо, тогава за един ден концентрацията на водородни йони в тялото може да се повиши от нормалната стойност от 40 nmol / l до 2 mmol / l, а pH съответно ще намалее до 2,7. За нормалното функциониране на повечето клетки са необходими доста тесни граници на pH (6,9 - 7,8) и тялото е принудено постоянно да неутрализира получените киселини. Този процес се осъществява от буферни системи, които свързват излишните водородни йони и контролират по-нататъшното им движение в тялото. Регенерацията на буферните системи се извършва в бъбреците, освободените водородни йони се екскретират с урината. Когато функцията на бъбреците не е нарушена, организмът лесно успява да поддържа оптималното си рН – 7,4.
2. Буферни системи на организма
Основната функция на буферните системи е да предотвратят значителни промени в pH чрез реакция на буфера както с киселина, така и с основа. Действието на буферните системи в организма е насочено основно към неутрализиране на получените киселини.
Н+ + буфер- Н-буфер
Няколко различни буферни системи съществуват едновременно в тялото. Във функционално отношение те могат да бъдат разделени на бикарбонатни и небикарбонатни. Небикарбонатната буферна система включва хемоглобин, различни протеини и фосфати. Той е най-активен в кръвта и вътре в клетките.
Фиг. 1. бикарбонатен йон.
Бикарбонатът е ключов компонент на основната буферна система на тялото. Състои се от две киселинно-базови части в динамично равновесие: въглена киселина/бикарбонатен йон и бикарбонатен йон/карбонатен йон.
Образуваните при метаболизма киселини се неутрализират от бикарбонат. При pH от около 7,4 тялото е доминирано отбикарбонатен йон и неговата концентрация може да бъде 20 пъти концентрацията на въглеродна киселина. По своята същност въглеродната киселина е много нестабилна и веднага след образуването си се разделя на въглероден диоксид и вода. Реакциите на образуване и последващо бързо разграждане на въглената киселина в тялото са толкова съвършени, че често не им се придава особено значение. Тези реакции се катализират от ензима карбоанхидраза, който се намира в червените кръвни клетки и в бъбреците. В зависимост от условията и двете реакции могат да протичат в една или друга посока.
Ако в затворена система се появи излишък от въглероден диоксид, тогава равновесието на тези реакции се измества наляво, което води до леко намаляване на pH. Особеността на бикарбонатната буферна система е, че тя е отворена. Излишните водородни йони се свързват с бикарбонат, полученият въглероден диоксид стимулира дихателния център, вентилацията на белите дробове се увеличава и излишният въглероден диоксид се отстранява по време на дишането. Така се поддържа рН балансът в организма. Колкото повече водородни йони се образуват в клетките, толкова по-голяма е консумацията на бикарбонатния буфер. На този етап от метаболизма се свързват бъбреците, които отстраняват излишните водородни йони и количеството бикарбонат в тялото се възстановява.
Ориз. 2. Буферни системи на организма.
Небикарбонатните буферни системи функционират активно в кръвта и вътре в клетките. Фосфатният буфер може да действа както като част от органични молекули, така и като свободни йони. Една от неговите молекули е способна да свързва до три водородни катиона. Протеините могат да добавят както киселинни, така и основни групи към тяхната полипептидна верига.
Буферният капацитет на протеинова буферна система може да покрие широк диапазон на pH. В зависимост от наличната стойност на pH може да се свържекакто хидроксилни групи, така и водородни йони. Третата част от буферния капацитет на кръвта се пада на хемоглобина. Всяка молекула на хемоглобина може да неутрализира няколко водородни йона. Когато кислородът преминава от хемоглобина към тъканите, способността на хемоглобина да свързва водородните йони се увеличава и обратно: когато хемоглобинът се насища с кислород в белите дробове, той губи свързаните водородни йони. Освободените водородни йони реагират с бикарбонат, за да образуват въглероден диоксид и вода. Полученият въглероден диоксид се отстранява от белите дробове по време на дишането. Този пример илюстрира възстановяването на небикарбонатни буферни системи с помощта на бикарбонатна буферна система.
Този процес може да се разглежда като верига от реакции, при които водородният йон се движи между различни буферни системи, като в крайна сметка достига до бикарбонатния буфер.
Както е описано по-горе, образуваните в резултат на метаболизма киселини веднага попадат под контрола на различни буферни системи. Това предотвратява резките промени в pH на вътрешната среда на тялото. Полученият въглероден диоксид се отделя през белите дробове по време на дишането, а нелетливите киселини могат да се отделят само чрез бъбреците.
Поддържането на буферния капацитет на тялото и възстановяването на различни буферни системи се осъществява благодарение на възстановяването на нивото на серумния бикарбонат. Този процес се извършва в бъбреците.
На първия етап от образуването на урина (гломерулна филтрация) се образува плазмен ултрафилтрат, който е първична урина, подобна по състав на плазмата. Първичната урина съдържа значително количество бикарбонат, което тялото трябва да съхранява. Следователно, когато нивото на бикарбонат в плазмата падне под физиологичните параметри, в проксималните тубули на бъбреците с участиетоензимът карбоанхидраза започва процеса на реабсорбция на бикарбонатни йони, филтрирани в гломерулите.
Фиг.3. Процесът на съхранение на бикарбонатни йони в бъбреците.
Но само съхранението на бикарбонат не е достатъчно, тъй като голямо количество от него се изразходва за възстановяване на други буфери на тялото и се губи по време на дишането под формата на въглероден диоксид. Количеството бикарбонат в тялото трябва постоянно да се попълва. Този процес се осъществява в дисталните тубули с участието на карбоанхидраза. В същото време в урината се секретират водородни йони, които се свързват с фосфати или амоний в тубулния филтрат, а бикарбонатните йони се връщат в кръвта. Има секреция на нелетливи киселини и редукция на бикарбонат.
В резултат на описаните по-горе процеси се предотвратява загубата на бикарбонат с урината и се образува допълнително количество бикарбонатни йони, което съответства на ендогенното производство на водородни катиони. При нормални условия физиологичното ниво на бикарбонат в кръвта се възстановява (24 - 27 mmol / l).
4. Бъбречна недостатъчност
Влошаването на бъбречната функция води до намаляване на секрецията на водородни йони и реабсорбцията на бикарбонат, натрупване на киселини в организма и нивото на плазмения бикарбонат пада под физиологичната норма. В началния стадий на бъбречна недостатъчност, поради хипервентилация, физиологичното ниво на плазменото рН може да се поддържа известно време, въпреки че след това все още се развива метаболитна ацидоза. За да се намали киселинното натоварване и да се подобри благосъстоянието на пациентите в този стадий на бъбречна недостатъчност, се предписва диета с ограничен протеин и бикарбонатни таблетки.
С напредването на бъбречната недостатъчност всички налични буферни резерви на тялото се включват в метаболизма,включително карбонат, открит в костите. По-късно, когато симптомите станат животозастрашаващи, се налага диализно лечение.
Въпреки усилията на лекарите, повечето пациенти на диализа са постоянно в състояние на метаболитна ацидоза. Това се дължи на факта, че по време на хемодиализа те нямат адекватна корекция на киселинно-алкалното състояние.
В резултат на различни метаболитни процеси в тялото ни постоянно се образуват различни киселини. Те веднага се неутрализират от буферни системи, сред които най-важна е бикарбонатната. За поддържане на постоянно ниво на pH на вътрешната среда на тялото се изразходва бикарбонат, което изисква неговото постоянно регенериране. Обикновено този процес протича в бъбреците. При пациенти с бъбречна недостатъчност бъбречната функция се замества от диализа, а буферният капацитет на кръвта се възстановява чрез включване на различни буферни източници в диализния разтвор, най-физиологичният от които е бикарбонатът. Поради недостатъчна корекция на киселинно-алкалния баланс по време на сесия на хемодиализа, много пациенти на диализа са постоянно под влиянието на метаболитна ацидоза.
Серумни или плазмени бикарбонати /R. Murray, D. Grenner, P. Meyes, W. Rodwell // Човешка биохимия: в 2 тома. Т.2. пер. от английски: - М.: Мир, 1993.
Буферни кръвни системи и киселинно-базов баланс /T.T. Березов, Б.Ф. Коровкин // Биологична химия: Учебник / Изд. RAMS S.S. Дебов. - 2-ро изд. ревизиран и допълнителни - М.: Медицина, 1990.
Ацетатна и бикарбонатна диализа от Ледебо И. (превод от английски С. Лашутина, И. Дяченко) M .: 19