Буферное действие системы гемоглобин оксигемоглобина

Гемоглобиновая буферная система

Фосфатная буферная система

Гидрофосфатная буферная система содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках она представлениа солями К2НРО4 и КН2РО4, а в плазме крови и в межклеточной жидкости Na2HPO4 и NaH2PO4. Роль донора протона в этой системе играет ион Н2РО4 ‾ характеризующийся в физиологических условиях рКа = 6,8, а акцептора протона – ион НРО4 2‾ . Работа этой буферной системы описывается уравнением Гендерсона-Гассельбаха:

Отношение [HPO4 2- ]/[H2PO4] в плазме крови (при рН = 7,4) равно 4 : 1 . Следовательно, эта система имеет буферную ёмкость по кислоте больше, чем по основанию.

Например, при увеличении концентрации катионов Н + во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО4 2- :

Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи.

При увеличении концентрации оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н2РО4 1- :

Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается.

Выведение тех или иных компонентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал значений рН мочи – от 4,8 до 7,5. Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной ёмкостью, чем гидрокарбонатная, из-за малой концентрации компонентов крови. Однако эта система играет решающую роль не только в моче, но и в других биологических средах – в клетке, в соках пищеварительных желез, в моче.

Гемоглобиновая буферная система является сложной буферной системой. В её составе в качестве донора протона выступают две слабые кислоты: гемоглобин ННb и оксигемоглобин НнbO2. Роль акцептора протона играют анионы этих кислот (сопряженные кислотам основания) Hb ‾ и HbO2 ‾ . Механизм буферного действия этой системы основан на следующих реакциях:

H + + Hb ‾ ↔ HHb pKa (HHb) = 8,20

При добавлении кислот поглощать ионы Н + будут в первую очередь анионы гемоглобина, которые имеют большое сродство к протону.

При добавлении основания оксигемоглобин будет проявлять большую активность, чем гемоглобин:

Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль сразу в нескольких физиологических процессах: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови. Буферная система крови успешно функционирует только вместе с другими буферными системами крови.

Белковые и аминокислотные буферные системы

Значительную долю буферной ёмкости крови обеспечивают белковые буферные системы (гемоглобин, оксигемоглобин, белки плазмы).

Молекулы белков (Prot-H) содержат остатки аминокислот H2N – CHR – COOH, которые проявляют себя как амфотерные электролиты. В их молекулах группы –СООН имеют слабые кислотные, а –NH2 ─ слабоосновные свойства. Соответственно, белки противодействуют как подкислению, так и подщелачиванию среды.

Белковая буферная система работает совместно с гидрокарбонатной системой:

Равновесия (а) и (б) тесно связаны между собой. Рост концентрации СО2 (например, при мышечной работе или за счёт снижения скорости удаления при дыхательной недостаточности) сдвигает реакцию (а) вправо, а реакцию (б) – влево.

Следовательно, увеличение концентрации бикарбонат-иона соответствует снижению концентрации Prot ‾ . Сумма концентраций HCO3 ‾ и Prot ‾ остаётся неизменной благодаря совместному действию этих буферных систем.

Если ионы водорода возникают из других источников (диабетический кетоз, образование молочной кислоты при гипоксии и т.д.), то обе реакции сдвигаются влево, образуются формы Prot-H и CO2, при этом избыток СО2 удаляется через лёгкие.

Аминокислотные буферные растворы

Рассмотрим в качестве примера простейшую аминокислоту – глицин (аминоуксусная кислота). Глицин существует в водном растворе в виде биполярного иона:

Концентрация биполярных ионов R в водном растворе глицина в 224 000 раз больше концентрации нейтральных молекул R.

Если к водному раствору глицина добавить сильную кислоту, то он присоединит протон по группе — COO ‾ с образованием катиона глицина R + . При добавлении к раствору глицина щелочи группа H3N + — отдаст протон, образуя анион глицина R ‾ :

R + (катион глицина) биполярный ион R ‾ (анион глицина)

Из схемы видно, что катион глицина R + можно рассматривать как слабую двухосновную кислоту, которая характеризуется двумя константами ионизации Ка1 и Ка2 (или р Ка1 = 2,6 и Ка2 = 9,8). Следовательно, должно существовать два вида глициновых буферных растворов.

В водных растворах глицина все его три формы (R + , R , R ‾ ) находятся в подвижном равновесии. Это равновесие при подкислении должно сдвигаться в сторону увеличения концентрации R + . Следовательно при добавлении к глицину определённого количества сильной кислоты получается смесь двух форм R + и R± , которая представляет собой глициновый кислотный буферный раствор.

N + H3 – CH2 – COO ‾ + H + (недост.) ↔ NH3 + – CH2 – COOH

В этом случае катион глицина играет роль кислоты, а глицин – соли. Величина рН такого раствора вычисляется по формуле:

При добавлении к глицину щелочи равновесие сдвигается в сторону увеличения концентрации R ‾ . При этом можно получить смесь форм R ± и R ‾ . Такая смесь представляет собой глициновый щелочной буферный раствор.

В этом случае роль кислоты играет биполярный ион глицина R ± , а соли – анион глицина R ‾ . Величину рН такой буферной смеси вычисляют по формуле:

Кислотно-основаное состояние организма

Кислотно-основное состояние – неотъемлемая составная часть гомеостаза внутренней среды организма, который обеспечивает оптимальные условия правильного течения обмена веществ.

Физиологические системы регуляции кислотно-основного состояния связаны с функциональной активностью лёгких и почек.

Процессы, происходящие в лёгких, связаны с тем, что образование оксигемоглобина приводит к освобождению иона водорода из гемоглобина. Ион водорода ассоциируется с бикарбонатом. Образующаяся в результате угольная кислота распадается в лёгких под действием фермента карбоангидразы, и удаление СО2 в атмосферу смещает равновесие этой реакции в сторону распада угольной кислоты. Ион водорода при этом оказывается в составе воды, — соединения, мало способного к диссоциации. В результате этих процессов идёт активное удаление гидрокарбонат-иона, потери которого восполняются его ресинтезом в почках.

Действие почек заключается в удалении из организма ионов водорода и насыщении плазмы крови гидрокарбонат-ионом. При этом принципиальную роль играет фермент карбоангидраза клеток канальцев почек, имеющая ту особенность, что быстро образует угольную кислоту и значительно более медленно её разлагает, вне зависимости от концентрации СО2 и воды.

Принципиальную роль играют биосинтез аммиака в почках и фосфатная буферная система мочи. В результате ферментативной реакции дезаминирования (отщепление аммиака) глутаминовой кислоты образуется аммиак, который связывает протоны, превращаясь в ион аммония. Процесс замены натрия на аммоний в дигидрофосфате приводит к изменению соотношения гидрофосфат/дигидрофосфат от 1 : 4 в крови до 1 : 50 в почках.

Способносмть почек выводить из организма ионы водорода настолько велика, что в итоге соотношение между концентрациями водородных ионов в моче и в крови может составить 800 : 1.

Рассмотренные буферные системы крови и физиологические механизмы в норме обеспечивают стабильное значение рН . Дисбаланс между образованием и удалением ионов водорода, когда вышеуказанные механизмы стабилизации не справляются с нагрузкой, приводит к снижению или повышению рН. В первом случае (снижение рН) состояние называется ацидозом. Во втором случае (при повышении рН) – алкалозом.

В зависимости от механизма развития расстройств кислотно-основного состояния выделяют дыхательный и метаболический ацидозы и алкалозы.

Метаболический ацидоз характеризуется нарушением метаболизма, которое приводит к нескомпенсированному или частично компенсированому падению рН крови.

Метаболический ацидоз наступает вследствие:

а) избыточного введения или образования стойких кислот (поступление кетокислот при голодании и диабете, повышеное образование молочной кислоты при шоке, повышенное образование серной кислоты при усиленном катаболизме, то есть в процессе распада биомолекул, и др.);

б) неполного удаления кислот при почечной недостаточности;

в) избыточной потери гидрокарбонат-иона в результате поноса, колита, язвы кишечника. Процессы компенсации связаны с нейтрализацией ионов водорода гидрокарбонат-ионом и усилением лёгочной вентиляции.

Метаболический алкалоз характеризуется нарушением метаболизма, которое приводит к нескомпенсируемому или частично компенсируемому увеличению рН крови.

Метаболический алкалоз наступает вследствие:

а) потери водородных ионов (высокая кишечная непроходимость, рвота и др.);

б) увеличение концентрации гидрокарбоната (потеря воды, избыточное введение гидрокарбонат-ионов при метаболическом ацидозе, введение солей органических кислот – молочной, уксусной, лимонной, метаболизирующих с поглощением ионов водорода и др.).

Компенсации этого явления достигают снижения лёгочной вентиляции (задержка СО2), удалением гидрокарбонат-иона почками.

Дыхательный ацидоз – это нескомпенсированное или частично компенсированное снижение рН в результате гиповентиляции из-за:

а) заболевания лёгких или дыхательных путей (пневмония, отёк лёгких, инородные тела в верхних дыхательных путях и т.д.); б) повреждения (заболевания) дыхательной мускулатуры; в) угнетении дыхательного центра лекарственными средствами или наркотиками – опиатами, барбитуратами и т.п.

Дыхательный алкалоз – это нескомпенсированное или частично компенсированное повышение рН в результате гипервентиляции из-за лихорадочного состояния или истерии. Процессы компенсации осуществляются буферными системами, повышенным выведением гидрокарбонат-иона почками.

Для коррекции кислотно-щелочного равновесия при ацидозах обычно используют 4% раствор гидрокарбоната натри, который вводят внутривенно. Коррекция кислотно-щелочного равновесия при алкалозах более слона. В качестве одной из временных мер целесообразно введение 5% аскорбиновой кислоты.

Дата добавления: 2015-05-10 ; Просмотров: 1948 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

источник

Гемоглобиновая буферная система

Гемоглобиновая буферная система — наиболее ёмкий буфер крови — составляет более половины всей её буферной ёмкости. Гемоглобиновый буфер состоит из кислого компонента — оксигенированного Hb — HbO2 и основного — неоксигенированного. HbO2 примерно в 80 раз сильнее диссоциирует с отдачей в среду H + , чем Hb. Соответственно, он больше связывает катионов, главным образом K + .

Основная роль гемоглобиновой буферной системы заключается в её участии в транспорте CO2 от тканей к лёгким.

В капиллярах большого круга кровообращения HbO2 отдаёт кислород. В эритроцитах CO2 взаимодействует с H2O и образуется H2CO3. Эта кислота диссоциирует на HCO3 – и H + , который соединяется с Hb. Анионы HCO3 – из эритроцитов выходят в плазму крови, а в эритроциты поступает эквивалентное количество анионов Cl – . Остающиеся в плазме крови ионы Na + взаимодействуют с HCO 3 – и благодаря этому восстанавливают её щелочной резерв.

В капиллярах лёгких, в условиях низкого pСО2 и высокого pО2, Hb присоединяет кислород с образованием HbO2. Карбаминовая связь разрывается, в связи с чем высвобождается CO2. При этом, HCO3 – из плазмы крови поступает в эритроциты (в обмен на ионы Cl – ) и взаимодействует с H + , отщепившимся от Hb в момент его оксигенации. Образующаяся H2CO3 под влиянием карбоангидразы расщепляется на CO2 и H2O. CO2 диффундирует в альвеолы и выводится из организма.

Карбонаты костной ткани

Карбонаты костной ткани функционируют как депо для буферных систем организма. В костях содержится большое количество солей угольной кислоты: карбонаты кальция, натрия, калия и др. При остром увеличении содержания кислот (например, при острой сердечной, дыхательной или почечной недостаточности, шоке, коме и других состояниях) кости могут обеспечивать до 30–40% буферной ёмкости. Высвобождение карбоната кальция в плазму крови способствует эффективной нейтрализации избытка H + . В условиях хронической нагрузки кислыми соединениями (например, при хронической сердечной, печёночной, почечной, дыхательной недостаточности) кости могут обеспечивать до 50% буферной ёмкости биологических жидкостей организма.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ

Наряду с мощными и быстродействующими химическими системами в организме функционируют органные механизмы компенсации и устранения сдвигов КОС. Для их реализации и достижения необходимого эффекта требуется больше времени — от нескольких минут до нескольких часов. К наиболее эффективным физиологическим механизмам регуляции КОС относят процессы, протекающие в лёгких, почках, печени и ЖКТ.

Лёгкие обеспечивают устранение или уменьшение сдвигов КОС путём изменения объёма альвеолярной вентиляции. Это достаточно мобильный механизм — уже через 1–2 мин после изменения объёма альвеолярной вентиляции компенсируются или устраняются сдвиги КОС.

Причиной изменения объёма дыхания является прямое или рефлекторное изменение возбудимости нейронов дыхательного центра.

Снижение рН в жидкостях организма (плазма крови, СМЖ) является специфическим рефлекторным стимулом увеличения частоты и глубины дыхательных движений. Вследствие этого лёгкие выделяют избыток CO2 (образующийся при диссоциации угольной кислоты). В результате содержание H + (HCO3 – + H + = H2CO3® H2O + CO2) в плазме крови и других жидкостях организма снижается.

Повышение рН в жидких средах организма снижает возбудимость инспираторных нейронов дыхательного центра. Это приводит к уменьшению альвеолярной вентиляции и выведению из организма CO2, т.е. к гиперкапнии. В связи с этим в жидких средах организма возрастает уровень угольной кислоты, диссоциирующей с образованием H + , — показатель рН снижается.

Следовательно, система внешнего дыхания довольно быстро (в течение нескольких минут) способна устранить или уменьшить сдвиги рН и предотвратить развитие ацидоза или алкалоза: увеличение вентиляции лёгких в два раза повышает рН крови примерно на 0,2; снижение вентиляции на 25% может уменьшить рН на 0,3‑0,4.

К главным механизмам уменьшения или устранения сдвигов КОС крови, реализуемых нефронами почек, относят ацидогенез, аммониогенез, секрецию фосфатов и K + ,Na + ‑обменный механизм.

• Ацидогенез. Этот энергозависимый процесс, протекающий в эпителии дистальных отделов нефрона и собирательных трубочек, обеспечивает секрецию в просвет канальцев H + в обмен на реабсорбируемый Na + (рис. 14–1).

Ы ВЁРСТКА Вставить файл «ПФ Рис 14 01 Реабсорбция HCO3‑ в клетках проксимального отдела»

Рис.14–1.Реабсорбция HCO 3‑ в клетках проксимального отдела.

Ы ВЁРСТКА Вставить файл «ПФ Рис 14 02 Реабсорбция HCO3‑ в клетках проксимального отдела»

Рис.14–2.Секреция H + клетками канальцев и собирательных трубочек.

Количество секретируемого H + эквивалентно его количеству, попадающему в кровь с нелетучими кислотами и H2CO3. Реабсорбированный из просвета канальцев в плазму крови Na + участвует в регенерации плазменной гидрокарбонатной буферной системы (рис. 13–2).

• Аммониогенез, как и ацидогенез, реализует эпителий канальцев нефрона и собирательных трубочек. Аммониогенез осуществляется путём окислительного дезаминирования аминокислот, преимущественно (примерно 2/3) — глютаминовой, в меньшей мере — аланина, аспарагина, лейцина, гистидина. Образующийся при этом аммиак диффундирует в просвет канальцев. Там NH3 + присоединяет ион H + с образованием иона аммония (NH4 + ). Ионы NH4 + замещают Na + в солях и выделяются преимущественно в виде NH4Cl и (NH4)2SO4. В кровь при этом поступает эквивалентное количество гидрокарбоната натрия, обеспечивающего регенерацию гидрокарбонатной буферной системы.

• Секреция фосфатов осуществляется эпителием дистальных канальцев при участии фосфатной буферной системы:

Образующийся гидрокарбонат натрия реабсорбируется в кровь и поддерживает гидрокарбонатный буфер, а NaH2PO4 выводится из организма с мочой.

Таким образом, секреция H + эпителием канальцев при реализации трёх описанных выше механизмов (ацидогенеза, аммониогенеза, секреции фосфатов) сопряжена с образованием гидрокарбоната и поступлением его в плазму крови. Это обеспечивает постоянное поддержание одной из наиболее важных, ёмких и мобильных буферных систем — гидрокарбонатной и как следствие — эффективное устранение или уменьшение опасных для организма сдвигов КОС.

• К + ,Na + ‑обменный механизм, реализуемый в дистальных отделах нефрона и начальных участках собирательных трубочек, обеспечивает обмен Na + первичной мочи на K + , выводящийся в неё эпителиальными клетками. Реабсорбированный Na + в жидких средах организма участвует в регенерации гидрокарбонатной буферной системы. K + ,Na + ‑обмен контролируется альдостероном. Кроме того, альдостерон регулирует (увеличивает) объём секреции и экскреции H + .

Таким образом, почечные механизмы устранения или уменьшения сдвигов КОС осуществляются путём экскреции H + и восстановления резерва гидрокарбонатной буферной системы в жидких средах организма.

Печень играет существенную роль в компенсации сдвигов КОС. В ней действуют, с одной стороны, общие внутри‑ и внеклеточные буферные системы (гидрокарбонатная, белковая и др.), с другой стороны, в гепатоцитах осуществляются различные реакции метаболизма, имеющие прямое отношение к устранению расстройств КОС.

• Синтез белков крови, входящих в белковую буферную систему. В печени образуются все альбумины, а также фибриноген, протромбин, проконвертин, проакцелерин, гепарин, ряд глобулинов и ферментов.

• Образование аммиака, способного нейтрализовать кислоты как в самих гепатоцитах, так и в плазме крови и в межклеточной жидкости.

• Синтез глюкозыиз неуглеводных веществ — аминокислот, глицерина, лактата, пирувата. Включение этих органических нелетучих кислот при образовании глюкозы обеспечивает снижение их содержания в клетках и биологических жидкостях. Так, МК, которую многие органы и ткани не способны метаболизировать, в гепатоцитах примерно на 80% трансформируется в H2O и CO2, а оставшееся количество ресинтезируется в глюкозу. Таким образом, лактат превращается в нейтральные продукты.

• Выведение из организма нелетучих кислот — глюкуроновой и серной при детоксикации продуктов метаболизма и ксенобиотиков.

• Экскреция в кишечниккислых и основных веществ с жёлчью.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник