Гемоглобин оксигемоглобиновая буферная система

Самая мощная буферная система. На ее долю приходится 75% всей буферной емкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и углекислоты.

Состав гемоглобинового буфера можно выразить так:

Гемоглобиновая буферная система состоит из HHb гемоглобина, который является слабой кислотой и его калиевой соли – и оксигемоглобиновой буферной системы .

Системы гемоглобина и оксигемоглобина взаимопревращающиеся системы и работают как единое целое.

При насыщении гемоглобина кислородом гемоглобин становится более сильной кислотой – HНbО2 и увеличивает отдачу в раствор ионов водорода.

В капиллярах легких, гемоглобин присоединяет кислород и превращается в оксигемоглобин:

HHb + О2 HНbО2

Образование оксигемоглобина приводит к некоторому подкислению крови, вытеснению части угольной кислоты из бикарбонатов:

HНbО2 + КНСО3 КНbО2 + Н2СО3

Щелочной резерв крови понижается.

В периферических капиллярах большого круга кровообращения калиевая соль оксигемоглобина диссоциирует и гемоглобин эритроцитов отдает кислород тканям:

КНbО2 О2 + КНb

В результате способность гемоглобина связывать ионы водорода увеличивается. Одновременно в эритроциты поступает углекислый газ. Под влиянием фермента карбангидразы углекислый газ взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты:

СО2 + Н2О Н2СО3

За счет угольной кислоты возникает избыток ионов водорода, который связывается с калиевой солью гемоглобина, отдавшей кислород:

КbHb + Н2СО3 К+ + + HHb

В результате этого процесса накапливаются анионы , которые выходят из эритроцитов в плазму. В обмен на ионы в эритроциты поступают ионы хлора, а натрий остается в плазме. В плазме повышается содержание бикарбоната и это способствует восстановлению щелочного резерва крови.

Взаимодействие буферных систем и физиологических механизмов в регуляции КЩР.

Кислые продукты нейтрализуются бикарбонатной и гемоглобиновой системами. Буферные основания и КНbО2 связывают протоны и переходят в Н2СО3 и ННb. В легких фермент карбоангидраза разлагает Н2СО3 на СО2 и Н2О. Углекислота удаляется из организма с вдыхаемым воздухом, а ННb переходит в КНbО2. восполнение дефицита ионов бикарбоната, а также удаление из организма кислых продуктов в виде кислы фосфатов и солей аммония осуществляют почки.

Роль почек в регуляции КЩР.

В клетках эпителия почечных канальцев из СО2 и Н2О под действием карбоангидразы образуется угольная кислота, которая диссоциирует на ионы Н+ и . Протоны секретируются в просвет канальцев, а ионы бикарбоната поступают в кровь, восполняя дефицит -ионов. С секрецией Н+ сопряжена реабсорбция ионов Na+.

Судьба ионов Н+, попавших в мочу.

1. Н+ + Н2СО3

2. Н+ + – выводится

3. Н+ + N+Н4 ( + Сl + Na NH4Cl +Na ).

Ионы и обусловливают кислую реакцию мочи и в составе кислых фосфатов и солей аммония выводятся из организма.

По механизму

1. Метаболический

2. Респираторный (газовый)

Метаболический ацидоз – много кислых продуктов (кетоновые тела, лактат, пируват). Наблюдается при голодании, диабете, лихорадке, нарушении кровообращения, поражении почек.

Респираторный (газовый) ацидоз наблюдается при заболеваниях легких (бронхиты, пневмонии), недостаток кровообращения.

По компенсации:

1. Компенсаторный, рН в N, но меняются другие показатели КЩР.

2. Декомпенсированный – ацидотическая кома.

Алкалоз – состояние дефицита ионов водорода в крови.

Метаболический алкалоз – дефицит ионов Н+ в крови, сочетается со снижением содержания ионов К+ в крови.

Компенсация метаболического алкалоза осуществляется дыхательным и почечным путем (снижение вентиляции с повышением СО2 и увеличением экскреции бикарбоната почками).

Причины: дефицит калия, понос, рвота, инфекции ЖКТ, длительное введение стероидных гормонов. Бывает компенсированный и реже декомпенсированный.

Дыхательный алкалоз – избыточное выведение Н2СО3. возникает при быстром удалении СО2 и сопровождается развитием гипокапнии (понижение парциального давления СО2 в артериальной крови – менее 35 мм рт. столба).дыхательный алкалоз наблюдается при вдыхании чистого кислорода, при подъеме на высоту, при компенсаторной одышке.

Бывает компенсированный.

Причины гипопротеинемий

Задержка воды в организме при отеках на почве цирроза печени, потеря белков с мочой при нефритах, угнетение синтеза белков (при длительных инфекционных заболеваниях, при раковой кахексии, при голодании).

Причины гиперпротеинемий

Потеря больших количеств воды при диарее, неукротимой рвоте, тяжелых травмах ожогах. Это относительная гиперпротеинемия. Абсолютная гиперпротеинемия обусловлена резким нарастанием иммуноглобулинов и патологических белков. (миеломная болезнь).

Строение молекулы Ig.

Молекула Ig состоит из 4 полипептидных цепей: 2 тяжелых – Н-цепи и 2 легких – L-цепи. Легкие и тяжелые цепи соединены дисульфидными мостиками. Легкие цепи Ig бывают 2 видов: каппа и лямбда. Тяжелые цепи определяют специфичность Ig и различаются по аминокислотному составу. Различают 5 типов тяжелых цепей: IgG – , IgA – , IgM – , IgD – . На легких и тяжелых цепях выделяют вариабельные и константные участки. Вариабельные участки у иммуноглобулинов, направленных против различных АГ различны.

Для связывания АГ на молекуле Ig имеются активные центры.

А.ц. образован V-участками легкой и тяжелой цепи. Разрыв S-S между цепями приводит к исчезновению активных центров. На молекуле Ig два активных центра, т.е. Ig бивалентны.

А.ц. – щель, которая комплементарна молекуле АГ. Комплементарность стереоспецифическая и электрохимическая.

В молекуле Ig имеется шарнирный участок – это середина Н-цепей. Шарнирный участок не имеет вторичной структуры, здесь находится пролин и молекула Ig делает изгиб, что обеспечивает приспособление Ig к взаимодействию с АГ. Вторичная структура Ig представлена -спиралью, в которой есть -структуры или «клубки». «Клубки» называются доменами, которые возникают при образовании дисульфидных связей между аминокислотными остатками внутри одной цепи.

Ig расщепляются протеолитическими ферментами: папаином и пепсином.

Папаин расщепляет молекулу Ig в шарнирной области на 3 фрагмента: 2 Fab и Fc-фрагмент. Fab-фрагмент имеет активный центр и это обеспечивает его связывание с АГ, происходит образование комплекса АГ-АТ.

Fc-фрагмент выполняет эффекторную функцию: обеспечивает прохождение через плаценту, прохождение через мембрану клеток, обеспечивает фиксацию иммуноглобулинов на поверхности собственных клеток, связывает комплемент, который способен лизировать клетку.

IgG составляет 70-75% общего количества иммуноглобулинов. Концентрация IgG в сыворотке достигает нормы к 7-летнему возрасту. Повышенная концентрация IgG наблюдается при инфекциях, при болезнях печени.

Пониженная концентрация IgG наблюдается у новорожденных, при недостаточности гуморального иммунитета.

IgG – единственный иммуноглобулин, проникающий через плаценту; благодаря этому плод получает материнские антитела.

IgM представляет собой пентамер молекулы IgG. Пять молекул, аналогичных IgG, соединены между собой полипептидной цепью J. IgM лучше, чем другие связывает комплемент. IgM синтезируется в ответ на большинство антигенов у детей первого года жизни. Обнаружение у плода антител класса М указывает на внутриматочную инфекцию.

IgA сывороточный иммуноглобулин А бывает в разных формах: обычной, димерной и трехмерной. IgA, которые выходят из кровяного русла через слизистые оболочки в просвет дыхательных путей, помимо J-цепи, имеют секреторный компонент – SC. SC-структура защищает IgA от разрушающего действия ферментов, находящихся в скретах слизистых оболочек. Содержание IgA достигает нормы к 10 годам. IgA – типичный иммуноглобулин слизистых оболочек. Функция IgA – защита слизистых оболочек от инфекций.

IgE – содержится в крови в низких концентрациях. IgE обладает высокой цитофильностью, т.е. способностью присоединяться к тучным клеткам и базофилам. Присоединение антигена к IgE, находящаяся на этих клетках, приводит к выделению гистамина и это вызывает развитие реакций гиперчувствительности немедленного типа (аллергических реакций).

IgD – не связывает комплемент, не проходит через плаценту, не связывается с тканями. Биологическая функция не ясна; вероятно, он служит рецептором В-лимфоцитов.

Динамика выработки антител.

IgM являются антителами первичного иммунного ответа. Через несколько дней происходит переключение синтеза IgM на IgG. При вторичном ответе сразу синтезируются IgG.

Материнские IgG с периодом полураспада 25 дней проникающие в кровь плода через плаценту, обеспечивают пассивный иммунитет новорожденных, к 3 месяцу из содержание уменьшается вдвое.

Синтез собственных IgM осуществляется плодом с 5 недели внутриутробного развития.

Катаболизм Ig

Период полураспада антител зависит от интенсивности обменных процессов и возраста, у новорожденных это 30-35 дней, затем этот срок сокращается.

Ig разрушаются под влиянием тканевых катепсинов на Fc и 2 Fab-фрагмента, небольшое количество около 10% IgG выводится в свободном виде, активный центр сохраняется и по мере выведения продукты катаболизма оказывает защитное действие, связывая АГ.

Патология обмена Ig

1. Гипогаммаглобулинемия – снижение уровня всех классов Ig.

Бывает 3 видов: 1. Транзитная – у детей. 2. Врожденная. 3. Приобретенная (инфекция, интоксикация, нарушение синтеза Ig, ускоренное разрушение, потеря с мочой).

2. Дисгаммаглобулинемия – снижение (изменение) соотношения между классами Ig. Виды: 1. Врожденная. 2. Приобретенная.

I тип – нет G, A, > M

II тип – нет M, A, >A

III тип – N G,M < A

Белки плазмы крови.

Кровь состоит из плазмы и взвешенных в ней форменных элементов. Плазма составляет около 55% от объема крови. Эритроциты составляют основную массу форменных элементов – 44%.

Из 9-10% сухого остатка плазмы крови на болю белков приходится 6,5-8,5%.

Общее содержание белков составляет 60 – 80 г/л.

Для разделения белков плазмы крови используют следующие методы:

1. Высаливание.

Разделение белков проводят с использованием солей щелочных и щелочноземельных металлов. Наиболее часто используют сульфат аммония. Различные белки высаливаются из растворов при разных концентрациях растворов сульфата аммония: альбумины выпадают при 100% насыщении, глобулины при 50%.

При действии сульфата аммония, ацетона, спирта белки теряют гидратную оболочку, утрачивают устойчивость и выпадают в осадок.

В результате высаливания получают 2 фракции:

1. Альбумины – 40 – 50 г/л
2. Глобулины – 20 – 30 г/л

На долю фибриногена приходится – 2 – 4 г/л.

Плазма, лишенная фибриногена, называется сывороткой.

В условиях клинических лабораторий для разделения белков сыворотки крови применяют метод электрофореза.

Сыворотка – плазма, не содержащая фибриноген и др. факторы свертывания (т.е. жидкость, которая остается после формирования сгустка крови).

Высаливание.

Для высаливания применяют соли в разных концентрациях.

При малой концентрации солей осаждаются наиболее крупные, тяжелые и обладающие наименьшим зарядом частицы.

При повышенной концентрации солей выпадают все более мелкие частицы и устойчивые белковые фракции.

При использовании 33%-ного раствора (NH4)2SO4 выпадают белки сыворотки крови, имеющие наибольший молекулярный вес – эйглобулины, при 50%-ной концентрации – псевдоглобулины, при 100%-ной – самые «легкие» альбумины.

Белки, осажденные сульфатом аммония, почти не денатурируются; после удаления соли из белкового осадка (диализом через целлофановую мембрану) ее растворяют и используют для различных целей.

Чтобы лишить высокомолекулярные частицы устойчивости, необходимо удалить их водные оболочки и снять электрический заряд.

При электрофорезе в поддерживающих средах имеет значение размер пор геля (молекулярно-ситовой эффект геля) и размеры молекул белка.

Электрофорез на бумаге.

Сыворотку крови наносят на бумажную полоску, смоченную буфером. Концы бумажной полосы опущены в раствор электролита, где находятся электроды источника постоянного тока. При замыкании электрической цепи белковые молекулы движутся со скоростью. Пропорциональной величине заряда. За единицу времени проходят разные расстояния, т.е. оказываются на разных участках бумажной полосы.

2. Электорфорез основан на передвижении заряженной частицы в электрическом поле.

Белки сыворотки крови различаются по молекулярной массе, заряду и изоэлектрической точке. На основании этих различий белки разделяются в электрическом поле.

В зависимости от условий проведения разделения различают электрофорез на бумаге, в растворе и в геле: крахмала, целлюлозы и полиакриламидном геле.

а) Электрофорез на бумаге позволяет получить 5 белковых фракций: 1. Альбумины. 2. 1-глобулины. 3. 2-глобулины. 4. -глобулины. 5. -глобулины.

б) Электрофорез в крахмальном геле позволяет получить 10 фракций.

в) Электрофорез в полиакриламидном геле позволяет получить до 18 фракций.

При электрофорезе в полиакриламидном геле используют пары буферных растворов с различными значениями рН и различной степени пористости гель.

3. Изоэлектрофокусировние – проведение электрофореза в поддерживающих средах с градиентом рН. Нахождение белка определяется его изоэлектрической точкой.

4. Иммунофорез представляет собой комбинацию электрического и иммунологического методов. Происходит электрофорез и реакция преципитации в одной среде.

Иммуноэлектрофорез – сочетание электрофореза в агаровом геле и иммунодиффузии. После электрофоретического разделения белков в канавку, идущую параллельно пути движения антигенов, вносят перциптирующую иммунную сыворотку. Антигены и антитела диффундируют на месте встречи дугообразные полосы преципитации.

Электрофорез основан на способности белков перемещаться в электрическом поле.

Для функционирования белков сыворотки крови чаще всего используют веронал-мединаловый буфер с рН 8,6. При этом значении рН белки заряжаются отрицательно и движутся к аноду.

В связи с различием в размерах молекул и в величине заряда скорость движения белков самые малые и имеющие наибольший заряд альбумины, затем -, -, и -глобулины.

Скорость передвижения белка в электрическом поле зависит от его электрофоретической подвижности.



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

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.

Почки

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 HCO3‑ в клетках проксимального отдела.

КА — карбоангидраза.

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

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

КА — карбоангидраза.

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:

Na2HPO4 + H2CO3 NaH2PO4 + NaHCO3

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

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.