1. Регулирование pH в клетке
2. Согласованная работа легких и почек при регулировании уровня pH в крови
3. Согласованная работа печени и почек при регулировании общего кислотного обмена
4. Образование Н⁺ и CO₂ в ходе обмена веществ
5. Желудочно-кишечный тракт
6. Кости
7. Воздействие электролитов на кислотно-основный баланс
8. Резюме
9. Список использованной литературы

а) Регулирование pH в клетке. В клетках имеется несколько транспортных систем, для того чтобы поддерживать pH цитозоля постоянным.

1. Процессы транспорта Н⁺ в клетках. Несмотря на происходящие изменения pH в межклеточном пространстве, показатель pH в клетке демонстрирует удивительное постоянство, располагаясь, как правило, вблизи 7,1. В количественном отношении наиболее важным транспортером Н⁺ является Na⁺/H⁺-обменник в клеточной мембране (рис. 1). Движущей силой для него служит градиент Na⁺. При величине градиента Na⁺ 1 : 10 (снаружи 150, внутри 15 ммоль/л) он способен поддерживать внутриклеточный pH на значении 7,1, в случае если внеклеточный pH опускается до 6,1.

Еще более резкие градиенты pH способны создавать расходующие АТФ Н⁺-АТФаза и Н⁺/К⁺-АТ-Фаза. Везде, где необходимо накачивать Н⁺ во внеклеточное пространство для создания там кислой среды, например в желудке или в дистальных канальцах и собирательных трубочках почки, они всегда играют важную роль. Na⁺/H⁺-ионный обменник и Н⁺-АТФазы используются также для закисления внутриклеточных везикул.

2. Транспорт двууглекислой кислоты. Так как CO₂ может хорошо проходить сквозь клеточную мембрану и клетка переводит CO₂ в форму HCO₃^-, потеря клеткой HCO₃^- ведет к закислению внутриклеточного пространства. Двууглекислая кислота может теряться клеткой через HCO₃^-/Cl^--ионный обменник, анионные каналы и через котранспорт с Na⁺. В частности, симпорт с Na⁺ служит для поддержания электрохимического равновесия и поэтому может направлять двууглекислую кислоту обратно в клетку.

б) Согласованная работа легких и почек при регулировании уровня pH в крови. Через легкие выдыхается CO₂; почки способны выводить HCO₃^- или образовывать HCO₃^- из H₂CO₃ и выводить возникающий при этом Н+; оба органа одинаково важны для поддержания нормального pH крови.

1. Кооперация легких и почек. Легкие и почки выполняют комплементарные функции при регулировании кислотно-основного баланса. Легкие влияют на pH ввиду того, что через них выдыхается CO₂, а почки регулируют кислотно-основный баланс посредством выведения Н⁺ или HCO₃^-.

2. Регуляция через выдыхание CO₂. Если выведение Н⁺ почками не успевает за темпами возникновения Н⁺ в ходе метаболизма, в легких должно выдыхаться больше CO₂, для того чтобы предотвратить рост концентрации Н⁺:

Выдыхаемое ежедневно количество CO₂ находится обычно в пределах 15 моль, что многократно превосходит выделяемые через почки количества Н⁺ (обычно до 100 ммоль; см. выше).

3. Необходимость выведения Н⁺ через почки. Если объемы выделяемого почками Н⁺ оказываются сниженными в течение длительного срока, легкие уже не могут этого компенсировать: при устранении свободного Н⁺ путем выдыхания CO₂ расходуется HCO₃^-, потому его концентрация в крови уменьшается. Значение pH крови при этом напрямую зависит от величины отношения [HCO₃^-]/[CO₂].

В результате, для того чтобы сохранять рН постоянным, при уменьшении концентрации HCO₃^- концентрация CO₂ в крови также должна опускаться. Легкие должны еще долго выдыхать его в больших количествах, до тех пор пока концентрация HCO₃^- не будет скорректирована уже почками.

P.S. Пример. Если у пациента отказывают почки, они оказываются совершенно не способными выводить Н⁺, хотя до 100 ммоль/л Н⁺ продолжает ежедневно образовываться в процессе метаболизма. Как внутриклеточный, так и внеклеточный pH должны оставаться постоянными, и весь избыточный Н⁺ (100 ммоль) реагирует с внеклеточным HCO₃^- до CO₂, который должен затем выдыхаться.

Таким путем ежедневно образуется дополнительно еще 0,1 моль CO₂, что, впрочем, не столь существенно на фоне 15 моль CO₂, выдыхаемых всегда в норме, и требует повышения интенсивности вентиляции менее чем на 1%.

В ходе реакции H⁺ с HCO₃^- тем не менее внеклеточная концентрация HCO₃^- в то же время опускается примерно на 5 ммоль/л, и, с учетом того, что общий объем внеклеточного пространства составляет около 20 л (примерно 100 ммоль/20 л), в общей сложности она становится меньше приблизительно на 20%. Чтобы сохранять pH постоянным, концентрация CO₂ аналогичным образом должна опускаться минимум на 20% (если последующее уменьшение количества HCO₃^- пренебрежимо мало).

Выдыхаемое легкими количество CO₂ (M_CO2) напрямую зависит от концентрации CO₂ в альвеолах, а она, в свою очередь, равняется концентрации CO₂ в артериальной крови ([CO₂]_a): M_CO2 = Va * [CO₂]_a, где Va обозначает интенсивность вентиляции альвеол. При понижении [CO₂] на 20% величина Va должна повышаться на 25% для того, чтобы количество выдыхаемого CO2 (15 моль/день) оставалось прежним.

Это означает, что дыхание в легких для сохранения рН крови постоянным при избытке концентрации Н⁺ в 100 ммоль/л должно протекать в самом деле по меньшей мере на 25% интенсивнее. Легкие должны находиться в состоянии гипервентиляции так долго, как это может потребоваться для того, чтобы почки успели адаптироваться и концентрация HCO₃^- в крови вновь была нормализована. Если почки так и не начинают выводить достаточное количество H⁺ (например, в случае их отказа), легкие оказываются способными лишь замедлить, но не предотвратить развитие ацидоза.

в) Согласованная работа печени и почек при регулировании общего кислотного обмена. В случае ацидоза печень отдает глутамин, из которого в почках образуется NH₄⁺, затем NH₄⁺ выводится из организма; в случае алкалоза в печени образуется мочевина и выведения NH₄⁺ не требуется.

1. Обмен глутамина. В норме до двух третей от всего выделяемого количества Н⁺ в почках выводится ими в форме NH₄⁺. Достаточное количество NH₃ может синтезироваться только в том случае, если почки обеспечиваются притоком глутамина. Концентрация глутамина в крови зависит от метаболизма глутамина в печени (рис. 2): в норме печень расходует глутамин для синтеза мочевины, при этом формально в уравнении записываются 2NH₄⁺ и 2HCO₃^-:

NH₄⁺ образуется благодаря работе глутаминаз в перипортальных клетках печени. Перивенозные клетки печени, напротив, способны поглощать NH₄⁺ и посредством глутаминсинтаз преобразовывать его в глутамин.

2. Регулирование метаболизма глутамина. При алкалозе в печени преобладает активность глутаминаз и потребление глутамина. При ацидозе активность глутаминаз подавляется и преобладает чистая продукция глутамина. Поэтому при ацидозе почки располагают большим количеством глутамина для синтеза NH₄⁺ и его дальнейшего выведения.

В противоположность глутаминазам в печени почечные глутаминазы ацидозом стимулируются. В почках, в отличие от печени, образующийся NH₄⁺ выделяется, а HCO₃^- не расходуется на синтез мочевины. Образующийся при разложении глутамина HCO₃^-, таким образом, остается в организме.

При алкалозе NH₄⁺ из глутамина расходуется совместно с HCO₃^- для синтеза мочевины и с мочевиной выводится не только NH₄⁺, но и HCO₃^-.

г) Образование Н⁺ и CO₂ в ходе обмена веществ. В ходе обмена веществ непрерывно образуется CO₂, который необходимо выдыхать через легкие и Н⁺, который требуется выводить через почки.

1. Образование CO₂ и его выдыхание. В ходе обмена веществ при окислительном разложении различных субстратов ежедневно образуется примерно 15 моль CO₂. Здоровые легкие способны удалять и большие количества CO₂. Поэтому повышенное образование CO₂ в клетках не приводит, как правило, к росту концентрации CO₂ в артериальной крови.

2. Фиксированные кислоты. В дополнение к CO₂ (или H₂CO₃) в процессе метаболизма возникают кислоты, которые не могут быть удалены через легкие (фиксированные кислоты), и в таком случае необходимо выделять Н+ через почки. Подавляющая часть фиксированных кислот возникает при разложении серосодержащих аминокислот: SH-группы окисляются до SO₄^2- и 2Н⁺. К другим фиксированным кислотам относится лактат, возникающий при анаэробном гликолизе, а также жирные кислоты, которые высвобождаются из триглицеридов (рис. 3).

Жирные кислоты могут превращаться в ацетоацетат и β-гидроксибутират, а затем диссоциировать и сильно закислять pH крови. За исключением SO₄^2-, все упомянутые кислоты могут быть опять метаболизированы, причем высвобожденный Н⁺ при этом поглощается обратно.

д) Желудочно-кишечный тракт. Секреция Н⁺ в желудке сопровождается образованием HCO₃^-; эпителий поджелудочной железы и эпителий кишки секретируют жидкости, богатые HCO₃^-.

1. Секреция H⁺ в желудке. В желудке при секреции H⁺ в париетальных клетках возникает CO₂, а также H₂CO₃, при этом HCO₃^- накапливается и поступает в кровь (рис. 3). Из-за образования двууглекислой кислоты во время секреции кислого сока в желудке возникает постпрандиальный алкалоз, или «прилив щелочи» (alkaline tide).

2. Секреция в кишечнике и поджелудочной железе. Проникновение кислого сока желудка в двенадцатиперстную кишку стимулирует поджелудочную железу секретировать сок, богатый HCO₃^-, вследствие чего реакция просвета кишки снова становится нейтральной и, помимо этого, тратится образовавшийся при секреции H⁺ в желудке HCO₃^- (рис. 2).

При рвоте кислый желудочный сок избегает нейтрализации в двенадцатиперстной кишке и из-за этого в организме возникает избыток HCO₃^-, иными словами, развивается метаболический алкалоз. С другой стороны, панкреатический свищ и диарея могут приводить к развитию ацидоза.

е) Кости. Соли, слагающие кости, являются сильно щелочными; при минерализации костей Н⁺ потребляется, а при мобилизации солей из кости Н⁺ расходуется.

1. Воздействие текущего состояния кислотно-основного баланса на минерализацию костей. Карбонат и щелочная соль фосфата плохо растворимы в воде и потому используются организмом для минерализации костей. Ацидоз способствует растворению минералов кости, а алкалоз способствует минерализации костей (рис. 3).

2. Воздействие степени минерализации костей на кислотно-основный баланс. Для минерализации костей, напротив, необходимо образование сильно щелочного фосфата или карбоната, т. е. при минерализации костей Н⁺ поступает в кровь, а при растворении щелочных минералов костей Н⁺ расходуется. Ca²⁺ усиливает минерализацию костей, и приток CaCl₂ может провоцировать ацидоз.

ж) Воздействие электролитов на кислотно-основный баланс. Как внеклеточная, так и внутриклеточная концентрация Н⁺ подвержена влиянию электролитов, прежде всего калия, а также натрия и кальция.

1. Поваренная соль. Клеточный транспорт HCO₃^- и Н⁺, в том числе в почках, зависит от транспорта Na⁺. При избытке NaCl почки должны увеличить объемы его выведения. Если реабсорбция Na+ в проксимальных канальцах ингибируется, это влияет и на тесно связанную с ней реабсорбцию HCO₃^- в тех же проксимальных канальцах. Поэтому инфузия раствора поваренной соли может привести к бикарбонатурии, а следовательно, к ацидозу.

И наоборот, если в случае недостатка NaCl или увеличения объема межклеточной жидкости почки вынуждены увеличивать реабсорбцию Na⁺ и не справляются с этим, расходуются значительные количества HCO₃^-.

P.S. Алкалоз, связанный с истощением объема жидкости:

- Физиологические причины патологии. Для выведения через почки значительного количества HCO₃^- требуется подавление реабсорбции HCO₃^- в проксимальных канальцах посредством ингибирования Na⁺/Н⁺-ионного обменника. При этом, очевидно, происходит потеря не только HCO₃^-, но и ионов Na⁺. При недостатке объема жидкости и недостатке поваренной соли почки вынуждены увеличивать реабсорбцию Na⁺ в проксимальных канальцах, например стимулируя Na⁺/Н⁺-ионный обменник ангиотензином II.

Вместе с тем в почках увеличивается и реабсорбция HCO₃^-, что препятствует коррекции алкалоза за счет бикарбонатурии. Подобное истощение объема жидкости, препятствующее коррекции алкалоза, возникает после рвоты кислым желудочным соком и приеме петлевых диуретиков, которые ведут к недостатку объема жидкости из-за подавления реабсорбция NaCl в петле Генле.

- Терапия. При поступлении в организм достаточного объема изотонического раствора поваренной соли (например, путем инфузии) может быть достигнута бикарбонатурия и истощение объема жидкости исчезает.

2. Калий. Кислотно-основный баланс K⁺ имеет еще более важное значение: потенциал на клеточных мембранах почти всех клеток поддерживается за счет работы K⁺-каналов. Прирост внеклеточной концентрации K⁺ уменьшает химический градиент K⁺ и приводит к деполяризации мембраны. Падение внеклеточной концентрации K⁺, наоборот, приводит скорее к гиперполяризации клеток. Потенциал на клеточной мембране в этом случае начинает создаваться за счет выведения отрицательно заряженного HCO₃^- из клетки.

Таким образом, гиперкалиемия в проксимальных канальцах посредством деполяризации мембран и ослабленного базолатерального потока HCO₃^- приводит к внутриклеточному защелачиванию, а Na⁺/H⁺-обменник в люменальной клеточной мембране и вместе с тем секреция Н⁺ в проксимальных канальцах при этом тормозятся. Следствием пониженной секреции Н⁺ в почках является (внеклеточный) ацидоз. Гипокалиемия, наоборот, за счет несколько повышенного выведения Н⁺ почками ведет к внеклеточному алкалозу (рис. 4).

3. Кальций. Минерализация требует поступления кальция в кости (см. выше), что способствует развитию ацидоза.

з) Резюме. Регулирование pH крови:

1. Регулирование кислотно-основного баланса основывается на кооперации:
• легких, через которые выдыхается CO₂;
• почек, по мере необходимости выводящих Н⁺ или HCO₃^-;
• печени, которая либо использует глутамин для синтеза мочевины, либо направляет его в почки для синтеза из него NH₄⁺.

2. Факторы, влияющие на кислотно-основный баланс
• образование CO₂ и Н⁺ в ходе обмена веществ;
• секреция Н⁺ в желудке;
• секреция HCO₃^- в поджелудочной железе и кишечнике;
• поглощение HCO₃^- при минерализации костей, в частности для связывания с Ca²⁺;
• выход Н⁺ из клеток при росте внеклеточной концентрации калия;
• потери HCO₃^- через почки при избытке поваренной соли в организме.

- Вернуться в раздел "Физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 18.7.2025