1. Физиологические функции, на которые влияет pH
2. Свойства буферов
3. Буферы в крови
4. Роль буферов в моче
5. Резюме
6. Список использованной литературы

Девушка потеряла сознание в приемной больницы. Дежурный врач сразу обратил внимание на глубокое дыхание пациентки. Он предположил развитие у нее ацидоза (закисление крови), который принуждает пациентку к усиленному дыханию. Причиной ацидоза является абсолютный недостаток инсулина при сахарном диабете.

Как только ингибирующее влияние инсулина на деградацию жиров прекращается, при их разрушении из жировой ткани высвобождаются триглицериды и жирные кислоты. Жирные кислоты диссоциируют (отдают в раствор Н⁺), увеличивая тем самым концентрацию Н⁺ в крови.

Подозрение врача на сахарный диабет дополнительно подтверждают обнаружением заметно повышенной концентрации глюкозы в крови, являющейся последствием сниженного поглощения глюкозы при недостатке инсулина. Введение пациентке инсулина не только понизило концентрацию глюкозы в ее крови, но и устранило ацидоз. Нормализация состава ее крови в итоге привела пациентку в чувство.

а) Физиологические функции, на которые влияет pH. Свойства белков зависят от окружающей концентрации Н⁺; концентрация Н⁺ влияет на множество совершенно различных физиологических функций.

1. Концентрации Н⁺ во внеклеточном и внутриклеточном пространствах. В норме значение pH крови находится в диапазоне между 7,37 и 7,43, что соответствует концентрации Н⁺ примерно равной 0,04 мкмоль/л. В клетках концентрация Н⁺ обычно несколько выше (pH 7,0-7,3).

При увеличении концентрации Н⁺, т. е. уменьшении pH крови до значения менее 7,37, развивается ацидоз, а при уменьшении концентрации Н⁺, или, иначе, увеличении pH крови до значения более 7,43, развивается алкалоз.

2. Влияние концентрации Н⁺ на протекание обмена веществ. Свойства ферментов, транспортных белков, рецепторов и т.д. находятся в зависимости от степени диссоциации определенных аминокислот (в первую очередь гистидина), а следовательно, от окружающего их pH. Таким образом, от рН зависит множество клеточных функций.

Среди прочих ферменты, осуществляющих гликолиз, прежде всего фосфофруктокиназы, ингибируются ростом концентрации Н⁺ (ацидоз) и стимулируются ее падением (алкалоз).

Алкалоз способствует интенсивному протеканию гликолиза и синтезу молочной кислоты, ингибирует глюконеогенез и ведет к накоплению цитрата. В свою очередь, ацидоз способствует разложению глюкозы через пентозофосфатный цикл. ДНК-синтаза и деление клетки (клеточная пролиферация) ингибируются внутриклеточным ацидозом. Факторы роста, активирующие Na⁺/Н⁺-обменник, увеличивают pH клетки и вместе с тем создают предпосылку для клеточной пролиферации.

3. Каналы. Многие ионные каналы в значительной степени чувствительны к pH. Так, некоторые К⁺-каналы открываются при алкалозе, а при ацидозе закрываются. Таким образом, алкалоз служит одним из факторов, способствующих выведению К⁺ по К⁺-каналам в эпителиях почек. Алкалоз усиливает, а ацидоз ослабляет поток Ca²⁺ по Са²⁺-каналам в клетку.

4. Концентрация Ca²⁺ в клетке. При увеличении концентрации ионов Н⁺ в цитозоле они направляются в митохондрии в обмен на Ca²⁺. Далее Н⁺ вытесняют Ca²⁺ из сайтов связывания в белках, вследствие чего концентрация Ca²⁺ в цитозоле может повыситься. Одновременно естественным образом происходит ингибирование Са²⁺-каналов в миокарде и скелетной мускулатуре. Во время мышечного сокращения в цитозоль поступает лишь немного дополнительного Ca²⁺.

5. Скелетные и сердечные мышцы, кровообращение. Ацидоз уменьшает силу сокращения миокарда, скелетной мускулатуры и остальных мышц из-за ингибирования потока Ca²⁺ в цитозоль. Кроме того, Н⁺ вытесняет Ca²⁺ из сайтов связывания с тропонином. Ацидоз способствует расширению сосудов (вазодилатация), а алкалоз — их сужению (вазоконстрикция). При ацидозе снижается пропускная способность щелевых контактов, вследствие чего замедляется прохождение волны возбуждения по сердечной мускулатуре.

6. Связывание O₂ и Ca²⁺ в крови. Ацидоз уменьшает, а алкалоз увеличивает аффинность гемоглобина к кислороду. Алкалоз способствует диссоциации белков плазмы, что предоставляет возможность для лучшего связывания Ca²⁺. С другой стороны, при алкалозе Ca²⁺ образует комплексы с HCO₃^-. Если алкалоз возникает вследствие избытка гидрокарбоната (метаболический алкалоз; см. ниже), тогда оба эффекта складываются и активность Ca²⁺ в плазме сильно падает.

P.S. При усиленном выдыхании CO₂ (гипервентиляции) происходит, с одной стороны, развитие алкалоза (см. ниже) и вместе с тем более интенсивное связывание Ca²⁺ с белками. Однако, с другой стороны, концентрация угольной кислоты в крови в то же время падает, поэтому Ca²⁺ оказывается связанным с ней в меньшей степени. В результате концентрация свободного Ca²⁺ практически не изменяется.

б) Свойства буферов. При высокой концентрации Н⁺ буферы способны связывать эти ионы, а при низкой концентрации — высвобождать их, ослабляя тем самым амплитуду колебания концентрации Н⁺.

1. Уравнение Гендерсона-Хассельбаха. Буферная система может обратимо привязывать или отдавать H⁺:

При этом АН обозначается как непродиссоциировавшая кислота, а А^- как продиссоциировавший анион этой кислоты.

Число молекул АН, отдающих Н⁺ в единицу времени (J¹), пропорционально концентрации этих молекул ([АН]):

Скорость обратной реакции соединения Н⁺ и А^- до АН (J^-1) является функцией концентраций Н⁺ ([Н⁺]) и А^- ([А^-]):

где k¹ и k^-1 — константы, описывающие скорость соответствующих реакций. Их значения зависят не только от [Н⁺], [А^-] и [АН], но и от температуры и ионной силы.

При равновесии J¹ = J^-1 и

а также

Логарифмируя это выражение:

и принимая lg[Н⁺] = -pH, а lgK = -pK, получаем

Это уравнение Гендерсона-Хассельбаха описывает связь между pH и соотношением [А^-]/[АН] (рис. 1).

P.S. Пример расчета. Мочевая кислота имеет pK 5,8. При рН 6,8 около 91% от ее общего количества находится в диссоциированной форме ([А^-]), а около 9% — в недиссоциированной форме ([АН]):

При рН 5,8 диссоциирует половина молекул кислоты, а при рН 4,8 диссоциирует всего лишь около 9%.

2. Уравнение для слабых оснований. По аналогии с уравнением Гендерсона-Хассельбаха для слабых кислот может быть выведено следующее уравнение для слабых оснований:

где [B] и [BH⁺] — концентрации свободной и связанной с H⁺ форм основания соответственно.

3. Буферная емкость. Буферная система уменьшает изменения концентрации H+ путем связывания H⁺ (при увеличении концентрации H⁺) или высвобождения H⁺ (при уменьшении концентрации H⁺). Степень того, насколько данный буфер способен компенсировать изменения концентрации Н+, характеризует буферная емкость (K_p):

Буферная емкость тем больше, чем выше концентрация буфера. Кроме того, емкость буфера уменьшается при удалении друг от друга значений рН и рК.

P.S. Пример расчета. Молочная кислота имеет pK 3,9 (рис. 1). Если смешать 9 ммоль/л соли молочной кислоты ([Lac^-]) и 9 ммоль/л молочной кислоты ([LacH]), то pH установится на том же значении 3,9:

Если затем к этому раствору добавить 3 ммоль/л NaOH (тем самым понизив концентрацию свободных Н⁺ на 3 ммоль/л), то 3 ммоль/л молочной кислоты начнут отдавать Н⁺ и диссоциируют до лактата. Концентрация лактата вырастет до 12 ммоль/л, а концентрация молочной кислоты опустится до 6 ммоль/л. Значение pH вследствие этого увеличится:

Повышение pH с 3,9 до 4,2 требует добавления 3 ммоль/л NaOH; буферная емкость будет равнятся, следовательно, 3 ммоль/л/0,3 pH = 10 ммоль/л за единицу pH.

Если же к раствору добавить еще 3 ммоль/л NaOH, концентрация лактата вырастет до 15 ммоль/л, а концентрация мочевой кислоты опустится до 3 ммоль/л. Значение pH снова увеличится:

При повторном добавлении NaOH буферная емкость составила 3 ммоль/л / 0,7 pH = 4,285 ммоль/л за единицу pH.

в) Буферы в крови. Половину основных буферных систем крови обеспечивают белки; однако самым эффективным буфером крови является H₂CO₃/HCO₃^--система, так как она может регулироваться.

1. Белки. Половина основных буферных систем крови (чья концентрация в норме составляет около 48 ммоль/л) приходится на белки. В области нормальных для крови значений pH белки могут связывать Н+, главным образом, присоединяя его к гистидину. Также в норме при уменьшении pH крови примерно на единицу 5 ммоль/л Н⁺ связывают белки плазмы (прежде всего альбумин), а 16 ммоль/л — Н⁺-гемоглобин.

Дезоксигемоглобин имеет несколько более низкую кислотность, чем оксигемоглобин и связывает поэтому при том же значении pH больше ионов Н⁺.

2. H₂CO₃/HCO₃^--система. Еще более эффективно, чем белки, работает H₂CO₃/HCO₃^--система (pK 3,3). Система H₂CO₃/HCO₃^- — относится к открытым буферным системам: CO₂ постоянно образуется в ходе метаболизма и выдыхается через легкие.

В то же время HCO₃^- может синтезироваться или разлагаться в почках совместно с печенью (см. ниже). В присутствии фермента карбоангидразы соотношение H₂CO₃ и CO₂ находится в состоянии равновесия:

В этом случае уравнение Гендерсона-Хассельбаха может быть переформулировано следующим образом:

или, если вместо концентрации CO₂ подставить его парциальное давление:

P.S. Пример расчета. При концентрации угольной кислоты ([HCO₃^-]) 24 ммоль/л и pCO₂ 5,3 кПа (40 мм рт. ст.) pH составляет 7,4 (6,1 + lg20).

3. Другие буферы. Белки и система CO₂/HCO₃^- — это две наиболее важные буферные системы крови. Концентрация других буферов, таких как фосфат и тем более органические кислоты, слишком незначительна, для того чтобы вносить существенный вклад в буферную емкость крови.

4. Суммарная концентрация буферных систем в крови. Если через легкие выдыхается меньше CO₂, чем его производится в ходе обмена веществ, то концентрация CO₂ или углекислоты в крови растет. Углекислота диссоциирует до HCO₃^- и Н⁺, высвобождающиеся протоны связываются. На каждый ммоль/л HCO₃^-, возникающий этим способом, 1 ммоль/л буферной систем белков убавляется.

Общая концентрация буферных систем крови остается, таким образом, при измерениях концентрации CO₂ постоянной. При независящих от CO₂ изменениях концентрации HCO₃^-, например в случае потерь его через почки, соответствующим образом изменяется и суммарная концентрация буферных систем.

г) Роль буферов в моче. Даже при кислом pH мочи почки могут выводить необходимые количества Н⁺, лишь связанные с буфером; к самым важным буферным системам относятся система NH₃/NH₄⁺ (нетитруемая кислая) и система HPO₄^2-/H₂PO₄^- (титруемая кислая).

1. Выведение протонов почками. При деградации аминокислот, прежде всего их серосодержащих групп, до сульфата ежедневно в норме образуется до 100 ммоль Н⁺, которые необходимо выделить через почки. Однако даже если pH мочи падает до 4,5, концентрация Н⁺ в свободном виде не превышает 30 мкмоль/л. Поэтому почка может выводить Н⁺ только при помощи буферов. Особое значение имеют две буферные системы:

- NH₃/NH₄⁺-система, на которую обычно приходится примерно 60% от ежедневно выделяемого количества Н⁺;

- HPO₄^2-/H₂PO₄^--система, вклад которой в выделение Н⁺ составляет 30%.

Небольшая часть Н⁺ выводится в связанном с мочевой кислотой (pK 5,8) виде.

2. NH₃/NH₄⁺-буфер. NH₃ образуется при ацидозе в проксимальных канальцах почек из глютамина (реакция катализируется глутаминазой) и выделяется в виде NH₄⁺. Тем самым почки выводят как Н⁺, так и азот. NH₃ является слабым основанием с pK 9, при pH крови 7,4 отношение NH₄⁺/NH₃ составляет приблизительно 40:1.

В общем случае клеточные мембраны хорошо проницаемы для NH₃, в то время как NH₄⁺ способен проходить сквозь клеточные мембраны только при помощи транспортных систем (например, Na⁺,K⁺,2Cl^--котранспортера). NH₃ диффундирует в имеющий кислую реакцию просвет извитых канальцев и, связавшись там с Н⁺ и превратившись в NH₄⁺, уже не способен вернуться обратно.

В толстой части петли Генле NH₄⁺ частично поглощается благодаря Na⁺,K⁺,2Cl^--котранспортеру, в результате чего он накапливается в мозговом веществе почек. Диффузия NH₃ в имеющий кислую реакцию просвет собирательных трубочек и образование там NH₄⁺ позволяет эффективно выводить NH₄⁺.

3. NH₄⁺ как нетитруемая кислота. С каждой выделенной молекулой NH₄⁺ устраняется 1 Н+. При титровании кислой мочи с NaOH до нейтрального значения pH 7,0 Н⁺ остается связанным в виде NH₄⁺ (pK 9). На этом основании NH₄⁺ называется нетитруемой кислотой в моче.

4. Регулирование выделения NH₃/NH₄⁺. Образование NH₃ в проксимальных канальцах в значительной степени зависит от общего кислотно-основного баланса: ацидоз стимулирует, а алкалоз ингибирует глутаминазу в почках.

Продолжительное образование NH₃ при алкалозе токсично для организма, секретируется относительно немного Н⁺, просвет канальцев имеет щелочную реакцию, вследствие чего меньше NH₃ превращается в NH₄⁺ в просвете канальцев и соответственно меньше NH₄⁺ выделяется. В проксимальных канальцах образующийся NH₃ отчасти не выделяется, а переходит в кровь. Как NH₃, так и NH₃ уже в очень незначительных концентрациях оказывают токсичное воздействие на организм (прежде всего на нервную систему).

5. Фосфатная буферная система. Фосфат — трехосновная кислота, которая в зависимости от преобладающего pH среды может находится в полностью диссоциированном, частично или вовсе не диссоциированном состоянии:

Величина pK соответствующих реакций равняется соответственно 2,0, 6,8 и 12,3. При нормальном pH крови (pH 7,4) 80% от всего количества фосфата находится в форме HPO₄^2-, а 20% — в форме H₂PO₄^-. Формы PO₄^3- или H3PO4 составляют менее 1%. При закислении мочи H₃PO₄ связывает Н⁺ и реагирует, таким образом, как H₂PO₄^-.

При pH мочи 7,4 ионы Н⁺ дополнительно не связываются с фосфатом, при pH 5,8 примерно 91% от общего количества фосфата находится в форме H₂PO₄^- и примерно 9% — в форме HPO₄^2-. При переходе фосфата из крови, имеющей pH 7,4, в мочу (pH 5,8), примерно 70% от его выделяемого количества связывается с Н⁺. Таким образом, на то, какое количество Н⁺ будет выведено с фосфатом, влияет не только количество самого фосфата, но и pH мочи (рис. 2).

6. Фосфат как титруемая кислота. При титровании кислой мочи с NaOH до pH 7 H₂PO₄^- отдает ионы Н⁺. Следовательно, фосфат, в противоположность NH₄⁺, является титруемой кислотой в моче.

7. Двойная эффективность фосфата из костей. Нередко используемый почками для выделения фосфат мобилизуется из костей, где он откладывается в виде соли своей наиболее диссоциированной формы (как PO₄^3-). Поэтому уже только на мобилизацию фосфата из костей и перевод его в форму HPO₄^2- расходуется Н⁺.

д) Резюме:

1. Значение pH. Концентрация Н⁺ влияет на:
• обмен веществ (прежде всего на гликолиз);
• ионные каналы (прежде всего K⁺- и Ca²⁺-каналов);
• концентрацию Ca²⁺ в цитозоле и межклеточном пространстве;
• протекание мышечного сокращения (особенно в сердце);
• распространение возбуждения в сердце;
• сопротивление сосудов;
• аффинность гемоглобина к O₂.

2. Поддержание буферами значения pH. Изменения в концентрации Н⁺ сглаживаются буферными системами. Самыми важными буферными системами в крови являются:
• белки, в частности гемоглобин;
• CO₂/HCO₃^--система, которая особенно эффективна ввиду того, что представляет собой открытую систему. Наиболее важными буферами в моче являются NH₃/NH₄⁺ и фосфат.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Регулирование pH - с точки зрения физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 18.7.2025