Реферат: Кислотно-щелочное равновесие крови

План :

Ι. Образование и выделение кислот

1. Формированиеугольной кислоты

2. Формированиенеугольных кислот

3. Способыподдержания концентрации Н+ в нормальных пределах

ΙΙ. Ионы водорода и рH

1. Химическиеосновы

2. Представлениео рH и концентрации водорода

ΙΙΙ. Буферные свойства крови

1. Гидрокарбонатныйбуфер

2. Фосфатныйбуфер`

3. Белковыйбуфер

4. Гемоглобиновыйбуфер

5. Буферные основания

lV. Механизмы регуляции рH

1. Участиедыхательной системы

2. Участие почек

3. Ацидоз иалкалоз

4. Оценка КЩР

I.Образование и выделение кислот.

Любой организм образует большое количество кислот в 2ух формах: угольной(летучей ) и в нелетучей (фиксированной) кислотах.

РН жидкостей организма слегка щелочная, поддерживаетсяна уровне 7,4. Большая часть ионов водорода образуется как конечный продуктметаболизма. Пути удаления кислот включают почки, легкие, ЖКТ.

Формирование угольной кислоты

Т.к. диоксид углерода (СО2) можетобразовываться из Н2СО3 и, далее, СО2 можетудаляться легкими, то Н2СО3 называется летучей кислотой.

А) К несчастью, протон-донорно- акцепторнаяклассификация Бренстеда не допускает классификацию СО2 как кислоты,но углекислый газ функционирует как единственная слабая кислота жидкостейорганизма.

Б) Большая часть СО2 извлекается изокислительного метаболизма.

Формирование неугольных кислот.

Гораздо меньше образуется фиксированных кислот, кислоткоторые называются нелетучими, т.к. они не могут превращаться в СО2. Неугольные кислоты организм получает из 3ех источников: пища, промежуточный метаболизм и потерябикарбонатов со стулом.

А) Пища. Богатая белками диета больше способствуетобразованию кислот, чем щелочей. Такие компоненты пищи, как глюкоза,триглицериды, не являются компонентами в организме, но метабилизируются в СО2,большинство которого гидратируется в форму Н2СО3,которая диссоциирует на Н+ и НСО3¯.Растительная пища образует избыток щелочей, которые должны быть выведеныпочками.

Б) Промежуточный метаболизм. Метаболизм веществ пищисклонен к закислению жидкостей организма. Некоторые продукты обладаютощелачивающим действием. Например, поступление большого количества органическихкислот,содержащихся во фруктах (лактат, цитрат, изоцитрат), ведет к защелачиванию жидкостей организма, т.к. в процессе метаболизма эти органические ионыпревращаются в СО2 и Н2О. А этот процесс ведет к расходуН+. Около 40-60 ммоль органических и неорганических кислот, вобразовании которых участвует СО2, образуются ежедневно. Околополовины этих кислот нейтрализуется основаниями, поступающими с пищей,но

остальные должны нейтрализоваться буферными системамиорганизма.

Метаболизм пищевых компонентов- важный источник некарбоновых кислот.

1. Лактатобразуется при анаэробном окислении глюкозы или гликогена. В случае физическойнагрузки и гипоксии чрезмерное образование молочных кислот приводит квременному увеличению синтеза неорганических кислот.

2. Ацетоацетати β- гидроксибутиратобразуются при метаболизме триглицеридов. Это кетоновые тела, которыеобразуются из неорганических кислот при голодании. После еды ацетоацетат иβ-гидроксибутират подвергаются дальнейшему расщеплению до СО2и Н2О.

3. Фосфорнаякислота образуется при метаболизме фосфолипидов и служит значительнымисточником Н+.

4. Серныекислоты образуются при распаде белков, содержащих такие аминокислоты, какцистеин, метионин- в которых есть сульфидная группа.

5. Мочевая кислота — продукт метаболизма нуклеотидов.

C) Потеря НСО3¯ со стулом.

Пища содержит органические соли- анионы и катионы- которые могут превращаться в производные неорганическихкислот и оснований. Органические анионы, которые подвергаются в организмеметаболизму до НСО3¯, включают ацетат, цитрат и вприсутствии инсулина- анионы кетокислот.

Пищеварительные процессыприводят к потере 40-60ммоль щелочей с выделениями, что равнозначно прибавкенелетучих кислот в организме.

Способы поддержания концентрации Н+ внормальных пределах

1. Комбинация Н+с химическими буферами НСО3 ¯, протеины, фосфаты и гемоглобин.

2. ВыделениеСО2 с легочной вентиляцией.

3.Экскреция Н+ почками.

II. Ионы водорода и рН.

Химические основы

Н+ — это протон, т.е. атом водорода безсвоего орбитального электрона; Н+ в водном растворе присутствует как гидроксид-ион или Н3О+. Присоединение и отдача Н+ лежит в основе кислотно-щелочной химии. На сегодняшний день принятатеория кислотно-щелочного отношения Бренстеда.

Кислоты — вещества, которые врастворах отдают ионы водорода, т.е. являются донорами Н+. ( NH4+ — Н+ + NH3).

Основания — вещества,принимающие ион водорода, т.е. являющиеся акцепторами Н+. ( ОН¯+ Н+ — Н2О).

Реакция диссоциации :

НА Н+ + А¯

При протекании этой реакции впрямом направлении НА представляет собой кислоту. Когда эта реакцияосуществляется в обратном направлении анион А¯ является основанием (ОН¯связываетионы водорода). А¯ называют сопряженным основанием. Междуреакциями диссоциации и ассоциации существует равновесие, подчиняющееся законудействия масс. В случае сильных кислот, например, HCl, равновесие в реакции HCl- Н+ + Cl¯ Значительно смещеновправо. Если же НА представляет собой слабую кислоту, то диссоциацияпроисходит не полностью, степень ее зависит от константы равновесия.

α =

рис.1 Зависимость степени диссоциации от рН. рК' — отрицательный логарифм константы равновесия К'.

Предcтавление о рН и [Н+]

1. КонцентрацияН+ выражается 2мя методами: прямочерез [H+] или через рН. Отношение между [Н+] и рН может быть выражено как:

РН = lg

РН = — lg [H+]

[H+] = 10-рН

Важнейшие буферные кислоты прифизиологических концентрациях организма представлены в табл.1

ДонорыН+ (сопряженные кислоты) Протон АкцепторыН+ (сопряженные основания)

Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3¯

Н2РО4 ↔ Н+ + НРО4¯

Н·белок ↔ Н+ + Кон.белок

ННbO2 ↔ Н+ + HbO2

ННb ↔ Н+ + Hb¯

Сопряженные кислоты могут быть как анионами, так икатитонами, сопряженные основания обычно анионы ; НСО3¯ — сопряженноеоснование способно стать и кислотой

2. РН.

Кислотность или основность раствора зависит от содержанияв нем свободных ионов водорода. По определению рН представляет собой отрицательный десятичный логарифммолярной концентрации ионов Н+. РН -это неисчисляемая величина и неможет трактоваться так: ее нельзя представить в концентрационных единицах или как “концентрациярН”. Реально это величина, обратная концентрапции, логарифм которой представляет рНкак отношение объема к эквиваленту, т.е. это логарифмическое выражение объема,содержащего 1экв Н+.

У человеческой плазмы с рН=7,4 ( т.е.[H+]= 40· 10 моль (экв/л). Этот объем равен25 млн. литров.

Т.к. рН — логарифмическое выражение [H+], что позволяет графически выразить широкий рядзначений [H+]. Очень важно указать, что рН и [H+] находятся в обратнопропорциональных отношениях.Другимпреимуществом концепции рН является то, что когда известна рК буфера, сразу же можно определить пределы рН для этого буфера

Недостатком системы рН является то, что приходиться использовать логарифмы для определения [H+].Например, невозможно сразу определить, что уменьшение рН с 7,4 до 7,6 означаетудвоение [H+] с 40 нмоль/л до 80 нмоль/л.

1. ИзмерениерН.

Для более точного и непрерывногоизмерения рН широко применяется электрометрическая регистрация ( приборрН-метр) с помощью стеклянного электрода. Такой электрод обычно имеетшарообразно расширенный конец из специального стекла, пропускающего ионы Н+.Внутри электрод заполнен буферным раствором. При погружении в раствор по двестороны стеклянной мембраны создается разность потенциалов, величина которой всоответствии с уравнением Нернста:

Еion =

Зависит от рН исследуемого раствора. Эта разностьпотенциалов фиксируется с помощью неполяризующегося электрода. В настоящеевремя в рН-метрах используют простые в обращении датчики, в которыхизмерительный электрод и электрод сравнения заключены на шкалу или электронноетабло. Перед началом измерения прибор должен быть откалиброван при помощистандартных буферных растворов.

2. ПостоянстворН артериальной крови.

РН артериальной крови человека ( при 37°С ) колеблется от 7,37 до 7,43,составляя в среднем 7,4. Необходимо уточнить, что эти значения характерны дляплазмы крови (стеклянный электрод, погруженный в кровь, соприкасается именно сплазмой ). В эритротроцитах величину рН измерить трудно. Как было установлено,внутри эритроцита она составляет примерно 7,2-7,3, т.е. отличается от рНплазмы. Как правило, термин “рН крови” относится к рН плазмы.

Характерная для крови человека слабощелочная реакцияподдерживается в очень узких пределах, несмотря на постоянно изменяющеесяпоступление в кровь кислых продуктов метаболизма. Такое постоянство кислыхпродуктов чрезвычайно важно для правильного протекания обменных процессов вклетках, т.к. деятельность всех ферментов, участвующих в метаболизме зависит отрН. При патологических сдвигах рН крови активность разных ферментов изменяетсяв разной степени, и в результате точное взаимодействие между реакциями обменаможет нарушиться. В регуляции КЩР участвует несколько механизмов, к нимотносятся буферные свойства крови, газообмен в легких и выделительная функцияпочек.

III. Буферные свойства крови

Гидрокарбонатный буфер.

В крови существует целый ряд буферных систем.Рассмотрим гидрокарбонатную систему. Она состоит из относительно слабойугольной кислоты, образующей при гидратации СО2 сопряженногооснования- гидрокарбоната

СО2 +Н2О — Н2СО3 — Н+ + НСО3¯

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для этой реакции имеетвид:

РН = рК' + lg

При ионной силе плазмы рК' составляет 6,1.Казалось бы, при таком различии между рК ' и рН крови (7,4) емкостьгидрокарбонатного буфера должна быть невелика. Однако, на самом деле,гидрокарбонатная система играет большую роль в создании общей буферной емкостикрови, т.к. буферный эффект этой системы существенно увеличивается благодаря еетесной связи с дыханием. Механизмы, направленные на поддержание напряжения СО2в артериальной крови способствуют созданию высокой концентрации НСО3¯в плазме. Поддерживая напряжение СО2 в крови, дыхательная системаобеспечивает высокое содержание буферных соединений.

Фосфатный буфер

Фосфатная буферная система образована неорганическимифосфатами в крови. Состоит из слабой кислоты Н2РО4¯сопряженного основания НРО2¯. В основе ее действия лежит КЩР :

Н2РО4¯ — Н+ +НРО4¯ . Эта буферная система способнасопротивляться изменению рН в интервале 6,2- 8,2, т.е. обеспечиваетзначительную долю буферной емкости крови. рК' фосфатного буфера (6,8).сравнительно близка к рН крови, однако, емкость данного буфера невелика всвязи с низким содержанием фосфата в крови.

Белковый буфер

Особенное значениегемоглобиновой буферной системы заключается в том, что кислотность гемоглобиназависит от степени его оксигенации. Эта зависимость отражена на рис.2

На этом рисунке приведеныбуферные кривые недиффундирующих буферных систем эритроцитов, красная криваясоответствует оксигенированному, а черная — дезоксигенированному состояниюгемоглобина. Видно, что при нормальных пределах рН оксигемоглобина являетсяболее сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Такая разница обусловленавлиянием О2, связанного с Fe, на сродство ближайших имидазольных группгистидина к Н+.Благодаря этому гемоглобин, освобождаясьв тканях от О2, приобретает большую способность к связыванию ионовН+, а в венозной крови в результате выделения СО2 тканямипроисходит накопление в крови этих ионов. При поглощении О2 влегких происходят обратные процессы. Т.о. обмен О2 потенциируетбуферный эффект гемоглобина

Буферные основания

Буферные свойства кровиобусловлены анионами всех слабых кислот, важнейшими из них являютсягидрокарбонаты и анионные группы белков. Все эти анионы, вместе взятые,называются буферными основаниями. На рис.3 приведены концентрации различныхионов в плазме, эритроцитах и цельной крови.

Высота различных столбиковпропорциональна содержанию ионов. Из рисунка видно, что в плазме бо'льшаячасть буферных оснований приходиться на долю ионов НСО3¯ , а в эритроцитах на долю анионных групп белков.

Содержание ВВ ( буферных оснований ) в артериальной кровисоставляет примерно 48 ммоль/ л. Очень важно, что эта величина не изменяется присдвигах напряжения СО2. Так, если последнее возрастает, образуютсяэквивалентные количества Н+ и НСО3¯ .Ионы Н+ почти полностью связываются протеинатами, переходящими приэтом в недиссоциированную форму. В результате содержание протеинатов снижаетсянастолько, насколько увеличивается концентрация гидрокарбонатов. Посколькуобщее количество буферных оснований крови не зависит от Р(СО2); по величине ВВ можно судить осдвигах КЩР, связанных с увеличением или уменьшением содержания кислот в крови.

IV. Механизмы регуляции рН

Участие дыхательной системы

Одна из функций дыхательнойсистемы состоит в удалении СО2 — конечного продукта метаболизма,образующегося в больших количествах. В состоянии покоя организм выделяет 230мл СО2/мин, илиоколо 15 тыс. ммоль в сутки. В то же время при удалении из крови “летучего”ангидрида угольной кислоты в ней исчезает примерно эквивалентное число ионов Н+.Т.о. дыхание играет чрезвычайно важную роль в поддержании КЩР.

Участие почек

Кроме легких в регуляции КЩРучаствуют также почки. Их функция состоит в удалении нелетучих кислот, главнымобразом серной кислоты. Почки должны удалять в сутки 40-60 ммоль ионов Н+,накапливающихся за счет образования нелетучих кислот. Если содержание такихкислот возрастает, то при нормальном функционировании почек выделение Н+ смочой может значительно увеличиваться. В результате рН крови возрастает кнормальному уровню. Напротив, при повышении рН выведение почками Н+уменьшается, что также способствует поддержанию КЩР.

Ацидоз и алкалоз

При ряде патологических состояний в крови накапливаютсятакие большие количества кислот или оснований, что описанные выше регуляторныесистемы (буферные системы крови, дыхательная и выделительная системы) уже немогут поддерживать рН на постоянном уровне. В зависимости от того, в какуюсторону изменяется реакция крови, различают 2 типа нарушений КЩР. Понижение рНкрови по сравнению с нормальным уровнем (рН ‹ 7,37) называется ацидозом,а повышение (рН › 7,43) — алкалозом. Каждый из этих двух типовподразделяется еще на несколько разновидностей в зависимости от причины сдвигарН. Такие сдвиги могут наступать при изменениях вентиляции легких (поражениялегких могут сопровождаться увеличением напряжения СО2 в крови, игипервентиляции приводят к снижению этого напряжения. Подобные состоянияназывают дыхательным (респираторным) ацидозом или алкалозом.

Дыхательный ацидоз

Характеризуетсяповышением парциального давления СО2 и концентрации углекислоты вкрови, а также компенсаторным подъемом гидрокарбонатов чаще всего наблюдается:

1. при пневмонии

2. принедостаточности кровообращения с застоем в малом кругу кровообращения

3. под влияниемпрепаратов, угнетающих дыхательный центр (морфий и его производные).

4. При общемнаркозе

Дыхательный алкалоз

Развивается, когда вследствие альвеолярной гипервентиляциивозникает гипокапния — Р (СО2) 36 мм рт. ст. Несмотря на то, чтосодержание гидрокарбоната несколько падает вследствие уравновешивания между СО2 и Н2СО3, отношение [НСО3] к [α·Р (СО2)] повышается, а поэтому повышается и рН

При стойкой гипокапнии клетки почечных канальцев выводятдополнительное количество гидрокарбоната, восстанавливая нормальное отношение [НСО3] к [α·Р (СО2)]. Восстановление рНможет быть почти полным и этот процесс называют компенсированным дыхательнымалкалозом.

При нарушениях обмена веществ в крови могутнакапливаться нелетучие кислоты; напротив, поступление в кровь оснований или потеря НСl могут сопровождатьсяуменьшением содержания этих кислот. Такие состояния называют метаболическимацидозом или алкалозом легких. Метаболический алкалоз с первичным повышениемконцентрации гидрокарбонатов встречается при:

1. Избыточном ибесконтрольном введении щелочных растворов

2. Упорной рвоте

3. Дефицитекалия в организме

4. Врожденномалкалозе с гипокалиемией

Метаболический ацидоз, характеризующийся уменьшениемконцентрации НСО3¯ в плазме, наблюдается приследующих заболеваниях и состояниях:

1. У детейпериода новорожденности

2. Токсическиесостояния на почве ЖКЗ у детей раннего возраста.

3. Голодание

4. После длительноговведения хлорида аммония или хлорида кальция.

5. Диабетическаякома

6. Почечнаягломерулярная недостаточность.

Поскольку рН крови можетизменяться также при поражениях почек, сдвиги КЩР, обусловленные почечными илиобменными нарушениями объединяют под названием нереспираторный ацидоз илиалкалоз.

Оценка КЩР

Оценка КЩР крови имеет большоезначение в клинике. Для такой оценки необходимо измерить ряд показателей,позволяющих выявить у больного ацидоз либо алкалоз и судить о том, является онреспираторным или нереспираторным. Заключение о состоянии КЩР позволяет выбратьправильное лечение. Необходимо измерить следующие показатели артериальнойкрови:

1. РН.

По величине рН можно судить отом, является ли содержание ионов Н в крови нормальным (рН 7,37-7,43) илисдвинуто в ту либо иную сторону. В то же время нормальное значение рН еще непозволяет с уверенностью говорить об отсутствии нарушения КЩР, т.к. в этомслучае нельзя исключить компенсированный ацидоз, либо алкалоз.

2. Парциальноедавление углекислого газа.

Повышение или снижение напряжения СО2 посравнению с его нормальным уровнем (35-45 мм рт. ст.) служит признакомреспираторного нарушения КЩР.

3.Избыток оснований (base excess, ВЕ).

По величине ВЕ можно сделать вывод о наличии нереспираторногонарушения КЩР. Изменения этой величины (норма от-2,5 до +2,5 ммоль/л) непосредственно отражают снижение или увеличение содержания нелетучих кислот вкрови.

4.Стандартный бикарбонат.

В качестве показателя нереспираторного нарушения КЩРиногда используют так называемый “стандартный бикарбонат”. Это величинасоответствует содержанию бикарбоната в плазме крови, полностью насыщенной сгазовой смесью. В норме “стандартный бикарбонат” равен 24 ммоль/л. Этотпоказатель не отражает буферный эффект белков, поэтому он сравнительномалоинформативен.

В табл.2 приведена сводка первичных и вторичныхизмерений трех основных параметров, по совокупности которых можно сделатьокончательное заключение о состоянии КЩР:

РН ВЕ Р( СО2)

Нереспираторный ацидоз ß ß ↓

Нереспираторный алкалоз Ý Ý ↑

Респираторный ацидоз ß ↑ Ý

Респираторный алкалоз Ý ↓ ß

Изменения основных параметровКЩР при его нарушениях. Двойные стрелки- направления первичных сдвигов, тонкиестрелки- направления вторичных компенсаторных сдвигов.

Показатели кислотно-основногосостояния организма у здоровых людей представлены в табл.3

Методы оценки КЩР.

Одним из методов оценки КЩР является метод Аструпа, прикотором одновременно с показателями этого равновесия в крови определяютнапряжение СО2. Проба кровиделится на три части. В одной порции изменяется актуальный рН, две другиеуравновешивается в течении з-ех минут смесями О2 и СО2известного состава: в одной смеси Р. (СО2) выше 40 мм рт. ст., а в другой ниже.В исследуемом образце крови получают значения рН: при истинном, высоком и низкомзначениях Р(СО2).

На номограмме Сиггор-Андерсена откладывают 2 точки: А и В с координатами рН1и р(СО2)1 (при недостатке СО2) и рН2 р(СО2)2(при избытке). Их соединяют прямой. Из точки на оси абсцисс, соответствующейактуальному значению рН, восстанавливают перпендикуляр до пересечения с прямойАВ, получают т. F. Перпендикуляр из т. F на ординату соответствует величине актуального р(СО2) крови.

Точки пересечения прямой АВ и ее продолжений с графикамиSB, ВВ и ВЕ (точки Е, Д и С)соответствуют значениям этих показателей КЩР в исследуемом образце крови.

В последнее время появилась возможность непосредственноизмерять напряжение СО2 в небольшом объеме крови при помощиполярографических электродов. Поскольку, имея значения Р (СО2) ирН, можно определить ВЕ, при этом способе не требуется уравновешивать кровь сгазовой смесью.

Список литературы

1. Майкл А.Гриппи. Патофизиология легких.

2. Р. Шмидт, Г. Тевс. Физиологиячеловека.

3. ЕршовЮ. В. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов.

4. ДжонБулок. Физиология человека

5. Е.А. Бородин. Биохимический диагноз.

Кировский государственныймедицинский институт

Кафедра бионеорганической химии

Реферат

на тему:

Кислотно-щелочное равновесиекрови.

Выполнила студентка