Нормальная физиология — СПбГПМУ, Стоматологический факультет
pH крови — отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (H⁺) в плазме. В норме для артериальной крови он составляет 7,35–7,45 (H⁺ = 35–45 нмоль/л). Венозная кровь имеет pH ≈ 7,32–7,38 за счёт большего содержания CO₂. Поддержание pH в этих пределах — необходимое условие для нормальной активности ферментов, структурной целостности белков и функционирования клеточных мембран.
Основная задача систем регуляции — предупредить как закисление (ацидоз), так и защелачивание (алкалоз). В организме постоянно образуются кислые продукты: угольная кислота (из CO₂), молочная кислота, кетоновые тела, фосфорная и серная кислоты при распаде макромолекул. Поддержание pH обеспечивается тремя линиями защиты:
1. Буферные системы (действуют за секунды);
2. Дыхательная регуляция (минуты);
3. Почечная регуляция (часы–сутки).
---
Буфер — смесь слабой кислоты и её соли (сопряжённого основания), которая ограничивает изменение pH при добавлении кислоты или щелочи. В крови выделяют четыре основные системы:
Основной внеклеточный буфер. Представлена угольной кислотой (H₂CO₃) и гидрокарбонат-ионом (HCO₃⁻). Равновесие в плазме:
\[ \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- \]
> [!formula] Уравнение Гендерсона–Хассельбальха для бикарбонатной системы
> \[ \text{pH} = 6,1 + \log\frac{[\text{HCO}_3^-]}{0,03 \cdot P_{\text{CO}_2}} \]
> где 6,1 — pK угольной кислоты, 0,03 — коэффициент растворимости CO₂ в крови (ммоль/л · мм рт. ст.).
Эффективность: благодаря открытости системы (CO₂ выводится лёгкими) её ёмкость очень велика. Отношение [HCO₃⁻] / (0,03·PCO₂) в норме ≈ 20:1, что даёт pH 7,4.
> [!simple] Простыми словами
> Бикарбонатный буфер — главный "амортизатор" кислотности крови. Если в кровь попадает лишняя кислота, гидрокарбонат её нейтрализует, превращаясь в углекислый газ, который мы просто выдыхаем. Если попадает щёлочь — угольная кислота отдаёт ион водорода и нейтрализует её.
Внутриклеточный буфер эритроцитов. Гемоглобин (Hb) существует в двух формах:
Механизм: при увеличении CO₂ в тканях образуется H₂CO₃, которая диссоциирует на H⁺ и HCO₃⁻. H⁺ связывается с белковыми группами гемоглобина, особенно с имидазольными кольцами гистидина (эффект Холдейна). В лёгких оксигенация гемоглобина увеличивает его кислотность, и H⁺ высвобождается, соединяясь с HCO₃⁻ с образованием CO₂, который выводится. Ёмкость буфера — около 60% всей буферной ёмкости крови.
> [!example] Пример
> В эритроците происходит реакция:
> H⁺ + Hb⁻ ⇌ HHb
> При поступлении CO₂ в ткани: CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻.
> H⁺ связывается с дезоксигемоглобином, HCO₃⁻ по хлорному сдвигу поступает в плазму.
Белки плазмы (альбумины, глобулины) содержат аминокислотные остатки с кислотными (COOH) и основными (NH₂) группами. При pH 7,4 преобладают анионные формы белков. Они способны связывать H⁺ (аминогруппы) или OH⁻ (карбоксильные группы). Однако буферная ёмкость невысока (≈ 10–15% общей).
Представлена дигидрофосфатом (H₂PO₄⁻, слабая кислота) и гидрофосфатом (HPO₄²⁻, сопряжённое основание). pK = 6,8, поэтому максимальная эффективность — около pH 6,8, а при pH 7,4 она работает слабо. Играет основную роль в клетках (высокая концентрация фосфатов) и в почечной регуляции (в просвете канальцев).
Буферная ёмкость крови — количество сильной кислоты или щелочи (моль), которое нужно добавить к 1 л крови, чтобы изменить pH на 1 единицу. В норме составляет 45–55 ммоль/л на единицу pH, из которых около 75% обеспечивается гемоглобином и бикарбонатом.
---
Дыхание позволяет быстро менять концентрацию CO₂ в крови. CO₂ — летучий компонент бикарбонатного буфера. Центральные хеморецепторы (вентральная поверхность продолговатого мозга) чувствительны к изменению pH цереброспинальной жидкости, которая зависит от PCO₂ крови. Периферические хеморецепторы (каротидные и аортальные тельца) реагируют на снижение pH артериальной крови, а также на гипоксию.
Ацидоз (∡pH): избыток H⁺ → стимуляция дыхания (гипервентиляция) → ↓PCO₂ → сдвиг равновесия бикарбонатной системы: H⁺ + HCO₃⁻ → H₂CO₃ → H₂O + CO₂ (избыток CO₂ выводится) → pH ↑.
Алкалоз (↑pH): недостаток H⁺ → угнетение дыхания (гиповентиляция) → ↑PCO₂ → H₂O + CO₂ → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻ → pH ↓.
> [!simple] Простыми словами
> Когда кровь закисляется, мозг заставляет нас чаще дышать, чтобы "выдуть" лишний углекислый газ. Когда кровь защелачивается — дыхание становится редким, чтобы накопить CO₂ и подкислить кровь.
Временные рамки: дыхательная компенсация начинается через 1–3 минуты и достигает максимума через 12–24 часа. Эффективность ограничена — при гипервентиляции PCO₂ редко падает ниже 15 мм рт. ст. (опасность гипокапнии).
---
Почки обеспечивают долговременную стабилизацию pH за счёт:
1. Реабсорбции отфильтрованного HCO₃⁻ (против градиента).
2. Секреции H⁺ в просвет канальцев и образования титруемых кислот (связывание H⁺ с фосфатами).
3. Синтеза и экскреции аммония (NH₄⁺) для выведения H⁺ в виде ионов аммония.
В проксимальных канальцах до 85–90% HCO₃⁻ реабсорбируется. Механизм:
В дистальных отделах (собирательные трубочки, интеркалированные клетки A-типа) происходит активная секреция H⁺ (протонная АТФаза H⁺-ATPаза). H⁺ связывается с фосфатным буфером мочи:
\[ \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+ \rightarrow \text{H}_2\text{PO}_4^- \]
Образовавшийся H₂PO₄⁻ — титруемая кислота — экскретируется. Количество связанных H⁺ называется титруемой кислотностью мочи (обычно 10–30 ммоль/сут).
В клетках проксимальных канальцев из глутамина (под действием глутаминазы) образуется NH₃ и α-кетоглутарат. NH₃ диффундирует в просвет, где соединяется с H⁺ → NH₄⁺ (не может обратно диффундировать). NH₄⁺ затем реабсорбируется в тонком сегменте и секретируется в собирательной трубочке, обеспечивая экскрецию H⁺. Этот механизм особенно важен при хроническом ацидозе — продукция аммония может возрастать в 5–10 раз.
> [!example] Пример
> Глутамин → глутамат + NH₃
> Глутамат → α-кетоглутарат + NH₃
> 2 NH₃ + 2 H⁺ → 2 NH₄⁺ (экскреция)
> α-кетоглутарат окисляется с образованием HCO₃⁻, который поступает в кровь.
Чистое выведение кислоты = экскреция H⁺ в виде титруемых кислот + аммония − экскреция HCO₃⁻. В норме ≈ 40–60 ммоль/сут.
Временные рамки: почечная регуляция развивается за несколько часов–суток, но может быть неограниченно эффективной (например, при метаболическом ацидозе почки выводят до 500 ммоль H⁺/сут).
> [!simple] Простыми словами
> Почки — "долговременный корректор" pH. Они возвращают в кровь потерянный гидрокарбонат и выводят лишние ионы водорода, связывая их с фосфатами и аммиаком. Это похоже на фильтр, который вытряхивает "кислотный мусор" в мочу, чтобы кровь оставалась нейтральной.
---
Все три линии работают координированно. Буфера нейтрализуют H⁺ мгновенно (но ёмкость ограничена). Дыхание изменяет PCO₂ в течение минут, смещая бикарбонатное равновесие. Почки перестраивают реабсорбцию и секрецию за часы–сутки, меняя общее содержание бикарбоната и экскрецию кислот.
При патологических сдвигах pH различают:
Основные типы нарушений:
| Тип | Первичное изменение | Дыхательная компенсация | Почечная компенсация |
|-----|---------------------|--------------------------|----------------------|
| Респираторный ацидоз | ↑PCO₂ | Неэффективна (гиповентиляция — причина) | ↑[HCO₃⁻] (увеличение реабсорбции) |
| Респираторный алкалоз | ↓PCO₂ | Неэффективна | ↓[HCO₃⁻] (увеличение экскреции HCO₃⁻) |
| Метаболический ацидоз | ↓[HCO₃⁻] | ↓PCO₂ (гипервентиляция) | ↑[HCO₃⁻] (постепенно) |
| Метаболический алкалоз | ↑[HCO₃⁻] | ↑PCO₂ (гиповентиляция) | ↓[HCO₃⁻] (экскреция HCO₃⁻) |
> [!critical] Ключевой факт
> Диапазон pH артериальной крови 7,35–7,45 — жёсткая константа организма. Основной "удар" принимает бикарбонатный буфер, затем включается дыхание (изменение вентиляции за минуты), а окончательную коррекцию выполняют почки (часы–сутки). Сдвиг pH на 0,1–0,2 за пределы нормы — угрожающее состояние, а pH < 7,0 или > 7,8 — несовместимо с жизнью.
---
Итог. Регуляция pH крови осуществляется тремя эшелонами: мгновенными буферными системами (главный — бикарбонатная), быстрой дыхательной коррекцией CO₂ и медленной, но неограниченной почечной регуляцией выведения H⁺ и реабсорбции HCO₃⁻. Слаженное взаимодействие этих механизмов удерживает pH в узком диапазоне, необходимом для жизнедеятельности.
Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по Нормальной физиологии