CC BY
78ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИЯ ГИДРОКАРБОНАТНОЙ БУФЕРНОЙ СИСТЕМЫ В РАМКАХ ПОДДЕРЖАНИЯ ГОМЕОСТАЗА КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНОГО РАВНОВЕСИЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
Михайленко Б.Ю.
Государственное Бюджетное Учреждение Здравоохранения Архангельской Области Архангельская Областная Клиническая Больница, отделение анестезиологии и реанимации №2, г. Архангельск.
Врач анестезиолог-реаниматолог
THE MAIN MECHANISMS OF REGULATION OF THE BICARBONATE BUFFER SYSTEM IN THE FRAMEWORK OF MAINTAINING HOMEOSTASIS OF ACID-BASE BALANCE OF THE HUMAN
BODY
Mikhailenko B.
State Budgetary Institution of Health Care of the Arkhangelsk Region Arkhangelsk Regional Clinical Hospital, department of anesthesiology and resuscitation number 2, Arkhangelsk. Anesthesiologist-resuscitator
Аннотация
В статье описывается современное представление о функционировании гидрокарбонатной буферной системы, её основные характеристики, составные части и принципы работы в рамках поддержания гомео-стаза кислотно-щелочного равновесия организма человека. Приведены механизмы регулирования бикар-бонатного буфера со стороны дыхательной и мочевыделительной системы.
Abstract
The article describes the modern understanding of the functioning of the bicarbonate buffer system, its main characteristics, components and principles of work within the framework of maintaining the homeostasis of the acid-base balance of the human body. The mechanisms of regulation of bicarbonate buffer from the respiratory and urinary systems are presented.
Ключевые слова: бикарбонат ион, ион водорода, диоксид углерода, кислотно-щелочное равновесие, гомеостаз
Keywords: bicarbonate ion, hydrogen ion, carbon dioxide, acid-base balance, homeostasis.
Введение:
Поддержание кислотно - щелочного равновесия организма человека в узких пределах pH 7,35 -7,45 важная задача для регуляторных систем. Это позволят функционировать катаболическим и анаболическим процессам, поддерживать биохимические реакции, сохраняет структуру белков и обеспечивает еще множество важных функций. Гидрокарбонатная буферная система вносит наибольший вклад в поддержание кислотно-щелочного равновесия. Основное участие в функционировании бикар-бонатного буфера принимает дыхательная и моче-выделительная система, благодаря слаженному взаимодействию которых, уровень ионов водорода контролируется в пределах нормальных значений. Данное обсуждение призвано показать, как происходит это взаимодействие.
Гидрокарбонатная буферная система Составными частями гидрокарбонатной буферной системы являются: угольная кислота Н2СО3 и основание NaHCO3. Угольная кислота образуется при участии фермента карбоангидразы из углекислого газа и воды, и также может диссоциировать на ион водорода и бикарбонат ион, описывается этот процесс следующей формулой: ТО2 + H2O ^ Н2СО3 ^ HCOз -+ № Основание NaHCO3 диссоциирует полностью: NaHCO3 ^ №+ + НС03-Таким образом гидрокарбонатную буферную систему можно описать следующим уравнением:
СО2 + H2O ^ Н2СО3 ^ Н+ + HCOз - (+ №+) Как уже известно угольная кислота диссоциирует на ион водорода и гидрокарбонат ион. Соответственно можно составить константу диссоциации угольной кислоты:
Н+ * НСО-
у = _
н2со3
Далее путём несложных вычислений формула принимает следующий вид:
СО2
Н+
К*
НСО-
Угольная кислота в приведённой выше формуле заменена на углекислый газ, так как количество углекислого газа прямо пропорционально количеству недиссоциированных молекул угольной кислоты.
В большинстве тестовых анализаторов измеряется не общее количество углекислого газа, а его парциальное напряжение. Имеется линейная зависимость между двумя этими показателями которая равна: на каждый миллиметр рС02 приходится 0,03 Н2СО3. Соответственно для многих газоанализаторов формула принимает следующий вид: 0,03 * рС02
н+ = К *
нсо;
Концентрацию ионов водорода принято измерять в единицах рН, и для гидрокарбонатной буферной системы формула примет следующий вид:
НСО3
рН = рК + 1оа---——
н н а 0,03 * рС02
Значение рК для данной буферной системы равно 6,1, и таким образом мы приходим к уравнению Гендерсона - Хассельбаха:
pH = 6,1 + log-
НСО-
0,03 * рС02
Из этого уравнения становится ясно, как происходит регуляция кислотно-щелочного равновесия крови с помощью гидрокарбонатной буферной системы. При увеличении концентрации рСО2 система смещается в кислую сторону и это состояние называется дыхательный ацидоз, так как за регуляцию уровня рСО2 отвечает дыхательная система, при обратной ситуации развивается дыхательный алкалоз. При изменении уровня ЯСО- в меньшую или большую сторону, соответственно развивается метаболический ацидоз или метаболический алкалоз, так как в этом случае за регуляцию уровня ЯСО- отвечает мочевыделительная система, в частности почки.
Так как рК бикарбонатной буферной системы 6,1, а наибольшую эффективность она проявляет, когда рК равно рН, так при таких значениях концентрация углекислого газа и концентрация гидрокарбонат иона в рамках уравнения диссоциации угольной кислоты равны друг другу. Учитывая нормальные значения рН организма человека 7,35 -7,45, из этого следует основной недостаток этой буферной системы. При значениях нормального рН содержание бикарбонат иона в 20 раз больше содержания углекислого газа. Нормальное содержание бикарбонат иона в организме человека составляет 22-26 мэк/литр, а рСО2 в варьируется пределах 35-45 мм.рт.ст, однако эти показатели могут изменяться в зависимости от пола, этнической принадлежности и местности, где проживает человек. Основное свойство, определяющее гидрокарбонатную буферную систему как самую эффективную, это быстродейственность бикарбонатного буфера, преимущественно за счёт способности лёгких быстро выводить углекислый газ, а почек реабсор-бировать и синтезировать бикарбонат ион.
Регуляция кислотно - щелочного равновесия в рамках бикарбонатной буферной системы при помощи функции дыхания.
Метаболические процессы, происходящие в организме человека, приводят к постоянному выделению углекислого газа в экстрацеллюлярную жидкость, и в последующем, углекислый газ выводится лёгкими в атмосферу. Если увеличить объём минутной вентиляции лёгких в два раза по сравнению с нормой, то рН изменится на 0,23 и достигнет значения 7,63, а уменьшение минутной вентиляции лёгких на четверть от нормальных значений изменит рН на 0,45 и достигнет значения 6,95. Из этого выходит, что дыхательная система обладает большим потенциалом по регуляции нормального значения кислотно-щелочного равновесия организма.
Дыхательная система в большей степени реагирует на изменение рН крови по принципу отрицательной обратной связи: при отклонении рН в кислую сторону стимулируется дыхательный центр и возникает гипервентиляция, в щелочную сторону - гиповентиляция. Этот процесс протекает в ущерб
поддержания нормального значения рСО2 крови. Ответ дыхательной системы на изменение рН крови развивается за 3-15 минут, а развитие максимальной буферной ёмкости может достигать до 12 часов, а её суммарная роль выше других буферных систем в 1-2 раза вместе взятых.
В случае, если дыхательная система в условиях низкого рН, вызванного снижением бикарбонат иона или повышенным содержанием кислот в плазме крови, восстанавливает кислотно-щелочное равновесие путём увеличение минутного объёма вентиляции, то такое состояние будет называться компенсированным метаболическим ацидозом, а в случает если дыхательная система не справилась с изменением кислотности крови, то такое состояние расценивается, как срыв компенсации, и называется декомпенсированный метаболический ацидоз, такие изменения характерны и в случае обратной ситуации. При изменении рН в щелочную сторону, при обратной ситуации увеличение содержания бикарбонат иона или налием в крови щелочных оснований, - уменьшается объём минутной вентиляции, и если кислотно-щелочное равновесие удалось восстановить, то состояние организма называется компенсированный метаболический алкалоз, если равновесие не восстановлено, то возникает деком-пенсированный метаболический алкалоз.
Регуляция кислотно-щелочного равновесия крови путем изменения минутного объёмного вентиляции не устранит главную причину изменения рН крови, а позволит лишь только выиграть время, пока в процесс стабилизации рН не включаться другие системы.
Почечная регуляция кислотно-щелочного равновесия в рамках гидрокарбонатной буферной системы
На всём протяжении канальцевой системы не-фрона, за исключение тонких сегментов нисходящего и восходящего сегмента петли Генле, происходит реабсорбция и секреция ионов водорода и бикарбонат иона. Как ранее было уже сказано, для нормальной работы бикарбонатной буферной системы в пределах нормального рН, содержание бикарбонат иона должно быть в 20 раз больше содержания углекислого газа. Из этого следует что, почки должны реабсорбировать достаточное количество бикарбонат иона обратно в плазму крови. Ежедневно почки профильтровывают около 4320 мэкв бикарбонат иона, и при нормальном значении рН, все это количество реабсорбируется обратно в кровь.
При смещении кислотно-щелочного равновесия в кислую сторону, почки не только реабсорби-руют весь отфильтрованный бикарбонат ион, а также осуществляют выработку новых, тем самым выравнивая рН крови и снижая нагрузку на дыхательную систему.
Ещё одна основная функция почек в поддержании гомеостаза кислотно-щелочного равновесия -это секреция ионов водорода. При нормальном функционировании почек секреция ионов водорода в сутки составляет примерно 4400 мэкв.
Основная часть реабсорбция бикарбонат иона происходит в проксимальных канальцах, около 8090%, в толстом сегменте восходящего отдела петли Генле, примерно 10%. В дистальных канальцах и собирательных трубочках реабсорбируется приблизительно 5% бикарбонат иона, но в этих отделах происходит важная часть секреции ионов водорода, которая и отвечает за подкисление или ощелачивания мочи, в отличии от проксимальных канальцев и восходящего сегмента петли Генле, где ионы водорода находятся в постоянном взаимодействии с бикарбонат ионом.
В проксимальном отделе почечных канальцев, а также в толстом отделе восходящей петли Генле в просвет, за счёт системы котранспорта, секрети-руется приблизительно 4400 мэкв/сут иона водорода, а также в просвет этих структур фильтруется 4320 мэкв/сут бикарбонат иона, таким образом создаётся равновесная концентрация этих ионов, избыток ионов водорода обеспечивает выведение нелетучих кислот (примерно 80 мэкв/сут). В случае метаболического алкалоза равновесная концентрация смещается в сторону бикарбонат иона, который в свою очередь не может быть реабсорбирован, ввиду недостатка ионов водорода, при метаболическом ацидозе полностью реабсорбируется бикарбонат ион, а избыток ионов водорода переходит в мочу.
В конечном отделе дистальных канальцев и собирательных трубочках секреция ионов водорода осуществляется за счёт первично активного транспорта, в этих отделах на каждый секретированный ион водорода приходится один реабсорбированный бикарбонат ион.
Заключение:
Таким образом слаженная работа дыхательной и мочевыделительной системы способна поддерживать гомеостаз кислотно-щелочного равновесия в ответ на изменения кислотности крови, быстро реагировать на резкое изменение рН путём выведения или задержки углекислого газа лёгкими, с последующей корректировкой уровня ионов водорода почками, тем самым возвращая систему в пределы нормальных значений.
Список литературы
1. Elsevier1600 John F. Kennedy Blvd.Ste 1800Philadelphia, PA 19103-2899 GUYTON AND HALL TEXTBOOK OF MEDICAL PHYSIOLOGY, FOURTEENTH EDITION ISBN: 978-0-323-59712-8INTERNATIONAL EDITION ISBN: 978-0-32367280-1 Copyright © 2021 by Elsevier, Inc.
2. Extracellular Acid-Base Balance and Ion Transport Between Body Fluid Compartments. Seifter JL, Chang HY.Physiology (Bethesda). 2017 Sep;32(5):367-379. doi: 10.1152/physiol.00007.2017. https://journals.physiology.org/doi/iull/10.1152/phys-iol.00007.2017?rfr_dat=cr_pub++0pub-med&url_ver=Z39.88-
2003&rfr_id=ori%3 Arid%3 Acrossref. org
3. Physiology, Acid Base Balance.Hopkins E, Sanvictores T, Sharma S.2020 Sep 14. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2021 Jan-.PMID: 29939584. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK507807
4. The therapeutic importance of acid-base balance. Quade BN, Parker MD, Occhipinti R.Biochem Pharmacol. 2021 Jan;183:114278. doi: 10.1016/j.bcp.2020.114278. Epub 2020 Oct 9.PMID: 33039418 Free PMC article. https://www.sciencedi-rect.com/science/arti-
cle/abs/pii/S0006295220305141?via%3Dihub
РЕЦИДИВИРУЮЩАЯ ГЕРПЕСВИРУСНАЯ ИНФЕКЦИЯ: ДИАГНОСТИКА И ЛЕЧЕНИЕ
(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
Честных Е.В.,
зав. кафедрой терапевтической стоматологии, к.м.н., доцент, ФГБОУ ВО Тверской государственный медицинский университет МЗ РФ
Курицына И.Ю.,
к.м.н, доцент, кафедра терапевтической стоматологии, ФГБОУ ВО Тверской государственный медицинский университет МЗ РФ
Михайлова С.И.,
ординатор кафедры терапевтической стоматологии, ФГБОУ ВО Тверской государственный медицинский университет МЗ РФ
Сазонова К.А., врач стоматолог-хирург, СП ГБУЗ 2 Теремов Д.Д.,
ординатор кафедры хирургической стоматологии и ЧЛХ, ФГБОУ ВО Тверской государственный медицинский университет МЗ РФ
