Фізіологія

Постійна концентрація іонів, зокрема ізогідрія, є важливими ланками системного гомеостазу організму (розд. XII.A). У фізіологічних умовах концентрація іонів H+ у крові становить 35-45 нмоль/л. Постійна концентрація H+ в рідинах організму забезпечує правильний перебіг ферментативних процесів, особливо пов’язаних з синтезом високоенергетичних сполук, які є вирішальними для нормального функціонування клітин і цілих органів. Протягом доби доросла людина масою 70 кг синтезує 15-20 моль газоподібного CO2 (що відповідає 0,93-1,24 кг карбонової кислоти), що виділяється легенями, а також 1 ммоль нелеткого H+/кг маси тіла, що екскретується через нирки у вигляді іону амонію і т. зв. титрувальної кислотності (яка складається в основному з одноосновного фосфату). Таким чином ізогідрія забезпечується в основному легенями та нирками. Це відображено у рівнянні Гендерсона-Гассельбаха (НН). Згідно з рівнянням:

pH крові=

6,1 + lg

[HCO3–]

0,03 × pCO2

6,1 = від’ємний логарифм константи дисоціації H2CO3, [HCO3–] – концентрація гідрокарбонатів у ммоль/л, pCO2 – парціальний тиск CO2 в крові у мм рт. ст.

Оскільки рН є від’ємним логарифмом концентрації H+, концентрацію H+ доцільно виражати у  грам-еквівалентних одиницях за допомогою формули:

[H+] у нмоль/л = 24 ×

pCO2 у мм рт. ст.

[HCO3–] у ммоль/л

З цієї формули випливає, що рН залежить від респіраторного (pCO2) i нереспіраторного (залежного від нирок) компонентів, а також, що pH крові може бути в межах норми, незважаючи на значні зміни pCO2 i концентрації HCO3–. Напр. при підвищенні pCO2 з 40 мм рт. ст. дo 67 мм рт. ст., а концентрації HCO3– з 24 ммоль/л до 40 ммоль/л, частка

pCO2

 =

40

 ≈

67

[HCO3–]

24

40

не змінюється (становить 1,67), тому також концентрація H+ залишається незмінною.

З цього прикладу випливають 2 важливі висновки:

1) для точної характеристики стану кислотно-лужної рівноваги (КЛР) необхідне знати всі 3 складові рівняння НН

2) концентрація H+ в межах норми у крові не виключає наявність серйозних порушень КЛР.

Всі порушення КЛР можна поділити на нереспіраторні, респіраторні та змішані ацидоз або алкалоз .

Враховуючи зміну концентрації H+ в залежності від зміни pCO2 і концентрації HCO3–, виділяють компенсовані, частково компенсовані або декомпенсовані порушення КЛР.

У фізіологічних умовах рН крові становить 7,35-7.45, а pCO2 35-45 мм рт. ст. (4,65–6,0 кПа).

У підтримці стабільного рН крові і рідин організму беруть участь: буферні системи крові і тканин, легені, нирки, ШКТ, а також кістки.

Буферні системи крові та тканин

Буферні розчини характеризуються тим, що додавання до них кислоти чи лугу тільки в невеликому ступені змінюють їх рН. Ще однією ознакою буферних розчинів є здатність як зв’язувати, так і віддавати водневі іони.

Людський організм має багато буферних систем, серед яких найважливішу роль відіграють:

1) бікарбонатна система (бікарбонат – карбонатна кислота [HCO3–/H2CO3])

2) фосфатна система (одноосновний фосфат – двоосновний фосфат [H2PO41–/HPO42–])

3) білкова система (H+-білок/альбуміни)

4) гемоглобінова система.

Бікарбонатна буферна система є унікальною, тому що має здатність швидко усувати або затримувати в організмі через легені один зі своїх компонентів, тобто CO2. У жодної з трьох інших буферних систем не має такої здатності..

Фосфатна буферна система є в основному внутрішньоклітинною буферною системою. Двоосновний фосфат HPO42–, зв’язуючи H+, що утворюється в якості кінцевого продукту обміну речовин, перетворюється на H2PO4–, що екскретується з організму з сечею. У порівнянні з бікарбонатним буфером, фосфатний буфер має не тільки меншу ємність, але й пов'язаний з екскрецією з організму цінного фосфатного аніона.

Білкова буферна система є важливою внутрішньоклітинною буферною системою.

Особливе значення має гемоглобін (Hb):

1) складає практично ¾  загальної кількості білків крові

2) має кислу реакцію, внаслідок переваги кислотних груп гему над основними групами глобіну, тому має велику здатність зв’язувати луги

3) його кислотність значно змінюється в залежності від ступеня його окислення.

Гемоглобінова буферна система складається з 2-х підсистем:

1) HHbO2 (оксигемоглобін) /KHbO2 (окислений гемоглобінат калію)

2) HHb (дезоксигемоглобін) /KHb (відновлений гемоглобінат калію).

Завдяки цим 2-ом гемоглобіновим системам роль Hb полягає не тільки в перенесенні кисню з легень до тканин, але також у перенесенні CO2 з тканин до легень.

Згідно з вищезазначеними прикладами буферні речовини крові та тканин не тільки забезпечують утримання концентрації H+ в межах норми, але й складають важливу ланку в оксигенації тканин та їх очищення від CO2.

Загальна буферна ємність в організмі становить в середньому 14 ммоль/Од. рН/кг маси тіла, з чого 10 % припадає на буферні системи крові, 51 % на буферні системи тканин, а 39 % на вентиляцію легень. В організмі знаходиться ≈2100 ммоль буферних речовин, здатних зв’язати ≈100 ммоль H+. Для порівняння: загальна кількість вільних іонів водню в організмі становить всього лиш 2,1 мкмоль, тобто є в ≈50000 разів меншою від кількості H+, зв’язаних з буферами.

Максимальна кількість іонів водню, яку організм може буферувати до того, як виникнуть незворотні метаболічні зміни, становить 700 ммоль. Якщо припустити, що добова продукція нелетких кислот становить 1 ммоль/кг маси тіла, за відсутності регенерації лугів, загальносистемна буферна здатність людини масою 70 кг вичерпується через 10 днів (700:70 = 10).

Роль легень у кислотно-лужній рівновазі

Доросла людина на добу продукує 15-20 моль CO2. З рівняння НН виходить, що рН крові в істотній мірі залежить від pCO2. У свою чергу pCO2 залежить перед усім від вентиляції альвеол (гіповентиляція підвищує, а гіпервентиляція знижує pCO2), а у значно меншій мірі від перфузії крові через легені, співвідношення вентиляції до перфузії, а також дифузії O2 i CO2 через стінки альвеол. Тобто причинами респіраторних порушень КЛР в основному є зміни вентиляції альвеол: гіповентиляція спричиняє ацидоз, а гіпервентиляція – алкалоз (розд. II.B.3.1 i розд. II.O.1).

Роль нирок в кислотно-лужній рівновазі

Зводиться до:

1) зворотної реабсорбції відфільтрованих протягом доби HCO3– у ниркових канальцях (150 л [добова клубочкова фільтрація] × 24 ммоль/л [концентрація бікарбонатів] = 3600 ммоль HCO3–)

2) екскреції з сечею H+, які походять з нелетких кислот (напр. сульфатної, ортофосфатної) у вигляді титрованої кислотності (0,3 ммоль H+/кг маси тіла/добу) та іону амонію (0,7 ммоль H+/кг маси тіла/добу); кожній утвореній молекулі NH4+ чи H2PO4– відповідає регенерація однієї молекули HCO3–

3) продукції HCO3– з лимонної кислоти чи інших прекурсорів бікарбонатів.

З відфільтрованих в ниркових клубочках бікарбонатів, 85-90 % підлягають зворотній реабсорбції в проксимальному канальні, на що впливає кілька процесів. У клітинах проксимального канальця молекули H2O підлягають дисоціації на H+ i OH–, а потім іони H+ виділяються до просвіту канальців через Na+/H+ котранспортер, де зв’язується з відфільтрованими іонами HCO3–. Утворюється H2CO3, яка розпадається на CO2 i H2O під впливом мембранної карбоангідрази. CO2 дифундує всередину клітин канальців, де поєднується з іонами OH– (що виникли з дисоціації H2O) і утворюється HCO3–, який проникає у кров.

У дистальному канальці регенерація HCO3– також складається з кількох процесів. Основні клітини канальців реабсорбують іони Na+, що приводить до виникнення від’ємного електричного  заряду у просвіті канальців. Цей заряд є рушійною силою H+-ATФ-ази i H+/K-ATФ-ази, які виділяють до просвіту канальців іон H+, що утворився внаслідок дисоціації H2O всередині клітин канальців. Іони OH–, що утворилися в результаті цієї дисоціації, з’єднуються у клітинах з CO2 і утворюється іон HCO3–, який проникає у кров. В той час виділений до просвіту канальців іон H+ з’єднується там з NH3, утворюючи NH4+ (процес амоніогенезу), а також з NaHPO4-, утворюючи NaH2PO4 (титруюча кислотність). Виділення H+ через H+-ATФазу залежить від активності епітеліального натрієвого каналу основних клітин і залежить від впливу альдостерону, ангіотензину ІІ та активності кальцієвого рецептора (CaR).

Порушення функції нирок при утворенні HCO3– або нездатність ниркових канальців виділяти H+ чи до зворотної реабсорбції HCO3– можуть бути причиною нереспіраторних уремічних або неуремічних (тубулярних) ацидозів. Нирки – найважливіший орган компенсації первинних респіраторних порушень КЛР.

Роль печінки у кислотно-лужній рівновазі

При катаболізмі білків утворюються однакові кількості NH4+ i HCO3–, які перетворюються у сечовину. В залежності від вираженості продукції сечовини (уреогенезу), перетворення амінокислот може бути джерелом HCO3–.

Роль кісток у кислотно-лужній рівновазі

У кістковій системі дорослої людини депонується 7-8 молей лугів у вигляді карбонатів і фосфатів кальцію. Мобілізація цих лугів відбувається як правило тільки при хронічних ацидозах, як при уремічних, так і при неуремічних (тубулярних).

Роль ШКТ в кислотно-лужній рівновазі

У фізіологічних умовах ШКТ не відіграє істотної ролі у балансі водневих іонів. При патологічних станах внаслідок втрати шлункового соку під час блювання, жовчі, соку підшлункової залози чи кишкового соку (який містить високі концентрації HCO3–) або з приводу стійкої діареї, можуть виникати тяжкі порушення КЛР, що проявляються нереспіраторним алкалозом (в осіб з блюванням) чи нереспіраторним ацидозом (хронічна діарея, пов’язана з втратами великих кількостей HCO3–). Спожита протягом доби їжа містить ≈35 ммоль потенційних лугів (зазвичай це органічні аніони, що  перетворюються у HCO3–), які можуть мати істотний вплив на вираженість і перебіг хронічних ацидозів, особливо у хворих з уремією.

Показники стану кислотно-лужної рівноваги

Рівняння НН показує, що рН крові залежить від 2-х компонентів:

1) нереспіраторного (метаболічного)

2) респіраторного.

Для точної характеристики стану КЛР необхідні 3 показники:

1) концентрація H+, виражена у нмоль/л або як рН

2) концентрація HCO3– у ммоль/л – показник нереспіраторного компоненту

3) pCO2 – показник респіраторного компоненту.

Визначення 2-х з цих 3-х показників дає можливість розрахувати третій показник за допомогою рівняння НН.

pH крові визначається в артеріальній або артеріалізованій капілярній крові (розд. II.B.3.1). рН є від’ємним логарифмом концентрації Н+, тому результат визначення слід подати в рН-метричній і грам-еквівалентній (у нмоль/л) шкалі. pH >7,45 вказує на наявність алкалозу, а <7,35 – ацидозу. Результат рН крові в межах норми не виключає існування дуже серйозних метаболічних (нереспіраторних) або неметаболічних (респіраторних) порушень. Зміни рН, викликані первинно респіраторною причиною (pCO2), значно небезпечніші, ніж зміни, викликані метаболічною причиною. Це обумовлено легким проникнення CO2 з клітин у позаклітинну рідини. Такої властивості не мають іони HCO3–.

Концентрація бікарбонатів [HCO3–] відповідає актуальній концентрації HCO3– у плазмі, отриманій з крові, взятої без контакту з повітрям. Значення [HCO3–] дуже залежить від pCO2 крові.

Парціальний тиск вуглекислого газу (pCO2) є найкращим індикатором респіраторно-залежних змін у кислотно-лужній рівновазі. Саме визначення pCO2 має обмежене діагностичне значення, оскільки зміна pCO2 може бути результатом компенсації первинних нереспіраторних порушень або бути спричиненою порушеннями вентиляції альвеол (див. вище і розд. II.B.3.1, а також розд. II.O.1).

Буферна ємність (англ. buffer base – BB) - це сума концентрацій бікарбонатів, білків плазми, фосфатів і гемоглобіну. Невисока концентрація фосфатів у крові (1-2 ммоль/л) є причиною того, що ВВ є практично сумою концентрацій бікарбонатів (25 мЕкв/л), білків плазми (≈17 мЕкв/л[не ммоль/л!]) і гемоглобіну (підвищення концентрації Hb на 1 ммоль призводить до підвищення ВВ на 0,58 мЕкв/л). Таким чином дійсне значення ВВ (у мЕкв/л) дорівнює 25 + 17 + концентрація Hb (у ммоль/л) × 0,58. Оскільки концентрацію деяких білків у крові не завжди можна відобразити у ммоль/л (їх молекулярна маса невідома), значення ВВ слід подавати у мЕкв/л, а не у ммоль/л.

Надлишок основ (англ. base excess – BE) визначає ту кількість титрувальної кислотності або лужності, яку отримують при титруванні розчину до рН 7,40 при pCO2 40 мм рт. ст. і температурі 37 °C. Якщо ВЕ має від’ємне значення, то досліджуваний розчин містить надлишок нелетких кислот або дефіцит лугів. Значення ВЕ подається у мЕкв/л, а не у ммоль/л, оскільки не кожен луг чи кислота одновалентні. Значення ВЕ не залежить ні від pCO2, ні від концентрації гемоглобіну, однак залежить від насичення Hb киснем, тому що оксигемоглобін (HbO2) є більш кислим, ніж дезоксигемоглобін (Hb).

Аніонний розрив

Згідно з правилом електронейтральності рідин організму, сума позитивних зарядів (катіонів) повинна дорівнювати сумі негативних зарядів (аніонів; правило і діаграма Гембла – рис. XII.A-1). Якщо позначити як ∑NK суму концентрацій катіонів, інших ніж Na+ (Ca2+, K+ i Mg2+), а як ∑NA суму концентрацій аніонів, інших ніж Cl– i HCO3– (білків, фосфатів, сульфатів, креатиніну і органічних кислот [напр., молочної та β-гідроксимасляної]), то згідно з правилом електронейтральності рідин організму отримаємо рівняння:

[Na+] + ∑NK = ([Cl–] + [HCO3–]) + ∑NA

(всі значення у мЕкв/л))

Після перетворення отримуємо рівняння:

[Na+] – ([Cl–] + [HCO3–]) = ∑NA – ∑NK = LA

Аніонний розрив (AP) є різницею сум концентрацій невизначених аніонів (NA) і невизначених катіонів (NK) або різницею концентрації Na+ і суми концентрацій Cl– i HCO3–.

У фізіологічних умовах AP становить 8-12 мЕкв/л. NA i NK на сьогоднішній день визначаються рутинно, тому поняття LA втратило своє значення. Величина AP однак є основою для класифікації  ацидозів на: ацидоз із нормальним значенням AP (≈12 мЕкв/л; гіперхлоремічні ацидози, спричинені втратою лугів – субстрактні) або ацидоз із збільшеним AP (ацидози, викликані наявністю екзо- чи ендогенних нелетких кислот [додаткові екзо- і ендогенні], зменшеною нирковою регенерацією лугів, зменшеною нирковою екскрецією H+ [ретенційні ]). Визначення LA знаходить також застосування:

1) у діагностиці

а) нереспіраторних ацидозів (збільшений аніонний розрив є результатом наявності в плазмі аніонів, які рутинно не визначаються, напр. лактатного, ацетооцтового, метаболітів алкоголю)

б) гамапатії (збільшення AP в зв’язку з надлишком катіонних гамаглобулінів у плазмі)

в) отруєнь бромідами і літієм (збільшення AP при отруєнні літієм, який у плазмі є катіоном, а зменшення LA при отруєнні бромідами , у зв’язку з появою аніону Br– у крові)

2) при клінічному моніторингу результатів визначень Na+, Cl– i HCO3–.