Буферные свойства крови

Общее понятие о буферных системах. Прежде всего необходимо вспомнить, что реакции диссоциации слабой кислоты НА на ионы водорода Н⁺ и сопряженное основание А⁻ подчиняются закону действующих масс. Кинетику таких реакций описывает уравнение

(13)

618 ЧАСТЬ VI. ДЫХАНИЕ

где величины, приведенные в квадратных скобках,молярные концентрации веществ, участвующих в реакции; К'- константа равновесия, или диссоциации (знак ' означает, что данная величина вычислена с учетом особых параметров раствора, например ионной силы). Если содержание ионов Н⁺ повышается, то для сохранения равновесия в соответствии с законом действующих масс должна увеличиваться и концентрация недиссоциированной кислоты. Это означает, что степень диссоциации кислоты несколько уменьшается, и происходит связывание свободных ионов Н ⁺, добавленных в раствор. В результате pH изменяется меньше, чем следовало бы ожидать, исходя из количества добавленных ионов Н ⁺. Столь же незначительные сдвиги pH происходят и при снижении [Н⁺]. Нивелировка влияния добавленных в раствор ионов Н* или ОН~ называется буферным эффектом.

Для количественной оценки буферного эффекта можно прологарифмировать уравнение (13) и взять отрицательные логарифмы всех величин:

(И)

(15)

Подобное уравнение для буферных систем, выведенное из закона действующих масс, называется уравнением Гендерсона-Гассельбальха. Величина рК', так же как и К',-константа, характеризующая свойства системы (рК'= —lg К'). Уравнение (15) можно представить в следующем виде:

(16)

где

Величина а, называемая степенью диссоциации, равна отношению концентрации сопряженного основания [А⁻] к сумме концентраций кислоты и основания ([НА] + [А⁻]). Кривая, представленная на рис. 22.11, отражает зависимость между степенью диссоциации α и pH буферного раствора. Из этой кривой видно, что степень диссоциации может изменяться лишь в ограниченных пределах pH, равных рК' ±2. Буферные свойства раствора проявляются лишь в этих пределах pH.

Показателем способности системы, состоящей из слабой кислоты и сопряженного основания, создавать буферный эффект служит буферная емкость величина, равная соотношению между количеством ионов Η ⁺ или ОН⁻, добавленных в раствор, и изменением pH. Буферная емкость наиболее высока в области крутого наклона буферной кривой и мак-

симальна при pH = рК' (рис. 20.11). Таким образом, буферная емкость раствора зависит от его концентрации и от разницы между ρ Η и рК' этого раствора.

Бикарбонатный буфер. Из имеющихся в крови буферных систем рассмотрим прежде всего бикарбонатную систему. Она включает относительно слабую угольную кислоту, образующуюся при гидратации СО₂, и бикарбонат в качестве сопряженного основания:

• (Π)

Уравнение Гендерсона-Гассельбальха для суммарной реакции имеет следующий вид:

(18)

Величину [СО₂] можно заменить величиной напряжения СО₂ (Р_Со)^:

(19)

Размерность коэффициента 0,03 - это ммоль x л⁻¹ x мм рт.ст.⁻¹, поэтому его можно использовать лишь тогда, когда [HCO₃⁻] выражена в единицах ммоль/л, а Р _CO2- в мм рт.ст.

При ионной силе плазмы рК' составляет 6,1. Казалось бы. при таком различии между рК' и pH крови (7,4) емкость бикарбонатного буфера должна быть невелика. Однако на самом деле бикарбонатная система играет большую роль в создании общей буферной емкости крови, так как буферный эффект этой системы существенно увеличивается благодаря ее тесной связи с дыханием. Механизмы, направленные на поддержание напряжения СО₂ в артериальной крови (40 мм рт. ст.), способствуют созданию высокой концентрации НСО₃⁻ в плазме (24 ммоль/л). Иными словами, регулируя напряжение СО₂ в крови, дыхательная система обеспечивает высокое содержание компонентов буферной системы. Кроме того, органы дыхания вместе с бикарбонатным буфером образуют «открытую систему», в которой напряжение СО₂ (а следовательно, и pH крови) может регулироваться путем изменения вентиляции легких.

Фосфатный буфер. В фосфатной буферной системе, образованной неорганическими фосфатами крови, роль кислоты играет одноосновный фосфат Н₂РО ₄⁻, а роль сопряженного основания-двухосновный фосфат НРО ²₄⁻. Величина рК' фосфатного буфера (6,8) сравнительно близка к pH крови, однако емкость данного буфера невелика по причине низкого содержания фосфата в крови.

Белковый буфер. Буферные свойства белков кро-

ГЛАВА 22. ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВИ 619

ви обусловлены способностью аминокислот ионизироваться. Концевые карбокси- и аминогруппы белковых цепей играют в этом отношении незначительную роль, так как таких групп мало и их рК' существенно отличаются от pH крови. Значительно больший вклад в создание буферной емкости белковой системы вносят боковые группы, способные ионизироваться, и особенно имидазольное кольцо гистидина. К буферным белкам относятся как белки плазмы (в частности, альбумин), так и содержащийся в эритроцитах гемоглобин. На долю последнего приходится большая часть буферной емкости белковой системы, что связано как со значительной концентрацией гемоглобина, так и с относительно высоким содержанием в нем гистидина.

Особенно наглядно роль гемоглобина в создании буферной емкости крови можно показать, если сравнить сдвиги pH в ллазме и цельной крови, вызываемые одинаковыми изменениями напряжения СО₂. Результаты такого сравнения удобно представить в виде графика зависимости pH от [HCO₃⁻ ], на который нанесены кривые для постоянного напряжения СО₂, рассчитанные в соответствии с уравнением Гендерсона-Гассельбальха [уравнение (19)]. Измерив при разных значениях напряжения СО₂ pH и содержание HCO₃⁻ в плазме и в цельной крови, где происходит обмен ионов между плазмой и эритроцитами, строят так называемые равновесные кривые СО₂ для изолированной плазмы и цельной крови (рис. 22.12). Чем круче наклон кривой для цельной крови, тем больший вклад вносит в буферную емкость крови гемоглобин, и чем больше угол наклона кривой буферной емкости, тем меньше изменения pH при данном увеличении или уменьшении напряжения СО₂ .

 

Рис. 22.12.Равновесные кривые СО2 для изолированной плазмы и цельной крови. По оси ординат -содержание в плазме бикарбоната, по оси абсцисс pH. Приведены также кривые для постоянного напряжения СО2. Поскольку в цельной крови между плазмой и эритроцитами происходит обмен ионами, буферная емкость плазмы добавляется к буферной емкости гемоглобина и наклон соответствующей равновесной кривой становится круче

 

Рис. 22.13. Буферные кривые для недиффундирующих буферных систем эритроцита на основе гемоглобина (при незначительном участии АТР и 2,3-ДФГ) (по [19] с изменениями). По оси ординат-отношение содержания недиффундирующих буферных анионов Pi к содержанию гемоглобина; по оси абсцисс-pH внутри эритроцита. ИHbO2 и ИHb изоэлектрические точки. Благодаря тому что буферная кривая для Hb смещена вправо относительно буферной кривой для НbО2. при полной деэоксигенации гемоглобина 1 ммоль Hb может дополнительно связывать 0,45 ммоль Н+ без изменения ρΗ внутри эритроцита

Гемоглобин играет также важную роль в буферной емкости крови благодаря изменению его кислотных свойств при оксигенации и дезоксигенации. Эта зависимость выражена на рис. 22.13, где приведены буферные кривые (кривые титрования) для недиффундирующих буферных систем эритроцита на основе гемоглобина в оксигенированном и дезоксигенированном состояниях. Видно, что в физиологическом диапазоне pH оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Такая разница обусловлена главным образом влиянием кислорода, связанного с железом, на связывание Н ⁺ соседними имидазольными группами гистидина. Благодаря этому влиянию гемоглобин, освобождая в тканях кислород, приобретает большую способность к связыванию ионов Η⁺, образующихся при одновременном поглощении СО₂. При поглощении кислорода кровью в легких происходят обратные процессы. Таким образом, обмен О₂ усиливает буферный эффект гемоглобина.

Буферные основания. Буферные свойства крови обусловлены суммарным эффектом всех анионных

620 ЧАСТЬ VI. ДЫХАНИЕ

групп слабых кислот; важнейшими из них являются бикарбонат и анионные группы белков («протеинаты»). Все эти анионы, обладающие буферными эффектами, называют буферными основаниями (по международной номенклатуре-buffer bases, BB) [10].

На рис. 22.14 приведены концентрации различных ионов в плазме, эритроцитах и цельной крови человека (для артериальной крови). Высота столбиков пропорциональна концентрации ионов. Верхняя часть столбиков, относящихся к анионам, соответствует буферным основаниям (темно-красный цвет), а нижняя часть-всем анионам сильных кислот (кроме Сl⁻), не обладающих буферными свойствами, таким как SO₄²⁻ и органические анионы (обозначенные вместе Х~). Из рисунка видно, что в плазме основную часть буферных оснований составляют ионы НСО₃⁻, а в эритроцитах-протеинаты. В цельной крови более чем 1/3 всех анионов обладают буферным действием.

Концентрация буферных оснований в артериальной крови составляет примерно 48 ммоль/л. Очень важно, что эта величина не изменяется при сдвигах напряжения СО₂. Рассмотрим причины такого постоянства. Предположим, например, что напряжение СО₂ возрастает. При этом образуются равные количества Н⁺ и HCO₃⁻. Ионы Н⁺ почти полностью связываются протеинатами, переходящими при этом в недиссоциированную форму. В результате концентрация протеинатов снижается настолько, насколько увеличивается концентрация бикарбоната (рис. 22.15).

 

Рис. 22.14. Содержание ионов в плазме, эритроцитах и цельной крови. К буферным основаниям относятся анионы буферных систем (темно-красный столбик); фосфаты не изображены, так как их содержание очень низко. Х− - анионы всех сильных кислот, не обладающих буферными свойствами, за исключением Cl−; Kt+ -суммарная концентрация катионов

 

Рис. 22.15. Зависимость концентраций протеинатов и бикарбоната от РСO2 . Суммарное содержание двух буферных оснований остается постоянным (в норме48 ммоль/л)

Подобные концентрационные сдвиги в буферных системах не взаимоуравновешиваются полностью, так как некоторые протоны остаются в свободной форме, изменяя тем самым pH. Так, если P _CO2возрастает от 40 до 50 мм рт. ст., то pH внутри эритроцитов снижается на 0,06, а в плазме- на 0,1. Это означает, что концентрация ионов Н⁺ увеличивается примерно на 10⁻⁵ ммоль/л. Однако этот сдвиг очень мал и не влияет на характер графика, приведенного на рис. 22.15.

Поскольку суммарная концентрация буферных оснований крови не зависит от Р _CO2, по ней можно судить о сдвигах кислотно-щелочного равновесия, вызванных увеличением или уменьшением содержания нелетучих кислот в крови. Отклонение концентрации буферных оснований от нормального уровня (48 ммоль/л) называется избытком оснований (по международной номенклатуре-base excess, BE). Таким образом, в норме BE по определению равен нулю. При патологическом увеличении содержания буферных оснований BE становится положительным, а при снижении - отрицательным. В последнем случае можно использовать термин «дефицит оснований»,так как выражение «отрицательный избыток оснований» с семантической точки зрения бессмысленно.