Кислотно основна рівновага

Введення

Кислотно-основний показник(pH) крові - показник, що показує співвідношення між кількістю молекул кислот(віддають протон) та основ(приймають гідроген) в крові.
Кислотно-основний стан - це механізми, які є частиною гомеостазу, що забезпечують підтримку показника pH в вузьких, задовільних для організму межах.Для нашого організму оптимальним показником pH є 7.35 - 7.45.
Чому наш організм повинен підтримувати сталий рівень pH? - головним чином pH впливає на конформацію а значить і функції білків: коли в навколишньому середовищі стає дуже багато протонів гідрогену, то це робить можливим взаємодію амінокислот(які входять в склад протеїну) з протонами гідрогену, що призведе до модифікації("протонації") амінокислот з подальшою зміною структури, а й відповідно, і функції білка(тому-що амінокислоти не зможуть підтримувати третинну-четвертину структуру внаслідок своєї протонації).Ну і також в нашій крові завжди відбуваються певні реакції, які також чутливі до концентрації протонів гідрогену, якщо якийсь проміжний продукт певної реакції підчепить протон, то весь ланцюг реакцій просто зупиниться.
Але перед тим, як говорити про ацидози та алкалози, потрібно розібрати як же взагалі формується pH в нашому організмі: в результаті метаболічних реакцій в клітинах утворюється вуглекислий газ(CO₂), який дифундує в кров, але тут він може піти двома шляхами: просто плавати у розчиненному вигляді в плазмі крові або ж піти в еритроцит, де відбудеться його об'єднання з водою(H₂O) за участі карбоангідрази - утвориться карбонатна кислота, яка є слабкою, а отже може оборотньо дисоціювати на протон гідрогену(H⁺) та гідрокарбонат-аніон(HCO₃^-).І ось тепер потрібно зрозуміти такий тонкий момент, який в подальшому полегшить вам все розуміння цієї теми: коли ми говоримо про pH, то ми в основному говоримо саме про концентрацію H⁺, а HCO₃^- він якби є, але особливо уваги на нього не звертайте: от давайте уявімо, що людині внутрішньовенно ввели молочну кислоту, яка продисоціювала на гідроген(H⁺) та лактат-іон(L^-) - розвивається ацидоз, але ж при цьому підвищується кількість і основного лактат-іону, який би по ідеї повинен був нейтралізувати протон гідрогену, таким чином якби запобігати розвитку ацидозу, але цього не відбувається.Тому запам'ятайте, що pH визначається саме кількістю вільних протонів гідрогену, не важливо скільки там аніонів(основних сполук), важливо лише кількість вільних протонів гідрогену.

Буферні системи

Буферні системи - це фізіологічні системи живого організму, які забезпечують підтримку показнику pH в певному діапазоні.Основними буферними системами нашого організму є:

• Гідрокарбонатний буфер працює в крові
• Гемоглобіновий буфер працює в крові
• Фосфатний буфер працює в нирках
• Білковий буфер працює в крові та всередині клітин

Загалом, то буферні системи складаються із двох основних компонентів: слабкої кислоти та спряженої основи.Наприклад, зараз розглянемо гідрокарбонатний буфер, який як раз таки і є найпотужнішим буфером крові: він складається із карбонатної кислоти(слабка кислота) - H₂CO₃, яка дисоціює на основу(спряжена основа) HCO₃^- та протон гідрогену.І тут потрібно зрозуміти отакий момент: як вже було описано, карбонатна кислота утворюється із вуглекислого газу та води.Так от, в нормі повинен бути баланс між субстратами(вуглекислий газ та вода) та продуктами(протон гідрогену та гідрокарбонат-іон), тобто, вони повинні бути в однаковій кількості(50 молекул субстратів і 50 молекул продуктів).Ліва сторона рівняння представлена субстратами, а права сторона - продуктами.

Якщо з якоїсь сторони стає чогось більше, то реакція зміщується в протилежну сторону.Наприклад, якщо стає дуже багато вуглекислого газу, то реакція зміщується вправо - утворюється більше протонів гідрогену та гідрокарбонат-іону.Якщо стає багато протонів гідрогену(наприклад, внаслідок лактоацидозу або кетоацидозу), то реакція зміщується вліво - протони гідрогену об'єднуються із гідрокарбонат-іонами, в результаті чого утворюється карбонатна кислота, яка дисоціює на вуглекислий газ та воду і таким чином відбувається нейтралізація новоутворених гідрогенів, що запобігає зміщенню pH.Ось за таким принципом працюють майже всі буферні системи нашого організму.

Гемоглобінова буферна система

Тепер поговоримо про гемоглобінову буферну систему: клітини виділяють вуглекислий газ в капіляри, звідси CO₂ прямує в еритроцит, де відбувається реакція його об'єднання із водою під дією карбоангідрази - утворюється карбонатна кислота, яка дисоціює на протон гідрогену та гідрокарбонат-іон.Тепер думаємо логічно: тканини виділяють дуже багато вуглекислого газу, відповідно, буде утворюватись дуже багато протонів гідрогену, які будуть закислювати реакцію навколишнього середовища.І ось щоб цього не відбувалось гемоглобін(Hb) бере на себе протон гідрогену, таким чином нейтралізує його - утворюється HHb.Тим часом HCO₃^- покидає еритроцит, а замість цього в еритроцит потрапляє іон хлору.Якби не було гемоглобінової буферної системи, то pH в капілярах метаболічноактивних тканин просто зашкалювало би(супер кисле).Коли еритроцит потрапляє в легені, то там відбуваються зворотні реакції до тих, що ми тільки що розібрали.

Фосфатна буферна система

Фосфатна буферна система працює переважно внутрішньоклітинно: вона складається із кислоти - H₂PO₄^- та основи HPO₄^2-.Тобто, кислота дисоціює на основу та протон гідрогену.Знову ж таки, тут працює принцип із карбонатної системи: якщо в навколишньому середовищі стає дуже багато протонів гідрогену, то відбувається зсув реакції вліво, відповідно, основа об'єднується із протоном гідрогену - утворюється кислота, pH не змінюється.Цей буфер особливо важливий для клітин, так як вони в результаті метаболізму нуклеотидів утворюють дуже багато фосфовмісних сполук.Цей буфер підтримує pH в межах від 4.5 до 7.4(внутрішньоклітинно).

Білкова буферна система

Білкова буферна система працює всюди, але переважно в клітинах: білки складаються із амінокислот, а амінокислоти можуть бути у іонізованому та неіонізованому стані.Наприклад, якщо pH навколишнього середовища сильно кисле(багато протонів), то аміногрупи-NH₂ амінокислот будуть приймати на себе протон - утворюється -NH₃, а якщо pH лужне(протонів мало), то карбоксильна група -COOH амінокислот буде навпаки віддавати свій протон на користь навколишнього середовища - утворюється COO^-.Але тут потрібно розуміти, що коли амінокислота приймає або віддає протон, то вона змінює свої властивості, а так як амінокислоти всередині протеїну з'єднуються між собою в тому числі за рахунок водневих зв'язків, то якщо умови pH навколишнього середовища будуть дуже екстремальними, то білок просто денатурує, але якщо зміни pH не суттєві, то білковий буфер справиться, але при цьому може трохи постраждати сама функція протеїну.

Порушення КОС

Порушення КОС виникають тоді, коли потужності буферних систем не вистачає, аби підтримати нормальні значення pH.
Якщо pH крові стає менше, ніж 7.35, то такий стан називається ацидозом, а якщо pH стає більше, ніж 7.45 - це алкалоз.
Ацидоз в залежності від зміни водневого показнику буває:

• Компенсований: pH в межах норми(7.35 - 7.45), гідрокарбонати та вуглекислий газ не в нормі
• Субкомпенсований: pH знаходиться в межах 7.25 - 7.34, але при цьому підвищені гідрокарбонати
• Декомпенсований: pH менше 7.24, гідрокарбонати суттєво підвищені

За походженням:

• Респіраторний обумовлений порушеною функцією газообміну
• Нереспіраторний
• Метаболічний обумовлений накопиченням кислих продуктів розпаду в тканинах(лактат, кетонові тіла)
• Видільний обумовлений порушенням виведення кислот з організму(хвороба нирок) або ж посиленим виділенням бікарбонатів(діарея)
• Екзогенний виникає при введенні в організм речовин, які в результаті метаболізму розпадаються на кислоти
• Змішаний поєднує в собі респіраторні, метаболічні проблеми і так далі

Алкалоз в залежності від змін водневого показнику буває:

• Компенсований: pH знаходиться в межах норми, але при цьому підвищений вміст вуглекислого газу
• Некомпенсований: pH вище норми, підвищений парціальний тиск вуглекислого газу

В залежності від причини:

• Респіраторний виникає на фоні гіпервентиляції, що призводить до зменшення парціального тиску вуглекислого газу в крові.Це може бути обумовлено захворюванням ЦНС, тривожністю, гарячкою і так далі.
• Нереспіраторний
• Метаболічний зустрічається при хворобах, які спричинюють порушення електролітного метаболізму, після маштабних операцій, станах, які супроводжуються надмірним гемолізом.
• Видільний обумовлений виділенням протонів гідрогену з організму, внаслідок чого підвищується співвідношення гідрокарбонатів до гідрогену.Наприклад, таке може бути при блюванні, при довготривалому прийомі діуретиків або при хворобах, які спричинюють затримку натрію в організмі(гіперальдостеронізм)
• Екзогенний виникає на фоні введення лужних препаратів: наприклад, гідрокарбонату натрію для корекції ацидозу або ж просто вживання їжі, яка містить багато лугів.

Ацидоз

Респіраторний(газовий) ацидоз виникає внаслідок того, що в крові накопичується дуже багато вуглекислого газу(згадуємо про зсув реакції), а це в свою чергу обумовлено порушенням функції газообміну.
Гострий респіраторний ацидоз обумовлений раптовим порушенням газообміну, що може бути спричинено інтоксикацією барбітуратами, бензодіазепінами, опіоїдами та іншими препаратами, які пригнічують дихальний центр, а також це може бути спричинено гемотораксом, гострою серцево-судинною недостатністю, набряком легень та іншими реакціями, які розвиваються швидко та порушують газообмін.
Хронічний респіраторний ацидоз розвивається повільно, а причиною тут є як правило ХОБЛ або ж емфізема.За рахунок того, що цей стан розвивається повільно, то вистачає часу, аби ввімкнути компенсаторні механізми нирок(нижче), плюс навіть якщо стан хворого погіршується, то просто активується дихальний центр і зайвий вуглекислий газ виводиться з організму.
А ось стосовно метаболічного ацидозу, то він виникає внаслідок підвищення кількості протонів гідрогену.В основному, то таке можна спостерігати при діареї(надмірна втрата гідрокарбонатів, які секретуються кишечником), а підвищення протонів гідрогену обумовлено надмірним утворенням кетонів(кетоацидоз) та лактату(лактоацидоз).
Екзогенний ацидоз може розвиватись на фоні прийому деяких препаратів: саліцилати, метанол, етиленгліколь - всі вони перетворюються в кислі продукти розпаду.
Ще одним видом є видільний ацидоз, який розвивається внаслідок втрати організмом гідрокарбонатів, наприклад, на фоні захворювань ШКТ, які супроводжуються діареєю, порушення реабсорбції гідрокарбонатів в нирках.
Все ж таки, основною причиною розвитку видільного ацидозу вважають хронічну ниркову недостатність, при якій амоніогенез(далі) в нефроцитах відбувається, але амоніак-іони не поспішають екскретуватись, але при цьому гідрокарбонати екскретуються з задоволенням, що й призводить до розвитку ацидозу.
Також важливу роль тут грає альдостерон: згадуємо, що цей гормон забезпечує реабсорцію натрію, але при цьому виводиться калій та протони гідрогену, відповідно, якщо альдостерону не буде, то буде розвиватись гіперкаліємія(яка пригнічує виділення амонію) та ацидоз.

Компенсаторні механізми

При респіраторному ацидозі нирки починають виводити протони гідрогену, при цьому реабсорбують назад гідрокарбонати, останній процес найінтенсивніше відбувається в проксимальному звивистому канальці, але потрібно зауважити, що на активацію цих процесів потрібно декілька днів.Цей процес називається амоніогенезом: в клітини проксимального звивистого канальця потрапляє глутамін(амінокислота), яка під дією різних ферментів розкладається до амоніаку(NH₃) та гідрокарбонатів(HCO₃^-).При ацидозі нам потрібно підвищити вміст гідрокарбонатів та зменшити вміст протонів гідрогену в крові.Так от, новоутворений гідрокарбонат тікає з нефроцита в кров, а амоніак секретується в просвіт канальця.При ацидозі також починає працювати натрій-протонний насос, який реабсорбує натрій назад в кров, але при цьому протон гідрогену із крові перекачується в первинну сечу.Амоніак та протон гідрогену реагують між собою - утворюється амоніак-іон(NH₄⁺).Всі ці процеси відбувались проксимальному звивистому та низхідному канальцях.Але деяка кількість амоніак-іону може всмоктуватись в кров в висхідному канальці, деяка кількість залишиться в крові, але більшість буде ексретована в збірні трубочки нефрону.

Схема механізму реабсорції бікарбонатів(верхня частина) та амоніогенезу в проксимальних звивистих канальцях при ацидозі

При метаболічному ацидозі головним компенсаторним механізмом буде активація дихального центру: коли велика кількість протонів накопичується в крові, то це подразнює дихальний центр довгастого мозку, а як наслідок збільшується кількість дихальних рухів(гіпервентиляція легень).Але ще потрібно додати, що вуглекислий газ може подразнювати хеморецептори(IX пара ЧМН) каротидного синусу, що також призведе до активації дихального центру.Впринципі, то дихальний центр активуєтья і при дихальному ацидозі, але тут потрібно розуміти, що якщо ацидоз обумовлений отруєнням барбітуратами(коли дихальний центр пригнічується), то нам це ніяк не допоможе.А от наприклад, якщо ацидоз обумовлений ХОБЛ, то активація дихального центру дасть свій внесок.

Алкалоз

Ось тут у мене виникли проблеми, бо класифікації у нас і в англомовних джерелах дещо різняться: англомовні не виділяють екзогенного, видільного і т.д, в них є лише респіраторний та метаболічний.Але для підготовки до пари використовуйте класифікацію, яка наведена вище.
Респіраторний алкалоз обумовлений гіпервентиляцією: наприклад, коли людина потрапляє в гори(повітря розріджене), то в неї активується дихальний центр(через недостатність кисню) - гіпервентиляція, як наслідок кисню потрапляє достатньо, але при цьому з організму виводиться дуже багато вуглекислого газу, а як наслідок зменшується утворення протонів гідрогену, відповідно, виникає респіраторний алкалоз.
Нереспіраторний алкалоз обумовлений втратою протонів гідрогену, в основному це відбувається внаслідок блювання(так як для того, аби створити соляну кислоту, клітини шлунку повинні забрати протони гідрогену із крові) - видільний алкалоз, також іншою причиною може бути гіперальдостеронізм, так як цей гормон стимулює реабсорбцію натрію, але при цьому з організму виводяться калій та протон гідрогену.Ну або ж як сказано раніше, введення гідрокарбонатів в організм(екзогенний).

Компенсаторні механізми

Ну зрозуміло, що у випадку респіраторного алкалозу буде відбуватись підсилена реабсорбція протонів гідрогену із первинної сечі, але при цьому будуть виводитись гідрокарбонати.Знову ж таки, щоб активувати цей процес потрібен час.
А у випадку метаболічного алкалозу буде пригнічуватись дихальний центр: в крові зменшується кількість протонів гідрогену та вуглекислого газу, а значить не буде основних інгібіторів дихального центру - він стає більш активним, посилає більше імпульсів до дихальних м'язів, тобто, розвивається брадипное, збільшується концентрація вуглекислого газу, що призводить до утворення більшої кількості протонів гідрогену.

Ускладнення

Зміщення кислотно-основної рівноваги не просто спричиняє денатурацію білків, а ще й може призвести до різних електролітних порушень, так як при цьому змінюється кількість протонів гідрогену, які є позитивно зарядженими, а отже організм буде намагатись якимось чином компенсувати втрату/підвищення позитивно заряджених частинок.
Перш за все розвивається гіперкаліємія: клітини намагаються вирівняти pH в міжклітинній речовині шляхом перекачування протонів гідрогену із навколишнього середовища в цитоплазму клітини, але так як протон заряджений позитивно, то клітина взамін віддає в міжклітинне середовище іон калію.Підвищення кількості калію в крові особливо небезпечне через розвиток аритмій.
Протони гідрогену сприяють розширенню судин(скоріш за все за рахунок конкуренції з кальцієм), таким чином падає загальний периферичний судинний опір, а отже знижується тиск - гіпотензія.
Ще одним ефектом є зниження сили серцевих скорочень: це пояснюється конкуренцією протонів гідрогену із кальцієм, тобто, кальцій в достатній кількості не потрапляє в клітину, відповідно менше утворюється актин-міозинових містків.Внаслідок зменшення ССС падає серцевий викид, відповідно, падає АТ.Але при цьому виникає тахікардія з аритміями: дуга аорти відчуває зниження АТ, що активує симпатичні нерви, які компенсують зниження АТ підвищенням провідності серця - тахікардія, коли аритмії обумовлені гіперкаліємією.
Ну і також може розвиватись гіперкаліємія, так як клітини в умовах ацидозу стають інсулінорезистентними.
Якщо в крові збільшується парціальний тиск вуглекислого газу, то буде активовуватись дихальний центр - тахіпное, яка в перспективі може призвести до накопичення лактату в дихальних м'язах, що призведе до їх втоми, але то не так уже і критично.
Тепер з приводу алкалозу:
Якщо при ацидозі розвивається гіперкаліємія, то при алкалозі навпаки: протонів гідрогену мало в навколишньому середовищі, відповідно, менше калію буде виходити з клітини в кров.Те ж саме стосується і іонів магнію.А от стосовно кальцію, то тут трохи цікавіше: альбумін(білок) любить прикріплювати до себе позитивно заряджені іони, наприклад, протони гідрогену, але коли їх стає мало, то альбумін стає негативно зарядженим і самотнім(немає позитивних гідрогенів), в такому випадку замість протонів будуть прикріплюватись іони кальцію, а відповідно, кількість вільних іонів кальцію в крові падає - гіпокальціємія.Здавалось, би що не дуже то й важливо, але гіпокальціємія пояснює чому при алкалозі можуть буть судоми: кальцій регулює активність потенціал-залежних натрієвих каналів, коли кальцію стає менше, то ці канали стають більш чутливими/збудливими, а значить можуть відкриватись спонтанно, призводячи до деполяризації клітини.А якщо цією клітиною є мотонейрон, то імпульс піде на м'язові волокна - буде неконтрольоване скорочення.
Тепер стосовно судин: якщо при ацидозі вони розширювались, то при алкалозі - звужуються, відповідно, може виникати гіпертензія.Але ще одним цікавим наслідком є гіпоксія: якщо кров в капілярах тканин стає лужною, то це порушує дисоціацію кисню від гемоглобіну, тобто, гемоглобін нормально з'єднується з киснем в легенях, але не віддає його в тканинах(зсув дисоціації), в таких випадках сатурація кисню буде задовільною, але тканини будуть страждати від гіпоксії.

Ну і що при ацидозі що при алкалозі може виникнути коматозний стан.