Буферні системи організму людини

Вступ

Організм можна визначити як фізико-хімічну систему, яка існує в навколишньому середовищі в стаціонарному стані. Саме ця здатність живих систем зберігати стаціонарний стан в умовах безупинно мінливого середовища й обумовлює їх виживання. Для забезпечення стаціонарного стану у всіх організмів - від морфологічно найпростіших до найбільш складних - виробилися різноманітні анатомічні, фізіологічні та поведінкові пристосування, службовці однієї мети - збереження сталості внутрішнього середовища.

Це відносне динамічну постійність внутрішнього середовища (крові, лімфи, тканинної рідини) і стійкість основних фізіологічних функцій (кровообігу, дихання, терморегуляції, обміну речовин і т.д.) організму людини і тварин називається гомеостазом.

Цей процес здійснюється переважно діяльністю легень і нирок за рахунок дихальної та видільної функції. В основі лежить збереження гомеостазу кислотно-основного балансу.

1. Освіта кислот в організмі

При метаболізмі в клітинах утворюються різні кислоти. Більшість з них потім виділяється клітинами у вигляді вуглекислого газу, який за допомогою ферменту карбоангідрази зв'язується в еритроцитах з гемоглобіном і переноситься в легені. У легенях вуглекислий газ заміщається киснем і віддаляється при диханні в навколишнє середовище. У звичайних умовах в організмі існує постійна баланс між утворюються і видихається вуглекислим газом, і тому накопичення кислот в тканинах не відбувається.

В результаті метаболізму білків утворюються нелетучих кислоти, такі як сірчана і фосфорна. Щодня при нормальному харчуванні тільки за рахунок продукції нелетучих кислот виробляється близько одного ммоль/л іонів водню на кожен кілограм маси тіла. Якби освіта кислот відбувалося безконтрольно, то за одні добу концентрація іонів водню в організмі могла б збільшитися від нормальної величини в 40 нмоль/л до 2 ммоль/л, а показник рН відповідно знизився б до 2.7. Для нормальної життєдіяльності більшості клітин необхідні досить вузькі межі рН (6.9 - 7.8), і організм змушений постійно здійснювати нейтралізацію утворюються кислот. Цей процес виконують буферні системи, які пов'язують надлишок іонів водню і контролюють їх подальші переміщення в організмі. Регенерація буферних систем відбувається в нирках, які звільнилися іони водню виводяться з сечею. Коли функція нирок не порушена, організму легко вдається підтримувати оптимальну для себе рН - 7.4.

2. Буферні системи організму

Основна функція буферних систем запобігання значних зрушень рН шляхом взаємодії буфера як з кислотою, так і з основою. Дія буферних систем в організмі спрямована переважно на нейтралізацію утворюються кислот.

Н + + Буфер-<==> Н-буфер

В організмі одночасно існує кілька різних буферних систем. У функціональному плані їх можна розділити на двокарбонатний і небікарбонатную. Небікарбонатная буферна система включає гемоглобін, різні білки і фосфати. Вона найбільш активно діє в крові й усередині клітин.

Рис.1. Іон бікарбонату.

Бікарбонат є ключовим компонентом головною буферної системи організму. Вона складається з двох кислотно-основних частин, що знаходяться в динамічній рівновазі: вугільна кислота/двокарбонатний іон і двокарбонатний іон/карбонатний іон.

Кислоти, що утворюються в процесі метаболізму, нейтралізуються бікарбонатом. При рН близько 7.4 в організмі переважає двокарбонатний іон, і його концентрація може в 20 разів перевищувати концентрацію вугільної кислоти. За своєю природою вугільна кислота дуже нестійка і відразу ж після свого утворення розщеплюється на вуглекислий газ і воду. Реакції освіти і подальшого швидкого розщеплення вугільної кислоти в організмі настільки досконалі, що їм часто не надають особливого значення. Ці реакції каталізується ферментом карбоангідраза, який знаходиться в еритроцитах і в нирках. Залежно від умов, обидві реакції можуть йти в тому чи іншому напрямку.

Якщо в закритій системі з'являється надлишок вуглекислого газу, то рівновага цих реакцій зміщується вліво, що призводить до незначного зниження рН. Особливість двокарбонатний буферної системи полягає в тому, що вона відкрита. Надлишок іонів водню зв'язується з бікарбонатом, що утворюється при цьому вуглекислий газ стимулює дихальний центр, вентиляція легенів підвищується, а надлишки вуглекислого газу видаляються при диханні. Так в організмі підтримується баланс рН. Чим більше в клітинах утворюється іонів водню, тим більше витрата двокарбонатний буфера. На цьому етапі метаболізму підключаються бруньки, які виводять надлишок іонів водню, і кількість бікарбонату в організмі відновлюється.

Рис. 2. Буферні системи організму.

Небікарбонатние буферні системи активно функціонують в крові й усередині клітин. Фосфатний буфер може діяти як у складі органічних молекул, так і в якості вільних іонів. Одна його молекула здатна зв'язувати до трьох катіонів водню. Білки можуть приєднувати до своєї поліпептидного ланцюжку як кислотні, так і основні групи.

Буферна ємність білкової буферної системи може охоплювати широкий діапазон рН. У залежно від наявної величини рН вона може зв'язувати як гідроксильні групи, так і іони водню. Третя частина буферної ємності крові доводиться на гемоглобін. Кожна молекула гемоглобіну може нейтралізувати кілька іонів водню. Коли кисень переходить з гемоглобіну в тканини, здатність гемоглобіну зв'язувати іони водню зростає і навпаки: коли в легенях відбувається оксигенація гемоглобіну, він втрачає приєднані іони водню. Вивільнені іони водню реагують з бікарбонатом, і в результаті утворюється вуглекислий газ і вода. Утворився вуглекислий газ видаляється з легенях при диханні. Наведений приклад ілюструє процес відновлення небікарбонатних буферних систем за допомогою двокарбонатний буферної системи.

Цей процес можна розглядати як ланцюг реакцій, в результаті яких іон водню переміщується між різними буферними системами, в кінцевому підсумку досягаючи двокарбонатний буфера.

3. Роль нирок

Як описано вище, що утворилися в результаті метаболізму кислоти відразу ж потрапляють під контроль різних буферних систем. Це перешкоджає різким зрушенням рН внутрішнього середовища організму. Утворюється вуглекислий газ виділяється через легені при диханні, а нелетучих кислоти можуть екскретуватися тільки нирками.

Підтримка буферної ємності організму і відновлення різних буферних систем відбувається за рахунок відновлення рівня сироваткового бікарбонату. Цей процес здійснюється в нирках.

На першому етапі освіти сечі (клубочкова фільтрація) утворюється ультрафільтрату плазми, що представляє собою первинну сечу, за складом аналогічну плазмі. У первинної сечі міститься значна кількість бікарбонату, який організму необхідно зберегти. Тому, коли рівень бікарбонату у плазмі падає нижче фізіологічних показників, в проксимальних канальцях нирок за участю ферменту карбоангідрази починається процес реабсорбції профільтроване в клубочках двокарбонатний іонів.

Рис.3. Процес збереження іонів бікарбонату в нирках.

Але одного збереження бікарбонату недостатньо, тому що велика його кількість витрачається на відновлення інших буферів організму і втрачається при диханні в вигляді вуглекислого газу. Кількість бікарбонату в організмі необхідно постійно заповнювати. Цей процес здійснюється в дистальних канальцях за участю карбоангідрази. При цьому в сечу секретуються іони водню, які зв'язуються з фосфатами або амонієм в канальцевому фільтраті, а двокарбонатний іони повертаються в кров. Відбувається секреція нелетучих кислот і відновлення бікарбонату.

В результаті процесів, описаних вище, запобігають втрати бікарбонату з сечею, і утворюється додаткова кількість іонів бікарбонату, яке відповідає ендогенної продукції катіонів водню. При нормальних умовах відбувається відновлення фізіологічного рівня бікарбонату в крові (24 - 27 ммоль/л).

4. Ниркова недостатність

Погіршення функції нирок веде до зниження секреції іонів водню і реабсорбції бікарбонату, в організмі відбувається нагромадження кислот, а рівень бікарбонату плазми падає нижче фізіологічної норми. У початковій стадії ниркової недостатності за рахунок гіпервентиляції деякий час може підтримуватися фізіологічний рівень рН плазми, хоча потім все одно розвивається метаболічний ацидоз. Для зниження кислотного навантаження і поліпшення самопочуття хворих на цій стадії ниркової недостатності призначається дієта з обмеженням білка і таблетований бікарбонат.

За міру прогресування ниркової недостатності в метаболізм залучаються все наявні буферні запаси організму, включаючи карбонат, що міститься в кістках. У Надалі, коли симптоми стають небезпечними для життя, настає необхідність у лікуванні діалізом.

Незважаючи на зусилля лікарів, більшість діалізних хворих постійно знаходиться в стані метаболічного ацидозу. Це пояснюється тим, що за час гемодіалізау них не відбувається адекватної корекції кислотно-основного стану.

Висновок

В результаті різних метаболічних процесів в нашому організмі постійно утворюються різні кислоти. Вони відразу ж нейтралізуються буферними системами, серед яких найбільш важливою є двокарбонатний. Для підтримки постійного рівня рН внутрішнього середовища організму витрачається бікарбонат, що вимагає його постійній регенерації. У нормі цей процес відбувається в нирках. У хворих з нирковою недостатністю функцію нирок заміщає діаліз, а буферна ємність крові відновлюється за допомогою включення до складу діалізірующего розчину різних буферних джерел, найбільш фізіологічним з яких є бікарбонат. Через недостатню коррещіі кислотно-основного стану під час сеансу гемодіалізу багато діалізних хворі постійно перебувають під впливом метаболічного ацидозу.

Список літератури

Бікарбонати сироватки або плазми/Р. Маррі, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуелл// Біохімія людини: в 2-х томах. Т.2. Пер. з англ.: - М.: Світ, 1993.

Буферні системи крові та кислотно-основну рівновагу/Т.Т. Березів, Б.Ф. Коровкін// Біологічна хімія: Підручник/Під ред.акад. РАМН С.С. Дебова. - 2-е изд. перераб. і доп. - М.: Медицина, 1990.

ацетатний і двокарбонатний діаліз Ледебо І. (переклад з англ. С. Лашутіна, І. Дьяченко) М.: 1999.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.ronl.ru/