Буферные растворы

  При поступлении  в кровь оснований – акцепторов Н+ сдвиг равновесий в цепочке  происходит в обратной последовательности.

  В результате описанных процессов водородкарбонатная система крови быстро приходит в  равновесие с СО2 в альвеолах и  эффективно обеспечивает поддержание  постоянства рН плазы крови.

  Вследствие  того, что концентрация NaНСО3 в крови  значительно превышает концентрацию Н2СО3, буферная емкость этой системы  будет значительно выше по кислоте. Иначе говоря, водокарбонатная буферная система особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотност крови. К числу таких веществ, прежде всего, относят молочную кислоту HLac, избыток которой образуется в  результате интенсивной физической нагрузки. Этот избыток нейтрализуется в следующей цепочке реакций:

  NaНСО3 + HLac Ы  NaLac + Н2СО3 Ы Н2О + СО2(р) Ы СО2(г)

  Таким образом, эффективно поддерживается нормальное значение рН крови при слабо выраженном сдвиге рН, обусловленным ацидозом.

  В замкнутых  помещениях часто испытывают удушье – нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько  с недостатком кислорода, сколько  с избытком СО2. Избыток СО2 в атмосфере  приводит к дополнительному растворению  СО2 в крови (согласно закону Генри), а это приводит к понижению  рН крови, т. е. к ацидозу (уменьшение резервной щелочности).

  Водородкарбонатная  буферная система наиболее "быстро" отзывается на изменение рН крови. Ее буферная емкость по кислоте составляет Вк = 40 ммоль/л плазмы крови, а буферная емкость по щелочи значительно меньше и равна примерно Вщ = 1 – 2 ммоль/л  плазмы крови.

  2. Фосфатная  буферная система НРО42-/Н2РО4- состоит  из слабой кислоты Н2РО4- и сопряженного  основания НРО42-. В основе ее  действия лежит кислотно-основное  равновесие, равновесие между гидрофофсфат- и дигидрофосфат-ионами:

  НРО42- + Н+ Ы  Н2РО4-

  НРО42- + Н2О  Ы Н2РО4- + ОН-

  Фосфатная буферная система способа сопротивляться изменению рН в интервале 6, 2 – 8, 2, т. е. обеспечивает значительную долю буферной емкости крови.

  Из уравнения  Гендерсона–Гассельбаха (4) для этой уферной системы следует, что  в норме при рН 7, 4 отношение  концентраций соли (НРО42-) и кислоты (Н2РО4-) примерно составляет 1. 6. Это  следует из равенства:

  Отсюда

  Фосфорная буферная система имеет более  высокую емкость по кислоте, чем  по щелочи. Поэтому она эффективно нейтрализует кислые метаболиты, поступающие  в кровь, например молочную кислоту HLac:

  НРО42- + HLac Ы  Н2РО4- + Lac-

  Однако различия буферной емкости данной системы  по кислоте и щелочи не столь велики, как у водородкарбонатной: Вк = 1 –2 ммоль/ л; Вщ = 0, 5 ммоль/ л. Поэтому фосфатная  система в нейтрализации как  кислых, так и основных продуктов  метаболизма. В связи с малым  содержанием фосфатов в плазе  крови она менее мощная, чем  вородкарбонатная буферная система.

  3. Буферная  система оксигемоглобин-гемоглобин, на долю которой приходится  около 75% буферной емкости крови,  характеризующаяся равновесием  между ионами гемоглобина Hb- и  самим гемоглобином HНb, являющимся очень слабой кислотой (КHНb = 6, 3 ґ 10-9; рКHНb = 8, 2).

  Hb- + Н+ Ы  HНb

  Hb- + Н2О Ы  HНb + ОН-

  а также  между ионами оксигемоглобина HbО2- и  самим оксигемоглобином HНbО2, который  является несколько более сильной, чем гемоглобин, кислотой (КHНbО2 = 1. 12 ґ 10-7; рКHНbО2 = 6, 95):

  HbО2- + Н+ Ы  HНbО2

  HbО2- + Н2О  Ы HНbО2 + ОН-

  Гемоглобин HНb, присоединяя кислород, образует оксигемоглобин HНbО2

  HНb + О2 Ы  HНbО2

  и, таким  образом, первые два равновесия взаимосвязаны  со следующими двумя.

  4. Белковая  буферная система состоит из "белка-основания"  и "белка-соли".

  СОО- СОО-

  R – СН + Н+  Ы R – СН

  NН2 N+Н3

  белок-основание  белок-соль

  Соответствующее кислотно-основное равновесие в средах, близких к нейтральным, смещено  влево и "белок-основание" преобладает.

  Основную  часть белков плазмы крови (»90%) составляют альбумины и глобулины. Изоэлектрические точки этих белков (число катионных  и анионных групп одинаково, заряд  молекулы белка равен нулю) лежат  в слабокислой среде при рН 4,9 – 6,3, поэтому в физиологических  условиях при рН 7,4 белки находятся  преимущественно в формах "белок-основание" и "белок-соль".

  Буферная  емкость, определяемая белками плазмы, зависит от концентрации белков, их вторичной и третичной структуры  и числа свободных протон-акцепторных  групп. Эта система может нейтрализовать как кислые, так и основные продукты. Однако вследствие преобладания формы "белок-основание" ее буферная емкость  значительно выше по кислоте и  составляет для альбуминов Вк = 10 ммоль/л, а для глобулинов Вк = 3 ммоль/л.

  Буферная  емкость свободных аминокислот  плазмы крови незначительна как  по кислоте, так и по щелочи. Это  связано с тем, что почти все  аминокислоты имеют значения рКа, очень  далекие от рКа = 7. Поэтому при  физиологическом значении рН их мощность мала. Практически только одна аминокислота – гистидин (рКа = 6,0) обладает значительным буферным действием при значениях  рН, близких к рН плазмы крови.

  Таким образом, мощность буферных систем плазмы крови  уменьшается в направлении

  НСО3-/ Н2СО3 > белки > НРО42-/ Н2РО4- > аминокислоты

  Эритроциты. Во внутренней среде эритроцитов  в норме поддерживается постоянное рН, равное 7,25. Здесь также действуют  водородкарбонатная и фосфатная  буферные системы. Однако их мощность отличается от таковой в плазме крови. Кроме того, в эритроцитах белковая система гемоглобин-оксигемоглобин играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам  и удалению из них метаболической СО2), так и в поддержании постоянства  рН внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом. Необходимо отметит, что эта буферная система  в эритроцитах тесно связана  с водородкарбонатной системой. Т. к. рН внутри эритроцитов 7,25, то соотношение  концентраций соли (НСО3-) и кислоты (Н2СО3) здесь несколько меньше, чем  в плазме крови. И хотя буферная емкость  этой системы по кислоте внутри эритроцитов  несколько меньше, чем в плазме, она эффективно поддерживает постоянство  рН.

  Фосфатная буферная емкость играет в клетках  крови гораздо более важную роль, чем в плазме крови. Прежде всего, это связано с большим содержанием  в эритроцитах неорганических фосфатов. Кроме того, большое значение в  поддерживании постоянства рН имеют  эфиры фосфорных кислот, главным  образом фосфолипиды, составляющие основу мембран эритроцитов.

  Фосфолипиды являются относительно слабыми кислотами. Значения рКа диссоциации фосфатных  групп находятся в пределах от 6,8 до 7,2. Поэтому при физиологическом  рН 7,25 фосфолипиды мембран эритроцитов  находятся как в виде неионизированных, так ионизированных форм. Иначе говоря, в виде слабой кислоты и ее соли. При этом соотношение концентраций соли и слабой кислоты составляет примерно (1,5 – 4) : 1. Следовательно, сама мембрана эритроцитов обладает буферным действием, поддерживая постоянство  рН внутренней среды эритроцитов.

  Таким образом, в поддержании постоянства кислотно-щелочного  равновесия в крови участвует  ряд буферных систем, обеспечивающих кислотно-основной гомеостаз в организме.

  В современной  клинической практике кислотно-щелочное равновесие (КЩР) организма обычно определяют путем исследования крови по микрометоду  Аструпа и выражают в единицах ВЕ (от лат. "би-эксцесс" – избыток  оснований). При нормальном кислотно-щелочном состоянии организма ВЕ = 0 (в аппарате Аструпа этому значению ВЕ отвечает рН 7,4).

  При значениях  ВЕ от 0 до ± 3 КЩС организма считается  нормальным, при ВЕ = ± (6 – 9) – тревожным, при ВЕ = ± (10 – 14) – угрожающим, а  при абсолютном значении ВЕ, превышающим 14, - критическим.

  Для коррекции  КЩР при ВЕ<0 (ацидоз) чаще используют 4%-ный раствор гидрокарбонаната натрия, который вводят внутривенно. Необходимый объем этого раствора в мл рассчитывают по эмпирической формуле v = 0,5mВЕ, где m – масса тела, кг.

  Если состояние  ацидоза возникло в результате кратковременной  остановки сердца, то объем 4%-ного раствора NаНСО3 (v мл), необходимый для компенсации  сдвига КЩР в кислую область, рассчитывают по формуле v = m z, где z – продолжительность  остановки сердца, мин.

  Коррекция КЩР при алкалозе более сложна и требует учета многих привходящих  обстоятельств. В качестве одной  из временных мер целесообразно  введение от 5 до 15 мл 5%-го раствора аскорбиновой кислоты.

  Метод кислотно-основного  титрования в одном из своих вариантов (алкалиметрия) позволяет определять количества кислот и кислотообразующих  веществ (солей, составленных из катиона  слабого основания и аниона сильной  кислоты и т. п.) с помощью растворов  щелочной известной концентрации, называемых рабочими. В другом варианте (ацидиметрия) этот метод позволяет определять количества оснований и веществ  основного характера (оксидов, гидридов и нитридов металлов, органических аминов, солей, составленных из катионов сильных оснований и анионов  слабых кислот и т. п.) с помощью  рабочих растворов кислот.

  Метод кислотно-основного  титрования используется в практике клинических, судебно-экспертных и  санитарно-гигиенических исследований, а также при оценке качества лекарственных  препаратов.