31

ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Экз №__

Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

«УТВЕРЖДАЮ»

ИО начальника кафедры

клинической биохимии и

лабораторной диагностики

полковник медицинской службы

В.ПАСТУШЕНКОВ

«___» _____________ 2008 г.

доцент кафедры клинической биохимии и лабораторной диагностики

доктор медицинских наук В.АНТОНОВ

_____________________________________________________________________

должность, ученая степень, ученое звание, воинское звание, инициал имени, фамилия автора (авторов)

ЛЕКЦИЯ № 29

_________________________________________

(номер по тематическому плану изучения дисциплины)

по дисциплине: «Биохимия»

___________________________________________________________

(наименование учебной дисциплины)

на тему: «Биохимия кислотно-основного состояния и

водноэлектролитногообмена»

________________________________________________

(наименование темы занятий по тематическому плану изучения дисциплины)

с курсантами и студентами 2 курса факультетов подготовки врачей

(военно-медицинских специалистов иностранных армий)

Обсуждена и одобрена на заседании кафедры

«____» ____________ 200___ г.

Протокол №______

Уточнено (дополнено):

«____» ____________ 200___ г.

_____________________________________

(воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)

Лекция на тему: «Биохимия кислотно-основного состояния и

водноэлектролитногообмена»

Учебные групп: курсанты и слушатели II курса ФПВ

Цель лекции: Рассмотреть биохимические закономерности функционирования систем кислотно-основного состояния (КОС) и водно-электролитного обмена (ВЭО), показатели используемые в лабораторной диагностике их нарушений.

Время лекции: 2 часа

План лекции.

Введение.

Кислотно-основное состояние

- Буферные системы.

- Активность дыхательной системы и кислотно-основное состояние

- Функциональная активность почек и кислотно-основное состояние

.Нарушения кислотно-основного состояния

.Водно-электролитный обмен

.Лабораторные показатели водно-электролитного обмена.

Заключение

Введение

Высокоорганизованные организмы, включая и человека, имеют внутреннюю среду, которая сформировалась в процессе эволюционного развития и является необходимым структурным компонентом многоклеточного организма. Необходимость формирования внутренней среды в эволюции была обусловлена рядом обстоятельств, среди которых немаловажными стали изменения среды существования (внешней среды), несопоставимые с жизнедеятельностью клетки и интеграция клеток в многоклеточный организм. Внутреннюю среду организма можно разделить на «внутреннюю атмосферу» и «внутренний океан». «Внутренней атмосферой» называют объем воздуха, находящийся в альвеолах и мелких бронхиолах. Остальной воздух, который находится вне этого объема и контактирует с внешней атмосферой, определяют как воздух «мертвого пространства». «Мертвое пространство» выполняет функцию барьера между внешней атмосферой и воздухом альвеолярного пространства.

«Внутренний океан» включает в себя кровь, лимфу, межклеточную и межтканевую жидкости, ликвор, эндолимфу и другие специализированные водные растворы. Граница между внутренними растворами и внешней средой проходит по кожному покрову и слизистым оболочкам.

Внутреннюю среду характеризует относительно небольшой диапазон изменений количества газов и воды, органических и неорганических веществ, несмотря на то, что клетки утратившие возможность непосредственного получения пластического и трофического материала из внешней среды и удаления в нее продуктов своей жизнедеятельности, постоянно совершают обмен с внутренней средой организма. Таким образом, назначение внутренней среды состоит в создании оптимальных и очень стабильных условий для деятельности каждой клетки организма.

Кислотно-основное состояние

Постоянная концентрация ионов водорода во внутренней среде организма является одним из её важнейших физико-химических и физиологических свойств. Активность биохимических, физико-химических и физиологических процессов, составляющих функционально единую систему поддержания стабильной концентрации ионов водорода, определяют как кислотно-основное состояние (КОС).

Правильное течение процессов обмена веществ возможно при незначительных колебаниях концентрации ионов водорода в тканях. В процессе метаболизма в результате превращений веществ в течение 24 ч образуется около 15000 ммоль угольной кислоты (H₂CO₃) и до 1 ммоль/кг массы тела нелетучих кислот. Основным источником нелетучих кислот являются серосодержащие белки пищи и распадающиеся белки клеток, продукты неполного окисления жирных кислот и углеводов (кетокислоты, молочная кислота и др.). Значения рН, совместимые с жизнью, находятся в пределах от 6.80 до 7.80 единиц (160 нмоль/л - 16 нмоль/л). Состоянию нормы соответствует еще более узкий диапазон значений рН. В частности для крови он составляет 7.37–7.44, со средним значением 7.40 (40 нмоль/л). Образующиеся в результате метаболизма кислоты, а при их диссоциации ионы водорода и основания, в норме не должны изменять величину рН за пределы диапазона физиологической нормы. В организме физиологически приемлемый оптимум значений концентрации Н^ поддерживается благодаря сбалансированному уровню активности функционально единой системы, включающей биохимические, буферные и физиологические процессы.

Реакция организма на образование физиологически избыточных количеств СО₂ и H^ включает:

1) химичеcкое действие вне- и внутриклеточных буферов;

2) изменение интенсивности:

- внутриклеточных биохимических процессов образования H⁺ и СО₂;

- альвеолярной вентиляции, контролирующей уровень P_СО2;

- почечной экскреции Н^, реабсорбции и синтеза бикарбоната.

При нормальных условиях буферные, биохимические и физиологические процессы регуляции поддерживают устойчивое равновесие между образованием и удалением Н^ и СО₂, что обеспечивает в крови значение рН – 7.4 – 6.8 (рис.1).

Рис.1. А – продукция ионов водорода в организме человека (pH крови отражает уровень равновесия между процессами продукции и удаления ионов водорода). Б – pH биологических сред организма в сравнении с плазмой крови

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Соединения, предотвращающие резкое изменение концентрации ионов водорода, называются буферами. К ним относятся кислотно-основные пары, образованные слабыми кислотами (НА) и их кислотными остатками (А^), которые обладают основными свойствами, так как способны связывать ионы водорода:

Н^  А^  НА

Основными буферными системами организма являются - бикарбонатная, гидрофосфатная и белковая, включающая гемоглобиновый буфер(рис.2).

Рис.2. Буферные системы плазмы крови

Другие буферные системы организма менее важны в количественном отношении. Буферные системы в организме присутствуют как вне, так и внутри клеток. В буферной системе взаимосвязь между компонентами – ионами водорода, основными остатками и молекулами кислоты подчиняется закону действующих масс:

К_а  [Н^] А^]/НА],

где К_а – константа диссоциации кислоты, её значение соответствует молярной концентрации кислоты, при которой половина всех молекул вещества находится в ионизированной форме.

Преобразуя это уравнение относительно концентрации иона водорода получаем:

[Н^]=К_а[НА]/  А^],

Логарифмируя значения величин уравнения, имеем:

pH= рК_а + lg ([A^]/[НА]),

где рН – отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода(-lg [H^]);

рК_а – отрицательный десятичный логарифм значения константы диссоциации кислоты – (lg [К_а]).

Полученное выражение – это уравнение Гендерсона – Гассельбаха. Оно позволяет рассчитать рН буферной системы по значениям рК_а и отношению молярных концентраций основания и кислоты, или же, напротив, определить величину молярного отношения основания и кислоты, когда известны значения рН и рК_а.

Внеклеточные буферы

Внеклеточные буферы в течение 1–2 с реагируют на изменения рН при нагрузке как кислотами, так и щелочами. Внеклеточные буферы способны компенсировать более 50% органических и практически всех неорганических кислот, образующихся при сбалансированном метаболизме. Более половины буферной емкости внеклеточных буферов приходится на бикарбонатную буферную систему. Остальная часть внеклеточной буферной емкости распределяется в основном между гидрофосфатной, белковой и другими буферными системами.

ФОСФАТНАЯ БУФЕРНАЯ СИСТЕМА

(H₂PO₄^-/ HPO₄^2-)

Фосфатная буферная система в крови не играет столь значимой роли, как бикарбонатная, однако ее доля в буферной емкости плазмы крови все же достаточно значительна. Компоненты фосфатной буферной системы реагируют с кислыми или основными эквивалентами, что ситуационно определяется характером воздействия на забуференную среду.

Действие фосфатной буферной системы при нагрузке среды кислыми продуктами проявляется увеличением содержания дигидрофосфата (H₂PO₄^-) и снижением концентрации гидрофосфата (HPO₄^2-).

Например:

Н₂SO₄ + 2Na₂HPO₄  Na₂SO₄ + 2NaH₂PO₄

Сильная кислота гидрофосфат соль сильной кислоты дигидрофосфат

Дигидрофосфат – это слабодиссоциирующая кислота (рК_а = 7.21 при 25°C). Все кислоты, рК_а которых меньше величины 7.21, будут отдавать ион водорода гидрофосфату и подавлять диссоциацию образующегося дигидрофосфата. Вследствие этого произойдет перераспределение иона водорода между какой-либо кислотой и фосфатной буферной системой. Активная концентрация ионов водорода в среде будет определяться, таким образом, количественным соотношением между дигидрофосфатом и гидрофосфатом.

При избыточной потере кислых продуктов и преобладании в среде оснований фосфатная буферная система включается следующим образом:

NaОН + NaH₂PO₄  Na₂HPO₄ + Н₂О

Щелочь дигидрофосфат гидрофосфат вода

В присутствии более сильных органических и неорганических оснований способность гидрофосфата связывать ионы водорода будет подавлена. Напротив, дигидрофосфат будет отдавать ионы водорода на нейтрализацию гидроксильной группы. В пределах буферных возможностей фосфатной буферной системы дигидрофосфат и гидрофосфат будут стабилизировать активную концентрацию ионов водорода, которая, как и в случае нагрузки кислотами, будет определяться количественным соотношением между дигидрофосфатом и гидрофосфатом.

БЕЛКОВАЯ БУФЕРНАЯ СИСТЕМА

(Pr^-/HPr)

Буферные свойства белков плазмы крови определяют образующие их аминокислоты, боковые радикалы которых способны связывать или отдавать ионы водорода. Буферную активность проявляют свободные основные группы лизина, аргинина и гистидина, свободные карбоксильные группы аспартата и глутамата, тиоловая группа цистеина и фенольная группа тирозина. Концевые амино- и карбоксильные группы белков также участвуют в буферных процессах. В буферных процессах при рН 7.4 эффективна преимущественно имидазольная группа гистидина, содержание которого в структуре белков плазмы крови невелико. Вклад в буферную емкость плазмы крови не превышает 1–3%. Однако рК_а перечисленных ионизирующихся групп охватывают широкий диапазон рН, в связи с чем белки представляют собой буферную систему с эффективным динамическим диапазоном, что определяет их стабильную буферную активность в диапазоне рН, совместимом с жизнедеятельностью.

БИКАРБОНАТНАЯ БУФЕРНАЯ СИСТЕМА

(HCO₃^-/Н₂СО₃)

Бикарбонатный буфер является основным внеклеточным буфером. На его долю приходится до 58% буферной емкости плазмы крови. Механизм буферного действия бикарбонатной буферной системы аналогичен механизму действия фосфатной буферной системы. Компоненты бикарбонатной буферной системы реагируют с кислыми или основными эквивалентами в зависимости от характера воздействия на забуференную среду.

Буферное действие бикарбонатной буферной системы при нагрузке кислыми эквивалентами проявляется снижением количества в среде иона бикарбоната (НСО₃^) и увеличением содержания угольной кислоты (Н₂СО₃): ионы водорода соединяются с бикарбонатом и дают относительно слабо диссоциирующую угольную кислоту :

HСl + NaНСО₃  NaCl + Н₂СО₃

^{сильная кислота основание соль слабая кислота}

Угольная кислота имеет константу диссоциации рК_а= 6.1. Её диссоциация в присутствии более сильных органических и неорганических кислот (с рК_а 6.1) будет подавлятся. Вследствие этого произойдет перераспределение иона водорода между-какой либо кислотой и компонентами бикарбонатной буферной системы. В этой связи активная концентрация ионов водорода в среде будет определяться количественным соотношением между уровнями бикарбоната и угольной кислоты.

В случае нагрузки забуференной среды основными эквивалентами также меняется содержание бикарбоната и угольной кислоты. Угольная кислота отдает ион водорода на нейтрализацию гидроксильной группы (ОН^) и трансформируется в НСО₃^:

NaОН + Н₂СО₃  NaНСО₃ + Н₂О

^{щелочь слабая кислота бикарбоат вода}

В пределах буферных возможностей бикарбонатной буферной системы её компоненты будут стабилизировать активную концентрацию ионов водорода, которая, как и в случае нагрузки кислотами, будет определяться количественным соотношением между уровнями бикарбоната и угольной кислоты.

Роль бикарбонатного буфера как основного буфера крови определяется не механизмом его буферного действия, который аналогичен механизмам действия других буферных систем, а характером интеграции его буферных компонентов с метаболическими реакциями в клетках организма и физиологическими процессами в легких, почках, в меньшей степени желудочно-кишечном тракте, обеспечивающими в числе прочих констант и концентрацию ионов водорода. Уравнение Гендерсона –Гассельбаха применительно к бикарбонатной буферной системе крови с учетом ее интегративного характера в организме принимает вид:

рН = рК_Н2СО3 + lg ([HCOз](почки+внутриклеточое пр-во))/ ([Н₂СО₃] (легкие))

Подобная запись уравнения отражает вклад функциональной активности легких и почек в процессы обмена бикарбоната и угольной кислоты. Так, физиологически оптимальное количество Н₂СО₃, оцениваемое по её содержанию в крови, составляет 1.2 ммоль/л. В клетках организма человека, окисляющих компоненты смешанной пищи с освобождением энергии, эквивалентной 3000 ккал, в течение суток образуется около 22 моль углекислого газа, что способно обеспечить синтез более чем 15 молей угольной кислоты. Избыток угольной кислоты постоянно удаляется из организма через легкие в форме углекислого газа. Способность угольной кислоты трансформироваться в газообразный продукт – углекислый газ и наоборот, СО₂ при растворении в воде образовывать угольную кислоту, определяют как летучесть. Газообразный продукт – СО₂ , всегда находится в равновесии со своим водорастворимым компонентом – Н₂СО₃:

СО₂ + СО₂ + СО₂  СО₂+Н₂О Н₂СО₃  НСО₃^- + Н⁺

Газообразный продукт Образование водорастворимого компонента

Равновесный характер поведения летучего соединения позволяет рассчитывать концентрацию его водорастворимой компоненты, исходя из парциального давления газообразного продукта. Для углекислого газа и угольной кислоты это свойство отражено в равенстве:

[Н₂СО₃] = 0,03  РСО₂ ,

где 0,03 – коэффициент растворимости СО₂ , имеющий размерность ммоль/мм ртутного столба;

РСО₂ – парциальное давление СО₂ в мм рт.ст.

В условиях физиологического комфорта количество СО₂ в альвеолярном воздухе (внутренней атмосфере) величина постоянная, соответствующая РСО₂ = 405 мм рт.ст. и отражающая равновесие между продукцией СО₂ в реакциях аэробного окисления субстратов в клетках и транспортной способностью крови, сопряженной с физиологической активностью легких по удалению или сохранению необходимых количеств этого газообразного соединения для кислотной компоненты бикарбонатной буферной системы.

Как и количество угольной кислоты, стабильной величиной является концентрация бикарбоната в плазме крови, составляющая в среднем 24 ммоль/л.

Решая уравнение Гендерсона – Гассельбаха для физиологически оптимальных значений концентрации бикарбоната, равной 24 ммоль/л и напряжения углекислого газа, равного 40 мм рт.ст.:

рН = рК_Н2СО3 + lg[HCOз^]/ [Н₂СО₃],

где рК_Н2СО3 = 6.1;

[HCOз^] = 24 ммоль/л;

[Н₂СО₃] = 1.2 ммоль/л

рН = 6.1+ lg(24/1.2) = 6.1 + lg 20 = 6.1 + 1.3 = 7.4

Получаем соотношение [HCOз^]/ [Н₂СО₃]равное:

24 ммоль/л : 1.2 ммоль/л = 20:1

Отношение 20:1 показывает тот избыток бикарбоната, который должен быть в этой буферной системе, чтобы она могла эффективно стабилизировать рН = 7.4. Двадцатикратный избыток бикарбоната создается благодаря почечным процессам ацидо- и аммониогенеза.

Относительно устойчивую концентрацию бикарбоната плазмы крови поддерживают:

• бикарбонат, входящий в неорганические соединения костного матрикса;

• бикарбонат внутриклеточного пространства.

Фактически и тот, и другой источники бикарбоната для плазмы крови можно рассматривать в качестве его депо.

Внутри клеток бикарбонат, как и в плазме крови, является компонентом внутриклеточной бикарбонатной буферной системы. Если падает внеклеточная концентрация бикарбоната, то его недостаток относительно быстро восполняется из внутриклеточного депо. Скорость этого процесса достаточно высока. Так, установлено, что одномоментное введение 12 ммоль H⁺ на литр крови должно привести к снижению концентрация бикарбоната в плазме крови с 24 до 12 ммоль/л. Если бы кровь была аналогична буферному раствору, полностью изолированному от обмена с внешней средой и внутриклеточным пространством, то при исходном значении РСО₂ 40 мм рт.ст. рН такой замкнутой буферной системы составил бы 6.1 единицу. Однако рН крови снижается до 7.1 единицы, а через минуту становится равен 7.35. Концентрация же бикарбоната в плазме крови в момент введения 12 ммоль H⁺ на литр крови действительно падает до 12 ммоль/л, уже через минуту концентрация бикарбоната в плазме крови составляет 21.5 ммоль/л. Через час показатели бикарбонатной буферной системы будут соответствовать физиологически оптимальным величинам. Быстрая нейтрализация ионов водорода в начальный момент обеспечивается их связыванием с бикарбонатом плазмы крови (начинают реагировать через 1–2), увеличение количества бикарбоната в следующую минуту обусловлено его выходом из внутриклеточного пространства. В течение часа функциональная активность легких и почек обеспечивает восстановление физиологического баланса в содержании компонентов бикарбонатной буферной системы как вне клеток, так и во внутриклеточном пространстве.

Вклад внутриклеточного пространства не ограничивается лишь восполнением утраченного бикарбоната. Внутриклеточное пространство имеет свои буферные ресурсы и механизмы их интеграции в буферные процессы организма.