Глава 13. Кислотно-щелочное состояние.

Кислотно-щелочное состояние (кислотно-щелочное равновесие; кислотно-щелочной баланс; кислотно-основное равновесие) — одно из важнейших гомеостатических свойств внутренней среды организ­ма, характеризующееся относительным постоянством соотношения водородных и гидроксильных ионов и определяющее оптимальный характер обменных процессов и физиологических функций.

Основой внутренней среды является вода, молекулы которой при диссоциации дают Н⁺ и ОН" ионы. Соотношение их концентрации определяет актуальную реакцию жидкостей, прежде всего крови.

Актуальной называют существующую в организме в данных усло­виях кислотность или щелочность внутренней среды. От актуальной реакции среды зависят условия функционирования большинства бел­ков, так как электронейтральность белковой молекулы определяется ее изоэлектрической точкой, что прямо связано с кислотностью среды. Актуальная реакция среды определяет активность ферментов, для большинства из которых свойственны свои оптимальные значе­ния реакции среды. Кислотно-щелочное состояние внутренней сре­ды определяет в тканях направление и интенсивность процессов окисления и восстановления, расщепления и синтеза белков, угле­водов и жиров, нуклеиновых кислот, активность витаминов и мик­роэлементов. Изменения актуальной реакции среды помимо метабо­лизма влияют и на функции клеток, органов и систем, например сердца и сосудов, нервной системы и мышц, легких и почек. Кислотно-щелочное состояние среды определяет и биофизические свойства клеток и молекул, например, проницаемость мембран и возбудимость, степень дисперсности коллоидов и пр.

В свою очередь, кислотно-щелочное состояние как интегральный параметр внутренней среды зависит от состояния клеточного мета­болизма, газотранспортной функции крови, процессов питания и внешнего дыхания, водно-солевого обмена.

Внутриклеточная среда для большинства клеток нейтральна, т.к. это обеспечивает оптимальную возможность образования субстрат-ферментных комплексов. Внеклеточная жидкость и кровь имеют слегка щелочную реакцию, что облегчает нейтрализацию и удаление из клеток кислых метаболитов и Н~ ионов.

528

13.1. Кислоты и основания внутренней среды.

Общие представления о буферных растворах.

Кислотами называют вещества, способные при диссоциации в растворах выделять ион водорода (донаторы протона), а основаниями или щелочами — вещества, способные связывать ион водорода (ак­цепторы протона).

Вода в слабой степени диссоциирована на Н⁺ и ОН" ионы. При нейтральной реакции воды в ней имеется одинаковое количество Н⁺ и ОН ионов, при 22°С составляющее 10^-7 каждого. Произведение Н⁺ и ОН ионов в водном растворе, независимо от того ней­тральный, кислый он или щелочной, всегда одинаково и равно: 10^-7 -10^-7 =10^-14 . Эта величина называется константой диссоциации воды, очевидно, что если концентрация водородных ионов - [Н⁺]-будет расти, то число ОН ионов -[ОН]- будет уменьшаться.

Поскольку актуальная реакция водного раствора зависит от соот­ношения [Н⁺] и [ОН], ее оценивать можно по одной из них, т.е., как это принято, по [Н⁺]. Таким образом, раствор с нейтральной реакцией имеет [Н⁺] =10^-7, с кислой реакцией —[Н⁺]>10^-7 , а со щелочной реакцией — [Н⁺]<10^-7. Для оценки [Н*] используется отрицательный десятичный логарифм концентрации, который обо­значается рН и называется водородным показателем. Таким образом рН = - log[H⁺]. Следовательно, для нейтрального раствора рН = 7, для кислотно <7, а для щелочного — >7.

В норме величина рН в различных жидких средах организма неодинакова, но ее колебания невелики, рН внутриклеточной, тка­невой жидкости и крови относится к числу жестких гомеостатичес-ких констант. В табл. 13.1 приведены значения рН различных сред организма.

Кислоты образуются из принятой пищи и в результате межуточ­ного обмена веществ. Процессы окисления в клетках обусловливают появление органических и минеральных кислот. Так, катаболизм

Таблица 13.1 Актуальная реакция жидкостей		организма
Наименование жидкостей		РН
Атериальная кровь		7,36-7,42
Венозная кровь		7,26-7,36
Цереброспинальная жидкость		7,4 -7,5
Межклеточная жидкость тканей		7,26-7,38
Тканевая жидкость мышц		6,7 —6,9
Поджелудочный сок		7,8 —8,4
Желчь печеночная		7,3 -8,0
Желчь пузырная		6,0 —7,0
Слюна		5,8 —7,8
Желудочный сок		1,4 —1,8
Сок тонкой кишки		7,5 -8,6
Сок толстой кишки		8,0 —9,0

529

сернистых аминокислот вызывает появление серной кислоты; фос-фопротеины и нуклеопротеины ведут к образованию фосфорной и мочевой кислоты; липиды образуют свободные жирные кислоты; углеводы при окислении и гликолизе поставляют пировиноградную и молочную кислоту и т.п. Несмотря на то, что молочная кислота является органической, она довольно "сильная", т.к. ее рН при 26°С равен 3,73. Углекислый газ, образуемый как конечный продукт процессов окисления, также является кислотой, т.к. вместе с другим конечным продуктом окисления — водой — дает реакцию:

со₂+н₂о —> н_гсо₃—> H+нсо₃.

Углекислота является слабой кислотой, но служит в свою очередь источником углекислого газа, удаляемого через легкие, поэтому она еще называется летучей кислотой. Другие органические и неоргани­ческие кислоты называют нелетучими. Летучей кислоты образуется намного больше (до 20 000 ммоль СО₂), чем нелетучих кислот (око­ло 100 ммоль).

Кислоты, как промежуточный этап метаболизма, являются биохими­ческой необходимостью, характеризующей процессы жизнедеятельности клетки. При этом интенсивность образования кислот при метаболизме является одним из основных факторов, обеспечивающих поступление протонов во внутреннюю среду. Протоны, поступающие с пищей, играют в рН внутренней среды существенно меньшую роль. Содер­жание свободных водородных ионов зависит от интенсивности их связывания основаниями и выделения во внешнюю среду.

Основания поступают в организм преимущественно в раститель­ной пище, богатой щелочными и щелочноземельными солями. Об­разуются щелочи и клетками организма, например, внешнесекретор-ными клетками поджелудочной железы, секрет которых очень богат ОН ионами.

Интенсивность образования кислот прямо связана с окислитель­но-восстановительными реакциями клеток, обеспечением их кисло­родом. При ограничении обеспечения клеток кислородом или нали­чии кислородного долга из-за чрезмерной потребности в нем уси­ливаются или активизируются процессы анаэробного гликолиза. Появляющиеся в клетках в избытке пировиноградная и молочная кислоты переходят в тканевую жидкость и кровь. Так происходит, например, при интенсивной мышечной работе за счет отставания возможности кислородного обеспечения от потребности в нем и повышении скорости гликолиза в сотни раз. Молочная кислота является причиной более низкого рН в тканевой жидкости скелет­ных мышц, чем в других тканях.

Однако, несмотря на поступление в кровь пировиноградной и молочной кислот, также как и других нелетучих и летучих кислот, рН крови практические не меняется. Это свидетельствует о наличии в организме мощных гомеостатических систем, поддерживающих константу рН. К их числу относят физико-химические (буферные системы внутренней среды, тканевые обменные процессы) и физио­логические гомеостатические системы (легкие, почки, желудочно-кишечный тракт, костная ткань).

530

Свободные Н⁺ ионы, концентрация которых определяется водо­родным показателем, составляют активную кислотность или актив­ную реакцию водного раствора. Однако, не все кислоты в водном растворе диссоциируют полностью. Если кислоты образуют в рас­творе большое число недиссоциированных молекул и малое число Н-ионов, их называют "слабыми". При добавлении к раствору такой кислоты акцепторов протонов, т.е. оснований (ОН ионы), то сво­бодные Н⁺ ионы будут связываться, образуя .воду. Молекулы слабой кислоты, оставшиеся недиссоциированными, начнут освобождать но­вые протоны, которые вновь будут связываться добавляемой щело­чью. Так с помощью титрования щелочью можно добиться ней­тральной реакции среды, когда все содержащиеся в слабой кислоте в связанном виде потенциальные ионы Н⁺ выйдут в раствор и свяжутся акцептором протона, т.е. основанием. Количество щелочи, использованное на нейтрализацию всех потенциально способных к выходу в раствор ионов Н⁺ при диссоциации, носит название тит­руемой кислотности. Очевидно, что для растворов сильных, т.е. полностью диссоциирующих кислот, активная и титруемая кислот­ности равны, а чем слабее кислота, тем больше титруемая кислот­ность превышает активную кислотность.

Если к водному раствору слабой кислоты прибавить щелочь, то часть свободных Н-ионов будет связана, но рН среды почти не изменится, т.к. новые молекулы слабой кислоты диссоциируя вос­полнят связавшееся число свободных Н-ионов. Следовательно рас­твор слабой кислоты уменьшает сдвиг активной кислотности при добавлении щелочи. Подобным же образом слабая щелочь смягчает изменение кислотности среды при добавлении кислоты. Такие рас­творы получили название буферных. Буферные растворы способны сглаживать смещение рН при добавлении к ним кислот или щело­чей. Однако слабая кислота или слабая щелочь — это односторон­ние буфера, т.к. они проявляют свои буферные свойства только по отношению к одному из воздействий — либо кислотой, либо ще­лочью. Но можно создать и двустороннее направление буфера, и одновременно усилить сами буферные свойства раствора, если при­мешать к слабой кислоте соль той же кислоты.

Соль даже слабой кислоты диссоциирует почти полностью, т.е. дает наряду с ионом металла большое количество свободных анио­нов кислоты. Следовательно, в случае прибавления к слабой кислоте ее соли, увеличивается концентрация анионов и тем повышается скорость обратного соединения этих анионов с Н-ионами. Диссо­циация кислоты угнетаечся и возрастает число потенциальных ионов Н⁺. Таким образом этот раствор окажет большее сопротивление изменению рН от прибавления щелочи, чем раствор только слабой кислоты. Но с другой стороны, и прибавление сильной кислоты тоже почти не изменит активную кислотность, так как Н-ионы, взаимодействуя с анионом слабой кислоты, приведут к образованию этой слабой кислоты, плохо диссоциирущей, особенно в присутствии соли. Торможение сдвига активной кислотности раствора возможно до тех пор, пока достаточно соли. Чем ее больше, тем ьыше со -

531

противление буфера по отношению к сильной кислоте, при этом одновременно сильнее угнетается и диссоциация образующейся сла­бой кислоты. С другой стороны, сопротивление буфера действию щелочи нарастает с увеличением концентрации слабой кислоты, т.е. с увеличением количества потенциальных Н-ионов. Следовательно, чем больше концентрация слабой кислоты и ее соли, тем буфер-ность раствора, или как принято называть буферная емкость рас­твора больше (т.е. раствор может как бы вместить большее коли­чество прибавляемой сильной кислоты или щелочи без выраженного изменения рН).

Поскольку буферная емкость является количественной характе­ристикой (мерой) буферных свойств раствора, ее принято измерять по количеству кислоты или щелочи, которое необходимо прибавить к буферному раствору, чтобы сместить его активную реакцию на 1 единицу рН.

Биологические жидкости обладают буферными свойствами не толь­ко благодаря наличию в них слабых кислот и солей этих кислот, но и за счет содержащихся в них амфотерных веществ или амфолитов, к числу которых относятся белки, пептиды и аминокислоты. В связи с тем, что активная реакция крови в норме является более щелоч­ной, чем изоэлектрические точки большинства содержащихся в ней белков, все эти белки диссоциируют как кислоты. В связи с этим белки крови чаще всего присутствуют в виде солей натрия и калия (протеинатов).