Биохимия крови

Головною фізико-хімічною системою регуляції плазми є бікарбонатна буферна система. Крім того, гемоглобінова, білкова та фосфатна буферні системи регулюють рН крові саме через стабілізацію цього буфера.

 

Гемоглобінова буферна  система

Ця система представлена декількома підсистемами – HHb/HНbО₂, KНb/HНb, KНbО₂/HНbО₂.

Оксигемоглобін НbО₂, який в крові найчастіше буває у вигляді калієвої солі, є більш сильною кислотою, ніж HHb. В еритроцитах периферичних тканин КНbО₂ віддає кисень, який дифундує в тканини, та іон К⁺. Після цього Нb приєднує Н⁺, який вивільняється при дисоціації вугільної кислоти і перетворюється до ННb – більш слабкої кислоти. Іони калію з’єднуються з гідрокарбонатом, який утворився з СО₂. Послідовність реакцій виглядає так:

 

1. СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃;
2. Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО^3-;
3. НСО^3- + К⁺ ↔ КНСО₃;
4. КНb + Н₂СО₃ → КНСО₃ + ННb.

 

У венозній крові, яка спрямовується до легень, містяться еритроцити з відновленим гемоглобіном. У легенях із ННb утворюється HНbО₂. Крім того, в тканині легень внаслідок виділення великої кількості СО₂ спостерігається надлишок аніонів НСО^3-, тому є загроза зміщення рН у лужний бік. Це не відбувається тому, що аніони НСО^3- транспортуються в еритроцити та перетворюються в основу КНСО^3-. При взаємодії КНСО^3- з HНbО₂ формується KНbО₂ та Н₂СО₃. Далі, вугільна кислота під дією карбоангідрази дисоціює на Н₂О та СО₂.  Вуглекислота виділяється через легені.

 

Таким чином, функціонування гемоглобінової буферної системи пов’язано з основною функцією гемоглобіну, а саме з транспортом кисню.

Важливо те, що гемоглобінова буферна система взаємодіє з бікарбонатною системою, яка є основним лужним резервом крові.

У тканинних капілярах взаємодія гемоглобіну з вуглецевою кислотою призводить до збереження гідрокарбонатів, тобто лужних резервів крові.

У легенях відбувається оксигенація гемоглобіну, що супроводжується одночасним від’єднанням СО₂ від КНСО₃, тому що оксигемоглобін є більш сильною кислотою. Іони К⁺ приєднуються до НbО₂, в результаті чого утворюється калієва сіль оксигемоглобіну. Гідрокарбонат (НСО^3-) приєднує протон, внаслідок чого утворюється вугільна кислота. Карбоангідраза розщеплює Н₂СО₃ з утворенням СО₂, який переходить з еритроцитів у плазму, далі - в альвеоли легень та виділяється з організму. Виділення СО₂ з організму запобігає зниженню рН крові.

Приєднання кисню до Нb у легенях, віддача кисню в тканинах, проникнення всередину еритроцитів СО₂ – це досить складний процес, у якому беруть участь аніони хлору, катіони калію та інші іони.

Ступінь зв’язування гемоглобіну з киснем залежить від рН крові. Відомо, що при зниженні рН спорідненість Hb до кисню знижується і, тим самим, зменшується насиченість гемоглобіну киснем. З іншого боку, коли рН крові збільшується, спостерігається протилежний процес – спорідненість гемоглобіну до кисню та його насиченість киснем зростають. Описана закономірність має назву ефект Бора.

 

Бікарбонатна (гідрокарбонатна) буферна система

Ця система за своєю потужністю займає друге місце в сис-темі регуляції рН крові. Вона складається з вугільної кислоти Н₂СО₃ та бікарбонату натрію NaHCO₃ (переважно в плазмі) або калію KHCO₃ (в еритроцитах). Співвідношення вмісту кисло-ти та її солі становить 1/20.

При надходженні у кров кислоти, яка більш сильна, ніж вугільна, в реакцію вступає бікарбонат. Утворюється нейтральна сіль та слабкодисоційована вугільна кислота. Вугільна кислота під дією карбоангідрази розщеплюється до Н₂О та СО₂, останній виділяється легенями:

 

1) Na⁺ + HCO^3- + H⁺ + X^-→ NaX + H₂CO₃

(X – аніон кислоти);

2) H₂CO₃→ H₂O + CO₂.

 

У разі, якщо в кров надходить луг, в реакцію вступає вугільна кислота і утворюються гідрокарбонат і вода:

НСО₃ +Na⁺ →NaHCO₃.

 Надлишок бікарбонату виділяється  нирками.

 

Фосфатна буферна система

Вищезазначена буферна система складається з дигідрофос-фату (NаН₂РО₄) та гідрофосфату (Nа₂НРО₄) натрію. Перший з них має властивості слабкої кислоти та взаємодіє з лужними речовинами, які надходять у кров. Другий компонент має влас-тивості слабкого лугу та реагує з більш сильними кислотами. Ця буферна система здатна стримувати зміни рН в інтервалі 6,2 – 8,2, таким чином, може забезпечити значну частку буферної ємності крові. На жаль ємність цього буфера невелика у зв’язку з низьким вмістом фосфатів у крові.

При підвищенні кислот у крові відбувається така реакція:

 

2Na⁺ + HPO₄^2- + H⁺ + X^-→NaX + Na⁺ + H₂PO₄^-.

 

Надлишок гідрофосфату натрію виділяється із сечею.

При підвищенні кількості лугів процес, що відбувається, ілюструє така реакція:

Na⁺ + H₂PO₄^- + Na⁺ + OH^- → H₂O + 2Na⁺ + HPO₄^2- .

 

 

Між неорганічними буферними системами  існують певний зв’язок та динамічна рівновага. Так, наприклад, фосфатна буферна система може підвищувати резерви бікарбонатної за рахунок відновлення гідрокарбонату натрію:

 

2Na⁺ + HPO₄^2- + H₂CO₃ ↔ NaHCO₃ +Na⁺ + H₂PO₄^- .

 

У результаті ліквідується надлишок H₂CO₃ в плазмі та відновлюється постійне співвідношення концентрацій вугільної кислоти та бікарбонату натрію (1/20).

 

Білкова (протеїнова) буферна  система

Ця система здійснює підтримку  рН за рахунок амфотерних властивостей білків плазми, які містять вільні -СООН та -NH₂. У лужних умовах вони поводять себе як кислоти (донори протонів), а в кислих - надають лужних властивостей білкам, які поводять себе як акцептори протонів.

Вище було зазначено, що нормальне значення такого показника, як рН крові, становить 7,4 ± 0,04 (або 7,36-7,44). Було встановлено, що це значення може бути суттєво змінено без змін метаболізму, які б були несумісні з життям. Лише при значеннях рН менше ніж 6,8 та більше ніж 8 в організмі відбуваються незворотні зміни обміну речовин.

Для характеристики регуляторних фізико-хімічних, фізіологічних та інших механізмів, які забезпечують сталість рН введений термін «кислотно-основний стан» організму (КОС). У регуляції КОС, крім буферних систем організму, беруть участь легені, нирки, печінка та кишечник. Через легені, як ми з’ясували, видаляються леткі кислоти, насамперед вугільна. Із сечею видаляються нелеткі кислоти (кислі фосфати) та сполуки лужного характеру (гідрокарбонати, іони амонію та ін.). Роль печінки у процесі підтримки сталості КОС організму полягає у тому, що в цьому органі відбуваються процеси повного катаболізму недоокиснених продуктів, що утворюються при метаболізмі. У разі патологічних змін у паренхімі печінки у кров надходять речовини, які здатні зменшувати значення рН. Участь ШКТ у регуляції КОС активно проявляється при втраті іонів водню, хлору, калію при блюванні та бікарбонатів - при діареї.

Для характеристики КОС організму  використовують мікро-метод Аструпа, що базується на принципі Зигарда-Андерсена. В основу методу (згідно з рівнянням Гендерсона-Гессельбаха) покладена залежність між рН та рСО₂. Метод полягає у визначенні рН плазми крові до і після еквілібризації проби крові двома газовими сумішами, що містять 4% та 8% СО₂. Дані, які отримують у ході експерименту, використовують для визна-чення рСО₂, SB (СБ – стандартний бікарбонат) та ВЕ (base excess або надлишок основ) за стандартною нанограмою. Нанограма являє собою залежність між рН та рСО₂, тобто є графічним зображенням буферної лінії крові.

Оцінку КОС можна зробити, як мінімум, за трьома основними показниками рН, рСО2 та ВЕ (або SB):

 

рН – негативний десятковий логарифм концентрації іонів водню;

 

рСО₂ – парціальний тиск СО₂ у плазмі, мм Hg;

 

SB (стандартний бікарбонат) – вміст іона бікарбонату в плаз-мі крові, яка повністю насичена киснем та приведена до стан-дартних умов. Це основний показник, який безпосередньо відображає нирковий компонент регуляції КОС;

 

ВЕ (надлишок основ, Basis excess) – відображає кількість невикористаних буферів крові, головним чином бікарбонатного та гемоглобінового. Це різниця між фактичною та необхідною величинами суми всіх аніонів нерозбавленої крові (ВВ – buffer base) при метаболічному алкалозі.

 

 

 

 

Крім того, для характеристики КОС використовують такі показники:

 

ВВ (buffer base) – сума всіх аніонів нерозбавленої крові (фактично, SB + аніонний запас білкового буфера).

 

BD (base deficit) – різниця між фактичним та необхідним значенням ВВ при метаболічному ацидозі.

 

АВ (актуальний бікарбонат крові) – концентрація гідрокарбонатів (НСО^3-) при фізіологічних конкретних умовах.

 

Нижче наведені нормальні значення основних показників КОС організму:

рН – 7,36-7,42(артеріальна);

    7,26-7,36 (венозна);

    7,35-7,44 (капілярна);

рСО2 – 35,1-45,1 мм Hg (артеріальна);

        46-58 Hg (венозна);

ВВ –  42-52 ммоль/л;

ВЕ та BD -  ±2,5 ммоль/л;

SB -  20- 26 ммоль/л;

АВ – 21 -26 ммоль/л.

 

Ацидоз та алкалоз – порушення КОС організму, коли регуляторні системи (у тому числі й буферні) не можуть підтримувати сталість рН на постійному рівні, і саме тому в крові накопичується значна кількість кислот або лугів.

При ацидозі в крові з’являється відносний або абсолютний надлишок кислот, при цьому спостерігається зниження рН крові (рН<7,37).

Алкалоз характеризується підвищенням вмісту лугів у крові і підвищенням рН (рН>7,43).

Кожний з цих двох типів  змін КОС поділяють на декілька видів залежно від причин порушення сталості рН.

 

Виділяють дихальний (респіраторний, газовий) та метаболіч-ний (негазовий, недихальний, нереспіраторний) ацидоз/алкалоз.

 

Нижче наведена класифікація порушень КОС та причини, які їх викликають.

 

Ацидоз:

1. Газовий
2. Негазовий:

а) метаболічний: кетоацидоз, лактоацидоз, ацидоз при накопиченні органічних та неорганічних кислот (при запаленнях, травмах);

б) видільний: затримка кислот (дифузний нефрит, уремія), втрата лугів (нирковий);

в) екзогенний: довготривале вживання кислої їжі, приймання ліків, отруєння кислотами;

г) комбіновані форми.

3. Мішаний (1+2): при асфіксії, серцево-судинній  недостат-ності.

 

Алкалоз:

1. Газовий:

а) гіпервентиляція;

б) підсилене виділення СО₂ як наслідок інших причин.

2. Негазовий:

а) видільний: затримка лугів, втрата кислот, гіпохлоремічний (метаболічний);

б) екзогенний: довготривале вживання лужної їжі, введення ліків (бікарбонатів та інших лужних сполук).

3. Мішані форми (1 + 2).

 

Негазовий (метаболічний) ацидоз є найбільш поширеною формою порушення КОС.

 

 

 

Стани, які призводять до виникнення негазового ацидозу.

Підвищення введення іонів Н⁺ (екзогенний ацидоз) – введення може бути у вигляді кислот або деяких кислих солей (СаСl₂, NH₄Cl).

Підвищення утворення  Н⁺ (власне «метаболічний» ацидоз) – утворення великої кількості кислих продуктів метаболізму (кетонових тіл, лактату, інших органічних кислот). Кетоацидоз виникає у хворих на цукровий діабет, тиреотоксикоз, при лікувальному голодуванні тощо. Лактоацидоз є результатом тканинної гіпоксії при недостатній функції сердцево-судинної системи, ефірній анестезії, шоку, ускладнених пневмоніях тощо. Мішані форми метаболічного ацидозу виникають при сепсисі, опіках, гострій печінковій недостатності, рахіті (у дітей) тощо.

Зниження виділення  іонів Н⁺ із сечею – це спостерігається при олігурії або анурії, нирковій недостатності (яка супроводжується накопиченням залишків сірчаної та фосфорної кислот), захворюванні нирок зі зниженою клубочковою фільтрацією.

Підвищення втрати бікарбонатів через кишечник (при діареї), із сечею (видільний ацидоз) – при тубулярному нефриті, під впливом інгібіторів карбоангідрази (діуретиків діакарбу, діамоксу), які порушують процеси «реабсорбції» бікарбонату.

Газовий (респіраторний) ацидоз  - цей вид порушення КОС виникає як результат накопичення вуглекислого газу в організмі (гіповентиляція легень, набряки легень, порушення механіки дихання тощо).

Негазовий (метаболічний) алкалоз – розвивається як наслідок введення великих доз гідрокарбонату натрію (при корекції метаболічного ацидозу), втрати великої кількості кислот та хлоридів (багаторазовому блюванні), некоректній гормональній терапії, яка не враховує втрати калію (при синдромі Іценко-Кушинга, Конна), тощо.