Бикарбонатная буферная система

В этой статье мы познакомимся с главным нейтрализатором ионов водорода — бикарбонат-ионом [НСО3-]. Именно он, присутствующий во всех жидкостях организма и органов, является главным защитником организма в деле сохранения нужного pH-баланса.

Бикарбонатная буферная система · Механика работы · 99 % всех атомов · Углекислый газ · Угольная кислота · О равновесии между углекислотой и бикарбонатным ионом · Оксигемоглобин и углекислый газ

PH

Бикарбонатная буферная система

Бикарбонатная буферная система (от англ. buffer, buff — смягчать удар) — физиологическая система и механизм, обеспечивающая кислотно-основное равновесие в крови. Это главная и единственная система внеклеточной жидкости, которая корректирует рН организма и возвращает его в норму.

Благодаря этой центральной биологической оси жизни, люди выживают при токсикозах, могут путешествовать на территории расположенные высоко над уровнем моря и даже жить на больших высотах. Когда в атмосфере давление кислорода и углекислого газа, меняется, бикарбонатная буферная система регулирует концентрацию углекислого газа для поддержания правильного кислотно-щелочного баланса в организме.

Бикарбонатная буферная система представляет собой сопряжённую кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты H2CO3, являющуюся источником водорода и бикарбонат-аниона HCO3, выполняющего роль акцептора водорода:

H2CO3 ↔ H+ + HCO3

Основным нейтрализатором ионов водорода являются ионы бикарбоната [НСО3-], которые присутствует во всех жидкостях организма и органов. Именно бикарбонат-ион имеет власть над буферной системой pH, и, следовательно, кислотностью или щелочностью тканей.

Рис. 1. Ион бикарбоната.

Когда мы говорим о выраженном закислении (ацидозе), мы подразумеваем относительный недостаток бикарбонатных ионов — то есть снижение в крови эндогенного бикарбоната менее 15 мэкв/л.

Бикарбонатная буферная система состоит из двух кислотно-основных частей, находящихся в динамическом равновесии: угольная кислота / бикарбонатный ион, и бикарбонатный ион / карбонатный ион. [ 1 ] Кислота и щелочь как на качелях балансируют на бикарбонатном ионе, который выступает регулятором этой системы равновесия.

Две кислотно-основные части бикарбонатно-буферной системы

При рН крови 7.4 в организме преобладает бикарбонатный ион, его концентрация в 20 раз превышает концентрацию угольной кислоты [Н2СO3]. Нормальная величина соотношения [НСО3-] / [Н2СO3] — 20 : 1 что означает нормальный рН.

При низких значениях pH (< 4,2) в растворе присутствует только свободная угольная кислота [Н2СO3], а повышение pH от 4,2 до 8,35 происходит при снижении концентрации свободной угольной кислоты в растворе и одновременном повышении бикарбонатов [НСО3-]. При pH выше 8,35 в растворе отсутствует свободная угольная кислота и остаются только гидрокарбонат-ионы.

Ничего не понятно? Давайте подробнее разберем всё с начала. Если всё ясно, переходите на следующую страницу.

Механика работы бикарбонатного буфера

99 % всех атомов

Всем млекопитающим, в том числе и человеку, нужно дышать кислородом и питаться пищей. В пище содержится огромное количество разных молекул, но главным образом они состоят всего из 4-х атомов: углерода, водорода, кислорода и азота. В сумме, они составляют 99 % всех атомов в пище.

  • Атомы водорода в углеродсодержащих соединениях легко соединяются в организме с кислородом, образуя воду. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
  • Атомы углерода в органических соединениях вступают в реакцию с кислородом и образуют углекислый газ. Молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Во время этих процессов происходит высвобождение энергии (производство АТФ с кислородом), так как смесь органических веществ и кислорода содержит больше энергии, чем образующиеся из нее углекислый газ и вода. Также, высвободившаяся во время перехода углерода от одного химического соединения к другому, энергия выделяется в виде теплоты. После переработки пищи организм должен избавляться от образующихся химических соединений, так сказать, от «пепла» — воды и углекислого газа [СО2].

Поскольку человек на 80 % состоит из воды, вода тут же используется для обменных процессов. У человеческого тела есть множество способов её применения, и нам доставляет больше неприятностей недостаток воды, нежели ее избыток.

Углекислый газ

Теперь о СО2. В результате метаболизма углеводов и жиров в организме, в сутки у взрослого человека образуется примерно 200 литров углекислого газа (15 000 ммоль/сут). Его концентрация в артериальной крови должна поддерживаться на уровне 6,5 – 6,0 %. А вот от излишка СО2 организм должен избавиться, поскольку накопление большого количества летучей угольной кислоты неизбежно приводило бы к ацидозу и гибели.

Для этого углекислый газ должен пройти путь по кровеносной системе к легким, поэтому клетки сразу же самостоятельно выделяют его избыток в кровь. Таким образом, кровь служит как средством транспорта кислорода, питательных веществ, гормонов и др., так и местом выброса отходов одновременно, что может показаться нерациональным, но действует очень эффективно. Остановимся подробнее на вопросе транспортировки двуокиси углерода в крови из тканей в легкие.

Напряжение СО2 в тканях составляет 60 мм рт.ст., а в притекающей крови 40 мм ст.рт. Благодаря этому СО2 переходит из ткани в кровь. Молекулы углекислого газа, в отличие от кислорода, хорошо растворяются в воде — в 100 миллилитрах воды при температуре тела растворяется 53 миллилитра углекислого газа, и всего 2,5 миллилитра кислорода, поэтому его транспорт во многом определяется содержанием гемоглобина.

Но молекулы углекислого газа не просто растворяются, а вступают в реакцию с молекулами воды, образуя угольную кислоту (ее часто называют углекислотой). Это можно изобразить химическим уравнением, где C обозначает углерод, O — кислород, а H — водород.

Появление угольной кислоты в организме

Углекислый газ, попадающий в плазму крови из клеток, может легко проходить сквозь мембрану эритроцитов, так что часть молекул углекислого газа неизбежно окажется внутри эритроцита. В эритроците есть фермент, способный ускорять образование двуокиси углерода и воды. Этот фермент называется карбоангидразой.

Карбоангидраза находится в эритроцитах и в почках. В присутствии карбоангидразы происходит реакция быстрого расщепления угольной кислоты — процесс гидратации СО2 и дегидратации СО2  карбоангидраза ускоряет примерно в 100 раз, а затем, через мембрану эритроцита СО2, выходит обратно в плазму.

Ферменты отвечают за ускорение реакций, которые протекают и без них, но со значительно более медленной скоростью. Мы рассматривали их ранее.

Угольная кислота

Угольная кислота также может расщепляться с образованием углекислого газа и воды. Поэтому у написанного выше уравнения две стрелочки, указывающие два направления. Карбоангидраза ускоряет процессы как расщепления, так и образования угольной кислоты. В результате такого двунаправленного процесса достигается равновесие, при котором происходит одновременное образование и расщепление угольной кислоты. Поэтому в крови есть как угольная кислота, так и углекислый газ.

В легких сквозь мембраны альвеол может просочиться только углекислый газ. Угольная кислота на это не способна, потому что она не газ. Однако, когда углекислый газ покидает кровь, хрупкое равновесие между содержанием его и угольной кислоты в крови нарушается. Тогда часть угольной кислоты превращается в воду и углекислый газ, чтобы сохранить равновесие, а углекислый газ, в свою очередь, опять выходит в легкие. Поэтому угольная кислота никогда не препятствует механизму выведения углекислого газа из организма.

Угольная кислота может расщепляться и другим способом. Кислота — это вещество, молекулы которого могут терять часть своих атомов водорода. Атом водорода, лишившийся одного электрона, называется ионом водорода. В оставшейся части находится дополнительный электрон (тот, который принадлежал атому водорода), и такой атом называется бикарбонатным ионом. Эта реакция происходит в обоих направлениях, между которыми также существует равновесие. Химическое уравнение реакции:

Процесс реакции расщепления угольной кислоты

Образующиеся в результате этой реакции ионы имеют электрические заряды. Бикарбонатный ион несет отрицательный заряд, а ион водорода положительный (значки «минус» и «плюс» вверху формулы ионов).

Углекислый газ является кислотой, а кровь имеет слабо-щелочную реакцию (pН 7.4). Углекислый газ в таком виде в крови пройти на выход к легким не может, поэтому 80 % СО2 нейтрализуется ферментом карбоангидраза в натриевую соль угольной кислоты – нейтральный ион бикарбоната (HCO3-) по формуле: СО2 + Н2О → Н2СО3 → Н+ + НСО3-. В таком виде он переносится от тканей к легким, где снова превращаясь в углекислый газ, по этой же формуле только в обратном порядке, выгружается за пределы тела с выдохом.

Нейтрализация CO2 ферментом карбоангидразой

Получается, что когда углекислый газ попадает в кровь, то в ней появляются три разных вещества: собственно углекислый газ, угольная кислота и бикарбонатный ион.

Все эти три вещества находятся в состоянии равновесия. Добавьте к ним немного любого из трех веществ, и часть его быстро превратится в оставшиеся два. Удалите какое то количество одного из трех веществ, и два других частично заменят утерянное.

Таким образом, когда углекислый газ выходит в легкие, угольная кислота расщепляется и образует двуокись углерода, а бикарбонатные ионы связываются с ионами водорода, чтобы пополнить запас углекислоты.

Это происходит само собой: организм просто следует бесстрастным и объективным законам химического равновесия. В результате любое локальное изменение «разбавляется» в большом объеме и сводится к минимуму. Это самое полезное свойство живой ткани — тонкой и хрупкой конструкции, не способной выносить резкие изменения.

Только не поймите последнее утверждение неправильно. Наш организм в состоянии выносить резкие изменения. Мы можем выйти из жарко натопленного дома на морозный зимний воздух, потому что внутренняя температура нашего тела даже при резком перепаде наружной остается неизменной. Большая часть химической активности организма направлена на предотвращение влияния изменения внешних условий на стабильное состояние внутренних тканей.

pH

Равновесие между углекислотой и бикарбонатным ионом

Между углекислотой и бикарбонатным ионом существует постоянное равновесие. Это один из самых важных химических механизмов, при помощи которых организм защищает нежные клетки от изменений, и по этой причине организм никогда не избавляется от углекислого газа полностью, сохраняя часть этого продукта распада для поддержания жизни.

Концентрация ионов водорода в крови должна быть такой, чтобы среда оставалась слегка щелочной. В крови только один ион водорода приходится на каждые двести сорок миллиардов молекул воды, это всего одна четверть от того числа, которое должно присутствовать, чтобы кровь была нейтральной. Это маленькое количество ионов надо сохранить. Если концентрация ионов водорода увеличивается на 35 % или падает на 25 % от исходного уровня, нарушаются химические механизмы регуляции постоянства внутренней среды, и тогда может наступить смерть.

В ходе химических реакций постоянно образуются или утилизируются щелочные или кислотные по природе вещества. Они могут попадать в поток крови или выходить из него. В любом случае они изменяют концентрацию ионов водорода в ту или другую сторону, и эти колебания должны быть сведены к минимуму. Одним из самых важных средств защиты от смертельно опасного изменения уровня pH является сочетание в крови углекислого газа, углекислоты и иона бикарбоната.

Предположим, что в процессе химических реакций в кровь попадает некоторое количество кислоты. Она является новым источником ионов водорода, поэтому их концентрация в крови возрастает, а уровень pH падает.

Но как только появляются эти дополнительные ионы водорода, их избыток соединяется с бикарбонатными ионами, образуя углекислоту, которая, в свою очередь, расщепляется на воду и углекислый газ.

Углекислый газ стимулирует дыхательный центр, вентиляция лёгких повышается (организм пытается снизить кислотность глубоким частым дыханием), и излишки углекислого газа выводятся через легкие при дыхании. Таким образом, избыток ионов водорода не приводит к значительным изменениям уровня pH, и поддерживается кислотно-щелочной баланс.

Допустим, что в кровь попадает некоторое количество щелочи — вещества, которое вступает в реакцию с ионами водорода и убирает их из раствора, снижая их концентрацию до опасно низкого значения. Однако чтобы этого не случилось, вновь на защиту встает углекислый газ, но на этот раз действия происходят в обратном порядке.

Углекислота отдает ионы водорода, чтобы заместить потерянные, и переходит в бикарбонатные ионы. Чтобы восстановить содержание углекислоты в крови, углекислый газ, который до этого выходил из крови в легкие, задерживается в ней и, соединяясь с водой, образует угольную кислоту.

Таким образом, углекислый газ защищает кровь от нежелательных изменений уровня pH в крови.

Баланс кислотно-щелочного равновесия (бикарбонатная буферная система)

Рис. 2. Баланс кислотно-щелочного равновесия (бикарбонатная буферная система). Увеличение по клику.

Бикарбонатный ион играет роль своеобразной сухой «химической губки», впитывающей ионы водорода, когда их слишком много. Углекислота действует как влажная губка, из которой можно выжать ионы водорода, когда их слишком мало. Они позволяют сохранить постоянный баланс pH.

Система, состоящая из углекислоты и бикарбонатных ионов, что поддерживает pH на постоянном уровне, представляет собой пример того, что химики называют бикарбонатной буферной системой, или просто буфером.

В крови содержатся и другие буферы, но система углекислоты и бикарбонатных ионов самая важная, потому что она находится под более тщательным контролем, чем остальные. Из всех буферов только этот представляет собой равновесие с газом, который может удаляться быстрее (при учащении дыхания) или медленнее (при замедлении дыхания).

Именно углекислый газ, а не количество кислорода в атмосфере контролирует частоту дыхания. Обычно границу между сферами деятельности этих двух газов провести сложно, поскольку, как правило, если в крови слишком много углекислого газа, то мало кислорода. Если вы начинаете дышать быстрее, чтобы избавиться от двуокиси углерода, то автоматически пополняете запас кислорода. То же самое происходит и в обратном случае.

Так как частота дыхания может регулировать уровень pH в крови, то последний можно изменять посредством изменения первого. Например, можно намеренно заставить себя на какой-то период времени дышать быстро и глубоко. В результате углекислый газ удаляется из организма, а углекислота очень быстро расщепляется, чтобы возместить потерю.

Это, в свою очередь, ведет к тому, что ионы бикарбонатов присоединяют слишком много ионов водорода, чтобы восстановить содержание углекислоты. В итоге, в крови снижается концентрация ионов водорода и повышается уровень pH, что приводит к дыхательному алкалозу. Вы как бы пьянеете от кислорода, у вас появляется головокружение. Если продолжать в том же духе, то можно потерять сознание, однако обычно мы не доходим до этого и возвращаемся к нормальному ритму дыхания. Мы начинаем дышать очень медленно, иногда даже задерживаем дыхание, чтобы восстановить в крови прежний уровень двуокиси углерода.

А можно, наоборот, задержать дыхание на пару минут. В организме увеличится содержание углекислого газа, и это приведет к накоплению углекислоты, в результате чего в кровь попадет больше ионов водорода. В крови увеличится концентрация ионов водорода и опустится уровень pH. Разовьется дыхательный ацидоз.

Вряд ли вы станете терпеть до того момента, когда потеряете сознание, механизм защиты сработает даже без нашего согласия. Потом еще несколько минут вы будете усиленно дышать, чтобы избавиться от избытка углекислого газа.

Углекислый газ переносится кровью не только в растворенном виде. Гемоглобин, чьей основной функцией является транспорт кислорода, также служит переносчиком углекислого газа.

Углекислый газ может соединяться с аминокислотой лизином, входящей в состав молекулы белка. Такое соединение называется карбаминовым. Гемоглобин не только занимает первое место среди других белков по содержанию в крови, но также содержит больше лизина, чей любой другой из них. Поэтому около одной пятой части всего углекислого газа в венозной крови представлено в виде карбгемоглобина.

Оксигемоглобин и углекислый газ

Рассмотрим что происходит, когда кровь из легочной артерии — голубоватая, лишенная кислорода, полная растворенным в ней углекислым газом, который частично соединился с водой, а частично с гемоглобином, — попадает в альвеолярные капилляры.

Прежде всего, кислород проникает сквозь альвеолярные мембраны в кровь и превращает гемоглобин в оксигемоглобин (см. здесь). Дальше происходят два события. Во-первых, оксигемоглобин не образует карбаминовые соединения так быстро, как гемоглобин. Около двух третей карбаминовых групп в карбгемоглобине расщепляется немедленно, и высвобождается углекислый газ.

Во-вторых, оксигемоглобин — более сильная кислота, чем гемоглобин, в его растворах содержится больше ионов водорода. Все белки в какой то степени являются кислотами, все они обладают тенденцией к ионизации и высвобождению ионов водорода. Поглощая кислород из легких, кровь внезапно наполняется ионами водорода. В действие вступает буферная система. Ионы бикарбонатов соединяются с избыточными ионами водорода, в результате образуется углекислота, которая распадается до углекислого газа и воды.

Таким образом, превращение гемоглобина в оксигемоглобин двумя различными способами способствует образованию углекислого газа в крови. Увеличение концентрации углекислого газа в капиллярах альвеол есть тот толчок, который заставляет выходить его из крови и проникать сквозь мембраны альвеол в воздух, находящийся в легких. Затем происходит выдох, и организм освобождается от углекислого газа.

Давайте наконец, сорвем ярлык «ядовитого газа» с CO2. Углекислый газ не больше яд, чем вода. Бикарбонат, который всегда присутствует в организме, при смешивании с водой в желудке превращается в CO2. Только что мы увидели, что бикарбонат натрия (НСО3-), CO2 и кислород (O2), тесно связаны друг с другом. Все три имеют важное значение для биологического существования на планете Земля.

Углекислый газ образуется в процессе обмена веществ примерно в том же количестве, в каком потребляется кислород. В покое это количество равно примерно 3 мл/мин/кг, а при тяжелой физической нагрузке может резко увеличиваться.

Углекислый газ легко проникает (диффундирует) из клеток в кровь. Здесь он частично растворяется в плазме, частично превращается в бикарбонат и, наконец, частично связывается с гемоглобином и белками плазмы. рСО2 в смешанной венозной крови равно примерно 6 кПа (46 мм рт. ст).

Далее углекислый газ переносится в легкие и удаляется с выдыхаемым воздухом. Скорость удаления углекислого газа равна скорости его образования. В альвеолах и артериальной крови рСО2 равно 5,2 кПа (40 мм рт. ст.). Повышение РаСО2 вызывает дыхательный ацидоз. Это состояние может возникать при гиповентиляции или вдыхании углекислого газа. Напротив, при гипервентиляции возникает снижение РаСО2 и дыхательный алкалоз. Поскольку углекислый газ легко диффундирует, то изменение РаСО2 и pH крови вскоре приводит к изменению рСО2 и pH в клетках.

###

GO

Мы узнали как организм борется с закислением и защелачиванием, а также о главной роли в этом театре действий бикарбонат-иона. Поэтому мы неперестаем говорить о важности регулярного принятия термальных бикарбонат-ионных ванн, ванночек или душа. Теперь знаете, насколько это полезный инструмент в деле оздоровления.

В следующей статье, мы обсудим причины истощения бикарбонатного буфера с возрастом, вследствие чего организм подвергается закислению низкой интенсивности. Мы узнаем насколько бикарбонатные спа-процедуры помогают усилить бикарбонатный буфер организма.

ПРОДОЛЖИТЬ ЧТЕНИЕ

Используемые в статье источники:

[ 1 ] В подготовке главы была использована информация источников: Ацетатный и бикарбонатный диализ. Ингрид Ледебо (перевод с англ. С. Лашутина, И. Дьяченко). Москва: Издательский дом "Веселые картинки", 1999. ISBN 5-86819-03-1; и Айзек Азимов «Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий»: Центрполиграф; Москва; 2004 ISBN 5-9524-0974-1

[ 2 ] Михайлова-Лукашева В. Д. Когда человек стареет... Издательство "Наука и техника", Минск, Ленинский проспект, 68. Подписано в печать 14/Х 1965 г. 

Поиск по тегам: 

На Главную