Тест толерантности к глюкозе. Что выявляют с его помощью. Как интерпретируют его результаты.

59. Буферные системы крови и тканей. Кровь играет определяющую роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, изменение которого может привести к развитию патологических состояний или гибели организма. Поэтому в организме существуют специальные системы, которые препятствуют изменению рН крови и других биологических жидкостей при образовании кислых и щелочных продуктов или при большом поступлении воды. Такую роль выполняют отдельные физиологические системы (дыхательная, выделительная), а также буферные системы. Последние очень быстро (в течение нескольких секунд) реагируют на изменение концентрации Н+ и ОН- в водных средах и являются срочными регуляторами кислотно-основного состояния в тканях организма.

Буферные системы – это смесь слабой кислоты и её растворимой соли, двух солей или белков, которые способны препятствовать изменению рН водных сред. Действие буферных систем направлено на связывание избытка Н+ или ОН- в среде и поддержание постоянства рН среды. При действии буферной системы образуются слабо диссоциируемые вещества или вода. К основным буферным системам крови относятся бикарбонатная, белковая (гемоглобиновая) и фосфатная. Имеются также ацетатная и аммонийная буферные системы.

Бикарбонатная буферная система - мощная и самая управляемая система крови и внеклеточной жидкости. На её долю приходится около 10% всей буферной ёмкости крови. Бикарбонатная система представляет собой сопряжённую кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты Н2СО3, выполняющую роль донора протона, и бикарбонат-иона НСО3-, выполняющего роль акцептора протона:

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3-

Истинная концентрация недиссоциированных молекул Н2СО3 в крови незначительна и находится в прямой зависимости от концентрации растворённого СО2. При нормальном значении рН крови (7,4) концентрация ионов бикарбоната НСО3- в плазме крови превышает концентрацию СО2 примерно в 20 раз. Бикарбонатная буферная система функционирует как эффективный регулятор в области рН = 7,4. Механизм действия этой системы заключается в том, что при выделении в кровь относительно больших количеств кислых продуктов протоны Н+ взаимодействуют с ионами бикарбоната НСО3-, что приводит к образованию слабодиссоциируемой Н2СО3. Последующее снижение концентрации Н2СО3 достигается в результате ускоренного выделения СО2 через лёгкие в результате их гипервентиляции. Если в крови увеличивается количество оснований, то они, взаимодействуя со слабой угольной кислотой, образуют ионы бикарбоната и воду. При этом не происходит сколько-нибудь заметных сдвигов в величине рН. Кроме того, для сохранения нормального соотношения между компонентами буферной системы в этом случае подключаются физиологические механизмы регуляции кислотно-основного равновесия: происходит задержка в плазме крови некоторого количества СО2 в результате гиповентиляции лёгких. Бикарбонатная система тесно связана с гемоглобиновой системой.

Фосфатная буферная система представляет собой сопряжённую кислотно-основную пару, состоящую из иона Н2РО4- (донор протонов, выполняет роль кислоты) и иона НРО42- (акцептор протонов, выполняет роль соли). Фосфатная буферная система составляет лишь 1% от буерной ёмкости крови. В других тканях эта система является одной из основных. Фосфатная буферная система способна оказывать влияние при изменениях рН в интервале от 6,1 до 7,7 и может обеспечивать определённую ёмкость внутриклеточной жидкости, величина рН которой в пределах 6,9-7,4. В крови максимальная ёмкость фосфатного буфера проявляется вблизи значения 7,2. Органические фосфаты также обладают буферными свойствами, но мощность их слабее, чем неорганического фосфатного буфера.

Белковая буферная система имеет меньшее значение для поддержания кислотно-основного равновесия в плазме крови, чем другие буферные системы. Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно-основных групп в молекуле белков: белок-Н+ (кислота, донор протонов) и белок (сопряжённое основание, акцептор протонов). Белковая буферная система плазмы крови эффективна в области значений рН 7,2-7,4.

Гемоглобиновая буферная система – самая мощная буферная система крови, на её долю приходится 75% от всей буферной. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и углекислого газа. При насыщении кислородом гемоглобин становится более сильной кислотой (ННbО2). Гемоглобин, отдавая кислород, превращается в очень слабую органическую кислоту (ННb). Гемоглобиновая буферная система состоит из неионизированного гемоглобина ННb (слабая органическая кислота, донор протонов) и калиевой соли гемоглобина КНb (сопряжённое основание, акцептор протонов). Точно так же может быть рассмотрена оксигемоглобиновая буферная система. Система гемоглобина и система оксигемоглобина являются взаимопревращающимися системами и существуют как единое целое. Буферные свойства гемоглобина обусловлены возможностью взаимодействия кисло реагирующих соединений с калиевой солью гемоглобина:

КНb + Н2СО3 => КНСО3 + ННb.

Это обеспечивает поддержание рН крови в пределах физиологически допустимых величин, несмотря на поступление в венозную кровь большого количества СО2 и других продуктов обмена кислотного характера. Гемоглобин (ННb), попадая в капилляры лёгких, превращается в оксигемоглобин (ННbО2), что приводит к некоторому подкислению крови, вытеснению части Н2СО3 из бикарбонатов и понижению щелочного резерва крови.

60. Основные электролиты крови: неорганические катионы и анионы, органические анионы. Функции электролитов. КОС - его главная отличительная черта? От чего зависит КОС? Неорганические или, иначе, минеральные вещества находятся в клетках в виде ионов. Основными катионами в клетках и внеклеточных жидкостях организма человека являются; Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺. Концентрации основных неорганических катионов и анионов в межклеточной жидкости и в плазме крови почти не отличаются.

Содержание основных катионов и анионов внутри клетки и во внеклеточных жидкостях организма человека (по А.Е. Строеву)

Ионы	Вне клетки, %	Внутри клетки,%
плазма	межклеточная жидкость
Катионы
Na^+	92,7	94,0	7,5
К^+	3,0	2,7	75,0
Са^2+	3,0	2,0	2,5
Mg^2+	1,3	1,3	15,0
Анионы
Сl^-	69,0	76,0	7,5
HCO -	17,0	19,0	5,0
РО 2-	1,4	1,4	50,0
SO 2-	0,6	0,7	10,0
органических кислот	2,0	2,0	2,5
белков	10,0	0,6	25,0

Биологические функции катионов:

· Транспортная - участвуют в переносе электронов и молекул простых веществ.

· Структурообразующая - обусловлена комплексообразующими свойствами металлов, катионы которых участвуют в образовании функционально активных структур макромолекул и надмолекулярных комплексов.

· Регуляторная - являются регуляторами (активаторами или ингибиторами) активности ферментов.

· Осмотическая - регулируют осмотическое и гидроосмотическое давление.

· Биоэлектрическая - связана с возникновением разности потенциалов на клеточных мембранах.

Биологические функции анионов:

· Энергетическая - участвуют в образовании главного носителя энергии в организме человека - молекулы АТФ - из АДФ и неорганических фосфатных анионов.

· Опорная - анион фосфора и катион кальция входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей, определяющих их механическую прочность.

· Синтетическая - используются для синтеза биологически активных соединений (I^- участвует в синтезе гормонов щитовидной железы).

61. Механизмы системы регуляции КОС. Принципиально существуют 2 основные механизма регуляции КОС:

1. Физико-химический механизм, это буферные системы крови и тканей;

2. Физиологический механизм, это органы: легкие, почки, костная ткань, печень, кожа, ЖКТ.

В работе этих механизмов есть принципиальные различия:

№	Показатели	Буферные системы	Органы
	Скорость регуляции КОС	быстро: секунды	медленно: минуты - часы
	Степень регуляции КОС	частично	полностью
	Расходование при регуляции КОС	расходуются	не расходуются

Физико-химические механизмы регуляции КОС

Буфер – это система, состоящая из слабой кислоты и ее соли с сильным основанием (сопряженная кислотно-основная пара). Принцип работы буферной системы состоит в том, что она связывает Н⁺ при их избытке и выделяет Н⁺ при их недостатке: Н⁺ + А^- ↔ АН. Таким образом, буферная система стремиться противостоять любым изменениям рН, при этом один из компонентов буферной системы расходуется и требует восстановления.

Буферные системы характеризуются соотношением компонентов кислотно-основной пары, емкостью, чувствительностью, локализацией и величиной рН, которую они поддерживают. Существует множество буферов как внутри, так и вне клеток организма. К основным буферным системам организма относят бикарбонатный, фосфатный белковый и его разновидность гемоглобиновый буфер. Около 60% кислых эквивалентов связывают внутриклеточные буферные системы и около 40% -внеклеточные.

Бикарбонатный (гидрокарбонатный) буфер. Состоит из Н₂СО₃иNaНСО₃ в соотношении 1/20, локализуется в основном в межклеточной жидкости. В сыворотке крови при рСО₂= 40 мм.рт.ст., концентрацииNa⁺150ммоль/л он поддерживает рН=7,4. Работа бикарбонатного буфера обеспечивается ферментом карбоангидразой и белком полосы 3 эритроцитов и почек.

Бикарбонатный буфер является одним из самых важных буферов организма, что связано с его особенностями:

1. Несмотря на низкую емкость – 10%, бикарбонатный буфер очень чувствителен, он связывает до 40% всех «лишних» Н⁺;

2. Бикарбонатный буфер интегрирует работу основных буферных систем и физиологических механизмов регуляции КОС.

В связи с этим, бикарбонатный буфер является индикатором КОС, определение его компонентов – основа для диагностики нарушения КОС.

Фосфатный буфер. Состоит из кислого NaН₂РО₄и основногоNa₂НРО₄ фосфатов, локализуется в основном в клеточной жидкости (фосфатов в клетке 14%, в межклеточной жидкости 1%). Соотношение кислого и основного фосфатов в плазме крови составляет ¼, в моче - 25/1. Фосфатный буфер обеспечивает регуляцию КОС внутри клетки, регенерацию бикарбонатного буфера в межклеточной жидкости и выведение Н⁺ с мочой.

Белковый буфер. Наличие у белков амино и карбоксильных групп придает им амфотерные свойства – они проявляют свойства кислот и оснований, образуя буферную систему. Белковый буфер состоит из протеин-Н и протеин-Na, локализуется он преимущественно в клетках. Наиболее важный белковый буфер крови – гемоглобиновый.

Гемоглобиновый буфер. Гемоглобиновый буфер находиться в эритроцитах и имеет ряд особенностей:

1. у него самая высокая емкость (до 75%);

2. его работа напрямую связана с газообменом;

3. он состоит не из одной, а из 2 пар: HHb↔H⁺+Hb^-иHHbО₂↔H⁺+HbО₂^-;

HbО₂является относительно сильной кислотой, он даже сильнее угольной кислоты. КислотностьHbО₂по сравнению сHbв 70 раз выше, поэтому, оксигемоглобинприсутствует в основном в виде калийной соли (КHbО₂), а дезоксигемоглобин в виде недиссоциированной кислоты (HHb).

Физиологические механизмы регулируют КОС 2 основными способами:

1. выведением из организма кислот и оснований;

2. превращением кислот и оснований в нейтральные вещества.

Образующиеся в организме кислоты и основания могут быть летучими и нелетучими. Летучая Н₂СО₃, образуется из СО₂, конечного продукта аэробного окисления органических веществ.

Нелетучие кислоты лактат, кетоновые тела и жирные кислоты накапливаются в организме при анаэробных условиях и сахарном диабете. Фосфорная кислота образуется при катаболизме нуклеиновых кислот, липидов, белков, серная кислота - при катаболизме ГАГ и серосодержащих аминокислот цистеина и метионина, мочевая кислота - при катаболизме пуринов. Источником нелетучих кислот также является пища. Например, в пищу часто использую уксусную, лимонную и яблочную кислоты.

Летучие кислоты выделяются из организма главным образом легкими с выдыхаемым воздухом, нелетучие – почками с мочой.

Легкие выделяют из организма главным образом СО₂, летучий эквивалент Н₂СО₃, что обеспечивает регенерацию бикарбонатного буфера. Регуляция газообмена в легких и соответственно выделение Н₂СО₃ из организма осуществляется через поток импульсов от хеморецепторов и механорецепторов. В области каротидного синуса и аортальной дуги расположены хеморецепторы, чувствительные к гипоксемии и в меньшей степени к рСО₂ и рН. Медуллярные хеморецепторы расположенные на вентральной поверхности продолговатого мозга очень чувствительны к изменению рН и рСО₂.

В норме за сутки легкие выделяют 480л СО₂, что эквивалентно 20 молям Н₂СО₃. При физических нагрузках скорость образования СО₂ может возрасти в 20 раз, что приводит к гиперкапнии и снижению рН. Гиперкапния и снижение рН стимулируют дыхательный центр, увеличивая газообмен в легких в 4-5 раз. Наоборот, при гипокапнии и повышении рН дыхательный центр ингибируется, снижая газообмен в легких на 50-75%.

Легочные механизмы поддержания КОС являются высокоэффективными, они способны нивелировать нарушение КОС на 50-70%. Реакция легких на сдвиг рН возникает в течение 1-3 минут, а компенсация рН наступает через 1-3 часа.

Регуляция почками КОС базируется на процессах фильтрации, секреции, реабсорбции, а также на реакциях глюконеогенеза.

Почки регулируют КОС:

1. выведением из организма H⁺ в реакциях ацидогенеза, аммониогенеза и с участием фосфатного буфера. Н⁺, К⁺-АТФазы,H⁺-АТФаза (в дистальных канальцах) и Na⁺-H⁺-антипорт (в проксимальных канальцах) активно секретируют в просвет почечных канальцев H⁺, которые соединяются в моче с основными фосфатами и аммиаком и выводятся из организма в виде кислых фосфатов (вклад 1/3) и ионов аммония (вклад 2/3). Процесс активируется ацидозом, ингибируется алкалозом;

2. задержкой в организме Na⁺. Na⁺, К⁺-АТФаза реабсорбирует Na⁺ из мочи, что вместе с карбоангидразой и ацидогенезом обеспечивает регенерацию бикарбонатного буфера. Процесс активируется ацидозом, ингибируется алкалозом;

3. выведением из организма катионов. В почечных канальцах в мочу активно секретируется K⁺, органические катионы: ацетилхолин, холин, креатинин, адреналин, норадреналин, серотонин, лекарственные препараты и т.д. В дистальном отделе имеется белок полосы 3, который при алкалозе взамен Cl^-секретирует в мочу НСО₃^-, при этом рН мочи может повыситься до 8,2. Для регуляции КОС эти процессы малоэффективны, т.к. в организме образуется, как правило, больше кислот, чем оснований.

4. реакциями глюконеогенеза, в которых кислый лактат и аминокислоты превращаются в нейтральную глюкозу. Снижение рН стимулирует глюконеогенез в почках, а повышение – ингибирует.

Ацидогенез в почках реагирует на повышение рСО₂в течение нескольких минут, а на снижение концентрации Na⁺ (через РААС) в течение нескольких часов-суток. На восстановление КОС почкам требуется 10-20 часов.

Кости участвуют в поддержании КОС в крайнем случае – при сильном и длительном ацидозе. В костях активируется остеолиз, что приводит к выделению в кровь Са₃(РО₄)₂. Фосфаты взаимодействуют во внеклеточной жидкости с Н₂СО₃с образованием НРО₄^2-и НСО₃^-, которые нейтрализуют сильные кислоты. При этом, НРО₄^2-в почках превращается в Н₂РО₄^-и выводиться с мочой, НСО₃^-превращается в СО₂и выделяется легкими. Са²⁺выделяется с мочой, позволяя задерживать в организме щелочнойNa⁺. В результате, потеря 1 фосфата кальция позволяет удалить из организма 4 эквивалента кислоты.

1. Са₃(РО₄)₂+ 2Н₂СО₃→ 3 Са²⁺+ 2НРО₄^2-+ 2НСО₃^-

2. 2НРО₄^2-+ 2НСО₃^-+ 4НА → 2Н₂РО₄^- (в мочу) + 2Н₂О + 2СО₂ + 4А^-

3. А^-+ Са²⁺→ СаА (в мочу)

Поддержание КОС скелетом приводит к его деминерализации и развитию остеопороза.

Печень регулирует КОС:

1. превращением аминокислот, кетокислот и лактата в нейтральную глюкозу;

2. превращением сильного основания аммиака в слабо основную мочевину;

3. синтезируя белки крови, которые образуют белковый буфер;

4. синтезирует глутамин, который используется почками для аммониогенеза.

Печеночная недостаточность приводит к развитию метаболического ацидоза.

В тоже время печень синтезирует кетоновые тела, которые в условиях гипоксии, голодания или сахарного диабета способствуют ацидозу.

ЖКТ влияет на состояние КОС, так как использует HClи НСО₃^- в процессе пищеварения. Сначала в просвет желудка секретируетсяHCl, при этом в крови накапливаются НСО₃^-и развивается алкалоз. Затем НСО₃^-из крови с панкреатическим соком поступают в просвет кишечника и равновесие КОС в крови восстанавливается. Так как пища, которая поступает в организм, и кал, который выделяется из организма в основном нейтральны суммарный эффект на КОС оказывается нулевым.

При наличии ацидоза в просвет выделяется больше HCl, что способствует развитию язвы. Рвота способна компенсировать ацидоз, а диарея – усугубить. Длительная рвота вызывает развитие алкалоза, у детей она может иметь тяжелые последствия, вплоть до летально исхода.

Клеточный механизм регуляции КОС. Кроме рассмотренных физико-химический и физиологических механизмов регуляции КОС существует еще клеточный механизмрегуляции КОС. Принцип его работы заключается в том, что избыточные количества H⁺ могут размещаться в клетках в обмен на К⁺.