Физиологические гомеостатические механизмы

Эти механизмы, включающие функции легких, почек, желудочно-кишеч­ного тракта, печени и костной ткани, обеспечивают нейтрализацию, свя­зывание и выведение из организма Н⁺ и ОН" ионов в составе различных соединений, в зависимости от особенностей метаболизма и состояния бу­ферных систем внутренней среды.

15.3.1. Легкие и кислотно-основное состояние

Процессы газообмена между кровью и окружающим воздухом, происходя­щие в легких, обеспечивают регуляцию кислотно-основного состояния, по­скольку внешнее дыхание — это основной путь удаления из крови летучей угольной кислоты. При физиологических условиях в покое в организме вырабатывается 10 ммоль/мин угольной кислоты, а выделяется через лег­кие 13 000—15 000 ммолей СО₂ в сутки. Благодаря бикарбонатному буферу образующиеся при метаболизме кислоты не вызывают закисления крови, а приводят к увеличению содержания СО₂ в крови с последующим удалени­ем через легкие.

Удаленный из плазмы углекислый газ немедленно восполняется за счет двух механизмов, происходящих в крови легочных капилляров. Во-первых, образование оксигемоглобина ведет к распаду карбаминовой связи гемо­глобина и освобождению СО₂ из эритроцитов; во-вторых, под влиянием карбангидразы, фермента, катализирующего реакцию: Н₂СО₃ Н₂О + СО₂

Количество выводимого из организма углекислого газа зависит от глу­бины и частоты дыхания, т. е. от альвеолярной вентиляции. Величина же альвеолярной вентиляции регулируется дыхательным центром, деятель­ность которого зависит или даже определяется парциальным напряжением СО₂ в крови и pH внеклеточной жидкости мозга. Таким образом, усиление дыхания и альвеолярной вентиляции происходит при увеличении напря­жения в крови СО₂ и уменьшении pH. Нарастающее при этом удаление уг­лекислоты через легкие приводит ее содержание в крови в соответствие с концентрацией бикарбоната. Следовательно, легкие выступают в роли фи­зиологической гомеостатической системы, не только выводящей избыток летучей кислоты, но и восстанавливающей емкость буферных систем, пре­жде всего бикарбонатной и гемоглобиновой.

При быстром поступлении во внутреннюю среду оснований вентиляция легких уменьшается и количество выделяемого СО₂ существенно снижает­ся. Концентрация углекислоты возрастает и pH поддерживается на исход­ном уровне.

15.3.2. Почки и кислотно-основное состояние

Почки осуществляют выведение из внутренней среды организма нелетучих органических и неорганических кислот. Избыток кислот при этом может выводиться как в свободном состоянии, так и в виде нейтральных солей. Сильные неорганические кислоты выделяются из внутренней среды только через почки и только в связанной форме.

В физиологических условиях почки выделяют кислую мочу, pH которой колеблется от 5 до 7. Однако, в зависимости от кислотно-основного со­стояния внутренней среды, моча может быть более кислой (pH 4,0) или даже щелочной (pH 8,0).

Участие почек в регуляции кислотно-основного состояния внутренней среды обеспечивается совокупностью взаимосвязанных процессов, проис­ходящих в структурах нефрона. К их числу относятся: 1) секреция водо­родных ионов в мочу клетками канальцевого эпителия, 2) реабсорбция (обратное всасывание) профильтровавшихся в мочу оснований, прежде всего бикарбоната, пополняющих резерв в крови, 3) образование в клетках эпителия канальцев ионов бикарбоната, больше или меньше всасываемого в кровь, 4) образование и диффузия в мочу аммиака, создающего катион аммония, присоединяя Н-ион, 5) фильтрация в первичную мочу из плаз­мы крови соединений, обладающих кислыми или щелочными свойствами, 6) обмен ионов СГ, Na⁺, К⁺, фосфатов, сульфатов и двухвалентных катио­нов (Са²⁺, Mg²⁺).

Важнейшую роль в способности почек к выделению кислой мочи игра­ет секреция водородных ионов клетками эпителия проксимальных и дисталь­ных канальцев (рис. 15.2). Эта способность обусловлена наличием в клет­ках эпителия фермента карбоангидразы, обеспечивающего образование из СО₂ и Н₂О угольной кислоты, с последующей диссоциацией:

н₂о + со₂ -> н₂со₃ н⁺ + нсо;.

Ион водорода активно секретируется с затратой энергии через апикаль­ную мембрану клетки эпителия в просвет канальца, а из канальцевой мочи в клетку диффундирует ион натрия, обеспечивая равновесие электриче­ских зарядов. Из клетки, уже через базальную мембрану, Na⁺ активно с помощью Na-K-насоса удаляется в интерстиций и кровь, туда же пассивно по градиенту концентрации поступает НСО7 образуя бикарбонат натрия. Следовательно, секреция Н-ионов обеспечивает обратное всасывание би­карбоната и натрия, причем основная часть секретируемых ионов водорода тратится именно на обеспечение реабсорбции бикарбоната. Так, секрети­руемый Н-ион в просвете проксимального канальца взаимодействует с профильтровавшимся в мочу из плазмы ионом бикарбоната (в сутки около 5000 ммоль), образуя угольную кислоту. Под влиянием фермента карбоан­гидразы, встроенного в мембрану щеточной каемки клеток эпителия ка­нальца, угольная кислота разлагается на СО₂ и воду:

карбоангидраза

Н⁺ 4- НСО7 -> Н₂СО₃                     > СО₂ + Н₂О.

Молекулы углекислого газа легко диффундируют в клетки, где реак­ция катализируется в обратном направлении. Таким образом, на суточ-

Кружки обозначают мембранные транспортные системы.

Первый фрагмент (сверху) — секреция Н⁺-ионов в мочу клетками эпителия проксимальных канальцев обеспечивает реабсорбцию профильтровавшегося в первичную мочу натрия и транспорт во внутреннюю среду бикарбоната натрия, что способствует сохранению нормаль­ного значения величины актуального бикарбоната крови. Второй (средний) фрагмент — секре­ция водородных ионов в мочу ведет к реабсорбции натрия из диссоциирующих солей неорга­нических кислот и появлению титруемых кислот мочи. Третий фрагмент — аммониогенез как путь выведения избытка Н⁺-ионов. Секретируемые эпителием в просвет канальца аммиак и Н-ионы взаимодействуют между собой и с ионом хлора, образуя экскретируемый хлорид ам­мония.

ную реабсорбцию до 5000 ммоль бикарбоната расходуется эквивалентное количество секретированных ионов водорода. Выделяется же с мочой только 60 ммоль/сут ионов водорода, преимущественно в связанном виде.

Наибольшая часть секретированных канальцами Н⁺ (65—75 %) участву­ют в процессе аммониогенеза, обеспечивающего выведение из плазмы кро­ви анионов сильных неорганических и органических кислот в виде аммо­нийных солей. Клетки проксимальных и дистальных почечных канальцев, благодаря процессам дезаминирования и дезамидирования аминокислот, образуют аммиак. Основным источником является глутамин, который де­заминируется под влиянием фермента глутаминазы, 40 % аммиака образу­ется из аминокислот аланина и глицина. Аммиак, благодаря высокой рас­творимости в липидах, легко диффундирует в просвет канальца, где при­соединяет секретированные Н⁺ и образует ион аммония; NH₃ + Н⁺ -» NH^. Ионы аммония вытесняют натрий из соединений с анионами сильных ки­слот, натрий реабсорбируется, а анионы кислот в виде аммонийных солей выделяются с мочой.

Содержащиеся в крови кислые и щелочные компоненты буферных сис­тем, например одно- и двухосновный фосфаты, бикарбонат, а также сла­бые органические кислоты — молочная, лимонная, р-оксимаслянная и др., так же как и анионы сильных неорганических кислот (СГ, SO^), фильтру­ются из плазмы крови в первичную мочу. Часть из них реабсорбируется в проксимальных канальцах, особенно существенно бикарбонат (до 80— 90 %), мочевая кислота (более 90 %). Но наряду с обратным всасыванием многие из указанных веществ, особенно органические кислоты и основа­ния (холин), активно секретируются клетками канальцевого эпителия. Та­ким образом, уровень этих веществ в моче определяется соотношением трех основных процессов: клубочковой фильтрации, канальцевых реаб­сорбции и секреции.

Секретированные в мочу водородные ионы участвуют в образовании титруемых кислот мочи. Основную роль при этом играют фосфаты. По­скольку в плазме крови в 4 раза больше двухосновных фосфатов, поэтому и в первичную мочу их фильтруется соответственно больше. Под воздейст­вием секретированного эпителием канальца Н-иона происходит перевод двухосновного фосфата в одноосновный, путем ионного обмена протона на натрий: Na₂HPO₄ + Н⁺ -> NaH₂PO₄ + Na⁺

Освобождаемый ион Na⁺ реабсорбируется в канальцах в кровь. Таким образом, этот процесс способствует сохранению во внутренней среде на­трия и удалению из нее избытка Н⁺-ионов.

Многие органические кислоты содержатся в плазме крови в виде солей и, фильтруясь в клубочках, поступают в первичную мочу. Под воздействи­ем секретированных канальцами Н-ионов в моче происходит образование свободных слабых, т. е. плохо диссоциирующих, кислот, также составляю­щих титруемую кислотность мочи. Титруемой кислотностью мочи называ­ют сумму Н-ионов слабых кислот и солей, определяемую путем титрова­ния мочи щелочью до величины pH, равной pH крови. Эта величина пока­зывает, насколько больше водородных ионов содержится в моче по срав­нению с плазмой крови, т. е. насколько эффективно почки поддерживают постоянство pH.

В клетках эпителия дистальных отделов нефрона кроме описанной вы­ше секреции водородных ионов происходит секреция ионов К⁺, при этом ионы Н⁺ и К⁺ конкурируют в обмене на Na⁺. В связи с этим выведение ка­лия и протона может изменяться противоположно друг другу. Так, при из­бытке водородных ионов секреция калия снижается, а при недостатке — возрастает. Напротив, избыток К⁺ снижает секрецию водородных ионов, а недостаток К⁺ повышает ее. Недостаток калия стимулирует и синтез ам­миака в эпителиальных клетках канальцев для выведения избытка Н-ио- нов в виде аммонийных солей. Однако секреция протонов и калия связана с транспортом натрия и меняется пропорционально сдвигам реабсорбции натрия. При снижении дистальной реабсорбции натрия соответственно снижается секреция Н⁺ и К⁺ ионов, напротив, усиление всасывания на­трия в дистальных канальцах приводит к повышению секреции калия и водородных ионов.

При поступлении в кровь избытка кислот или оснований компенсация сдвига кислотно-основного состояния осуществляется прежде всего буфер­ными системами крови, дыхательная компенсация формируется через 16— 18 ч, а почечная компенсация развивается еще медленнее — спустя 2— 3 сут. При этом почечные механизмы обладают значительной инерционно­стью и даже после удаления из организма избытка кислот или оснований возвращение к исходному кислотно-основному состоянию продолжается также около 2—3 сут.

15.3.3. Желудочно-кишечный тракт, печень, костная ткань и кислотно-основное состояние

Характер питания человека и особенности пищеварения в значительной ме­ре сказываются на кислотно-основном состоянии его внутренней среды, В пищевых продуктах растительного происхождения содержится большое количество солей органических кислот (щавелевой, яблочной, лимонной, янтарной и др.), после окисления которых и выведения кислотных валент­ностей с углекислотой через легкие остаются и накапливаются связанные с катионами щелочные валентности. Поэтому растительная пища способст­вует ощелачиванию внутренней среды, соответственно, основания в боль­шем количестве выводятся с мочой, что увеличивает pH мочи и она может приобретать щелочную реакцию. Белковая пища животного происхожде­ния способствует закислению внутренней среды, так как в составе живот­ных белков содержатся сера и фосфор, что приводит к образованию силь­ных неорганических кислот. Повышенное выведение их с мочой приводит к снижению pH мочи и она приобретает резко кислую реакцию. Всасыва­ние в желудочно-кишечном тракте кислот или щелочей, содержащихся в различных напитках, в том числе алкогольных и минеральных водах, также приводит к изменению кислотно-основного состояния внутренней среды.

Сравнительно небольшую роль в регуляции кислотно-основного со­стояния играют пищеварительные функции желудка и кишечника. Парие­тальные клетки слизистой оболочки желудка секретируют соляную кисло­ту. Водородные ионы образуются в клетках под влиянием карбоангидразы, анион хлора поступает в клетки из хлористого натрия крови путем обмена на бикарбонат. Однако при этом ощелачивания крови не происходит, так как СГ желудочного сока в кишечнике всасывается обратно в кровь. Зна­чительное количество бикарбонатов поступает в кишечник в составе сока поджелудочной железы и кишечного сока. При этом ионы Н⁺ всасываются в кровь. Обратное всасывание претерпевают и бикарбонатные ионы, по­этому сдвигов кислотно-основного состояния крови не происходит. При кислой диете увеличивается выделение двухвалентных катионов Са²⁺ и Mg²⁺ а при щелочной — и одновалентных катионов. Хотя значение желу­дочно-кишечного тракта в физиологической регуляции кислотно-основно­го состояния невелико, тем не менее при изменениях, а тем более наруше­ниях функций желудка и кишечника неизбежно происходят сдвиги и ки­слотно-основного состояния. Стойкое и резкое повышение кислотности желудочного сока может вести к увеличение щелочного резерва крови из- за потерь Н-ионов и избыточного всасывания бикарбоната. Частая рвота, особенно при непроходимости кишечника, вызывая потерю Н⁺-ионов и хлоридов, вызывает гипохлоремию и защелачивание внутренней среды, что требует обязательной врачебной коррекции.

В печени происходит утилизация молочной кислоты с образованием гликогена, здесь разрушаются кетоновые тела (ацетоуксусная и бета-окси- масляная кислоты), происходят метаболические превращения органиче­ских кислот и оснований. Образуя желчь с изменяемой степенью щелоч­ной реакции, печень способствует удалению из внутренней среды разных количеств оснований.

В нейтрализации кислот внутренней среды принимает участие костная ткань, поскольку в ней связано огромное количество катионов и фосфата. При длительном накоплении в крови кислот и снижении pH внеклеточной жидкости происходит остеолиз и вымывание из скелета фосфата кальция. В результате реакции с угольной кислотой образуются бикарбонатный и однозамещенный фосфатный анионы, нейтрализующие избыток Н-ионов. Благодаря огромным запасам в скелете фосфата кальция этот механизм обладает высокой эффективностью, выход из скелета 1 моль фосфата каль­ция нейтрализует и способствует в дальнейшем выведению из организма через почки 4 эквивалентов кислоты. Однако потеря костной тканью фос­фата кальция вызывает деминерализацию скелета и потерю его прочности. В костной ткани находится до 45 % всего натрия, содержащегося в орга­низме, однако выход натрия из костной ткани возможен только при ре­зорбции кости, например, в условиях кислой реакции среды. В таких слу­чаях натрий костей, поступая во внеклеточную среду, способствует нейтра­лизации кислотного сдвига.