Патофизиология нарушений кислотно-основного равновесия. Ацидоз. Алкалоз.

Кислотно-основное состояние (КОС) – внутренней среды организма – одна из важнейших характеристик гомеостаза, развившаяся и усовершенствовавшаяся в процессе эволюции. Показатели КОС отражают постоянство соотношения водородных (Н⁺) и гидроксильных (ОН^-) ионов во внутренней среде организма.

Основные показатели КОС:

▪рН (power Hydrogen – «сила водорода») представляет собой отрицательный десятичный логарифм от концентрации водородных ионов в растворе. В норме этот показатель меняется от 7,35 – 7,45. Сдвиг рН на 0,1 по сравнению в физиологической нормой может привести к тяжелой патологии, на 0,2 – к коматозному состоянию, на 0,3 – к гибели организма.

▪ Актуальный (истинный рН) – это значение рН артериальной крови, определенное без доступа воздуха при 38˚С.

▪Актуальное (истинное) парциальное напряжение углекислого газа (рСО2) – это значение рСО2 артериальной крови, определенное без доступа воздуха при 38˚С.

▪Стандартный бикарбонат (SB – «Standart Bicarbonate») – это содержание бикарбонатов в плазме крови (ммоль/л) при полном насыщении её кислородом и при рСО2 равном 40 мм.рт.ст., определяемое при 38˚С.

▪Актуальный (истинный) бикарбонат (АВ – «Actual Bicarbonate» - концентрация бикарбоната в плазме крови (в моль/л) при истинном рСО2, определяемом при температуре 38˚С.

▪Избыток (недостаток) буферных оснований (ВЕ – «Base Excess») – это разность между средним нормальным содержанием буферных оснований (в цельной крови при рН – 7,35 и рСО2, равном 40 мм.рт.ст.) и найденным значением концентрации буферных оснований.

Соотношение между SB и АВ свидетельствует при преобладании SB о газовом алкалозе, а при преобладании АВ – о газовом ацидозе.

В регуляции КОС принимают участие буферные системы:

1. Карбонатная, которая определяется постоянством соотношения угольной кислоты и её кислой соли (Н2СО / NaНСО3), которое поддерживается в пропорции 1/20. если в организме образуется или поступает сильная кислота, например HCl, происходит следующая реакция:

NaHCO3+HCI → NaCl+H2CO3

При этом избыток хлористого натрия легко выделяется почками, а угольная кислотапо действием фермента карбоангидразы распадается на воду и углекислый газ, который выводится легкими.

При поступлении в организм избытка щелочных продуктов, например NaOH, происходит следующая реакция:

H2CO3+NaOH→NaHCO3+H2O

Уменьшение концентрации угольной кислоты компенсируется снижением выведения углекислого газа легкими.

2. Фосфатная действует за счет поддержания постоянства соотношения одно- и двуметаллической соли фосфорной кислоты. В случае натриевых солей это соотношение выглядит следующим образом:

NaH2PO4 / Na2HPO4.

При взаимодействии этой системы с кислыми продуктами образуется дигидрофосфат Na и хлористый Na:

Na2HPO4+HCl → NaH2PO4+NaCI,

а при реакции со щелочными продуктами образуется однозамещенный гидрофосфат натрия и вода:

NaH2PO4+NaOH → Na2HPO4+H2O/

Избытки продуктов обеих реакций удаляются почками.

3. Белковая – способна проявлять свои свойства за счет амфотерности белков, которые в одном случае реагируют с щелочами как кислоты (в результате реакции образуются щелочные альбуминаты), а в другом - с кислотами как щелочи (с образованием кислых альбуминатов). В схематичном виде эту закономерность можно проиллюстрировать следующим образом:

→ COOH+NaOH → COONa+H2O

БЕЛОК→

→NH2+HCl → NH4Cl

4. Гемоглобиновая – обеспечивает буферную емкость крови. Это связано с тем, что оксигемоглобин (HbO2) является гораздо более сильной кислотой, чем восстановленный гемоглобин (Hb). В венозных капиллярах в кровь поступают кислые продукты, образованные в процессе жизнедеятельности,

она обогащается углекислым газом, рН сдвигается в кислую сторону. Одновременно происходит восстановление гемоглобина, который становится слабой кислотой и отдает связанные с ним щелочные продукты, которые, реагируя с угольной кислотой, образуют бикарбонаты.

в артериальной крови основное количество двуокиси углерода (90%) содержится в форме бикарбоната, который образуется за счет реакции углекислого газа с водой (образование Н2СО3) и последующей диссоциацией на катион водорода и анион НСО3^-. Эта реакция протекает в эритроцитах под влиянием внутриклеточного фермента карбоангидразы.

Анион НСО3^- свободно проходит через клеточную мембрану и накапливается в плазме крови, образуя бикарбонат натрия. Катионы водорода, как и любые другие катионы, плохо проходят через мембрану эритроцита и накапливаются в клетке. Их избыток ликвидируется за счет соединения с восстановленным гемоглобином, который образуется в тканевых капиллярах после отсоединения кислорода и диффузии его в ткани.

С другой стороны, электрическая нейтральность клетки обеспечивается диффузией в эритроцит анионов хлора (хлоридный сдвиг).

Незначительная часть двуокиси углерода транспортируется из тканевых в легочные капилляры за счет соединения с гемоглобином (в форме карбоксигемоглобина).

Все нарушения кислотно–основного баланса, по направлению сдвига концентрации водородных ионов делят на ацидозы и алкалозы.

Полная нормализация кислотно-основного состояния происходит только с помощью физиологиче­ских механизмов компенсации, которые выводят кислоты и основания из организма и восстанавливают нормальное соотношение компонентов буферных систем. Это происходит в основном вследствие быстрого включения дыхательного механизма (обеспечивается выделение летучих продуктов) и почек (выводятся нелетучие вещества). Значительно меньшую роль в этом играют желудок, кишечник, кожа. Участие легких в восстановлении рН выражается в изменении их вентиляции, интенсивность которой регулируется рСО₂ и рН крови.

Почки осуществляют регуляцию содержания кислот и оснований в организме с помощью трех основных процессов:

1. Ацидогенез - секреция Н⁺-ионов эпителием канальцев нефрона и выведение их с мочой путем преобразования основных фосфатов в кислые, а также экскреция слабых органических кислот, что обеспечивается работой эпителия канальцев нефрона, где постоянно с участием угольной карбоангидразы из СО2 и воды происходит образование угольной кислоты, которая затем диссоциирует на ионы водорода, активно секретируемые в просвет канальцев, и анионы НСО^-з. Интенсивность секреции Н⁺-ионов зависит от количества СО₂ в клетках, а следовательно, от рСО₂ в крови. Для предотвращения значительного снижения рН мочи свободные Н⁺-ионы в ней связываются. Если связывание происходит с помощью Na₂HPO₄ (основного компонента фосфатного буфера), то превращение его в NaH₂PO₄ вызывает некоторое подкисление мочи, но в меньшей степени, чем свободные ионы водорода. Освобожденные при этом катионы натрия реабсорбируются и уходят в кровь в составе NaHCO₃.

2. Аммониогенез - образование аммиака из глутамина и других аминокислот в эпителии канальцев нефрона и последующем связывании им Н⁺-ионов. Образовавшийся ион аммония реагирует с анионом сильной кислоты (обычно с хлором). Аммиачная соль NH₄C1 выводится с мочой, не снижая значение ее рН. Аммонийный катион способен замещать значительное количество катионов натрия в моче, которые реабсорбируются в кровь взамен на секретируемые ионы водорода, и это является одним из путей сохранения гидрокарбоната в организме.

3. Реабсорбция гидрокарбоната. Фильтрующийся в нефроне гидрокарбонат обычно не появляется во вторичной моче. Проходя через канальцы, он отдает катион натрия взамен на секретируемые ионы водорода и превращается в угольную кислоту, расщепляющуюся до СО₂ и воды. Моча при этом не меняет своей реакции. Источником образования Н₂СО₃, отдающей свои Н-ионы в обмен на Na, является СО₂ крови в случае повышения его напряжения и СО2, диффундирующий из мочи. Оставшийся в клетках после отщепления ионов водорода НСО3 присоединяет реабсорбированный Na⁺ и в виде NaHCO₃ восполняет количество гидрокарбоната крови, ушедшего в мочу при фильтрации.

Если рН крови не выходит за пределы нормы (7,35-7,45), ацидоз или алкалоз называется компенсированным. Если же регуляторные механизмы недостаточны и отклонения рН становятся выраженными, то такие состояния называются декомпенсированными.

По механизму развития ацидоз или алкалоз бывает газовым (респираторным), развивающимся при нарушении обмена и транспорта СО₂, и негазовым (метаболическим), который возникает при накоплении в организме нелетучих продуктов кислого или основного характера.

Схема 12. Классификация нарушений КОС

Ацидоз – нарушение кислотно-основного равновесия, при котором появляется абсолютный или относительный избыток кислот и повышается концентрация водородных ионов (рН снижается).

Газовый ацидоз развивается при избытке угольной кислоты в организме. Его непосредственными причинами являются:
1) недостаточность функции внешнего дыхания (угнетение дыхательного центра, тяжелые заболевания легких, асфиксия и др.), при которой вследствие снижения легочной вентиляции СО₂ задерживается в организме;
2) недостаточность кровообращения, когда в результате резкого замедления кровотока замедляется удаление СО₂ из крови;
3) высокая концентрация СО₂ в воздухе.

При газовом ацидозе в крови значительно возрастает напряжение СО₂ (гиперкапния). В результате повышается возбудимость дыхательного центра, развивается одышка и избыток угольной кислоты в той или иной степени удаляется из организма. Это — быстро включающийся механизм компенсации.

Далее СО₂ поступает в эритроциты, в которых существенно повышается концентрация ионов Н⁺ и НСО^-3 Избыток Н⁺ ионов удерживается в эритроцитах гемоглобином, а анионы НСО^-3 поступают в плазму в обмен на ионы хлора. Последние образуются при диссоциации NаС1, причем освобождается Nа⁺. Из костной ткани в обмен на ионы Н⁺ выходят Nа и Са (развивается остеопороз). Поставщиками натрия являются также белковый буфер плазмы, который отдает его, связывая взамен водородные ионы, и фосфатный буфер, освобождающий натрий при переходе двуосновного фосфата в одноосновной. Освобождающийся Nа⁺ связывается в плазме с НСО^-3, причем возрастает содержание бикарбонатов. В процессе компенсации очень важна роль почек, в которых при высоком напряжении в крови углекислоты возрастает реабсорбция Nа, что обеспечивает прирост NаНСО₃. Увеличивается выведение с мочой свободных и связанных в форме аммонийных солей кислот.

Таким образом, компенсаторные механизмы направлены на связывание СО₂ и увеличение содержания бикарбонатов, т. е. на поддержание нормального соотношения между Н₂СО₃ и NaНСО₃. До тех пор, пока это соотношение сохраняется на уровне 1:20, реакция крови остается в пределах нормы (компенсированный ацидоз). При дальнейшем накоплении СО₂ в организме буферная емкость крови и физиологические регуляторные механизмы истощаются. Происходит сдвиг реакции крови в кислую сторону и развивается декомпенсированный ацидоз.

Газовый ацидоз, как правило, протекает на фоне кислородного голодания организма (из-за недостаточности функций дыхания и кровообращения), которое в результате нарушения обменных процессов приводит к развитию метаболического ацидоза. Это ускоряет наступление декомпенсации.

Респираторный ацидоз приводит к выраженным нарушениям дыхания, кровообращения и других функций организма. Так, при гиперкапнии происходит сужение просвета бронхов, особенно выраженное при их патологии (хронический бронхит, бронхиальная астма, эмфизема легких и др.). Под влиянием избытка СО₂ слизистая оболочка бронхов продуцирует вязкую слизь; ее накопление приводит к еще большему сужению бронхов и бронхиол. Все это способствует нарастанию гиперкапнии и гиперосмии. Падает насыщение крови кислородом. Значительно повышается артериальное давление. В результате спазма почечных артерий снижается образование мочи. Возрастает уровень катехоламинов крови, что ведет к учащению пульса, повышению артериального давления и др. Однако при углублении ацидоза снижается активность адренорецепторов и поэтому, несмотря на высокий уровень в крови катехоламинов, происходит угнетение сердечной деятельности, снижение артериального давления.

Негазовый ацидоз — самая частая и очень тяжелая форма нарушения кислотно-щелочного равновесия крови. В основе его лежит накопление в организме нелетучих кислых продуктов (ацетоуксусная, молочная кислоты и др.).

Причинами развития негазового ацидоза являются:
1) избыточное образование кислых продуктов (кетоновые тела, молочная кислота и др.) при нарушениях обмена веществ (сахарный диабет, гипоксия, голодание и др.);
2) нарушение выведения из организма кислых веществ при недостаточности выделительной функции почек (нефриты, уремия);
3) потеря организмом большого количества оснований со щелочными пищеварительными соками (продолжительные поносы, свищи кишечника);
4) избыточное введение в организм минеральных кислот (отравление уксусной кислотой, введение животным минеральных кислот в эксперименте).

Нейтрализация избытка кислых продуктов происходит отчасти вследствие разбавления их внеклеточными жидкостями (быстро включающийся механизм). Далее эти продукты связываются бикарбонатами. Содержание последних в плазме крови падает, что является характерным показателем обменного ацидоза. Соответственно уменьшается знаменатель дроби (H₂CO₃/NaHCO₃). Создается относительный избыток угольной кислоты, которая под влиянием фермента карбоангидразы легких разлагается на воду и СО₂. Последний удаляется из организма при дыхании. Это — очень важный путь компенсации, однако уменьшение парциального давления СО₂ может привести к понижению возбудимости дыхательного и сосудодвигательного центров.

В компенсацию включается и белковый буфер, который при избытке кислых продуктов ведет себя как слабое основание, соединяясь с водородными ионами.

Н⁺-ионы часто переходят в эритроциты, из которых взамен в плазму выходят ионы К⁺. В костной ткани происходит обмен водородных ионов с ионами Na⁺ и Са²⁺. Эти механизмы являются компенсаторными, так как способствуют связыванию избыточных водородных ионов. Вместе с тем они ведут к таким нарушениям минерального обмена, как увеличение содержания в крови ионов К⁺, Са²⁺, Na⁺ и декальцинация костей.

В почках увеличивается выведение кислых продуктов в виде свободных кислот и аммонийных солей; одновременно возрастает реабсорбция бикарбонатов.

Пока в результате действия перечисленных механизмов отношение (H₂CO₃/NaHCO₃)=1/20 сохраняется, ацидоз остается компенсированным, хотя при этом и происходят весьма существенные сдвиги (понижение содержания стандартных бикарбонатов в плазме крови, падение альвеолярного напряжения углекислоты и др.).

При истощении и недостаточности регуляторных механизмов развивается декомпенсированный ацидоз со снижением рН.

Смещение активной реакции крови в кислую сторону приводит к тяжелым нарушениям функций организма. Нарушается работа сердца (тахикардия, экстрасистолия, в тяжелых случаях — фибрилляция желудочков), снижается артериальное давление. Понижается сродство гемоглобина к кислороду, в результате чего образование оксигемоглобина в легких и отдача им кислорода в тканях затрудняются. Этот фактор в совокупности с нарушениями сердечной деятельности ведет к развитию гипоксемии и гипоксии.

Алкалоз – одна из форм нарушения кислотно-щелочного (кислотно-основного) равновесия в организме, характеризующаяся сдвигом соотношения между анионами кислот и катионами оснований в сторону увеличения катионов. Дыхательный алкалоз развивается при чрезмерном выведении углекислоты вследствие глубокого дыхания; метаболический алкалоз возникает при потере кислоты, например, при рвоте, иногда при избыточном приёме щелочей (гидрокарбоната натрия). Выделительный алкалоз развивается в результате потерь значит, количеств кислого желудочного сока при повторной рвоте желудочным содержимым (неукротимая рвота беременных, непроходимость кишечника и т. п.).

Газовый алкалоз встречается при гипервентиляции, когда выведение СО₂ превышает скорость ее образования в организме (высотная болезнь, перегревание, гипервентиляционное управляемое дыхание, так называемый гипервентиляционный синдром у детей, анемии и др.). Вследствие гипервентиляции понижается парциальное напряжение углекислоты в, альвеолярном воздухе и крови (гипокапния).

Очень важным и быстро включающимся механизмом компенсации гипокапнии является снижение возбудимости дыхательного центра. Это ведет к урежению дыхания и задержке СО₂ в организме. При дефиците угольной кислоты из эритроцитов в плазму поступают ионы хлора. Они вытесняют натрий из бикарбоната, в результате чего содержание последнего уменьшается, а концентрация Н₂СО₃ увеличивается. В почечных канальцах при низком напряжении в крови СО₂ компенсаторно снижается секреция водородных ионов и тормозится обратное всасывание бикарбоната, который интенсивно выводится с мочой (моча становится щелочной). В компенсации участвует белковый буфер, диссоциирующий с освобождением Н⁺ ионов. Водородные ионы поступают в плазму также из клеток тканей взамен ионов калия.

В результате данных компенсаторных приспособлений соотношение (H₂CO₃/NaHCO₃) приближается к 1:20 и дыхательный алкалоз долго остается компенсированным. При истощении и недостаточности компенсаторных механизмов происходит сдвиг реакции крови в щелочную сторону — алкалоз становится декомпенсированным. При продолжительном газовом алкалозе наблюдается компенсаторное накопление больших количеств нелетучих кислот, что создает предпосылку к развитию метаболического ацидоза.

Нарушения в организме при газовом алкалозе во многом обусловлены гипокапнией, которая вызывает понижение возбудимости дыхательного центра вплоть до появления периодического дыхания и ведет к угнетению сосудодвигательного центра. Снижается артериальное давление, падает систолический минутный объем сердца. Уменьшается объем циркулирующей крови в результате депонирования части крови в сосудах и падения артериального давления. Снабжение головного мозга кислородом уменьшается. В связи с выведением солей натрия и калия снижается осмотическое давление крови, возрастает диурез и развивается обезвоживание организма.

Негазовый алкалоз развивается при абсолютном или относительном увеличении в организме количества щелочных соединений. Его непосредственными причинами могут быть следующие факторы:
1) введение в организм большого количества щелочных веществ (бикарбоната, лак-тата, цитрата и др.);
2) потеря больших количеств желудочного сока (неукротимая рвота, желудочный свищ, стеноз привратника). Необходимый для синтеза соляной кислоты хлор освобождается при диссоциации в крови NaCl. Свободные ионы Na⁺ взаимодействуют с НСО^-3, образуя NaHCO₃, при этом увеличиваются запасы бикарбонатов и происходит сдвиг в щелочную сторону;

3) гиперпродукция глюкокортикоидов или лечение препаратами гормонов коры надпочечников, когда на место убывшего из клеток калия поступают Н⁺-ионы; концентрация последних в крови соответственно падает, и рН крови возрастает;
4) описан врожденный метаболический алкалоз у детей (хлордиарея). В основе этого заболевания лежит потеря хлора и калия в связи с патологическими изменениями в кишечнике. Развивается гипохлоремия и гипокалиемия. В плазме крови преобладает бикарбонат. У больных детей отмечаются упорные поносы (каловые массы богаты хлором). Дети отстают в физическом развитии.

Компенсаторные приспособления при метаболическом алкалозе направлены на выведение избытка бикарбонатов и задержку в организме углекислоты.

При понижении в крови концентрации водородных ионов тормозится дыхательный центр. В результате снижается легочная вентиляция, а в крови накапливается СО₂ и соотношение (H₂CO₃/NaHCO₃) сохраняется на уровне 1/20. В процессе компенсации участвует белковый буфер (отдает водородные ионы и связывает ионы натрия). С мочой выделяется большое количество бикарбоната и двуосновного фосфата.

За счет действия этих компенсаторных механизмов, несмотря на химические (увеличение содержания в плазме крови стандартных бикарбонатов) и функциональные (повышение альвеолярного напряжения углекислоты) сдвиги, рН крови сохраняется в пределах нормы (компенсированный алкалоз). Однако при гиперкапнии повышается возбудимость дыхательного центра, избыток углекислоты удаляется из организма и может наступить декомпенсированный алкалоз. При этом в результате уменьшения содержания в крови ионизированного кальция, который переходит в костную ткань взамен ионов Н⁺, повышается вплоть до судорог нервно-мышечная возбудимость (например, так называемая желудочная тетания при неукротимой рвоте).