Буферные системы

Многие механизмы саморегуляции организма человека связаны с динамическим постоянством состава крови. Мы уже обсуждали это, говоря о терморегуляции, жажде, голоде. Теперь познакомимся с одной из главных характеристик гомеостаза—кислотно-щелочным равновесием крови.
Как и всякая жидкость, кровь содержит в определенных количествах свободные водородные (Н)—кислые и гидроксильные (ОН)—щелочные ионы, а кислотно-щелочное равновесие определяется водородным показателем—рН, характеризующим активную реакцию жидкой среды. Если Н-ионов больше, реакция будет кислой (а рН низким), если меньше — щелочной (рН высоким). Образец нейтральной реакции демонстрирует вода, рН которой равен 7,0.
Плазма крови взрослого здорового человека имеет слабощелочную реакцию (рН в пределах 7,35—7,4). Разброс показателя обусловлен тем, что венозная кровь, насыщенная главным образом кислыми продуктами обмена веществ клеток, в сравнении с артериальной имеет более низкий водородный показатель. В малом круге кровообращения, по которому артериальная кровь оттекает от легких (в них содержание углекислоты несколько ниже), водородный показатель немного выше.
В тканях организма диапазон колебаний может достигать более значительных величин. Самым кислым (рН до 1,5—1,8) оказывается содержимое желудка: железы желудка продуцируют соляную кислоту и, следовательно, много водородных ионов. Менее кислый—пот (рН-5,0), а желчь и кишечный сок имеют щелочную реакцию.
Следовательно, рН крови, обменивающейся своими компонентами со всеми органами и тканями,—это суммарный результат разнообразных процессов как в самой крови, так и во всех тканях организма. Перечень факторов, которые выводят константу из динамического равновесия, легко продолжить. В частности, рН крови мог бы меняться под влиянием компонентов всасывающейся пищи, то более кислой, то более щелочной: белковая пища, например, содержит больше кислых компонентов, а растительная—щелочных.
Однако именно водородный показатель оказывается едва ли не самым стойким в организме млекопитающих и человека. Как показали исследования, смещение рН крови всего лишь на 0,4 представляет серьезную угрозу жизни.
Дело в том, что каждый фермент, принимающий участие в обмене веществ, наиболее активен при строго определенном оптимуме содержания водородных ионов в жидкой среде. Например, пепсин желудочного сока идеально расщепляет белки пищи в среде с рН всего 2,0, тогда как для глициноксидазы—фермента клеток оптимальным является рН, равный 9,0. Поэтому удержание постоянства водородного показателя крови надежно обеспечивает наилучшие условия во всех тканях организма для деятельности ферментов и необходимого уровня обмена веществ.
Но каким образом организму удается поддерживать постоянство рН?
Это достигается благодаря существованию так называемых буферных систем. Эффект их работы можно продемонстрировать на таком примере. Если к одному литру дистиллированной воды добавить один миллилитр концентрированной соляной кислоты, то рН с 7,0 снизится до 2,0. А если то же количество кислоты влить в один литр плазмы крови, то рН с 7,4 снизится всего до 7,2!
Суть действия любых буферных систем, как это схематически показано на цветной вкладке художником А. Евсеевым, сводится к уменьшению количества свободных ионов за счет присоединения их к тому или иному буферу. В плазме крови эту роль выполняют в первую очередь белки, затем неорганические компоненты—соли фосфорной и угольной кислот. Среди твердых элементов крови первое место занимает пигмент эритроцитов—гемоглобин. Наконец, буферы есть ив самих клетках.
Напомним, что рН нормальной крови (на вкладке она красного цвета) равен 7,4. Если содержание водородных ионов (Н-ионов) в крови увеличивается, то кровь синеет, рН ее снижается до 7,0. И тут вступают в действие буферные системы. Они связывают избыток водородных ионов, образуя буферные комплексы. Перемещаясь с током крови по сосудам, они попадают в другие условия, например, в легкие, и там разгружаются: за счет повышенного давления кислорода и сниженного давления углекислого газа Н-ионы вытесняются из венозной крови в выдыхаемый воздух, а освободившиеся буферные системы возвращаются в кровоток (весь этот процесс показан стрелками и отражен на графике рН-метрии в верхнем углу вкладки).
Благоприятные условия для разгрузки плазменных буферов создаются и в почках, где рН мочи достигает 4,5. Содержание Н-ионов в моче может превышать их концентрацию в плазме в 800 раз! Как образуется такой перепад? Либо за счет активной работы клеток эпителия почечных канальцев, перекачивающих Н-ионы из плазмы в мочу, либо за счет возврата гидроксильных ионов (ОН) из мочи в кровь в процессе обратного всасывания.
Так рН крови в силу по крайней мере двух последовательных процессов—загрузки буферных систем и последующей их разгрузки в легких и почках—остается неизменным. При необходимости вспомогательную роль в процессах саморегуляции кислотно-щелочного равновесия могут играть потовые железы, выбрасывающие кислые продукты, и кишечник, связывающий часть свободных Н-ионов.
Существуют и другие пути саморегуляции кислотно-щелочного равновесия. Скажем, физическая деятельность сопровождается усиленным производством в мышечной ткани кислых продуктов, прежде всего молочной кислоты. Но и в этом случае кровь не закисляется. Артериолы мышц тут же расширяются, приток крови по ним увеличивается, она доставляет новые порции буферных систем, и сдвиг рН предотвращается. Причем увеличению кровотока при необходимости может способствовать и расширение подходящих к мышце более крупных сосудов. Этот механизм универсален, он действует не только в мышцах, но и в других органах.
Все перечисленные звенья системы поддержания гомеостаза располагаются, условно говоря, на низших уровнях саморегуляции организма. Когда же они не срабатывают, когда сдвиги рН начинают подбираться к пределам, несовместимым с жизнью, в действие вступают высшие звенья. Получив сигналы от рецепторов сосудистого русла, дыхательный центр головного мозга, а также железы внутренней секреции повышают интенсивность «спасательных мер», Учащается и углубляется дыхание, усиливается потоотделение, активизируется деятельность эндокринной системы, в кровь выбрасываются гормоны, повышается активность ферментов, что способствует транспорту ионов через эпителий почечных канальцев.