Буферни системи

Поддържането на постоянно рН е от ключово значение за правилното функциониране на всички органи и системи. Постоянството на Н⁺ в телесните течности се поддържа, благодарение на три механизма, които предпазват от възникване на ацидоза и алкалоза. Тези три механизма са:

• буферни системи на организма – те реагират мигновено с кисели или алкални продукти и не допускат големи отклонения в концентрацията на свободните Н⁺;
• дихателна регулация на рН – чрез промяна на честотата и дълбочината на дишането се променя степента на елиминиране на СО₂ от организма, което води до нормализиране на концентрацията на Н⁺ в телесните течности;
• бъбречен механизъм на регулация на рН – при промени в концентрацията на Н⁺, бъбреците променят количеството екскретирани кисели и алкални продукти с урината.

Механизмите, които участват в поддържането на постоянната концентрация на Н⁺ в организма, от една страна осъществяват свързването на свободните Н⁺, а от друга отстраняването им.

Буферни системи и буфериране

Буферните системи са изградени от две или повече химични съединения. Те предпазват от големи промени в концентрацията на Н⁺, когато към разтвора се прибавят киселини или основи. Обикновено една буферна система се състои от слаба киселина и нейната алкална сол – съединение, което е в състояние да освобождава Н⁺ когато концентрацията им започне да намалява и друго, което може да свързва Н⁺, когато концентрацията им започне да се увеличава. Такава е хидрогенкарбонатната буферна система. Тя от изключително значение за регулация на алкално-киселинното равновесие в организма. Съставена от Н₂СО₃ и NaНСО₃. Ако към тази буферна система се добави силна основа се получава алкална сол. По този начин рН на средата почти не се променя.

NaOH + H₂CO₃ -> NaHCO₃ + H₂O

Добавянето на силна основа води до образуване на въглеродна киселина. Тя е много слаба киселина и степента и на електролитна дисоциация е много малка. Н₂СО₃ се дисоциира на Н⁺ и НСО₃^-. Във всеки разтвор на въглеродна киселина произведението от Н⁺ и НСО₃^-, разделено на концентрацията на недисоциираната въглеродна киселина е равно на константа.

HCl + NaHCO₃ -> H₂CO₃ + NaCl

(H⁺) x (HCO₃^-)/(H₂CO₃) = K’, където К’ е дисоциационна константа

Количеството недисоциирана въглеродна киселина е пропорционално на количеството въглероден диоксид, образувана при нейното разграждане. Така от горното уравнение се получава:

(H⁺) x (HCO₃^-)/(CO₂) = K

(H⁺) = K x (CO₂)/(HCO₃^-)

При логаритмуване на двете страни на уравнение и умножението им по -1 се получава:

-log(H⁺) = -logK + log (HCO₃^-)/(CO₂)

pH = pK + log(HCO₃^-)/(CO₂)

рК е тази стойност на рН, при която концентрациите на киселината и нейната алкална сол са равни по между си. Буферите са най-ефикасни в среда, в която рН е в граници +/- 1 от тяхната стойност на рК. За хидрогенкарбонатната буферна система рК е равно на 6,1.

pH = 6,1 + log (HCO₃^-)/(CO₂)

Това е уравнението на Хендерсон-Хаселбах за хидрогенкарбонатната буферна система. Ако са известни стойностите на НСО₃^- и СО₂ по него може да се изчисли рН. При увеличаване на концентрацията на НСО₃^- рН се увеличава (алкалоза), а при увеличаване на концентрацията на СО₂, рН намалява. Концентрацията на въглеродния диоксид може да се променя в зависимост от промени в белодробната вентилация, а концентрацията на НСО₃^- може да се регулира от бъбреците. Следователно двата основни фактора, които определят буфериращата сила на дадена буферна система, са концентрациите на елементите на системата и степента на съвпадение на рК на буферната система с актуалното рН, в която тя функционира. Буфериращата сила е най-голяма когато рК е равно на рН или когато съотношението на концентрациите на елементите в системата е 1:1.

Буферните системи в телесните течности са:

• хидрогенкарбонатна буферна система;
• фосфатна буферна система;
• белтъчна буферна система;
• хемоглобинова буферна система.

Буферирането се извършва както екстрацелуларно, така и интрацелуларно, като значителна част от него се извършва в клетките на органите.

Хидрогенкарбонатна буферна система

Хидрогенкарбонатната буферна система е изградена от въглеродна киселина, бикарбонатен йон и въглероден диоксид. рК на хидрогенкарбонатната буферна система е 6,10, а рН на артериалната кръв 7,40. При тези условия концентрацията на хидрогенкарбонатните йони е 20 пъти повече в сравнение с тази на въглеродната киселина. По тази причина буфериращата сила на хидрогенкарбонатната буферна система е слаба. Въпреки това значението на хидрогенкарбонатната буферна система за регулиране на алкално-киселинното равновесие на организма е особено голямо, защото концентрацията на всеки един от нейните елементи подлежи на регулация. Така например концентрацията на въглеродния диоксид се регулира от дишането, а концентрацията на хидрогенкарбонатните йони от бъбреците. Хидрогенкарбонатната буферна система е основният екстрацелуларен буфер за буфериране на промени в концентрацията на свободните Н⁺, причинени от кисели продукти. Ако се увеличи концентрацията на Н⁺ без да има промяна във въглеродния диоксид буферирането се извършва с участието на хидрогенкарбонатната буферна система. Тя не може да буферира промени в концентрацията на Н⁺ в екстрацелуларната течност причинени от промяна в концентрацията на въглеродния диоксид. Хидрогенкарбонатната буферна система е с по-голяма буферираща сила за неутрализиране на киселини в сравнение с основи.

Фосфатна буферна система

Фосфатната буферна система е съставена от примерен 20% (NaH₂PO₄) и секундарен 80% (Na₂HPO₄) натриев фосфат. При добавяне на киселина системата реагира със секундерния фосфат: HCl + Na₂HPO₄ <-> NaH₂PO₄ + NaCl. Така силната киселина се заменя с примерния натриев фосфат, който е слаба киселина и рН се променя незначително. При добавяне на силна основа тя реагира с примерния натриев фосфат NaOH + Na₂HPO₄ <-> Na₂HPO₄ + H₂O. Получава се секундарен натриев фосфат и рН на средата почти не се променя. Фосфатната буферна система има рК 6,80. Количеството на елементите на фосфатната буферна система в ЕЦТ е 1/12 от това на хидрогенкарбонатната. По тази причина нейната обща буферираща способност е по-малка от тази на хидрогенкарбонатната буферна система. Фосфатната буферна система има много важна роля в интрацелуларната течност, защото нейната концентрация е значително по-висока от екстрацелуларната система. Фосфатната буферна система има голямо значение за буфериране на свободните Н⁺ в тубулната течност.

Белтъчна буферна система

Белтъчната буферна система е изградена от плазмените и клетъчните протеини. Те са ефективни буфери, защото могат да се свързват както кисели така и алкални продукти и да неутрализират тяхното действие. Белтъците могат да свързват и да отделят Н⁺:

R-COOH <-> R-COO^- + H⁺

Недисоциираната карбоксилна група може да се отделя, а дисоцииралата да свързва Н⁺. Другата буферна система е амониевата.

R-NH₃⁺ <-> R-NH₂ + H⁺

R-NH₃⁺ е киселина, която отдава Н⁺, а R-NH₂ е основа, която приема Н⁺. рК на белтъчната буферна система съвпада с актуалното рН на кръвта. По тази причина тя има два пъти по-голям буферен капацитет от хидрогенкарбонатната буферна система. Белтъчната буферна система е от ключово значение за поддържане на алкално-киселинното равновесие в клетките поради изключително високата концентрация на белтъци в тях. Дифузията на Н⁺ и на НСО₃^- през мембраната на клетките е слаба, докато СО₂ преминава лесно през клетъчната мембрана. В течение на няколко часа рН на интрацелуларната течност се доближава до рН на екстрацелуларната. Буферните системи с известно забавяне подпомагат за буферирането на ЕЦТ.

Хемоглобинова буферна система

Хемоглобинът обхваща 80% от буферния капацитет на кръвта. При пренасянето на въглероден диоксид от тъканите до белите дробове, в еритроцитите се образува въглеродна киселина. Хемоглобинът буферира Н⁺ получени при дисоциирането и. Хемоглобинът има огромен буферен капацитет. По тази причина венозната кръв е съвсем по-малко кисела от артериалната.

Буферните системи представляват първата защитна линия на организма срещу промени в концентрацията на Н⁺. При промяна те се включват незабавно и за части от секундата намаляват до минимум промените в рН. Те не могат да елиминират Н⁺ от организма, а единствено не допускат наличие на свободни Н⁺ в телесните течности. Елиминирането на Н⁺ се осъществява от дихателната и бъбречната регулация на рН.