Регулация на алкално-киселинното равновесие

В телесните течности непрекъснато се образуват H­­­⁺ в резултат на метаболитните процеси. По време на окислението на хранителните вещества за едно денонощие се получават огромни количества CO₂, част от който се превръща в H₂CO₃. Освен въглеродна се образуват и други киселини – сярна, фосфорна, оцетна, млечна и мастни киселини. Тези киселини се дисоциират, но въпреки това концентрацията на Н⁺ в екстрацелуларната течност се поддържа в тесни граници. Това е от ключово значение за протичането на повечето химични реакции, особено тези включващи участието на ензими и преносители. Дори минимални промени в концентрацията на Н⁺ водят до значителни промени в скоростта и посоката на химичните реакции в клетките. Един от най-важните аспекти на хомеостазата е поддържането на концентрацията на Н⁺ в телесните течности.

В основата на регулацията на алкалното-киселинното равновесие стои регулация на концентрацията на свободните Н⁺. Те постъпват в телесните течности от три източника:

1. От Н₂СО₃. Като крайни продукти от обмяната на веществата се образуват СО₂ и Н₂О. От тях под влияние на ензима карбоанхидраза се формира въглеродна киселина. Тя частично се дисоциира и се освобождават Н⁺.

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃  НСО₃^- + Н⁺

2. От органични киселини, образувани при междинната обмяна – млечна, оцетна и мастни киселини. Много малка част от киселините се приемат с храната, например лимонена киселина. Основната част от тях се образува по време на метаболитните процеси в организма.

3. Неорганични киселини, образувани при катаболизма на органични съставки. Белтъците, приети с храната, образуват големи количества сяра и фосфор. От тях в организма се образуват сярна и фосфорна киселина.

Анаболните и катаболните метаболитни процеси в организма са много добре протонно и бикарбонатно балансирани. Дебитите на протоно-продуциращите и протоно-консумиращите метаболитни процеси са адекватно синхронизирани по между си. Цялото количество образувани метаболитни хидрогенкарбонатни аниони се консумира в черния дроб в хода на урейната синтеза. Образуваната в резултат на тези процеси урея се отделя с урината. По този начин при 24-часов метаболитен оборот от около 500 mol Н⁺, здравият организъм образува в излишък само от 16 000 до 24 000 mmol респираторни (въгледиоксидни) и от 60 до 100 mmol метаболитни (невъгледиоксидни) водородни йони. Първите отразяват интензивността на аеробния метаболизъм, а вторите произхождат главно от разграждането на сяросъдържащите аминокиселини, фосфо-, нуклео- и гликопротеини. Храненето също има значение за поддържане на протонния баланс, защото то е потенциален източник на водородни катиони и бикарбонати. Консумирането на храна богата на катионни радикали (месо) повишава метаболитното образуване на Н⁺. При прием на храна богата на анионни съставки (зеленчуци, плодове), се усилва продукцията на НСО₃^-. Отстраняването на Н⁺ се извършва по два начина – чрез метаболизиране и чрез извеждане в околната среда. Респираторните Н⁺ се изнасят от белите дробове чрез алвеоларната вентилация. Метаболитните Н⁺ се отделят чрез бъбреците. При нормални условия отстраняването на бикарбонатите е свързано с функцията на урейния цикъл в черния дроб.

Постъпването на Н⁺ в телесните течности е непрекъснато и променливо. То не е подложено на регулация. Промяната в концентрацията на Н⁺ в телесните течности води до следните последици:

• промени във възбудимостта на нервните и мускулните клетки. Ацидозата или увеличението на концентрацията на свободните Н⁺ води до потискане на процесите в ЦНС и в тежките случаи до кома и смърт. Алкалозата или намалението на концентрацията на свободните катиони води до свръхвъзбудимост, първоначално на периферията, а след това и на централната нервна система и до мускулни конвулсии. При тежка алкалоза настъпва смърт е резултат на спазми на дихателната мускулатура.;
• промени в ензимната активност – дори малки промени в концентрацията на Н⁺ променят активността на ензимите, като някои клетъчни реакции се ускоряват, а други се потискат.;
• повлиява се съдържанието на К⁺ в организма – в дисталните бъбречни тубули реабсорбираните Na⁺ се разменят за Н⁺ или за К⁺. Увеличението на секрецията на един от тези йони е свързано с намаление на секрецията на другия.

Нормално концентрацията на свободните Н⁺ е ЕЦТ е 4х10^-8 или 0,00000004 мола на литър. За изразяване на концентрацията на свободните катиони се използва отрицателен десетичен логаритъм на концентрацията им, а именно рН. Ниското рН кореспондира с висока концентрация на Н⁺ или ацидоза, а високото с ниска концентрация на Н⁺ или алкалоза. Всяка единица промяна в рН отразява десетократна промяна в Н⁺. Нормално рН на артериалната кръв е 7,40 (7,36-7,44). рН на венозната кръв и на интерстициалната течност е около 7,31 (7,25-7,35). Това се дължи на по-голямото количество СО₂ и формирането на повече Н₂СО₃. При рН на артериалната кръв под 7,36 говорим за ацидоза, а над 7,45 за алкалоза. Неутралната точна за алкално-киселинното състояние на организма е 7,40. Долната граница на рН на артериалната кръв съвместима с живота е 6,80, а горната е 8,00. Вътреклетъчното рН варира в различните клетки от 6,00 до 7,40. Причини за по-ниското рН  клетките са образуването на големи количества въглеродна киселина в резултат на метаболитните процеси и по-слабият кръвоток. рН на телесните течности се поддържа в тесни граници чрез свързване на свободните Н⁺ или чрез елиминиране на киселини и основи. Повечето киселини и основи, които участват в регулацията на алкално-киселинното равновесие са слаби киселини и основи. Киселината се определя като молекула или йон, донор на протони, а основата като акцептор на протони. С други думи киселината освобождава Н⁺ в разтвора, а основата свързва Н⁺ от разтвора. Силна киселина е тази, която има способност да дисоциира йони и да освобождава Н⁺ от разтвора за разлика от слабата киселина. Слаба киселина е въглеродната. Силната основа свързва големи количества Н⁺ и ги отстранява от разтвора, а слабата основа се свързва много по-слабо с Н⁺.

Постоянството на концентрацията на Н⁺ в телесните течности се поддържа от три групи механизми, които предпазват от развитие на ацидоза и алкалоза. Към тях се причисляват:

1. Буферни системи на организма – те реагират мигновено с кисели или алкални продукти и не допускат появата на големи отклонения в концентрацията на свободните Н⁺.
2. Дихателна регулация на рН – тя се осъществява чрез промяна на честотата и дълбочината на дишането. Така се променя степента на елиминиране на СО₂ от организма, което води до нормализиране на концентрацията на Н⁺ в телесните течности.
3. Бъбречен механизъм на регулация на рН – той се осъществява чрез промяна на количеството екскретирани киселинни или алкални продукти с урината.

Механизмите, които участват в поддържането на оптималната концентрация на водородните катиони в организма, от една страна осъществяват свързването им, а от друга елиминирането. Основните начини за елиминиране на Н⁺ от организма са отделяне на СО₂ с издишания въздух и на Н⁺ с урината.

Буферни системи на телесните течности

Своевременното отстраняване на образуваните в телесните течности Н⁺ е функция на транскапилярната обмяна на течностите и органния кръвоток. Транспортирането на Н⁺ се осъществява от буферните системи в плазмата и еритроцитите. Буферните системи в телесните течности са изградени от две или повече химични съединения. Основната им функция е предпазване от големи промени в концентрацията на Н⁺, когато към разтвора се добавят киселини или основи. Обикновено буферната система се състои от слаба киселина и нейната алкална сол. Буферните системи в телесните течности са:

• хидрогенкарбонатна буферна система – тя е основен екстрацелуларен буфер за буфериране на промени в концентрацията на Н⁺, причинени от кисели продукти. Хидрогенкарбонатната буферна система може да буферира само промени в концентрацията на Н⁺, които не се съпровождат от промяна в СО₂.;
• фосфатна буферна система – тя има важна роля в интрацелуларната течност. Има голямо значение на буфериране на свободни Н⁺ в тубулната течност на нефрона.;
• белтъчна буферна система – тя е представена от плазмените и клетъчните белтъци. Белтъчната буферна система има два пъти по-голям буферен капацитет от хидрогенкарбонатната. Тя е от ключово значение за поддържане на алкално-киселинното равновесие в клетките, поради изключително високата концентрация на белтъци в тях.;
• хемоглобинова буферна система – около 80% от общия буферен капацитет на кръвта се дължи на хемоглобина.

Буферните системи са първата защитна линия на организма срещу промени в концентрацията на Н⁺. Те нямат способността да елиминират Н⁺, а не допускат наличието на свободни Н⁺ в телесните течности.

Дихателна регулация на рН

Дихателната система участва в регулацията на рН или в концентрацията на свободните Н⁺ като контролира нивото на въглеродния диоксид в плазмата чрез промяна на белодробната вентилация. Увеличението на концентрацията на СО₂ води до намаляване на рН и развитие на ацидоза, а намалението води до увеличение на рН и алкалоза. Промените в белодробната вентилация, водят до промяна в концентрацията на въглеродния диоксид в екстрацелуларната течност. Благодарение на промяна в белодробната вентилация могат да се коригират състояния на алкалоза или на ацидоза. Дихателната регулация на рН се извършва по механизма на отрицателна обратна връзка. При промяна само на концентрацията на Н⁺ в артериалната кръв се повлияват само периферните химиорецептори, а при промяна и на парциалното налягане на въглеродния диоксид се повлияват и централните и периферните химиорецептори. Централните химиорецептори не могат да бъдат повлияни от промени в концентрацията на Н⁺ в артериалната кръв, защото водородните катиони не преминават кръвно-мозъчната бариера. Те могат да се активират само от Н⁺ получени при дисоцииране на въглеродната киселина, образувана в цереброспиналната течност. Повлияването на рецепторите води до стимулиране на дихателния център и увеличаване на честотата и дълбочината на дишането. Това увеличава белодробната вентилация, количеството на отделения въглероден диоксид. Така концентрацията на СО₂ в ЕЦТ намалява и това възстановява концентрацията на Н⁺. По този начин се достигат нормалните стойности на рН. Дихателната регулация на алкално-киселинното равновесие се включва за няколко минути, когато буферните системи не са в състояние самостоятелно да поддържат постоянството на рН. Тя представлява втора защитна линия на организма срещу промени в рН. Буфериращата и сила е до 2 пъти по-голяма в сравнение с тази на всички химически буфери.

Бъбречна регулация на рН

Бъбречната регулация на рН е най-мощният регулаторен механизъм, който в зависимост от алкално-киселинното състояние на организма може да контролира отстраняването на Н⁺ от тялото. Бъбречният механизъм представлява третата защитна линия, която се включва при промени в концентрацията на Н⁺ в телесните течности. Белите дробове отстраняват въглеродния диоксид, получен при разграждането на въглеродната киселина. За разлика от тях бъбреците трябва да елиминират Н⁺ получени от останалите киселини в организма. Начините, по които бъбреците регулират концентрацията на Н⁺, са три:

• екскреция на Н⁺ в урината;
• екскреция на НСО₃^- с урината;
• секреция на NH₃.

На нивото на бъбрека действат три механизма, които регулират екскрецията на кисели и алкални продукти – хидрогенкарбонатен, фосфатен и амониев.

Отклонения в алкално-киселинното равновесие

Отклоненията в алкално-киселинното равновесие в организма се делят на четири групи в зависимост от причината и посоката на отклонение на концентрацията на Н⁺ в телесните течности. Когато отклонението се дължи на увеличение на СО₂ се говори за респираторна ацидоза, а при намаление на СО₂ – за респираторна алкалоза. Въглеродната киселина се означава като летлива киселина, а всички останали като нелетливи. При намаление или увеличение на нелетливите киселини се говори за метаболитна ацидоза или алкалоза. Основните отклонения в алкално-киселинното равновесие са:

• респираторна ацидоза – тя се дължи на хиповентилация в резултат на белодробно заболяване, потискане на дихателния център от лекарства, обструкция на дихателните пътища. При респираторната ацидоза се елиминира по-малко въглероден диоксид и се увеличава количеството на образуваната въглеродна киселина. В този случай дихателната система не е способна да регулира отклоненията в алкално-киселинното равновесие. Основният компенсаторен механизъм е бъбречният. Увеличава се секрецията на Н⁺ в тубулните клетки.;
• респираторна алкалоза – тя се наблюдава при увеличено елиминиране на СО₂ от организма в резултат на хипервентилация или треска. При изкачване на голяма височина пониженото парциално налягане на кислорода рефлексно стимулира дишането, с което се увеличава елиминирането на въглероден диоксид. Това също води до респираторна алкалоза. Усилената белодробна вентилация отслабва влиянието на два от нормалните фактори, стимулиращи дишането – СО₂ и Н⁺. Това ограничава развитието на респираторна алкалоза. Буферните системи в организма освобождават Н⁺ и намаляват тежестта на алкалозата.;
• метаболитна ацидоза – тя включва всички видове ацидоза, освен тези, причинени от излишък на СО₂ в телесните течности. Метаболитната ацидоза се наблюдава при образуване на големи количества нелетливи киселини или при неспособност на бъбреците да елиминират нормалните количества нелетливи киселини, образувани в организма.

Метаболитната ацидоза се установява при тежка диария, захарен диабет, уремия и интензивно физическо натоварване. При тежка диария секретираните нормално големи количества NaHCO₃ се губят вместо да се резорбират. Това води до намаление на концентрацията на HCO₃^- в плазмата, без съответно намаляване на въглеродния диоксид. Това води до понижаване на рН. При инсулин зависим захарен диабет, поради липсата на инсулин за основен енергиен източник вместо глюкоза се използват мастните киселини. При окислението им се образуват големи количества ацетооцетна киселина, β-оксимаслена киселина и ацетон, които водят до тежка ацидоза. Тежкото увреждане на бъбреците нарушава основната им функция, а именно изхвърлени на нормални количества кисели продукти, образувани в резултат на метаболизма. Така бъбреците не са в състояние да съхраняват адекватни количества НСО₃^-. Това води до развитието на тежка ацидоза. По време на интензивно физическо натоварване също може да се развие ацидоза. В резултата на анаеробна гликолиза се образуват големи количества млечна киселина, което увеличава количеството на Н⁺ в плазмата. Метаболитната ацидоза с изключение на уремичната се компенсира с участието на буферните системи, дихателния и бъбречния механизъм. Когато причината за метаболитната ацидоза е увреждане на бъбречната функция, пълното компенсиране не е възможно, защото е отслабен бъбречният механизъм на регулация на алкално-киселинното равновесие.;

• метаболитна алкалоза – тя възниква при намаление на концентрацията на Н⁺ в плазмата, причинено от относителен дефицит на нелетливи киселини. Среща се по-рядко от метаболитната ацидоза. Причинява се от прекомерен прием на алкални лекарства, продължително приложение на диуретици, с изключение на инхибитори на карбоанхидразата, продължително повръщане на стомашно съдържимо, увеличена секреция на алдостерон. При метаболитна алкалоза буферните системи бързо освобождават Н⁺, белодробната вентилация намалява, а с това и елиминиране на СО₂. Ако алкалозата продължава повече от няколко дни се включва и бъбречният механизъм чрез намаляване на екскрецията на Н⁺.

Представа за алкално-киселинното състояние на организма можем да получим чрез измерване на рН и  чрез определяне на концентрацията на НСО₃^- и СО₂.