stringtranslate.com

Бикарбонатная буферная система

Углекислый газ, побочный продукт клеточного дыхания , растворяется в крови, где он поглощается эритроцитами и преобразуется в угольную кислоту с помощью карбоангидразы. Большая часть угольной кислоты затем диссоциирует на бикарбонат и ионы водорода.

Система бикарбонатного буфера представляет собой кислотно-щелочной гомеостатический механизм, включающий баланс угольной кислоты (H 2 CO 3 ), иона бикарбоната (HCO−
3) и углекислый газ (CO 2 ) для поддержания pH в крови и двенадцатиперстной кишке , среди других тканей, для поддержки правильной метаболической функции. [1] Катализируемый карбоангидразой , углекислый газ (CO 2 ) реагирует с водой (H 2 O) с образованием угольной кислоты (H 2 CO 3 ), которая в свою очередь быстро диссоциирует с образованием иона бикарбоната (HCO−
3) и ион водорода (H + ), как показано в следующей реакции: [2] [3] [4]

Как и в любой буферной системе, pH уравновешивается присутствием как слабой кислоты (например, H2CO3 ) , так и сопряженного с ней основания (например, HCO−
3) так, чтобы нейтрализовать любую избыточную кислоту или основание, введенное в систему.

Нарушение функционирования этой системы приводит к нарушению кислотно-щелочного баланса, такому как ацидемия (pH < 7,35) и алкалемия (pH > 7,45) в крови. [5]

В системном кислотно-щелочном балансе

В тканях клеточное дыхание производит углекислый газ в качестве побочного продукта; в качестве одной из основных функций сердечно-сосудистой системы большая часть этого CO 2 быстро удаляется из тканей путем его гидратации до бикарбонатного иона. [6] Бикарбонатный ион, присутствующий в плазме крови, транспортируется в легкие, где он дегидратируется обратно в CO 2 и высвобождается во время выдоха. Эти гидратационные и дегидратационные превращения CO 2 и H 2 CO 3 , которые обычно очень медленные, облегчаются карбоангидразой как в крови, так и в двенадцатиперстной кишке. [7] Находясь в крови, бикарбонатный ион служит для нейтрализации кислоты, поступившей в кровь через другие метаболические процессы (например, молочная кислота , кетоновые тела ); аналогичным образом любые основания нейтрализуются угольной кислотой (H 2 CO 3 ). [8]

Регулирование

Как рассчитано по уравнению Хендерсона-Хассельбаха , для поддержания нормального pH 7,4 в крови (при этом pK a угольной кислоты составляет 6,1 при физиологической температуре), необходимо постоянно поддерживать соотношение бикарбоната к угольной кислоте 20:1; этот гомеостаз в основном опосредуется сенсорами pH в продолговатом мозге и, вероятно, в почках , связанными через отрицательные обратные связи с эффекторами в дыхательной и почечной системах. [9] В крови большинства животных система бикарбонатного буфера связана с легкими через респираторную компенсацию , процесс, посредством которого скорость и/или глубина дыхания изменяются, чтобы компенсировать изменения концентрации CO 2 в крови . [10] Согласно принципу Ле Шателье , высвобождение CO 2 из легких толкает реакцию выше влево, заставляя карбоангидразу образовывать CO 2 до тех пор, пока все избыточные протоны не будут удалены. Концентрация бикарбоната также дополнительно регулируется почечной компенсацией , процессом, посредством которого почки регулируют концентрацию ионов бикарбоната, выделяя ионы H + в мочу и одновременно реабсорбируя HCO.−
3ионов в плазму крови или наоборот , в зависимости от того, падает или растёт pH плазмы соответственно. [11]

Уравнение Хендерсона – Хассельбаха

Модифицированную версию уравнения Хендерсона-Хассельбаха можно использовать для связи pH крови с компонентами бикарбонатной буферной системы: [12]

где:

При описании газов артериальной крови уравнение Гендерсона-Хассельбаха обычно цитируется в терминах pCO 2 , парциального давления углекислого газа , а не концентрации H 2 CO 3. Однако эти величины связаны уравнением: [12]

где:

Объединение этих уравнений приводит к следующему уравнению, связывающему pH крови с концентрацией бикарбоната и парциальным давлением углекислого газа: [12]

где:

Вывод приближения Кассирера – Блейха.

Уравнение Хендерсона-Хассельбаха, выведенное из закона действующих масс , можно модифицировать применительно к системе бикарбонатного буфера, чтобы получить более простое уравнение, которое обеспечивает быстрое приближение H + или HCO−
3концентрация без необходимости вычисления логарифмов: [7]

Поскольку парциальное давление углекислого газа гораздо легче получить путем измерения, чем угольной кислоты, вместо концентрации угольной кислоты используется константа растворимости закона Генри , которая связывает парциальное давление газа с его растворимостью, для CO 2 в плазме. После решения для H + и применения закона Генри уравнение становится следующим: [13]

где K' — константа диссоциации угольной кислоты, равная 800 нмоль/л (так как K ' = 10−p Ka H2CO3 = 10− ( 6,1 ) ≈ 8,00 ×10−7 моль /л = 800 нмоль / л).

После умножения констант (800 × 0,03 = 24) и решения для HCO−
3, уравнение упрощается до:

где:

В других тканях

Система бикарбонатного буфера играет важную роль и в других тканях. В желудке и двенадцатиперстной кишке человека система бикарбонатного буфера служит как для нейтрализации желудочной кислоты , так и для стабилизации внутриклеточного pH эпителиальных клеток посредством секреции иона бикарбоната в слизистую оболочку желудка . [1] У пациентов с язвой двенадцатиперстной кишки эрадикация Helicobacter pylori может восстановить секрецию бикарбоната слизистой и снизить риск рецидива язвы. [14]

Буферизация слез

Слезы уникальны среди жидкостей организма , поскольку они подвергаются воздействию окружающей среды. Подобно другим жидкостям организма, слезная жидкость поддерживается в узком диапазоне pH с помощью системы бикарбонатного буфера. [15] pH слез меняется в течение дня, повышаясь «примерно на 0,013 единиц pH/час», пока длительный период закрытых глаз не заставит pH снова упасть. [15] У большинства здоровых людей pH слез находится в диапазоне от 7,0 до 7,7, где буферизация бикарбонатом является наиболее значимой, но также присутствуют белки и другие буферные компоненты, которые активны за пределами этого диапазона pH. [15]

Ссылки

  1. ^ ab Krieg, Brian J.; Taghavi, Seyed Mohammad; Amidon, Gordon L.; Amidon, Gregory E. (2014-11-01). "In Vivo Predictive Dissolution: Transport Analysis of the CO2, Bicarbonate In Vivo Buffer System" (PDF) . Journal of Pharmaceutical Sciences . 103 (11): 3473–3490. doi :10.1002/jps.24108. hdl : 2027.42/109280 . ISSN  1520-6017. PMID  25212721.
  2. ^ Окстоби, Дэвид В.; Джиллис, Пэт (2015). «Кислотно-щелочное равновесие». Принципы современной химии (8-е изд.). Бостон, Массачусетс: Cengage Learning. стр. 611–753. ISBN 978-1305079113.
  3. ^ Видмайер, Эрик; Рафф, Хершел; Стрэнг, Кевин (2014). «Почки и регуляция воды и неорганических ионов». Vander's Human Physiology (13-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-Hill. С. 446–489. ISBN 978-0073378305.
  4. ^ Meldrum, NU; Roughton, FJW (1933-12-05). "Углекислота. Ее получение и свойства". Журнал физиологии . 80 (2): 113–142. doi :10.1113/jphysiol.1933.sp003077. ISSN  0022-3751. PMC 1394121. PMID 16994489  . 
  5. ^ Rhoades, Rodney A.; Bell, David R. (2012). Медицинская физиология: принципы клинической медицины (4-е изд., международное изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 9781451110395.
  6. ^ др.], Дэвид Садава ... [и др.; Белл, Дэвид Р. (2014). Жизнь: Наука биологии (10-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 9781429298643.
  7. ^ ab Bear, RA; Dyck, RF (1979-01-20). «Клинический подход к диагностике кислотно-щелочных расстройств». Журнал Канадской медицинской ассоциации . 120 (2): 173–182. ISSN  0008-4409. PMC 1818841. PMID  761145 . 
  8. ^ Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М.; Ленингер, Альберт Л. (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 9781429212427.
  9. ^ Джонсон, Леонард Р., ред. (2003). Essential medical physiology (3-е изд.). Амстердам: Elsevier Academic Press. ISBN 9780123875846.
  10. ^ Хайнеманн, Генри О.; Голдринг, Роберта М. (1974). «Бикарбонат и регуляция вентиляции». Американский журнал медицины . 57 (3): 361–370. doi :10.1016/0002-9343(74)90131-4. PMID  4606269.
  11. ^ Koeppen, Bruce M. (2009-12-01). «Почки и кислотно-щелочная регуляция». Advances in Physiology Education . 33 (4): 275–281. doi :10.1152/advan.00054.2009. ISSN  1043-4046. PMID  19948674.
  12. ^ abc страница 556, раздел "Оценка pH плазмы" в: Bray, John J. (1999). Заметки лекций по физиологии человека . Malden, Mass.: Blackwell Science. ISBN 978-0-86542-775-4.
  13. ^ Каменс, Дональд Р.; Уирс, Роберт Л.; Тримбл, Клив (1979-11-01). «Обход уравнения Хендерсона-Хассельбальха». Журнал Американской коллегии врачей неотложной помощи . 8 (11): 462–466. doi :10.1016/S0361-1124(79)80061-1.
  14. ^ Hogan, DL; Rapier, RC; Dreilinger, A; Koss, MA; Basuk, PM; Weinstein, WM; Nyberg, LM; Isenberg, JI (1996). «Секреция бикарбоната двенадцатиперстной кишки: искоренение Helicobacter pylori и структура и функция двенадцатиперстной кишки у людей». Гастроэнтерология . 110 (3): 705–716. doi :10.1053/gast.1996.v110.pm8608879. PMID  8608879.
  15. ^ abc Условия окружающей среды и химия слезы, Национальные академии наук, инженерии и медицины. 1991. «Соображения относительно использования контактных линз при неблагоприятных условиях: материалы симпозиума». Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. https://doi.org/10.17226/1773.

Внешние ссылки