Физиологические гомеостатические механизмы

Эта группа механизмов, включающая регуляторные функции лег­ких, почек, желудочно-кишечного тракта, печени и костной ткани, обеспечивает нейтрализацию, связывание и выведение из организма Н⁺ и ОН" ионов в составе различных соединений, в зависимости от особенностей метаболизма и состояния буферных систем внутренней среды.

Легкие и кислотно-щелочное состояние. Процессы газообмена между кровью и окружающим воздухом, происходящие в легких, теснейшим образом связаны с регуляцией кислотно-щелочного со­стояния, поскольку внешнее дыхание — это основной путь удаления из крови летучей угольной кислоты. При физиологических условиях в покое в организме вырабатывается 10 ммоль/мин угольной кис­лоты, а выделяется через легкие 13 — 15 000 ммолей СО₂ в сутки. Благодаря бикарбонатному буферу, образующиеся при метаболизме кислоты не вызывают закисления крови, а приводят к увеличению содержания СО₂ в крови с последующим удалением через легкие.

536

Удаленный из плазмы углекислый газ немедленно восполняется за счет двух механизмов, происходящих в крови легочных капилляров. | Во- первых, образование оксигемоглобина ведет к распаду карбами-новой связи гемоглобина и освобождению СО₂ из эритроцитов; во-вторых, под влиянием карбангидразы, фермента, катализирующего в легких реакцию:

Н₂СО₃—»Н₂О + СО₂.

Количество выводимого из организма углекислого газа зависит от глубины и частоты дыхания, т.е. от альвеолярной вентиляции. Ве­личина же альвеолярной вентиляции регулируется дыхательным центром, деятельность которого зависит или даже прямо определя­ется рН крови и парциальным напряжением СО₂ (см.главу 8). Таким образом, усиление дыхания и альвеолярной вентиляции происходит при увеличении напряжения в крови СО₂ и уменьшении рН. На­растающее при этом удаление углекислоты приводит ее содержание в крови в соответствие с концентрацией бикарбоната. Следователь­но, легкие выступают в роли физиологической гомеостатической системы не только выводящей избыток летучей кислоты, но и вос­станавливающей емкость буферных систем, прежде всего бикарбо-натной и гемоглобиновой.

При быстром поступлении во внутреннюю среду оснований про­исходит уменьшение вентиляции и количество выделяемого СО₂ существенно падает. Концентрация углекислоты возрастает, уравне­ние Гендерсона-Гассельбаха восстанавливается и рН поддерживается на исходном уровне.

Почки и кислотно-щелочное состояние. Почки осуществляют выведение из внутренней среды организма нелетучих органических и неорганических кислот. Избыток кислот при этом может выводиться как в свободном состоянии, так и в виде нейтральных солей. Силь­ные неорганические кислоты выделяются из внутренней среды толь­ко через почки и только в связанной форме.

В физиологических условиях почки выделяют кислую мочу, рН которой колеблется от 5 до 7. Однако, в зависимости от кислотно-щелочного состояния внутренней среды, моча может быть более кислой (рН=4) или даже щелочной (рН=8).

Участие почек в регуляции кислотно-щелочного состояния внут­ренней среды обеспечивается совокупностью взаимосвязанных про­цессов, происходящих в структурах нефрона. К их числу относятся: 1) секреция водородных ионов в мочу клетками канальцевого эпи­телия, 2) образование в клетках эпителия канальцев ионов бикар­боната, больше или меньше всасываемого в кровь, 3) образование и диффузия в мочу аммиака, образующего ион аммония, присоеди­няя Н-ион, 4) реабсорбция (обратное всасывание) профильтровав­шихся в мочу оснований, прежде всего бикарбоната, пополняющих резерв в крови, 5) фильтрация в первичную мочу из плазмы крови соединений, обладающих кислыми или щелочными свойствами, 6) обмен ионов Сl, Na⁺, K⁺, фосфатов, сульфатов и двухвалентных катионов (Са⁺ Mg⁺).

Важнейшую роль в способности почек к выделению кислой мочи играет секреция водородных ионов клетками эпителия проксимальных и дистальных канальцев. Эта способность обусловлена наличием в клетках фермента карбангидразы, обеспечивающего образование из СО₂ и Н₂О угольной кислоты, с последующей диссоциацией: Н₂О + СО₂ —»Н₂СО₃ —»Н⁺ + НСО₃

Ион водорода активно декретируется с затратой энергии через апикальную мембрану клетки эпителия в просвет канальца, а из канальцевой мочи в клетку диффундирует ион натрия, обеспечивая равновесие электрических разрядов. Из клетки, уже через базальную мембрану Na⁺ активно с помощью Na-К-насоса удаляется в ин-терстиций и кровь, туда же пассивно по градиенту концентрации поступает НСО₃, образуя бикарбонат натрия. Следовательно, секре­ция Н-ионов обеспечивает обратное всасывание бикарбоната и натрия. Причем основная часть секретируемых ионов водорода тратится именно на обеспечение реабсорбции бикарбоната. Так, секретируемый Н⁺-ион в просвете проксимального канальца взаи­модействует с профильтровавшимся в мочу из плазмы ионом бикар­боната (в сутки около 5000 ммоль), образуя угольную кислоту. Под влиянием фермента карбангидразы, встроенного в мембрану щеточ­ной каемки клеток эпителия канальца, угольная кислота разлагается на СО₂ и воду:

карбангидраза
Н⁺+НСО, —>Н₂СО_{3---------------------------------------} >СО₂+Н₂О

Молекулы углекислого газа легко диффундируют в клетки, где
реакция катализируется в обратном направлении. Таким образом, на
суточную реабсорбцию до 5000 ммоль бикарбоната расходуется эк­
вивалентное количество секретированных ионов водорода. Выделя­
ется же с мочой только 60 ммоль/сутки ионов водорода, преиму­
щественно в связанном виде.

Наибольшая часть секретированных канальцами Н-ионов (65-75%) участвуют в процессе аммониогенеза, обеспечивающего выведение анионов сильных неорганических и органических кислот, в виде аммонийных солей. Клетки проксимальных и дистальных почечных канальцев, благодаря процессам дезаминирования и дезамидирования аминокислот, образуют аммиак. Основным источником является глу-тамин, который дезаминируется под влиянием фермента глутамина-зы, 40% аммиака образуется из аминокислот аланина и глицина. Аммиак, благодаря высокой растворимости в липидах, легко диф­фундирует в просвет канальца, где присоединяет секретированные Н-ионы и образует ион аммония: NH₃ + Н⁺—>NH₄⁺. Ионы аммо­ния вытесняют натрий из соединений с анионами сильных кислот, натрий реабсорбируется, а анионы кислот в виде аммонийных солей выделяются с мочой.

Содержащиеся в крови кислые и щелочные компоненты буферных систем, например, одно- и двухосновной фосфаты, бикарбонат, а также слабые органические кислоты — молочная, лимонная, (3-ок-симаслянная и др., также как и анионы сильных неорганических кислот (Сl, SO₄), фильтруются из плазмы крови в первичную мочу.

538

Часть из них реабсорбируется в проксимальных канальцах, особенно существенно бикарбонат (до 80-90%), мочевая кислота (более 90%). Но наряду с обратным всасыванием, многие из указанных веществ, особенно органические кислоты и основания (холин), активно сек-ретируются клетками канальцевого эпителия. Таким образом, уро­вень этих веществ в моче определяется соотношением трех основ­ных процессов: клубочковой фильтрации, реабсорбции и секреции в канальцах.

Секретированные в мочу водородные ионы участвуют в образова­нии титруемых кислот мочи. Основную роль при этом играют фосфаты. Поскольку в плазме крови в 4 раза больше двуосновных фосфатов, поэтому и в первичную мочу их фильтруется соответ­ственно больше. Под воздействием секретированного эпителием ка­нальца Н-иона происходит перевод двуосновного фосфата в одно­основный, путем ионного обмена протона на натрий:

Na₂HPO₄+H⁺—»NaHPO₄+Na⁺

Освобождаемый ион Na⁺ реабсорбируется. Таким образом этот процесс способствует сохранению натрия и удалению избытка Н⁺-ионов.

Многие органические кислоты содержатся в плазме крови в виде солей и фильтруясь в клубочках поступают в первичную мочу. Под воздействием секретированных Н-ионов происходит образование свободных слабых, т.е. плохо диссоциирующих, кислот, также со­ставляющих титруемую кислотность мочи. Титруемой кислотностью мочи называют сумму Н-ионов слабых кислот и солей, определя­емую путем титрования мочи щелочью до величины рН, равной рН крови. Эта величина показывает, насколько больше водородных ионов содержится в моче по сравнению с плазмой крови.

В клетках эпителия дистальных отделов нефрона кроме описанной выше секреции водородных ионов происходит секреция ионов К⁺, при этом ионы Н⁺ и К⁺ конкурируют в обмене на Na В связи с этим выведение калия и протона может изменяться противоположно друг другу. Так, при избытке водородных ионов секреция калия снижается, а при недостатке — возрастает. Напротив, избыток К снижает секрецию водородных ионов, а недостаток К повышает ее. Недостаток калия стимулирует и синтез аммиака в эпителиальных клетках канальцев для выведения избытка Н-ионов в виде аммо­нийных солей. Однако, секреция протонов и калия связана с транспортом натрия и меняется пропорционально сдвигам реабсорб­ции натрия. При снижении дистальной реабсорбции натрия соот­ветственно снижается секреция Н⁺ и К⁺ ионов, напротив, усиление всасывания натрия в дистальных канальцах приводит к повышению секреции калия и водородных ионов.

При поступлении в кровь избытка кислот или оснований компен­сация сдвига кислотно-щелочного состояния прежде всего осущест­вляется буферными системами крови, дыхательная компенсация формируется через 16-18 часов, а почечная компенсация развива­ется еще медленнее — спустя 2- 3 суток. При этом почечные ме­ханизмы обладают значительной инерционностью и даже после уда-

539

ления из организма избытка кислот или оснований возвращение к исходному кислотно-щелочному состоянию продолжается также око­ло 2- 3 суток.

Желудочно-кишечный тракт, печень, костная ткань и кислот­но-щелочное состояние. Характер питания человека и особеннос­ти пищеварения в значительной мере сказываются на кислотно-щелочном состоянии его внутренней среды. В пищевых продуктах растительного происхождения содержится большое количество солей органических кислот (щавелевой, яблочной, лимонной, янтарной и др.), после окисления которых приведения кислотных валентностей с углекислотой через легкие остаются и накапливаются связанные с катионами щелочные валентности. Поэтому растительная пища спо­собствует ощелачиванию внутренней среды, соответственно, основа­ния в большем количестве выводятся с мочой, что увеличивает рН мочи и она может приобретать щелочную реакцию. Белковая пища животного происхождения способствует закислению внутренней сре­ды, так как в составе животных белков содержатся сера и фосфор, что приводит к образованию сильных неорганических кислот. По­вышенное выведение их с мочой приводит к снижению рН мочи и она приобретает резко кислую реакцию. Всасывание в желудочно-кишечном тракте кислот или щелочей, содержащихся в различных напитках, в том числе алкогольных и минеральных водах, также приводит к изменению кислотно-щелочного состояния внутренней среды.

Сравнительное небольшую роль в регуляции кислотно-щелочного состояния играют функции желудка и кишечника. Париетальные клетки слизистой желудка секретируют соляную кислоту. Водород­ные ионы образуются в клетках под влиянием карбангидразы, как это описывалось выше для клеток канальцевого эпителия почек, анион хлора поступает в клетки из хлористого натрия крови путем обмена на бикарбонат. Однако при этом ощелачивания крови не происходит, т.к. Сl желудочного сока в кишечнике всасывается обратно в кровь. Значительное количество бикарбонатов поступает в кишечник в составе сока поджелудочной железы и кишечного сока. При этом ионы Н⁺ всасываются в кровь. Обратное всасывание претерпевают и бикарбонатные ионы, поэтому сдвигов кислотно-щелочного состояния крови не происходит. При кислой диете увеличивается выделение двухвалентных катионов Са⁺⁺ и Mg⁺, a при щелочной — и одновалентных катионов. Хотя значение желудочно-кишечного тракта в физиологической регуляции кис­лотно-щелочного состояния очень невелико, тем не менее при изменениях, а тем более нарушениях функций желудка и ки­шечника неизбежно происходят сдвиги и кислотно-щелочного состояния. Стойкое и резкое повышение кислотности желудоч­ного сока может вести к увеличение щелочного резерва крови. Частая рвота, особенно при непроходимости кишечника, вызывая потерю Н⁺-ионов и хлоридов вызывает резкие сдвиги в крови, требующие обязательной врачебной коррекции.

540

В печени происходит утилизация молочной кислоты с образовани­ем гликогена, здесь разрушаются кетоновые тела (ацетоуксусная и бета-оксимасляная кислоты), происходят разнообразные метаболи­ческие превращения органических кислот и оснований. Образуя желчь с разной степенью щелочной реакции печень способствует удалению из внутренней среды разных количеств оснований.

В нейтрализации кислот существенную роль играет костная ткань, поскольку в ней связано огромное количество катионов и фосфата.

Поиск по сайту: