2.2: Буферизація

Визначення буфера

Буфер - це розчин, що містить речовини, які мають здатність мінімізувати зміни рН при додаванні до нього кислоти або основи ¹.

Буфер зазвичай складається з розчину, який містить слабку кислотну ГК, змішану з сіллю цієї кислоти та сильною основою, наприклад NaA. Принцип полягає в тому, що сіль забезпечує резервуар А ^- для поповнення [А ^-], коли А ^- видаляється реакцією з Н ⁺.

Буфери в кузові

Корпус має дуже велику буферну ємність.

Це можна проілюструвати, розглянувши старий експеримент (див. Нижче), де розведена соляна кислота вливалася собаці.

Експеримент Лебідь і Піттс ²

У цьому експерименті собаки отримували настій 14 ммоль Н ⁺ на літр води тіла. Це викликало падіння рН з 7,44\(([{H}^{+}]=36\:\text{nmoles/l})\) або рН 7,14\(([{H}^{+}]=72\:\text{nmoles/l})\). Тобто зростання [H ⁺] всього 36 нмоль/л

Якби ви просто подивилися на зміну [H ⁺], то ви помітили б лише збільшення 36 нмоль/л, і вам доведеться задатися питанням, що сталося з іншими 13,999,964 нмоль/л, які були влиті.

Куди подівся зниклий H ⁺?

Вони були заховані на буферах, і тому ці іони водню були приховані від очей.

Перш ніж ми продовжимо, давайте просто переконайтеся, що ми цінуємо те, що цей експеримент виявляє ³. Собакам вливали 14 000 000 нмоль/л Н ⁺, але плазма [H ⁺] змінилася лише трохи більше 0,002%. За будь-яким аналізом, це система, яка потужно чинить опір змінам [H ⁺]. (Моя особиста аналогія щодо оцінки величини цього полягає у використанні аналогії внесення $14,000,000 в банку, але потім виявивши, що після «банківських платежів» мій рахунок піднявся лише на 36 доларів.)

Висновок полягає в тому, що організм має:

• ВЕЛИЧЕЗНА буферна ємність, і
• ця система, по суті, негайна в дії.

З цих 2 причин фізико-хімічна буферизація забезпечує потужний перший захист від кислотно-лужних збурень.

Буферизація приховує від поля зору реальну зміну H ⁺, яка відбувається.

Ця величезна буферна ємність має ще один не відразу очевидний вплив на те, як ми думаємо про тяжкість кислотно-лужного розладу. Ви могли б подумати, що величину кислотно-лужного порушення можна кількісно оцінити, лише дивлячись на зміну [H ⁺] - АЛЕ це не так.

Через велику буферну ємність фактична зміна [H ⁺] настільки мала, що її можна ігнорувати в будь-якій кількісній оцінці, і замість цього величину розладу слід оцінювати опосередковано зі зменшення загальної концентрації аніонів, що беруть участь у буферизації. Буферні аніони, представлені як A ^-, зменшуються, оскільки вони стехіометрично поєднуються з Н ⁺ для отримання ГК. Зниження А ^- на 1 ммоль/л являє собою приховане від поля зору кількість 1 000 000 наномоль/л Н ⁺, і це на кілька порядків вище, ніж видиме кілька наномоль/л зміни в [H ⁺], що видно.) - Як зазначалося вище в коментарях про Swan & Експеримент Піттса, 13,999,994 з 14,000,000 наномолів/л H ⁺ були приховані на буферах, і просто порахувати 36, які були на увазі, створило б помилкове враження про величину розладу.

Основні буферні системи тіла
Сайт	Буферна система	Коментар
ISF	Бікарбонат	Для метаболічних кислот
	Фосфат	Не важливо, тому що концентрація занадто низька
	Протеїн	Не важливо, тому що концентрація занадто низька
Кров	Бікарбонат	Важливі для метаболічних кислот
	Гемоглобін	Важливий для вуглекислого газу
	Білок плазми	Незначний буфер
	Фосфат	Занадто низька концентрація
МБФ	Протеїни	Важливий буфер
	Фосфати	Важливий буфер
Сеча	Фосфат	Відповідає за більшу частину «титруемой кислотності»
	Аміак	Важливо - формування NH 4 ^+
Кістка	Карбонат Ca	Важливий при тривалому метаболічному ацидозі

Бікарбонатна буферна система

Основною буферною системою в ECF є CO ₂ -бікарбонатна буферна система. Це відповідає за близько 80% позаклітинної буферизації. Це найважливіший ECF-буфер для метаболічних кислот, але він не може буферувати дихальні кислотно-лужні розлади.

Компоненти легко вимірюються і пов'язані один з одним рівнянням Гендерсона-Хассельбальха.

Рівняння Гендерсона-Хассельбальха

\[ pH=pKa + \log_{10}(\frac {[HCO_{3}]}{0.03}) \times \: pCO_{2} \]

Значення pKA залежить від температури, [Н ⁺] і іонної концентрації розчину. Він має значення 6,099 при температурі 37С і рН плазми 7,4. При температурі 30С і рН 7,0 він має значення 6,148. Для практичних цілей зазвичай приймається значення 6,1 і поправки на температуру, рН плазми та іонну силу не використовуються, за винятком точних експериментальних робіт.

Примітка щодо термінології: Ka - константа рівноваги для реакції дисоціації кислоти. pKa - негативний лог (до основи 10) Ка.

PkA походить від значення Ka наступної реакції:

\[ CO_{2} + H_{2}O \Leftrightarrow H_{2}CO_{3} \Leftrightarrow {H}^{+} + HCO_{3}^{-}\]

(де СО ₂ відноситься до розчиненого CO ₂)

Концентрація вугільної кислоти дуже низька порівняно з іншими компонентами, тому вищевказане рівняння зазвичай спрощується до:

\[ CO_{2} + H_{2}O \Leftrightarrow {H}^{+} + HCO_{3}^{-}\]

За законом масових дій:

\[K_{a} =\frac {[{H}^{+}] \cdot [HCO_{3}^{-}]} {[CO_{2}] \cdot [H_{2}O]} \]

Концентрація Н ₂ О настільки неймовірно велика (55,5 М або 55 500 ммоль/л) в порівнянні з іншими компонентами, малі втрати води внаслідок цієї реакції змінюють її концентрацію лише на вкрай малу кількість. Щоб отримати уявлення про те, що це означає, уявіть, що у вас в банку 100 мільйонів доларів, а ви віддаєте 1 долар. Сума вашого банківського рахунку змінилася щодо загальної суми настільки неймовірно мала, що у вас все ще є 100 мільйонів доларів у банку. Таким чином, повертаючись до ситуації з водою, дисоціація настільки неймовірно мала, що [H ₂ O] фактично постійна. Це дозволяє ще більше спростити, оскільки дві константи (Ka та [H ₂ O]) можуть бути об'єднані в нову константу K'a.

\[ K' _{a} = K_{a} \times [H_{2}O] = [H^{+}] \cdot \frac {[HCO_{3}^{-}]} {[CO_{2}]} \]

Підставляємо в рівняння за допомогою:

\[ K'_{a} = 800 nmol/L \: \text {(value for plasma at 37°C)}\]

\[ [CO_{2}] = 0.03 \times pCO_{2} \text {(by Henry's Law) [where 0.03 is the solubility coefficient]}\]

дає форму, відому як рівняння Хендерсона:

\[ [H^{+}] = (800 \times 0.03) \cdot \frac {pCO_{2}} {HCO_{3}^{-}} \]

\[ [H^{+}] = 24 \times \frac {pCO_{2}} {[HCO_{3}^{-}]} nmol/l \]

Тепер це рівняння можна перетворити в іншу форму, використовуючи наступну інформацію (де [H ⁺] знаходиться в моль/л) і стандартних правил алгебри і журналів:

\[ pH= \log_{10} [H^{+}] \]

\[pK'_{a} = -\log_{10} K'_{a} = \log_{10} (800 \times 10^{-9}) = 6.1 \]

Таким чином, рівняння Хендерсона-Хассельбальха

\[ -\log_{10}[H^{+}] = -\log_{10}(800 \times 10^{-9}) + \log \frac {[HCO_{3}^{-}]} {0.03 pCO_{2}} \]

\[ pH = pK'_{a} + \log \frac {[HCO_{3}^{-}]} {0.03 pCO_{2}} \]

\[pH = 6.1 + \log \frac {[HCO_{3}^{-}]}{0.03pCO_{2}}\]

Примітка

Відмінність між pKa та P'ka зазвичай забувається, а рівняння Гендерсона-Хассельбальха завжди записується з pKa

За хімічними ознаками речовина з рКа 6,1 не повинно бути хорошим буфером при рН 7,4, якщо це був простий буфер. Система є більш складною, оскільки вона відкрита на обох кінцях (тобто можна регулювати як [HCO ₃ ^-], так і PCO ₂), і це значно підвищує ефективність буферизації цієї системи. Виведення СО ₂ через легені є ключовою справою через швидкість реакції. Регулювання pCo ₂ зміною альвеолярної вентиляції називають фізіологічною буферизацією.

Примітка: Це використання слова буферизація в більш широкому сенсі чогось, що чинить опір зміні властивості, і відрізняється від визначення буферизації (або «фізіологічної буферизації»), наведеного у верхній частині цієї сторінки. Цей зсув у значенні буферизації може бути заплутаним, оскільки слово буферизація в основному використовується в мові та в статтях без кваліфікації «фізико-хімічного» або «фізіологічного» (або якогось кваліфікаційного слова).

Бікарбонатна буферна система є ефективною буферною системою, незважаючи на низький рівень pKA, оскільки організм також контролює pCo ₂.

Інші буфери

Інші буферні системи в крові - це білкові та фосфатні буферні системи.

Це єдині буферні системи крові, здатні буферизувати дихальні кислотно-лужні порушення, оскільки бікарбонатна система неефективна в буферизації змін H ⁺, що виробляються сама по собі.

Фосфатна буферна система НЕ є важливим буфером крові, оскільки її концентрація занадто низька

Концентрація фосфату в крові настільки низька, що кількісно неважлива. Фосфати є важливими буферами внутрішньоклітинно і в сечі, де їх концентрація вище.

Фосфорна кислота є трипротовою слабкою кислотою і має значення pKA для кожної з трьох дисоціацій:

	\(pK_{a1} = 2 \)		\(pK_{a2} = 6.8 \)		\( pK_{a3} = 12 \)
\(H_{3}PO_{4}\)	\( \Leftrightarrow \)	\( H^{+} + H_{2}PO_{4}^{-} \)	\( \Leftrightarrow \)	\( H^{+} + HPO_{4}^{2-} \)	\(\Leftrightarrow \)	\(H^{+} + PO_{4}^{3-} \)

Три значення pKA досить різні, так що при будь-якому одному рН в значних концентраціях присутні тільки члени однієї сполученої пари.

При переважаючих значеннях рН у більшості біологічних систем моногідрофосфат (HPO ₄ ^-2) та дигідрофосфат (H ₂ PO ₄ ^-) є двома видами присутніх. PkA2 становить 6,8, і це робить закриту фосфатну буферну систему хорошим буфером внутрішньоклітинно і в сечі. РН гломерулярного ультрафільтрату становить 7,4, і це означає, що спочатку фосфат буде переважно в моноводневій формі і тому може поєднуватися з більшою кількістю Н ⁺ в ниркових канальцях. Це робить фосфатний буфер більш ефективним при буферизації проти падіння рН, ніж підвищення рН.

Примітка

Значення PKA2 насправді становить 7,2, якщо вимірюється при нульовій іонній силі, але при типовій іонній силі, знайденій в організмі, його очевидне значення становить 6,8. Іншим фактором, який робить фосфат більш ефективним буфером внутрішньоклітинно і в сечі є те, що його концентрація в цих двох ділянках набагато вище, ніж у позаклітинній рідині.

Гемоглобін є важливим буфером крові, особливо для буферизації CO ₂

Білкові буфери в крові включають гемоглобін (150 г/л) і білки плазми (70 г/л). Буферизація здійснюється групою імідазолу залишків гістидину, яка має рКа близько 6,8. Це підходить для ефективної буферизації при фізіологічному рН. Гемоглобін кількісно приблизно в 6 разів важливіший за білки плазми, оскільки він присутній приблизно в два рази більше концентрації і має приблизно втричі більше кількості залишків гістидину на молекулу. Наприклад, якщо рН крові зміниться з 7,5 до 6,5, гемоглобін буде буферувати 27,5 ммоль/л H ⁺, а загальна буферизація білків плазми становитиме лише 4,2 ммоль/л H ⁺.

Дезоксигемоглобін є більш ефективним буфером, ніж оксигемоглобін, і ця зміна буферної ємності сприяє приблизно 30% ефекту Халдана. Основним фактором, що обумовлює ефект Халдана при транспорті CO ₂, є набагато більша здатність дезоксигемоглобіну утворювати карбаміносполуки.

Ізогідричний принцип

Всі буферні системи, які беруть участь у захисті від кислотно-лужних змін, знаходяться в рівновазі один з одним. Зрештою, є лише одне значення для [H ⁺] в будь-який момент. Це відоме як Ізогідричний принцип.

Це означає, що оцінка концентрацій будь-якої однієї кислотно-лужної пари може бути використана для надання картини загального кислотно-лужного балансу в організмі. Це пощастило, оскільки вимірювання концентрацій всіх буферних пар у розчині було б важко. Умовно вимірюються тільки компоненти бікарбонатної системи (тобто [HCO ₃ ^-] і PCO ₂). Вони доступні і легко визначаються. Апарати газу крові вимірюють рН і pCo ₂ безпосередньо, і [HCO ₃ ^-] потім обчислюється за допомогою рівняння Хендерсона-Хассельбальха.

Буферизація на різних сайтах

Дихальні розлади переважно буферизовані у внутрішньоклітинному відділенні. Метаболічні порушення мають більший буферний внесок від позаклітинної рідини (наприклад, буферизація ECF 40% для метаболічного ацидозу та 70% для метаболічного алкалозу).

Різні буферні системи існують в рідинях організму (див. Таблицю) для мінімізації впливу на рН додавання або видалення з них кислоти.

У ECF бікарбонатна система є кількісно найважливішою для буферизації метаболічних кислот. Його ефективність значно підвищується за рахунок вентиляційних змін, які намагаються підтримувати постійний pCo ₂, і нирковими механізмами, що призводять до зміни бікарбонату плазми.

У крові гемоглобін є найважливішим буфером для СО ₂ через його високу концентрацію та велику кількість залишків гістидину.

Дезоксигемоглобін є кращим буфером, ніж оксигемоглобін

Ще одним фактором, який робить гемоглобін важливим буфером, є явище ізогідричного обміну. Тобто буферна система (HHBO ₂ -HBO ₂ ^-) перетворюється в інший більш ефективний буфер (HHb-Hb ^-) саме на тій ділянці, де потрібна підвищена буферна ємність. Простіше кажучи, це означає, що кисневе розвантаження збільшує кількість дезоксигемоглобіну, і цей кращий буфер виробляється саме в тому місці, де виробляються додаткові Н ⁺ через виробництво бікарбонату для транспортування CO ₂ в еритроцитах.

Зв'язок між внутрішньоклітинними та позаклітинними відсіками

Як зміни в [H ⁺] повідомляються між ICF та ECF?

Два основних процеси, що беруть участь:

• Перенесення СО ₂ через клітинну мембрану
• Іонні зрушення (тобто механізми обміну протонами)

Важливими моментами, які слід зазначити щодо CO ₂, є:

• Він дуже розчинний в ліпідів і з легкістю перетинає клітинні мембрани, викликаючи кислотно-лужні зміни внаслідок утворення Н ⁺ і HCO ₃ ^-. Через цю легкість руху CO ₂ не має важливого значення для спричинення відмінностей в рН з двох сторін клітинної мембрани.
• Позаклітинна буферизація СО ₂ обмежена нездатністю основного позаклітинного буфера (бікарбонатної системи) до буферних змін в [Н ⁺], що утворюються в результаті реакції між СО ₂ і водою.

Результатом є те, що буферизація при респіраторних кислотно-лужних порушеннях переважно внутрішньоклітинна: 99% при респіраторному ацидозі та 97% для респіраторного алкалозу.

Другим основним процесом, який дозволяє переносити іони H ⁺ внутрішньоклітинно, є введення H ⁺ в обмін на K ⁺ або Na ⁺. Цей іонний обмін необхідний для підтримки електронно-нейтральності. Цей катіонний обмін є механізмом, який забезпечує H ⁺ внутрішньоклітинно для буферизації метаболічного розладу. У клітці білок і фосфати (органічні та неорганічні) буферують Н ⁺, що доставляються цим механізмом іонного обміну.

Експерименти з метаболічним ацидозом показали, що 57% буферизації відбувається внутрішньоклітинно, а 43% - позаклітинно. Процеси, що беруть участь у цій буферизації, є:

Процеси, що беруть участь у буферизації
ECF	43% (за допомогою бікарбонатних та білкових буферів)
ІКФ	57% (за білковим фосфатним і бікарбонатним буферами) за рахунок введення H ^+ шляхом:
	Na ^+ -Н ^+ обмін 36% K ^+ -Н ^+ обмін 15% Інші 6%

(див. Розділ 10.6 для хімічного пояснення того, як обмін Na ⁺ або K ⁺ на H ⁺ через мембрану може змінити рН, змінюючи сильну різницю іонів або «SID»)

Тридцять два відсотки (32%) буферизації метаболічного алкалозу відбувається внутрішньоклітинно, а обмін Na ^{+ -H +} відповідає за більшу частину перенесення Н ⁺.

Роль кісткової буферизації

Карбонатні та фосфатні солі в кістці діють як довгострокове постачання буфера, особливо під час тривалого метаболічного ацидозу.

Важлива роль кісткових буферів часто опускається з обговорення кислотно-лужної фізіології ⁴.

Кістка складається з матриці, всередині якої диспергуються спеціалізовані клітини. Матрикс складається з органічних [колагену та інших білків у подрібненій речовині] та неорганічних кристалів гідроксиапатиту: загальна формула\( Ca_{10}(PO_{4})_{6}(OH)_{2}) \)] компонентів. Кристали гідроксиапатиту складають дві третини загального обсягу кістки, але вони надзвичайно малі і, отже, мають величезну загальну площу поверхні. Кристали містять велику кількість карбонату (CO ₃ ^-2), оскільки цей аніон може бути замінений як фосфатом, так і гідроксилом в кристалах апатиту. Кістка є основним резервуаром СО ₂ в організмі і містить карбонат і бікарбонат, еквівалентний 5 молям СО ₂ із загального сховища CO ₂ тіла 6 родимок. (Порівняйте це з базальним добовим виробництвом CO ₂ 12 моль/день)

СО ₂ в кістці буває в двох формах: бікарбонат (HCO ₃ ^-) і карбонат (СО ₃ ^-2). Бікарбонат становить легко обмінний басейн, оскільки він присутній у кістковій воді, яка становить оболонку гідратації навколо кожного з кристалів гідроксиапатиту. Карбонат присутній в кристалах і його виділення вимагає розчинення кристалів. Це набагато повільніший процес, але кількість буфера, що бере участь, набагато більше.

Як кістка діє як буфер?

Задіяні два процеси:

• Іонний обмін
• Розчинення кісткового кристала

Кістка може займати H ⁺ в обмін на Ca ²⁺, Na ⁺ і K ⁺ (іонний обмін) або вивільнення HCO ₃ ^-, CO ₃ ^- або HPO ₄ ^-2. При гострому метаболічному ацидозі поглинання Н ⁺ кісткою в обмін на Na ⁺ і K ⁺ бере участь в буферизації, оскільки це може відбуватися швидко без будь-якого руйнування кісток. Частина так званої «внутрішньоклітинної буферизації гострих метаболічних порушень може представляти деякі з цієї гострої буферизації кісткою. При хронічному метаболічному ацидозі основним буферним механізмом на сьогоднішній день є вивільнення карбонату кальцію з кістки. Механізм, за допомогою якого відбувається це розчинення кісткового кристала, включає два процеси:

• прямий фізико-хімічний розпад кристалів у відповідь на [H ⁺]
• остеокластична реабсорбція кістки.

Залучення цих процесів в буферизації не залежить від паратиреоїдного гормону. Внутрішньоклітинний ацидоз остеокластів призводить до зниження внутрішньоклітинного Ca ²⁺, що стимулює ці клітини.

Кістка, ймовірно, бере участь у забезпеченні певної буферизації для всіх кислотно-лужних порушень. Мало експериментальних доказів для респіраторних розладів. Більшість досліджень були пов'язані з хронічними метаболічними ацидозами, оскільки ці стани пов'язані зі значною втратою мінералу кістки (остеомаляція, остеопороз). За тривалістю лише два типи метаболічного ацидозу є досить тривалими, щоб бути пов'язаними з втратою кісткового мінералу: нирковий канальцевий ацидоз (РТА) та уремічний ацидоз. Кістка є важливим буфером в цих двох умовах.

При уремії додаткові фактори є більш значущими у спричиненні ниркової остеодистрофії, оскільки втрата мінералу кістки не може бути пояснена лише ацидозом. Зміни метаболізму вітаміну D, метаболізму фосфатів та вторинного гіперпаратиреозу важливіші, ніж ацидоз, спричиняючи втрату мінералу кісткової тканини у хворих на уремію. Втрата кісткового мінералу через ці інші фактори вивільняє значну кількість буфера.

Резюме Кістка є важливим джерелом буфера при хронічному метаболічному ацидозі (тобто нирковому канальцевому ацидозі та уремічному ацидозі) Кістка, ймовірно, бере участь у забезпеченні певної буферизації (переважно шляхом іонного обміну) при найбільш гострих кислотно-лужних розладах, але це мало вивчено. Вивільнення карбонату кальцію з кістки є найважливішим буферним механізмом, що бере участь у хронічному метаболічному ацидозі. Втрата кісткового кристала при уремічному ацидозі носить багатофакторний характер, а ацидоз - лише незначний фактор. І ацидоз, і зміни вітаміну D3 відповідають за остеомаляцію, яка виникає при нирковому канальцевому ацидозі.

Посилання

1. Уортлі Л.І. Водневий іонний обмін. Інтенсивна терапія Anaesth 1977 Листопад; 5 (4) 347-60. pmid:23014. Паб Мед
2. Піттс РФ. Механізми стабілізації лужних запасів організму. Харві Ліва 1952-1953; 48 172-2009. Паб Мед
3. Інтерпретація клінічних кислотно-лужних даних Bernards WC. Регіональні курси підвищення кваліфікації з анестезіології. 1973; 1:17-26
4. Бушинський Д.А. Ацидоз і кісткова. Шахтар Електроліт Метаб 1994; 20 (1-2) 40-52. Паб Мед