2.6: Регулювання внутрішньоклітинної концентрації іонів водню

Last updated
Save as PDF

Page ID: 67953

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Важливість внутрішньоклітинного [H ⁺]

Найважливішим [H ⁺] для організму є внутрішньоклітинний [H ⁺]

Чому? Через його глибокий вплив на метаболізм та інші клітинні процеси, які відбуваються внаслідок впливу [Н ⁺] на ступінь іонізації внутрішньоклітинних сполук. Зокрема:

Ефект малих молекул: Внутрішньоклітинна функція захоплення - завдяки іонізації метаболічних проміжних продуктів.
Ефект великої молекули: Вплив на функцію білка: Функція багатьох внутрішньоклітинних білків (крім активності ферментів) змінюється впливом на іонізацію залишків амінокислот (esp залишків гістидину)

При оцінці кислотно-лужних розладів клініцист завжди дивиться ззовні всередину.

Чому? З 2 причин:

Простота взяття проб: Артеріальна кров легко забрати. Набагато складніше отримати внутрішньоклітинний зразок.
Артеріальна кров дає результати, які можна вважати свого роду «середнім значенням». Складніше було б знайти внутрішньоклітинний зразок, який можна вважати «репрезентативним» для всіх МКФ.

Основою клінічного підходу є використання позаклітинних результатів для здійснення висновків про внутрішньоклітинні стани.

Як вуглекислий газ, так і фіксовані кислоти виробляються внутрішньоклітинно і рухаються вниз градієнти концентрації до ECF. Вуглекислий газ дуже легко перетинає клітинні мембрани, і важливо розуміти, що СО ₂ може рухатися всередину або назовні залежно від градієнта через клітинну мембрану.

При діабетичному кетоацидозі (ДКА) кетокислоти виробляються в печінці, а не в кожній клітині організму. Однак внутрішньоклітинний лужний ефект компенсаторної гіпокапнії вплине на кожну клітину, а не лише на гепатоцити. Чи означає це, що ДКА виробляє позаклітинний підйом [H ⁺], але протилежна зміна в більшості тканин (за винятком печінки), де чистий ефект - падіння внутрішньоклітинної [H ⁺] через компенсаторну гіпокапнію? Кетокислоти можуть потрапляти в більшість клітин і використовуватися як енергетичний субстрат, і це спочатку спричинить падіння внутрішньоклітинних [H ⁺]. Внутрішньоклітинний рН не може бути змінений сильно після досягнення максимальної респіраторної компенсації через ці протилежні ефекти. Цілком можливо, що, хоча максимальна респіраторна компенсація не повністю коригує позаклітинну ацидемію, її може бути достатньо, щоб запобігти значній зміні внутрішньоклітинного рН. Ця дискусія є спекулятивною і не була повністю досліджена. Мета тут полягає лише в тому, щоб показати, що погляд на кислотно-лужні розлади з внутрішньоклітинної точки зору може призвести до ідей, які відрізняються від ідей звичайної позаклітинної точки зору.

Гіпотеза Рана та колег (див. Розділ 1.6) полягає в тому, що внутрішньоклітинний рН підтримується приблизно на рівні pH нейтральності (pN), оскільки це рН, при якому проміжні продукти метаболітів заряджаються і затримуються всередині клітини. Позаклітинний рН вище на 0,5 до 0,6 одиниць рН, і це становить приблизно чотириразовий градієнт, що сприяє виходу іона водню з клітини. Вимірювання внутрішньоклітинного рН у різних препаратах скелетних м'язів ссавців виявили значення рН переважно в діапазоні від 6,8 до 7,1. Значення, виявлені в інших тканині, іноді були вищими залежно від експериментальних механізмів. Це значення трохи вище, ніж pN (6,8 при 37° C), але все ще здатне ефективно затримувати проміжні продукти всередині клітини. Подальше ускладнення полягає в тому, що внутрішньоклітинний рН неоднорідний і вимірювання змогли дати лише середні значення рН для всього внутрішньоклітинного відсіку. Ці середні значення можуть вводити в оману, оскільки в різних клітинних областях або органелах можуть бути кислі та основні області, і саме цей місцевий рН важливий.

Через потужний вплив внутрішньоклітинного [Н ⁺] на метаболізм корисно розглянути процеси, які намагаються підтримувати його на стабільному значенні. Це допомагає нам робити висновки про внутрішньоклітинні події з позаклітинного кислотно-лужного зразка.

Процесами, що відповідають за підтримку стабільного внутрішньоклітинного рН, є:

Внутрішньоклітинна буферизація
Регулювання артеріального РСО ₂
Втрата нерухомих кислот з клітини в позаклітинну рідину

Внутрішньоклітинна буферизація

Цей термін відноситься до тих швидких оборотних процесів, що відбуваються всередині внутрішньоклітинної рідини, які мінімізують зміни рН у відповідь на кислотний або лужний стрес. Термін буферизація використовується тут у набагато ширшому сенсі, ніж це обговорювалося в розділі 2.2, де він використовувався для позначення лише процесу фізико-хімічної буферизації. Внутрішньоклітинно існують інші швидкі та оборотні процеси, які діють для мінімізації гострих змін у внутрішньоклітинному [H ⁺] і які з користю можна вважати формою буферизації. Внутрішньоклітинна буферизація включає в себе наступні процеси:

Фізико-хімічна буферизація
Метаболічна буферизація
Органеллярна буферизація

Експерименти показали, що ці три процеси можуть нейтралізувати понад 99,99% будь-якої кислоти або лугу, що додаються гостро до внутрішньоклітинної рідини! Ці процеси забезпечують швидке, але тимчасове позбавлення від гострих внутрішньоклітинних кислотно-лужних змін.

Фізико-хімічна буферизація

У кількісному відношенні це найважливіший процес, який протистоїть змінам внутрішньоклітинних [H ⁺]. (Фізико-хімічна буферизація розглядається в розділі 2.2.)

У внутрішньоклітинному середовищі білки (особливо імідазол гістидину) та фосфати (органічні та неорганічні) є найважливішими буферами, оскільки вони мають pK, близький до нормального внутрішньоклітинного рН і присутні у найвищих концентраціях. МКФ відповідає за 97 до 99% загальної буферизації організму дихальних кислотно-лужних порушень. Внутрішньоклітинний внесок у буферизацію менше при порушеннях обміну речовин (60% для метаболічного ацидозу; 30% для метаболічного алкалозу), але все ще є значним. Бікарбонатна система присутня внутрішньоклітинно і бере участь у буферизації метаболічного ацидозу. Внутрішньоклітинні амінокислоти забезпечують невелику кількість буферизації. Вільний гістидин має рКа близько 6,0, що нижче середнього значення 6.8, коли він включений в білки. Невелика кількість Н ⁺ використовується для виробництва аланіну та глютаміну.

Метаболічна буферизація

Метаболічна (або біохімічна) буферизація відноситься до змін в метаболізмі кислот всередині клітини, які, як правило, протидіють змінам в [Н ⁺].

Зміни внутрішньоклітинного рН впливають на активність ферментів. Чистим ефектом диференціальних змін активності ферментів у різних шляхах (включаючи основний гліколітичний шлях) є зміна рівнів кислих метаболітів таким чином, що зміни в [Н ⁺] зведені до мінімуму. Наприклад, метаболізм лактату до глюкози або до води і СО ₂ (який може легко покинути клітину) ефективно виведе Н ⁺ з внутрішньоклітинної рідини. Це явно не просто фізико-хімічна буферизація. Розглянемо інший приклад: якщо внутрішньоклітинний pCo ₂ знижується через гостру гіпервентиляцію, це виробляє відносний внутрішньоклітинний алкалоз. Зміни активності ферментів призводять до підвищення рівня лактату, пірувату та інших кислих проміжних продуктів. Це відбувається швидко, є оборотним і має тенденцію мінімізувати зміну внутрішньоклітинного рН. Метаболічна буферизація може становити споживання іонів водню до половини цього через процес фізико-хімічної буферизації всередині клітини.

Органеллярна буферизація

Це стосується гострого секвестрації або вивільнення H ⁺ з внутрішньоклітинних органел у напрямку, який виступає проти зміни внутрішньоклітинного рН.

Загальний внесок цього процесу у внутрішньоклітинну буферизацію незрозумілий.

Енергія, що виділяється під час перенесення електронів в дихальному ланцюзі в мітохондріях, використовується для видавлювання іонів водню. Енергія зберігається у вигляді протонного градієнта через внутрішню мембрану мітохондрій. Коли іони водню знову потрапляють через мембранно пов'язану АТФазу, енергія вивільняється і використовується для отримання АТФ з АДФ. Мітохондрії видавлюють загалом шість протонів на кожен атом кисню, який зменшується до води. Підвищення цитоплазматики [H ⁺] забезпечує додатковий Н ⁺, який може потрапити в мітохондрії. Це сприятиме утворенню АТФ через градієнт протонів внутрішньої мембрани і буде буферувати зміни цитоплазматичного рН.

Лізосоми містять ферменти, які мають максимальну активність при кислому рН. У деяких експериментах внутрішній рН лізосом збільшується при підвищенні позаклітинного рН. Це можна інтерпретувати як механізм, який допомагає буферизувати зміни цитоплазматичного рН. Загальна значущість цього процесу не встановлена.

Регулювання артеріального рСО ₂

Вуглекислий газ виробляється клітинами у величезних кількостях: зазвичай 12,000 (базально) до цілих 15,000 до 20,000 ммоль/день з типовими рівнями активності. Для його видалення існує ефективна система. Артеріальний pCo ₂ має вирішальне значення для внутрішньоклітинного кислотно-лужного балансу як через його потенціал швидко змінюватися, так і через свою ефективність у зміні внутрішньоклітинного [H ⁺].

Вуглекислий газ легко перетинає мембрани клітин. Зміна вентиляції впливає на артеріальний рівень pCo ₂ і внутрішньоклітинний pCo ₂ по всьому організму. Компенсаторна реакція на метаболічний кислотно-лужний розлад полягає у збільшенні альвеолярної вентиляції і, таким чином, зменшенні рівня pCo ₂ в артеріях. Цей змінений pCo ₂ вплине на внутрішньоклітинний рН, і цей ефект швидкий. Наприклад, гострий метаболічний ацидоз буде компенсований падінням pCo ₂, що мінімізує внутрішньоклітинні ефекти ацидозу.

Фіксована екструзія кислоти з клітин

Метаболізм (внутрішньоклітинна подія) виробляє надлишок кислоти. У довгостроковій перспективі баланс іонів водню всередині клітини залежить від втрати цих кислот з клітини. Різні процеси буферизації, розглянуті раніше, є лише короткостроковими заходами, оскільки кислота не видаляється з клітини.

Експерименти показують, що клітини реагують на гостру кислотне навантаження (наприклад, гіперкапнію) початковим падінням рН (мінімізоване внутрішньоклітинною буферизацією, розглянутою вище), але що рН згодом повільно повертається до норми, незважаючи на постійну присутність кислотного стресу. Це відбувається за рахунок видавлювання сітчастої кислоти з клітини через клітинну мембрану. Цей процес передбачає зв'язаний обмін іонів (H ⁺, HCO ₃ ^-, Na ⁺ і Cl ^-) по всій мембрані. Процес не впливає на мембранний потенціал, тому він повинен бути електронно-нейтральним. Були запропоновані різні моделі, але відносна важливість їх у хребетних не була повністю встановлена. Відповідь клітин на лужне навантаження розвинена набагато менше і набагато менше вивчена, ніж реакція на кислотне навантаження.

Рух H ⁺ або HCO ₃ ^- через мембрану не має значення при зміні [H ⁺] (див. Обговорення в розділі 10.6), але рух сильних електролітів (таких як Na ⁺, Cl ^-, лактат) змінить внутрішньоклітинний [H ⁺]. Важливим моментом є те, що саме переміщення аніону кислоти з клітини (а не іона водню як такого) призводить до чистої втрати фіксованої кислоти з клітини. Аналогічна ситуація застосовується і в нирках: акцент слід робити на втрату сечовипускання аніонів кислоти (з H ⁺ буферизованим на фосфаті амонію), а не на самому іоні водню. Традиційне використання іона водню в поясненнях повинно бути кількісно еквівалентним, але служить для маскування справжньої природи процесу.

Підсумовуючи:

В експериментах, де клітини піддаються кислотному навантаженню, вони реагують збільшенням швидкості видавлювання кислоти з клітини. Це повертає внутрішньоклітинну [H ⁺] до норми. Реакція не така швидка, як механізми, що беруть участь у внутрішньоклітинній буферизації.

Важливість внутрішньоклітинного [H +]

Найважливішим [H +] для організму є внутрішньоклітинний [H +]