Необходимым условием нормальной жизнедеятельности организма является постоянство реакции его внутренней среды. Жизнь возможна лишь в очень узких границах рН крови. Такая точность в поддержании реакции среды на определенном уровне обеспечивается целым рядом механизмов. Сюда относятся прежде всего вне- и внутриклеточные буферные системы, широкий ионный обмен между внутриклеточным и внеклеточным секторами, деятельность легких и почек. Кислотно-щелочное равновесие находится в тесной связи с электролитным обменом, нервными и гормональными влияниями. Особую роль в регуляции кислотно-щелочного равновесия играют почки, в задачу которых входит выведение нелетучих кислот и сбережение оснований. По современным представлениям, кислотами называются электролиты, образующие при диссоциации катионы водорода Н+ (протонные донаторы). Щелочи (основания) — это электролиты, образующие при диссоциации анионы гидроксила ОН" и способные присоединять ионы водорода (протонные акцепторы), С этой точки зрения неправильно отождествлять катионы с основаниями, а анионы — с кислотами. Тем не менее, в условиях постоянно протекающего в организме ионного обмена такие катионы, как натрий, калий, кальций, могут вести себя как «основания», участвуя в нейтрализации кислот. Обмениваясь на водородные ионы, они способствуют удалению их избытка из организма. С другой стороны, анионы Cl-, SO4, РO4 в ряде случаев ведут себя как «кислотные» анионы, так как вытесняют из внеклеточной жидкости эквивалентное количество бикарбонатов.
Активная реакция (рН) среды определяется концентрацией в ней свободных диссоциированных ионов водорода. Концентрация водородных ионов в крови, а следовательно, и ее рН, определяется в основном соотношением бикарбоната и углекислоты. В норме это соотношение составляет 20 : 1. При этом рН крови колеблется от 7,35 до 7,45. Снижение рН крови ниже этих величин характеризуется как декомпенсированный ацидоз, повышение — как декомпенсированный алкалоз. Взаимно компенсированные изменения бикарбоната и углекислоты, которые не ведут к изменению их соотношения и, следовательно, не вызывают сдвига рН крови, называют компенсированным ацидозом и алкалозом. В зависимости от причины, различают газовый (респираторный) и метаболический ацидоз и алкалоз. У ряда больных наблюдается комбинация респираторных и метаболических нарушений. Так называемый почечный ацидоз, возникающий у больных с заболеваниями почек, является разновидностью метаболического. Причиной его возникновения в ряде случаев является нарушение функции почек по выведению кислот и сбережению оснований. Нарушения метаболизма могут возникать в этом случае вторично.
Сдвигу рН внутренней среды организма препятствуют буферные вещества, находящиеся во внеклеточной жидкости и в клетках. Наиболее выраженными буферными свойствами обладают растворы, содержащие слабую, плохо диссоциирующую кислоту и хорошо диссоциированную щелочную соль этой кислоты. Основная буферная система внеклеточной жидкости состоит из бикарбоната и углекислоты. Согласно уравнению Гендерсона-Гассельбальха, активная реакция крови рН = 6,1 + lg
Чем больше в крови концентрация бикарбонатов, тем выше ее рН и больше сдвиг реакции крови в щелочную сторону. Наоборот, увеличение концентрации углекислоты снижает рН крови, способствуя сдвигу реакции в кислую сторону. После введения во внеклеточную жидкость кислоты на ее нейтрализацию идет некоторое количество бикарбонатов, а после введения щелочи — некоторое количество углекислоты:
НCl + NaHCO3 — NaCl + H2CO3,
NaOH + H2CO3 — NaHCO3 + H2O.
Нормальный метаболизм сопровождается постоянным образованием кислых продуктов, поступающих из тканей в кровь. Отсюда понятна роль избытка оснований (в основном бикарбонатов), находящегося во внеклеточной среде. Значительно меньшую роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия внеклеточной жидкости играет фосфатная буферная система, а также белки сыворотки крови. Последние обладают свойствами амфолитов и могут нейтрализовать как кислоты, так и основания. Существенное значение в нейтрализации и выведении кислых продуктов, главным образом углекислоты, имеет система оксигемоглобин — восстановленный гемоглобин. В легочных капиллярах гемоглобин, присоединяя кислород, переходит в оксигемоглобин и как более сильная кислота вытесняет углекислоту из бикарбонатов, содержащихся в эритроцитах. Углекислота выделяется легкими, а оксигемоглобин, связав освободившиеся основания (главным образом калий), транспортируется в ткани:
ННb + O2 → ННbO2. ННbO2 + КНСO3 → КНbO2 + H2СO3.
H2СO3 → H2O + СO2 (выделяется легкими).
В тканях, отдавая кислород, оксигемоглобин переходит в восстановленный гемоглобин (калиевую соль восстановленного гемоглобина КНЬ). Восстановленный гемоглобин является более слабой кислотой, чем оксигемоглобин, способность связывать основания у него значительно меньше. В результате часть оснований освобождается и вступает в соединение с избытком подлежащей удалению углекислоты:
H20 + СO2 → H2СO3. H2СO3 + КНb → ННb + КНСO3.
Таким образом, в тканях восстановленный гемоглобин связывает ионы водорода, «отнимая» их у углекислоты, а освободившийся калий образует бикарбонат. В дальнейшем избыток СO2 в виде бикарбоната эритроцитов транспортируется в легкие. Что касается ионов водорода, то восстановленный гемоглобин, связав их, также транспортирует в легкие (см. выше), где они наряду с бикарбонатом участвуют в образовании углекислоты и после дегидратации последней в составе H20 выводятся почками.
В клетках тканей относительно мало бикарбонатов, и основными буферными системами являются фосфаты и белки. Основным катионом в клетках является калий. Внутриклеточная рН определяется в значительной мере соотношением , поэтому потеря внутриклеточного калия ведет к внутриклеточному ацидозу; эта потеря происходит в обмен на ионы натрия и водорода. Переход водородных ионов из внеклеточной жидкости в клетки способствует внеклеточному алкалозу и внутриклеточному ацидозу.
Как установлено в настоящее время, около половины всех введенных в организм кислот нейтрализуется благодаря ионному обмену. Из скелета и внутриклеточного сектора во внеклеточную жидкость поступают катионы натрия, калия, кальция, обменивающиеся на внеклеточные ионы водорода. Образующиеся в процессе клеточного метаболизма водородные ионы выделяются из клетки также в значительной мере путем ионного обмена на внеклеточные катионы (главным образом калий). Определенное значение для поддержания кислотно-щелочного равновесия имеет обмен ионов хлора на бикарбонатные ионы, происходящий между плазмой крови и эритроцитами, а также способность этих анионов взаимно «вытеснять» друг друга из внеклеточной жидкости. Принцип ионного обмена имеет решающее значение в почечных канальцевых механизмах подкисления мочи, реабсорбции бикарбонатов и экскреции аммония.
Мощным регулятором кислотно-щелочного равновесия являются легкие. Образовавшийся в результате клеточного метаболизма, а также буферных реакций избыток углекислоты удаляется (в виде CO2) путем усиленной респирации, и концентрация ее снижается до восстановления нормального соотношения между бикарбонатами и углекислотой крови (20 : 1). Таким образом, легкие могут восстановить нормальную рН крови, но они не способны удалить образовавшийся избыток ионов водорода и восстановить «щелочной резерв» — концентрацию плазменных бикарбонатов. Эту задачу выполняют почки. Основная буферная система внеклеточной жидкости — «углекислота — бикарбонат» — именно потому и обладает большой буферной емкостью, что она тесно связана с деятельностью легких и почек. Подобно тому, как избыток углекислоты может быть быстро выведен легкими, выведение или задержка бикарбонатов регулируется почками. Они же удаляют постоянно образующиеся в процессе метаболизма и вводимые извне ионы водорода. Определенное значение в поддержании постоянства реакции внутренней среды организма имеют и другие органы и системы: печень, желудочно-кишечный тракт, потовые железы и т. п.