0. Внутриклеточные механизмы контроля рН

Внутриклеточные буферы активно участвуют в минимизации изменений рН внутри и вне клеток при нагрузке как кислотами, так и основаниями. Внутриклеточные буферы способны компенсировать более 50% нагрузки некарбоновыми кислотами и практически всю нагрузку угольной кислотой.

Снижение рН крови ниже предела нормы приводит к активному поглощению ионов водорода внутриклеточным пространством в обмен на ионы натрия и калия.

Концентрация калия плазмы в этих условиях возрастает на 0.6 ммоль/л на каждое изменение рН на 0.1 единицы. Избыток ионов водорода в цитозоле клеток ингибирует интенсивность метаболических реакций, что в какой-то степени ограничивает приток кислых эквивалентов из внутриклеточного пространства.

Напротив, увеличение рН крови выше предела нормы приводит к активному выделению ионов водорода внутриклеточным пространством в обмен на ионы натрия и калия. Снижение концентрации калия плазмы в этих условиях может привести к гипокалиемии.

Особое место среди внутриклеточных буферов занимает гемоглобиновая буферная система, которая состоит из неионизированного гемоглобина – HHb (слабая органическая кислота) и калиевой соли гемоглобина – KHb (сопряженное основание). На неё приходится около 20–23 % буферной емкости цельной крови. Буферные свойства гемоглобина обусловлены возможностью взаимодействия кислореагирующих соединений с KHb и образованием эквивалентного количества соответствующей калиевой соли кислоты и редуцированного НHb:

KHb + H₂CO₃  KHCO₃ + HHb

Свое место в гемоглобиновой буферной системе имеет оксигенированный гемоглобин (НbO2^), который является более сильной кислотой, чем деоксигинированный (HHb). Деоксигенация гемоглобина (НbO^ )  (Hb^) приводит к формированию его формы с высоким сродством к иону водорода. Оксигенированный гемоглобин фактически выступает в качестве депо основной компоненты гемоглобиновой буферной системы. Деоксигенация гемоглобина при прохождении крови через тканевые капилляры увеличивает доступную основную компоненту гемоглобиновой буферной системы. Напротив, оксигенация гемоглобина при прохождении крови через легочные капиляры снижает доступность основной компоненты гемоглобиновой буферной системы. Процессы оксигенации-деоксигенации гемоглобина тесно связаны с обменом в организме углекислого газа, субстрата-предиктора основного кислотного продукта аэробного метаболизма – угольной кислоты. Тесная интеграция гемоглобиновой буферной системы и обмена углекислого газа показывает, что гемоглобиновая буферная система эффективно противодействует сколь-либо значительным изменениям рН, обусловленных поступлением в кровь из клеток СО₂ (рис.4.)

Рис.4 Сопряжение процесса газообмена и буферной функции гемоглобина в тканях и легких организма человека.

Равно как гемоглобиновая буферная система интегрирована в межбуферные взаимодействия с бикарбонатной буферной системой. Бикарбонат в плазме крови нейтрализует ионы водорода, образующиеся при диссоциации органических и минеральных кислот, которые являются промежуточными и/или конечными продуктами различных метаболических процессов. Образующаяся угольная кислота в свою очередь распадается на углекислый газ и воду:

HА + НСО₃^  А^ + Н₂СО₃  СО₂+Н₂О (в плазме крови)

Углекислый газ, благодаря способности проходить через биологические мембраны, попадает в эритроциты, где трансформируется в угольную кислоту, диссоциирующую на ион водорода и бикарбонат:

СО₂+Н₂О Н₂СО₃ + KHb  K⁺ + HCO₃^ + HНb (в эритроците)

Бикарбонат далее покидает эритроцит в процессе межионного обмена с хлором. Итоговым результатом функционирования этой цепочки является динамичное использование щелочного резерва гемоглобиновой буферной системы и отсутствие резких изменений концентрации бикарбоната в плазме крови (более подробно сопряжение между гемоглобиновой и бикарбонатной буферными системами будет рассмотрено ниже).