Бикарбонатная буферная система - Bicarbonate buffer system

Двуокись углерода, побочный продукт клеточное дыхание, растворяется в крови, где он поглощается эритроцитами и превращается в угольную кислоту с помощью карбоангидразы. Затем большая часть угольной кислоты диссоциирует на ионы бикарбоната и водорода.

В бикарбонатная буферная система является кислотно-щелочной гомеостатик механизм, включающий баланс угольная кислота (ЧАС2CO3), бикарбонат-ион (HCO−
3), и углекислый газ (CO2) для того, чтобы поддерживать pH в кровь и двенадцатиперстная кишка среди других тканей, чтобы поддерживать надлежащую метаболический функция.[1] Катализируется карбоангидраза, диоксид углерода (CO2) реагирует с водой (H2O) с образованием угольной кислоты (H2CO3), который, в свою очередь, быстро диссоциирует с образованием бикарбонат-иона (HCO−
3 ) и ион водорода (H+) как показано в следующей реакции:[2][3][4]

Как и любой буфер системы, pH уравновешивается наличием как слабая кислота (например, H2CO3) и это сопряженное основание (например, HCO−
3), так что любой избыток кислоты или основания, введенный в систему, нейтрализуется.

Неспособность этой системы функционировать должным образом приводит к кислотно-щелочному дисбалансу, например: ацидемия (pH <7,35) и алкалиемия (pH> 7,45) в крови.[5]

В системном кислотно-щелочном балансе

В ткани, клеточное дыхание производит углекислый газ как отходы; как одна из основных ролей сердечно-сосудистая система, большая часть этого CO2 быстро выводится из тканей за счет гидратации до бикарбонат-иона.[6] Бикарбонат-ион, присутствующий в плазме крови, транспортируется в легкие, где обезвоживается обратно в CO.2 и выпускается во время выдоха. Эти преобразования гидратации и обезвоживания CO2 и H2CO3, которые обычно очень медленные, облегчаются карбоангидраза как в крови, так и в двенадцатиперстной кишке.[7] Находясь в крови, ион бикарбоната служит для нейтрализации кислоты, попадающей в кровь в результате других метаболических процессов (например, молочная кислота, кетоновые тела ); аналогично, любые базы (например, мочевина от катаболизма белков ) нейтрализуются угольной кислотой (H2CO3).[8]

Регулирование

По расчетам Уравнение Хендерсона – Хассельбаха, чтобы поддерживать в крови нормальный pH 7,4 (при этом pKa угольной кислоты составляет 6,1 при физиологической температуре), необходимо постоянно поддерживать соотношение бикарбоната к угольной кислоте 20: 1; это гомеостаз в основном опосредуется датчиками pH в продолговатый мозг мозга и, вероятно, в почки, связанных петлями отрицательной обратной связи с эффекторами в респираторный и почечный системы.[9] В крови большинства животных буферная система бикарбоната связана с легкие через респираторная компенсация, процесс, с помощью которого изменяется частота и / или глубина дыхания, чтобы компенсировать изменения в концентрации CO в крови.2.[10] К Принцип Ле Шателье, выброс CO2 из легких толкает вышеуказанную реакцию влево, в результате чего карбоангидраза образует CO2 пока не будет удалена вся лишняя кислота. Концентрация бикарбоната также регулируется почечная компенсация, процесс, посредством которого почки регулируют концентрацию ионов бикарбоната, секретируя H+ ионы в мочу, в то же время реабсорбируя HCO−
3 ионы в плазму крови, или наоборотв зависимости от того, падает или растет pH плазмы соответственно.[11]

Уравнение Хендерсона – Хассельбаха

Модифицированная версия Уравнение Хендерсона – Хассельбаха может использоваться для определения pH кровь к составляющим бикарбонатной буферной системы:[12]

куда:

При описании газ артериальной крови, уравнение Хендерсона – Хассельбаха обычно цитируется в терминах pCO2, то частичное давление из углекислый газ, а не H2CO3. Однако эти величины связаны уравнением:[12]

куда:

Взятые вместе, следующее уравнение может быть использовано для связи pH крови с концентрацией бикарбоната и парциальным давлением диоксида углерода:[12]

куда:

  • pH - это кислотность в крови
  • [HCO−
    3    ] - концентрация бикарбоната в крови, в ммоль /L
  • пCO2 парциальное давление углекислого газа в крови в мм рт.

Вывод приближения Кассирера – Блайха.

Уравнение Хендерсона – Хассельбаха, которое выводится из закон массового действия, может быть изменен относительно буферной системы бикарбоната, чтобы получить более простое уравнение, которое обеспечивает быструю аппроксимацию H+ или HCO−
3 концентрация без необходимости вычисления логарифмов:[7]

Поскольку парциальное давление углекислого газа намного легче получить путем измерения, чем парциальное давление угольной кислоты, Константа растворимости закона Генри - который связывает парциальное давление газа с его растворимостью - для CO2 в плазме используется вместо концентрации угольной кислоты. После преобразования уравнения и применения закона Генри уравнение принимает следующий вид:[13]

куда K ’ это константа диссоциации с рKа угольной кислоты, 6,1, что равно 800 нмоль / л (поскольку K ’ = 10−pКа = 10−(6.1) ≈ 8,00X10−07моль / л = 800 нмоль / л).

Умножая K ’ (выражается в нмоль / л) и 0,03 (800 X 0,03 = 24) и перегруппировывается по отношению к HCO−
3, уравнение упрощается до:

В других тканях

Бикарбонатная буферная система играет жизненно важную роль и в других тканях. В желудке и двенадцатиперстной кишке человека буферная система бикарбоната служит для нейтрализации Желудочный сок и стабилизируют внутриклеточный pH эпителиальных клеток за счет секреции бикарбонат-иона в слизистая желудка.[1] У пациентов с язвой двенадцатиперстной кишки Helicobacter pylori эрадикация может восстановить секрецию бикарбоната слизистой оболочки и снизить риск рецидива язвы.[14]

Рекомендации

  1. ^ а б Криг, Брайан Дж .; Тагави, Сейед Мохаммад; Amidon, Gordon L .; Амидон, Грегори Э. (01.11.2014). «Прогнозируемое растворение in vivo: анализ переноса СО2, бикарбонатная буферная система in vivo» (PDF). Журнал фармацевтических наук. 103 (11): 3473–3490. Дои:10.1002 / jps.24108. HDL:2027.42/109280. ISSN  1520-6017. PMID  25212721.
  2. ^ Окстоби, Дэвид В .; Гиллис, Пэт (2015). «Кислотно-основные равновесия». Принципы современной химии (8-е изд.). Бостон, Массачусетс: обучение Cengage. С. 611–753. ISBN  978-1305079113.
  3. ^ Видмайер, Эрик; Рафф, Хершель; Стрэнг, Кевин (2014). «Почки и регуляция воды и неорганических ионов». Физиология человека Вандера (13-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С. 446–489. ISBN  978-0073378305.
  4. ^ Meldrum, N.U .; Роутон, Ф. Дж. У. (1933-12-05). «Карбоангидраза. Ее получение и свойства». Журнал физиологии. 80 (2): 113–142. Дои:10.1113 / jphysiol.1933.sp003077. ISSN  0022-3751. ЧВК  1394121. PMID  16994489.
  5. ^ Роудс, Родни А .; Белл, Дэвид Р. (2012). Медицинская физиология: принципы клинической медицины (4-е изд., Международное изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN  9781451110395.
  6. ^ др.], Давид Садава ... [et; Белл, Дэвид Р. (2014). Жизнь: Наука биологии (10-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN  9781429298643.
  7. ^ а б Bear, R.A .; Дайк, Р. Ф. (1979-01-20). «Клинический подход к диагностике кислотно-основных нарушений». Журнал Канадской медицинской ассоциации. 120 (2): 173–182. ISSN  0008-4409. ЧВК  1818841. PMID  761145.
  8. ^ Нельсон, Дэвид Л .; Кокс, Майкл М .; Ленингер, Альберт Л (2008). Принципы биохимии Ленингера (5-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN  9781429212427.
  9. ^ Джонсон, Леонард Р., изд. (2003). Основы медицинской физиологии (3-е изд.). Амстердам: Elsevier Academic Press. ISBN  9780123875846.
  10. ^ Heinemann, Генри O .; Голдринг, Роберта М. (1974). «Бикарбонат и регулирование вентиляции». Американский журнал медицины. 57 (3): 361–370. Дои:10.1016/0002-9343(74)90131-4. PMID  4606269.
  11. ^ Кеппен, Брюс М. (01.12.2009). «Почечная и кислотно-щелочная регуляция». Достижения в физиологическом образовании. 33 (4): 275–281. Дои:10.1152 / advan.00054.2009. ISSN  1043-4046. PMID  19948674.
  12. ^ а б c стр. 556, раздел «Оценка pH плазмы» в: Брей, Джон Дж. (1999). Конспект лекций по физиологии человека. Молден, Массачусетс: Blackwell Science. ISBN  978-0-86542-775-4.
  13. ^ Каменс, Дональд Р .; Носит Роберт Л .; Тримбл, Клив (1979-11-01). «Обход уравнения Хендерсона-Хассельбаха». Журнал Американского колледжа врачей скорой помощи. 8 (11): 462–466. Дои:10.1016 / S0361-1124 (79) 80061-1.
  14. ^ Hogan, DL; Рапира, RC; Дрейлингер, А; Косс, Массачусетс; Басук П.М.; Вайнштейн, WM; Nyberg, LM; Изенберг, JI (1996). «Секреция дуоденального бикарбоната: искоренение Helicobacter pylori и дуоденальной структуры и функции у людей». Гастроэнтерология. 110 (3): 705–716. Дои:10.1053 / gast.1996.v110.pm8608879. PMID  8608879.

внешняя ссылка