Η οξεοβασική ισορροπία παίζει τεράστιο ρόλο στη φυσιολογική λειτουργία του ανθρώπινου σώματος. Το αίμα που κυκλοφορεί στο σώμα είναι ένα μείγμα ζωντανών κυττάρων που βρίσκονται σε υγρό βιότοπο. Το πρώτο χαρακτηριστικό ασφαλείας που ελέγχει το επίπεδο pH στο αίμα είναι το ρυθμιστικό σύστημα. Αυτός είναι ένας φυσιολογικός μηχανισμός που διασφαλίζει ότι οι παράμετροι της οξεοβασικής ισορροπίας διατηρούνται αποτρέποντας τις πτώσεις του pH. Τι είναι και τι ποικιλίες έχει, θα το μάθουμε παρακάτω.
Περιγραφή
Το σύστημα προσωρινής αποθήκευσης είναι ένας μοναδικός μηχανισμός. Υπάρχουν πολλά από αυτά στο ανθρώπινο σώμα και όλα αποτελούνται από πλάσμα και κύτταρα αίματος. Τα ρυθμιστικά διαλύματα είναι βάσεις (πρωτεΐνες και ανόργανες ενώσεις) που δεσμεύουν ή δωρίζουν Η+ και ΟΗ-, καταστρέφοντας τη μετατόπιση του pH μέσα σε τριάντα δευτερόλεπτα. Η ικανότητα ενός ρυθμιστικού διαλύματος να διατηρεί μια οξεοβασική ισορροπία εξαρτάται από τον αριθμό των στοιχείων από τα οποία αποτελείται.
Τύποι ρυθμιστικών διαλυμάτων αίματος
Το αίμα που κινείται συνεχώς είναι ζωντανά κύτταρα,που υπάρχουν σε υγρό μέσο. Το κανονικό pH είναι 7, 37-7, 44. Η δέσμευση των ιόντων συμβαίνει με ένα συγκεκριμένο ρυθμιστικό διάλυμα, η ταξινόμηση των ρυθμιστικών συστημάτων δίνεται παρακάτω. Αποτελείται από πλάσμα και κύτταρα αίματος και μπορεί να είναι φωσφορικά, πρωτεΐνες, διττανθρακικά ή αιμοσφαιρίνη. Όλα αυτά τα συστήματα έχουν έναν αρκετά απλό μηχανισμό δράσης. Η δράση τους στοχεύει στη ρύθμιση του επιπέδου των ιόντων στο αίμα.
Χαρακτηριστικά του ρυθμιστικού διαλύματος αιμοσφαιρίνης
Το ρυθμιστικό σύστημα αιμοσφαιρίνης είναι το πιο ισχυρό από όλα, είναι ένα αλκάλιο στα τριχοειδή αγγεία των ιστών και ένα οξύ σε ένα εσωτερικό όργανο όπως οι πνεύμονες. Αντιπροσωπεύει περίπου εβδομήντα πέντε τοις εκατό της συνολικής χωρητικότητας buffer. Αυτός ο μηχανισμός εμπλέκεται σε πολλές διεργασίες που συμβαίνουν στο ανθρώπινο αίμα και έχει σφαιρίνη στη σύνθεσή του. Όταν το ρυθμιστικό διάλυμα αιμοσφαιρίνης αλλάζει σε άλλη μορφή (οξυαιμοσφαιρίνη), αυτή η μορφή αλλάζει και οι όξινες ιδιότητες της δραστικής ουσίας αλλάζουν επίσης.
Η ποιότητα της μειωμένης αιμοσφαιρίνης είναι μικρότερη από αυτή του ανθρακικού οξέος, αλλά γίνεται πολύ καλύτερη όταν οξειδώνεται. Όταν αποκτηθεί η οξύτητα του pH, η αιμοσφαιρίνη συνδυάζει ιόντα υδρογόνου, αποδεικνύεται ότι έχει ήδη μειωθεί. Όταν το διοξείδιο του άνθρακα απομακρύνεται από τους πνεύμονες, το pH γίνεται αλκαλικό. Αυτή τη στιγμή, η αιμοσφαιρίνη, η οποία έχει οξειδωθεί, λειτουργεί ως δότης πρωτονίων, με τη βοήθεια της οποίας εξισορροπείται η οξεοβασική ισορροπία. Έτσι, το ρυθμιστικό διάλυμα, που αποτελείται από οξυαιμοσφαιρίνη και το άλας καλίου της, προάγει την απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα από το σώμα.
Αυτό το buffer σύστημα αποδίδεισημαντικό ρόλο στην αναπνευστική διαδικασία, καθώς εκτελεί τη λειτουργία μεταφοράς της μεταφοράς οξυγόνου στους ιστούς και τα εσωτερικά όργανα και την απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα από αυτούς. Η οξεοβασική ισορροπία μέσα στα ερυθροκύτταρα διατηρείται σε σταθερό επίπεδο, επομένως, και στο αίμα.
Έτσι, όταν το αίμα είναι κορεσμένο με οξυγόνο, η αιμοσφαιρίνη μετατρέπεται σε ισχυρό οξύ, και όταν εγκαταλείπει το οξυγόνο, μετατρέπεται σε ένα αρκετά ασθενές οργανικό οξύ. Τα συστήματα οξυαιμοσφαιρίνης και αιμοσφαιρίνης είναι αλληλομετατρέψιμα, υπάρχουν ως ένα.
Χαρακτηριστικά του ρυθμιστικού διαλύματος διττανθρακικών
Το ρυθμιστικό σύστημα διττανθρακικών είναι επίσης ισχυρό, αλλά και το πιο ελεγχόμενο στο σώμα. Αντιπροσωπεύει περίπου το δέκα τοις εκατό της συνολικής χωρητικότητας buffer. Έχει ευέλικτες ιδιότητες που εξασφαλίζουν την αμφίδρομη αποτελεσματικότητά του. Αυτό το ρυθμιστικό περιέχει ένα συζευγμένο ζεύγος οξέος-βάσης, το οποίο αποτελείται από μόρια όπως το ανθρακικό οξύ (πηγή πρωτονίου) και το διττανθρακικό ανιόν (δέκτης πρωτονίων).
Έτσι, το ρυθμιστικό σύστημα διττανθρακικών προωθεί μια συστηματική διαδικασία όπου ένα ισχυρό οξύ εισέρχεται στην κυκλοφορία του αίματος. Αυτός ο μηχανισμός δεσμεύει το οξύ με τα διττανθρακικά ανιόντα, σχηματίζοντας ανθρακικό οξύ και το άλας του. Όταν το αλκάλιο εισέρχεται στο αίμα, το ρυθμιστικό διάλυμα συνδέεται με το ανθρακικό οξύ, σχηματίζοντας ένα διττανθρακικό άλας. Δεδομένου ότι υπάρχει περισσότερο διττανθρακικό νάτριο στο ανθρώπινο αίμα από το ανθρακικό οξύ, αυτή η ρυθμιστική ικανότητα θα έχει υψηλή οξύτητα. Με άλλα λόγια, ρυθμιστικό διάλυμα υδρογονανθράκωντο σύστημα (διττανθρακικά) είναι πολύ καλό στην αντιστάθμιση ουσιών που αυξάνουν την οξύτητα του αίματος. Αυτά περιλαμβάνουν το γαλακτικό οξύ, η συγκέντρωση του οποίου αυξάνεται με έντονη σωματική καταπόνηση και αυτό το ρυθμιστικό αντιδρά πολύ γρήγορα στις αλλαγές στην οξεοβασική ισορροπία στο αίμα.
Χαρακτηριστικά του ρυθμιστικού διαλύματος φωσφορικών
Το ανθρώπινο ρυθμιστικό σύστημα φωσφορικών καταλαμβάνει σχεδόν το δύο τοις εκατό της συνολικής χωρητικότητας ρυθμιστικού διαλύματος, η οποία σχετίζεται με την περιεκτικότητα σε φωσφορικά άλατα στο αίμα. Αυτός ο μηχανισμός διατηρεί το pH στα ούρα και το υγρό που βρίσκεται μέσα στα κύτταρα. Το ρυθμιστικό αποτελείται από ανόργανα φωσφορικά: μονοβασικά (δρα ως οξύ) και διβασικά (δρα ως αλκάλιο). Σε κανονικό pH, η αναλογία οξέος προς βάση είναι 1:4. Με την αύξηση του αριθμού των ιόντων υδρογόνου, το ρυθμιστικό σύστημα φωσφορικών δεσμεύεται σε αυτά, σχηματίζοντας ένα οξύ. Αυτός ο μηχανισμός είναι πιο όξινος από τον αλκαλικό, επομένως εξουδετερώνει τέλεια τους όξινους μεταβολίτες, όπως το γαλακτικό οξύ, που εισέρχονται στην ανθρώπινη κυκλοφορία του αίματος.
Χαρακτηριστικά του ρυθμιστικού διαλύματος πρωτεΐνης
Το ρυθμιστικό πρωτεΐνης δεν παίζει τόσο ιδιαίτερο ρόλο στη σταθεροποίηση της οξεοβασικής ισορροπίας, σε σύγκριση με άλλα συστήματα. Αντιπροσωπεύει περίπου το επτά τοις εκατό της συνολικής χωρητικότητας buffer. Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μόρια που συνδυάζονται για να σχηματίσουν ενώσεις οξέος-βάσης. Σε ένα όξινο περιβάλλον, λειτουργούν ως αλκάλια που δεσμεύουν τα οξέα, σε ένα αλκαλικό περιβάλλον, όλα συμβαίνουν αντίστροφα.
Αυτό οδηγεί στον σχηματισμό ενός ρυθμιστικού συστήματος πρωτεΐνης, το οποίοΕίναι αρκετά αποτελεσματικό σε τιμή pH από 7,2 έως 7,4 Ένα μεγάλο ποσοστό πρωτεϊνών αντιπροσωπεύεται από λευκωματίνες και σφαιρίνες. Δεδομένου ότι το φορτίο πρωτεΐνης είναι μηδενικό, σε κανονικό pH έχει τη μορφή αλκαλίου και αλατιού. Αυτή η ρυθμιστική ικανότητα εξαρτάται από τον αριθμό των πρωτεϊνών, τη δομή τους και τα ελεύθερα πρωτόνια. Αυτό το ρυθμιστικό μπορεί να εξουδετερώσει τόσο όξινα όσο και αλκαλικά προϊόντα. Αλλά η χωρητικότητά του είναι πιο όξινη από την αλκαλική.
Χαρακτηριστικά των ερυθροκυττάρων
Κανονικά, τα ερυθροκύτταρα έχουν σταθερό pH - 7, 25. Τα ρυθμιστικά διαλύματα υδρογονανθράκων και φωσφορικών έχουν επίδραση εδώ. Αλλά ως προς τη δύναμη, διαφέρουν από αυτά στο αίμα. Στα ερυθροκύτταρα, το ρυθμιστικό διάλυμα πρωτεΐνης παίζει ιδιαίτερο ρόλο στην παροχή οξυγόνου στα όργανα και στους ιστούς, καθώς και στην απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα από αυτά. Επιπλέον, διατηρεί σταθερή τιμή pH μέσα στα ερυθροκύτταρα. Το πρωτεϊνικό ρυθμιστικό στα ερυθροκύτταρα σχετίζεται στενά με το διττανθρακικό σύστημα, καθώς η αναλογία οξέος και αλατιού εδώ είναι μικρότερη από ό,τι στο αίμα.
Παράδειγμα συστήματος buffer
Διαλύματα ισχυρών οξέων και αλκαλίων, που έχουν ασθενείς αντιδράσεις, έχουν μεταβλητό pH. Όμως το μείγμα οξικού οξέος με το άλας του διατηρεί μια σταθερή αξία. Ακόμα κι αν προσθέσετε οξύ ή αλκάλιο σε αυτά, η οξεοβασική ισορροπία δεν θα αλλάξει. Ως παράδειγμα, θεωρήστε το ρυθμιστικό διάλυμα οξικών, το οποίο αποτελείται από το οξύ CH3COOH και το άλας του CH3COO. Εάν προσθέσετε ένα ισχυρό οξύ, τότε η βάση του άλατος θα δεσμεύσει τα ιόντα H + και θα μετατραπεί σε οξικό οξύ. Μείωση ανιόντων αλατιούεξισορροπείται από την αύξηση των μορίων του οξέος. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μικρή αλλαγή στην αναλογία του οξέος προς το άλας του, επομένως το pH αλλάζει αρκετά ανεπαίσθητα.
Μηχανισμός δράσης ρυθμιστικών συστημάτων
Όταν όξινα ή αλκαλικά προϊόντα εισέρχονται στην κυκλοφορία του αίματος, το ρυθμιστικό διάλυμα διατηρεί μια σταθερή τιμή pH έως ότου τα εισερχόμενα προϊόντα απεκκριθούν ή χρησιμοποιηθούν σε μεταβολικές διεργασίες. Υπάρχουν τέσσερα ρυθμιστικά διαλύματα στο ανθρώπινο αίμα, καθένα από τα οποία αποτελείται από δύο μέρη: ένα οξύ και το άλας του, καθώς και ένα ισχυρό αλκάλιο.
Η επίδραση ενός ρυθμιστικού διαλύματος οφείλεται στο γεγονός ότι δεσμεύει και εξουδετερώνει τα ιόντα που συνοδεύουν τη σύνθεση που αντιστοιχεί σε αυτό. Δεδομένου ότι στη φύση το σώμα συναντά περισσότερο από όλα υπο-οξειδωμένα μεταβολικά προϊόντα, οι ιδιότητες του ρυθμιστικού διαλύματος είναι περισσότερο αντιόξινες παρά αντιαλκαλικές.
Κάθε buffer σύστημα έχει τη δική του αρχή λειτουργίας. Όταν το επίπεδο του pH πέσει κάτω από το 7,0, αρχίζει η έντονη δραστηριότητά τους. Αρχίζουν να δεσμεύουν την περίσσεια ελεύθερων ιόντων υδρογόνου, σχηματίζοντας σύμπλοκα που μετακινούν το οξυγόνο. Αυτό, με τη σειρά του, μετακινείται στο πεπτικό σύστημα, στους πνεύμονες, στο δέρμα, στα νεφρά και ούτω καθεξής. Αυτή η μεταφορά όξινων και αλκαλικών προϊόντων συμβάλλει στην εκφόρτωση και την απέκκρισή τους.
Στο ανθρώπινο σώμα, μόνο τέσσερα ρυθμιστικά συστήματα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της οξεοβασικής ισορροπίας, αλλά υπάρχουν και άλλα ρυθμιστικά διαλύματα, όπως το ρυθμιστικό σύστημα οξικών, το οποίο έχει ένα ασθενές οξύ (δότης) και το άλας του (αποδέκτης). Η ικανότητα αυτών των μηχανισμώνγια να αντισταθεί στις αλλαγές του pH όταν εισέρχεται οξύ ή αλάτι στο αίμα είναι περιορισμένη. Διατηρούν την οξεοβασική ισορροπία μόνο όταν ένα ισχυρό οξύ ή αλκάλιο παρέχεται σε μια ορισμένη ποσότητα. Εάν ξεπεραστεί, το pH θα αλλάξει δραματικά, το ρυθμιστικό σύστημα θα πάψει να λειτουργεί.
Αποτελεσματικότητα buffer
Τα ρυθμιστικά διαλύματα αίματος και ερυθροκυττάρων έχουν διαφορετική αποτελεσματικότητα. Στο τελευταίο, είναι υψηλότερο, αφού εδώ υπάρχει ρυθμιστικό διάλυμα αιμοσφαιρίνης. Η μείωση του αριθμού των ιόντων συμβαίνει προς την κατεύθυνση από το κύτταρο προς το μεσοκυττάριο περιβάλλον και μετά προς το αίμα. Αυτό υποδηλώνει ότι το αίμα έχει τη μεγαλύτερη ρυθμιστική ικανότητα, ενώ το ενδοκυτταρικό περιβάλλον τη μικρότερη.
Όταν τα κύτταρα μεταβολίζονται, εμφανίζονται οξέα που περνούν στο διάμεσο υγρό. Αυτό συμβαίνει όσο πιο εύκολα, τόσο περισσότερα από αυτά εμφανίζονται στα κύτταρα, καθώς η περίσσεια ιόντων υδρογόνου αυξάνει τη διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης. Γνωρίζουμε ήδη την ταξινόμηση των buffer συστημάτων. Στα ερυθροκύτταρα έχουν πιο αποτελεσματικές ιδιότητες, αφού εδώ ακόμα παίζουν ρόλο οι ίνες κολλαγόνου, οι οποίες αντιδρούν με διόγκωση στη συσσώρευση οξέος, το απορροφούν και απελευθερώνουν ερυθροκύτταρα από ιόντα υδρογόνου. Αυτή η ικανότητα οφείλεται στην ιδιότητα απορρόφησής της.
Αλληλεπίδραση ρυθμιστικών διαλυμάτων στο σώμα
Όλοι οι μηχανισμοί που υπάρχουν στο σώμα είναι αλληλένδετοι. Τα ρυθμιστικά διαλύματα αίματος αποτελούνται από διάφορα συστήματα, η συμβολή των οποίων στη διατήρηση της οξεοβασικής ισορροπίας είναι διαφορετική. Όταν το αίμα εισέρχεται στους πνεύμονες, λαμβάνει οξυγόνο.με τη σύνδεση με την αιμοσφαιρίνη στα ερυθρά αιμοσφαίρια, σχηματίζοντας οξυαιμοσφαιρίνη (οξύ), η οποία διατηρεί το επίπεδο του pH. Με τη βοήθεια της καρβονικής ανυδράσης, γίνεται παράλληλος καθαρισμός του αίματος των πνευμόνων από το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο στα ερυθροκύτταρα παρουσιάζεται με τη μορφή ασθενούς διβασικού ανθρακικού οξέος και καρβαμινοαιμοσφαιρίνης και στο αίμα - διοξείδιο του άνθρακα και νερό.
Με μείωση της ποσότητας του ασθενούς διβασικού ανθρακικού οξέος στα ερυθροκύτταρα, διεισδύει από το αίμα στα ερυθροκύτταρα και το αίμα καθαρίζεται από το διοξείδιο του άνθρακα. Έτσι, ένα ασθενές διβασικό ανθρακικό οξύ περνά συνεχώς από τα κύτταρα στο αίμα και ανενεργά ανιόντα χλωρίου εισέρχονται στα ερυθροκύτταρα από το αίμα για να διατηρήσουν την ουδετερότητα. Ως αποτέλεσμα, τα ερυθρά αιμοσφαίρια είναι πιο όξινα από το πλάσμα. Όλα τα ρυθμιστικά συστήματα δικαιολογούνται από την αναλογία δότη πρωτονίων-δέκτη (4:20), η οποία σχετίζεται με τις ιδιαιτερότητες του μεταβολισμού του ανθρώπινου σώματος, ο οποίος σχηματίζει μεγαλύτερο αριθμό όξινων προϊόντων από τα αλκαλικά. Ο δείκτης χωρητικότητας ρυθμιστικού διαλύματος οξέος είναι πολύ σημαντικός εδώ.
Διαδικασίες ανταλλαγής στους ιστούς
Η οξεοβασική ισορροπία διατηρείται από ρυθμιστικά διαλύματα και μεταβολικούς μετασχηματισμούς στους ιστούς του σώματος. Αυτό υποβοηθάται από βιοχημικές και φυσικοχημικές διεργασίες. Συμβάλλουν στην απώλεια των ιδιοτήτων οξέος-βάσης των μεταβολικών προϊόντων, στη σύνδεσή τους, στο σχηματισμό νέων ενώσεων που αποβάλλονται γρήγορα από τον οργανισμό. Για παράδειγμα, μεγάλη ποσότητα γαλακτικού οξέος εκκρίνεται στο γλυκογόνο, τα οργανικά οξέα εξουδετερώνονται από άλατα νατρίου. Ισχυρόςοξέα και αλκάλια διαλύονται στα λιπίδια και τα οργανικά οξέα οξειδώνονται για να σχηματίσουν ανθρακικό οξύ.
Έτσι, το ρυθμιστικό σύστημα είναι ο πρώτος βοηθός στην ομαλοποίηση της οξεοβασικής ισορροπίας στο ανθρώπινο σώμα. Η σταθερότητα του pH είναι απαραίτητη για τη φυσιολογική λειτουργία των βιολογικών μορίων και δομών, οργάνων και ιστών. Υπό κανονικές συνθήκες, οι διεργασίες ρυθμιστικού διαλύματος διατηρούν μια ισορροπία μεταξύ της εισαγωγής και της απομάκρυνσης ιόντων υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα, κάτι που βοηθά στη διατήρηση ενός σταθερού επιπέδου pH στο αίμα.
Εάν υπάρχει αποτυχία στη λειτουργία των ρυθμιστικών συστημάτων, τότε ένα άτομο αναπτύσσει παθολογίες όπως αλκάλωση ή οξέωση. Όλα τα ρυθμιστικά συστήματα είναι διασυνδεδεμένα και στοχεύουν στη διατήρηση μιας σταθερής οξεοβασικής ισορροπίας. Το ανθρώπινο σώμα παράγει συνεχώς μεγάλο αριθμό όξινων προϊόντων, που ισοδυναμεί με τριάντα λίτρα ισχυρού οξέος.
Η σταθερότητα των αντιδράσεων στο εσωτερικό του σώματος παρέχεται από ισχυρά ρυθμιστικά διαλύματα: φωσφορικά, πρωτεΐνες, αιμοσφαιρίνη και διττανθρακικά. Υπάρχουν και άλλα ρυθμιστικά συστήματα, αλλά αυτά είναι τα κύρια και πιο απαραίτητα για έναν ζωντανό οργανισμό. Χωρίς τη βοήθειά τους, ένα άτομο θα αναπτύξει διάφορες παθολογίες που μπορεί να οδηγήσουν σε κώμα ή θάνατο.
