Фізіологічні гомеостатичні механізми.

Ця група механізмів, що включає регуляторні функції легенів, нирок, шлунково-кишкового тракту, печінки й кісткової тканини, забезпечує нейтралізацію, зв'язування й виведення з організму Н⁺ і ОН^- іонів у складі різних з'єднань, залежно від особливостей метаболізму й стану буферних систем внутрішнього середовища.

Легені й кислотно-лужний стан. Процеси газообміну між кров'ю й навколишнім повітрям, що відбуваються в легенях, найтіснішим образом пов'язані з регуляцією кислотно-лужного стану, оскільки зовнішнє дихання — це основний шлях видалення із крові летючої вугільної кислоти. При фізіологічних умовах у спокої в організмі виробляється 10 ммоль/хв вугільної кислоти, а виділяється через легені 13 — 15 000 ммолей СО₂ за добу. Завдяки бікарбонатному буферу, кислоти, що утворяться при метаболізмі не викликають закислення крові, а приводять до збільшення вмісту СО₂ у крові з наступним видаленням через легені.

Видалений із плазми вуглекислий газ негайно заповнюється за рахунок двох механізмів, що відбуваються в крові легеневих капілярів. По-перше, утворення оксигемоглобіну веде до розпаду карбамінового зв'язку гемоглобіну й звільненню СО₂ з еритроцитів; по-друге, під впливом карбангідрази, ферменту, каталізіруючого в легенях реакцію:

Н₂СО₃—»Н₂О + СО₂.

Кількість виведеного з організму вуглекислого газу залежить від глибини й частоти дихання, тобто від альвеолярної вентиляції. Величина ж альвеолярної вентиляції регулюється дихальним центром, діяльність якого залежить або навіть прямо визначається рН крові й парціальною напругою СО₂. Таким чином, посилення дихання й альвеолярної вентиляції відбувається при збільшенні напруги в крові СО₂ і зменшенні рН. Наростаюче при цьому видалення вуглекислоти приводить її вміст у крові у відповідність із концентрацією бікарбонату. Отже, легені виступають у ролі фізіологічної гомеостатичної системи, яка не тільки виводить надлишок летючої кислоти, але й відновлює ємність буферних систем, насамперед бікарбонатної і гемоглобінової.

При швидкому надходженні у внутрішнє середовище основ відбувається зменшення вентиляції й кількість виділюваного СО₂ істотно падає. Концентрація вуглекислоти зростає, рівняння Гендерсона-Гассельбаха відновлюється й рН підтримується на вихідному рівні.

Нирки й кислотно-лужний стан. Нирки здійснюють виведення із внутрішнього середовища організму нелетючих органічних і неорганічних кислот. Надлишок кислот при цьому може виводитися як у вільному стані, так й у вигляді нейтральних солей. Сильні неорганічні кислоти виділяються із внутрішнього середовища тільки через нирок і тільки у зв'язаній формі.

У фізіологічних умовах нирки виділяють кислу сечу, рН якої коливається від 5 до 7. Однак, залежно від кислотно-лужного стану внутрішнього середовища, сеча може бути більше кислою (рН=4) або навіть лужною (рН=8).

Участь нирок у регуляції кислотно-лужного стану внутрішнього середовища забезпечується сукупністю взаємозалежних процесів, що відбуваються в структурах нефрона. До їхнього числа відносяться: 1) секреція водневих іонів у сечу клітинами канальцієвого епітелію, 2) утворення в клітках епітелію канальців іонів бікарбонату, більш або менш всмоктуваного в кров, 3) утворення й дифузія в сечу аміаку, що утворює іон амонію, приєднуючи Н-іон, 4) реабсорбція (зворотне всмоктування) основ, що профільтрувалися в сечу, насамперед бікарбонату, що поповнюють резерв у крові, 5) фільтрація в первинну сечу із плазми крові з'єднань, що володіють кислими або лужними властивостями, 6) обмін іонів Сl^-, Na⁺, K⁺, фосфатів, сульфатів і двовалентних катіонів (Са⁺ Mg⁺).

Найважливішу роль у здатності нирок до виділення кислої сечі грає секреція водневих іонів клітинами епітелію проксимальних і дистальних канальців. Ця здатність обумовлена наявністю в клітках ферменту карбангідрази, що забезпечує утворення із СО₂ і Н₂О вугільну кислоту, з наступною дисоціацією: Н₂О + СО₂ —»Н₂СО₃ —»Н⁺ + НСО₃

Іон водню активно декретується з витратою енергії через апікальну мембрану клітки епітелію в просвіт канальцю, а з канальцієвої сечі в клітину дифундує іон натрію, забезпечуючи рівновагу електричних розрядів. Із клітини, уже через базальну мембрану Na⁺ активно за допомогою Na-К-насоса віддаляється в інтерстицій і кров, туди ж пасивно по градієнтові концентрації надходить НСО₃, утворюючи бікарбонат натрію. Отже, секреція Н-іонів забезпечує зворотне всмоктування бікарбонату й натрію. Причому основна частина секретуємих іонів водню витрачається саме на забезпечення реабсорбції бікарбонату. Так, секретуємий Н⁺-іон у просвіті проксимального канальцю взаємодіє з іоном бікарбонату, що профільтрувався в сечу із плазми, (у добу близько 5000 ммоль), утворюючи вугільну кислоту. Під впливом ферменту карбангідрази, убудованого в мембрану щіткової облямівки клітин епітелію канальця, вугільна кислота розкладається на СО₂ і воду:

карбангідраза
Н⁺+НСО, —> Н₂СО_{3--------------------------------------------} > СО₂+Н₂О

Молекули вуглекислого газу легко дифундують у клітини, де
реакція каталізується у зворотному напрямку. Таким чином, на
добову реабсорбцію до 5000 ммоль бікарбонату витрачається ек­
вівалентна кількість секретованих іонів водню. Виділя­
ється ж із сечею тільки 60 ммоль/добу іонів водню, переважно у зв'язаному виді.

Найбільша частина секретованих канальцями Н-іонів (65-75%) беруть участь у процесі амоніогенезу, що забезпечує виведення аніонів сильних неорганічних й органічних кислот, у вигляді амонійних солей. Клітини проксимальних і дистальних ниркових канальців, завдяки процесам дезамініровання й дезамідіровання амінокислот, утворюють аміак. Основним джерелом є глутамін, що дезамінірується під впливом ферменту глутамінази, 40% аміаку утворюється з амінокислот аланіну й гліцину. Аміак, завдяки високій розчинності в ліпідах, легко дифундує в просвіт канальця, де приєднує секретовані Н-іони й утворює іон амонію: NH₃ + Н⁺—> NH₄⁺. Іони амонію витісняють натрій із з'єднань із аніонами сильних кислот, натрій реабсорбується, а аніони кислот у вигляді амонійних солей виділяються із сечею.

Кислі й лужні компоненти буферних систем, що втримуються в крові, наприклад, одно- і двохосновні фосфати, бікарбонат, а також слабкі органічні кислоти - молочна, лимонна, (β -ок-сімасляна й ін., також як й аніони сильних неорганічних кислот (Cl^-_, SO₄), фільтруються із плазми крові в первинну сечу. Частина з них реабсорбується в проксимальних канальцях, особливо істотно бікарбонат (до 80-90%), сечова кислота (більше 90%). Але поряд зі зворотним всмоктуванням, багато із зазначених речовин, особливо органічні кислоти й основи (холін), активно секретуються клітинами канальцієвого епітелію. Таким чином, рівень цих речовин у сечі визначається співвідношенням трьох основних процесів: клубочкової фільтрації, реабсорбції й секреції в канальцях.

Секретовані в сечу водневі іони беруть участь в утворенні титрованих кислот сечі. Основну роль при цьому грають фосфати. Оскільки в плазмі крові в 4 рази більше двоосновних фосфатів, тому й у первинну сечу їх фільтрується відповідно більше. Під впливом секретованого епітелієм канальців Н-іона відбувається переведення двоосновного фосфату в одноосновний, шляхом іонного обміну протона на натрій:

Na₂HPO₄+H⁺—»NaHPO₄+Na⁺

Звільняємий іон, Nа⁺ реабсорбується. У такий спосіб цей процес сприяє збереженню натрію й видаленню надлишку Н⁺-іонів.

Багато органічних кислот, які втримуються в плазмі крові у вигляді солей і фільтруючись у клубочках надходять у первинну сечу. Під впливом секретуємих Н-іонів відбувається утворення вільних слабких, тобто погано дисоціюючих кислот, що також становлять титровану кислотність сечі. Титрованою кислотністю сечі називають суму Н-іонів слабких кислот і солей, обумовлену шляхом титрування сечі лугом до величини рН, рівної рН крові. Ця величина показує, наскільки більше водневих іонів утримується в сечі в порівнянні із плазмою крові.

У клітинах епітелію дистальних відділів нефрону крім описаної вище секреції водневих іонів відбувається секреція іонів К⁺, при цьому іони Н⁺ і К⁺ конкурують в обміні на Na⁺ У зв'язку із цим виведення калію й протона може змінюватися протилежно один одному. Так, при надлишку водневих іонів секреція калію знижується, а при нестачі — зростає. Навпроти, надлишок К⁺ знижує секрецію водневих іонів, а нестача К⁺ підвищує її. Нестача калію стимулює й синтез аміаку в епітеліальних клітках канальців для виведення надлишку Н-іонів у вигляді амонійних солей. Однак, секреція протонів і калію пов'язана із транспортом натрію й міняється пропорційно зрушенням реабсорбції натрію. При зниженні дистальної реабсорбції натрію відповідно знижується секреція Н⁺ і К⁺ іонів, навпроти, посилення всмоктування натрію в дистальних канальцях приводить до підвищення секреції калію й водневих іонів.

При надходженні в кров надлишку кислот або основ компенсація зрушення кислотно-лужного стану насамперед здійснюється буферними системами крові, дихальна компенсація формується через 16-18 годин, а ниркова компенсація розвивається ще повільніше - через 2- 3 доби. При цьому ниркові механізми володіють значної інерційністю й навіть після вида- лення з організму надлишку кислот або основ повернення до вихідного кислотно-лужного стану триває також біля 2- 3 діб.

Шлунково-кишковий тракт, печінка, кісткова тканина й кислотно-лужний стан. Характер харчування людини й особливості травлення значною мірою позначаються на кислотно-лужному стані його внутрішнього середовища. У харчових продуктах рослинного походження втримується велика кількість солей органічних кислот (щавлевої, яблучної, лимонної, бурштинової й ін.), після окислювання яких приведення кислотних валентностей з вуглекислотою через легені залишаються й накопичуються пов'язані з катіонами лужні валентності. Тому рослинна їжа сприяє залужнюванню внутрішнього середовища, відповідно, основи в більшій кількості виводяться із сечею, що збільшує рН сечі й вона може здобувати лужну реакцію. Білкова їжа тваринного походження сприяє закисленню внутрішнього середовища, тому що в складі тваринних білків утримуються сірка й фосфор, що приводить до утворення сильних неорганічних кислот. Підвищене виведення їх із сечею приводить до зниження рН сечі й вона здобуває різко кислу реакцію. Всмоктування в шлунково-кишковому тракті кислот або лугів, що втримуються в різних напоях, у тому числі алкогольних і мінеральних водах, також приводить до зміни кислотно-лужного стану внутрішнього середовища.

Порівнюючи невелику роль у регуляції кислотно-лужного стану грають функції шлунка й кишечнику. Парієтальні клітини слизової шлунка секретують соляну кислоту. Водневі іони утворюються в клітинах під впливом карбангідрази, як це описувалося вище для клітин канальцевого епітелію нирок, аніон хлору надходить у клітини із хлористого натрію крові шляхом обміну на бікарбонат. Однак при цьому залужнювання крові не відбувається, тому що Сl^- шлункового соку в кишечнику всмоктується назад у кров. Значна кількість бікарбонатів надходить у кишечник у складі соку підшлункової залози й кишкового соку. При цьому іони Н⁺ всмоктуються в кров. Зворотне всмоктування перетерплюють і бікарбонатні іони, тому зрушень кислотно-лужного стану крові не відбувається. При кислій дієті збільшується виділення двовалентних катіонів Са⁺⁺ й Mg⁺, a при лужний — і одновалентних катіонів. Хоча значення шлунково-кишкового тракту у фізіологічній регуляції кислотно-лужного стану дуже незначне, проте при змінах, а тим більше порушеннях функцій шлунка й кишечнику неминуче відбуваються зрушення й кислотно-лужного стану. Стійке й різке підвищення кислотності шлункового соку може вести до збільшення лужного резерву крові. Часта блювота, особливо при непрохідності кишечнику, викликаючи втрату Н⁺-іонів і хлоридів викликає різкі зрушення в крові, що вимагають обов'язкової лікарської корекції.

У печінці відбувається утилізація молочної кислоти з утворенням глікогену, тут руйнуються кетонові тіла (ацетооцтова й бетаоксімасляна кислоти), відбуваються різноманітні метаболічні перетворення органічних кислот і основ. Утворюючи жовч із різним ступенем лужної реакції печінка сприяє видаленню із внутрішнього середовища різних кількостей основ.

У нейтралізації кислот істотну роль грає кісткова тканина, оскільки в ній зв'язана величезна кількість катіонів і фосфату.