Механизам за регулирање на pH вредноста на телото
Човечкото тело функционира оптимално само во релативно стабилен опсег на внатрешни услови. Еден од најважните параметри што мора внимателно да се следи е pH вредноста, која го мери степенот на киселост или базност (алкалност) на растворот. Кај луѓето, нормалната pH вредност на крвта е околу 7,35–7,45. Овој број изгледа едноставен, но дури и мало отстапување може да ја наруши ензимската активност, клеточниот метаболизам, нервната функција и контракцијата на срцевиот мускул. Затоа, телото има повеќеслоен, брз и меѓусебно поддржувачки механизам за регулирање на pH вредноста.
Разбирање на pH вредноста и важноста на киселинско-базната рамнотежа
pH вредноста се определува според концентрацијата на водородни јони (H⁺) во телесните течности. Колку е повисок H⁺, толку е покисел; колку е помал H⁺, толку е побазен. Различни хемиски реакции во телото произведуваат киселини и бази како нуспроизводи. На пример, метаболизмот на јаглехидратите и мастите произведува јаглерод диоксид (CO₂), кој може да формира јаглеродна киселина, додека метаболизмот на протеините произведува неиспарливи киселини како што се сулфурна киселина и фосфорна киселина.
Зошто е важно да се одржува pH вредноста на крвта? Ензимите - протеини кои ги забрзуваат биохемиските реакции - имаат оптимална pH вредност. Промените во pH вредноста можат да ја променат структурата на протеините, да влијаат на хемиските врски и да ја променат функцијата на рецепторите и јонските канали. Како резултат на тоа, различни телесни системи можат да доживеат дисфункција. Ацидозата (премногу ниска pH вредност) може да предизвика намалена срцева контрактилност, аритмии и намален васкуларен одговор на катехоламини. Алкалозата (премногу висока pH вредност) може да предизвика симптоми како што се пецкање, грчеви, па дури и неправилни отчукувања на срцето поради промени во врзувањето на калциумот за протеините.
Извори на киселини и бази во телото
Телото произведува „киселини“ првенствено од два главни извори. Прво, испарливите киселини, во форма на CO₂, се произведуваат со клеточно дишење. CO₂ лесно се излачува преку белите дробови, па оттука и терминот испарлив. Второ, неиспарливите киселини (фиксирани киселини) се добиваат од метаболизмот на протеините и фосфолипидите, како што се сулфурните и фосфорните киселини. Неиспарливите киселини не можат да се излачат преку белите дробови и се потпираат на бубрезите за екскреција.
Од друга страна, телото произведува и бази, од кои едната е бикарбонатот (HCO₃⁻), кој игра клучна улога како главен пуфер во плазмата. Оваа рамнотежа помеѓу киселините и базите се одржува преку системот за регулација на pH вредноста.
Три столба на регулација на pH: пуфери, бели дробови и бубрези
Механизмите за регулирање на pH вредноста на телото може да се разберат како три главни линии на одбрана:
1. Хемиски пуферски систем (најбрз, работи за секунди)
2. Респираторен систем (брз, од минути до часови)
3. Бубрежен систем (најсилен, но бавен, од часови до денови)
Овие три состојки работат заедно за да ја одржат pH вредноста на крвта стабилна и покрај промените во производството на киселинско-базна киселина.
1) Хемиски пуферски систем: прва линија на одбрана
Пуферот е слаб киселинско-базен пар кој се спротивставува на промените на pH вредноста со „фаќање“ или „ослободување“ на H⁺ јони. Пуферите не ја отстрануваат киселината од телото, туку привремено ја стабилизираат pH вредноста за да им дадат време на другите системи да се прилагодат.
Бикарбонатен пуфер (HCO₃⁻/H₂CO₃)
Најважниот пуфер во крвта е бикарбонатниот систем, кој ги вклучува реакциите:
CO₂ + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO₃-
Кога H⁺ се зголемува (зголемена киселост), HCO₃⁻ ќе се врзе со H⁺ за да формира H₂CO₃, кој потоа може да се претвори во CO₂ и да се излачи преку белите дробови. Обратно, кога H⁺ се намалува (премногу базичен), H₂CO₃ може да се разгради за да произведе H⁺ за повторно да ја намали pH вредноста.
Предноста на овој систем е што неговите компоненти можат да бидат регулирани од два органи: белите дробови го регулираат CO₂, а бубрезите го регулираат HCO₃⁻.
Пуферен хемоглобин и плазма протеини
Хемоглобинот во црвените крвни зрнца е моќен тампон бидејќи може да се врзе за H⁺. Кога CO₂ ќе влезе во еритроцитите, дел од него се претвора од ензимот јаглеродна анхидраза во H⁺ и HCO₃⁻. H⁺ потоа се врзува за хемоглобинот, со што киселоста на крвта не се зголемува значително. Плазма протеините исто така имаат кисело-базни групи кои можат да ги амортизираат промените на pH вредноста, иако нивниот придонес е помал од оној на хемоглобинот.
Фосфатен пуфер
Фосфатниот систем (H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻) е доминантен во клетките и во бубрежната тубуларна течност. Овој пуфер е особено важен за излачувањето на киселина од страна на бубрезите, бидејќи фосфатот може да го „задржи“ H⁺ во урината.
2) Регулација од белите дробови: го регулира CO₂
Белите дробови ја контролираат pH вредноста со регулирање на тоа колку CO₂ се исфрла преку вентилација. Бидејќи CO₂ е директно поврзан со формирањето на H⁺ во реакцијата на бикарбонат, промените во вентилацијата ќе влијаат на pH вредноста на крвта.
– Ако крвта стане кисела (ацидоза): телото ја зголемува вентилацијата (хипервентилација) за да исфрли повеќе CO₂. Намалувањето на CO₂ ќе ја помести реакцијата налево, намалувајќи ја H⁺ и зголемувајќи ја pH вредноста.
– Ако крвта стане премногу алкална (алкалоза): вентилацијата може да се забави (хиповентилација) така што CO₂ се задржува, реакцијата се поместува надесно, H⁺ се зголемува, pH вредноста паѓа близу до нормала.
Оваа контрола е регулирана од респираторниот центар во мозочното стебло, кој прима сигнали од хеморецепторите. Централните хеморецептори се чувствителни на промени во CO₂ (преку промени во pH вредноста на цереброспиналната течност), додека периферните хеморецептори (во каротидните и аортните тела) се чувствителни на pH вредноста во крвта и нивоата на кислород.
Сепак, респираторниот систем има ограничувања. Прекумерната хиповентилација може да доведе до осиромашување на кислородот (хипоксија). Затоа, респираторната компензација за алкалоза не може да продолжи бесконечно.
3) Регулација од страна на бубрезите: регулира екскреција на бикарбонат и киселина
Бубрезите се долгорочни регулатори на киселинско-базната рамнотежа. Општо земено, бубрезите ја одржуваат pH вредноста на три главни начини:
1. Реапсорпција на филтриран бикарбонат (HCO₃⁻)
2. Екскреција на H⁺ јони
3. Формирање на нов бикарбонат (нов HCO₃⁻) како замена за оној што се користи за неутрализирање на киселината.
Реапсорпција на бикарбонат
Поголемиот дел од HCO₃⁻ во плазмата се филтрира во гломерулот. Бубрезите мора да го „повратат“ HCO₃⁻ за да спречат негово губење во урината. Во проксималните тубули, тубуларните клетки лачат H⁺ во луменот на тубулите. Овој H⁺ се комбинира со HCO₃⁻ за да формира H₂CO₃, кој потоа се разградува на CO₂ и H₂O. CO₂ дифундира назад во тубуларните клетки и се претвора назад во HCO₃⁻, кој потоа се враќа во крвта. Овој механизам ефикасно ги одржува резервите на бикарбонат.
Екскреција на киселина како титрирана киселина и амониум
Бубрезите го излачуваат H⁺ главно во две форми:
– Титрациона киселина (особено фосфорна): H⁺ се врзува за HPO₄²⁻ за да формира H₂PO₄⁻ и се излачува во урината.
– Амониум (NH₄⁺): Бубрезите го разградуваат глутаминот за да произведат NH₃ (амонијак), кој потоа се врзува за H⁺ за да формира NH₄⁺. Овој процес е клучен кога телото доживува хронична ацидоза бидејќи може значително да го зголеми капацитетот за отстранување на киселините.
Секој H⁺ што се отстранува како NH₄⁺ или H₂PO₄⁻ е во суштина поврзан со формирање на нов HCO₃⁻ кој се враќа во крвта, со што помага во зголемување на pH вредноста.
Концептот на компензација: кога еден систем е нарушен
Киселинско-базните нарушувања генерално се поделени на:
– Респираторни нарушувања: примарни промени во CO₂ (на пр. хиповентилација → респираторна ацидоза; хипервентилација → респираторна алкалоза).
– Метаболни нарушувања: примарни промени во HCO₃⁻ или киселинско оптоварување (на пр. тешка дијареја губи бикарбонат → метаболна ацидоза; продолжено повраќање губи желудечна киселина → метаболна алкалоза).
Телото ќе компензира преку други системи: метаболичките нарушувања се компензираат од белите дробови (промена на вентилацијата), додека респираторните нарушувања се компензираат од бубрезите (промена на реапсорпцијата на HCO₃⁻ и екскрецијата на H⁺). Компензацијата помага да се приближи pH вредноста до нормала, но обично не ја враќа целосно сè додека не се реши основната причина.
Затворање
Регулацијата на pH вредноста на телото е одличен пример за прецизноста на човечкиот систем за хомеостаза. Хемиските пуфери работат за неколку секунди за да ги амортизираат промените на pH вредноста, белите дробови брзо го прилагодуваат CO₂ преку промени во вентилацијата, а бубрезите робусно го регулираат излачувањето на киселина и резервите на бикарбонат за да одржат долгорочна стабилност. Овие три системи се надополнуваат едни со други, одржувајќи ја pH вредноста на крвта во тесен опсег што им овозможува на клетките оптимално да функционираат. Разбирањето на овие механизми е клучно не само за биологијата и медицината, туку и за препознавање како дури и малите нарушувања во дишењето, функцијата на бубрезите или метаболизмот можат да имаат далекусежни влијанија врз здравјето на целото тело.
