Респираторная система предназначена в основном для газообмена, но она также играет важную роль в регуляции кислотноосновного статуса организма. Необходимо знать причины, которые изменяют кислотноосновной баланс.
Некоторое количество СО2 взаимодействует с водой, что приводит к образованию углекислоты (H2CO3), которая в свою очередь диссоциирует на ионы бикарбоната (HCO3–) и ионы водорода (H+):
СО2 + H2O «2CO3 «+ + HCO3–, (1)
СО2 + OH– «HCO3–. (2)
Гидратация СО2 в плазме крови является очень медленной химической реакцией, и концентрация растворенного СО2 значительно выше концентрации H2CO3. В эритроцитах эта реакция протекает гораздо быстрее, поскольку в эритроцитах содержится фермент, ускоряющий гидратацию СО2. Таким образом, значительное количество ионов бикарбоната формируется в эритроцитах. Этот энзим присутствует не только в эритроцитах, но и во многих других клетках, таких, как эндотелий легких, клетки почек [1–4]. В физиологических условиях количество H2CO3 в биологических жидкостях мало.
Относительное количество HCO3– и СО2 может быть определено с помощью уравнения HendersonHasselbalch:
pH = pK + log ([HCO3–]:α·PCO2), (3)
где pH представляет собой отрицательный логарифм концентрации ионов водорода; pK — константа диссоциации угольной кислоты, равная 6,10; pK представляет собой pH, при котором концентрации HCO3– и растворенного СО2 равны; α — коэффициент растворимости, равный 0,0301 ммоль/л/ мм рт.ст. при физиологическом уровне pH, зависит от температуры; PCO2 — парциальное напряжение СО2.
Уравнение (3) может быть преобразовано в следующий вид:
H+ = 24 PCO2: HCO3–.
Используя величины PCO2 и HCO3–, выраженные в мм рт.ст. и ммоль/л соответ­ственно, концентрацию H+, определенная в нмоль/л, можно преобразовать в pH. pH, равный 7,4, соответствует концентрации H+= 40 нмоль/л. В физиологических условиях, когда pH=7,4, концентрация HCO3– в плазме крови в 20 раз больше, чем концентрация растворенного CO2.
pH плазмы крови на 0,2 единицы выше, чем pH эритроцитов. Измерение внутриклеточного уровня pH довольно сложно, попытки его определения немногочисленны. Предполагается, что pH плазмы крови отражает pH внутренней среды всего организма. Однако это упрощение не всегда может быть приемлемо: например, у пациентов с повышенной потерей ионов К+ клеточный компонент может иметь сниженный, а плазма — увеличенный pH. Так как pH измеряется в плазме крови, более правильно говорить «ацидемия» или «алкалемия», чем «ацидоз» или «алкалоз».
Концентрация HCO3– рассчитывается из величин PCO2 и pH, определяемых в образце артериальной крови. Ошибочный результат может быть получен при нахождении образца крови на воздухе, при несоблюдении температурного режима либо при несвоевременном проведении анализа. Экспозиция образца крови на воздухе снижает PCO2 и повышает pH; синтез молочной кислоты клетками крови снижает pH и повышает PCO2. Поскольку обычно разница в содержании CO2 в плазме артериальной и венозной крови весьма мала, образцы венозной крови могут быть использованы для получения приемлемой оценки концентрации анионов HCO3– в артериальной крови.
Из уравнения Henderson–Hasselbalch видно, что pH рассчитывается из 2 величин — парциального напряжения CO2 и концентрации HCO3–. Показатель PCO2 можно представить как параметр «вентиляции», поскольку он позволяет оценить адекватность вентиляции по отношению к скорости образования двуокиси углерода. Нормальные значения PCO2 составляют от 35 до 45 мм рт.ст. Кривая диссоциации двуокиси углерода не имеет плато. Таким образом, содержание CO2 в крови сильно зависит от PCO2 и, следовательно, от уровня альвеолярной вентиляции. Если PCO2 выше нормальных значений, то имеет место гиповентиляция. При гипервентиляции PCO2 ниже нормальных значений.
Термины гипо и гипервентиляция не согласуются с терминами гипо и гиперпноэ (по отношению к минутной вентиляции) или тахи и брадипноэ (по отношению к количеству дыхательных движений в минуту). Так, у многих пациентов, страдающих болезнями органов дыхания, отмечается гиповентиляция, хотя может определяться как гиперпноэ, так и тахипноэ при нормальном уровне метаболизма. Это объясняется тем, что пациент вентилирует большой объем мертвого пространства.
Увеличение синтеза двуокиси углерода может быть вызвано увеличением скорости метаболизма (например, при физической активности, лихорадке, перевозбуждении) либо образование СО2 из запасов ионов бикарбоната может быть увеличено при остром метаболическом ацидозе (например, при острых сердечнолегочных патологических состояниях). Итак, гиповентиляция — это несоответствие вентиляции и продукции двуокиси углерода, которая проявляется в увеличении PCO2. Гипервентиляция довольно часто является респираторным механизмом компенсации метаболического ацидоза; снижение PCO2 сопровождается пропорциональным увеличением pH.
В отличие от PCO2 интерпретация значимости изменений концентрации HCO3– весьма сложна. Может ли HCO3– рассматриваться как «нереспираторный» или «метаболический» параметр? «Метаболический» параметр должен быть независим от изменений PCO2. Однако в некоторых растворах концентрация HCO3– может изменяться значительно по мере изменений CO2. В образце крови in vitro концентрация HCO3– заметно увеличивается с увеличения CO2. Образование HCO3– из CO2 увеличивается в присутствии анионов буфера, которые представлены гемоглобином, белками и неорганическим фосфатом. Гемоглобин особенно важен и эффективен как буфер для ионов H+ по нескольким причинам. Во­первых, концентрация гемоглобина высока в эритроцитах; вовторых, изобилие имидазольных групп в молекуле гемоглобина, которые имеют pK, близкую к pH внутри клеток, и может связывать и высвобождать большое количество H+; в­третьих, молекулы кислорода, связанные с гемоглобином, влияют на буферную емкость молекул гемоглобина. При низких значениях PO2, которые наблюдаются в системных капиллярах и венозной крови, сродство молекул гемоглобина к ионам H+ увеличивается и большее количество CO2 превращается в анионы HCO3–. При оксигенации крови в легочных капиллярах ионы H+ высвобождаются из гемоглобина, CO2 образуется из HCO3– и переносится в альвеолярный газ.
Диаграмма Davenport и метод Sigaard–Anderson могут быть использованы для того, чтобы in vitro предсказать изменения кислотноосновного состояния крови при добавлении кислот или оснований или при нахождении в условиях с высоким или низким парциальным напряжением CO2 [5–7].
Истинный ответ HCO3– на острое изменение парциального напряжения CO2 может быть определен эмпирически у здоровых лиц. Было показано, что после экспозиции 10% CO2 в течение 10 мин PCO2 увеличивалось до 78 мм рт.ст., а концентрация HCO3– в плазме артериальной крови повышалась только на 3 мэкв/л [8]. При гипервентиляции отмечается тенденция к снижению HCO3– [9]. Например, когда PCO2 уменьшается с 40 до 20 мм рт.ст., концентрация HCO3– в плазме крови снижается приблизительно на 5 мэкв/л. Поскольку отмечаются небольшие изменения в концентрации HCO3– в ответ на острые изменения PCO2 [10], клиницисты рассматривают анион HCO3– как метаболический параметр.
Умеренное увеличение анионов HCO3– вслед за резким повышением парциального напряжения CO2 может объясняться тем, что организм в целом является менее эффективной системой, чем эритроциты. Концентрация HCO3– в легочных капиллярах увеличивается быстро, когда парциальное напряжение CO2 в альвеолярном газе повышено. Когда дополнительное количество растворенного в крови углекислого газа достигает периферических тканей и диффундирует из сосудов, концентрация анионов HCO3– в плазме крови должна снижаться, а концентрация анионов HCO3– в тканях должна увеличиваться. Поскольку буферная емкость тканей слабее, чем буферная емкость крови, увеличение концентрации анионов HCO3– в тканях менее выражено. Концентрация анионов HCO3– в плазме крови превышает таковую в тканях, и анионы HCO3– диффундируют из капилляров в обмен на ионы хлора. При сохранении высокого содержания CO2 в альвеолярном воздухе парциальное напряжение CO2 в крови, возвращенной к легким, увеличивается. Это приводит к меньшему увеличению концентрации анионов HCO3–, чем может наблюдаться исходно или при исследовании на изолированном образце крови.