Ρύθμιση της οξύτητας στον Ανθρώπινο Οργανισμό. Μέρος πρώτο: Οξεοβασική Ισορροπία στον Ανθρώπινο Οργανισμό. Ρυθμιστικά διαλύματα στον ενδοκυττάριο και εξωκυττάριο χώρο. Αναγέννηση ρυθμιστικών διαλυμάτων

 της Δήμητρας Σπανού, Χημικού Καθηγήτριας στο 1ο Γυμνάσιο Δάφνης

Ο οργανισμός αντιμετωπίζει την υπερβολική οξύτητα ή την υπερβολική αλκαλικότητα   

με τα ρυθμιστικά διαλύματα που υπάρχουν στο σώμα

Μαζύ με  τα ρυθμιστικά διαλύματα κι ένα ποιήμα από  παλιά, 

της συλλογής "το στρογγυλό και το τετράγωνο'  Μίκα Σπανού1984

υπό κατασκευή

Οξεοβασική ισορροπία στον Οργανισμό

 Στον Οργανισμό για να διατηρείται η φυσιολογική λειτουργία των κυττάρων πρέπει να διατηρείται σταθερότητα των παραμέτρων των υγρών (πλάσμα, λέμφος, υγρό των ιστών, εγκεφαλονωτιαίο υγρό κ.λ.π.). Οι φυσιολογικές τιμές του PH στο πλάσμα και στο αίμα και στο υγρό των ιστών κυμαίνεται μεταξύ 7,35 έως 7,45  (μέση τιμή ελαφρά αλκαλική) Η ελάττωση της τιμής του (οξέωση) και η αύξηση (αλκαλίωση) δημιουργούν σοβαρά προβλήματα έως και τον θάνατο.

Η διατήρηση του PH σε συγκεκριμένες τιμές είναι σημαντικό για την σταθερότητα και λειτουργία των ενζύμων .  Διαφορετικά τα ένζυμα μπορεί να σταματήσουν να λειτουργούν ή να μετουσιωθούν. Τα λευκώματα περιέχουν συχνά φορτισμένες ρίζες Η+. Η μεταβολή του Ph μπορεί να μεταβάλει τον βαθμό ιονισμού τους και να επιρρεάσει την τρισδιάστατη δομή τους και τον ρόλο τους στα ενζυμικά συστήματα, που λειτουργούν σε στενά περιθώρια μεταβολής του PH. 

H διεγερσιμότητα των νεύρων εξαρτάται άμεσα από τις τιμές του PH. Επιρρεάζει το Κεντρικό Νευρικό Σύστημα κυρίως λόγω μεταβολής στην συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου. Η οξέωση προκαλεί μείωση της ερεθιστικποτητας. Εάν το PH κατεβεί κάτω από την τιμή  7,2 οργανισμός έρχεται σε κώμα. Η αλκαλίωση προκαλεί αύξηση της ερεθιστικότητας του ΚΝΣ. Εάν υπερβεί το 7,6 το σώμα οδηγείται σε μυϊκή ακαμψία.  

Μεταβολές στο PH επιρρεάζει και τους καρδιακούς μυς (αρρυθμίες , μείωση της συσταλτικότητας)

Εάν η οξέωση στον οργανισμό μπορεί να έχει μεταβολικά αίτια όπως παραγωγή οργανικών ή ανοργάνων οξέων κατά τον μεταβολισμό ή από δηλητηριάσεις με οξέα. Ακόμα από απώλεια ΗCO3- από το γαστρεντερικό,

έχουμε την Μεταβολική οξέωση : pH < 7,35 και HCO 3 - < 24 

Εάν η οξέωση στον οργανισμό μπορεί να έχει την αιτία της στην  αύξηση της συγκέντρωσης του Διοξείδιου του άνθρακα στο αρτηριακό αίμα 

έχουμε την Αναπνευστική οξέωση : pH < 7,35 και PCO2 >400 mmHg

Μεταβολική οξέωση:Πως μπορεί να διαταραχθεί η φυσιολογική Οξύτητα των υγρών του Οργανισμού

1. Από προϊόντα που παράγονται κατά τον  μεταβολισμό στα κύτταρα. 

 Παράγονται ουσίες που μπορεί να μεταβάλλουν τις φυσιολογικές τιμές τόσο στον ενδοκυττάριο όσο και στον εξωκυττάριο χώρο, κυρίως προς το όξινο

 (γαλακτικό οξύ 

,  πυροσταφυλικό οξύ

ακετοξικό οξύ (CH3COCH2COOH) β-υδροξυβουτυρικό  

To ουρικό οξύ  ,το  ιππουρικό οξύ, καθώς και ρίζες θειικές και φωσφορικές .   

Σε ορισμένες περιπτώσεις εξ άλλου εισάγονται στον οργανισμό ουσίες που εκτρέπουν προς το αλκαλικό

2. Eπίσης οξέα μπορούν να εισέλθουν στον οργανισμό μαζύ με την τροφή, το νερό ή τον αέρα (ρύποι, χρωστικές, συντηρητικά, τεχνιτά γλυκαντικά κ.α.)

3.Σε άλλες  περιπτώσεις ο οργανισμός αποβάλλει οξέα ή βάσεις

Διαταραχές στην οξεοβασική ισορροπία προκαλούν επίσης και ο εμετός και η διάρροια και η υπερπνοια

Με τον εμετό ο οργανισμός αποβάλλεται όξινο γαστρικό υγρό που περιέχει υδροχλώριο

Με την Υπέρπνοια αποβάλλεται διοξείδιο του άνθρακα

Με την διάρροια αποβάλλεται αλκαλικό υγρό κυρίως με την μορφή όξινων ανθρακικών αλάτων Νατρίου

Ρυθμιστικοί Μηχανισμοί με τους οποίους ο Οργανισμός διατηρεί την σταθερότητα της οξύτητας των υγρών του. 

 Οι μηχανισμοί που διατηρούν την ομοιόσταση στο PH είναι τρεις

α. Συστήματα κανονιστικών ή ρυθμιστικών διαλυμάτων 

β. της αναπνευστικής λειτουργίας

γ. της νεφρικής λειτουργίας

α. Συστήματα κανονιστικών ή ρυθμιστικών διαλυμάτων 

Τα ρυθμιστικά ή κανονιστικά διαλύματα πετυχαίνουν την μικρές μεταβολές στην οξύτητα, ακόμα κι αν στα διαλύματα επιδράσουν ισχυρά οξέα ή βάσεις

Ένα ρυθμιστικό διάλυμα αποτελείται συνήθως από ένα ασθενές οξύ και ανιόν του ίδιου οξέος (ΗΑ/Α-). 

Εάν στο διάλυμα έρθει κάποιο ισχυρό οξύ θα εξουδετερωθεί από το ανιόν (ή άλας με κοινό με το ασθενές οξύ ανιόν). Η ποσότητα των [Η3Ο+]  (δηλαδή το PH) δεν αυξάνει γιατί τα ανιόντα Α- εμποδίζουν περαιτέρω διάσταση του ΗΑ.

Η είσοδος μιας ισχυρής βάσης στον οργανισμό αντιμετωπίζεται από το ασθενές οξύ με εξουδετέρωση.

Στον οργανισμό τα ρυθμιστικά αυτά συστήματα είναι τέσσερα: 

1. Το ρυθμιστικό σύστημα Διττανθρακικού Νατρίου/ ανθρακικού οξέος/ διοξειδίου του άνθρακα,

2. Το ρυθμιστικό σύστημα των ανοργάνων φωσφορικών, (δισόξινο φωσφωρικό άλας (ασθενές οξύ/όξινο φωσφορικό άλας συζυγής βάση)  (H2PO4-/HPO4-2)

 3.Το ρυθμιστικό σύστημα της αιμοσφαιρίνης και καλιοαιμοσφαιρίνης  (HPb/KPb0

4. Το ρυθμιστικό σύστημα πρωτεινών και νάτριοπρωτεινών

AΝΑΛΥΤΙΚΑ

1. Ρυθμιστικό σύστημα Διττανθρακικού Νατρίου/ ανθρακικού και διοξειδίου του άνθρακα

Σχηματίζονται λόγω του Η2CO3 (H2O + CO3) και ταυτόχρονα της  παρουσίας  όξινων ανθρακικών αλάτων στο πλάσμα συνήθως όξινου άνθρακικού νατρίου (NaHCO3 ).  

 Το ρυθμιστικά που παράγονται είναι: / CO2   (Η₂CO₃/HCO₃^-)  και αποτελούν το σπουδαιότερο ρυθμιστικό σύστημα του εξωκυττάριου χώρου, και επιφορτίζεται του 53% της ρύθμισης της οξύτητας του αίματος

Αρχικά σχηματίζεται  Η2CO3 και HCO3-  κατά την ισορροπία:   Η2CO3 <--->  HCO3-   +Η+     .Η Κα= 7.9 × 10 ^-7,  Η αναλογία συγκέντρωσης

 Η2CO3/ HCO3- είναι 1/20.  Με τα δεδομένα αυτά  από τη χημική ισορροπία Κα=[HCO3- ]  [Η+]/Η2CO3  το PH= 7,40

 Αλλά στην πραγματικότητα το ανθρακικό οξύ βρίσκεται σε τριπλή ισορροπία και με το διοξέιδιο του άνθρακα 

CO₂+H₂O ⇄ H₂CO₃ ⇄ [HCO₃^-][H⁺] 

Η εξουδετέρωση των οξέων Π.Χ. γαλακτικό οξύ (CH3-CH(OH)COONa) γίνεται από το όξινο διτανθρακικό  (NaHCO3 ) ή αλλιώς  την συζυγή βάση HCO₃^-

CH3-CH(OH)COOH  +HCO3-     --->  CH3-CH(OH)COONa   +  H2CO3

 Βέβαια αυξάνεται το Η2CO3 όμως το μεγαλύτερο μέρος του αποβάλλεται σαν CO2 από τους πνεύμονες. 

(Σε αυτό συμβάλλει το άλλο ρυθμιστικό σύστημα , Αιμοσφαιρίνη/καλιοαιμοσφαιρίνη και το αναπνευστικό σύστημα)

Η εξουδετέρωση των βάσεων  π.χ. εάν εισέλθει στο αίμα NaOH  τότε: NaOH  + H2CO3  -->  ΝαΗCO3-    +  Η2Ο Η αύξηση του ΝαΗCO3-  αλλάζει (μειώνει) την σχέση 1/20 του Η₂CO₃/HCO₃^- 

Το ρυθμιστικό αποκαθίσταται στο αναπνευστικό σύστημα και με την βοήθεια της αιμοσφαιρίνης/ καλιοαιμοσφαιρίνης

2. Το ρυθμιστικό σύστημα των ανοργάνων φωσφορικών, 

Ρυθμιστικό διάλυμα στα φωσφορικά   θα σχηματιστεί από H2PO3 ^-  (ασθενές οξύ) και  HPO4 ^-2(συζυγής βάση) με σχέση 1/4. To PH για ρυθμιστικό με KH ₂ PO ₄ είναι 7,2

Σαν  ρυθμιστικό σύστημα του εξωκυττάριου χώρου,  επιφορτίζεται μόνο του 3% της ρύθμισης της οξύτητας του αίματος

Στον ενδοκυττάριο χώρο είναι το πιο σημαντικό σύστημα ρύθμισης της οξύτητας του ενδοκυττάριου χώρου

Μπορούμε να το περιγράψουμε σαν σύστημα όξινων φωσφορικών και δισόξινων φωσφορικών αλάτων (δότης Η+)  και όξινων φωσφορικών αλάτων (δέκτης Η+ )    ΝαΗ₂PΟ4^2-/Να₂ΗPO4-     ή    H2PO3 ^-    <--->  HPO4 ^-2    +    Η+ 

    ή Σε ισορροπία ισχύει η σταθερά χημικής ισορροπίας και από αυτήν μπορούμε να υπολογίσουμε το PH   h Ka= 6.23 × 10 ^-8

 Ka=[H⁺] [HPO4^2-]                Για ισες  συγκεντρώσεις H2PO3 ^-  και  HPO4 ^-2  το PH   είναι ίσο με -logKa =

           [ H₂PO_4-]                                                      7,21                    

Για τα θηλαστικά οι φυσιολογικές τιμές του PH στον ενδοκυττάριο χώρο είναι από 6,9 έως 7,4 και το διάλυμα φωσφορικών είναι αποτελεσματικό για αυτές τις τιμές.

Τα οξέα στο κυτταρόπλασμαεξυδετερώνονται από τα μονόξινα φωσφορικά ιόντα και των αλκάλεων από τα δισόξινα

π.χ.  HCl   +  HPO4-2 -->  H2P04-   +  Cl-

NaOH   + Η2PO4-    --->  HPO4-2   +  Νa+     +   H2O

Η αποκατάσταση της ισορροπίας του ρυθμιστικού και της σχέσης 1/4 δισόξινων/όξινων φωσφορικών γίνεται με την νεφρική λειτουργία

3. Ρυθμιστικό σύστημα πρωτεϊνες /καλιοπρωτείνες

Πολλές πρωτείνες δρουν σαν ρυθμιστές της οξύτητας,  όταν ένα μέρος από τις ελεύθερες καρβοξυλικές ομάδες ενώνονται με κατιόντα (κυρίως νατρίου) με την μορφή -COONa, ενώ άλλες παραμένουν ελεύθερες με την μορφή -COOH. 

Μια από τις πρωτείνες αυτέ είναι η ιστιδίνη.

ιστιδίνη 

Σχετικά ασθενή οξέα εξουδετερώνονται από τις ομάδες -COONa και μετατρέπονται σε ουδέτερα άλατα, ενώ ασθενή αλκάλια από τις ομάδες πρωτεινών -COOH του κυτταροπλάσματος. 

Σχετικά ασθενή οξέα μπορούν να εξουδετερωθούν από τις ομάδες -COONa και μετατρέπονται  σε ουδέτερα άλατα, ενώ ασθενή αλκάλια εξουδετερώνονται από ομάδες -COOH. Εάν κατά  τις διεργασίες αυτές προκαλείται κάποια μεταβολή στην σχέση πρωτείνες/καλιοπρωτείνες αποκαθίσταται στο φυσιολογικό με την μεταβίβαση του φορτίου του οξέος ή του αλκαλίου στα  στα προηγούμενα ρυθμιστικά (διττανθρακικά, οξινα φωσφορικά) και το PH δεν διαταράσσεται. Παίζουν προστατευτικό ρόλο στα κύτταρα

4. Ρυθμιστικό σύστημα αιμοσφαιρίνης/καλιοαιμοσφαιρίνης

Η αιμοσφαιρίνη είναι μια μεταλλοπρωτείνη με σίδηρο,  γιατί περιέχει την αίμη σε τέσσερα σημεία της.  Εκεί  υπάρχει σε ακραία θέση το αμινοξύ ιστιδίνη και ο σίδηρος συνδέεται χαλαρά με τέσσερα μόρια από 

 την ιστιδίνη, στο άζωτο του ιμιδαζολικού δακτυλίου τους . Δεν λειτουργεί άμμεσα αλλά συμπληρώνει και επιρεάζει την λειτουργία του συστήματος Η2CO3/HCO3-. Όταν το ρυθμιστικό αυτό εξουδετερώνει ένα οξύ τελικά αυξάνεται το CO2.  Αυτό εισέρχεται μέσα στα ερυθρά αιμοσφαίρια και ενυδατώνεται σε Η2CO3. Αυτό αντιδρά με την Κάλιοαιμοσφαιρίνη (KHb)  , δεσμεύεται το Η+ και σχηματίζεται ΚΗCO3, που διίσταταί σε Κ+  και ΗCO3-. Η ρίζα ΗCO3- βγαίνει από τα ερυθρά αιμοσφαίρια προς το πλάσμα. Έτσι αναπληρώνονται τα ΗCO3- που εξουδετέρωσαν το οξύ στο σύστημα Η2CO3/HCO3-

 Την  θέση του HCO3- μέσα στο κυτταρόπλασμα παίρνει CO3το ιόν χλώριου που εισέρχεται μέσω της μεμβράνης μέσα στο ερυθροκύτταρο

β. Το σύστημα της αναπνευστικής λειτουργίας

Συνίσταται στην ρύθμιση της κατακράτησης ή της αποβολής του διοξειδίου του Άνθρακα μέσω της αναπνευστικής λειτουργίας

Όπως αναφέραμε στο ρυθμιστικό του εξωκυττάριου χώρου Η2CO3/HCO3- όταν γίνεται εξουδετέρωση κάποιου οξέος που επιβαρύνει τον οργανισμό, από την δράση του ρυθμιστικόυ παράγεται επιπλέον Η2CO3 που μετατρέπεται σε CO2. Αυτό εξέρχεται στο κυτταρόπλασμα, και αφού ενυδατώνετα αντιδρά με τηνκαλιοαιμοσφαιρίνη και τελικά αποδίδει τον εξωκυττάριο χώρο ΗCO3- που αποκαθιστά την ισορροπία του ρυθμιστικού 1/20. Ενώ μέσα στο πλάσμα αυξάνονται τα ιόντα Καλίου. Επειδή το δυναμικό της μεμβράνης μεταβάλλεται εισέρχονται μέσα στο ερυθροκύτταρο ιόντα χλωρίου από το πλάσμα.

Ταυτόχρονα από την αρχή της αύξησης του ανθρακικού οξέος και αντίστοιχα του διοξείδιου του άνθρακα (συνέπεια της εξουδετέρωσης κάποιου επικίνδυνου οξέος από το ρυθμιστικό) η αύξηση της μερικής πίεσης του CO2 στο αίμα μέσω των ανιχευτών των τοιχωμάτων των αγγείων και μέσω νευρικών κέντρων του ΚΝΣ, προκαλεί αύξηση της δραστηριότητας του αναπνευστικού κέντρου με συνέπεια την γρηγορότερη αποβολή της περίσσειας του διοξειδίου του άνθρακα μέσω της εντονότερης αναπνευστικής λειτουργίας. Η μερική τάση του διοξειδίου του άνθρακα στο αίμα πρέπει να κατέβει στα 40 mmHg που είναι το φυσιολογικό. Όμως η αύξηση του CO2 στο αίμα και η ελάττωση του PH απλά υπερδραστηριοποιεί το αναπνευστικό κέντρο, όχι μόνο έως ότου αποκατασταθεί η σχέση 1/20 του ρυθμιστικού των ανθρακικών,  αλλά και όχι την ρύθμιση των απόλυτων τιμών των συγκεντρώσεών τους .

Αυτή η ρύθμιση γίνεται με την επέμβαση της νεφρικής λειτουργίας.

Κατά την εξουδετέρωση  αλκαλίων στον εξωκυττάριο χώρο γίνεται εξουδετέρωση από το Η2CO3 και μείωση της σχέσης 1/20. Εδώ έχομε μια μικρή αύξηση της τιμής του PH . Η κατάσταση αντιμετωπίζεται με υποαερισμό των πνευμόνων με περιορισμό της ενεργοποίησης της αναπνευστικής λειτουργίας, και κατακράτηση του CO2 έως ότου αποκατασταθεί η σχέση 1/20.

γ. Το σύστημα  της νεφρικής λειτουργίας στην διατήρηση της οξεοβασικής ισορροπίας

      Έχει σαν βασικό εργαλείο την παραγωγή Η+  στα νεφρά, και την αντικατάσταση κατιόντων σε άλατα και αλκάλια είτε για την αποκατάσταση ρυθμιστικών διαλυμάτων ή για την δημιουργία ελεύθερων οξέων από άλατά τους που αποβάλλονται με τα ούρα

 Εκτός από το CO2 που αποβάλλεται από τους πνεύμονες η περίσσεια των άλλων οξέων ή αλκαλίων αποβάλλεται από τα νεφρά.

Στα νεφρά παράγεται ενζυμικά Η2CO3 από διοξείδιο του άνθρακα και νερό και στην συνέχεια Η+ και ΗCO3- 

Το Η+ κυρίως χρησιμοποιείται για την υποκατάσταση κατιόντων σε άλατα  και πολυβασικά οξέα ρυθμιστικών. Έτσι όλες οι τιμες των κανονικών συστημάτων του οργανισμού να διατηρούνται σε φυσιολογικά επίπεδα.

• σε ένα τμήμα τους που ονομάζεται αυλός των σωληναρίων κατασκευάζεται ΝαΗCO3 που φέρεται στο αίμα. Το CO2 που παράγεται, διαχέεται στο αίμα και αποβάλλεται από τους πνεύμονες.

Όπως είδαμε στο ρυθμιστικό των ανθρακικών, παράγεται επιπλέον όξινο ανθρακικό αλας από την εξουδετέρωση αλκάλεων. Οι φυσιολογικές τιμές αποκαθίστανται στα νεφρά όταν μέρος των κατιόντων (νατρίου) αντικαθίστανται από τα Η+ των νεφρών που υποκαθιστούν το Νάτριο στο όξινο ανθρακικό Νάτριο (που χρησιμοποιήθηκε για εξουδετέρωση αλκάλεων από το ρυθμιστικό των ανθρακικών). Αυτό στην συνέχεια διαχέεται στο αίμα

• Σε άλλο τμήμα του νεφρού (εσπειραμένο και αθροιστικό σωληνάριο) γίνεται παραγωγή Η2CO3 και απέκκριση Η+. Τα Η+ αντικαθιστούν κατιόντα νατρίου σε όξινο φωσφορικό νάτριο και στην συνέχεια μετατρέπουν ένα μέρος των όξινων φωσφορικού νατρίου σε δισόξινο φωσφορικό νάτριο. Τα Να που παράγεται αποδίδεται στο αίμα σαν ΝαΗCO3-
• Υποκαθιστούν κατιόντα αλάτων ασθενών οξέων  και ελευθερώνονται τα οξέα. Έτσι τα οξέα που πλεονάζουν, μπορούν και αποβάλλονται από τα τελικά ούρα. Να σημειώσουμε ότι το PH των ούρων είναι χαμηλώτερο του 6
• Ένα μέρος των Η+ μετατρέπουν την αμμωνία σε ΝΗ4+. Αυτά υποκαθιστά επίσης κατιόντα οξέων ώστε αυτά να αποβάλλονται ελεύθερα με τα ούρα

Τα αποβαλλόμενα οξέα είναι υπό την μορφή ουδετέρων αλάτων

Ακατεργαστο

Η αναπλήρωση των οξέων γίνεται στους πνεύμονες ενώ των βάσεων στα νεφρά.

Ρυθμιστικά διαλύματα σχηματίζονται επίσης από τις πρωτείνες του πλάσματος . Ορισμένες σχηματίζουν άλατα . Τα άλατα αυτά έχουν κοινό ανιόν με τις πρωτείνες (που υπολογίζονται και ως ασθενή οξέα) και έτσι σχηματίζονται ανάλογα ρυθμιστικά διαλύματα

Στην αιμοσφαιρίνη 

Οι ηλεκτρολύτες επιρρεάζουν  την ωσμωτική ισορροπία, την οξεοβασική ισορροπία, την ιοντική ισορροπία, την ισορροπία και η ανταλλαγή του νερού ανάμεσα στα διάφορα διαμερίσματα, τα ενζυμικά συστήματα , την αναπνευστική λειτουργία

Οι ανόργανοι ηλεκτρολύτες στον οργανισμό είναι τα κατιόντα Νατρίου, Καλίου, Ασβεστίου και Μαγνησίου και τα ανιόντα χλωρίου, όξινα ανθρακικά, όξινα και δισόξινα φωσφορικά ιόντα, και θειικό ιόν.

Οργανικοί ηλεκτρολύτες είναι ανιόντα οργανικών οξέων και πρωτεινών

Κ α =	[Η +] [ΗΡΟ 4 2-]
	[H 2 PO 4 -