Krew – istotny czynnik dla równowagi kwasowo-zasadowej organizmu


Krew stanowi dla wszelkiego rodzaju substancji drogę pośrednią pomiędzy źródłem a celem. Również dla substancji szkodliwych dla działania organizmu pośredniczy w ich drodze pomiędzy tkanką łączną a narządami wydalniczymi.

Wśród istotnych dla życia człowieka transportowanych przez krew substancji należą tlen O2 i dwutlenek węgla CO2. Za transport tlenu odpowiada w głównej mierze hemoglobina (97 %), czerwone białko zawarte w erytrocytach, czyli czerwonych krwinkach, oraz w niewielkim stopniu osocze (3 %), płynny składnik krwi. W przypadku dwutlenku węgla proporcje te wyglądają nieco inaczej – hemoglobina przenosi 23 % CO2, osocze 7 %, pozostała część, czyli 70 %, przenoszona jest w przez osocze w postaci kwasu węglowego H2CO3 i jonów wodorowęglanowych HCO3-. Jony powstają w wyniku działania dehydrogenazy węglanowej zawartej w czerwonych krwinkach.

CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3-

Dehydrogenaza katalizuje pierwszy etap reakcji. Słaby kwas węglowy w środowisku wodnym dysocjuje na jon wodorowy H+ oraz jon wodorowęglanowy HCO3-.

W normalnym stanie jony wodorowe są buforowane przez substancje zawarte w krwi.

Skala pH określa aktywność jonów hydroniowych H3O+ w roztworach wodnych. Jony te powstają w wyniku solwatowania jonów wodorowych H+ cząsteczkami wody H2O.
Skala mieści się w zakresie 1 – 14, gdzie 1 oznacza charakter kwaśny, 7 – charakter obojętny, 14 – charakter zasadowy.

Zaburzenie równowagi kwasowo-zasadowej organizmu, przesycenie krwi dwutlenkiem węgla, a dokładniej kwasem węglowym lub jonami wodorowęglanowymi, oraz innymi kwasami nieorganicznymi transportowanymi z tkanki łącznej do narządów wydzielniczych, zmniejsza możliwość przenoszenia tlenu przez nieznaczne obniżenie pH krwi. Deformacja czerwonych krwinek nie pozwala im transportować cząsteczek tlenu. Stan ten określany jest jako kwasica oddechowa, objawiająca się znacznie przyśpieszonym oddechem, którego zadaniem jest usunięcie nadmiaru dwutlenku węgla.

System przyśpieszonego oddechu może być również wykorzystany świadomie w celu wydłużenia bezdechu. Przykładem są nurkowie, pływacy, czy azjatyccy poławiacze pereł, którzy dzięki serii głębokich wdechów i wydechów mogą nieco dłużej przebywać pod wodą. Nie można jednak w ten sposób oddychać przez dłuższy czas, ponieważ spadek stężenia dwutlenku węgla we krwi powoduje zmniejszenie ciśnienia krwi. Podobnie działa niedobór tlenu.

Droga dwutlenku węgla prowadzi do płuc, jednak w wyniku zakwaszenia krwi ilość wydalanego CO2 jest niewystarczająca. Kolejna część może opuścić ciało przez gruczoły potowe.

Mechanizmy buforowe krwi

Bufor
pojedyncza substancja lub mieszanina substancji, przeciwdziałająca zmianom pH w środowisku po dodaniu kwasu lub zasady. Regulacja następuje dzięki możliwości przyjmowania lub oddawania jonu wodorowego H+ przez bufor. W składzie buforu znajduje się słaby kwas oraz sól tego kwasu, bądź słaba zasada i sól tej zasady.

Głównym układem krwi, posiadającym właściwości buforowe, jest słaby kwas węglowy H2CO3 oraz jego jon wodorowęglanowy HCO3-. Jego zadaniem jest utrzymanie pH krwi w wąskim zakresie oscylującym wokół wartości 7,4 (waha się w granicach 7,3 – 7,7).

Obniżenie pH do odczynu bardziej kwaśnego, wynikające np. z niedostatecznego usuwania dwutlenku węgla CO2 przez płuca (choroba układu oddechowego), może wywołać utratę przytomności lub śmierć.

Podwyższenie pH krwi, czyli nadmierna zasadowość, skutkuje nadpobudliwością układu nerwowego, w skrajnych wypadkach prowadzącą do konwulsji, które także mogą skutkować śmiercią.

Układ buforowy kwasu węglowego

działa na zasadzie dysocjacji oraz rozpadu tego kwasu wg reakcji:

CO2 + H2O ⇄ H2CO3 ⇄ H+ + HCO3-

Wszelkie reakcje należą do reakcji odwracalnych.

Wraz z nadmiarem jonów wodorowych H+ reakcje następują wg schematu podanego powyżej od strony prawej do lewej. Jony wodorowe H+ łączą się z jonami wodorowęglanowymi HCO3- tworząc kwas węglowy H2CO3, który następnie rozpada się do cząsteczek wody H2O i dwutlenku węgla CO2.

H+ + HCO3- ⇄ H2CO3 ⇄ CO2 + H2O

Przy zbyt dużym stężeniu jonów wodorowych utrudnione staje się usuwanie dwutlenku węgla poprzez krew do płuc, deformacji ulegają erytrocyty, które nie mogą we właściwy sposób transportować tlenu.

Wraz z nadmiarem jonów wodorotlenowych OH- następuje reakcja jonu z cząsteczką kwasu węglowego H2CO3, czego wynikiem jest wolny jon wodorowęglanowy HCO3- oraz cząsteczka wody H2O powstała z jonu wodorotlenowego OH- i oddzielonego od kwasu jonu wodorowego H+.

OH- + H2CO3 → HCO3- + H2O