Буферные системы представляют собой совокупность химических веществ, способных сохранять стабильность концентрации ионов водорода (pH) в биологических жидкостях при добавлении кислот или оснований. Их основная роль — поддержание гомеостаза, так как большинство ферментативных реакций и структурных компонентов клеток функционирует оптимально при строго определённом pH.
Поддержание pH крови и тканей критически важно, поскольку изменение даже на 0,1–0,2 единицы может существенно нарушать биохимические процессы, включая ферментативную активность, транспорт ионных соединений, стабильность белковых структур.
Состав: бикарбонат натрия (NaHCO₃) и угольная кислота (H₂CO₃).
Реакция: [ ]
Механизм действия: при избыточной кислотности HCO₃⁻ связывает протон, образуя H₂CO₃, которая частично диссоциирует в CO₂ и воду, выводимые через лёгкие. При щелочной нагрузке H₂CO₃ отдаёт H⁺, стабилизируя pH.
Особенности: самая мощная система в плазме крови, обеспечивающая быструю коррекцию pH при метаболических и дыхательных нарушениях. Коэффициент буферного действия зависит от соотношения HCO₃⁻/H₂CO₃.
Состав: H₂PO₄⁻ / HPO₄²⁻
Реакция: [ ]
Механизм действия: действует преимущественно в клеточной жидкости и моче, где концентрации фосфатных ионов выше, чем в плазме. Фосфатная система особенно важна для поддержания pH в внутриклеточной среде, регулируя кислотно-щелочные колебания при метаболизме белков и нуклеиновых кислот.
Состав: аминные (–NH₂) и карбоксильные (–COOH) группы белков, особенно гемоглобина.
Механизм действия: аминные группы способны связывать H⁺, а карбоксильные отдавать H⁺, что обеспечивает локальную нейтрализацию кислотности. Важнейшее значение белковые буферы имеют в эритроцитах, где они участвуют в транспортировке CO₂ и кислорода.
Гемоглобин функционирует как буфер, связывая ионы водорода через остатки гистидина. Этот механизм особенно активен в капиллярах и лёгких, где происходит обмен CO₂ и O₂, позволяя поддерживать оптимальный pH крови и тканевой жидкости.
Организм использует комплексное взаимодействие буферных систем, при котором каждая система компенсирует ограничения другой. Бикарбонатная система обеспечивает быстрый и мощный ответ в плазме, фосфатная — в клетках и моче, белковые буферы — на уровне тканей и внутриклеточных процессов.
Буферные системы тесно связаны с дыхательной и почечной регуляцией pH:
Дисфункция буферов приводит к ацидозу (снижение pH) или алкалозу (повышение pH), нарушая ферментативные реакции, транспорт ионных соединений и структуру макромолекул.
Буферные системы лежат в основе клинических методов контроля кислотно-щелочного состояния, включая анализ артериальной крови (pH, pCO₂, HCO₃⁻), оценку метаболических нарушений и эффективность терапии при кислотно-щелочных расстройствах. Их исследование также важно при разработке фармакологических средств и искусственных сред для жизнедеятельности клеток.