Структура рибонуклеиновых кислот. Типы РНК: ядерная, рибосомная, транспортная, матричная. Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот. Методы изучения структуры нуклеиновых кислот. Генная инженерия.

Рибонуклеи́новая кислота́ (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов и играют важную роль в кодировании, прочтении, регуляции и выражении генов.

Так же, как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Первичная структура РНК – порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов в полинуклеотидной цепи. В РНК, как и в ДНК, нуклеотиды связаны между собой 3',5'-фосфодиэфирными связями. Концы полинуклеотидных цепей РНК неодинаковы. На одном конце находится фосфорилированная ОН-группа 5'-углеродного атома, на другом конце – ОН-группа 3'-углеродного атома рибозы, поэтому концы называют 5'- и 3'-концами цепи РНК. Вторичная структура РНК Молекула рибонуклеиновой кислоты построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли – «шпильки», за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. Участки цепи РНК в таких спиральных структурах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны, в них встречаются неспаренные нуклеотидные остатки или даже одноцепочечные петли, не вписывающиеся в двойную спираль. Наличие спирализованных участков характерно для всех типов РНК. Третичная структура РНК Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путём взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками, достаточно удалёнными друг от друга, или связей между ОН-группами остатков рибозы и основаниями. Третичная структура РНК стабилизирована ионами двухвалентных металлов, например ионами Mg²⁺, связывающимися не только с фосфатными группами, но и с основаниями.

Матричная РНК. Перенос информации от ДНК на белоксинтезирующую систему клетки осущ-ет м-РНК, выполняющая роль матрицы, у м-РНК на 5΄-конце содержится определенная последовательность рибонуклеотидов – шапочки (кэп), на другом 3΄-конце в м-РНК содержится полиадениловая последовательность (поли-А). Кэп необходим для специфического узнавания в процессе трансляции, а поли-А является фактором стабилизации всей молекулы м-РНК. Транспортная РНК. Первичная структура т-РНК укладывается в схему «клеверного листа». В т-РНК есть уч-ки, взаимодействующие с рибосомой, места для связывания с аминокислотами и ферментами, а также специфическая последовательность трех нуклеотидов (триплет), называемая антикодоном. Рибосомальная РНК. Рибосома эукариот включает 2 субъединицы, при этом большая субчастица (60S) содержит 3 разного размера РНК и около 49 белков; малая субчастица (40S) содержит 1 молекулу р-РНК и около 33 белков. Гетероядерные РНК. Гены эукариот являктся мозаичной структурой, содержащий на ряду с кодирующими (экзоны) также некодирующие (интроны). Последовательность. Фермент РНК-полимеразы катализирует транскрипцию как экзонов, так и интронов, с образованием гетерогенной ядерной РНК, называемой также первичным транскриптом.

Секвенирование нуклеиновых кислот.Определение нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот принято называть секвенированием. Известны различные технологии секвенирования ДНК. Однако, в настоящее время нет ни одного метода секвенирования, который бы работал для молекулы ДНК целиком. Все они устроены так: сначала готовится большое число небольших участков ДНК (клонируется молекула ДНК многократно и «разрезается» её в случайных местах), а потом читается каждый участок по отдельности.

Рестрикционный анализ.Метод основан на способности ферментов рестрикции (рестриктазы) специфически расщеплять ДНК в определённых сайтах.Рестриктазы стали эффективным инструментом исследования нуклеиновых кислот. Они позволяют превращать молекулы ДНК в набор фрагментов длиной от нескольких сотен до нескольких тысяч оснований.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — экспериментальный метод молекулярной биологии, способ значительного увеличения малых концентраций определённых фрагментов ДНК (клонирование) в биологическом материале.Метод ПЦР относится к гибридизационным методам анализа ДНК, основанным на достраивании комплементарной полинуклеотидной цепи на одинарной полинуклеотидной цепи - матрице. Принцип метода ПЦР был разработан в начале 80-ых годов прошлого столетия в США. В настоящее время метод широко используется в научных исследованиях, в практическом здравоохранении и службе Госсанэпиднадзора.

Основные стадии ПЦР1) денатурация ДНК (расплетение двойной спирали, расхождение нитей ДНК) при 94—96 °C.2)отжиг при 68 °C, образование коротких двухцепочечных участков ДНК (затравок, необходимых для инициации синтеза ДНК) или связывание нитей ДНК праймерами;3) элонгация при 72 °C или синтез новой цепи ДНК (комплементарное достраивание обеих нитей);4) окончание первого цикла. Две получившиеся ДНК-цепи служат матрицей для следующего цикла, поэтому количество матричной ДНК в ходе каждого цикла удваивается.

Генетическая инжене́рия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма(клеток), осуществления манипуляций с генами, введения их в другие организмы и выращивания искусственных организмов после удаления выбранных генов из ДНК^[1]. Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, генетика, микробиология, вирусология.

Все методы генетической инженерии (англ. Genetic engineering techniques) применяются для осуществления одного из следующих этапов решения генно-инженерной задачи:Получение изолированного гена.Введение гена в вектор для переноса в организм.Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.Преобразование клеток организма.Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Кровь, плазма, лимфа. Транспорт кислорода эритроцитами. Оксигемоглобин. Карбгемоглобин. Карбоксиангидраза. Буферные системы крови. Белки плазмы крови и функциональная биохимия форменных элементов крови.

Кровь и лимфа – внутренняя среда организма. Кровь и лимфа непосредственно окружает все клетки, ткани и обеспечивает жизнедеятельность. Вся сумма обмена веществ происходит между клетками и кровью. Кровь – разновидность соединительной ткани, которая включает в себя плазму крови(55%) и клетки крови или форменные элементы(45%). Форменные элементы представлены – эритроцитами, лейкоцитами и тромбоцитами. Особенностью является то, что сами элементы образуются вне – в кроветворных органах, а зачем поступают в кровь и живут некоторое время. Разрушение клеток крови происходит тоже вне этой ткани. Ученым Лангом было введено понятие системы крови, в которую он включил саму кровь, кроветворные и кроворазрушающие органы и аппарат их регуляции. Особенности – межклеточное вещество в этой ткани является жидким. Основная масса крови находится в постоянном движении, за счет чего осуществляются гуморальные связи в организме. Половина крови находится в циркуляции, основная часть размещается в депо и представляет собой депонированную кровь(селезенка, печень, подкожные сосудистые системы, сосудистые системы легких). Для организма очень важным является сохранение крови. Если кровь подвергнуть центрифугированию, то кровь разделяется на плазму и форменные элементы. Функции крови – Транспортная функция – перенос кислорода и углекислого газа для осуществления питания. Кровь переносит антитела, кофакторы, витамины, гормоны, питательные вещества, волу, соли, кислоты, основания. Защитная (иммунный ответ организма) Остановка кровотечения(гемостаз) Поддержания гомеостаза(pH, осмоляльность, температура, целостность сосудистого русла) Регуляторная функция(транспорт гормонов и др. веществ, изменяющих деятельность органа).

Плазма представляет собою желтоватого цвета слегка опалесцирующую жидкость, и является весьма сложной биологической средой, в состав которой входят белки, различные соли, углеводы, липиды, промежуточные продукты обмена веществ, гормоны, витамины и растворенные газы. В нее входят как органические, так и неорганические вещества (до 9%) и вода (91-92%). Плазма крови находится в тесной связи с тканевыми жидкостями организма. Из тканей в кровь поступает большое количество продуктов обмена, но, благодаря сложной деятельности различных физиологических систем организма, в составе плазмы в норме не происходит существенных изменений.

Эритроциты составляют основную массу клеток крови. В 1 мм³ (мкл [1]) крови обычно содержится 4-5 млн. красных клеток. Образуются эритроциты в красном костном мозге, функционируют в кровяном русле и разрушаются, главным образом, в селезенке и в печени. Жизненный цикл этих клеток составляет 110-120 дней. Эритроциты представляют собой двояковогнутые клетки, лишенные ядер, рибосом и митохондрий. В связи с этим в них не происходят такие процессы как синтез белка и тканевое дыхание. Основным источником энергии для эритроцитов является анаэробный распад глюкозы (гликолиз). Основным компонентом красных клеток является белок гемоглобин. На его долю приходится 30 % от массы эритроцита или 90 % от сухого остатка этих клеток. По своему строению гемоглобин является хромопротеидом. Его молекула обладает четвертичной структурой и состоит из четырех субъединиц. Каждая субъединица содержит один полипептид и один гем. Субъединицы отличаются друг от друга только строением полипептидов. Гем представляет собою сложную циклическую структуру из четырех пиррольных колец, содержащую в центре атом двухвалентного железа (Fe²⁺): Основная функция эритроцитов –дыхательная. С участием эритроцитов осуществляется перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. В капиллярах легких парциальное давление кислорода около 100 мм рт. ст. (парциальное давление это часть общего давления смеси газов, приходящаяся на отдельный газ из этой смеси. Например, при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. на долю кислорода приходится 152 мм рт. ст., т.е. 1/5 часть, так как в воздухе обычно содержится 20 % кислорода). При таком давлении практически весь гемоглобин связывается с кислородом: Hb + O₂ ¾® HbO₂ (Гемоглобин Оксигемоглобин). Присоединяется кислород непосредственно к атому железа, входящему в состав гема, причем взаимодействовать с кислородом может только двухвалентное (восстановленное) железо. Поэтому различные окислители (например, нитраты, нитриты и т.п.), превращая железо из двухвалентного в трехвалентное (окисленное), нарушают дыхательную функцию крови. Образовавшийся комплекс гемоглобина с кислородом - оксигемоглобин с током крови переносится в различные органы. Вследствие потребления кислорода тканями парциальное давление его здесь намного меньше, чем в легких. При низком парциальном давлении происходит диссоциация оксигемоглобина: HbO₂ ¾® Hb + O₂ Степень распада оксигемоглобина зависит от величины парциального давления кислорода: чем меньше парциальное давление, тем больше отщепляется от оксигемоглобина кислорода. Например, в мышцах в состоянии покоя парциальное давление кислорода примерно 45 мм рт. ст. При таком давлении диссоциации подвергается только около 25 % оксигемоглобина. При работе умеренной мощности парциальное давление кислорода в мышцах примерно 35 мм рт. ст. и распаду подвергается уже около 50 % оксигемоглобина. При выполнении интенсивных нагрузок парциальное давление кислорода в мышцах снижается до 15-20 мм рт. ст., что вызывает более глубокую диссоциацию оксигемоглобина (на 75 % и более). Такой характер зависимости диссоциации оксигемоглобина от парциального давления кислорода позволяет значительно увеличить снабжение мышц кислородом при выполнении физической работы. Усиление диссоциации оксигемоглобина также наблюдается при повышении температуры тела и увеличении кислотности крови (например, при поступлении в кровь больших количеств молочной кислоты при интенсивной мышечной работе), что тоже способствует лучшему снабжению тканей кислородом. Транспорт кровью углекислого газа осуществляется из тканей всех органов, где происходит его образование в процессе катаболизма, в легкие, из которых он выделяется во внешнюю среду. Бóльшая часть углекислого газа переносится кровью в форме солей - бикарбонатов калия и натрия. Превращение CO₂ в бикарбонаты происходит в эритроцитах с участием гемоглобина. В эритроцитах накапливаются бикарбонаты калия (KHCO₃), а в плазме крови - бикарбонаты натрия (NaHCO₃). С током крови образовавшиеся бикарбонаты поступают в легкие и превращаются там снова в углекислый газ, который удаляется из легких с выдыхаемым воздухом. Это превращение происходит также в эритроцитах, но уже с участием оксигемоглобина, возникающего в капиллярах легких за счет присоединения кислорода к гемоглобину. Биологический смысл такого механизма переноса кровью углекислого газа заключается в том, что бикарбонаты калия и натрия обладают высокой растворимостью в воде, и поэтому в эритроцитах и в плазме они могут находиться в значительно бóльших количествах по сравнению с углекислым газом. Небольшая часть CO₂ может переноситься кровью в физически растворенном виде, а также в комплексе с гемоглобином, называемым карбгемоглобином. В состоянии покоя в сутки образуется и выделяется из организма 350-450 л CO₂. Выполнение физических нагрузок приводит к увеличению образования и выделения углекислого газа.

Белые клетки (лейкоциты). В отличие от красных клеток лейкоциты являются полноценными клетками с большим ядром и митохондриями, и поэтому в них протекают такие важнейшие биохимические процессы как синтез белков и тканевое дыхание. В состоянии покоя у здорового человека в 1 мм³ крови содержится 6-8 тыс. лейкоцитов. При заболеваниях количество белых клеток в крови может как уменьшаться (лейкопения), так и увеличиваться (лейкоцитоз). Лейкоцитоз может наблюдаться и у здоровых людей, например, после приема пищи или при выполнении мышечной работы (миогенный лейкоцитоз). При миогенном лейкоцитозе количество лейкоцитов в крови может повыситься до 15-20 тыс./мм³ и более. Различают три вида лейкоцитов: лимфоциты (25-26 %), моноциты (6-7 %) и гранулоциты (67-70 %). Лимфоциты образуются в лимфатических узлах и селезенке, а моноциты и гранулоциты - в красном костном мозге. Лейкоциты выполняют защитную функцию, участвуя в обеспечении иммунитета. В самом общем виде иммунитет - это защита организма от всего «чужого». Под «чужим» подразумеваются различные чужеродные высокомолекулярные вещества, обладающие специфичностью и уникальностью своего строения и отличающиеся вследствие этого от собственных молекул организма. В настоящее время выделяют две формы иммунитета: специфический и неспецифический. Под специфическим обычно подразумевается собственно иммунитет, а неспецифический иммунитет – это различные факторы неспецифической защиты организма. Система специфического иммунитета включает тимус (вилочковая железа), селезенку, лимфатические узлы, лимфоидные скопления (в носоглотке, миндалинах, аппендиксе и т. п.) и лимфоциты. Основу этой системы составляют лимфоциты. Любое чужеродное вещество, на которое способна реагировать иммунная система организма, обозначается термином антиген. Антигенными свойствами обладают все «чужие» белки, нуклеиновые кислоты, многие полисахариды и сложные липиды. Антигенами могут быть также бактериальные токсины и целые клетки микроорганизмов, точнее макромолекулы, входящие в их состав. Кроме этого, антигенную активность могут проявлять и низкомолекулярные соединения, такие как стероиды, некоторые лекарства при условии их предварительного связывания с белком-носителем, например, альбумином плазмы крови. (На этом основано обнаружение иммунохимичекским методом некоторых допинговых препаратов при проведении допинг-контроля). Поступивший в кровяное русло антиген распознается особыми лейкоцитами - Т-лимфоцитами, которые затем стимулируют превращение другого вида лейкоцитов - В-лимфоцитов в плазматические клетки, которые далее в селезенке, лимфоузлах и костном мозге синтезируют особые белки - антитела или иммуноглобулины. Чем крупнее молекула антигена, тем больше образуется различных антител в ответ на его поступление в организм. У каждого антитела имеются два связывающих участка для взаимодействия со строго определенным антигеном. Таким образом, каждый антиген вызывает синтез строго специфических антител. Образовавшиеся антитела поступают в плазму крови и связываются там с молекулой антигена. Взаимодействие антител с антигеном осуществляется путем образования между ними нековалентных связей. Это взаимодействие аналогично образованию фермент-субстратного комплекса при ферментативном катализе, причем связывающий участок антитела соответствует активному центру фермента. Поскольку большинство антигенов являются высокомолекулярными соединениями, то к антигену одновременно присоединяется много антител. Образовавшийся комплекс антиген-антитело далее подвергается фагоцитозу. Если антигеном является чужеродная клетка, то комплекс антиген-антитело подвергается воздействию ферментов плазмы крови под общим названием система комплемента. Эта сложная ферментативная система в конечном итоге вызывает лизис чужеродной клетки, т.е. её разрушение. Образовавшиеся продукты лизиса далее также подвергаются фагоцитозу. Поскольку в ответ на поступления антигена антитела образуются в избыточных количествах, их значительная часть остается на длительное время в плазме крови, во фракции g-глобулинов. У здорового человека в крови содержится огромное количество различных антител, образовавшихся вследствие контактов с очень многими чужеродными веществами и микроорганизмами. Наличие в крови готовых антител позволяет организму быстро обезвреживать вновь поступающие в кровь антигены. На этом явлении основано проведение профилактических прививок. Другие формы лейкоцитов - моноциты и гранулоциты участвуют в фагоцитозе. Фагоцитоз можно рассматривать как неспецифическую защитную реакцию, направленную, в первую очередь, на уничтожение поступающих в организм микроорганизмов. В процессе фагоцитоза моноциты и гранулоциты поглощают бактерии, а также крупные чужеродные молекулы и разрушают их своими лизосомальными ферментами. Фагоцитоз также сопровождается образованием активных форм кислорода, так называемых свободных радикалов кислорода, которые, окисляя липоиды бактериальных мембран, способствуют уничтожению микроорганизмов. Как отмечалось выше, фагоцитозу также подвергаются комплексы антиген-антитело. К факторам неспецифической защиты относятся кожные и слизистые барьеры, бактерицидность желудочного сока, воспаление, ферменты (лизоцим, протеиназы, пероксидазы), противовирусный белок - интерферон и др. Регулярные занятия спортом и оздоровительной физкультурой стимулируют иммунную систему и факторы неспецифической защиты и тем самым повышают устойчивость организма к действию неблагоприятных факторов внешней среды, способствуют снижению общей и инфекционной заболеваемости, увеличивают продолжительность жизни. Однако исключительно высокие физические и эмоциональные перегрузки, свойственные спорту высших достижений, оказывают на иммунитет неблагоприятное влияние. Нередко у спортсменов высокой квалификации наблюдается повышенная заболеваемость, особенно в период ответственных соревнований (именно в это время физическое и эмоциональное напряжение достигает своего предела!). Очень опасны чрезмерные нагрузки для растущего организма. Многочисленные данные свидетельствуют, что иммунная система детей и подростков более чувствительна к таким нагрузкам. В связи с этим важнейшей медико-биологической задачей современного спорта является коррекция иммунологических нарушений у спортсменов высокой квалификации путем применения различных иммуностимулирующих средств.

Кровяные пластинки (тромбоциты). Тромбоциты - это безъядерные клетки, образующиеся из цитоплазмы мегакариоцитов - клеток костного мозга. Количество тромбоцитов в крови обычно 200-400 тыс./мм³. Основная биологическая функция этих форменных элементов - участие в процессе свертывания крови. Свертывание крови - сложнейший ферментативный процесс, ведущий к образованию кровяного сгустка - тромба с целью предупреждения кровопотери при повреждении кровеносных сосудов. В свертывании крови участвуют компоненты тромбоцитов, компоненты плазмы крови, а также вещества, поступающие в кровяное русло из окружающих тканей. Все вещества, участвующие в этом процессе, получили название факторы свертывания. По строению все факторы свертывания кроме двух (ионы Са²⁺ и фосфолипиды) являются белками и синтезируются в печени, причем в синтезе ряда факторов участвует витамин К. Белковые факторы свертывания поступают в кровяное русло и циркулируют в нем в неактивном виде - в форме проферментов (предшественников ферментов), которые при повреждении кровеносного сосуда способны стать активными ферментами и участвовать в процессе свертывания крови. Благодаря постоянному наличию проферментов, кровь находится все время в состоянии «готовности» к свертыванию. В самом упрощенном виде процесс свертывания крови можно условно разделить на три крупных этапа. На первом этапе, начинающемся при нарушении целостности кровеносного сосуда, тромбоциты очень быстро (в течение секунд) накапливаются в месте повреждения и, слипаясь образуют своего рода «пробку», которая ограничивает кровотечение. Часть тромбоцитов при этом разрушается, и из них в плазму крови выходят фосфолипиды (один из факторов свертывания). Одновременно в плазме за счет контакта с поврежденной поверхностью стенки сосуда или с каким либо инородным телом (например, игла, стекло, лезвие ножа и т.п.) происходит активация еще одного фактора свертывания - фактора контакта. Далее с участием этих факторов, а также некоторых других участников свертывания формируется активный ферментный комплекс, называемый протромбиназой или тромбокиназой. Такой механизм активации протромбиназы называется внутренним, так как все участники этого процесса содержатся в крови. Активная протромбиназа также образуется и по внешнему механизму. В этом случае требуется участие фактора свертывания, отсутствующего в самой крови. Этот фактор имеется в тканях, окружающих кровеносные сосуды, и попадает в кровяное русло лишь при повреждении сосудистой стенки. Наличие двух независимых механизмов активирования протромбиназы повышает надежность системы свертывания крови. На втором этапе под влиянием активной протромбиназы происходит превращение белка плазмы протромбина (это тоже фактор свертывания) в активный фермент - тромбин. Третий этап начинается с воздействия образовавшегося тромбина на белок плазмы - фибриноген. От фибриногена отщепляется часть молекулы и фибриноген превращается в более простой белок - фибрин-мономер, молекулы которого спонтанно, очень быстро, без участия каких либо ферментов подвергаются полимеризации с образованием длинных цепей, называемых фибрином-полимером. Образовавшиеся нити фибрина-полимера являются основой кровяного сгустка - тромба. Вначале формируется студнеобразный сгусток, включающий в себя кроме нитей фибрина-полимера еще плазму и клетки крови. Далее из тромбоцитов, входящих в этот сгусток, выделяются особые сократительные белки (типа мышечных), вызывающие сжатие (ретракцию) кровяного сгустка. В результате перечисленных этапов образуется прочный тромб, состоящий из нитей фибрина-полимера и клеток крови. Этот тромб располагается в поврежденном месте сосудистой стенки и препятствует кровотечению. Все этапы свертывания крови протекают с участием ионов кальция. В целом процесс свертывания крови занимает 4-5 минут. В течение нескольких дней после образования кровяного сгустка, после восстановления целостности сосудистой стенки происходит рассасывание теперь уже не нужного тромба. Этот процесс называется фибринолизом и осуществляется путем расщепления фибрина, входящего в состав кровяного сгустка, под действием фермента плазмина (фибринолизина). Данный фермент образуется в плазме крови из своего предшественника - профермента плазминогена под влиянием активаторов, которые находятся в плазме или же поступают в кровяное русло из окружающих тканей. Активации плазмина также способствует возникновение при свертывании крови фибрина-полимера. В последнее время выяснено, что в крови еще имеется противосвертывающая система, которая ограничивает процесс свертывания только поврежденным участком кровяного русла и не допускает тотального свертывания всей крови. В образовании противосвертывающей системы участвуют вещества плазмы, тромбоцитов и окружающих тканей, имеющие общее название антикоагулянты. По механизму действия большинство антикоагулянтов являются специфическими ингибиторами, действующими на факторы свертывания. Наиболее активными антикоагулянтами являются антитромбины, препятствующие превращению фибриногена в фибрин. Наиболее изученным ингибитором тромбина является гепарин, который предупреждает свертывание крови как in vivo, так и in vitro. К противосвертывающей системе можно также отнести систему фибринолиза.

Буферные системы крови. Постоянство концентрации водородных ионов является одним из свойств крови, которое необходимо для нормального существования организма. В ходе метаболизма постоянно происходит образование кислых и щелочных эквивалентов, регулирующие же механизмы приводят к тому, что для различных тканей характерны свои значения pH, например, для клеток простаты – 4,5, для остеобластов – 8,5. В крови колебания концентрации водородных ионов очень невелики, в пределах 7,36‑7,48; пределы отклонения pH от нормы, совместимые с жизнью, от 7,0 при ацидозе и до 7,8 при алкалозе. Регуляция кислотно‑щелочного равновесия осуществляется буферными системами крови и физиологическими механизмами. К последним относятся: легочная вентиляция (удаление Н₂СО₃), выделительная функция почек (удаление кислых фосфатов и солей аммония), кожи, пищевари­тельного тракта и печени. Минеральные компоненты скелета регулируют кислотно‑щелочное равновесие путем обмена Н⁺крови на ионы Сa²⁺ и Na⁺ костной ткани. Буферные системы крови ликвидируют сдвиг pH в течение 30 сек, легким необходимо 1‑3 мин, а почкам — 10‑20 часов. Белки плазмы играют роль буфера благодаря своим амфотерным свойствам. В кислой среде подавляется диссоциация СООН‑групп, а группы NH₂ связывают избыток Н⁺, при этом белок заряжается положительно. В щелочной среде усиливается диссоциация карбоксильных групп, образующиеся Н⁺ связывают избыток ОН^–‑ионов и pH сохраняется, белки выступают как кислоты и заряжаются отрицательно. Наибольшей мощностью обладает гемоглобиновый буфер, состоящий из свободного гемоглобина (Hb), восстановленного гемоглобина (H‑Hb), калиевой соли гемоглобина (K‑Hb), карбгемоглобина (Н‑НbСО₂) и оксигемоглобина (К‑НbО₂). На него приходится до 3/4 всей буферной емкости крови. Изменения кислотности гемоглобина в тканях и в легких при связывании соответственно H⁺ или О₂ обусловлены конформационными перестройками глобиновой части молекулы. В основе буферных свойств гемоглобина лежит следующая особенность: восстановленный гемоглобин является более слабой, а оксигемоглобин более сильной кислотой по сравнению с угольной. Иными словами, когда в среде накапливается угольная кислота, то ее протон присоединяется к свободному гемоглобину и образуется восстановленный. При удалении Н₂СО₃ (капилляры легких) протон в среду поступает от оксигемоглобина.

Процессы, происходящие в тканях: - Выделяемый при клеточном дыхании CO₂ в обратимой реакции под действием карбангидразы эритроцитов превращается в угольную кислоту, диссоциирует на H⁺ и HCO₃^– и смещает pH крови в тканевых капиллярах в кислую сторону: H₂O + CO₂ ↔ H₂CO₃ ↔ HCO₃ + H⁺ - Увеличение концентрации протонов водорода способствует отщеплению О₂ от оксигемоглобина (К‑НbО₂) и образуется калиевая соль гемоглобина. - Паралельно кислые соединения взаимодействуют с калиевой солью гемоглобина (K‑Hb). При этом образуется соответствующая калийная соль кислоты и свободный гемоглобин. Свободный гемоглобин, обладая щелочными свойствами, связывает протоны водорода и образуется восстановленный гемоглобин, который впоследствии превращается в карбгемоглобин (H‑HbCO₂). - Таким образом, при диссоциации оксигемоглобина происходит увеличение количества оснований, они присоединяют ионы Н⁺, и это препятствует закислению крови.

Процессы, происходящие в легочных капиллярах: - Переход углекислого газа из крови в альвеолярный воздух ведет к снижению напряжения СО₂ в плазме. Происходит отщепление СО₂ от карбгемоглобина с образованием Н‑Нb, присоединение кислорода, создание Н‑НbО₂ и его диссоциация на Н⁺ и НbО₂. Далее ион Н⁺ используется для синтеза угольной кислоты и ликвидирует защелачивание крови, а НbО₂ присоединяет ион К⁺. - Параллельно снижение напряжения СО₂ в плазме смещает равновесие карбангидразной реакции в сторону образования СО₂ и Н₂О из угольной кислоты, которая синтезируется из КHCO₃ и H⁺. Следовательно, бикарбонат-ионы и протоны водорода из среды исчезают.

Таким образом, образование оксигемоглобина увеличивает степень диссоциации кислотных групп его белковой части, высвобождающиеся ионы водорода нейтрализуют HCO₃^– с образованием угольной кислоты и выделением СО₂. Вместе с этим, диссоциация протона от оксигемоглобина препятствует защелачиванию крови. Благодаря сочетанию химических процессов с актом дыхания cледующим по важности является бикарбонатный буфер. При поступлении в кровь более сильной кислоты, чем угольная, ионы бикарбоната натрия взаимодействуют с ней, происходит реакция обмена и образуется соответствующая соль и угольная кислота. Угольная кислота является очень слабой кислотой, следовательно, концентрация водородных ионов понижается. Вместе с тем, благодаря присутствию в эритроцитах фермента карбангидразы, она быстро расщепляется с образованием CO₂, удаляемого с выдыхаемым воздухом, и H₂O. Кроме эритроцитов, значительная активность карбангидразы отмечена в почках и печени. В случае поступления щелочных веществ они реагируют с угольной кислотой и образуют бикарбонаты. Возникающий при этом дефицит угольной кислоты немедленно компенсируется уменьшением выделения CO₂ легкими. Состояние бикарбонатного буфера оценивается, исходя из уравнения реакции: H₂O + CO₂ ↔ H₂CO₃ ↔ HCO₃ + H^+. Углекислота находится в равновесии с растворенной в крови диокисью углерода и ионами, на которые она диссоциирует, при этом количество H₂CO₃ в двадцать раз меньше количества иона HCO₃^–. В клинике показателем реакции служат: - стандартные бикарбонаты (СБ) — концентрация HCO₃^– в плазме при стандартных условиях: полное насыщение кислородом крови, уравновешенной при 38°С с газовой смесью, в которой pCO₂ равно 40 мм рт.ст. - актуальные бикарбонаты (АБ) — концентрация HCO₃^– в крови при 38°С и реальных значениях pH и pCO₂. - CO₂‑связывающая способность крови — отражает концентрацию бикарбонатов в плазме. Определяется газометрически и в настоящее время в связи с развитием электрохимических методов не используется. - щелочной запас — отражает концентрацию щелочных соединений в цельной крови, определяется титрометрически, относится к устаревшим методам. - парциальное давление углекислого газа (pCO₂) — давление СО₂ в газе, находящемся в равновесии с плазмой артериальной крови при температуре 38°С. Отражает концентрацию углекислоты в крови, зависящей от вентиляции легких и диффузии СО₂ в воздух альвеол. Изменяется при нарушении дыхания и доставке углекислоты к легким. - Величина парциального давления зависит от суммы концентраций в крови CO₂ и H₂CO₃ согласно уравнению: [CO₂ + H₂CO₃] = a × pСО₂,
где a — коэффициент абсорбции Бунзена, a=0,0301.

Фосфатная буферная система образована дигидрофосфатом (NaH₂PO₄) и гидрофосфатом (Na₂HPO₄) натрия. Первое соединение слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, второе обладает щелочными свойствами. При взаимодействии ионов водорода (в том числе и угольной кислоты) с двузамещенным фосфатом натрия (Na₂HPO₄) образуется нейтральная соль и NaH₂PO₄. Таким образом, благодаря связыванию введенной в систему кислоты, концентрация ионов водорода значительно понижается. При поступлении в кровь оснований избыток ОН^–‑групп нейтрализуется кислотными Н⁺, а расход ионов Н⁺ восполняется повышением диссоциации NaH₂PO₄. Основное значение фосфатный буфер имеет для регуляции pH интерстициальной жидкости и мочи. В моче роль его состоит в сбережении бикарбоната натрия, а также бикарбонатов других катионов — калия, магния, кальция, за счет дополнительного иона водорода (по сравнению с NaHCO₃) в составе выводимого NaH₂PO₄: Na₂HPO₄ + H₂CO₃ ↔ NaH₂PO₄ + NaHCO_3. Бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется, а реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата.

БИЛЕТ №15