Кислотно-лужна рівновага: Система бікарбонату в крові

Чому рівень pH крові повинен залишатися в вузькому діапазоні

Нормальний рівень pH артеріальної крові у дорослих коливається між 7,35 і 7,45, з центром близько 7,40. Це надзвичайно вузький діапазон: зниження нижче 6,8 або підвищення вище 7,8 зазвичай несумісні з виживанням протягом короткого часу. Причина цієї чутливості криється в біохімії білків. Ферменти, гемоглобін, іонні канали та структурні білки залежать від точно складених тривимірних форм, утримуваних водневими зв’язками та іонними взаємодіями між зарядженими боковими ланцюгами амінокислот. Концентрація іонів водню безпосередньо впливає на те, скільки з цих бокових ланцюгів протоновані, тому навіть невеликі зміни pH змінюють розподіл заряду білків, порушують їхнє укладання та можуть припинити каталітичну активність. Доставка кисню також залежить від pH: через ефект Бора, нижчий рівень pH зсуває криву дисоціації оксигену-гемоглобіну на користь вивільнення кисню в тканини, а вищий рівень – навпаки, посилює утримання гемоглобіном кисню. Метаболізм постійно генерує кислоту, приблизно 15 000 - 20 000 мілімоль вуглекислого газу на день лише за рахунок аеробного дихання, а також менші кількості фіксованих кислот, таких як молочна та кетоцистеїнова кислоти, з різних метаболічних шляхів. Без безперервного підсичення та виведення ця кислотна навантаження швидко перевантажує природну хімію крові. Організм використовує багатошарову систему захисту – хімічні буфери, що діють за лічені секунди, регулювання легкими протягом декількох хвилин і нирки, які коригують протягом годин та днів, щоб забезпечити те, що незважаючи на цю безперервну генерацію кислоти, рівень pH крові рідко виходить за межі цього вузького фізіологічного діапазону.

Хімія буферної системи бікарбонату

Домінуючою буферною системою в плазмі крові є карбонатний/вуглецевий діаксидний пар, описаний за допомогою рівняння Гендерсона-Гассельбаха, яке викладено словами як: pH дорівнює pKa плюс логарифм відношення концентрації бікарбонату до концентрації розчиненого вуглецевого діаксиду. Вуглекислий газ, що розчиняється в крові, реагує з водою, каталізований ферментом карбоангідраза, утворюючи вуглейну кислоту, яка швидко дисоціює на іон водню та бікарбонат-іон. pKa цієї вуглекислотної системи в крові становить приблизно 6,1. Оскільки нормальна концентрація плазмістих бікарбонатів коливається близько 24 ммоль/л, а розчинений вуглецевий діаксид (пропорційний парціальному тиску вуглекислого газу, або PaCO2) значно нижчий, відношення бікарбонату до вуглецевого діаксиду при нормальних фізіологічних значеннях становить приблизно 20 до 1, що вставляється в рівняння дає характерний pH близько 7,40. Те, що робить цю буферну систему особливо потужною порівняно з іншими фізіологічними буферами, полягає в тому, що це відкрита система: обидві сторони рівняння можуть бути незалежно регульовані. Легкі керують вуглецевим діаксидним боком, коригуючи кількість видихуваного вуглекислого газу, а нирки – бікарбонатним боком, коригуючи його реабсорбцію, генерацію або виведення. Цей подвійний контроль, один компонент якого регулюється швидкими дихальними змінами, а інший – повільними нирковими змінами, дозволяє буферній системі бікарбонату нейтралізувати набагато більше кислот або основ, ніж це передбачає її хімічна концентрація само по собі, на відміну від закритого буфера, такого як фосфат.

Дихальна компенсація: легені та вуглекислий газ

Лімби забезпечують найшвидше регульоване половинне співвідношення буферної системи бікарбонатів, контролюючи PaCO2 – парціальний тиск вуглекислого газу в артеріальній крові, який зазвичай підтримується в межах 35-45 мм рт. ст. Оскільки розчинений вуглекислий газ перебуває у безпосередній рівновазі з карбонною кислотою, зміна швидкості та глибини дихання змінює кількість вивітрюваного вуглекислого газу, що відповідно впливає на концентрацію карбонізованої кислоти та, отже, на pH практично миттєво. Хеморецептори в медулооблонковій частині мозку, а також периферійні хеморецептори у кардіогених та аортальних тілах безперервно виявляють рівень pH крові та концентрацію вуглекислого газу, коригуючи темп і глибину дихання відповідно. Якщо кров стає надто кислою, центри регулювання дихання стимулюють прискорене та глибоке дихання – гіпервентиляцію, яка вивітрює більше вуглекислого газу, знижує концентрацію карбонізованої кислоти та підвищує pH до нормального рівня. Це дихальна компенсація на метаболічний ацидоз. З іншого боку, якщо людина гіпервентулює з неметаболічних причин, таких як тривога, паніка, біль або використання механічної вентиляції, яка встановлена надмірно агресивно, вона вивітрює занадто багато вуглекислого газу, карбонізована кислота падає і pH крові підвищується вище 7,45, що призводить до респіраторного алігоза. Саме тому тривожна гіпервентиляція може викликати запаморочення та поколювання в пальцях: отриманий алкальний стан знижує доступність іонізатованого кальцію на нервових мембранах. Дихальна система здатна реагувати протягом декількох хвилин, роблячи її найшвидший фізіологічний механізм компенсації, хоча вона може частково виправити первинне метаболічне порушення, а не повністю нормалізувати pH.

Метаболічний Компенсація: Нирки та Бікарбонат

Нирки регулюють інший пів-рівняння буферу, контролюючи рівень бікарбонату в плазмі, який зазвичай коливається між 22 і 26 ммоль/л. Клітини клубочків нирок майже повністю реабільовують фільтрований бікарбонат, генерують новий бікарбонат через метаболізм глутаміну та виділення амонію, а також секретують надлишок іонів водню в сечу, переважно підтримуваний фосфатом і аміаком. На відміну від легень, які реагують протягом хвилин, нирки потребують годин або днів для значного зміщення рівнів бікарбонату, але їхня здатність генерувати новий бікарбонат (замість просто обміну існуючим буфером) робить їх необхідними для корекції порушень кислотно-лужного балансу, які тривають довше, ніж один дихальний цикл. Коли кров хронічно занадто кисла, нирки збільшують секрецію іонів водню та генерують додатковий бікарбонат, щоб підвищити рівень бікарбонату в плазмі та повернути pH до норми – це метаболічна компенсація при респіраційному ацидозі, яка часто спостерігається у пацієнтів з хронічними захворюваннями легень, які затримують вуглекислий газ. Коли кров хронічно надто лужна, нирки виділяють більше бікарбонату в сечу для зниження рівня бікарбонату в плазмі. Нирки також є основним регулятором у чисто метаболічних порушеннях: такі стани, як важка діарея (втрата бікарбонату) або кетоацидоз цукрового діабету (надлишок кислоти), безпосередньо виснажують бікарбонат, і саме ренальний бікарбонат, що працює разом з респіраторною компенсацією, поступово відновлює баланс після лікування основної причини.

Клінічні Ацидо-Базальні Розлади: Чотири Паттерни

Лікарі класифікують ацидо-базальні порушення у чотири основних патерни, базуючись на тому, який компонент – вуглекислий газ чи бікарбонат – є ненормальним першим, та чи компенсує протилежна система. Респіраторний ацидоз виникає, коли PaCO2 перевищує 45 мм рт. ст., зазвичай через гіповентиляцію, спричинену такими станами, як хронічна обструктивна легенева хвороба, передозування опіоїдів або важка астма; нирки реагують шляхом утримання бікарбонату протягом днів. Респіраторний алігозаль виникає, коли PaCO2 падає нижче 35 мм рт. ст., спричиненого гіпервентиляцією, що викликається тривожністю, болем, лихоманкою, висотою над рівнем моря або механічною перевентиляцією; нирки компенсують шляхом виведення бікарбонату. Метаболічний ацидоз виникає, коли концентрація плазмового бікарбонату падає нижче 22 мЕкв/л, зазвичай через надмірне утворення кислот або втрату бікарбонату. Класичним прикладом є діабетична кетоацидотична стадія: без достатньої кількості інсуліну клітини не можуть використовувати глюкозу, тому організм розкладає жирні кислоти на кетокислоти (оцтовучну та β-гідроксибутирову кислоти), які потрапляють у кров, споживають буфер бікарбонат і знижують pH; легені компенсують протягом хвилин за допомогою швидкого, глибокого дихання, відомого як дихання Кюссіна, яке виводить надлишок вуглекислого газу для часткового пом’якшення кислотного навантаження. Метаболічний алігозаль виникає, коли концентрація плазмового бікарбонату зростає вище 26 мЕкв/л, зазвичай через тривале блювання (втрату шлункової кислоти) або використання діуретиків; легені компенсують помірною гіповентиляцією. На практиці лікарі використовують артеріальні газові вимірювання pH, PaCO2 та бікарбонату разом для ідентифікації основного розладу та визначення, чи є компенсація відповідною, відсутньою або сама по собі вказує на другу, змішану дисфункцію.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Acid-Base Balance: The Bicarbonate Buffer System in Blood і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.