Metabolički procesi stalno proizvode kiseline, a u manjoj mjeri i lužine. Ion hidrogena (H+) je izrazito reaktivan; može se vezati za negativno nabijene bjelančevine i u visokim koncentracijama promijeniti njihov ukupni naboj, konfiguraciju i funkciju. Za održavanje stanične funkcije, tijelo ima razrađene mehanizme koji održavaju koncentraciju H+ u krvi u uskom rasponu - obično od 37 do 43 nmol / L (pH 7,43 do 7,37, gdje je pH = −log [H+]), a u idealnom slučaju 40 nmol / L (pH = 7,40). Poremećaji ovih mehanizama imaju ozbiljne kliničke posljedice.
Acido-bazna ravnoteža usko je vezana za metabolizam tekućina i ravnotežu elektrolita, a poremećaji u jednom od tih sustava često utječu na drugi.
Fiziologija acido-bazne ravnoteže
Većina kiselina nastaje od
Metabolizam ugljikohidrata i masti stvara 15.000 do 20.000 mmol ugljičnog dioksida (CO2) dnevno. CO2 nije sam po sebi kiselina, ali u prisutnosti člana enzima iz porodice ugljičnih anhidraza, CO2 se spaja s vodom (H2O) u krvi te stvara ugljičnu kiselinu (H2CO3) koja se disocira u iona vodika (H+) i bikarbonat (HCO3−). Ion H+ se veže za hemoglobin u eritrocitima i oslobađa se oksigenacijom u alveolama, a tada se reakcija preokreće drugim oblikom karboanhidraze, stvarajući vodu (H2O), koju izlučuju bubrezi, i CO2, koji se izdvaja u svaki dah.
Manje količine organskih kiselina potječu od slijedećeg:
-
Nepotpuna razgradnja glukoze i masnih kiselina na mliječnu kiselinu i na ketokiseline
-
Metabolizam aminokiselina koje sadržavaju sumpor (cistein, metionin) u sumpornu kiselinu
-
Metabolizam kationskih aminokiselina (arginin, lizin)
-
Hidroliza dijetalnih fosfata
Ovo “fiksno” ili “metaboličko” kiselinsko opterećenje se ne može izdahnuti, već se treba neutralizirati ili izlučiti preko bubrega.
Većina baza dolazi iz metabolizma anionskih aminokiselina (glutamata i aspartata) te iz oksidacije i potrošnje organskih aniona, kao što su laktat i citrat, koji stvaraju HCO3−.
Acidobazna ravnoteža
Acidobazna ravnoteža se ostvaruje kemijskim puferiranjem te plućnim i bubrežnim izlučivanjem.
Kemijski puferi
Kemijski puferi su otopine koja se odupiru promjenama u pH. Unutarstanični i izvanstanični puferi pružaju neposredan odgovor na acidobazne promjene. Kosti također igra važnu ulogu kod puferiranja, posebno kod kiselog opterećenja.
Pufer se sastoji od slabe kiseline i njene konjugirane baze. Konjugirana baza može prihvatiti H+ i slaba kiseline može je poništiti te tako umanjujući promjene u slobodnoj koncentraciji H+. Puferski sustav djeluje najbolje da minimizira promjene pH u blizini njegove ravnotežne konstante (pKa); dakle, iako u tijelu postoji potencijalno mnogo puferskih parova, samo su neki fiziološki važni.
Odnos između pH puferskog sustava i koncentracije njegovih komponenata opisan je Henderson-Hasselbalch-ovom jednadžbom:
gdje je pKa konstanta disocijacije slabih kiselina
Najvažniji izvanstanični pufer je sustav HCO3−/CO2 opisan jednadžbom:
Povećanje H+ pomiće jednadžbu udesno i stvara CO2.
Ovaj važni sustav pufera je visoko reguliran; Koncentracije CO2 mogu se fino kontrolirati alveolarnom ventilacijom, a koncentracije H+ i HCO3− mogu se fino regulirati bubrežnim izlučivanjem.
Odnos između pH, HCO3− i CO2 u sustavu kao što je opisano od strane Henderson-Hasselbalch jednadžbe je sljedeći:
Ili slično, od Kassirer-Bleich jednadžbe, izveden iz Henderson-Hasselbalch jednadžbe:
Napomena: za pretvorbu arterijskog pH u [H+] koristiti:
ili
Obje jednadžbe ilustriraju da acidobazna ravnoteža ovisi o omjeru PCO2 i HCO3−, a ne o apsolutnoj vrijednosti bilo koje pojedinačno. Sa navedenim formulama, bilo koje dvije varijable mogu se koristiti za izračunavanje treće.
Ostali važni fiziološki puferi uključuju unutarstanične organske i anorganske fosfate i proteine, uključujući i hemoglobin u eritrocitima. Manje su važni izvanstanični fosfati i proteini plazme. Kost postaje važan pufer nakon potrošnje kiselog opterećenja. Kost u početku oslobađa natrijev bikarbonat (NaHCO3) i kalcijev bikarbonat (CaHCO3)2) u zamjenu za H+. S produženim kiselinskim opterećenjima, kost oslobađa kalcijev karbonat(CaCO3) i kalcij fosfat (CaPO4). Dugotrajna acidemija prema tome pridonosi demineraliziranju kosti i osteoporozi.
Plućna pH regulacija
Koncentracija CO2 se fino regulira promjenama tidalnog volumena i frekvencije disanja (minutna ventilacija). Smanjenje pH opažaju arterijski kemoreceptori i dovode do povećanja tidalnog volumena ili frekvencije disanja; CO2 se izdiše i povećava se pH u krvi. Za razliku od kemijskog puferiranja, koje je trenutačno, plućna regulacija traje minutama pa i satima. Učinkovitost je 50 do 75% te ne normaliziran pH u potpunosti.
Bubrežna pH regulacija
Bubrezi kontroliraju pH podešavanjem količine HCO3− koji se izlučuju ili reapsorbiraju. Reapsorpcija HCO3− jednaka je izlučivanju slobodnog H+. Bubrežne preinake u acidobaznoj regulaciji nastupaju satima pa i danima nakon promjene acidobaznog stanja.
Sav HCO3− u serumu je filtriran dok prolazi kroz glomerul. HCO3− reapsorpcija događa se uglavnom u proksimalnom tubulu te u manjoj mjeri u sabirnom tubulu. H2O unutar stanica distalnog tubula disocira na H+ i hidroksid (OH−); u prisutnosti ugljične anhidraze, OH− veže se sa CO2 stvarajući HCO3−, koji se transportira nazad u peritubularne kapilare, dok se H+ secernira u lumen tubula i pridružuje slobodno filtriranom HCO3− stvarajući CO2 i H2O, koji se također reapsorbiraju. Stoga, distalno reapsorbirani HCO3− ioni su novostvoreni i nisu jednaki onim filtriranima.
Smanjenje efektivnog volumena cirkulacije (kao što se događa kod terapije diuretikom) povećava HCO3− reapsorpciju, dok porast paratiroidnog hormona kao odgovor na kiselinsko opterećenje smanjuje HCO3− reapsorpciju. Također, porast Pco2 dovodi do povećanja HCO3− reapsorpcije, dok iscrpljenje kloridnih iona (Cl−) (obično zbog smanjenja volumena) dovodi do povećane reapsorpcije natrijevih iona (Na+) i stvaranja HCO3− u proksimalnom tubulu.
Kiseline se aktivno izlučuju u proksimalnom i distalnom tubulu gdje se kombiniraju s mokraćnim puferima - prvenstveno sa slobodno filtriranim fosfatom (HPO4−2), kreatininom, mokraćnom kiselinom i amonijakom - kako bi se transportirale izvan tijela. Puferski sustav amonijaka posebno je važan jer se ostali puferi filtriraju u fiksnim koncentracijama i mogu se iscrpiti velikim kiselinskim opterećenjima; suprotno tome, tubularne stanice aktivno reguliraju proizvodnju amonijaka kao odgovor na promjene u kiselinskom opterećenju. Arterijski pH je glavna odrednica za izlučivanje kiselina, ali na izlučivanje utječu i razina kalija (K+), Cl− i aldosterona. Unutarstanična koncentracija K+ i sekrecija H+ međusobno su povezane; sniženje K+ uzrokuje porast sekrecije H+ te samim tim metaboličku alkalozu.