病理生理學(xué)電子教材(中文)-第三章 酸堿平衡和酸堿平衡紊亂:第一節(jié) 正常酸堿平衡三、酸堿平衡的調(diào)節(jié)

三、酸堿平衡的調(diào)節(jié)

盡管機(jī)體在不斷地生成和攝取酸性或堿性物質(zhì)，但血液中的pH并不會發(fā)生顯著的變化，這是由于體內(nèi)一系列調(diào)節(jié)機(jī)制共同作用的結(jié)果，主要包括體液的緩沖作用、肺和腎的調(diào)節(jié)作用(圖3—1)。

    (一)機(jī)體的緩沖系統(tǒng)

機(jī)體對酸堿的緩沖系統(tǒng)主要有三個相對獨(dú)立的緩沖池，即血液緩沖池、細(xì)胞內(nèi)液緩沖池、腦脊液緩沖池。此外，在某些特殊情況下，其他一些醫(yī)學(xué)檢驗網(wǎng)組織也可發(fā)揮一定的緩沖作用，如骨骼對慢性代謝性酸中毒的緩沖作用。

    1.血液的緩沖作用  緩沖系統(tǒng)由弱酸(緩沖酸)及其相對應(yīng)的堿(緩沖堿)組成。血液中的緩沖系統(tǒng)主要有碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)、磷酸鹽緩沖系統(tǒng)、血漿蛋白緩沖系統(tǒng)、血紅蛋白和氧合血紅蛋白緩沖系統(tǒng)五種

表（3-1)。當(dāng)血中H+過多時，反應(yīng)向左移動，使H+濃度不至于發(fā)生大幅度的增高，同時由于中和作用，緩沖堿的濃度會降低；當(dāng)H+減少時，反應(yīng)向左移動，使H+得到部分恢復(fù)，同時緩沖堿的濃度會增減。

  所有的固定酸都能被血中緩沖系統(tǒng)緩沖，但以碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)最重要，這是因為：①含量最多，約占血中緩沖總量的一半以上(表3—2)；②可進(jìn)行開放性調(diào)節(jié)，碳酸能和體液中溶解的CO，取得平衡而受呼吸的調(diào)節(jié)，另外，碳酸氫鹽還能通過腎進(jìn)行調(diào)節(jié)。

雖然碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)占全血總緩沖量的比例非常大，但卻不能緩沖體內(nèi)揮發(fā)酸。揮發(fā)酸的緩沖作用主要靠體內(nèi)非碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)，特別是Hb—及HbO₂—緩沖系統(tǒng)進(jìn)行緩沖。

2．組織細(xì)胞的緩沖作用  ，機(jī)體大量組織細(xì)胞內(nèi)液也是酸堿平衡的重要緩沖池。細(xì)胞外液中[H’]的變動會影響到細(xì)胞內(nèi)，特別是大量的肌肉組織細(xì)胞是巨大的酸堿緩沖池。酸中毒時，H’可由細(xì)胞外進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，被細(xì)胞內(nèi)的緩沖系統(tǒng)緩沖，從而減輕了細(xì)胞外液酸中毒的程度；同理也可減輕堿中毒的程度。細(xì)胞的緩沖作用有兩種方式，即細(xì)胞膜內(nèi)外的離子交換和細(xì)胞內(nèi)緩沖體系。

(1)細(xì)胞內(nèi)外離子交換  細(xì)胞可通過離子交換調(diào)節(jié)酸堿平衡，例如通過H+—K+、H+—Na+、Na+—K+交換以維持電中性，當(dāng)細(xì)胞外液H+增加時，H+彌散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，而細(xì)胞內(nèi)K+則移出至細(xì)胞外，所以酸中毒時往往會有高血鉀。Cl^—HC0₃^—的交換也相當(dāng)重要，因為C1^—是可能自由通過細(xì)胞膜的陰離子，當(dāng)HC0₃^—升高時，HC0₃^—的排泄可由Cl^——HC0₃^—交換體來完成。

(2)細(xì)胞內(nèi)緩沖體系  一般說來，機(jī)體體液的總緩沖能力是血液緩沖能力的6倍，其中細(xì)胞內(nèi)液緩沖酸的能力最強(qiáng)，血液次之，腦脊液的緩沖能力最弱。與血液對酸的緩沖能力特別強(qiáng)一樣，細(xì)胞內(nèi)液對酸的緩沖能力也遠(yuǎn)超過對堿的緩沖能力。

在細(xì)胞內(nèi)，磷酸根離子和蛋白陰離子的含量比細(xì)胞外要高得多，分別為80mEq／L和47 mEq／L，約占陰離子總量的70％，因此在細(xì)胞功能完好的情況下，細(xì)胞內(nèi)的磷酸根離子和蛋白陰離子成為最強(qiáng)大緩沖物質(zhì)，對細(xì)胞內(nèi)酸中毒有巨大的緩沖作用。

由于細(xì)胞膜的半透膜特性，體細(xì)胞對不同酸堿紊亂的緩沖強(qiáng)度并不一致。受此影響，H+和HCO₃進(jìn)出細(xì)胞的過程非常緩慢，但CO₂可迅速進(jìn)入細(xì)胞，故在代謝性酸中毒時，細(xì)胞內(nèi)的緩沖作用相對緩慢且弱；而在呼吸性酸中毒時，只要不存在明顯的缺氧，細(xì)胞內(nèi)的緩沖作用就非常迅速且強(qiáng)大，一般在15 min后其緩沖作用就可達(dá)60％，而在3 h后其緩沖作用可達(dá)峰值。同理，在呼吸性堿中毒時，細(xì)胞內(nèi)堿中毒比較明顯，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的代謝障礙；而在代謝性堿中毒時，細(xì)胞內(nèi)堿中毒則相對輕得多，故不容易出現(xiàn)嚴(yán)重的代謝障礙。

    3．腦脊液的緩沖作用  與血液和體細(xì)胞相比，腦脊液不僅缺乏有效的緩沖物質(zhì)，也缺乏細(xì)胞內(nèi)適當(dāng)?shù)拇�謝活動，補(bǔ)充堿性物質(zhì)的丟失。此外在腦脊液和血液之間還存在血—腦脊液屏障，H⁺和HCO₃^—移出 和進(jìn)入腦脊液的速度非常緩慢，但CO₂可迅速進(jìn)出腦脊液，故血液中出現(xiàn)原發(fā)性的代謝因素改變時，腦脊液酸堿度的改變緩慢且有限，而因呼吸性改變使CO₂顯著變化時則可導(dǎo)致腦脊液酸堿度的顯著變化，并影響呼吸中樞，出現(xiàn)明顯的神經(jīng)—精神改變和呼吸變化。

除上述三個緩沖池的緩沖作用外，骨骼的鈣鹽分解也有利于對H+的緩沖，其機(jī)制是產(chǎn)生了較多的H₂P0₄^—，反應(yīng)式為：Ca₃(P0₄)₂+4H+---*3Ca²⁺+2H2P0₄^-。鈣鹽的分解主要參與持續(xù)時間較長的代謝性酸中毒的調(diào)節(jié)，這也是慢性酸中毒患者易發(fā)生骨質(zhì)疏松的原因之一。

    (二)肺在酸堿平衡中的調(diào)節(jié)作用

肺在酸堿平衡中的作用是通過改變肺泡通氣量來控制揮發(fā)酸釋出的CO₂的排出量，使血漿中的HC0₃^—與H₂CO₃比接近正常值，以保持血中pH相對恒定。

肺通氣的調(diào)節(jié)作用較迅速，數(shù)分鐘內(nèi)起效，30rain達(dá)高峰。其機(jī)制主要是通過呼出CO₂來調(diào)節(jié)血液中CO₂的含量。延髓的呼吸中樞通過調(diào)節(jié)呼吸運(yùn)動的頻率和深度，加速或減慢CO₂的排出。這種調(diào)節(jié)作用可通過以下三種機(jī)制來實現(xiàn)。

    1.化學(xué)性調(diào)節(jié)  正常情況下，化學(xué)性因素由CO₂、pH和O₂起主要作用。

(1)動脈血CO₂分壓(Pa CO₂)  Pa CO₂的變化是興奮呼吸中樞的主要因素，其對呼吸中樞的影響主要有兩條途徑。首先是延髓的中樞化學(xué)感受器對血中Pa CO₂的變化非常敏感(CO₂對中樞化學(xué)感受器的作用主要通過H+濃度的變化來實現(xiàn))，PaC02升高2mmHg就會引起通氣加強(qiáng)反應(yīng)；其次是通過外周化學(xué)感受器間接影響呼吸中樞的興奮性，但敏感性要低得多，PaCO：要升高10mmHg才會引起通氣加強(qiáng)反應(yīng)。需要指出的是CO₂對呼吸中樞的興奮作用是有限度的，當(dāng)Pa CO₂過度升高(>80mmHg)時，反而對呼吸中樞有抑制作用，并可能出現(xiàn)“CO₂麻醉”現(xiàn)象，使肺通氣減少。  

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(2)pH或H+  與CO₂分壓的變化對呼吸中樞的影響相似，pH的變化對呼吸中樞的影響也是通過調(diào)節(jié)中樞和外周化學(xué)感受器興奮性的變化發(fā)揮作用。中樞化學(xué)感受器對pH(或H+)變化的敏感性比外周化學(xué)感受器的敏感性要高得多，前者大約是后者的25倍。一般來說，腦脊液與血液中的pH是一致的。但由于血液或腦脊液中的HC0₃^—不易透過血腦屏障，所以如果腦脊液局部發(fā)生代謝性酸中毒或堿中毒，則代償速度非常緩慢，呼吸中樞受其影響時間延長。

(3)動脈血氧分壓(Pa0：) O₂分壓下降對中樞的直接作用是抑制，只有通過外周化學(xué)感受器才能間接引起呼吸中樞的興奮。一般情況下，Pa O₂下降對呼吸中樞的影響較弱，當(dāng)Pa O₂下降至60mmHg以下時，才會出現(xiàn)通氣發(fā)應(yīng)的明顯增強(qiáng)。在正常情況下，O2分壓對呼吸中樞興奮性的影響微乎其微，但在慢性C O₂嚴(yán)重潴留的患者，呼吸中樞對C O₂分壓的變化逐漸適應(yīng)，這時低O₂升分壓對呼吸中樞的間接興奮作用才顯得更為重要，如果此時迅速將O₂升高到80mmHg以上，反而會引起呼吸抑制。

  2、中樞神經(jīng)性調(diào)節(jié) 呼吸運(yùn)動的節(jié)律來自于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的呼吸中樞，經(jīng)神經(jīng)傳導(dǎo)引起呼吸肌興奮，調(diào)控呼吸。臨床上可使用呼吸中樞興奮劑和抑制劑對呼吸中樞進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3、神經(jīng)反射性調(diào)節(jié) 呼吸的神經(jīng)反射調(diào)節(jié)的外周感受器屬機(jī)械或物理性感受器。如肺組織中的牽張感受器，J感受器（又稱毛細(xì)血管旁感受器)和呼吸肌內(nèi)的本體感受器等，在受到刺激后，反射性興奮呼吸中樞，使呼吸增強(qiáng)。

（三)腎在酸堿平衡中的調(diào)節(jié)作用

腎臟在維持體內(nèi)酸堿平衡中的作用是通過腎臟排酸保堿或排堿保酸來調(diào)節(jié)血漿中HCO₃^-的含量，保持血中PH的相對穩(wěn)定。當(dāng)血漿中HCO₃-濃度降低時，腎臟加強(qiáng)酸性物質(zhì)的排出和加快HCO₃^-的重吸收，以盡量使血中HCO₃^-恢復(fù)正常；相反，當(dāng)體內(nèi)堿性物質(zhì)增多時，腎臟接減少酸性物質(zhì)的排出和減少HCO₃^-的重吸收。與肺調(diào)節(jié)揮發(fā)酸排出相比，腎臟主要調(diào)節(jié)固定酸的排出和重吸收HCO₃^-，而且它的調(diào)節(jié)速度也慢很多，通常在數(shù)小時后才起作用，3~5天達(dá)高峰 。這也是在發(fā)生急性代謝性酸中毒或堿中毒時，細(xì)胞內(nèi)外酸堿變化強(qiáng)化情況不一樣 的原因之一。

  正常飲食情況下，尿液中 的PH一般在6.0左右。但在酸堿失衡時，PH可降至4.4或升至8.0，波動范圍非常大，其間H+濃度相差有1000倍。因此，腎臟對酸堿的調(diào)節(jié)功能非常強(qiáng)大。腎臟對酸堿的調(diào)節(jié)主要有以下四個方面：

1. 近端腎小管泌H+和重吸收NaHCO3 近曲小管調(diào)節(jié)酸堿的功能主要是重吸收HCO3-，其泌H+作用也是為了輔助HCO₃^-重吸收。實際上，由腎小球濾過的HCO3-，90%在近曲小管被重吸收。其機(jī)制包括四個步驟：①近曲小管上皮細(xì)胞內(nèi)含有大量的碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA),能催化CO₂與H₂O結(jié)合生成H₂CO₃,而碳酸可部分解離出H+和HCO3-;②在近曲小管上皮細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的H+通過其管腔面的H+--Na+交換體分泌到腎小管腔中,而腎小管腔中的Na+則被重吸收入近曲小管上皮細(xì)胞內(nèi);③進(jìn)入腎小管腔的H+與管腔中經(jīng)腎小球濾過的HCO₃^-結(jié)合生成H₂CO₃.由于在近曲小管上皮細(xì)胞管腔面的刷狀緣也富含碳酸酐酶,因此,H₂CO₃在碳酸酐酶的作用下分解為CO₂和H₂O.CO₂可通過彌散迅速進(jìn)入近曲小管上皮細(xì)胞內(nèi),在細(xì)胞內(nèi)碳酸酐酶的作用下,又可與H₂O結(jié)合生成 H₂CO₃,從而完成依次近曲小管上皮細(xì)胞的泌H+和重吸收HCO₃^-的循環(huán).由此可見,在近曲小管腔中的HCO₃^-是以CO₂的形式被重吸收,然后在細(xì)胞內(nèi)碳酸酐酶的作用下還原成HCO₃^-;④進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的Na+和HCO₃^-通過近曲小管上皮細(xì)胞基膜側(cè)的Na+-- HCO₃^-載體同向被動重吸收到血液循環(huán)中.此外,進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的Na+還能被基膜側(cè)的Na+--K+泵主動重吸收進(jìn)入血液m.f1411.cn/hushi/循環(huán)中(圖3-2A).

2. 遠(yuǎn)端腎小管及集合管泌H+和重吸收HCO₃^- 雖然遠(yuǎn)端腎小管也通過泌H+和重吸收HCO3來調(diào)節(jié)酸堿平衡,但與近端腎小管相比,其機(jī)制卻不盡相同,其結(jié)果也有較大差別.其差別主要表現(xiàn)在原尿流經(jīng)遠(yuǎn)曲小管及集合管后,尿液PH顯著下降,即尿液酸化.尿液的遠(yuǎn)端酸化作用(distal acidification)是由遠(yuǎn)端腎小管及集合管的閏細(xì)胞承擔(dān)的.此細(xì)胞又稱為泌H+細(xì)胞,它并不運(yùn)轉(zhuǎn)Na+,是一種非Na+依賴性的泌H+細(xì)胞.

閏細(xì)胞分泌H+和重吸收HCO₃^-的機(jī)制包括以下幾個步驟:①閏細(xì)胞中的碳酸酐酶催化CO₂和H₂O結(jié)合生成H₂CO₃,而碳酸可部分解離出H+和HCO₃^-;②在閏細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的H+通過其管腔面的質(zhì)子泵(H+--ATP酶)和H+--K+--ATP酶主動分泌到腎小管腔中后,與管腔中的堿性HPO₄^2-結(jié)合變成酸性的H₂PO₄-,從而使尿液酸化;③閏細(xì)胞內(nèi)的CO₂經(jīng)碳酸酐酶轉(zhuǎn)化為H₂CO₃后解離出HCO₃^-,解離出的HCO₃^-在基膜側(cè)通過Cl—HCO₃^-交換體重吸收,進(jìn)入血液循環(huán)中(圖3-2B).

3. 尿NH4+的排出 腎臟銨(NH4+)的產(chǎn)生和排出是PH依賴性的,即酸中毒越嚴(yán)重,尿中排NH4+量越多.近端和遠(yuǎn)端腎小管都能泌NH3和NH4+,但近端腎小管上皮細(xì)胞是泌銨(NH4+)的主要場所,其泌

NH₄+的機(jī)制與泌H+非常相似 ，區(qū)別是在腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)除產(chǎn)生H+外，還能產(chǎn)生NH₃，兩者相結(jié)合生成NH₄+，然后通過NH₄+-Na+交換將NH₄+排入腎小管中。近曲小管上皮細(xì)胞產(chǎn)NH₃的機(jī)制與谷氨酰胺的代謝有關(guān)，即谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下分解成氨（NH3)和谷氨酸，谷氨酸又分解為NH₃和α-酮戊二酸，α-酮戊二酸經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化為2HCO₃-（圖3-3A)。

遠(yuǎn)端腎小管分泌的NH₃先是由腎小管周圍毛細(xì)血管彌散而來，進(jìn)一步彌散進(jìn)入腎小管腔后再與管腔中已有的H+結(jié)合生成NH₄+。在嚴(yán)重的酸中毒時，當(dāng)遠(yuǎn)曲小管分泌的H+與磷酸鹽緩沖后使尿液酸化，PH下降至4.8左右，磷酸緩沖系統(tǒng)已不能進(jìn)行緩沖時，不僅近曲小管泌NH₄+增多，遠(yuǎn)曲小管泌NH₃也增多，NH₃與管腔中H+結(jié)合，生成的NH₄+也增多，導(dǎo)致尿中NH4+濃度升高，經(jīng)尿排NH₄+明顯增多（圖3-3B)。

 4．遠(yuǎn)曲小管的K+--Na交換與H+--Na+交換  在遠(yuǎn)曲小管上皮細(xì)胞的管腔側(cè)既有K+--Na+交換，又有H+--Na+交換，它們主要調(diào)節(jié)K+的排泄，但在一些特殊的病理情況下對調(diào)節(jié)血液的酸堿有一定作用。原尿中的K+在近曲小管幾乎全部被重吸收，而尿液（終尿)中的K+是由遠(yuǎn)曲小管分泌出來的。遠(yuǎn)曲小管分泌的K+可與管腔中的Na+交換，排出K+，回收Na+，稱為K+--Na+交換；而H+--Na+交換則是分泌H+，回收Na+。遠(yuǎn)曲小管上皮細(xì)胞的K+--Na+ 交換與H+--Na+交換之間有競爭性抑制作用。酸中毒時，H+分泌增多，K+分泌受競爭性抑制而減少，即在H+--Na+交換占優(yōu)勢時會抑制K+--Na+交換，這是酸中毒時常伴有高血鉀，堿中毒時常伴有低血鉀的原因之一。