Sav-bázis homeosztázis

az extracelluláris folyadék pH-ját, beleértve a vérplazmát is, általában 7,32 és 7,42 között szigorúan szabályozzák a kémiai pufferek, a légzőrendszer és a vese rendszer.

a vizes pufferoldatok erős savakkal vagy erős bázisokkal reagálnak a felesleges hidrogén h+
ionok vagy hidroxid OH−
ionok felszívásával, az erős savakat és bázisokat gyenge savakkal és gyenge bázisokkal helyettesítve. Ennek hatása a pH-változások hatásának csillapítása vagy az egyébként bekövetkezett pH-változás csökkentése. De a pufferek nem tudják korrigálni a rendellenes pH-szintet egy oldatban, legyen az az oldat kémcsőben vagy az extracelluláris folyadékban. A pufferek általában egy oldatban lévő vegyületpárból állnak, amelyek közül az egyik gyenge sav, a másik gyenge bázis. Az ECF−ben a leggyakoribb puffer a szénsav (H2CO3) és a hidrogén-karbonát (HCO –
3) só, általában nátrium (Na+). Így, ha az oldatban OH−
ionok feleslege van, a szénsav részlegesen semlegesíti őket H2O és bikarbonát (HCO−
3) ionok képződésével. Hasonlóképpen a H+ ionok feleslegét részben semlegesíti a pufferoldat hidrogén-karbonát komponense szénsav (H2CO3) képződéséhez, amely gyenge sav miatt nagyrészt disszociálatlan formában marad, sokkal kevesebb H+ iont szabadítva fel az oldatba, mint az eredeti erős sav tette volna.

a pufferoldat pH-ja kizárólag a gyenge sav mólkoncentrációjának a gyenge bázishoz viszonyított arányától függ. Minél nagyobb a gyenge sav koncentrációja az oldatban (a gyenge bázishoz képest), annál alacsonyabb az oldat pH-ja. Hasonlóképpen, ha a gyenge bázis dominál, annál magasabb a kapott pH.

ezt az elvet kihasználják az extracelluláris folyadékok pH-jának szabályozására (nem csak a pH pufferelésére). A szénsav-hidrogén-karbonát puffer esetében a gyenge sav és a gyenge bázis 1:20 mólaránya 7,4 pH – t eredményez; és fordítva-ha az extracelluláris folyadékok pH-ja 7,4, akkor a szénsav és a hidrogén-karbonát-ionok aránya ebben a folyadékban 1:20.

ezt az összefüggést matematikailag a Henderson–Hasselbalch egyenlet írja le, amely az extracelluláris folyadékok szénsav-hidrogén-karbonát pufferrendszerére alkalmazva kimondja, hogy:

p H = p K A H 2 C o 3 + log 10 ++ (), {\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} k_{\mathrm {a} ~\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}}+\log _{10}\left({\FRAC {}{}}\right),}

ahol:

• a pH a hidrogénionok moláris koncentrációjának negatív logaritmusa (vagy kologaritmusa) az ECF-ben. Fordított módon jelzi az ECF savasságát: minél alacsonyabb a pH, annál nagyobb az oldat savassága.
• pKa H2CO3 a szénsav savas disszociációs állandójának kologaritmusa. Ez egyenlő 6.1.
• a bikarbonát moláris koncentrációja a vérplazmában
• a szénsav moláris koncentrációja az ECF-ben.

mivel azonban a szénsav koncentrációja egyenesen arányos a szén-dioxid parciális nyomásával (P C O 2 {\displaystyle P_ {{\mathrm {CO} } _ {2}}}

) az extracelluláris folyadékban az egyenlet az alábbiak szerint írható át: p H = 6,1 + log 10 ++ (0,0307 ++ P C O 2), {\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+\log _{10}\left({\frac {}{0,0307\times P_{\mathrm {CO} _{2}}}}\right),}

ahol:

• a pH a hidrogénionok moláris koncentrációjának negatív logaritmusa az ECF-ben, mint korábban.
• a bikarbonát moláris koncentrációja a plazmában
• a PCO2 a szén-dioxid parciális nyomása a vérplazmában.

az extracelluláris folyadékok pH-ja így szabályozható a szén-dioxid parciális nyomásának (amely meghatározza a szénsav koncentrációját), valamint az extracelluláris folyadékokban a bikarbonát-ion koncentrációjának külön szabályozásával.

ezért legalább két homeosztatikus negatív visszacsatoló rendszer felelős a plazma pH-jának szabályozásáért.az első a szén-dioxid vér parciális nyomásának homeosztatikus szabályozása, amely meghatározza a szénsav koncentrációját a plazmában, és néhány másodpercen belül megváltoztathatja az artériás plazma pH-ját. A szén-dioxid parciális nyomását az artériás vérben a medulla oblongata központi kemoreceptorai figyelik, így a központi idegrendszer részét képezik. Ezek a kemoreceptorok érzékenyek a cerebrospinális folyadék pH-jára és szén-dioxid-szintjére. (A perifériás kemoreceptorok az aorta testekben, a carotis testekben pedig az aorta íve mellett, illetve a carotis artériák elágazásánál helyezkednek el. Ezek a kemoreceptorok elsősorban az artériás vér oxigén parciális nyomásának változásaira érzékenyek, ezért nem vesznek részt közvetlenül a pH homeosztázisban.)

a központi kemoreceptorok információt küldenek az agytörzs medulla oblongata és pons légzőközpontjainak. A légzőközpontok ezután meghatározzák a tüdő alveolusainak átlagos szellőzési sebességét, hogy az artériás vérben a parciális nyomású szén-dioxid állandó maradjon. A légzőközpont ezt motoros neuronokon keresztül teszi, amelyek aktiválják a légzés izmait (különösen a membránt). Az artériás vérplazmában a szén-dioxid parciális nyomásának 5,3 kPa (40 Hgmm) feletti emelkedése reflexszerűen növeli a légzés sebességét és mélységét. A normál légzés akkor folytatódik, amikor a szén-dioxid parciális nyomása visszatért 5,3 kPa-ra. Fordítva történik, ha a szén-dioxid parciális nyomása a normál tartomány alá esik. A légzés átmenetileg leállhat, vagy lelassulhat, hogy a szén-dioxid ismét felhalmozódjon a tüdőben és az artériás vérben.

a plazma HCO –
3 koncentráció érzékelője nem bizonyos. Nagyon valószínű, hogy a disztális tekervényes tubulusok vese tubuláris sejtjei maguk is érzékenyek a plazma pH-jára. Ezeknek a sejteknek a metabolizmusa CO2−t termel, amely szén-anhidráz hatására gyorsan átalakul H+ – vá és HCO –
3-vá. Amikor az extracelluláris folyadékok savasságra hajlamosak, a vese tubuláris sejtek a H+ ionokat a tubuláris folyadékba választják ki, ahonnan a vizelettel távoznak a testből. A HCO –
3 ionok egyidejűleg kiválasztódnak a vérplazmába, ezáltal növelve a bikarbonát ion koncentrációját a plazmában, csökkentve a szénsav/bikarbonát ion arányt, következésképpen növelve a plazma pH-ját. Ennek ellenkezője akkor fordul elő, amikor a plazma pH-ja a normál fölé emelkedik: a hidrogén-karbonát ionok kiválasztódnak a vizeletbe, a hidrogénionok pedig a plazmába. Ezek a plazmában lévő hidrogén-karbonát ionokkal együtt szénsavat képeznek (H+ + HCO−
3 = H2CO3), ezáltal növelve a szénsav:hidrogén-karbonát arányt az extracelluláris folyadékokban, és visszaállítva a pH-ját a normál értékre.

általában az anyagcsere több hulladék savat termel, mint a bázisok. A vizelet tehát általában savas. Ezt a vizelet savasságát bizonyos mértékig semlegesíti az ammónia (NH3), amely a vizelettel ürül, amikor a glutamátot és a glutamint (a felesleges, már nem szükséges, aminocsoportok hordozóit) a disztális vese tubuláris hámsejtek dezaminálják. Így a vizelet “savtartalmának” egy része a kapott ammóniumion (NH4+) a vizelet tartalma, bár ez nincs hatással az extracelluláris folyadékok pH-homeosztázisára.