Zuur-base-homeostase

de pH van de extracellulaire vloeistof, met inbegrip van het bloedplasma, wordt gewoonlijk strak geregeld tussen 7,32 en 7,42 door de chemische buffers, het ademhalingsstelsel en het nierstelsel.

waterige bufferoplossingen reageren met sterke zuren of sterke basen door overtollige waterstof−h+
– ionen of hydroxide-OH –
– ionen op te nemen, waarbij de sterke zuren en basen worden vervangen door zwakke zuren en zwakke basen. Dit heeft het effect van het dempen van het effect van pH veranderingen, of het verminderen van de pH verandering die anders zou hebben plaatsgevonden. Maar buffers kunnen abnormale pH-waarden in een oplossing niet corrigeren, of die oplossing in een reageerbuis of in de extracellulaire vloeistof. Buffers bestaan meestal uit een paar verbindingen in oplossing, waarvan één een zwak zuur en de andere een zwakke base. De meest voorkomende buffer in de ECF bestaat uit een oplossing van koolzuur (H2CO3) en het bicarbonaat (HCO−
3) zout van, meestal, natrium (Na+). Wanneer er dus een overmaat aan OH−
−ionen in de oplossing aanwezig is, neutraliseert koolzuur deze gedeeltelijk door de vorming van H2O-en bicarbonaat (HCO –
3) – ionen. Op dezelfde manier wordt een overmaat aan H+ – ionen gedeeltelijk geneutraliseerd door het bicarbonaatbestanddeel van de bufferoplossing om koolzuur (H2CO3) te vormen, dat, omdat het een zwak zuur is, grotendeels in de niet-verbonden vorm blijft, waardoor veel minder H+ – ionen in de oplossing vrijkomen dan het oorspronkelijke sterke zuur zou hebben gedaan.

de pH van een bufferoplossing hangt uitsluitend af van de verhouding tussen de molaire concentraties van het zwakke zuur en de zwakke base. Hoe hoger de concentratie van het zwakke zuur in de oplossing (in vergelijking met de zwakke base), hoe lager de resulterende pH van de oplossing. Ook als de zwakke base overheerst hoe hoger de resulterende pH.

dit principe wordt gebruikt om de pH van de extracellulaire vloeistoffen te regelen (in plaats van alleen de pH te bufferen). Voor de koolzuurbicarbonaatbuffer produceert een molaire verhouding van zwak zuur tot zwakke base van 1:20 een pH van 7,4; en omgekeerd-wanneer de pH van de extracellulaire vloeistoffen 7,4 is dan is de verhouding van koolzuur tot bicarbonaationen in die vloeistof 1:20.

Deze relatie is wiskundig beschreven door de Henderson–Hasselbalch vergelijking, die, wanneer toegepast op de koolzuur-bicarbonaat buffersysteem in de extracellulaire vloeistoffen, stelt dat:

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),}

waar:

• pH is de negatieve logaritme (of cologaritme) van de molaire concentratie waterstofionen in de ECF. Het geeft de zuurgraad in de ECF op een omgekeerde manier aan: hoe lager de pH, hoe groter de zuurgraad van de oplossing.
• pKa H2CO3 is het cologaritme van de zuurdissociatieconstante van koolzuur. Het is gelijk aan 6.1.
• is de molaire concentratie van bicarbonaat in het bloedplasma
• is de molaire concentratie van koolzuur in het ECF.

Echter, omdat het koolzuur concentratie is recht evenredig met de partiële druk van kooldioxide ( P C O 2 {\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}

) in de extracellulaire vloeistof, de vergelijking kan worden herschreven als volgt: 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),}

waarbij:

• pH de negatieve logaritme is van de molaire concentratie van waterstofionen in de ECF, zoals voorheen.
• de molaire concentratie van bicarbonaat in het plasma
• PCO2 is de partiële druk van kooldioxide in het bloedplasma.

de pH van de extracellulaire vloeistoffen kan dus worden geregeld door de partiële druk van kooldioxide (die de koolzuurconcentratie bepaalt) en de bicarbonaationconcentratie in de extracellulaire vloeistoffen afzonderlijk te regelen.

er zijn dus ten minste twee homeostatische negatieve feedbacksystemen die verantwoordelijk zijn voor de regeling van de pH van het plasma. het eerste is de homeostatische regeling van de partiële druk van kooldioxide in het bloed, die de concentratie koolzuur in het plasma bepaalt en de pH van het arterieel plasma binnen enkele seconden kan veranderen. De gedeeltelijke druk van kooldioxide in het arteriële bloed wordt gecontroleerd door de centrale chemoreceptoren van de medulla oblongata, en maken dus deel uit van het centrale zenuwstelsel. Deze chemoreceptoren zijn gevoelig voor de pH en de niveaus van kooldioxide in de cerebrospinale vloeistof. (De perifere chemoreceptoren bevinden zich in de aorta en halsslagaders naast de boog van de aorta en de bifurcatie van de halsslagaders, respectievelijk. Deze chemoreceptoren zijn in de eerste plaats gevoelig voor veranderingen in de partiële druk van zuurstof in het slagaderlijke bloed en zijn daarom niet direct betrokken bij pH-homeostase.)

de centrale chemoreceptoren sturen hun informatie naar de ademhalingscentra in de medulla oblongata en pons van de hersenstam. De ademhalingscentra bepalen vervolgens de gemiddelde ventilatiesnelheid van de longblaasjes, om de partiële druk kooldioxide in het slagaderlijke bloed constant te houden. Het ademhalingscentrum doet dit via motorneuronen die de ademhalingsspieren (in het bijzonder het middenrif) activeren. Een stijging van de partiële druk van kooldioxide in het slagaderlijke bloedplasma boven 5,3 kPa (40 mmHg) reflex veroorzaakt een toename van de snelheid en diepte van de ademhaling. De normale ademhaling wordt hervat wanneer de partiële druk van kooldioxide is teruggekeerd naar 5,3 kPa. Het omgekeerde gebeurt als de partiële druk van kooldioxide onder het normale bereik valt. De ademhaling kan tijdelijk worden gestopt, of worden vertraagd om koolstofdioxide toe te staan om zich opnieuw in de longen en arterieel bloed te accumuleren.

de sensor voor de plasmaconcentratie HCO−
3 is niet met zekerheid bekend. Het is zeer waarschijnlijk dat de renale tubulaire cellen van de distale ingewikkelde tubuli zelf gevoelig zijn voor de pH van het plasma. Het metabolisme van deze cellen produceert CO2, dat snel wordt omgezet in H+ en HCO−
3 door de werking van koolzuuranhydrase. Wanneer de extracellulaire vloeistoffen neigen naar zuurgraad, scheiden de renale tubulaire cellen de H+ – ionen af in de tubulaire vloeistof van waar ze het lichaam via de urine verlaten. De HCO –
3-ionen worden gelijktijdig uitgescheiden in het bloedplasma, waardoor de concentratie bicarbonaat-ionen in het plasma toeneemt, de verhouding koolzuur/bicarbonaat-ionen wordt verlaagd en de pH van het plasma bijgevolg wordt verhoogd. Het omgekeerde gebeurt wanneer de plasma pH stijgt boven normaal: bicarbonaationen worden uitgescheiden in de urine, en waterstofionen in het plasma. Deze combineren met de bicarbonaationen in het plasma tot koolzuur (H+ + HCO –
3 = H2CO3), waardoor de verhouding koolzuur / bicarbonaat in de extracellulaire vloeistoffen wordt verhoogd en de pH weer normaal wordt.

in het algemeen produceert metabolisme meer afvalzuren dan basen. De urine is daarom over het algemeen zuur. Deze zuurgraad in de urine wordt tot op zekere hoogte geneutraliseerd door de ammoniak (NH3) die in de urine wordt uitgescheiden wanneer glutamaat en glutamine (dragers van overtollige, niet meer nodig aminogroepen) worden gedeamineerd door de distale renale tubulaire epitheliale cellen. Dus een deel van het “zuurgehalte” van de urine woont in het resulterende ammoniumion (NH4+) gehalte van de urine, hoewel dit geen effect heeft op pH homeostase van de extracellulaire vloeistoffen.