Homeostaza kwasowo-zasadowa
pH płynu pozakomórkowego, w tym osocza krwi, jest zwykle ściśle regulowane między 7,32 a 7,42 przez bufory chemiczne, układ oddechowy i układ nerkowy .
wodne roztwory buforowe reagują z mocnymi kwasami lub mocnymi zasadami, pochłaniając nadmiar jonów wodoru H+lub jonów wodorotlenku OH−
, zastępując silne kwasy i zasady słabymi kwasami i słabymi zasadami. Ma to na celu tłumienie efektu zmian pH lub zmniejszenie zmiany pH, która w przeciwnym razie miałaby miejsce. Ale bufory nie mogą skorygować nieprawidłowych poziomów pH w roztworze, czy to w probówce, czy w płynie zewnątrzkomórkowym. Bufory zazwyczaj składają się z pary związków w roztworze, z których jeden jest słabym kwasem, a drugi słabą zasadą. Najbardziej obfity bufor w ECF składa się z roztworu kwasu węglowego (H2CO3) i soli wodorowęglanowej (HCO−
3), Zwykle sodu (Na+). Tak więc, gdy w roztworze znajduje się nadmiar jonów OH−
, kwas węglowy częściowo neutralizuje je, tworząc jony H2o i wodorowęglanowe (HCO−
3). Podobnie nadmiar jonów H+ jest częściowo neutralizowany przez wodorowęglanowy składnik roztworu buforowego, tworząc kwas węglowy (H2CO3), który, ponieważ jest słabym kwasem, pozostaje w dużej mierze w postaci niezwiązanej, uwalniając znacznie mniej jonów H+ do roztworu niż zrobiłby to oryginalny silny kwas.
pH roztworu buforowego zależy wyłącznie od stosunku stężeń molowych słabego kwasu do słabej zasady. Im wyższe stężenie słabego kwasu w roztworze (w porównaniu do słabej zasady), tym niższe pH roztworu. Podobnie, jeśli słaba zasada przeważa, tym wyższe wynikowe pH.
zasada ta jest wykorzystywana do regulacji pH płynów pozakomórkowych (a nie tylko buforowania pH). Dla buforu kwas węglowy-wodorowęglan, stosunek molowy słabego kwasu do słabej zasady 1:20 daje pH 7,4; i odwrotnie – gdy pH płynów pozakomórkowych wynosi 7,4, wtedy stosunek kwasu węglowego do jonów wodorowęglanowych w tym płynie wynosi 1:20.
zależność ta jest opisana matematycznie przez równanie Hendersona–Hasselbalcha, które po zastosowaniu do układu buforowego kwas węglowy-wodorowęglan w płynach pozakomórkowych stwierdza, że:
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),}
gdzie:
- pH jest ujemnym logarytmem (lub cologarytmem) stężenia molowego jonów wodorowych w ECF. Wskazuje kwasowość w ECF w sposób odwrotny: im niższe pH, tym większa kwasowość roztworu.
- PKA H2CO3 jest cząsteczką stałej dysocjacji kwasu węglowego. Jest równa 6.1.
- to stężenie molowe wodorowęglanu w osoczu krwi
- to stężenie molowe kwasu węglowego w ECF.
ponieważ jednak stężenie kwasu węglowego jest wprost proporcjonalne do ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla (P C O 2 {\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}
płynie pozakomórkowym równanie można przepisać w następujący sposób: 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),}
gdzie:
- pH jest ujemnym logarytmem stężenia molowego jonów wodorowych w ECF, jak poprzednio.
- to stężenie molowe wodorowęglanu w osoczu
- PCO2 to ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla w osoczu krwi.
pH płynów pozakomórkowych może być zatem kontrolowane przez oddzielną regulację ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla (który określa stężenie kwasu węglowego) i stężenia jonów wodorowęglanowych w płynach pozakomórkowych.
istnieją zatem co najmniej dwa homeostatyczne systemy ujemnego sprzężenia zwrotnego odpowiedzialne za regulację pH osocza. pierwszym z nich jest homeostatyczna Kontrola parcjalnego ciśnienia dwutlenku węgla we krwi, który określa stężenie kwasu węglowego w osoczu i może zmienić pH osocza tętniczego w ciągu kilku sekund. Ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla we krwi tętniczej jest monitorowane przez centralne chemoreceptory rdzenia przedłużonego, a więc są częścią ośrodkowego układu nerwowego. Te chemoreceptory są wrażliwe na pH i poziom dwutlenku węgla w płynie mózgowo-rdzeniowym. (Obwodowe chemoreceptory znajdują się w ciałach aorty i ciałach szyjnych przylegających do łuku aorty i do rozwidlenia tętnic szyjnych, odpowiednio. Chemoreceptory te są wrażliwe przede wszystkim na zmiany ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi tętniczej i dlatego nie są bezpośrednio zaangażowane w homeostazę pH.)
Centralne chemoreceptory przesyłają swoje informacje do ośrodków oddechowych w rdzeniu przedłużonym i pniu mózgu. Ośrodki oddechowe następnie określają średnią szybkość wentylacji pęcherzyków płucnych, aby utrzymać ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla w krwi tętniczej na stałym poziomie. Ośrodek oddechowy robi to za pośrednictwem neuronów ruchowych, które aktywują mięśnie oddechowe (w szczególności przeponę). Wzrost ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla w osoczu krwi tętniczej powyżej 5,3 kPa (40 mmHg) odruchowo powoduje wzrost szybkości i głębokości oddychania. Normalne oddychanie jest wznawiane, gdy ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla wróci do 5,3 kPa. Konwersja zachodzi, gdy ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla spadnie poniżej normalnego zakresu. Oddychanie może być tymczasowo wstrzymane lub spowolnione, aby umożliwić ponowne gromadzenie się dwutlenku węgla w płucach i krwi tętniczej.
czujnik stężenia HCO−
3 w osoczu nie jest pewny. Jest bardzo prawdopodobne, że komórki kanalików nerkowych w kanalikach dystalnych są wrażliwe na pH osocza. Metabolizm tych komórek wytwarza CO2, który jest szybko przekształcany do H + i HCO –
3 poprzez działanie anhydrazy węglanowej. Gdy płyny pozakomórkowe mają tendencję do kwasowości, komórki kanalików nerkowych wydzielają jony H+ do płynu kanalikowego, skąd wychodzą z organizmu przez mocz. Jony HCO-
3 są jednocześnie wydzielane do osocza krwi, zwiększając w ten sposób stężenie jonów wodorowęglanowych w osoczu, obniżając stosunek kwasu węglowego do jonów wodorowęglanowych, a tym samym podnosząc pH osocza. Konwersja zachodzi, gdy pH osocza wzrasta powyżej normy: jony wodorowęglanowe są wydalane do moczu, a jony wodorowe do osocza. Łączą się one z jonami wodorowęglanowymi w osoczu, tworząc kwas węglowy (H + + HCO –
3 = H2CO3), zwiększając w ten sposób stosunek kwas węglowy do wodorowęglanu w płynach pozakomórkowych i przywracając jego pH do normy.
ogólnie rzecz biorąc, metabolizm wytwarza więcej odpadowych kwasów niż zasad. Mocz jest zatem na ogół kwaśny. Kwasowość moczu jest do pewnego stopnia neutralizowana przez amoniak (NH3), który jest wydalany z moczem, gdy glutaminian i glutamina (nośniki nadmiaru, już nie potrzebne, grupy aminowe) są deaminowane przez dystalne komórki nabłonkowe kanalików nerkowych. Tak więc część „zawartości kwasu” w moczu znajduje się w powstałej zawartości jonu amonowego (NH4+) w moczu, chociaż nie ma to wpływu na homeostazę pH płynów pozakomórkowych.