Кислотно-щелочной обмен

Авторы:James L. Lewis III, MD, Brookwood Baptist Health and Saint Vincent’s Ascension Health, Birmingham
Проверено/пересмотрено июл. 2023
Ресурсы по теме

Метаболические процессы в организме человека непрерывно приводят к образованию кислот и, в меньшей степени, к образованию оснований. Ион водорода (Н+) особенно реактивен; он соединяется с отрицательно заряженными белками и, если присутствует в высокой концентрации, меняет их общий заряд, конфигурацию и функцию. Для поддержания клеточной функции в организме существуют тщательно продуманные механизмы поддержания концентрации H+ в крови в узком диапазоне - обычно от 37 до 43 нЭкв/л (37-43 нмоль/л) с рН от 7,43 до 7,37, где рН =log [H]+]. В идеале, Н+ составляет 40 нЭкв/л (40 нмоль/л) и рН = 7,40. Нарушение этих механизмов может иметь тяжелые клинические последствия.

Кислотно-основное равновесие тесно связано с водным метаболизмом и водно-солевым балансом; нарушение одного из них обычно сказывается и на другом.

Физиология кислотно-щелочного обмена

Большинство кислот синтезируются вследствие метаболизма

  • Углеводы

  • Жиры

Ежедневно при углеводно-жировом обмене генерируется от 15 000 до 20 000 ммоль двуокиси углерода (CO2). CO2 сама по себе не является кислотой, но в присутствии одного из представителей семейства ферментов карбоангидраза CO2 соединяется в крови с водой (H2O), образуя угольную кислоту (H2CO3), которая распадается на ион водорода (Н+) и бикарбонат (HCO3). H+ связывается с гемоглобином в эритроцитах и освобождается при оксигенации в альвеолах, в это же время данная реакция инвертируется иной реакцией карбоангидразы, создавая воду (H2О), экскретируемую из организма через почки, и CO2, которая выводится при каждом выдыхании воздуха.

Меньшие количества органических кислот образуются при:

  • Неполном метаболизме глюкозы и жирных кислот (их превращении в молочную и кетокислоты)

  • Метаболизме серусодержащих аминокислот (цистеина, метионина) с образованием серной кислоты

  • Метаболизме положительно заряженных аминокислот (аргинин, лизин)

  • Гидролизе фосфатов, потребляемых с пищей

Эта «фиксированная» или метаболическая кислотная нагрузка не выводится при дыхании и поэтому должна либо нейтрализоваться, либо экскретироваться через почки.

Большинство оснований образуется в процессе

  • Метаболизм анионных аминокислот (глутамата, аспартата)

  • Окисление и потребление органических анионов, таких как лактат и цитрат, которые обеспечивают HCO3

Кислотно-основный баланс

Кислотно-щелочной баланс поддерживается с помощью

  • Химических буферных систем

  • Легочной активности

  • Почечной активности

Химические буферные системы

Химические буферные системы – это растворы, демпфирующие изменения рН. Внутри- и внеклеточные буферные системы немедленно реагируют на нарушения кислотно-основного баланса. Важную буферную функцию выполняют и кости, особенно при перегрузке кислотами.

Буферная система состоит из слабой кислоты и связанного с ней основания. Основание присоединяет Н+, а слабая кислота его отсоединяет, тем самым сводя к минимуму изменения концентрации свободного Н+. Буферная система позволяет минимизировать изменения рН вблизи константы равновесия (рКа); таким образом, хотя в организме потенциально существуют много буферных пар, физиологически значимы только некоторые из них.

Отношения между рН буферной системы и концентрацией ее компонентов описывается уравнением Гендерсона-Хассельбаха:

equation

где рКа представляет собой константу диссоциации слабой кислоты

Наиболее важная внеклеточная буферная система HCO3/CO2 описывается уравнением:

equation

Увеличение концентрации Н+сдвигает уравнение вправо, т.е. образуется CO2.

Эта важная буферная система регулируется на высоком уровне. Концентрацию CO2 можно точно контролировать с помощью альвеолярной вентиляции, а концентрации H+ и HCO3 можно точно отрегулировать с помощью почечной экскреции.

Соотношение между рН, HCO3, и CO2 в системе, описываемой уравнением Гендерсона-Хассельбаха, следующее:

equation

Или аналогично, с помощью уравнения Кассирера-Блайха, полученного из уравнения Гендерсона-Хассельбаха:

equation

ПРИМЕЧАНИЕ: для преобразования артериального рН в [H+] используют:

equation

или

equation

Оба уравнения показывают, что кислотно-щелочной баланс зависит от соотношения парциального давления углекислого газа (PСО2) и HCO3, а не абсолютного значения только одного из этих веществ. С помощью этих формул любую из 2 переменных можно использовать для вычисления третьей.

К другим важным химическим буферным системам относятся внутриклеточные органические и неорганические фосфаты, а также белки, в том числе гемоглобин в эритроцитах. Внеклеточные фосфаты и белки плазмы в этом отношении играют меньшую роль.

При кислотной нагрузке важным буфером становятся кости. Кости вначале выделяют бикарбонат натрия (NaHCO3) и бикарбонат калия (KHCO3) в обмен на Н+. При длительной кислотной нагрузке в кости выделяется карбонат кальция (СаCO3) и фосфат кальция (Са)PO4). Поэтому длительная ацидемия сопровождается деминерализацией костей и остеопорозом.

Клинический калькулятор

Легочная регуляция pH

Концентрация CO2 жестко регулируется дыхательным объемом и частотой дыхания (минутной вентиляцией). Снижение рН воспринимается артериальными хеморецепторами и приводит к увеличению дыхательного объема или частоты дыхания, и это увеличивает выдыхание CO2 и тем самым повышает рН крови. В отличие от химических буферных систем, которые немедленно реагируют на изменения рН, легочная регуляция осуществляется в течение минут или часов. Ее эффективность колеблется от 50 до 75%, и она не полностью нормализует рН.

Почечная регуляция pH

Контроль рН почками регулирует выводимое или поглощаемое количество HCO3. Реабсорбция HCO3 эквивалентна экскреции свободного H+. Реакция почек на изменение кислотно-основного баланса продолжается от нескольких часов до нескольких суток.

HCO3 в сыворотке при прохождении через клубочки полностью фильтруется. Реабсорбция HCO3 происходит главным образом в проксимальных канальцах и (в меньшей степени) в собирательных трубочках. В дистальных канальцевых клетках H2О диссоциирует на Н+и гидроксид (ОН); под действием карбоангидразы ОН соединяется с CO2, образуя HCO3, который транспортируется обратно в перитубулярные капилляры, тогда как Н+ секретируется в просвет канальца и там соединяется со свободно фильтруемым HCO3, образуя CO2 и H2О, которые также подвергаются реабсорбции. Таким образом, реабсорбируемые в дистальных канальцах ионы HCO3 – это образовавшиеся заново, а не профильтрованные в клубочках.

Снижение эффективного объема циркуляции (как это происходит при приеме диуретиков) усиливает реабсорбцию HCO3, тогда как повышение уровня паратиреоидного гормона в ответ на кислотную нагрузку снижает реабсорбцию HCO3. К усилению реабсорбции Pco2 приводит также повышение HCO3, а снижение уровня хлорид-ионов (Cl) (обычно вследствие гиповолемии) усиливает реабсорбцию ионов натрия (Na+) и образование HCO3 в проксимальных канальцах.

Кислота активно экскретируется в просвет проксимальных и дистальных канальцев, где присоединяется к буферным соединениям мочи – главным образом к свободно фильтруемым фосфатам (HPO4−2), креатинину, мочевой кислоте и аммиаку – и выводится из организма. Аммиачная буферная система играет особенно важную роль, так как другие буферные соединения фильтруются в фиксированных концентрациях, и их содержание при высоких кислотных нагрузках может снижаться, в отличие от этого продукция аммиака активно регулируется канальцевыми клетками в ответ на изменения кислотной нагрузки. Секреция кислоты зависит главным образом от рН артериальной крови, но на экскрецию также влияют уровни содержания калия (К+), Cl и альдостерона. Секреция Н+ и внутриклеточная концентрация К+ находятся в реципрокных отношениях: снижение уровня К+ усиливает секрецию Н+ и, следовательно, способствует развитию метаболического алкалоза.

quizzes_lightbulb_red
Test your KnowledgeTake a Quiz!
Загрузите приложение "Справочник MSD"! ANDROID iOS
Загрузите приложение "Справочник MSD"! ANDROID iOS
Загрузите приложение "Справочник MSD"! ANDROID iOS

Нарушения кислотно-основного баланса

Авторы:James L. Lewis III, MD, Brookwood Baptist Health and Saint Vincent’s Ascension Health, Birmingham
Проверено/пересмотрено июл. 2023

Кислотно-основные нарушения являются патологическими изменениями парциальнго давления двуокиси углерода (Pco2), а также уровня бикарбоната (HCO3) в сыворотке, которые обычно приводят к аномальным значениям артериальной pH.

  • Ацидемия – рН сыворотки <7,35.

  • Алкалемия – рН сыворотки >7,45.

  • Ацидоз обусловливается физиологическими процессами, сопровождающимися накоплением кислот или потерей оснований.

  • Алкалоз обусловливается физиологическими процессами, сопровождающимися накоплением основанием или потерей кислот.

Реальные изменения рН зависят от степени физиологической компенсации нарушений кислотно-основного баланса и участия в этой компенсации множества процессов.

(См. также Регуляция кислотно-щелочного обмена (Acid-Base Regulation)).

Классификация нарушений кислотно-основного баланса

Первичные нарушения кислотно-основного баланса разделяют на метаболические и дыхательные в зависимости от клинических проявлений и от того, связаны ли изменения рН в основном с изменением уровня HCO3 или Pco2 в сыворотке.

Метаболический ацидоз – концентрация HCO3 в сыворотке крови < 24 мЭкв/л (< 24 ммоль/л). Причины:

  • Увеличенная выработка кислоты

  • Потребление кислот

  • Снижение почечной экскреции кислот

  • Потери HCO3 через желудочно-кишечный тракт или почки

Метаболический алкалоз – концентрация HCO3 в сыворотке крови > 28 мЭкв/л (> 28 ммоль/л). Причины:

  • Потери кислоты

  • Задержка HCO3

Дыхательный ацидоз – Pco2> 40 мм рт. ст. (гиперкапния). Причина:

  • Уменьшение минутной вентиляции (гиповентиляция)

Дыхательный алкалоз – Pco2< 38 мм рт. ст. (гипокапния). Причина:

  • Увеличение минутной вентиляции (гипервентиляция)

Компенсаторные механизмы направлены на коррекцию рН (см. таблицу Первичные и компенсаторные изменения при нарушениях кислотно-основного баланса) при нарушениях кислотно-основного баланса. Компенсация не обеспечивает полной нормализации рН и никогда не бывает чрезмерной.

Первичное нарушение кислотно-основного баланса является простым кислотно-основным нарушением с его сопутствующей компенсаторной реакцией.

Смешанные (иногда называют комплексными) нарушения кислотно-основного баланса содержат ≥ 2 первичных нарушения.

Здравый смысл и предостережения

  • Компенсаторные механизмы кислотно-основного нарушения являются типом петли отрицательной обратной связи, основанной на рН. Как таковые, они уменьшаются, когда рН приближается к нормальному диапазону и не возвращают рН полностью к нормальному и никогда не превышают допустимых значений.

Таблица
Таблица

Симптомы и признаки нарушений кислотно-основного баланса

Клинические проявления компенсированных, или легких, нарушений кислотно-основного баланса немногочисленны.

Тяжелые некомпенсированные нарушения имеют множественные сердечно-сосудистые, респираторные, неврологические и метаболические последствия (см. таблицу Клинические последствия нарушения кислотно-основного баланса и рисунок Кривая диссоциация оксигемоглобина).

Таблица
Таблица

Диагностика нарушений кислотно-основного баланса

  • Газы артериальной крови (ABG)

  • Уровень электролитов в сыворотке

  • Расчет анионной щели

  • При метаболическом ацидозе рассчитывается дельта анионной щели и применяется формула Винтера

  • Поиски компенсаторных изменений

Определение газов артериальной крови и электролитов в сыворотке. Определение газов артериальной крови позволяет прямо получить значения рН и Pco2. Уровень HCO3, показанный газовым анализатором артериальной крови, рассчитывается по уравнению Гендерсона-Гассельбаха. Уровень HCO3 на панели биохимического анализа сыворотки измеряется напрямую. Прямое измерение уровней HCO3 считается наиболее точным в случаях расхождения.

Наиболее точную оценку кислотно-основного баланса можно получить, измеряя рН и Рсо2 именно в артериальной крови. Однако при недостаточности кровообращения или сердечно-легочной реанимации показатели венозной крови точнее отражают кислотно-основной баланс на тканевом уровне, и ими можно руководствоваться при оценке адекватности бикарбонатной терапии или вентиляции.

Основной процесс (ацидоз или алкалоз) определяется уровнем рН, хотя он движется к диапазону нормальных значений с компенсацией. Изменения Pco2 отражают дыхательную составляющую, а изменения HCO3 – метаболическую.

Комплексные или смешанные нарушения кислотно-основного баланса связаны с более чем одним основным процессом. При этих смешанных расстройствах значения могут быть обманчиво нормальными. Таким образом, при оценке кислотно-основных нарушений важно определить, является ли изменение Рсо2 и HCO3 признаком ожидаемой компенсации (см. таблицу Первичные и компенсаторные изменения при нарушениях кислотно-основного баланса). Если нет, то следует заподозрить второй первичный процесс, вызывающий патологическую компенсацию. Поэтому при интерпретации результатов измерений и вычислений необходимо учитывать клинические данные (например, хроническую патологию легких, почечную недостаточность, передозировку ряда лекарственных средств).

Всегда следует рассчитывать величину анионной щели. Ее увеличение почти всегда указывает на метаболический ацидоз. Нормальная анионная щель с низким уровнем HCO3 (например, < 24 мЭкв/л [< 24 ммоль/л]) и высокой концентрацией хлорида (Cl) в сыворотке свидетельствует о неанионном (гиперхлоремическом) метаболическом ацидозе. При метаболическом ацидозе рассчитывают дельту анионной щели для выявления сопутствующего метаболического алкалоза и применяют формулу Винтера, чтобы установить, является ли дыхательная компенсация адекватной, или отражает второе нарушение кислотно-основного баланса (ожидаемое значение Pco2 = 1,5 [HCO3] + 8 ± 2; если Pco2 выше, то одновременно присутствует первичный дыхательный ацидоз, если ниже — дыхательный алкалоз).

Дыхательный ацидоз предполагают при Pco2> 40 мм рт. ст.; его нужно компенсировать повышением HCO3 на 3–4 мЭкв/л (3–4 ммоль/л) на каждые 10 мм рт. ст. повышения Pco2 в течение 4–12 часов (это повышение может отсутствовать или составлять всего 1–2 мЭкв/л [1–2 ммоль/л], но медленно увеличиваться до 3–4 мЭкв/л [3–4 ммоль/л] в последующие дни). Более значительное повышение HCO3 говорит о первичном метаболическом алкалозе, менее значительное – о недостаточном времени для компенсации или сопутствующем первичном метаболическом ацидозе.

На метаболический алкалоз указывает концентрация HCO3> 28 мЭкв/л (> 28 ммоль/л). Pco2 должна компенсировать повышение HCO3 на каждый 1 мЭкв/л [1 ммоль/л] (примерно до 55 мм рт. ст.) путем повышения до 0,6-0,75 мм рт. ст. Более значительное повышение говорит о сопутствующем дыхательном ацидозе, менее значительное – о дыхательном алкалозе.

На дыхательный алкалоз указывает Pco2< 38 мм рт. ст. Уровень HCO3 должен за 4-12 часов компенсаторно снижаться на 4-5 мЭкв/л (4-5 ммоль/л) при снижении Рco2 на каждые 10 мм рт. ст. Меньшее снижение говорит о недостаточном времени для компенсации или о первичном метаболическом алкалозе. Большее увеличение означает первичный метаболический ацидоз.

Nomograms Диагностировать смешанные нарушения кислотно-основного баланса можно и по номограмме (карте кислотно-основного баланса), на которую одновременно наносятся значения рН, HCO3 и Pco2.

Уравнения для расчета кислотно-основного баланса

Расчет анионной щели

Анионная щель определяется как концентрация сывороточного натрия (Na) минус сумма концентраций сывороточных ионов хлорида (Cl) и бикарбоната (HCO3).

Na+ (Cl+ HCO3)

Термин "щель" неточный, поскольку закон электронейтральности требует наличия в открытой системе одинакового количества положительных и отрицательных зарядов; щель появляется при лабораторных исследованиях, поскольку определенные катионы (+) и анионы (−) при стандартных лабораторных биохимических исследованиях определить невозможно. Таким образом,

Na+ + неучтенные катионы (НК) = Cl+ HCO3 + неучтенные анионы (НА)

и анионный интервал,

Na+ (Cl+ HCO3) = UA UC

Основные "неучтенные" анионы - это фосфат (PO43), сульфат (SO4), различные отрицательно заряженные белки, а также некоторые органические кислоты в количестве 20-24 мЭкв/л (20-24 ммоль/л).

Преобладающими "неучтенными" внеклеточными катионами являются калий (К+), кальций (Ca++) и магний (Mg++), составляющие около 11 мЭкв/л (5,5 ммоль/л).

Таким образом, типичная анионная щель равна 23 11 = 12 мЭкв/л (12 ммоль/л). Анионная щель может изменяться при увеличении или уменьшении UC или UA.

Увеличение анионной щели чаще всего вызвано метаболическим ацидозом, при котором отрицательно заряженные кислоты - в основном кетоны, лактат, сульфаты, метаболиты метанола, этиленгликоля или салицилата - потребляются (буферизуются) HCO3. Другие причины повышенной анионной щели включают гиперальбуминемию или уремию (увеличение содержания анионов) и гипокальциемию или гипомагниемию (снижение содержания катионов).

Уменьшение анионной щели не имеет отношения к метаболическому ацидозу, а вызвано гипоальбуминемией (снижением содержания анионов); гиперкальциемией, гипермагниемией, интоксикацией литием и гипергаммаглобулинемией, например, при миеломе (увеличение содержания катионов); либо гипервязкостью или интоксикацией галогенидом (бромидом или йодидом). Эффект низкого содержания альбумина может быть обусловлен коррекцией нормального диапазона анионной щели на 2,5 мЭкв/л (2,5 ммоль/л) вверх на каждые 1 г/дл (10 г/л) снижения уровня альбумина.

Отрицательная анионная щель встречается редко, в качестве лабораторного артефакта, при тяжелой гипернатриемии, гиперлипидемии, интоксикации бромидом.

Дельта анионной щели: Разница между анионной щелью пациента и нормальной анионной щелью называется дельтой анионной щели. Эта сумма считается эквивалентом HCO3, поскольку для каждого повышения единицы в анионном промежутке значение HCO3 должно снижаться на 1 (путем буферизации). Таким образом, если к измеренной HCO3 добавляется дельта анионной щели, результат для HCO3 должен находиться в нормальном диапазоне; повышение указывает на дополнительное наличие метаболического алкалоза.

Пример: рвота, плохо выглядящий пациент с расстройством, связанным с употреблением алкоголя, имеет лабораторные результаты, показывающие

  • Na: 137

  • K: 3,8

  • Cl: 90

  • HCO3: 22

  • pH: 7,40

  • PCO2: 41

  • по2: 85

На первый взгляд, результаты обычные. Однако расчеты показывают увеличение анионной щели:

137 (90 + 22) = 25 (нормальный − от 10 до 12)

указывает на наличие метаболического алкалоза. Респираторную компенсацию оценивают по формуле Винтера:

Прогнозируемое значение Рсо2= 1,5 (22) + 8 ± 2 = 41 ± 2

Прогнозируемое = измеренному, поэтому респираторная компенсация адекватная.

Поскольку имеется метаболический ацидоз, вычисляют дельту анионной щели, и результат добавляют к измеренному HCO3:

25 10 = 15

15 + 22 = 37

Полученное скорригированное значение HCO3 выше нормального диапазона для HCO3, что указывает на сопутствующее наличие первичного метаболического алкалоза. Таким образом, у пациента имеется смешанное кислотно-основное нарушение.

Используя клиническую информацию, можно теоретически предложить развитие метаболического ацидоза из алкогольного кетоацидоза в сочетании с метаболическим алкалозом вследствие рецидивирующей рвоты с потерей кислоты (HCl) и объема. Ведение этого пациента должно включать лечение для купирования каждого первичного кислотно-основного заболевания.

Основные положения

  • Ацидоз и алкалоз относятся к физиологическим процессам, вызывающим накопление или потерю кислот и/или щелочей; рН крови может нарушаться, но не всегда.

  • Ацидемия и алкалоз - см. нарушения рН в сыворотке крови в кислую (рН < 7,35) или щелочную (рН > 7,45) сторону.

  • Кислотно-основные нарушения классифицируют как метаболические, если изменение рН в первую очередь обусловлено изменениями уровней бикарбонат-иона HCO3 в сыворотке крови, и респираторные, если изменение в первую очередь обусловлено изменениями Pсо2 (увеличением или уменьшением при дыхании).

  • Основной процесс (ацидоз или алкалоз) определяется рН; изменения Рco2 отражают респираторную составляющую, а изменения HCO3 – метаболическую.

  • Все кислотно-основные нарушения приводят к компенсации, как правило, нормализующей рН. Метаболические кислотно-основные нарушения приводят к дыхательной компенсации (изменения Pco2); респираторные кислотно-основные нарушения приводят к метаболической компенсации (изменения HCO3).

  • Одновременно может иметься более одного первичного нарушения кислотно-основного баланса. Важно выявить и устранить каждое первичное кислотно-основное нарушение.

  • При первичной лабораторной оценке кислотно-основного нарушения проводят измерения газов артериальной крови и электролитов сыворотки крови, а также расчет анионной разницы.

  • Используют одну из ряда формул, эмпирических правил или номограмм для определения кислотно-основного равновесия, и устанавливают, указывают ли лабораторные значения на один из видов кислотно-основных нарушений (и компенсацию), или также имеется и второе первичное кислотно-основное нарушение.

  • Лечат каждое первичное кислотно-основное нарушение.

quizzes_lightbulb_red
Test your KnowledgeTake a Quiz!
Загрузите приложение "Справочник MSD"! ANDROID iOS
Загрузите приложение "Справочник MSD"! ANDROID iOS
Загрузите приложение "Справочник MSD"! ANDROID iOS