Регуляция и нарушения кислотно-основного баланса

Ион водорода (Н+) особенно реактивен; он соединяется с отрицательно заряженными белками и, если присутствует в высокой концентрации, меняет их общий заряд, конфигурацию и функцию. Поэтому в организме существуют механизмы поддержания концентрации Н+ в узких пределах - от 37 до 43 нмоль/л. Нарушение этих механизмов может иметь тяжелые клинические последствия.

Кислотно-основной баланс тесно связан с жидкостным и электролитным обменом; нарушение одного из них обычно сказывается и на других.

Физиология кислотно-основного баланса

Большая часть кислот образуется при метаболизме углеводов и жиров, в процессе которого ежесуточно продуцируется от 15 000 до 20 000 ммоль CO₂. Сама по себе CO₂ кислотой не является, но, взаимодействуя с водой (H₂O) крови, превращается в угольную кислоту (Н₂СО₃). Последняя в присутствии фермента карбоангидразы диссоциирует на ⁺НСО₃^-. Н⁺ связывается с гемоглобином в эритроцитах и высвобождается при оксигенации крови в легочных альвеолах, где происходит обратная реакция с образованием H₂O и CO₂; CO₂ выводится из организма при каждом выдохе.

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 ЖКТ и почки.

Большая часть оснований продуцируется в процессе метаболизма анионных аминокислот (глютамата и аспартата), а также при потреблении органических анионов, таких как лактат и цитрат, при окислении которых образуется НСО₃^-.

Кислотно-основной баланс

Кислотно-основной баланс поддерживается химическими буферными системами, а также выведением избытка кислот или оснований через легкие и почки.

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. Буферная система состоит из слабой кислоты и связанного с ней основания. Основание присоединяет Н⁺, а слабая кислота отсоединяется и тем самым сводит к минимуму изменения концентрации свободного Н⁺.

Увеличение концентрации Надвигает уравнение вправо, т.е. образуется больше CO₂. Концентрация CO₂ контролируется вентиляцией легочных альвеол, а концентрации Н⁺ и НСО₃^- почечной экскрецией.

Отношения между НСО₃^- и CO₂ в системе можно описать уравнением Кассирера - Блейха, производным уравнения Гендерсона - Гассель-бальха: Н⁺=24хPCO₂/НСО₃^-

Это уравнение иллюстрирует зависимость кислотно-основного баланса от отношения PCO₂НСО₃^-, а не от абсолютных значений каждого показателя. Пользуясь этой формулой, по значениям любых двух показателей (обычно H⁺ и PCO₂) можно рассчитать значение третьего (обычно НСО₃^-).

К другим важным физиологическим буферным системам относятся внутриклеточные органические и неорганические фосфаты, а также белки, в том числе гемоглобин. Внеклеточные фосфаты и белки плазмы в этом отношении играют меньшую роль. Кости приобретают функцию буфера, поглощая внеклеточный НСО₃^-. Вначале они в обмен на Н⁺ высвобождают карбонат Na (NaHCO3)₃) и карбонат К (KHCO3), а при более продолжительной кислотной нагрузке - карбонат Ca (CaCO₃) и фосфат Ca (CaPCO₄). Поэтому длительная ацидемия сопровождается деминерализацией костей и остеопорозом.

Легочная регуляция. 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. 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. Почки контролируют рН, изменяя реабсорбцию НСО₃^- и экскрецию H⁺; задержка НСО₃^- эквивалентна количеству выводимого свободного Н⁺.

Реабсорбция НСО₃^- происходит главным образом в проксимальных канальцах и в собирательных трубочках. В канальцевых клетках Н₂О диссоциирует на Н⁺ и гидроксид (ОН^-). Под действием карбоангидразы ОН^- соединяется с CO₂, образуя НСО₃^-, который транспортируется обратно в перитубулярные капилляры, тогда как Н⁺ секретируется в просвет канальца и там соединяется со свободно фильтруемым НСО₃^-, образуя CO₂ и Н₂О, которые также подвергаются реабсорбции. Таким образом, реабсорбируемые ионы НСО₃^- - это те, которые образовались заново, а не те, которые фильтровались в клубочках. Снижение эффективного объема циркуляции (как это происходит при приеме диуретиков) усиливает реабсорбцию НСО₃^-, тогда как повышение уровня паратиреоидного гормона в ответ на кислотную нагрузку снижает реабсорбцию этого иона. К усилению реабсорбции НСО₃^- приводит также повышение PCO₂, а снижение уровня Cl^- (обычно вследствие гиповолемии) усиливает реабсорбцию Na⁺ и образование НСО₃^- в проксимальных канальцах.

Н⁺ активно секретируется в просвет проксимальных и дистальных канальцев, где присоединяется к буферным соединениям мочи - главным образом к свободно фильтруемым 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 нее влияют также уровни 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.

Нарушения кислотно-основного баланса

Нарушения кислотно-основного баланса включают изменения PCO₂ артериальной крови, уровня HCO₃^- в сыворотке и pH сыворотки.

• Ацидемия - pH сыворотки <7,35.
• Алкалемия - pH 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 pH зависят от степени физиологической компенсации нарушений кислотно-основного баланса и участия в этой компенсации множества процессов.

Классификация

Первичные нарушения кислотно-основного баланса разделяют на метаболические и дыхательные в зависимости от клинических проявлений и от того, связаны ли изменения pH в основном с изменением уровня HCO₃^- или PCO₂ в сыворотке.

Метаболический ацидоз - концентрация HCO₃^- в сыворотке <24 мэкв/л.

Причины:

• повышенное образование кислот;
• потребление кислот;
• снижение почечной экскреции кислот;
• потери HCO₃^- через ЖКТ или почки

Метаболический алкалоз - концентрация HCO₃^- в сыворотке >24 мэкв/л.

Причины:

• потеря кислот;
• задержка HCO₃^-.

Дыхательный ацидоз - PCO₂ >40 мм рт. ст.

Причина:

• уменьшение минутной вентиляции (гиповенгиляция).

Дыхательный алкалоз - PCO₂ <40 мм рт.ст.

Причина:

• увеличение минутной вентиляции (гипервентиляция).

Когда бы ни возникли нарушения кислотно-основного баланса, компенсаторные механизмы начинают корректировать pH. Компенсация не обеспечивает полной нормализации pH и никогда не бывает чрезмерной.

Симптомы и признаки

Клинические проявления компенсированных, или легких, нарушений кислотно-основного баланса немногочисленны, тогда как тяжелые некомпенсированные сдвиги имеют множество сердечно-сосудистых, дыхательных, неврологических и метаболических последствий.

Диагностика

Определение ГАК и электролитов в сыворотке. Определение ГАК позволяет прямо получить значения рН и PCO₂. Уровень HCO₃^- рассчитывают по уравнению Гендерсона-Гассельбальха; при химическом анализе сыворотки можно прямо и более точно определить этот уровень. Наиболее точную оценку кислотно-основного баланса, как правило, можно получить, измеряя pH и PCO₂ именно 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.

Значения pH характеризуют первичное нарушение (ацидоз или алкалоз), хотя компенсаторные процессы смещают эти значения к норме. Изменения PCO₂ отражают дыхательный компонент, а изменения HCO₃^- метаболический.
Однако чтобы решить, являются ли изменения PCO₂ и HCO₃^- первичными или компенсаторными и имеет ли место смешанное нарушение, могут потребоваться некоторые вычисления; при смешанных нарушениях результаты определений могут быть обманчиво нормальными. 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^- и высокой концентрацией 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.