酸堿平衡

　　機體在新陳代謝過程中不斷產生酸性物質與鹼性物質，這些物質都要釋放入血，並通過各種調節機制，使血液中酸與堿經常保持動態平衡，使血液的pH保持在7.4左右，通稱酸堿平衡。如果通過調節而不能取得平衡，就會出現酸堿平衡紊亂，嚴重時可危及生命。

　　體液中氫離子濃度和pH的涵義　在新陳代謝的過程中，機體不斷產生H⁺，主要有有兩個來源：①組織產生CO₂，CO₂溶於水生成H₂CO₃，H₂CO₃解離成HCO₃^-和H⁺，每天由此產生的H⁺約每升為12500毫摩爾；②由於蛋白質分解產生_H2SO₄和_H2PO₄，此兩酸放出的H⁺每天約每升為150毫摩爾。正常細胞外液含H⁺約每升4×1010^-8摩爾，其可能變化的幅度，可降到（1～6）×1010^-8摩爾／升，可升到每升1.2×10^-7摩爾。用實際數字來表示氫離子濃度很不方便，在生物學和醫學上用pH這個符號來表示。某個溶液的pH值定義為該溶液H⁺濃度的負對數（以10為底）。1 升純水含H⁺為每升10^-7摩爾，含OH^-也每升為10^-7摩爾，按

pH值＝－log氫離子濃度

公式計算，pH值＝-log10^-7＝7。當水的pH值等於7時為中性，pH值小於7時為酸性，pH值大於7時為堿性。

　　酸與堿的涵義　凡能釋放H⁺的物質叫做酸，是H⁺的供體，如_H2CO₃、_H2SO₄等。凡能接受H⁺的物質叫做堿，是H⁺的受體，如NaHCO₃、NaOH等。根據物質釋放H⁺或接受H⁺的多少，分別定為該物質的酸或堿的強度（表1）。

表1　H的供體和H⁺的受體

　　血液的pH值正常變化范圍很小，一般為7.35～7.45，如超出這一范圍，將影響細胞內酶的活性，機體功能也會出現障礙。當血液酸性偏高時，肌肉神經的興奮性將降低，腦的活動將受到抑制；反之，血液堿性偏高時，肌肉神經的興奮將升高，骨骼肌將出現痙攣。

　　酸堿平衡的維持，有賴於血液中存在的緩沖系統以及呼吸活動和腎臟的活動這三者的共同配合。緩沖系統對氫離子濃度的控制發揮作用很快，在1秒之內就可調整pH的變化，而呼吸系統需在1～3分鐘內才能調整，腎臟的作用最慢，需要幾小時或1天以上才能發揮作用。

　　血液緩沖系統對酸堿平衡的調節　血液中含有一系列對酸堿度變化起緩沖作用的物質，既能抗酸又能抗堿，這些物質是由弱酸和該弱酸鹽所組成的許多緩沖劑。例如，NaHCO₃/_H2CO₃為一對緩沖劑。當將強酸HCl加入這一緩沖溶液時，HCO₃^-就同它發生反應而成為弱酸_H2CO₃，結果pH變化不大。當將強堿NaOH加入時，_H2CO₃就同它發生反應，而生成弱堿NaHCO₃，因此pH值變化不大。可用反應式表示如下：

　　　　　HCl＋NaHCO₃─→H₂CO₃＋NaCl

　　　　　NaOH＋H₂CO₃─→NaHCO₃＋H₂O

　　根據Henderson-Hasselbalch公式，可計算出這一對緩沖劑的pH值：

由於血液中 _H2 CO ₃的含量極少，不易直接測量，但 _H2 CO ₃的含量取決於 CO ₂的溶解度( α)和 CO ₂的分壓( p co ₂)，因此，可將上式寫成下式。血漿 NaHCO ₃濃度為24毫克當量／升。正常動脈血漿 p co ₂為40毫米汞柱， α為0.030。

上式中 pK值為 _H2 CO ₃解離常數的負對數。[ HCO ₃ ^-]／[ _H2 CO ₃]＝24/1.2＝20/1。隻要血漿中[ HCO ₃ ^-]/[ _H2 CO ₃]的比值是20/1，則血液的pH值就能保持7.4。如加入固定酸，則pH值與 HCO ₃ ^-的含量均下降；反之，加入堿，則pH值與 HCO ₃ ^-的含量均上升。可是當血中 CO ₂增加時，則pH值下降，而 HCO ₃ ^-含量上升；當 CO ₂減少時，則 pH值上升，而 HCO ₃ ^-含量下降。

　　血漿和紅細胞中存在著幾對緩沖劑，它們對血液酸堿平衡起著重要調節作用。

　

　　HCO₃^-/_H2CO₃是血漿中一對主要緩沖劑，其含量雖然不大，但由於代謝過程不斷產生CO₂，呼吸運動不斷排出多餘的CO₂，腎臟在泌尿過程中可維持血漿中NaHCO₃的正常量，因此，使得HCO₃^-/_H2CO₃的濃度比值經常保持在20/1，從而使動脈血pH值穩定於7.4。如果HCO₃^-的含量減少一半，則pH值便從7.4降至6.0。通常將血液中HCO₃^-含量叫做堿貯，其正常值為每升22～28毫當量，平均為每升27毫當量；若用CO₂容積表示，則其正常值為50～70容積％。

　　在紅細胞中，量重要的緩沖劑是 K-HbO₂/H-HbO₂及K-Hb/H-Hb。當血液流過組織時，組織所產生的CO₂通過血漿而進入紅細胞，在細胞內借助於碳酸酐酶的作用，迅速形成_H2CO₃，後者解離為H⁺和HCO₃^-。HCO₃可以順著濃度差而彌散於血漿，這時引起血漿中的Cl^-彌散入紅細胞內（稱為Cl^-轉移），從而維持紅細胞內外的電中性。組織內的氧分壓很低，於是紅細胞中的HbO₂釋放出O₂以供給組織的氧化代謝。由於Hb的酸性較HbO₂要弱，Hb便與H⁺結合而成HHb，紅細胞內的pH值得以保持恒定。以上反應如下式的上一箭頭的方向所示：

當血液流經肺部時，肺內 CO ₂分壓較低，而 O ₂分壓則很高，於是上列化學反應循著相反箭頭方向進行，即 CO ₂逸出紅細胞而由肺排出體外，HHb 將 H ⁺釋出而與 O ₂結合成為 HbO ₂。這樣紅細胞內的pH值也得以保持恒定。

　　上述緩沖劑對血液中酸堿平衡確起著重要作用，但當血液中CO₂和H⁺含量增加過多時，單靠血液緩沖系統的作用便不夠，這時就需要依靠呼吸和腎臟兩方面的調節，才能使血液的pH值保持正常。

　　呼吸對酸堿平衡的調節　機體每天所產生的 CO₂總量是極其可觀的，隻是由於呼吸運動的不斷進行，因此CO₂產量雖多，但在正常情況下卻能及時排出體外，而不致瀦留在血中。呼吸運動的有節律地進行，固然有賴於中樞神經系統內各級呼吸中樞的控制，但血中CO₂分壓和H⁺濃度的波動，對呼吸中樞所傳遞的信息也起重要作用。每當CO₂分壓或H⁺濃度增加，就會刺激位於延髓的中樞化學感受器及位於頸動脈體、主動脈體的外周化學感受器，提高呼吸中樞的興奮，而加強呼吸，增加肺通氣量，結果使CO₂分壓和H⁺濃度恢復正常。反之，CO₂分壓和H⁺濃度下降時，則反射地抑制呼吸中樞的興奮，結果通氣量減少，CO₂分壓和H⁺濃度也得以恢復正常。

　　在肺通氣發生異常變化時，〔HCO₃^-〕/［_H2CO₃］濃度比值就會發生顯著改變。例如，當肺通氣障礙時（如由於氣道阻塞、肺氣腫或由於呼吸中樞處於深度抑制），血中CO₂不能順暢地排出體外，以致CO₂分壓升高超出正常范圍，血漿中_H2CO₃濃度顯著增加，這就造成呼吸性酸中毒。反之，當肺通氣過度時（如由於發高燒或應用過量的呼吸中樞興奮劑），則將由於血中CO₂呼出過多，CO₂分壓降至正常范圍以下，血漿_H2CO₃濃度就會下降，從而導致呼吸性堿中毒。以上兩種異常情況的發生，都需要腎臟的調節來使血液酸堿平衡得到恢復。

　　腎臟對酸堿平衡的調節　腎臟是調節血液酸堿平衡的最後環節，腎臟這一功能是通過腎小管對H⁺的分泌和對HCO₃^-的保留(所謂排酸保堿)來實現的。而這一功能的實現，現在都同意用氫－鈉離子交換的學說來解釋。這一學說的要點是腎小管上皮細胞內含有碳酸酐酶，當CO₂從腎小管液中或從腎小管周圍的細胞外液中彌散到上皮細胞內，或者由上皮細胞本身的代謝而產生時，CO₂就在碳酸酐酶作用下與細胞內的H₂O結合生成H₂CO₃，後者解離為H⁺和HCO₃^-，H⁺被上皮細胞主動分泌在腎小管液中，HCO₃^-則留在細胞內（圖1）。

　　在H⁺分泌的同時，腎小管液中的Na⁺就被動地轉運到細胞內，以保持細胞內的正負離子平衡。這一過程叫做H⁺-Na⁺交換。隨著_H2CO₃的不斷生成和解離，腎小管細胞內的Na⁺和HCO₃^-濃度增加，於是這一對正負離子分別彌散於細胞外液而回到血液。這種H⁺-Na⁺交換機制，對於血液酸堿平衡的調節可起以下三種作用：①能使腎小球濾液中的碳酸氫鈉(NaHCO₃)全部回到血液；②使腎小球濾液中的堿性磷酸鹽(Na₂HPO₄)變成酸性磷酸鹽(Na_H2PO₄)而排出，並使一部分有機酸鹽變成遊離的有機酸排出，叫做尿的酸化過程；③在腎小管細胞內生成氨而分泌於腎小管腔中，然後，以銨鹽形式隨尿排出。

　　NaHCO₃是由血漿通過腎小球濾到腎小管的，到腎小管後解離為Na⁺和HCO₃^-，Na⁺通過H⁺-Na⁺交換機制而轉運於細胞內，HCO₃^-則在腎小管液中與細胞分泌的H⁺結合成_H2CO₃，後者解離為CO₂和_H2O。CO₂可以彌散到細胞內，_H2O即隨尿排出。在正常人腎臟排出酸性尿的情況下，腎小管各段所分泌的H⁺是很豐富的，足以與腎小球濾液中的HCO₃^-全部結合為_H2CO₃而再分解為CO₂和_H2O。CO₂彌散到腎小管細胞後，在碳酸酐酶作用下和_H2O結合而成_H2CO₃，再解離為H⁺與HCO₃^-，HCO₃彌散到細胞外液。因此，被重吸收的HCO₃^-並不是原先由腎小球濾下的，而是在腎小管細胞內新合成的。因HCO₃^-離子較大，很難透過腎小管。此點很重要，值得註意。

　　尿的酸化，主要是通過酸性磷酸鹽和遊離有機酸(包括乙酰乙酸、β－羥丁酸等) 的形式排出。這也是通過H⁺-Na⁺交換機制的。在正常人血漿中，堿性磷酸鹽較多，酸性磷酸鹽較少，兩者濃度的比值為4：1。當腎小管分泌的H⁺增加時，一部分H⁺就和Na₂HPO₄解離出來的Na⁺進行交換，使得Na_H2PO₄濃度相應增加，因此尿呈酸性。被重吸收的 Na⁺最後也和細胞內生成的HCO₃^-一起回到細胞外液而入血。有機酸在血漿中本是同Na⁺結合而成有機酸鹽的，當它由腎小球濾到腎小管後，由於Na⁺與腎小管分泌的H⁺進行交換，使得有機酸鹽成為遊離有機酸隨尿排出，這是尿酸化的原因之一。

　　腎小管細胞能利用谷酰胺和一些氨基酸合成氨，氨易溶於脂肪，能彌散出細胞膜而進入腎小管液中。在機體代謝產生大量固定酸的情況下，腎小管的泌氫活動和氨的生成都加強，H⁺與NH₃在腎小管液中合成N₄⁺，並進一步與腎小球濾出的強酸鹽的負離子(如Cl^-，S₄^2-等)結合而成弱酸性銨鹽〔如NH₄Cl，（NH₄）₂SO₄〕隨尿排出。這樣使尿的pH值不致過度降低，有利於H⁺的分泌。由強酸鹽解離出的Na⁺，也與H⁺交換而進入腎小管細胞，並和細胞內生成的HCO₃^-一起轉運到細胞外液（圖2）。

　　通過上述的腎小管泌氫、泌氨和H⁺-Na⁺交換，腎小管細胞不僅排出大量酸性物質，而且也收回瞭NaHCO₃，這就大大有利於血液中正常pH值的保持。

　　腎小管的泌氫活動要受到各種因素的影響：如動脈血中CO₂分壓升高，H⁺分泌將增加。如腎小管細胞鉀的分泌增加，H⁺分泌將減少，因為K⁺-Na⁺交換與H⁺-Na⁺交換具有競爭性抑制作用。當腎小管細胞內碳酸酐酶活性被藥物所抑制時，H⁺的分泌即停止。

　　如果由於腎功能不全，以至不能排出正常代謝所產生的固定酸；或由於代謝異常，產生過多的固定酸，都將引起血漿HCO₃^-濃度下降，形成代謝性酸中毒。反之，如果血漿中HCO₃^-過多（如由於口服NaHCO₃制劑過多），或由於血中固定酸大量丟失（如由於劇烈嘔吐，隨著胃酸大量喪失，血液Cl^-含量減少，於是HCO₃^-相應地增加，以補償失去的負離子），則將造成代謝性堿中毒。無論代謝性酸中毒或代謝性堿中毒，都有賴呼吸和腎臟兩方面進行調節，而以腎的調節更為重要。