身體如何保持酸鹼平衡 Acid Base Balance?

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身體如何保持酸鹼平衡 Acid Base Balance?

為了維持體內平衡,人體採用許多生理適應,其中之一是維持酸鹼平衡, 在沒有病態的情況下,人體的pH值介於7.35至7.45之間,平均值為7.40。 為什麼是這個數字? 為什麼不是中性數量的7.0而是略帶鹼性的7.40? 這個水平的酸鹼值對許多生物過程是理想的,其中最重要的是血液的氧化性。 而且,身體中的許多生物化學反應的中間體在中性pH下電離,這使得這些中間體的使用更加困難。

低於7.35的pH值是酸血症 acidemia 高於7.45 的pH值是 鹼血症 alkalemia. 由於維持在所需的窄範圍內的pH值的重要性,人體含有補償機制。

pH值 -通常情況下(25℃、298K左右),當pH小於7的時候,溶液呈酸性,當pH大於7的時候,溶液呈鹼性,當pH等於7的時候,溶液為中性。

希望本文對體內酸鹼平衡的基本了解,同時提供一種系統的方法來接近出現導致pH改變的病症的患者

人體主要有四種類型的酸性疾病:

代謝性酸中毒 metabolic acidosis

代謝性鹼中毒 metabolic alkalosis

呼吸性酸中毒 respiratory acidosis

呼吸性鹼中毒 respiratory alkalosis。

如果其中一種情況發生,人體應該以相反的狀態形成平衡。

例如,如果一個人正在經歷代謝性酸血症,他們的身體將試圖誘發呼吸性鹼中毒交方式以進行補償。 補償將使pH在7.4時完全正常是很少見的。 當酸血症或鹼中毒時,一個表示總體上pH分別為酸性或鹼性,患者的整體pH狀態可能是有用的,因為多個不平衡可能同時發生。


細胞 Cellular

對細胞水平呼吸的基本理解,也對於理解人體中的酸鹼平衡很重要。

氧細胞呼吸 Aerobic cellular respiration是人類生命所必需的; 人類單個細胞可以進行無氧呼吸 anaerobic respiration,但為了維持生命,必須存在氧氣。 有氧細胞呼吸的副產物之一是二氧化碳。 表示有氧細胞呼吸的簡化化學方程式為:

  • C6H12O6(葡萄糖)+6O2+6CO2+ 6H20 +能量(38個ATP分子和熱量)

第一階段是細胞呼吸的糖酵解 glycolysis,它需要六碳的葡萄糖並將其分解成兩個丙酮酸 pyruvate分子,每個丙酮酸分子含有三個碳原子。 糖酵解使用兩個ATP並產生四個ATP,它產生兩個淨ATP。 該過程不需要氧氣,由於患者常常有缺陷,值得注意的是鎂 magnesium 是糖酵解中兩種反應的輔助因子。最終,丙酮酸分子被氧化並進入TCA循環。

檸檬酸循環 (tricarboxylic acid cycle)TCA循環

TCA循環從NAD +產生NADH,從FAD產生FADH2和兩個ATP分子, 這是一個有氧過程,需要氧氣。 丙酮酸被帶入線粒體並與二氧化碳的損失形成乙酰-CoA acetyl-CoA, 然後這個過量的二氧化碳在呼氣過程中被呼出。

有氧細胞呼吸的最後一步是電子傳遞鏈 electron transport chain(ETC)。電子傳遞鏈 electron transport chain(ETC)產生大部分在細胞呼吸中產生的ATP,產生34個ATP分子,為了發生ETC反應,個程中是需要氧氣。 如果沒有足夠的氧氣存在,糖酵解產物進行稱為發酵的反應以產生ATP。 發酵的副產物是乳酸 lactic acid 。

在糖酵解和TCA循環期間,NAD +被還原成NADH,FAD被還原成FADH2。 還原的特點是電子的增益。 這就是推動ETC的動力。 對於每一個葡萄糖分子,十個NAD +分子轉化為NADH分子,在ETC中產生三個ATP分子。

這種有氧細胞呼吸過程也就是人類需要氧氣的原因。 當沒有足夠的氧氣時,無氧呼吸使身體產生一些ATP; 然而,該過程只產生兩個ATP,而不是由有氧呼吸產生的38個ATP,每次反應的兩個ATP分子不足以維持生命。

如上所述,二氧化碳作為TCA循環的副產物產生, 這種二氧化碳有助於身體中的酸鹼平衡,這可以通過以下反應來證明:

CO2 + H20 <-> H2C03 <-> HCO3- + H+

細胞呼吸過程中形成的二氧化碳與水結合產生碳酸 carbonic acid,然後碳酸carbonic acid分解成碳酸氫鹽 bicarbonate 和氫離子 hydrogen ion, 這種反應是人體中許多緩衝系統之一; 它抵抗pH的顯著變化,使人保持在狹窄的生理pH範圍內。 該緩衝系統處於平衡狀態,反應的所有組分都存在於整個身體中,並且移動到適合於環境的等式的一側。 該反應可以並且確實發生在沒有酶 enzyme的情況下; 然而,碳酸酐酶carbonic anhydrase是一種有助於這一過程的酶,它催化上述第一反應形成碳酸,然後碳酸可以自由分解成碳酸氫鹽 bicarbonate 和氫離子 hydrogen ion,碳酸酐酶位於紅細胞,腎小管,胃粘膜和胰腺細胞中。

人體內的其他緩衝系統包括磷酸鹽緩衝系統 phosphate buffer system,蛋白質 proteins和血紅蛋白 hemoglobin, 所有這些都含有接受氫離子 hydrogen ions的鹼,從而避免pH值驟降。

磷酸鹽緩衝系統 phosphate buffer system的存在,但對於尿pH的調節是重要的。

蛋白質協助細胞內pH調節

紅細胞Red blood cells使用上述反應來幫助血紅蛋白緩衝液

二氧化碳可以擴散穿過紅細胞並與水結合,這僅會導致氫離子的增加

血紅蛋白可以結合氫離子。 血紅蛋白hemoglobin也可以在沒有這種反應的情況下結合二氧化碳,這取決於與血紅蛋白結合的氧的量, 這被稱為霍爾丹效應 the Haldane effect和玻爾效應 the Bohr effect。 當血紅蛋白飽和氧氣時,它對二氧化碳和氫離子的親和力較低,能夠釋放它。

器官系統

人體的每個器官系統依賴於酸鹼平衡; 然而,腎臟系統和肺系統是兩個主要的調節器官。

肺系統利用二氧化碳 CO2調節pH值; 將二氧化碳送到外在環境中。 由於二氧化碳在與水結合時在體內形成碳酸,因此二氧化碳過量會導致pH值升高或降低, 當呼吸系統用於補償代謝 pH干擾時,效果在數分鐘至數小時內發生。

腎系統通過重吸收碳酸氫鹽  bicarbonate和分泌固定酸 fixed acids來影響pH值。 無論是由於病理還是必要的補償,腎臟都會排出或重新吸收這些影響酸鹼的物質。 腎的功能單位稱為腎小球nephron 的血管將血液中的物質轉運到腎小管中,這樣可以將一些物質過濾掉,而將其他物質重新吸收到血液中並再循環。

氫離子 hydrogen ions 和碳酸氫鹽 bicarbonate 也是如此, 如果重新吸收碳酸氫鹽 bicarbonate 和/或將酸分泌到尿液中,則pH變得更加鹼性(pH增加)。 當碳酸氫鹽 bicarbonate未被重吸收或酸不會排泄到尿液中時,pH會變得更酸性(降低),腎系統的代謝補償需要更長的時間:幾天而不是幾分鐘或幾小時。

功能

人體的生理酸鹼值對於生命所必需的許多過程是必不可少的,包括向組織輸送氧,正確的蛋白質結構,以及依賴於正常pH處於平衡和完全的無數生化反應。

氧氣輸送到組織

氧解離曲線 oxygen dissociation curve是氧分壓與血紅蛋白 hemoglobin的飽和度之間關係圖。 該曲線涉及血紅蛋白向組織輸送氧氣的能力。 如果曲線向左移動,則p50降低,這意味著使血紅蛋白飽和50%所需的氧量減少,並且血紅蛋白對氧氣的親和力增加。 鹼度範圍內的pH引起這種左移。 當pH值降低時,曲線向右移動,表示血紅蛋白對氧的親和力降低。

 

蛋白質結構

蛋白質在人體內的重要性,它們為離子通道,攜帶必需的親脂性物質 lipophilic 貫穿我們大部分的脂溶性身體,並參與無數的生物過程,要使蛋白質完成必要的功能,它們必須處於正確的配置,蛋白質的極性(電荷)讓他們適當的形狀存在。 當pH在生理範圍之外改變時,這些電荷被改變,蛋白質變性會導致體系結構的不利變化,導致適當功能的喪失。

生化過程

在整個人體內,許多化學反應處於平衡狀態。 其中一個最重要的是前面提到的等式:

H20 + CO2 <-> H2CO3<-> H+ + HCO3-

Le Chatelier原理指出,當濃度,壓力或溫度變量發生變化時,處於平衡狀態的系統將作出相應的反應以恢復新的穩定狀態。 對於上面的反應,這表明如果產生更多的氫離子,方程式將向左移動,以便形成更多的反應物,並且系統可以保持平衡, 這就是補償性酸鹼機制的工作原理;

如果存在代謝性酸中毒,則腎臟不排出足夠的氫離子和/或不再吸收足夠的碳酸氫鹽。

呼吸系統通過增加每分鐘通氣量(通常通過增加呼吸頻率)並使更多的CO2到期來恢復平衡。

相關測試

動脈血氣 Arterial blood gas(ABG)取樣是經常在住院環境中進行的測試,以評估患者的酸鹼狀態。 使用針從動脈(通常是徑向)抽取血液,分析血液以確定諸如pH,pCO 2,pO 2,HCO 3,血氧飽和度等參數,這允許醫師更好地了解患者的狀態。 ABG在危重病人中尤為重要, 它們是調整呼吸機上病人需求的主要工具。 以下是ABG上
最重要的正常值:

•pH = 7.35至7.45
•pCO2 = 35至45 mmHg
•pO2 = 75至100 mmHg
•HCO3- = 22至26 mEq / L.
•O2 Sat =大於95%

 

尤其是住院醫學,對於優質的患者護理至關重要。

1. pH值

2. 確定它是酸性的,鹼性的還是在生理範圍內

3. PaCO2水平決定呼吸; 高水平呼吸系統正在降低pH值,反之亦然。

4. HCO3-水平表示代謝/腎臟作用,升高的HCO3-提高了pH值,反之亦然。

5. 如果pH酸性,請查找與較低pH相對應的數字。 如果是呼吸性酸中毒,則二氧化碳應該很高。 如果患者代謝代償,HCO3-也應該高。 代謝性酸中毒將描述為HCO3-低。

6. 如果pH是鹼性的,再次確定導致這種情況的值,呼吸性鹼中毒將意味著二氧化碳較低; 代謝性鹼中毒應該使HCO3-高。 任何一個系統的補償都會反映出來; 對於呼吸性鹼中毒,代謝反應應該是低HCO3-,對於代謝性鹼中毒,呼吸反應應該是高CO2。

7.如果pH值在生理範圍內,但PaCO2和/或碳酸氫鹽不在正常範圍內,則可能是混合性疾病。 而且,補償並不總是會發生; 這是臨床信息變得至關重要的時候。

在分析患者酸鹼狀態時進行的其他重要測試包括測量電解質水平和腎功能的測試。 這有助於臨床醫生收集可用於確定酸鹼失衡確切機制的信息以及導致疾病的因素。

病理生理學

陰離子間隙增加代謝性酸中毒 Metabolic Acidosis

原發性代謝性酸中毒,即原發性酸鹼失調,有許多原因,這些分離成導致高陰離子間隙。 血漿陰離子間隙是一種幫助臨床醫生確定代謝性酸中毒的原因的方法。 當存在代謝性酸中毒時,測量血液中的某些離子以幫助確定酸血症的病因。 由於碳酸氫鹽與先前附著於共軛鹼基的氫離子結合,導致碳酸氫鹽丟失,陰離子間隙增加。 當碳酸氫鹽與氫離子結合時,結果是碳酸(H 2 CO 3)。 共軛鹼 conjugate base可以是任何不是碳酸氫鹽 bicarbonate 或氯化物 chloride 的帶負電的離子。

負離子間隙代謝性酸中毒

如果酸中毒涉及正常的陰離子間隙,則存在碳酸氫鹽的損失而不是增加的氫離子量,同時伴隨氯離子的增加。 為了保持生理中性狀態,氯離子遷移出細胞並進入細胞外空間,這導致患者的血清氯化物增加,並且使陰離子間隙保持在正常水平。沒有異常陰離子間隙的代謝性酸中毒也是高氯性代謝性酸中毒, 沒有增加陰離子間隙的代謝性酸中毒由許多過程引起,包括嚴重腹瀉,I型腎小管性酸中毒(RTA),長期使用碳酸酐酶抑製劑 carbonic anhydrase inhibitors和抽吸胃物。 當患者出現狹窄的離子間隙高尿酸性酸中毒時,提供者可計算尿液陰離子間隙(UAG)以幫助確定病因。

以下是尿陰離子間隙的等式,其中Na是鈉,K是鉀,Cl是氯:

•(Na + K) – Cl

腎臟系統試圖通過將銨(NH 4 +)排泄到尿液中來改善病理性代謝性酸中毒的作用。 20至90mEq / L的UAG表示低或正常的NH 4 +分泌。 介於-20 mEq / L和-50 mEq / L之間的患者表明代謝性酸中毒的主要原因是持續嚴重的腹瀉。

用於代謝性酸中毒的另一個重要公式是冬季配方。 該等式為臨床醫生提供預期的PCO2值。 這很重要,因為可能存在另一種酸鹼紊亂。

呼吸性酸中毒 Respiratory acidosis

在呼氣期間,由細胞呼吸產生的二氧化碳到環境中。 在人體中,二氧化碳通過碳酸酐酶 carbonic anhydras 與水結合併形成碳酸 carbonic acid,其離解成氫離子和碳酸氫鹽,這就是呼吸頻率降低會導致pH下降的原因; 呼出的二氧化碳越多,該反應中存在的二氧化碳越少。

呼吸性酸中毒作為一種原發性疾病通常由呼氣不足引起, 這可能是由多種原因引起的,包括慢性阻塞性肺病,阿片類藥物濫用/過量,嚴重肥胖和腦損傷。 當發生呼吸性酸中毒時,代謝反應應該是通過腎系統增加碳酸氫鹽 bicarbonate的量。 這並不總是會發生,並且腎臟病理可能容易地妨礙適當的生理反應,導致患者危險增加。

代謝性鹼中毒 Metabolic Alkalosis

代謝性鹼中毒也可以分為兩大類,幫助確定原因:氯化物反應與非氯化物反應。 在非氯化物反應性代謝性鹼中毒時,尿氯<20 mEq / L,一些原因包括嘔吐,血容量不足和利尿劑使用。

呼吸性鹼中毒 Respiratory Alkalosis

任何導致二氧化碳呼氣增加的病理學都可能導致呼吸性鹼中毒,當過量的CO2時,由於產生較少的碳酸,人體的pH增加。 生理上,適當的補償是腎系統產生的碳酸氫鹽量減少。 呼吸性鹼中毒的一些原因包括過度驚恐發作換氣 hyperventilation ,肺栓塞 pulmonary embolism ,肺炎 pneumoni 和水楊酸中毒 salicylate intoxication。

臨床意義

人體內酸鹼平衡是最重要的生理過程之一。 酸鹼平衡的臨床意義是難以否定的。 一些最常見的醫院入院是由於可能危及酸鹼平衡的疾病。 這就是為什麼臨床醫生理解控制這部分人體內平衡的基本原則是重要的。

我們以後會再討論酸性身體對癌症的影響。

 

趙家聲
自然健康顧問
化學學士
生物醫學工程碩士
生物化學科技碩士
材料科技碩士
美國草本治療師
美國自然療法博士

 

參考資料

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