Organizm stale wytwarza kwasy, a mimo to utrzymuje stężenie jonów wodorowych we krwi w bardzo wąskim zakresie. Zapewniają to trzy mechanizmy działające w różnym czasie: bufory, płuca i nerki. Zrozumienie ich współpracy tłumaczy objawy i kompensację zaburzeń równowagi kwasowo-zasadowej.
Podstawy równowagi kwasowo-zasadowej
Kwasowość określa się wskaźnikiem pH, czyli ujemnym logarytmem stężenia jonów wodorowych. Prawidłowe pH krwi tętniczej wynosi 7,35-7,45, co odpowiada bardzo małemu stężeniu jonów H+. Skala jest logarytmiczna, więc niewielki spadek pH oznacza duży wzrost stężenia H+. Zakres zgodny z życiem to w przybliżeniu pH 6,8-7,8. Od stężenia H+ zależy budowa przestrzenna białek, działanie enzymów, kanałów jonowych i receptorów.
Organizm wytwarza dwa rodzaje kwasów. Kwas lotny to dwutlenek węgla usuwany przez płuca. Kwasy nielotne (siarkowy z aminokwasów siarkowych, fosforowy, a w stanach chorobowych mlekowy i ketokwasy) powstają w znacznie mniejszej ilości. Płuca nie mogą ich usunąć, wydalają je wyłącznie nerki.
Obronę przed zmianą pH tworzą trzy linie. Bufory działają w ciągu sekund, ale tylko ograniczają zmianę pH. Płuca zmieniają PaCO2 w ciągu minut. Nerki usuwają nadmiar kwasu lub zasady w ciągu godzin do kilku dni. Zaburzenie pierwotnie zmieniające PaCO2 nazywa się oddechowym, a zmieniające stężenie wodorowęglanów - metabolicznym. Kompensacja zmienia drugi składnik w tym samym kierunku. Zwykle nie przywraca pH w pełni do normy i nigdy go nie przekracza.
Układy buforowe
Bufor to mieszanina słabego kwasu i jego sprzężonej zasady, która wiąże lub uwalnia jony wodorowe i ogranicza zmiany pH. Bufor nie usuwa kwasu z organizmu, a jego pojemność jest skończona.
Najważniejszy w płynie zewnątrzkomórkowym jest bufor wodorowęglanowy: H+ + HCO3- ⇌ H2CO3 ⇌ CO2 + H2O. Reakcję przyspiesza anhydraza węglanowa. Stała pK tego buforu (6,1) leży daleko od pH krwi, a mimo to jest on bardzo skuteczny, bo działa jako układ otwarty. Powstający CO2 jest usuwany przez płuca, a zużyte wodorowęglany odtwarzają nerki. Każdy mmol nielotnego kwasu zużywa mmol wodorowęglanu, dlatego spadek jego stężenia odzwierciedla ilość nagromadzonego kwasu.
Hemoglobina jest głównym buforem we krwi dla jonów H+ powstających z CO2. Odtlenowana hemoglobina buforuje lepiej niż utlenowana. Białka osocza, zwłaszcza albumina, i fosforany uzupełniają pojemność buforową. Fosforany mają największe znaczenie wewnątrz komórek i w moczu. W przewlekłej kwasicy buforem staje się też kość, która uwalnia węglany i fosforany. W przewlekłej chorobie nerek przyczynia się to do utraty masy kostnej.
Bufory wewnątrzkomórkowe i przesunięcia potasu
Ponad połowa nadmiaru kwasów nielotnych jest buforowana wewnątrz komórek. Jony H+ wnikają do komórek, a w zamian wychodzą z nich jony potasu. Dlatego kwasica metaboliczna sprzyja hiperkaliemii. Efekt jest silny w kwasicy nieorganicznej, np. przy utracie wodorowęglanów z biegunką. Słabszy jest w kwasicy mleczanowej i ketonowej, bo anion organiczny wnika do komórek razem z jonem wodorowym.
W kwasicy ketonowej stężenie potasu w surowicy bywa prawidłowe lub podwyższone, choć całkowite zasoby potasu są zmniejszone przez diurezę osmotyczną. Insulina i wyrównanie kwasicy przesuwają potas z powrotem do komórek. Bez uzupełniania potasu grozi to ciężką hipokaliemią.
W zasadowicy zachodzi proces odwrotny. Jony H+ opuszczają komórki, a potas do nich wnika, co obniża jego stężenie w surowicy. Z kolei hipokaliemia sama nasila zasadowicę. Potas wychodzi z komórek, na jego miejsce wchodzą jony H+, a nerka wydziela więcej H+ do moczu.
Oddechowa regulacja równowagi
PaCO2 zależy od stosunku wytwarzania CO2 do wentylacji pęcherzykowej. Zwiększenie wentylacji obniża PaCO2 i podnosi pH, a jej zmniejszenie działa przeciwnie. Chemoreceptory centralne reagują na H+ powstające z CO2 w płynie mózgowo-rdzeniowym. Chemoreceptory obwodowe w kłębkach szyjnych reagują także na H+ we krwi. To one odpowiadają za szybką reakcję oddechową na kwasicę metaboliczną, bo jony H+ słabo przenikają przez barierę krew-mózg.
Reakcja oddechowa zaczyna się w ciągu minut, a pełną skuteczność osiąga po kilkunastu godzinach. W ciężkiej kwasicy metabolicznej pojawia się głęboki, szybki oddech Kussmaula, który znacznie obniża PaCO2. W zasadowicy metabolicznej wentylacja się zmniejsza. Ta kompensacja jest jednak ograniczona, bo hipowentylacja wywołuje hipoksemię, która pobudza oddychanie.
Płuca nie usuwają kwasów nielotnych. Zmieniając PaCO2, przesuwają jedynie równowagę buforu wodorowęglanowego. Pacjent z niewydolnością oddechową nie może skompensować kwasicy metabolicznej, więc pH spada u niego szybko i głęboko. U chorego wentylowanego mechanicznie kompensację oddechową przejmują ustawienia respiratora.
Dalsza część artykułu jest dostępna w pakiecie
W pakiecie znajdziesz także pytania egzaminacyjne z wyjaśnieniami do tego tematu.
Nerki mają dwa zadania. Pierwsze to odzyskanie prawie całych przefiltrowanych wodorowęglanów. Większość z nich wraca w cewce proksymalnej. Komórka cewki wydziela H+ w wymianie na Na+. W świetle H+ łączy się z HCO3-, a anhydraza węglanowa rąbka szczoteczkowego rozkłada powstały kwas węglowy do CO2 i wody. CO2 wnika do komórki i znów tworzy HCO3-, który przechodzi do krwi. Acetazolamid hamuje anhydrazę węglanową, przez co wodorowęglany tracone są z moczem. Mocz staje się zasadowy, a we krwi rozwija się kwasica metaboliczna.
Drugim zadaniem jest wydalenie kwasów nielotnych. Każdy jon H+ wydalony z moczem odpowiada nowemu HCO3- oddanemu do krwi, który zastępuje zużyty w buforowaniu. Wolnych jonów H+ nerka może wydalić niewiele, bo pH moczu nie spada poniżej ok. 4,5. Dlatego H+ jest wiązany w moczu przez bufory. Pierwszym są fosforany, które tworzą tzw. kwaśność miareczkowalną, ale ich ilość jest mało zmienna. Drugim jest amoniak, wytwarzany z glutaminy w komórkach cewki proksymalnej i wydalany jako jon amonowy (NH4+). W przewlekłej kwasicy amoniogeneza wzrasta wielokrotnie w ciągu kilku dni. To główny mechanizm adaptacyjny nerek. W przewlekłej chorobie nerek zmniejsza się liczba nefronów wytwarzających amoniak i rozwija się kwasica metaboliczna.
W kanaliku zbiorczym komórki wstawkowe wydzielają H+ przez pompę protonową, a aldosteron nasila ten proces. Inne komórki wstawkowe w zasadowicy wydzielają wodorowęglany do moczu. Nerkowa kompensacja jest powolna. Zaczyna się po kilku godzinach i osiąga pełnię po 3-5 dniach.
Kwasica metaboliczna
Kwasica metaboliczna to pierwotny spadek stężenia wodorowęglanów. Powstaje na dwa sposoby. Pierwszy to nagromadzenie kwasu, który zużywa wodorowęglany. Dzieje się tak w kwasicy mleczanowej przy niedotlenieniu tkanek we wstrząsie i sepsie, w kwasicy ketonowej w cukrzycy, głodzie lub po alkoholu, w zatruciach metanolem, glikolem etylenowym lub salicylanami oraz w niewydolności nerek. Drugi to utrata wodorowęglanów, np. z biegunką, przez przetoki jelitowe lub trzustkowe, w kwasicy cewkowej nerkowej i po acetazolamidzie. Szybkie przetoczenie dużej objętości 0,9% NaCl również obniża stężenie wodorowęglanów przez nadmiar chlorków.
Oba mechanizmy rozróżnia luka anionowa, obliczana jako Na+ - (Cl- + HCO3-). Odpowiada ona anionom nieoznaczanym rutynowo, głównie albuminie. Gdy gromadzi się kwas z własnym anionem, np. mleczanem lub ketokwasem, wodorowęglany spadają, a chlorki się nie zmieniają. Luka anionowa rośnie. Przy utracie wodorowęglanów nerka zatrzymuje w zamian chlorki. Powstaje kwasica hiperchloremiczna z prawidłową luką. Hipoalbuminemia obniża lukę anionową i może maskować nagromadzenie kwasów.
Kompensacja polega na hiperwentylacji i obniżeniu PaCO2. Typowe objawy to oddech Kussmaula, nudności, osłabienie i zaburzenia świadomości. W kwasicy ketonowej dochodzi owocowy zapach acetonu z ust.
Zasadowica metaboliczna
Zasadowica metaboliczna to pierwotny wzrost stężenia wodorowęglanów. Najczęściej wywołuje ją utrata kwaśnej treści żołądkowej przy wymiotach lub odsysaniu przez zgłębnik. Na każdy jon H+ wydzielony do światła żołądka do krwi trafia jeden HCO3-, który w warunkach prawidłowych zostaje zobojętniony w dwunastnicy. Inne przyczyny to diuretyki pętlowe i tiazydowe, nadmiar aldosteronu, hipokaliemia oraz podaż zasad, np. wodorowęglanu lub cytrynianu z przetaczanej krwi.
Zdrowe nerki łatwo wydalają nadmiar wodorowęglanów. Trwała zasadowica wymaga więc czynnika, który je zatrzymuje. Najważniejsze są hipowolemia, niedobór chlorków i hipokaliemia. Przy wymiotach traci się wodę, sód, chlorki i potas. Hipowolemia pobudza nerkę do zatrzymywania sodu razem z wodorowęglanami, a wydzielany aldosteron nasila utratę H+ i K+ z moczem. Przy ciężkim niedoborze objętości mocz bywa kwaśny mimo zasadowicy (paradoksalna acyduria). Wyrównanie objętości roztworem 0,9% NaCl i uzupełnienie potasu pozwala nerce wydalić nadmiar wodorowęglanów.
Kompensacja oddechowa polega na hipowentylacji, ale jest ograniczona hipoksemią. Objawy wynikają głównie ze spadku wapnia zjonizowanego (parestezje, skurcze, tężyczka) i z hipokaliemii (osłabienie mięśni, zaburzenia rytmu serca).
Kwasica i zasadowica oddechowa
Kwasica oddechowa to pierwotny wzrost PaCO2 wskutek hipowentylacji pęcherzykowej. Przyczyny to depresja ośrodka oddechowego (opioidy, benzodiazepiny, znieczulenie ogólne), choroby nerwowo-mięśniowe, uszkodzenie rdzenia szyjnego, deformacje klatki piersiowej, ciężka otyłość oraz zaostrzenie POChP. W ostrej kwasicy oddechowej działają tylko bufory wewnątrzkomórkowe, więc wodorowęglany rosną nieznacznie, a pH wyraźnie spada. W przewlekłej kwasicy nerki w ciągu kilku dni zwiększają wydalanie H+ i odzysk wodorowęglanów. Ich stężenie rośnie wtedy znacznie bardziej, a pH zbliża się do normy mimo wysokiego PaCO2.
U chorego z przewlekłą hiperkapnią, np. w POChP, zbyt szybkie obniżenie PaCO2 podczas wentylacji mechanicznej jest niebezpieczne. Wysokie stężenie wodorowęglanów utrzymuje się przez kilka dni, więc nagły spadek PaCO2 wywołuje ciężką zasadowicę. Dlatego PaCO2 obniża się u takich chorych stopniowo.
Zasadowica oddechowa to pierwotny spadek PaCO2 wskutek hiperwentylacji. Wywołują ją lęk, ból, gorączka, hipoksemia (zatorowość płucna, zapalenie płuc, pobyt na dużej wysokości), wczesna faza sepsy i zatrucia salicylanami oraz nadmierna wentylacja mechaniczna. W ciąży progesteron pobudza ośrodek oddechowy, a PaCO2 fizjologicznie się obniża. Nerki kompensują zasadowicę oddechową, zmniejszając wydalanie H+ i wydalając więcej wodorowęglanów.
Skutki zaburzeń równowagi kwasowo-zasadowej
Ciężka kwasica osłabia kurczliwość mięśnia sercowego i rozszerza tętniczki, co sprzyja niedociśnieniu. Zmniejsza też reakcję naczyń i serca na katecholaminy, więc leki wazopresyjne działają słabiej. Sprzyja komorowym zaburzeniom rytmu, a hiperkaliemia dodatkowo je nasila. Przesuwa krzywą dysocjacji oksyhemoglobiny w prawo i zwiększa stężenie wapnia zjonizowanego. Hiperkapnia rozszerza naczynia mózgowe, zwiększa przepływ mózgowy i ciśnienie śródczaszkowe. Wywołuje ból głowy, senność, a przy dużym wzroście PaCO2 śpiączkę (narkoza dwutlenkiem węgla).
Zasadowica zmniejsza stężenie wapnia zjonizowanego, bo albumina wiąże go więcej. Pojawiają się parestezje wokół ust i palców, skurcze mięśni i tężyczka. Hipokaliemia towarzysząca zasadowicy grozi zaburzeniami rytmu. Krzywa dysocjacji przesuwa się w lewo i hemoglobina trudniej oddaje tlen tkankom. Hipokapnia kurczy naczynia mózgowe, co zmniejsza przepływ mózgowy i daje zawroty głowy oraz zaburzenia świadomości. Z tego powodu nie stosuje się rutynowej hiperwentylacji u chorych z urazem głowy.
