Acidobazická rovnováha (ABR) Definice •
pH
pH = - log c(H )
pH = 7,4 → c(H ) = 40 nM
•
kyselina
látka odštěpující H (Arrhenius) nebo donor H (Brönsted)
•
zásada
látka odštěpující OH (Arrhenius) nebo akceptor H (Brönsted)
•
disociační konstanta
•
pufry
+
↑ (H ) = ↓ pH
+
+
+
+
-
+
HA → H + A +
-
+
-
K = [H ] x [A ] / [HA]
pK = -log K
systémy zmírňující výkyvy pH po přidání kyseliny nebo zásady
Zdroj kyselin:
hlavně metabolismus
Osud kyselin:
další metabolické přeměny nebo vyloučení z organismu
Zdroj zásad:
hlavně potrava
Metabolické kyseliny (tj. netěkavé → vylučovány ledvinami) glukóza → kyselina mléčná → laktát + H mastné kyseliny → ketolátky:
+
kyselina acetoctová → acetacetát + H + kyselina β-hydroxymáselná → β-hydroxybutyrát + H +
aminokyseliny obsahující síru (Cys, Met): -SH → H2SO4 → sulfát + 2 H fosfolipidy → H3PO4 → 2 H + HPO4 +
2-
(pK = 3,8) (pK = 4,4)
+
(pK3 = 12,7 ⇒ do třetího stupně nedisociuje)
(denně vyloučeno: 70 mmol netěkavých kyselin, hlavně fosfátů a sulfátů) Respirační kyselina (tj. těkavá: „vydýchatelná“ → vylučována plícemi) CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3 + H -
+
(denně vyloučeno: 20 000 mmol CO2)
Potraviny a) acidifikující organismus: → volné kyseliny nebo látky, jejichž metabolismem kyseliny vznikají (normálně jsou většinou kompletně zoxidovány na CO2 a vodu); při překročení kapacity pufrů: ↓ pH (viz. vylučování kyselin z organismu ledvinami: pH moči je kyselejší než pH krve = kyseliny jsou odpadním produktem metabolismu) b) alkalizující organismus: → dodávají do těla báze, přispívají ke zvýšení koncentrace HCO3 (ovoce, zelenina → obsahují soli organických kyselin) Pořadí systémů zodpovídajících za udržování ABR: 1. pufry (regulují především výkyvy pH při běžném metabolismu: krátkodobá, akutní regulace - několik sec.) 2. plíce (rychlá regulace pCO2 - minuty, hodiny) + 3. ledviny (zadržování nebo vylučování H ⇒ vliv na vylučování nebo vstřebávání HCO3 ) Na udržování pH krve se podílí také játra (syntéza močoviny, přeměna laktátu) a myokard (oxidace ketolátek). játra:
a) NH4 → močovina + 2 H +
+
⇒ okyselení organismu
CO2 + 2 NH4 → CO(NH2)2 + 2 H + H2O +
+
⇒ H + HCO3 → H2O + CO2 (spotřeba HCO3 ) +
-
b) NH4 → syntéza glutaminu ⇒ netvoří se H , glutamin je vychytáván ledvinami → vylučování H + ve formě NH4 +
+
-
+
1
Pufry - celkem -
bikarbonátový: HCO3 / CO2 fosfátový: hemoglobin: proteiny:
2HPO4
/
! otevřený systém: neustále vylučován a opět doplňován mtb ! *
H2PO4
Hb / Hb-H
anorganický nebo organicky vázaný (= estery: meziprodukty mtb)
+
pK (HHbO2) = 6,17
proteiny / protein-H
+
pK (HHb) = 7,82
(viz. kyselé a zásadité aminokyseliny)
Handerson-Hasselbalchova rovnice pH = pK + log cs / ck
cs ≈ „báze pufru“
-
ck ≈ nedisociovaná slabá kyselina
2-
pH = pK + log (HCO3 / CO2)
-
+
= pK + log (HPO4 / H2PO4 )
= pK + log (Hb / Hb-H )
7,4 = pKH2CO3 + log (HCO3 / α x pCO2) = pKH2PO4 + log (HPO4 / H2PO4 ) -
2-
-
+
= pKHbH + log (Hb / Hb-H )
α = faktor konverze → přepočet tlaku CO2 na molární koncentraci v mmol/l • je-li pCO2 v kPa → α = 0,226 • je-li pCO2 v Torr → α = 0,03
pufry nejlépe pufrují při pH = pK ± 1 pH = pK + log (1 / 1)
⇒
pH = pK
při cs = ck
pH = pK + log (10 / 1)
⇒
pH = pK + 1
při cs = 10x vyšší než ck
pH = pK + log (1 / 10)
⇒
pH = pK - 1
při cs = 10x nižší než ck
Ze vztahu mezi hodnotami pH a pK lze naopak také vypočítat poměr koncentrací báze / kyselina: ⇒ při pH > pK je cs > ck (viz. např. pH = pK + 1)
rovnováha reakce HA → H + A
je posunuta vpravo
pH < pK je cs < ck (viz. např. pH = pK - 1)
rovnováha reakce HA ← H + A
je posunuta vlevo
pH = pK je cs = ck
reakce zleva do prava a zpět probíhá stejně rychle
+ +
-
⇒ složení pufračních systémů (poměr báze / kyselina) lze pro dané pH tělních tekutin odhadnout z pKHA -
pKH2CO3 = 6,1
⇒
HCO3 / CO2 ≈ 20 / 1
pKH2PO4 ≈ 7,0
⇒
HPO4 / H2PO4
2-
-
při pH = 7,4
7,4 = (6,1 + log 20) = 6,1 + 1,3 = 7,4 2-
-
v krvi (pH = 7,4) převažuje HPO4 , v moči (pH = 6) H2PO4 (pH > pK) (báze) (pH < pK) (kys.)
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
* [HCO3 ] / [CO2] ≈ 20 / 1 = 20
přídavek H ⇒ HCO3 + H → H2CO3 → H2O + CO2 (tj. ↓ HCO3 a ↑ CO2) +
-
+
-
⇒ [HCO3-] / [CO2] ≈ (20 - 1) / (1 + 1) = 19 / 2 = 9,5 ale CO2 je vydýchán („otevřený systém“)
⇒ [HCO3-] / [CO2] ≈ (20 - 1) / (1 + 0) = 19 / 1 = 19
⇒ poměr [HCO3 ] / [CO2] se změní nepatrně ⇒ pouze malá změna pH
hydrogenuhličitan = bicarbonicum (lat.), bicarbonate (angl.)
2
Hlavní pufrační systémy lokalizace ISF
krev
ICF
moč
pufry bikarbonátový
pufruje metabolické kyseliny
komentář
fosfátový
nízká koncentrace - malý význam
proteiny
nízká koncentrace - malý význam
bikarbonátový
pufruje metabolické kyseliny
hemoglobin
pufruje CO2 (vznik kyseliny uhličité)
plazmatické proteiny
minoritní
fosfátový
nízká koncentrace - malý význam
proteiny
významný pufr
fosfátový
významný pufr
fosfátový
odpovídá za většinu tzv. titrovatelné acidity moči
amoniakální
významný: odstraňování aminodusíku i protonů; kation!
Pufry krve plazma
erytrocyty
celkem
35 %
18 %
53 %
-
35 %
35 %
plazmatické proteiny
7%
-
7%
anorganický fosfát
1%
1%
2%
organický fosfát
-
3%
3%
43 %
57 %
100 %
pufr HCO3
/ CO2
Hb / Hb-H
+
Vylučování CO2 plícemi viz. Biochemie krve a dýchání Vylučování protonů ledvinami (koncentrační gradient: v moči je až 1000x vyšší koncentrace protonů než v buňce) +
+
proximální tubulus:
vylučování H výměnou za vstřebaný Na (luminální membrána, antiport) Na/K-ATPáza na bazální straně
distální tubulus:
aktivní (ATP) sekrece H
+
proximální tubulus: Na HCO3 ⇒ ↓ Na (vstřebává se) a ↑ H (vylučován) ⇒ H + HCO3 → H2CO3 +
-
+
+
+
-
H2CO3 → H2O + CO2 ⇒ CO2 se vstřebá a v tubulární buňce opět rozpadne na H a HCO3 +
-
→ resorpce HCO3-
HCO3
⇒ kyselá moč: a) vstřebávání + 2b) pufrování fosfátovým pufrem (pH moči < pKH2PO4): H + HPO4 → H2PO4 + + c) vylučování H ve formě NH4 +
+
+
+
Vylučování H a K ledvinami je stimulováno aldosteronem (výměna H za vstřebaný Na !). Kalémie + + • acidóza → vyplavování K z buněk ⇒ hyperkalémie ⇒ ztráty K močí (při následné rychlé + alkalizaci organismu se K vrací do buňky, což vede k hypokalémii → nebezpečí hlavně pro srdce přenos signálu na membráně) •
alkalóza → K nahrazuje nedostatek H v buňkách ⇒ pokles K v krvi ⇒ hypokalémie; místo H se + + do moči vylučuje K (výměnou za Na ) +
+
+
+
3
Pufrování moči + 1) za každý vyloučený H se vstřebá 1 HCO3 +
2) v kyselé moči: nadbytek H +
2HPO4
(pK = 6,1)
→ H2PO4 → vylučování spolu s kationtem -
(pK = 6,7 - 7,2)
3) vylučovaný aminodusík váže H : NH3 + H → NH4 (chronická acidóza → méně urey, více NH4 ) +
+
+
+
→ vylučování aminodusíku může být silně redukováno nebo naopak velmi zvýšeno (↑ aktivity glutaminázy + v ledvinách = při chronické acidóze); glutamináza štěpí Gln na Glu a NH4 → vyloučen do moče -
+
+
+
Jako H2PO4 se vyloučí 20 mmol H (tzv. titrovatelná acidita moči), jako NH4 50 mmol H za den. + + (pKNH4+ = 9,3; tj. v moči je amoniak protonizován, reakce NH4 ↔ H + NH3 probíhá zprava do leva) Resorpce fosfátů do krve • parathirin, kalcitonin: inhibují resorpci • kalcitriol: aktivuje resorpci
Fyziologické hodnoty ABR (dle NČLP) pH
7,36 - 7,44
pO2
8,9 - 14,7 kPa
pCO2
4,80 - 5,90 kPa -
[HCO3 ]
24 ± 2 mM
BE
0 ± 2,5 mM
(base excess = nadbytek bází; je-li hodnota negativní, jde o nedostatek bází)
Poruchy ABR (akutní nebo kompenzované) → klinicky definovány podle změn bikarbonátového systému
a) respirační = primární poruchou je změna pCO2 (porucha respirace) ⇒ hyper nebo hypokapnie -
b) metabolické = primární poruchou je změna koncentrace HCO3 (↓ pufrováním metabolických kyselin nebo zvýšeným vylučováním / ztrátami z organismu)
acidóza - nahromadění kyselých nebo ztráta alkalických metabolitů alkalóza - nahromadění alkalických nebo ztráta kyselých metabolitů Kompenzace - snaha organismu o normalizaci pH při delším trvání poruchy → jeden systém nahrazuje porušenou funkci systému jiného. Cílem je vrátit pH co nejblíže k fyziologické hodnotě. • respirační poruchy jsou kompenzovány ledvinami → kyselá nebo alkalická moč (3 - 5 dní) • metabolické poruchy jsou kompenzovány plícemi → hyper nebo hypoventilace (12 - 24 hodin) nebo korigovány ledvinami (korekce)
Příčiny acidózy • respirační: hypoventilace (↑ pCO2) • metabolická: vážné průjmy (↓ HCO3 ), DM (ketoacidóza), vytrvalé cvičení, hypoxie (↑ laktátu), urémie Příčiny alkalózy • respirační: hyperventilace (↓ pCO2) • metabolická: zvracení (↓ HCl), alkalizující léky
4
Respirační acidóza (RAc) příčina: hypoventilace ↑ CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3 + H -
⇒
+
H + Hb → Hb-H +
+
(= pufrování ⇒ úbytek báze)
důsledek: • nárůst pCO2 ⇒ pokles pH • nárůst HCO3 a úbytek bází jiných pufrů, hlavně Hb ⇒ BE = 0 • při ↓ pO2 ⇒ ↑ laktátu (kombinace s MAc) kompenzace: ↑ vstřebávání HCO3 ledvinami (kyselá moč) ⇒ pozitivní BE -
Při ↑ pCO2 dochází k aktivaci dechového centra, jeho vnímavost však klesá při hodnotách pCO2 nad 8 kPa ⇒ jediným stimulem se pak stává ↓ pO2.
Respirační alkalóza (RAl) příčina: hyperventilace ⇒
↓ CO2 + H2O → ↓ H2CO3 → ↓ HCO3 + ↓ H
⇒
Hb-H → Hb + H
-
+
+
+
(= pufrování ⇒ nárůst báze)
důsledek: • pokles pCO2 ⇒ vzrůst pH • úbytek HCO3 a nárůst bází jiných pufrů ⇒ BE = 0 2+ + 2+ • alkalické pH: protein + Ca → Ca-proteinát + 2 H ⇒ pokles konc. Ca v plazmě + (otevření Na kanálů a zvýšení excitability → tetanické křeče) kompenzace:
-
zvýšené vylučování HCO3 ledvinami ⇒ negativní BE
Metabolická acidóza (MAc) příčina: 1) nadprodukce kyselin (H ) v metabolismu (ketolátky, laktát, otravy) → vysoký anion gap 2) zvýšené vylučování HCO3 → normální anion gap (tzv. hyperchloremická MAc) +
Anion gap (AG) je hodnota důležitá pro diferenciální diagnostiku. ad1) metabolismus → ↑ H + H + HCO3 → H2CO3 → H2O + CO2 + a H + báze nebikarbonátových pufrů (= pufrování) +
⇒ hyperventilace (= kompenzace) ⇒ pokles BE (HCO3 i jiných bází) -
+ kyselá moč ⇒ zvýšené vstřebávání HCO3 -
ad2) ztráty HCO3 např. při průjmech, inhibitory CA důsledek: • pokles pH • negativní BE + • kyselá moč (↑ fosfáty a NH4 ), snížené vylučování HCO3 •
hluboké dýchání (stimulace dechového centra vysokou koncentrací H ) → později ↓ pCO2 (komp.)
kompenzace:
+
-
hyperventilace ⇒ další pokles HCO3
Nejčastější je laktátová acidóza (nedostatečná oxygenace krve a tkání, porucha odbourávání laktátu)
5
Metabolická alkalóza (MAl) = závažná porucha (hůře snášena i kompenzována než MAc) příčina: 1) zvýšené vylučování protonů (např. zvracení, ↑ vstřebávání NaHCO3 = ↑ mineralokortikoidů) 2) zvýšený přísun alkálií ↓H
+
⇒
CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3 + H + další pufry → H -
2+
protein + Ca
+
→ Ca-proteinát + 2 H
(= pufrování ⇒ ↑ HCO3 aj. bází pufrů ⇒ pozitivní BE) -
+
2+
+
⇒ pokles konc. Ca otevírá Na kanály ⇒ zvýšená excitabilita ⇒ tetanické křeče
důsledek: • zvýšení pH • pozitivní BE + + • ↓ K v krvi - tzv. hypokalemická alkalóza (nadměrné vylučování K močí) ⇒ poruchy srdečního rytmu kompenzace: hypoventilace (nedokonalá kompenzace ⇒ hyperkapnie a hypoxemie) → ↑ pCO2
Vladimíra Kvasnicová
6
