Az orvosi élettan tankönyve|Digitális Tankönyvtár

Főoldal > TAMOP 4.2.5 Pályázat könyvei > Könyvek > Alkalmazott tudományok > Élettan. Fiziológia

Az orvosi élettan tankönyve

Attila, Fonyó (2011)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

Beágyazás

17. fejezet - A sav-bázis mérleg

A szervezet anyagcsere-folyamatai során folyamatosan keletkeznek mind savak, mind bázisok. A savak (HA)– definiciójuk szerint – hidrogénionokat disszociálnak (HA ↔ H⁺ + A^–), a bázisok (A^–)hidrogénionokat kötnek meg (A^– + H⁺ ↔ HA). Az extracelluláris folyadékban (és a vérplazmában) az átlagos H⁺-koncentráció 40 × 10^–9 mol/liter, azaz 40 nmol/liter. A fiziológiás koncentrációtartomány 35 és 45 nmol/liter értékek között van. A hidrogénionok rendkívül reakcióképesek, koncentrációjukat a szervezet szabályozó mechanizmusai szűk határok között tartják. A megadott koncentrációnál magasabb vagy alacsonyabb koncentráció egyaránt kóros tünetekhez vezet.

Mivel a kémiában a H⁺-ok koncentrációja több nagyságrendben változhat, a 20. század elején SÖRENSEN a pH-skála, a mol/literben kifejezett H⁺-koncentráció negatív logaritmusa (–log [H⁺]) használatát kezdeményezte. Ennek megfelelően a vérplazma átlagos pH-értéke 7,40, a fiziológiás tartomány 7,35 és 7,45 között van. Súlyosan kóros körülmények között a H⁺-koncentráció alsó határa 20 nmol/l, felső határa 100 nmol/l lehet (pH-skálát használva 7,7 és 7,0 közé esik).

Az oxidatív anyagcsere legnagyobb mennyiségű savi terméke a szén-dioxid/szénsav:

$tápanyagok + O_{2} \to {CO}_{2} + H_{2} O \leftrightarrow H_{2} {CO}_{3} \leftrightarrow H^{+} + {HCO}_{3}^{-}$

A szénsav prekurzora a szén-dioxid illékony (azaz gáznemű), és folyamatosan távozik a tüdőn keresztül. Ennek következtében, helyesen vagy hibásan, a CO₂-ot mint illékony (volatilis) savat említjük. Amennyiben az O₂-ellátás megfelelő, és az anyagcsere szabályozása kifogástalanul működik, a szénhidrátok és zsírok teljesen szén-dioxiddá és vízzé oxidálódnak, és az anyagcsere folyamán belőlük csak illékony sav keletkezik. Hypoxiás körülmények között, továbbá inzulinhiányban vagy éhezésben a szénhidrátok és a zsírok oxidációja tökéletlen, savanyú szerves termékek, nem illékony savak (tejsav, β-hidroxi-vajsav és acetecetsav) keletkeznek; ezek nem távoznak a tüdőn keresztül.

A nem illékony savak további forrása a fehérjék, foszfolipidek és nukleinsavak anyagcseréje: ezekből kénsav és foszforsav keletkezik. Rendkívüli körülmények között nem lebomló savak kerülhetnek a szervezetbe, és ott H⁺-okat szolgáltatnak.

A fehérjék lebontása bázisokat is szolgáltat. Ezenkívül a táplálékkal felvett szerves savak alkálisóiból (Na- és K-sók) az anyagcsere során bikarbonátsók, azaz bázisok keletkeznek. Kizárólag vagy túlnyomóan növényi diétán a bázisképzés meghaladja a nem illékony savak képzését. A bázisok ritkább, nem anyagcsere-eredetű forrása a gyomorpanaszok esetén bevett Na-bikarbonát.

A vér-pH állandó értéken tartásához szükséges, hogy a keletkezett H⁺-ok mennyisége azonos legyen az eltávolított H⁺-ok mennyiségével.

Amint említettük, a sav-bázis egyensúly illékony komponense, a CO₂ folyamatosan távozik a légzéssel. A nem illékony savakból keletkezett H⁺-ok, akár az anyagcsere során keletkeztek, akár kívülről kerültek a szervezetbe, végül csak a vesén keresztül távozhatnak. Ha a bázisok keletkezése vagy bevitele meghaladja a nem illékony savak keletkezését, a többletbázist a vese távolítja el.

A pufferrendszerek fizikai és fiziológiai kémiája

A Henderson–Hasselbalch-egyenlet

A disszociálatlan sav és a disszociációjakor keletkező anion, a bázis együttesen konjugált sav-bázis párt képez:

$sav \leftrightarrow H^{+} + bázis$

ugyanaz más jelölésekkel felírva

$HA \leftrightarrow H^{+} + A^{-}$

A savi disszociáció mértékét a tömeghatás törvényéből kiszámítható disszociációs konstans (K_d) szabja meg:

$K_{d} = \frac{[H^{+}] \times [A^{-}]}{[HA]}$

Az egyenletet logaritmusos formában felírva és tovább rendezve:

$pH = p K_{d} + \frac{[A^{-}]}{[HA]}$

Ez a Henderson−Hasselbalch-egyenlet általános formája, amely a pH és a sav-bázis pár összetevőinek összefüggését írja le. Ezt az egyenletet alkalmazzuk a továbbiakban a sav-bázis mérleg megértésében és a diagnosztikában.

A Henderson−Hasselbalch-egyenlet alkalmazása szénsav-bikarbonát pufferpárra

A szervezeten belül az egyik legfontosabb konjugált sav-bázis pár a szénsav-bikarbonát pár:

$H_{2} {CO}_{3} \leftrightarrow H^{+} + H {CO}_{3}^{-}$

A szénsav-bikarbonát pár disszociációjának egyenlete:

$K_{d} = \frac{[H^{+}] \times [{HCO}_{3}^{-}]}{[H_{2} {CO}_{3}]}$

amelyben a K_d értéke 3,4 x 10^-4.

Az egyenlet átrendezett logaritmusos alakja:

$pH = p K_{d} + \frac{[{HCO}_{3}^{-}]}{[H_{2} {CO}_{3}]}$

A H₂CO₃ koncentrációja nehezen mérhető, de arányos a CO₂ koncentrációjával. A H₂CO₃ ↔ CO₂ + H₂O reakció egyensúlya erősen a CO₂ felé eltolt, kb. 500 molekula szén-dioxidra esik 1 molekula szénsav. A továbbiakban az egyenletekben a [H₂CO₃] helyett a CO₂ koncentrációját szerepeltetjük; ebben az esetben azonban a valódi disszociációs konstans (K_d) helyett egy olyan összevont konstanst (K) kell alkalmaznunk, amely a disszociáció mellett a CO₂/ H₂CO₃ arányt is magában foglalja. Ezen újonnan bevezetett K számértéke 10^–6,1. Ennek alapján a Henderson–Hasselbalch-egyenlet így alakul:

$pH = 6,1 + \frac{[{HCO}_{3}^{-}]}{[{CO}_{2}]}$

Az alkalmazás során a CO₂-koncentráció helyett a CO₂ parciális nyomását (PCO₂) szerepeltetjük. A CO₂ koncentrációja oldékonysági állandójával arányos: az állandó (α-érték) 37 °C hőmérsékleten 0,03 mmol CO₂/PCO₂ Hgmm. A szén-dioxid mmol/literben kifejezett koncentrációja tehát 0,03 × PCO₂ Hgmm. A Henderson–Hasselbalch-egyenletnek az orvosi gyakorlatban és az élettanban alkalmazott végső formája:

$pH = 6,1 + \frac{[{HCO}_{3}^{-}]}{0,03 \times P_{{CO}_{2}}}$

A sav-bázis egyensúly élettanában alapvető fontosságú, hogy a Henderson–Hasselbalch-egyenletben szereplő három változó (pH, [HCO₃^–] és PCO₂) közül kettő meghatározza a harmadik értékét. A jelenleg használt műszerek általában a vér pH- és PCO₂-értékét határozzák meg, és ebből számítják a [HCO₃^–] értékét.

A továbbiakban a legutóbbi egyenletbe az artériás vér élettani átlagértékeit

[HCO₃^–] = 24 mmol/l,

PCO₂ = 40 Hgmm helyettesítve:

$pH = 6,1 + [24 / (0,03 \times 40)] = 6,1 + (24 1,2 /) = 6,1 + 1,3 = 7,4$

ami az artériás vér átlagos pH-értéke.

A pH–log PCO₂ diagram

A Henderson–Hasselbalch-egyenlet megállapítja, hogy adott HCO₃^–-koncentrációjú oldatot szén-dioxiddal titrálva a PCO₂ emelésével a pH-érték csökken (azaz a [H⁺] emelkedik), és fordítva, alacsonyabb PCO₂-értéken a pH-érték növekszik (a [H⁺] csökken). A CO₂-titrálás grafikus ábrázolása, a pH – log PCO₂ diagram a 17-1. ábrán látható. A szén-dioxiddal való titrálás adatpárjaiból származik a 17-1. ábra három puffervonala. A puffervonalak helyzete a koordinátarendszerben az oldat HCO₃^–-koncentrációjától függ: alacsonyabb HCO₃^–-koncentráció mellett a vonal az ordinátához közelebb, magasabb HCO₃^–-koncentráció mellett az ordinátától távolabb helyezkedik el; az egyenesek meredeksége azonban azonos. Egy adott PCO₂-értékhez kisebb HCO₃^–-koncentráció mellett alacsonyabb pH (nagyobb H⁺-koncentráció), nagyobb HCO₃^–-koncentráció mellett pedig magasabb pH (kisebb H⁺-koncentráció) tartozik.

Egy oldat szén-dioxiddal való in vitro titrálása voltaképpen az in vivo ventilációs változásokat, a hypo- és a hyperventilatiót modellezi. A CO₂ a sav-bázis egyensúly légzési összetevője (respirációs komponens).

17-1. ábra . A CO 2 /HCO 3 – puffer pH – log P CO ₂ diagramja . A diagram a Henderson–Hasselbalch-egyenlet grafikus ábrázolása. Az abszcissza az oldatok pH-értékét, az ordináta az oldatokkal egyensúlyban lévő gázfázis CO₂-tenzióját logaritmikus léptékben ábrázolja. Az egyenesek alatt feltüntetett számok az egyes oldatokban jelen lévő HCO₃^– koncentrációját jelentik mmol/l értékben

A Pco₂–[HCO₃^-] összefüggés egykomponensű rendszerben

A fiziológiás folyadékok egyik csoportjában (ilyen folyadék a liquor cerebrospinalis) a pufferek közül kizárólag a CO₂-bikarbonát sav-bázis pár van jelen. A Henderson–Hasselbalch-egyenletből kiszámítható, hogy 24 mmol/l HCO₃^–-koncentrációjú oldat pH-ja 40 Hgmm CO₂-tenzió mellett 7,4. Ha a Pco₂ értékét 40-ről 80 Hgmm-re emeljük, akkor a CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H+ + HCO₃^– reakciónak megfelelően mind a H⁺-, mind a HCO₃^–-koncentrációnak meg kell változnia. Kérdés, hogy mekkora lesz a [HCO₃⁻] változása?

40 Hgmm-ről 80 Hgmm-re emelve a CO₂-tenziót, az oldott CO₂-koncentráció 80 × 0,03 mmol/l, azaz 2,4 mmol/l lesz, azaz a CO₂-koncentráció 1,2 mmol/l-rel növekszik. Ennek az egyötszázad része, azaz 0,0024 mmol/l alakul át szénsavvá, és ha ennek teljes disszociációját tételezzük is fel, a bikarbonátkoncentráció 24 mmol/l-ről csak 24,0024 mmol/l-re növekszik. Ez a növekmény a 24 mmol/l kezdeti koncentrációhoz képest elhanyagolható. A leírt rendszerre tehát az jellemző, hogy ha a HCO₃^–-koncentráció 2 × l0-² mol/l nagyságrendben van, akkor a CO₂-koncentráció változásával a HCO₃^–-koncentráció csak elhanyagolható mértékben változik. A további számításokban tehát a kiindulási HCO₃^–-koncentrációkat lehet alapul venni. Minthogy ebben a folyadékban a CO₂-tenzió változása közben a HCO₃^–-koncentráció nem változik, szokásos kifejezéssel, a puffer izobikarbonát körülmények között működik. Az izobikarbonát körülményeknek egyszerűen az az oka, hogy a kezdeti HCO₃⁻-koncentráció sok nagyságrenddel haladja meg mind a H₂CO₃, mind a H⁺ koncentrációját.

A Pco₂–[HCO₃^-] összefüggés többkomponesű rendszerekben

Ha a folyadék a szénsav-bikarbonát sav-bázis pár mellett még más konjugált sav-bázis párt is tartalmaz, akkor a CO₂-tenzió változását a HCO₃⁻-koncentráció változása kíséri (ún. nem izobikarbonát körülmények). Ilyen pufferfolyadék a vér és valamennyi intracelluláris folyadék. Ennek oka, hogy a Pco₂ emelkedése esetén a szénsavból disszociált H⁺-okat a többi bázis, a vérben mindenekelőtt a Hb-bázis (redukált hemoglobin) megköti. Az oldott CO₂-ből így folyamatosan keletkezik HCO₃^–. A CO₂/HCO₃^–, valamint a protonált Hb/deprotonált hemoglobin funkcionálisan összekapcsolt pufferrendszert képez. (A 8. fejezetben ismertettük, hogy a redukált hemoglobin és az oxigenált hemoglobin savkaraktere különbözik, erre itt most nem térünk ki.) A [CO₂] emelkedésekor a következő reakció játszódik le:

${CO}_{2} + H_{2} O + {Hb}^{n -} \leftrightarrow {HCO}_{3}^{-} + protonált {Hb}^{(n - 1) -}$

Ebben az esetben – szemben a tiszta bikarbonátoldat izobikarbonát körülményeivel – a CO₂-tenzió növekedését a bikarbonátkoncentráció lényeges, néhány mmol/l-t kitevő emelkedése követi; fordítva, a CO₂-tenzió csökkenésekor a bikarbonátkoncentráció is csökken. A teljes vér a CO₂-szállítás során már nem viselkedik izobikarbonát oldatként. A CO₂/HCO₃^–-ra vonatkozó Henderson–Hasselbalch-egyenlet ugyanúgy érvényes, mint az egykomponensű CO₂/HCO₃^– pufferben, csak a CO₂-dal való „titráláskor” (azaz a Pco₂ változtatásakor) a törtben szereplő számláló is megváltozik.

A vér bázisai

Pufferbázis (buffer-base, BB)

A vérbe került hidrogénionokat a plazmában és a vörösvérsejtekben lévő bázisok kötik meg: a legfontosabb bázis a bikarbonát mellett a plazmafehérjék és a vörösvérsejtek hemoglobinja. A fehérjékben azok az aminosav oldalláncok játszanak szerepet, amelyek ionizáló csoportjainak pK_a-értéke közel van a vér pH-értékéhez, és így pH 7,0 és 7,9 között reverzíbilisen protonálódhatnak/deprotonálódhatnak. A hemoglobin különlegesen fontos szerepet játszik, mert jelentős számú hisztidin oldalláncot tartalmaz, és a hisztidin imidazolcsoportja kiválóan megfelel az említett követelménynek. A vér bikarbonát-, plazmafehérje- és hemoglobinkoncentrációjának összegét a sav-bázis fiziológiában a vér pufferbázisának nevezzük, rövidítése a „buffer-base” kifejezés alapján BB-érték. Fiziológiás normálérték-tartománya 44-49 mval/l. (Szokásosan de nem korrekt módon az automatizált sav-bázis laboratóriumok az értéket mmol/l értékben nyomtatják ki; mind a plazmafehérjék, mind a Hb polielektrolitok, a mmol/l dimenzió értelmezhetetlen.) A pufferbázis a sav-bázis egyensúly nem respirációs összetevője; szokásos – bizonyos pontatlansággal – anyagcsere- (metabolikus) összetevőként is említeni.

A szervetlen foszfát H₂PO₄^–/HPO₄^2– sav-bázis pár pK_a értéke 6,8, ideálisan alkalmas lenne a pufferfunkcióra, de koncentrációja a vérben alacsony, 1 mmol/l, ezért alárendelt szerepet játszik. (A vizeletben már jelentős pufferszerepe van.)

Ha vért CO₂-vel titrálunk, a szénsav disszociációjakor keletkező H⁺-okat olyan bázisok kötik meg, amelyek savi disszociációs állandója kisebb, mint a szénsavé. (Ez a titrálás játszódik le folyamatosan a szövetekben.) A reakciót – amely ugyan reverzíbilis, de itt csak a bikarbonátképződés irányát vesszük figyelembe – így írhatjuk fel:

$2 {CO}_{2} + H_{2} O + {Hb}^{n -} + {proteiát}^{m -} \to 2 {HCO}_{3}^{-} + H {Hb}^{(n - 1) -} + H {proteinát}^{(m - 1) -}$

(az egyenletben n és m a Hb- és a proteinátanionok negatív töltéseinek száma a H⁺ megkötése előtt). A PCO₂ növelésével a keletkező H⁺-ok intra- és extracelluláris fehérjékhez kötődnek, és a HCO₃^–-ok koncentrációja növekszik. A vér, mint összetett puffer nem izobikarbonát oldat. A CO₂ megkötésekor a vér bázisösszetevőiben eltolódás következik be: a vér teljes báziskoncentrációja változatlan, a bikarbonátbázis koncentrációja növekedik, a nem bikarbonát bázis koncentrációja ugyanannyival csökken. (Ennek a ténynek a légzési eredetű sav-bázis rendellenességek diagnosztikájában lesz jelentősége, l. alább.)

Az anyagcsere-folyamatokban keletkező savak savkaraktere erősebb (azaz savi disszociációs állandójuk nagyobb), mint a vér puffereiben a savi tényezőé. A nem illékony savakból disszociáló H⁺-okat ezért mind a bikarbonát, mind a nem bikarbonát bázisok megkötik (azaz pufferolják). Ebben a folyamatban a bikarbonátionok mennyisége csökken, és belőlük szénsav/szén-dioxid szabadul fel (az utóbbi a tüdőn keresztül távozik). Ebben a folyamatban a pufferbázis-koncentráció csökken:

$3 H^{+} + {HCO}_{3}^{-} + {Hb}^{n -} + {proteiát}^{m -} \to H_{2} {CO}_{3} + H {Hb}^{(n - 1) -} + H {proteinát}^{(m - 1) -}$

A szervezet a vesén keresztüli ürítés változtatásával közvetlenül csak a bikarbonátkoncentrációt szabályozza.

A sav-bázis státus laboratóriumi értékelése

A 17-1. táblázat foglalja össze egészséges egyének sav-bázis státusának legfontosabb paramétereit. [Ezen paraméterek folyamatos vagy legalább ismételt követése („monitorozás”) hozzátartozik az intenzív betegápolási és újszülöttosztályok mindennapi rutinjához.] A vér pH-, PCO₂-értékét és pufferbázis-koncentrációját (BB-érték) az előzőekben ismertettük. Három további, nem légzési összetevőt az alábbiakban tárgyalunk.

Eddig a vér és a vérplazma „bikarbonátkoncentráció”-ját további specifikálás nélkül említettük. Láttuk, hogy

a bikarbonátnak esszenciális szerepe van a nem illékony savak pufferolásában, és ha nem illékony savak kerülnek a vérbe, koncentrációja (együtt a pufferbázis koncentrációjával) csökken,
a bikarbonát koncentrációja a PCO₂ (azaz az illékony savösszetevő) változásával azonos irányban változik, és ezért nem független a ventilációtól.

A továbbiakban a bikarbonátkoncentrációt (ami a sav-bázis státus nem légzési összetevője) függetlenné kell tennünk a légzéstől: ez a mindennapos sav-bázis diagnosztika követelménye. A függetlenítés az aktuális és a standard bikarbonát fogalmának bevezetésével oldható meg.

Az aktuális bikarbonátkoncentráció([HCO₃^–]_akt) a vérben a mintavételnek megfelelő PCO₂ mellett mért bikarbonátkoncentráció. Ez a bikarbonátkoncentráció jelenik meg a Henderson–Hasselbalch-egyenletben, és ezt vesszük tekintetbe a vér pufferbázisának meghatározásakor; értéke függ az aktuális PCO₂-től.

A standard bikarbonátkoncentráció ([HCO₃^–]_st, vagy más rövidítéssel st. [HCO₃^–]) elvontabb paraméter: ez a 40 Hgmm PCO₂-t tartalmazó gázkeverékkel egyensúlyban lévő vérminta bikarbonátkoncentrációja. (Ez lenne a vizsgált személy vérében a [HCO₃^–], ha 40 Hgmm szén-dioxid nyomású gázkeverékből megfelelően lélegezne/lélegeztetnénk.) A standard bikarbonát érték használatának előnye, hogy a légzési összetevőtől függetlenítve jelzi a nem légzési összetevőben bekövetkezett sav-bázis változást, értékét sem a hypo-, sem a hyperventilatio nem befolyásolja. Normális feltételek között, ha a Pa CO₂ 40 Hgmm, a standard bikarbonát számértéke megegyezik az aktuális bikarbonátéval.

Egy további elvont fogalom a bázistöbblet (base excess, a diagnosztikában általánosan használt rövidítéssel BE). A bázistöbblet pozitív értékű (valódi bázistöbblet) vagy negatív értékű lehet; a negatív bázistöbblet valójában bázisdeficit (bázishiány). A bázistöbblet fogalmának csak akkor van értelme, ha a vér pH-értéke eltér az ideális 7,40-es értéktől (pontosabban kívül esik a 7,35–7,45-tartományon). A pozitív (valódi) bázistöbblet megfelel annak a mval-ban megadott savmennyiségnek, amelyet 1 liter vérhez kell adnunk, hogy a normális 7,40-es pH-értéket helyreállítsuk (a PCO₂ 40 Hgmm, a hemoglobin 100%-osan oxigenált kell legyen). A negatív bázistöbblet (bázisdeficit) megfelel annak a mval-ban megadott bázismennyiségnek, amelyet 1 liter vérhez kell adnunk, hogy a normális 7,40-es pH-értéket helyreállítsuk (az előzőhöz hasonlóan a PCO₂ 40 Hgmm, a hemoglobin 100%-osan oxigenált). A BE normális értéke –2,5 és +2,5 mmol/l között van. A BE azonos irányban változik, mint a standard bikarbonát, és mindkét paraméternek azonos diagnosztikai értéke van (l. alább). A BE alapján számítják a klinikai orvostudományban a sav-bázis egyensúly korrekciójához szükséges bázismennyiséget.

Az észak-amerikai kontinensen a sav-bázis egyensúlyzavarok diagnosztikájában nem vizsgálják a BB és BE értékeket, ezek a fogalmak az élettani és belgyógyászati tankönyvekben nem is találhatók meg. Az európai kontinensen azonban az automata „sav-bázis laboratóriumok” az itt ismertetett paraméterek értékeit határozzák meg.

6.16. táblázat - 17-1. táblázat . Az artériás vér sav-bázis paraméterei

Paraméter	Érték
pH	7,35−7,45
PCO₂	38−42 Hgmm
Standard HCO₃–	23,8−24,2 mmol/l^*
Aktuális HCO₃–	23,8−24,2 mmol/l^*
Pufferbázis (BB)	42–54 mmol/l^*
Bázisfölösleg (BE)	– 2,5 – +2,5 mmol/l^*

^* A báziskoncentrációkat a mérésükre használt készülékek többnyire (nem konzekvens módon) mmol/l értékben adják meg. Ez a hidrokarbonátkoncentráció esetében megengedhető, a fehérjebázisok esetében pontatlan. A helyes mértékegység a mval/l lenne, amit az SI nem használ

A respirációs és a nem respirációs pufferösszetevők szabályozása

Az előzőekben említettük, hogy az „illékony sav”, a CO₂, a sav-bázis egyensúly légzési (respirációs) összetevője, míg a pufferbázis a nem légzési (nem respirációs) összetevő. A sav-bázis egyensúly szabályozása során a légzés az illékony sav, míg a veseműködés a pufferbázis alkotórészét képező bikarbonátösszetevőt állítja be.

A légzés szerepe

Az artériás vér CO₂-tenziója megegyezik a tüdő alveolaris terében helyet foglaló gázkeverék (alveolaris gáz) parciális CO₂-nyomásával; az érték a percenkénti CO₂-termelés és az alveolaris tér „szellőztetése” (az alveolaris ventiláció) arányától függ (l. a 8. fejezetet):

$alveolaris artériás P_{{CO}_{2}} / = konstans \times \frac{{CO}_{2} - termelés}{alveolaris ventiláció}$

Az összefüggést a Henderson–Hasselbalch-egyenletbe helyettesítve, továbbá a 8. fejezetben bevezetett átszámítási faktort (863 Hgmm) alkalmazva következik, hogy

$pH = 6,1 + \frac{[{HCO}_{3}^{-}] \times {\overset{•}{V}}_{A}}{0,03 \times 863 \times {\overset{•}{V}}_{{CO}_{2}}}$

Szembeötlő, hogy a pH-érték az alveolaris ventiláció és a CO₂-termelés arányától függ. Ha ez az arány csökken, a pH savi irányba, ha az arány nő, a pH alkalikus irányba mozdul el. A CO₂-termelés a szervezet energiaforgalmától függ. Az alveolaris ventiláció normális körülmények között (azaz egészséges egyénben) általában egyenesen arányos a CO₂-termeléssel. A 8. fejezetben leírt szabályozó mechanizmusok biztosítják a Pa CO₂ állandóságát. Az állandóság fenntartásában akkor keletkeznek problémák, ha:

az alveolaris ventiláció bármely oknál fogva nem képes lépést tartani a CO₂-termeléssel, ezért a pH csökken (hypoventilatio),
az alveolaris ventiláció meghaladja a keletkezett CO₂ eltávolításához szükséges szintet, ezért a pH emelkedik (hyperventilatio).

A veseműködés szerepe

A nyugati féltekén szokásos étrend mellett az anyagcsere során naponta 50-100 mval nem illékony sav keletkezik. Ezen savak hidrogénionjai a pufferbázissal reagálnak, egyrészt csökkentik a bikarbonát-összetevőt, másrészt protonálják a fehérjebázisokat. A nem illékony, a szénsavnál erősebb savak keletkezésének következményeit egyedül a veseműködés képes kompenzálni. Ennek eszközei:

H⁺-ok szekréciója a lumenbe, amelyek a tubularis folyadékban protonakceptorokhoz kötődnek,
ammónia és ammóniumionok képzése a proximalis tubulusok sejtjeiben és – soklépéses folyamatban – a gyűjtőcsatornákba juttatása,
ezekkel kapcsolva HCO₃^–-ok intracelluláris szintézise („új HCO₃^–-képződés”) és továbbítása az extracelluláris folyadék/vér felé.

Az „új HCO₃^–-képződés”-t („new bicarbonate”) a tan- és szakkönyvek általában nehézkesen definiálják, és szembeállítják a proximalis tubulusokban folyó „reabszorpció”-val. A fogalom azonban egyszerű számítás alapján megérthető. A percenként a vesébe jutó preformált HCO₃^–-ok mennyisége kiszámítható a percenként a vesébe jutó vérplazma (0,650 l/min) és a plazma HCO₃^–-koncentráció (24 mval/l) szorzatából (15,6 mval/min). Ennek túlnyomó része a tubulusrendszerben „reabszorbeálódik”, de ez önmagában nem alkalmas a puffereléssel járó bázisveszteség pótlására. A vesét elhagyó vérplazmában a beáramló HCO₃^–-ot meghaladó mennyiséget nevezhetjük jogosan „új HCO₃^–-nak.

Vegetáriánus diétán élő emberekben nettó bázisképződés van, minthogy kevesebb nem illékony sav képződik, és a szerves savak alkálisói alkálibikarbonáttá (KHCO₃ és NaHCO₃) oxidálódnak. A vese a többletként jelentkező HCO₃^–-ok eltávolításával kompenzálja, így a pufferek bázisösszetevőjének állandóan tartásával biztosítja a sav-bázis mérleg egyensúlyát. Mindezek következtében a vizelet pH-értéke 4,5 és 8,0 között változhat.

Lényeges megjegyezni, hogy míg a légzési alkalmazkodás gyors, a Pa CO₂ változtatása mindössze néhány percig tart, a vese válasza a sav- vagy a bázisterhelésre sokkal lassabb, a H⁺-szekréció változása – az ebben részt vevő enzimek szintéziséhez szükséges idő miatt – több órát vagy 1-2 napot vesz igénybe.

H⁺-szekréció a tubulusrendszerben

A 14. fejezetben ismertettük a H⁺-szekréció celluláris mechanizmusait. Röviden összefoglalva, a proximalis tubulusokban a H⁺-ok Na⁺/H⁺ cserével jutnak a tubulusok lumenébe, ahol a pH-érték 6,5-ig csökken. A szecernált H⁺-okkal azonos mennyiségű HCO₃^– jut vissza az interstitiumon keresztül a vérbe („HCO₃^–-reabszorpció”). Ez a folyamat mindössze megóvja a szervezetet a bázisveszteségtől, fontossága a filtráltumba került Na⁺-ok nagy részének visszaszívása (ez valóban reabszorpció). Ha többletként keletkeznek a szénsavnál erősebb savak a szervezetben, és ezzel csökken a báziskészlet, annak ellentételezésére a proximalis H⁺-szekréció nem képes.

Említettük a 14. fejezetben, hogy a proximalis tubulusok H⁺-szekréciójához – és így a HCO₃^–-reabszorpcióhoz – szénsavanhidráz enzimek működése szükséges. Az enzim terápiás célú bénítása acetazolamiddal HCO₃^–-vesztéshez és acidózishoz vezet.

A gyűjtőcsatornák köztes sejtjeinek H⁺-szekréciója és a H⁺-ok megkötése a lumenben

A 14. fejezetben ismertettük a gyűjtőcsatornák köztes sejtjeit és H⁺-pumpáit. Ezek a pumpák jelentős, kb. három nagyságrendnyi H⁺-gradiens létrehozására képesek, a vizelet pH-értéke 4,5-4,0 lehet. Működésük során a H⁺-okat a víz disszociációjából veszik át, a sejtben maradó OH^–-ionok CO₂-vel – szénsavanhidráz katalízissel – HCO₃^–-okat képeznek („új bikarbonát”), ami a szervezet báziskészletéhez járul hozzá.

Rövid számítás után nyilvánvaló, hogy ha valamely bázis nem kötné meg a gyűjtőcsatornák lumenébe szecernált H⁺-okat, akkor a napi másfél liter vizeletben összesen kevesebb mint 1 mval H⁺ ürülhetne ki, ami messze elmarad a napi 50-100 mval H⁺-tól. Ezt a diszkrepanciát a vizelet protonakceptorai (bázisai) oldják fel.

A gyűjtőcsatornák lumenében a legfontosabb bázist a filtrált HPO₄^2–-ok képezik, amelyek H⁺-ok megkötésével itt H₂PO₄^–-okká alakulnak. Az egyéb H⁺-akceptorok közé tartoznak azok a szerves anionok, amelyek pK_a-értéke a vizelet pH-értékének tartományába esik, és ezért a tubularis folyadékban az ott lévő pH-nak megfelelően protonálódnak szabad savvá (urát → húgysav, β-hidroxi-butirát → β-hidroxi-vajsav, aceto-acetát → aceto-ecetsav, laktát → tejsav). A H⁺-okat megkötő felsorolt mechanizmusok ezen a 4,5 pH-értéken naponta 50–100 mmol H⁺ kiürítését teszik lehetővé. (A H⁺-okat megkötő bázisok összességét „titrálható acioditás”-nak nevezzük.)

Az ammónia/ammoniumionok képződése és további sorsa a vesében

Az ammonia/ammóniumionok képződése nem állandó folyamat, akkor lép előtérbe, ha a szervezetben a normálisnál több savi termék képződik. A folyamat 1-2 napos latenciával aktiválódik.

Az ammóniaképzés forrása a proximalis tubulus hámsejtjeiben a glutamin, amit a hámsejtek a vérből vesznek fel. A glutamin egymást követő reakciók során egy 2-oxoglutarát-molekulára és két ammóniamolekulára bomlik; az oxoglutarát oxidációja két HCO₃^–-t eredményez, amelyek az interstitiumba kerülnek. A proximalis tubulusokban folyó ammónia-/ammóniumion-szintézis során így a sejteken belül új HCO₃^–-ok generálódnak. A képződés helyén vagy nem ionos diffúzióval jutnak be a proximalis tubulus lumenébe az ammóniamolekulák és ott protonálódnak, vagy a sejten belül protonálódnak, és a keletkező ammóniumionok – mint H⁺-analógok – a Na⁺/H⁺ kicserélő transzportert felhasználva Na⁺/NH₄⁺ cseretranszporttal kerülnek a tubulus lumenébe.

A folyamat a sav-bázis mérleg szempontjából csak akkor hatásos, ha a képződött ammóniumionok a vizeletbe kerülnek, és kiürülnek. Ellenkező esetben a vérbe került ammónia/ammóniumionok a májban belépnek az ureaszintézis folyamatába, amelynek során HCO₃^–-ok használódnak fel (vagyis az ammóniaképzés és az ureaképzés „üresjáratot” jelentene).

A tubulussejtekben képződött ammónia/ammóniumionok kacskaringós utat járnak be, amíg a gyűjtőcsatornákban kiürülnek. A proximalis tubulus lumenében – 6,5-ös pH-értéken – az ammóniamolekulák protonálódnak, és a lumenben maradnak a Henle-kacsig. A Henle-kacs felszálló szárában a tubularis NH₄⁺-ok a Na⁺–K⁺–2 Cl^–-kotranszporteren keresztül elhagyják a lument – az NH₄⁺-ionok itt mint K⁺-analógok szerepelnek, Na⁺–NH₄⁺–2 Cl^– kotranszport – majd részben nem ionos diffúzióval, részben transzportereken keresztül a gyűjtőcsatornák lumenébe kerülnek. A gyűjtőcsatornák köztes sejtjeiben (l. a 14. fejezetet) H⁺-pumpák szekretálnak protonokat a lumenbe, amelyek rendkívül nagy H⁺-gradienst képesek kialakítani, a pH egészen 4,5-ig süllyed. Ezen a pH-n az ammónia protonálódik, és minthogy a gyűjtőcsatorna impermeábilis NH₄⁺-ok számára, mint ammóniumion ürül ki („ammóniacsapda”).

A vizelet kationjainak túlnyomóan nagy részét Na⁺- és K⁺-ok, anionjait pedig Cl^–-ok teszik ki. Az ürített Cl^–-ok mennyisége nem ekvivalens a Na⁺- és a K⁺-ok mennyiségének összegével: a különbséget (Na⁺ + K⁺ – Cl^–) „anionrés”-nek (angolul urinary anion gap, magyarul „anionhézag”-ként is fordítható) nevezik: ez pozitív vagy negatív lehet. Ha a vizeletben ammóniumionok is ürülnek, a (Na⁺ + K⁺)-ok összege kisebb, mint a Cl^–-mennyiség (negatív anionrés), és ebből szokás következtetni az ammóniumion-ürítésre.

HCO₃^–-szekréció a gyűjtőcsatornákban

Ha a szervezet anyagcsere-folyamatainak során több bázis keletkezik, mint savi ekvivalens, a vese képes a többletet eltávolítani. Ennek eszköze a gyűjtőcsatornák β-típusú köztes sejtjeinek HCO₃^–-szekréciója. Ezekben a sejtekben a H⁺-pumpa (H⁺-ATP-áz) a basolateralis membránban lokalizált, az interstitiumba választ ki H⁺-okat. A H⁺-szekréció kapcsán keletkező HCO₃^–-ok a luminalis membrán HCO₃^–/Cl^–-kicserélő transzporterén keresztül kerülnek a lumenbe (más megfogalmazásal „új HCO₃^–-ok” ürülnek ki a szervezetből). A HCO₃^–-szekréció eredményeként a vizelet pH-értéke egészen 8,2-ig emelkedhet.

A sav-bázis egyensúly rendellenességei

A sav-bázis egyensúly zavarai az acidózis és az alkalózis, amelyeket a vér pH-értékének változása definiál. Acidózisban a vér pH-értéke 7,35 alatt, alkalózisban 7,45 fölött van. A sav-bázis egyensúlyzavar mindkét típusát okozhatja a ventiláció zavara [légzési eredetű (respirációs) sav-bázis egyensúlyzavar], vagy az független a légzéstől (nem légzési eredetű sav-bázis egyensúlyzavar), amelyet gyakran anyagcsere-eredetű, metabolikus sav-bázis egyensúlyzavarnak is neveznek. A respirációs zavarokban a pH-érték változásának elsődleges oka a szén-dioxid csökkent vagy fokozott leadása. A nem respirációs zavarokban a nem illékony savak vagy a bázisok keletkezése/bevitele és kiküszöbölése közötti egyensúly bomlott meg.

A primer sav-bázis anyagcserezavarok diagnosztikája a vér pH-, Pa CO₂-, pufferbázis-, aktuális és standard bikarbonát, valamint bázistöbblet-értékének változásán alapul. Az esetek legnagyobb részében másodlagos kompenzációs reakciók – legalábbis részlegesen – a pH-érték normalizálása irányában működnek.

Respirációs (ventilációs eredetű) sav-bázis egyensúlyzavarok

Hypoventilatio: respirációs acidózis

Az alveolaris ventilációnak a CO₂-termeléshez viszonyított csökkenése respirációs acidózist okoz. A kompenzációs reakciók bekövetkezte előtt az állapotot jellemzi:

a Pa CO₂ M 40 Hgmm,
a BB- és a BE-értékek változatlanok (a HCO₃^–- és a fehérjebázisok között a HCO₃^– javára jön létre eltolódás),
változatlan standard HCO₃^–-érték,
az aktuális HCO₃^– értéke megnő, M 24 mmol/l.

Respirációs acidózist okozhatnak a tüdő megbetegedései (tüdőgyulladás, fibrosis, emphysema), pneumothorax, mellkasi deformitások és sérülések, továbbá a központi idegrendszer megbetegedéseihez vagy gyógyszeres depressziójához társuló légzési elégtelenség.

Minthogy a respirációs acidózis oka, hogy a ventiláció nem képes eltávolítani az acidózisért felelős szén-dioxidot, az érintett személy magára hagyott légzése nem képes az acidózist kompenzálni. Mesterséges (gépi) lélegeztetés a Pa CO₂ csökkentésével javíthatja a respirációs acidózist.

A krónikus respirációs acidózist a veseműködés kompenzálja: a normálisnál magasabb Pa CO₂ megnövekedett H⁺-szekrécióhoz vezet. A kompenzáció megindulása legkevesebb 1 napot vesz igénybe: eredményeként a standard [HCO₃^–] a normális érték fölé emelkedik, és az aktuális [HCO₃^–] meghaladja a korábbi, emelkedett értéket. A vér pH-értéke növekszik, de nem éri el a normális értéket (azaz < 7,35).

Hyperventilatio: respirációs alkalózis

Ha az alveolaris ventiláció nagyobb mértékben növekszik, mint a CO₂-termelés, respirációs alkalózis jön létre. A nem kompenzált respirációs alkalózist jellemzi:

a Pa CO₂ < 40 Hgmm,
a BB- és a BE-értékek változatlanok,
változatlan standard HCO₃^–-érték,
az aktuális HCO₃^– értéke csökken, < 24 mmol/l.

A respirációs alkalózis viszonylag gyakori oka az akaratlagos hyperventilatio: ez az állapot magától megszűnik. Komolyabb következményekkel járhat nem akklimatizált személyek tartózkodása nagy magasságon: a fellépő hypoxia olyan súlyos, hogy az alacsony artériás PCO₂ ellenére átveszi a ventiláció szabályozását, hyperventilatio lép fel. Respirációs alkalózis mesterségesen lélegeztetett betegeken is előfordul, ha a beállított lélegeztetési térfogat meghaladja a beteg szükségletét. Respirációs alkalózist okozhat a központi idegrendszeri eredetű hyperventilatio (agytörzsi vérzés, daganat vagy gyulladás); néhány gyógyszer (pl. acetilszalicilsav) túladagolása is hyperventilatiót okozhat.

Az alkalózisnak másodlagos következményei vannak: minthogy az ionizált kalcium koncentráció csökken, az idegek ingerlékenysége fokozódik, és görcsös állapot jöhet létre (l. a 16. fejezetet).

Minthogy a respirációs alkalózis többnyire rövid időtartamú, a veseműködés részéről legtöbbször nincs szükség kompenzációra. Krónikusan fennálló esetekben a renalis H⁺-kiválasztás csökken, és ilyenkor a standard HCO₃^–-érték esik.

Nem respirációs sav-bázis egyensúlyzavarok

A nem respirációs eredetű sav-bázis zavarokat régebben „anyagcsere-eredetű” sav-bázis zavarokként említették, jelenleg a pontosabb, „nem respirációs eredetű” elnevezést használjuk.

Nem respirációs acidózis

Ha a különböző nem illékony savak képződése meghaladja a vese „nettó savkiválasztás”-át, nem respirációs acidózis fejlődik ki. A kompenzációs reakciók megindulása előtti állapotot jellemzi:

pH << 7,35,
a Pa CO₂ normális, kb. 40 Hgmm,
a pufferbázis a normális érték alatt van (< 44 mmol/l),
a standard [HCO₃^–] és az aktuális [HCO₃^–] egyaránt a normális érték alatt van, azaz < 24 mmol/l,
a bázisfölösleg értéke negatív.

A nem respirációs acidózis egyik oka a nem illékony savak túlzott képződése, amit a normális veseműködés nem képes kompenzálni. Az egyik leggyakoribb ok a diabetes mellitus, amikor a zsírsavak nem teljes oxidációja során ketontestek (β-hidroxi-vajsav és acetecetsav) keletkeznek (diabeteses ketoacidózis, l. a 23. fejezetet). Hosszan tartó éhezés is okozhat ketoacidózist. A lactacidaemia a fokozott tejsavképződés, ez fordul elő intenzív izomtevékenység során; lactacidaemia jön létre hypoxiás állapotban is. Normális mértékű nem illékony sav keletkezés mellett is acidózis jön létre, ha a megbetegedett vese nem képes a H⁺-ok kiválasztására (renalis acidózis). Nemcsak a savprodukciós többlet vagy a csökkent savkiválasztás vezethet acidózishoz, hanem a nagymértékű (extrarenalis) bázisvesztés is: ezen acidózis leggyakoribb oka a hasmenés során fellépő bikarbonátvesztés.

A nem respirációs acidózis során kompenzálási reakció, hyperventilatio lép fel. A hyperventilatiót elindító és fenntartó jel az artériás kemoreceptorok ingerületleadása: ezek a vér [H⁺]-jának változásaira érzékenyek. A következmény mély belégzésekkel jellemzett típusos acidózisos légzés (Kussmaul-típusú légzés). A rövid időn belül létrejövő részleges kompenzálás során:

a pH < 7,35, még mindig alacsonyabb mint a normális érték,
a Pa CO₂ a normális alatt van, < 40 Hgmm,
a standard [HCO₃^–], pufferbázis és bázistöbblet értékeit a légzési kompenzálás nem érinti, valamennyi a normális érték alatt van, az aktuális [HCO₃^–] pedig még tovább csökken.

Ha a nem respirációs acidózis nem veseeredetű volt, a H⁺-ok megnövekedett kiválasztása következtében a standard [HCO₃^–], pufferbázis és bázistöbblet értéke részlegesen helyreáll, és a pH-érték a normálishoz közelít. Veseelégtelenség esetén a szervezet egyetlen kompenzációs lehetősége a légzés változása.

„Kevert típusú acidózis”

Súlyos fokú légzési elégtelenségben fordul elő, hogy az oxigénhiány is olyan mértékű, hogy az szöveti hypoxiához, és ennek következtében lactacidaemiához vezet. Ebben az acidózistípusban:

a pH << 7,35,
a Pa CO₂ M 40 Hgmm,
a pufferbázis a normális érték alatt van (< 44 mmol/l),
a standard [HCO₃^–] a normális érték alatt van, < 24 mmol/l (az aktuális HCO₃^–-érték bármi lehet),
a bázisfölösleg értéke negatív.

Nem respirációs alkalózis

Ha a nem illékony savak vesztése meghaladja a savak keletkezését, vagy a szervezetbe nagy mennyiségű alkálisó kerül (pl. Na-bikarbonát bevitelével), nem respirációs alkalózis alakul ki. A kompenzációs folyamatok megindulását megelőzően:

a pH érték MM 7,45,
a Pa CO₂ normális, kb. 40 Hgmm,
a pufferbázis a normális érték fölött van (M 49 mmol/l)),
a standard [HCO₃^–] és az aktuális [HCO₃^–] egyaránt meghaladja a normális értéket (M 24 mmol/l),
a bázistöbblet pozitív.

A nem respirációs alkalózis viszonylag ritkán fordul elő. Egyik lehetséges oka a hosszan tartó hányást kísérő gyomorsósavvesztés. (Ebben az esetben a többlet-HCO₃^– a gyomor fedősejtjeiben keletkezik, és kerül a vérkeringésbe.) A további okok között szerepel a nem megfelően kontrollált öngyógyszerelés, Na-bikarbonát nagy mennyiségének rendszeres szedése, amelyet a HCO₃^–-ok fokozott kiválasztása a vesében sem képes kompenzálni.

A nem respirációs alkalózis állandó kísérő tünete az aldoszteron-túlprodukciónak, amely többek között primer hyperaldosteronismusban (Conn-szindróma, l. a 15. fejezetet) fordul elő.

A nem respirációs alkalózist közvetlenül a légzés kompenzálja: hypoventilatio és CO₂-retenció az első lépés. Ezt a kompenzációs lehetőséget azonban az ezzel járó hypoxia korlátozza: általában a Pa CO₂ nem emelkedik magasabbra, mint 60 Hgmm.

Mérföldkövek

Az alapok

1908-9: Lawrence J. Henderson megfogalmazza az „állati szervezetek neutralizációs mechanizmusának” egyenletét, a hidrogénion-, a szén-dioxid- és bikarbonátkoncentráció közötti összefüggést. Munkásságát 1928-ban később sokat idézett könyvében foglalja össze, ennek címe: Blood. A Study in General Physiology. Yale University Press.

1916: K. A. Hasselbalch továbbfejleszti Henderson számításait, bevezeti Henderson egyenletének logaritmikus alakját.

A módszerek

1917: D. D. Van Slyke és G. E. Cullen bevezetik a plazma bikarbonátkoncentrációjának gazometriás mérését, és az acidózis mértékének meghatározására a „plazma CO₂-kötő kapacitása” („plasma CO₂-combining power”) meghatározását javasolják.

1956-tól kezdődően: a súlyos, légzésbénulással járó dániai gyermekbénulás járványok (poliomyelitis) során az esetek nagy száma miatt kézzel működtetett légzőkészülékeket alkalmaznak. A hypoventilatio és hyperventilatio veszélyének megelőzésére a koppenhágai gyermekkórház laboratóriumában Poul Astrup módszert dolgoz ki, amely pH-mérések segítségével lehetővé teszi a sorozatos vér-PCO₂-meghatározást (PCO₂-ekvilibrációs technika, Astrup-módszer). A módszer alkalmazása lehetővé teszi a bénult betegek lélegeztetésének ellenőrzését. 1966-ban P. Astrup, K. Engel, K. Jorgensen és O. Siggaard-Andersen javaslatot tesznek a sav-bázis egyensúlyzavarok mai napig általánosan elfogadott terminológiájára.

1958: J.W. Severinghaus és A. F. Bradley bevezetik a vér-pH és -PCO₂ folyamatos követésére alkalmas elektródokat, amelyeket az intenzív betegellátási osztályokon a betegek állapotának követésére („monitorozás”) alkalmaznak.