三、酸堿平衡的調節(jié)
盡管機體在不斷地生成和攝取酸性或堿性物質，但血液中的pH并不會發(fā)生顯著的變化，這是由于體內一系列調節(jié)機制共同作用的結果，主要包括體液的緩沖作用、肺和腎的調節(jié)作用(圖3—1)。
(一)機體的緩沖系統(tǒng)
機體對酸堿的緩沖系統(tǒng)主要有三個相對獨立的緩沖池，即血液緩沖池、細胞內液緩沖池、腦脊液緩沖池。此外，在某些特殊情況下，其他一些醫(yī)學檢驗網(wǎng)組織也可發(fā)揮一定的緩沖作用，如骨骼對慢性代謝性酸中毒的緩沖作用。
1.血液的緩沖作用 緩沖系統(tǒng)由弱酸(緩沖酸)及其相對應的堿(緩沖堿)組成。血液中的緩沖系統(tǒng)主要有碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)、磷酸鹽緩沖系統(tǒng)、血漿蛋白緩沖系統(tǒng)、血紅蛋白和氧合血紅蛋白緩沖系統(tǒng)五種
表（3-1)。當血中H+過多時，反應向左移動，使H+濃度不至于發(fā)生大幅度的增高，同時由于中和作用，緩沖堿的濃度會降低；當H+減少時，反應向左移動，使H+得到部分恢復，同時緩沖堿的濃度會增減。
所有的固定酸都能被血中緩沖系統(tǒng)緩沖，但以碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)最重要，這是因為：①含量最多，約占血中緩沖總量的一半以上(表3—2)；②可進行開放性調節(jié)，碳酸能和體液中溶解的CO，取得平衡而受呼吸的調節(jié)，另外，碳酸氫鹽還能通過腎進行調節(jié)。
雖然碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)占全血總緩沖量的比例非常大，但卻不能緩沖體內揮發(fā)酸。揮發(fā)酸的緩沖作用主要靠體內非碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)，特別是Hb—及HbO2—緩沖系統(tǒng)進行緩沖。
2．組織細胞的緩沖作用 ，機體大量組織細胞內液也是酸堿平衡的重要緩沖池。細胞外液中[H’]的變動會影響到細胞內，特別是大量的肌肉組織細胞是巨大的酸堿緩沖池。酸中毒時，H’可由細胞外進入細胞內，被細胞內的緩沖系統(tǒng)緩沖，從而減輕了細胞外液酸中毒的程度；同理也可減輕堿中毒的程度。細胞的緩沖作用有兩種方式，即細胞膜內外的離子交換和細胞內緩沖體系。
(1)細胞內外離子交換 細胞可通過離子交換調節(jié)酸堿平衡，例如通過H+—K+、H+—Na+、Na+—K+交換以維持電中性，當細胞外液H+增加時，H+彌散進入細胞內，而細胞內K+則移出至細胞外，所以酸中毒時往往會有高血鉀。Cl—HC03—的交換也相當重要，因為C1—是可能自由通過細胞膜的陰離子，當HC03—升高時，HC03—的排泄可由Cl——HC03—交換體來完成。
(2)細胞內緩沖體系 一般說來，機體體液的總緩沖能力是血液緩沖能力的6倍，其中細胞內液緩沖酸的能力最強，血液次之，腦脊液的緩沖能力最弱。與血液對酸的緩沖能力特別強一樣，細胞內液對酸的緩沖能力也遠超過對堿的緩沖能力。
在細胞內，磷酸根離子和蛋白陰離子的含量比細胞外要高得多，分別為80mEq／L和47 mEq／L，約占陰離子總量的70％，因此在細胞功能完好的情況下，細胞內的磷酸根離子和蛋白陰離子成為最強大緩沖物質，對細胞內酸中毒有巨大的緩沖作用。
由于細胞膜的半透膜特性，體細胞對不同酸堿紊亂的緩沖強度并不一致。受此影響，H+和HCO3進出細胞的過程非常緩慢，但CO2可迅速進入細胞，故在代謝性酸中毒時，細胞內的緩沖作用相對緩慢且弱；而在呼吸性酸中毒時，只要不存在明顯的缺氧，細胞內的緩沖作用就非常迅速且強大，一般在15 min后其緩沖作用就可達60％，而在3 h后其緩沖作用可達峰值。同理，在呼吸性堿中毒時，細胞內堿中毒比較明顯，容易出現(xiàn)嚴重的代謝障礙；而在代謝性堿中毒時，細胞內堿中毒則相對輕得多，故不容易出現(xiàn)嚴重的代謝障礙。
3．腦脊液的緩沖作用 與血液和體細胞相比，腦脊液不僅缺乏有效的緩沖物質，也缺乏細胞內適當?shù)拇x活動，補充堿性物質的丟失。此外在腦脊液和血液之間還存在血—腦脊液屏障，H+和HCO3—移出 和進入腦脊液的速度非常緩慢，但CO2可迅速進出腦脊液，故血液中出現(xiàn)原發(fā)性的代謝因素改變時，腦脊液酸堿度的改變緩慢且有限，而因呼吸性改變使CO2顯著變化時則可導致腦脊液酸堿度的顯著變化，并影響呼吸中樞，出現(xiàn)明顯的神經(jīng)—精神改變和呼吸變化。
除上述三個緩沖池的緩沖作用外，骨骼的鈣鹽分解也有利于對H+的緩沖，其機制是產(chǎn)生了較多的H2P04—，反應式為：Ca3(P04)2+4H+---*3Ca2++2H2P04-。鈣鹽的分解主要參與持續(xù)時間較長的代謝性酸中毒的調節(jié)，這也是慢性酸中毒患者易發(fā)生骨質疏松的原因之一。
(二)肺在酸堿平衡中的調節(jié)作用
肺在酸堿平衡中的作用是通過改變肺泡通氣量來控制揮發(fā)酸釋出的CO2的排出量，使血漿中的HC03—與H2CO3比接近正常值，以保持血中pH相對恒定。
肺通氣的調節(jié)作用較迅速，數(shù)分鐘內起效，30rain達高峰。其機制主要是通過呼出CO2來調節(jié)血液中CO2的含量。延髓的呼吸中樞通過調節(jié)呼吸運動的頻率和深度，加速或減慢CO2的排出。這種調節(jié)作用可通過以下三種機制來實現(xiàn)。
1.化學性調節(jié) 正常情況下，化學性因素由CO2、pH和O2起主要作用。
(1)動脈血CO2分壓(Pa CO2) Pa CO2的變化是興奮呼吸中樞的主要因素，其對呼吸中樞的影響主要有兩條途徑。首先是延髓的中樞化學感受器對血中Pa CO2的變化非常敏感(CO2對中樞化學感受器的作用主要通過H+濃度的變化來實現(xiàn))，PaC02升高2mmHg就會引起通氣加強反應；其次是通過外周化學感受器間接影響呼吸中樞的興奮性，但敏感性要低得多，PaCO：要升高10mmHg才會引起通氣加強反應。需要指出的是CO2對呼吸中樞的興奮作用是有限度的，當Pa CO2過度升高(>80mmHg)時，反而對呼吸中樞有抑制作用，并可能出現(xiàn)“CO2麻醉”現(xiàn)象，使肺通氣減少。
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(2)pH或H+ 與CO2分壓的變化對呼吸中樞的影響相似，pH的變化對呼吸中樞的影響也是通過調節(jié)中樞和外周化學感受器興奮性的變化發(fā)揮作用。中樞化學感受器對pH(或H+)變化的敏感性比外周化學感受器的敏感性要高得多，前者大約是后者的25倍。一般來說，腦脊液與血液中的pH是一致的。但由于血液或腦脊液中的HC03—不易透過血腦屏障，所以如果腦脊液局部發(fā)生代謝性酸中毒或堿中毒，則代償速度非常緩慢，呼吸中樞受其影響時間延長。
(3)動脈血氧分壓(Pa0：) O2分壓下降對中樞的直接作用是抑制，只有通過外周化學感受器才能間接引起呼吸中樞的興奮。一般情況下，Pa O2下降對呼吸中樞的影響較弱，當Pa O2下降至60mmHg以下時，才會出現(xiàn)通氣發(fā)應的明顯增強。在正常情況下，O2分壓對呼吸中樞興奮性的影響微乎其微，但在慢性C O2嚴重潴留的患者，呼吸中樞對C O2分壓的變化逐漸適應，這時低O2升分壓對呼吸中樞的間接興奮作用才顯得更為重要，如果此時迅速將O2升高到80mmHg以上，反而會引起呼吸抑制。
2、中樞神經(jīng)性調節(jié) 呼吸運動的節(jié)律來自于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的呼吸中樞，經(jīng)神經(jīng)傳導引起呼吸肌興奮，調控呼吸。臨床上可使用呼吸中樞興奮劑和抑制劑對呼吸中樞進行調節(jié)。
3、神經(jīng)反射性調節(jié) 呼吸的神經(jīng)反射調節(jié)的外周感受器屬機械或物理性感受器。如肺組織中的牽張感受器，J感受器（又稱毛細血管旁感受器)和呼吸肌內的本體感受器等，在受到刺激后，反射性興奮呼吸中樞，使呼吸增強。
（三)腎在酸堿平衡中的調節(jié)作用
腎臟在維持體內酸堿平衡中的作用是通過腎臟排酸保堿或排堿保酸來調節(jié)血漿中HCO3-的含量，保持血中PH的相對穩(wěn)定。當血漿中HCO3-濃度降低時，腎臟加強酸性物質的排出和加快HCO3-的重吸收，以盡量使血中HCO3-恢復正常；相反，當體內堿性物質增多時，腎臟接減少酸性物質的排出和減少HCO3-的重吸收。與肺調節(jié)揮發(fā)酸排出相比，腎臟主要調節(jié)固定酸的排出和重吸收HCO3-，而且它的調節(jié)速度也慢很多，通常在數(shù)小時后才起作用，3~5天達高峰 。這也是在發(fā)生急性代謝性酸中毒或堿中毒時，細胞內外酸堿變化強化情況不一樣 的原因之一。
正常飲食情況下，尿液中 的PH一般在6.0左右。但在酸堿失衡時，PH可降至4.4或升至8.0，波動范圍非常大，其間H+濃度相差有1000倍。因此，腎臟對酸堿的調節(jié)功能非常強大。腎臟對酸堿的調節(jié)主要有以下四個方面：
1. 近端腎小管泌H+和重吸收NaHCO3 近曲小管調節(jié)酸堿的功能主要是重吸收HCO3-，其泌H+作用也是為了輔助HCO3-重吸收。實際上，由腎小球濾過的HCO3-，90%在近曲小管被重吸收。其機制包括四個步驟：①近曲小管上皮細胞內含有大量的碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA),能催化CO2與H2O結合生成H2CO3,而碳酸可部分解離出H+和HCO3-;②在近曲小管上皮細胞內產(chǎn)生的H+通過其管腔面的H+--Na+交換體分泌到腎小管腔中,而腎小管腔中的Na+則被重吸收入近曲小管上皮細胞內;③進入腎小管腔的H+與管腔中經(jīng)腎小球濾過的HCO3-結合生成H2CO3.由于在近曲小管上皮細胞管腔面的刷狀緣也富含碳酸酐酶,因此,H2CO3在碳酸酐酶的作用下分解為CO2和H2O.CO2可通過彌散迅速進入近曲小管上皮細胞內,在細胞內碳酸酐酶的作用下,又可與H2O結合生成 H2CO3,從而完成依次近曲小管上皮細胞的泌H+和重吸收HCO3-的循環(huán).由此可見,在近曲小管腔中的HCO3-是以CO2的形式被重吸收,然后在細胞內碳酸酐酶的作用下還原成HCO3-;④進入細胞內的Na+和HCO3-通過近曲小管上皮細胞基膜側的Na+-- HCO3-載體同向被動重吸收到血液循環(huán)中.此外,進入細胞內的Na+還能被基膜側的Na+--K+泵主動重吸收進入血液gydjdsj.org.cn/hushi/循環(huán)中(圖3-2A).
2. 遠端腎小管及集合管泌H+和重吸收HCO3- 雖然遠端腎小管也通過泌H+和重吸收HCO3來調節(jié)酸堿平衡,但與近端腎小管相比,其機制卻不盡相同,其結果也有較大差別.其差別主要表現(xiàn)在原尿流經(jīng)遠曲小管及集合管后,尿液PH顯著下降,即尿液酸化.尿液的遠端酸化作用(distal acidification)是由遠端腎小管及集合管的閏細胞承擔的.此細胞又稱為泌H+細胞,它并不運轉Na+,是一種非Na+依賴性的泌H+細胞.
閏細胞分泌H+和重吸收HCO3-的機制包括以下幾個步驟:①閏細胞中的碳酸酐酶催化CO2和H2O結合生成H2CO3,而碳酸可部分解離出H+和HCO3-;②在閏細胞內產(chǎn)生的H+通過其管腔面的質子泵(H+--ATP酶)和H+--K+--ATP酶主動分泌到腎小管腔中后,與管腔中的堿性HPO42-結合變成酸性的H2PO4-,從而使尿液酸化;③閏細胞內的CO2經(jīng)碳酸酐酶轉化為H2CO3后解離出HCO3-,解離出的HCO3-在基膜側通過Cl—HCO3-交換體重吸收,進入血液循環(huán)中(圖3-2B).
3. 尿NH4+的排出 腎臟銨(NH4+)的產(chǎn)生和排出是PH依賴性的,即酸中毒越嚴重,尿中排NH4+量越多.近端和遠端腎小管都能泌NH3和NH4+,但近端腎小管上皮細胞是泌銨(NH4+)的主要場所,其泌
NH4+的機制與泌H+非常相似 ，區(qū)別是在腎小管上皮細胞內除產(chǎn)生H+外，還能產(chǎn)生NH3，兩者相結合生成NH4+，然后通過NH4+-Na+交換將NH4+排入腎小管中。近曲小管上皮細胞產(chǎn)NH3的機制與谷氨酰胺的代謝有關，即谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下分解成氨（NH3)和谷氨酸，谷氨酸又分解為NH3和α-酮戊二酸，α-酮戊二酸經(jīng)代謝轉化為2HCO3-（圖3-3A)。
遠端腎小管分泌的NH3先是由腎小管周圍毛細血管彌散而來，進一步彌散進入腎小管腔后再與管腔中已有的H+結合生成NH4+。在嚴重的酸中毒時，當遠曲小管分泌的H+與磷酸鹽緩沖后使尿液酸化，PH下降至4.8左右，磷酸緩沖系統(tǒng)已不能進行緩沖時，不僅近曲小管泌NH4+增多，遠曲小管泌NH3也增多，NH3與管腔中H+結合，生成的NH4+也增多，導致尿中NH4+濃度升高，經(jīng)尿排NH4+明顯增多（圖3-3B)。
4．遠曲小管的K+--Na交換與H+--Na+交換 在遠曲小管上皮細胞的管腔側既有K+--Na+交換，又有H+--Na+交換，它們主要調節(jié)K+的排泄，但在一些特殊的病理情況下對調節(jié)血液的酸堿有一定作用。原尿中的K+在近曲小管幾乎全部被重吸收，而尿液（終尿)中的K+是由遠曲小管分泌出來的。遠曲小管分泌的K+可與管腔中的Na+交換，排出K+，回收Na+，稱為K+--Na+交換；而H+--Na+交換則是分泌H+，回收Na+。遠曲小管上皮細胞的K+--Na+ 交換與H+--Na+交換之間有競爭性抑制作用。酸中毒時，H+分泌增多，K+分泌受競爭性抑制而減少，即在H+--Na+交換占優(yōu)勢時會抑制K+--Na+交換，這是酸中毒時常伴有高血鉀，堿中毒時常伴有低血鉀的原因之一。
