酸碱平衡的调节

三、酸碱平衡的调节

正常情况下机体每天不断产生和摄入酸碱性物质，但血液pH并不发生显著变化，这是由于体内存在完善的酸碱平衡调节体系。该体系包括缓冲对缓冲系统和组织器官缓冲系统，这些缓冲系统协同调控酸碱平衡（表5-1）。

表5-1　酸碱平衡调节体系

（一）缓冲对缓冲系统

缓冲对缓冲系统是指由一种弱酸（缓冲酸）和其对应的共轭碱（缓冲碱）所构成的具有缓冲酸或碱能力的混合液。当体液中酸或碱性物质含量改变时，缓冲对缓冲系统通过接受H+或释放H+，减轻体液pH的变化。进入机体的强酸与缓冲碱发生反应，生成弱酸（H2CO3），再由肺脏排出；强碱进入机体后，与缓冲酸发生反应，生成水和弱碱（NaHCO3），再经肾脏排出。如表5-1所示，机体主要有以下4种缓冲对缓冲系统。

1.碳酸氢盐缓冲系统　由H2CO3/构成，其缓冲反应如下：

CO2和H2O结合为H2CO3的可逆反应虽可自发地进行，但非常缓慢，但在碳酸酐酶的催化下该反应速度可增强约5000倍。碳酸酐酶主要存在于肾小管上皮细胞、红细胞、肺泡上皮细胞及胃黏膜上皮细胞等细胞中。碳酸氢盐缓冲系统具有以下特点：①可以缓冲所有的固定酸，但不能缓冲挥发酸；②缓冲能力强，是细胞外液含量最多的缓冲系统，含量占血液缓冲总量的1/2以上；③该系统可进行开放性调节，能通过肺和肾对H2CO3和的调节使缓冲物质易于排出和补充。

2.磷酸盐缓冲系统　由构成，存在于细胞内外液中，主要在细胞内液中发挥缓冲作用。

3.蛋白缓冲系统　由HPr/Pr构成，存在于细胞内外液中。由于大部分蛋白位于细胞内，因此蛋白质缓冲系统主要是细胞内缓冲系统。

4.血红蛋白和氧和血红蛋白缓冲系统　如图5-1所示，血红蛋白缓冲系统在缓冲挥发酸中发挥重要作用。血红蛋白可以结合H+形成HHb，结合CO2形成HHbCO2。静脉血中的脱氧血红蛋白（HHb）较动脉血中的氧合血红蛋白（HHbO2）的缓冲能力强。

图5-1　血红蛋白缓冲系统

如表5-1所示，当H+过多时，反应向左移动，使H+的浓度不至于发生大幅度的增高，同时缓冲碱的浓度降低；当H+减少时，反应则向右移动，使H+的浓度得到部分的恢复，同时缓冲碱的浓度增加。由于碳酸氢盐缓冲系统不能缓冲挥发酸，挥发酸的缓冲主要靠非碳酸氢盐缓冲系统，特别是Hb及HbO2缓冲；而固定酸和碱能够被所有的缓冲系统所缓冲，其中碳酸氢盐缓冲系统尤为重要。

（二）组织器官缓冲系统

1.肺的调节作用　肺通过改变CO2排出量来调节血浆碳酸浓度，使血浆中与H2CO3比值接近20：1，以保持pH相对恒定。肺的调节发生迅速，数分钟即可起效，12～24h可达高峰。肺泡通气量受到延髓呼吸中枢的控制，而呼吸中枢接受来自中枢和外周化学感受器的刺激。

（1）呼吸运动的外周调节：PaO2降低、pH下降或PaCO2升高时，可刺激主动脉体和颈动脉体的外周化学感受器，反射性地兴奋呼吸中枢，使呼吸加深加快，CO2排出增加。上述3种因素对化学感受器的刺激作用可相互增强，因此，引起酸碱平衡紊乱的病因如PaCO2升高和PaO2降低往往同时存在，它们协同刺激外周化学感受器，共同促进代偿性呼吸运动增强。(https://www.daowen.com)

（2）呼吸运动的中枢调节：与外周化学感受器不同，位于延髓腹外侧区的中枢化学感受器不感受低氧刺激，只感受脑脊液和局部细胞外液中的H+。血液中的CO2能迅速通过血-脑屏障，使中枢化学感受器周围细胞外液中的H+浓度升高，而血液中的H+不易透过血-脑屏障，其对中枢化学感受器的刺激作用较弱。由于脑脊液中碳酸酐酶较少，所以CO2的反应有一定延迟。PaCO2只需升高2mmHg，就可刺激中枢化学感受器，出现肺通气增强的反应，从而降低血中H2CO3浓度，实现反馈调节。但如果PaCO2进一步增加，＞80mmHg时，呼吸中枢反而受到抑制，产生CO2麻醉（carbon dioxide narcosis）。

2.细胞内外离子交换　组织细胞内液是酸碱平衡的重要缓冲池。机体主要通过离子交换以维持电中性的方式，发挥细胞的缓冲作用。一个最好的例子是，主要当细胞外液H+过多时，H+弥散入细胞内，而K+从细胞内移出；反之，当细胞外液H+过少时，H+由细胞内移出，所以酸中毒时，往往可伴有高血钾，碱中毒时可伴有低血钾。Cl-/的交换也很重要，尤其是在红细胞中，因为Cl-是可以自由交换的阴离子，当升高时，它的排出可由Cl-/交换来完成。

3.肾的调节作用　肾脏通过以下3个主要机制调控酸碱平衡：①尿液排泌H+；②重吸收肾小球滤过的；③产生新的。通过这3种机制，尿液最低pH可达到4.4～4.7。尿液排泌的H+需要被两种重要的小管内缓冲体系，即磷酸盐缓冲体系和NH3缓冲体系缓冲后才能排出，以防极酸的小管液损伤泌尿道。

（1）近曲肾小管对NaHCO3的重吸收（图5-2）：近曲肾小管刷状缘和肾小管上皮细胞内均富含碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA），能催化H2O和CO2结合生成H2CO3，H2CO3进一步解离出H+和。细胞内H+经管腔膜H+-Na+交换体与滤液中Na+交换，该过程称为H+-Na+交换。Na+再经基侧膜Na+，K+-ATP酶主动转运入血，使细胞内Na+浓度维持在10～30mmol/L的低水平，有利于管腔内Na+弥散入肾小管上皮细胞，并促进H+的分泌。为维持电中性，大部分可经位于基侧膜的Na+-转运体进入血液循环。肾小管分泌的H+和肾小球滤过的结合成H2CO3，后者在刷状缘碳酸酐酶（CA）的作用下生成CO2和水，CO2弥散进入肾小管上皮细胞内，又开始一个新的循环。可见，在上述过程中得到了重吸收，而H+并未得到排泌。

图5-2　近曲肾小管对NaHCO3的重吸收

（2）远曲小管及集合管泌H+（图5-3）：远曲小管和集合管的闰细胞也可分泌H+，此细胞又称泌氢细胞，它并不能转运Na+，是一种非Na+依赖性的泌氢，这种借助于H+-ATP酶或H+，K+-ATP酶的作用向管腔泌氢，同时在基侧膜以Cl--交换的方式重吸收，称为远端酸化作用（distal acidification）。是小管液中存在的一种重要的缓冲碱，可以结合肾小管上皮细胞排泌的H+。血液中在肾小球完全滤过，约75%被肾小管重吸收，剩余的可以用来结合H+，形成，从尿液中排出。这种缓冲是有限的，当尿液pH降至4.8左右时，两者比值由原来的4∶1变为1∶99，几乎尿液中所有磷酸盐都已转变为，已不能进一步发挥缓冲作用了。

图5-3　远曲小管及集合管泌H+

（3）的排出（图5-4）：NH3是小管液中存在的另一种重要的缓冲碱。近曲小管上皮细胞是产NH3的主要场所，主要由谷氨酰胺酶水解谷氨酰胺产生。酸中毒越严重，谷氨酰胺酶的活性也越高，产生氨越多。NH3与细胞内碳酸解离的H+结合成通过-Na+交换进入管腔，并以NH4Cl的形式由尿排出，而Na+又与同向转运进入血循环。由于NH3是脂溶性分子，可通过细胞膜自由扩散进入小管腔，也可通过基侧膜进入细胞间隙；这些NH3也可以结合远曲肾小管和集合管上皮细胞H+-ATP酶泵出的H+，形成从尿中排泄。酸中毒严重时，当磷酸盐缓冲系统不能缓冲时，不仅近曲小管泌增加，远曲小管和集合管也可泌NH3，可中和尿液中H+，并结合成从尿中排泄。NH3缓冲系统在正常状况下，排泌的H+和再生大概占50%，但在慢性酸中毒时，该系统在泌H+和再生中占主导地位。

图5-4　的排出

以上（2）和（3）过程中，肾小管上皮细胞排泌的H+来源于细胞内CO2和H2O产生的H2CO3，H2CO3解离出的H+被和NH3结合而从尿液中排出，而被重吸收入血，这部分是再生出的，而非从肾小球滤液中重吸收所得。

综上所述，肾对酸碱的调节主要是通过肾小管细胞的活动来实现的。肾小管上皮细胞在不断分泌H+的同时，将肾小球滤过的NaHCO3重吸收入血，防止细胞外液NaHCO3的丢失。如仍不足以维持细胞外液NaHCO3浓度，则通过磷酸盐的酸化和泌并生成新的NaHCO3以补充机体的消耗，从而维持血液的相对恒定。如果体内含量过高，肾脏可减少NaHCO3的生成和重吸收，使血浆NaHCO3浓度降低。

4.其他组织器官的调节作用　肝可以通过尿素的合成清除NH3调节酸碱平衡，骨骼的钙盐分解有利于对H+的缓冲，如：Ca3（PO4）2+4H+→3Ca2++2H2PO4

上述4个方面的调节因素共同维持体内的酸碱平衡，但在作用时间上和强度上是有差别的。血液缓冲系统反应最为迅速，一旦有酸性或碱性物质入血，缓冲物质就立即与其反应，将强酸或强碱中和转变成弱酸或弱碱，同时缓冲系统自身被消耗，故缓冲作用不易持久；肺的调节作用效能大，也很迅速，在几分钟内开始，30min时达最高峰，但仅对CO2有调节作用，随后1～2天内呼吸兴奋反应减弱为原先的1/5左右。细胞内液的缓冲作用强于细胞外液，3～4h后才发挥调节作用，通过细胞内外离子的转移来维持酸碱平衡，但可引起血钾浓度的改变；肾脏的调节作用发挥较慢，常在酸碱平衡紊乱发生后12～24h才发挥作用，但效率高，作用持久，对排出非挥发酸及保留NaHCO3有重要作用。