三、酸碱平衡
组织细胞处于合适的［H+］或p H 才能完成正常的生理和代谢活动。在生命活动过程中，机体会不断产生酸性代谢产物（如碳酸、乳酸）和碱性产物（如碳酸盐、磷酸盐等），还有相当数量的酸性或碱性物质进入机体，但正常情况下机体酸性与碱性物质总是保持一定的数量和比例，使体液的酸碱度（p H）稳定在一个很小的范围内，称为酸碱平衡。机体不同组织的代谢特点不同，不同组织，尤其是细胞的p H 不同，但是健康人血液的p H 总是维持在7.35～7.45的狭窄范围内。酸碱物质量的变化或分布异常被称为酸碱紊乱，通常指在血浆中的变化。
（一）体液的酸性和碱性物质及其来源
1.基本酸碱物质
（1）酸性物质：H2CO3、磷酸二氢钠（钾）（Na／KH2PO3）、蛋白质（H-Pro）、与H+结合的血红蛋白（HHb）、乳酸、硫酸等。
（2）碱性物质：碳酸氢钠／钾（Na／KHCO3）、磷酸氢二钠／钾（Na2／K2HPO3）、蛋白质的钠盐或钾盐（Na／K-Pro）、与钾结合的血红蛋白（KHb）。
2.酸性物质的来源
（1）碳酸：由糖、脂肪和蛋白质氧化分解的最终产物CO2衍生而来。CO2与水作用生成H2CO3。成年人即使在安静状态下组织细胞产生CO2的数量也是相当可观的，平均每天可有300～400 L。任何情况导致的代谢增强都可使CO2显著增加。由于H2CO3可分解为气态的CO2由肺排出体外，所以H2CO3是挥发性酸。
（2）其他代谢产物：物质分解代谢过程中也产生一些有机酸如β羟丁酸、乙酰乙酸、乳酸、尿酸等。正常情况下这些物质在体内继续被氧化成CO2，或进入其他代谢途径。尿酸是嘌呤分解代谢的终产物，随尿液排出体外，但量不多，酸性也很弱。含磷酸根的物质如磷脂、核蛋白等在代谢过程中水解后，可释放出磷酸类物质。含硫的有机物，如含硫氨基酸可产生硫酸类物质。这些酸类的总量虽不及H 2CO3多，但也不像碳酸那样分解为气体由肺呼出，故属于非挥发性酸或固定酸，由肾排出体外。健康人每天从固定酸产生的H+为50～90 mmol。
（3）摄入：即通过饮食直接摄入，包括服用酸性药物。
3.碱性物质的来源 在代谢过程中也有碱性物质产生，如氨基酸脱氨基生成的氨，但它在肝脏代谢形成尿素，不直接出现于尿液中，肾小管泌氨则用于中和尿液中的酸而保留碱。由食物摄入的碱主要来自蔬菜、水果等，这些物质常含有较多的有机酸及盐。有机酸在体内代谢后余下的钠、钾离子进入体液，导致HCO-3增加，故这类食物一般被称为碱食物。
（二）酸碱物质与电解质的关系 酸碱物质也是电解质，其变化也必须遵循电中性原理，与电解质之间还有以下重要关系，对理解酸碱平衡紊乱有重要价值。
1.氯离子（Cl-）转移 发生部位在红细胞内外，伴随HCO-3的反向转移，以保持细胞内外的渗透平衡和细胞内外的电中性，这个过程发生较快。类似的反应也可发生在肾小管，但过程缓慢，称为肾功能代偿。
2.钾钠转移和氢钠转移 发生在细胞内外，一般情况下3个钠离子（Na+）转移至细胞外伴随2个钾离子（K+）和1个H+转移入细胞内，由钠泵完成，该过程消耗能量。在K+和H+变化不平衡的情况下发生氢-钠和钾-钠竞争，即钾和氢的相对比例发生变化，同时转移的总量也发生变化，过程较缓慢。这一反应也可发生在肾小管，但更缓慢，也称为肾功能代偿。
上述2个反应涉及HCO3-和H+，故不仅影响电解质平衡，也影响酸碱平衡，或者说上述规律将酸碱紊乱与电解质紊乱结合在一起。
（三）机体酸碱平衡调节的基本知识 酸碱平衡的调节一般指血液的调节，涉及血液（也包括组织间液）的缓冲作用、肺、肾的调节作用及细胞内液的缓冲等多个方面。
1.酸、碱的关系与p H 根据酸碱概念，酸碱的关系可表示为：酸=H++碱，因此一个酸相应地有一个碱（共轭碱）；反之亦然，体液中不同酸碱组合的作用差别较大（表9-5）。水溶液中H+解离的程度取决于各种酸的性质，可用解离常数K 表示，K的负对数称为p K，K 值越大，p K 值越小，H+越容易解离，酸性越强（强酸）；而与此对应的碱，则与H+的结合作用越弱（弱碱）；反之，弱酸的共轭碱为强碱。
表9-5 体液中主要酸和碱的酸碱强度比较
Pr代表蛋白质。蛋白质是酸碱两性电解质，具有数种酸根、碱根，且不同蛋白质的组成、结构差异较大，pK 值有较大范围，其中血红蛋白的p K 值在HHbO2为6.6、HHb为7.85
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因此溶液的p H 由酸和碱的浓度比决定；反之酸和碱的浓度比取决于溶液的p H。实际上血液中同时存在几组酸碱缓冲对，且存在着共同的［H+］，即p H 相同，故可用各种缓冲对表示血液的p H，举例如下。
碳酸氢盐缓冲系统的p K虽以6.1为常数，但实际上随p H 变化有所不同。
3.机体的缓冲系统 根据缓冲特点可将机体缓冲系统分为3个缓冲池：血液缓冲池、细胞内液缓冲池、脑脊液缓冲池。3个部分通过一定的“隔膜”隔开，相互之间有一定影响，也可以单独发挥作用，其缓冲特点决定不同酸碱紊乱的临床表现和治疗。因为细胞外液可与血液迅速交换，可作为血液缓冲池的延伸部分，故临床常用的BE有全血BE（BEb）及细胞外液BE（BEecf），后者即考虑了细胞外液的缓冲作用。机体的其他部位在一定情况下，也可发挥一定的缓冲作用，如骨骼对慢性代谢性酸中毒的缓冲作用。
（1）血液的缓冲系统：包括血浆和细胞（主要是红细胞）两部分，其中前者约占体液量的5%，占血液量的55%；后者占血液量的45%。由于容积较大，缓冲对合理，加之红细胞的调节，使其具有强大的缓冲作用。
1）血浆缓冲对系统
在血浆中，HCO-3／H2CO3（CO2）缓冲对是最主要的缓冲对，缓冲作用最大，这与其是可变缓冲对有关；其p K接近血液p H；含量高，约占血浆缓冲物质总量的90%，血液缓冲物质总量的35%；红细胞可通过CA的作用、Cl-转移和氧合或还原Hb的缓冲作用显著放大其作用；在慢性化的过程中，肺脏和肾脏的代偿作用（通过排出增加或减少）调节其总量的变化。因此该缓冲对最常用于表示酸碱状态（详见前述）。
3）组织间液缓冲系统：除缺乏蛋白质和红细胞外，组织间液的成分与血液极其相似，且可与血液迅速自由交换，因此可认为是血液缓冲系统的延伸部分，即组织间液是血液缓冲系统的一部分。但由于缺乏红细胞（包括Hb及CA）的强大作用，加之其比例较低（占体液的15%），其缓冲作用有限。
4）血液的缓冲特性：①上述公式说明了p H与［Na HCO3］／［H2CO3］的依赖关系，只要［Na HCO3］／［H2CO3］维持在20∶1，血浆p H 可维持在7.4，如［Na HCO-3］为18 mmol／L、［H2CO3］为0.918 mmol／L，p H 仍为7.4。②从20∶1的比例还可看出，p H 为7.4附近时，有较多接收H+的碱，即对酸的缓冲能力强，这与人体代谢产生的酸远多于碱的生理情况相适应。这也是患者对代谢性酸中毒耐受性较好的原因之一；同样机械通气（MV）过度导致碱中毒时，应迅速降低通气量，否则由于血液对碱的缓冲能力较弱，容易发生缺氧。③碳酸氢盐缓冲系统来源于CO2的水合作用，其中CO2通过肺的呼吸作用调节，HCO-3通过肾功能调节，明显放大两者的作用，并使两者的比例和p H 保持相对恒定；也使Na HCO3／H2CO3缓冲对成为血液中最主要的缓冲对；其他缓冲系统则因在体液中的变化速度慢，缓冲作用有限。④血液容积占体液的比例高达8%，缓冲对合理，占体液15%的组织间液作为其延伸部分，放大血浆的作用；红细胞容积高，也有较强的缓冲作用；红细胞的调节作用（包括CA 的催化作用、氯转移）则是维持碳酸氢盐缓冲系统发挥迅速、强大作用的主要因素。红细胞内缓冲能力比红细胞外强3～6倍。
（2）细胞内液缓冲系统：细胞外液［H+］变动必然影响细胞内，特别是大量肌肉细胞成为巨大的酸碱缓冲池。酸中毒时，H+可自细胞外进入细胞内，被细胞内缓冲系统所缓冲，从而减轻细胞外液酸中毒的严重程度；反之也可减轻碱中毒的严重程度。
一般而言，人体体液总的缓冲能力是血液缓冲能力的6倍，细胞内缓冲能力最强，血液次之，脑脊液最弱。与血液对酸的缓冲能力更强相似，细胞内液缓冲酸的能力也远超过其对碱的缓冲能力，尤其是对呼吸性酸中毒的缓冲能力最强。
1）细胞内缓冲系统：在体细胞（不包括红细胞）内，磷酸根离子（严格讲是H2PO-4、HPO2-4）和蛋白质阴离子（Pr-）的浓度远比细胞外液高，约为80 mmol／L+47 mmol／L=127 mmol／L，约占阴离子总量的70%，与钾盐（主要是K2HPO4／K2HPO4缓冲对、KPro／HPro缓冲对）构成体细胞内的主要缓冲系统，与血液缓冲系统（主要是NaHCO3／H2CO3）有显著不同。由于体细胞数量众多；有丰富的线粒体（红细胞无线粒体）进行有氧代谢，通过ATP、ADP之间的转换迅速补充磷酸根离子的消耗；细胞器上的质子泵可将H+泵入细胞器，迅速降低细胞质中的H+，因此在结构正常、功能完好的细胞内，磷酸根离子和蛋白质阴离子是最强大的缓冲物质，对细胞内酸中毒有巨大的缓冲作用。
临床上因肾功能不全导致的代谢性酸中毒，可先后被细胞外、细胞内缓冲系统缓冲；但细胞代谢障碍（多见于危重症患者）导致的细胞内酸中毒更多见，此时细胞内代偿作用有限，需采取改善细胞损伤和供氧的综合治疗措施。
2）细胞内外酸碱缓冲的相互作用：由于细胞膜的半透膜作用及细胞内外缓冲系统的组成不同，体细胞对不同酸碱紊乱的缓冲强度并不一致。受细胞膜半透膜特性和细胞内缓冲特质的影响，H+和HCO-3进出细胞的速度非常缓慢，但CO2可迅速自由进出体细胞，故在代谢性酸中毒，细胞内的缓冲作用相对缓慢且弱；在呼吸性酸中毒，只要不存在明显缺氧或其他原因的代谢障碍，细胞内的缓冲作用迅速且强大，一般15 min缓冲作用达60%，3 h达峰值，这也是发生急性呼吸性酸中毒时，血浆p H 很低，而患者生命体征仍稳定，并能进行正常代谢活动的主要原因；同时也是现代MV 时采取允许性高碳酸血症（PHC）策略的主要理论基础。
3）血液与细胞内液酸碱缓冲的主要异同：血液缓冲系统的组成和功能特点与体细胞显著不同。血液主要为碳酸氢盐缓冲系统和血红蛋白缓冲系统，细胞内主要为磷酸盐和蛋白质阴离子缓冲系统。血液细胞主要为红细胞，有丰富CA，可明显放大碳酸氢盐缓冲系统的作用；但红细胞数量少，缺乏线粒体等细胞器结构，代谢能力较弱；体细胞数量巨大，有丰富的线粒体等细胞器，代谢活跃，可迅速补充因缓冲作用减少的酸碱物质。因此尽管CA 的催化作用和Hb的缓冲作用非常强，但总体而言，其缓冲能力比体细胞弱。试验证实，血液中输入的强酸有42%被细胞外液缓冲系统缓冲，58%被细胞内液缓冲系统缓冲。对急性呼吸性酸中毒而言，由于CO2可迅速自由进出细胞，细胞内液的缓冲作用迅速且强大；但体细胞对代谢性酸中毒的缓冲作用较缓慢且较弱，因为H+需通过H+_Na+交换增强，并抑制K+_Na+交换而逐渐进入细胞内，故需2～4 h才能发挥作用，10余小时达高峰。
（3）脑脊液的缓冲系统：相对于血液和细胞缓冲池，脑脊液缓冲池是更封闭的系统，脑脊液和血液之间存在血-脑脊液屏障，H+和HCO3-移出和进入脑脊液的速度非常缓慢，仅CO2可迅速自由进出脑脊液。脑脊液缺乏有效的缓冲物质（与血液相比仅有类似血浆的成分，比体细胞更差）；也缺乏细胞和氧化代谢活动（几乎无细胞成分），故其缓冲能力非常弱，与血液的交换也非常缓慢。需重视的是在呼吸性酸中毒，尽管血液的代偿作用强大，体细胞的代偿作用更强大，若PaCO2迅速升高或迅速下降，容易出现神经-精神症状，并影响呼吸中枢，出现呼吸节律的改变；代谢性酸碱紊乱对脑功能的影响弱且缓慢。