Patofizjologia równowagi kwasowo-zasadowej.

Homeostaza kwasowo-zasadowa. (książka- Zarys Patofizjologii Narządowej, autor Andrzej Bręborowicz)

Stałość stężenia jonów wodorowych jest regulowana na różnych poziomach, chociaż ich reakcja na wprowadzony jon wodorowy jest zróżnicowana w czasie:

-bufory przestrzeni zewnatrzkomórkowej (reakcja natychmiastowa, klika minut)

• bufory przestrzeni wewnatrzkomórkowej (reakcja kilkanaście minut, do kilku godzin)

• układ oddechowy- Wydalanie CO2 reakcja w ciągu kilku godzin)

• nerki (resorpcja HCO3 oraz wydalanie H+- reakcja w ciągu kilkunastu godzin do kilku dni.

Kluczową rolę odgrywa bufor wodorowęglanowy (HCO-/H2CO3)- chemicznie słaby, w warunkach żywego ustroju, jego wydajność znacznie wzrasta.

Dzieje się tak, dzięki stałemu uzupełnianiu puli wodorowęglanów w nerkach oraz wydalaniu kwasu węglowego (w postaci CO2) -płuca.

Zależność prężnością CO2, a stężenie wodorowęglanów , opisuje równanie Hendersona-Hasselbalcha:

[H+]= 24

Udział nerek w regulacji równowagi kwasowo-zasadowej, oparty jest na sekrecji jonu wodorowego przez komórki nabłonkowe w proksymalnej i dystalnej części nefronu, jon wodorowy jest zużywany w trzech mechanizmach:

• Resorpcja zwrotna wodorowęglanów

• wydalanie jonu amonowego

• wydalanie kwaśności miareczkowej moczu.

Ilość jonów wodorowych zużytych do wytworzenia jonu amonowego oraz kwaśności miareczkowej moczu jest równa ilości nowo tworzonych wodorowęglanów w ustroju.

Resorpcja zwrotna wodorowęglanów

Proces ten nie przyczynia się do wydalania jonów wodorowych z ustroju, ponieważ protony po reakcji w świetle kanalika z jonami wodorowęglanowymi, powracają do komórki nabłonkowej.

Jednak ten proces zapobiega utracie wodorowęglanów z moczem, a więc pośrednio chroni ustrój przed zakwaszeniem.

Około 90% filtrowanego ładunku wodorowęglanów jest zwrotnie resorbowane w kanaliku proksymalnym, reszta w części grubej wstępującej pętli Henlego oraz w kanaliku zbiorczym.

Etapy resorpcji wodorowęglanów:

• sekrecja jonu wodorowego do światła kanalika w wymianie na resorbowany sód (antyport H+/Na+)

• reakcja jonu wodorowego w świetle kanalika z wodorowęglanem, powstaje kwas węglowy, który jest następnie rozkładany pod wpływem anhydrazy węglanowej (zlokalizowanej w rąbku szczoteczkowym komórek nabłonkowych do wody i dwutlenku węgla.

• CO2 dyfunduje ze światła kanalika do wnętrza komórek nabłonkowych, gdzie w obecności wody i pod wpływem wewnątrzkomórkowej anhydrazy węglanowej tworzony jest kwas węglowy

• Kwas węglowy dysocjuje do jonu wodorowego, który ulega sekrecji do światła kanalika, a jon wodorowęglanowy jest transportowany wspólnie z jonem sodowym do przestrzeni okołokanalikowej.

Wydalanie jonu amonowego

Sprowadza się to do wydalania protonu (H+) w postaci jonu amonowego, powstającego w wyniku reakcji jonu wodorowego z amoniakiem, produkowanym w nabłonku kanalików proksymalnych ( z aminokwasów, głownie glutaminy)

• 80% całkowitego ładunku jonu amonowego, znajdującego się w kanaliku ulega aktywnej resorpcji zwrotnej w części grubej wstępującej pętli Henlego

• doprowadza to do wzrostu ilości amoniaku i jonu amonowego w rdzeniu nerki

• następnie amoniak dyfunduje do światła cewki zbiorczej, gdzie łączy się z jonem wodorowymwydalonym przez komórki wstawkowe, tworząc ponownie jon amonowy, który zostaje ostatecznie wydalony z moczem.

Wydalanie kwaśności miareczkowej

W tym przypadku wydalanie protonu z moczem, odbywa się w postaci soli słabych kwasów i jest zależne od ilości dostępnych anionów słabych kwasów filtrowanych w kłębuszkach nerkowych oraz wartości pKa tych kwasów, które powinno być zbliżone do wartości pH roztworów. Takie warunki spełniają fosforany, ponieważ wartość pKa dla HPO₄^- wynosi 6,80. Inne słabe kwasy (moczowy) mogą również uczestniczyć w wytwarzaniu kwaśności miareczkowej, ale ich znaczenie jest mniejsze.

Ilość jonów wodorowych wydalonych w ciągu doby, w postaci kwaśności miareczkowej wynosi około 20-30 milimoli.

Mała część jonów wodorowych ulegających sekrecji do światła nefronu jest ostatecznie wydalana w postaci wolnej (H⁺). Stąd pH moczu ulega obniżeniu proporcjonalnie do ilości wolnych jonów wodorowych, max do wartości około 4,5.

Najważniejsze czynniki decydujące o nieadekwatnej sekrecji jonu wodorowego są następujące:

• zmiany w objętości przestrzeni zewnątrzkomórkowej

• zaburzenia gospodarki potasowej

• niedobór chloru.

Ocena stanu równowagi kwasowo-zasadowej

Badając stan równowagi kwas-zasad.oceniamy jedynie parametry w przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Na tej podstawie możemy pośrednio wnioskować o stężeniu jonów wodorowych w komórkach.

Główne bufory w komórkach to białka i fosforany.

Ponadto komórki mogą korygować stężenie jonów wodorowych w ich wnętrzu poprzez odpowiednie zmiany w metabolizmie, na przykład stymulacja produkcji kwasu mlekowego w zasadowicy.(enzym fosfofruktokinaza regulujący syntezę kwasu mlekowego, jest zależny od pH, wzrasta w zasadowicy).

Ponadto w komórkach występują układy transportowe, które w zależności od potrzeby mogą:

• usuwać kationy wodorowe do przestrzeni zewnątrzkomórkowej:

• pompa protonowa zależna od ATP

• antyport H⁺/K⁺

• antyport H⁺/Na⁺

• lub transportować wodorowęglany do przestrzeni zewnątrzkomórkowj

• antyport HCO3-/Cl-

• synport Na⁺/HCO₃^-

Wyjątek -zaburzenia gospodarki potasowej-zmiany pH w przestrzeni zewnątrzkomórkowej mają swoje odzwierciedlenie w równowadze kwasowo-zasadowej również wewnątrz komórek.

W przypadku niedoboru jonów wodorowych w ustroju, spowodowanego ich nadmierną utratą z organizmu lub zwiększoną podażą substancji alkalicznych, mechanizmy kompensacyjne prowadzą do:

• oszczędzania jonów wodorowych poprzez zmniejszone ich wydalanie drogą płuc- hipowentylacja i

• nerek (zmniejszone wydalanie jonu amonowego i kwaśności miareczkowej).

Zaburzenia wynikające z pierwotnych zmian w poziomie wodorowęglanów określamy jako- metaboliczne

Natomiast te wynikające ze zmian w prężności CO₂ określamy jako oddechowe.

Zaburzenia o charakterze metabolicznym są relatywnie szybko kompensowane przez układ oddechowy, natomiast pierwotne zmiany o charakterze oddechowym, np. kwasica oddechowa są kompensowane prze zwiększoną sekrecję jonu wodorowego i resorpcje wodorowęglanów w nerkach, proves ten może trwać od kilkunastu godzin, do kilku dni.

Podstawowym badaniem określającym stan równowagi kwasowo-zasadowej jest gazometria krwi tętniczej.

pH norma- 7,35-7,45

stężenie wodorowęglanów 24+/- 2 mmol

PCO₂- 40+/-3mmHg

Nadmiar lub niedobór zasad (parametr określa odchylenie od prawidłowej wartości określającej całkowitą ilość zasad buforujących we krwi (wodorowęglany, białka osocza, bufor hemoglobinowy)- norma +/- 2 mmol

Luka anionowa osocza norma 12 +/- 2 mEq/l- w rutynowych badaniach laboratoryjnych, nie są oznaczane wszystkie kationy i aniony (aniony- albuminy, fosforany, siarczany, aniony kwasów organicznych)

Kationy (potas, wapń, magnez)

Różnicę pomiędzy niemierzonymi anionami a kationami określamy jako lukę anionową.

Luka osmolarna osocza - różnica pomiędzy mierzoną, a wyliczoną wartością osmolarności osocza.

Luka anionowa moczu- wynika ze składu kationowego i anionowego moczu.

Główne kationy w moczu- sód, potas, kation amonowy, aniony- chlor.

Luka osmolarna moczu- czynnikiem wpływającym na lukę osmolarną w moczu jest potas.Jest to rożnica mierzona osmolarnością moczu, a wyliczona osmolarnością moczu.

Kwasica metaboliczna

Jest wynikem obniżenia poziomu alkalicznej komponenty- jonów wodorowęglanowych.

Przyczyna:

• utrata wodorowęglanów- przewód pokarmowy, nerki

• wytworzenie w organizmie lub wprowadzenie do niego jonów wodorowych.

Podział kwasic:

• ze zwiększona luką anionową osocza

• z niezmienioną luką anionową osocza.

Kwasice ze zwiększoną luką anionową osocza:

• Kwasica ketonowa - następuje zwiększenie produkcji w organizmie ketokwasów (acetooctowy, beta - hydroksymasłowy), jest to wynik:

• Niedoboru glokozy w hepatocytach

• Zwiększona podaż do wątroby wolnych kwasów tłuszczowych, uwalnianych z tkanki tłuszczowej, pod wpływem lipazy, aktywowanej brakiem insuliny

• Niedobór insuliny i nadmiar glukogenu nasila wnikanie kwasów tłuszczowych do mitochondriów, gdzie są metabolizowane głównie do ketokwasów.

Ketokwasy mogą być zużywane do produkcji energii, co pośrednio oszczędza ustrojowe białka.

Rodzaje kwasic ketonowych: kwasica podczas głodzenia, w cukrzycy, u alkoholików (niedobór węglowodanów oraz podaż alkoholu)

• Kwasica mleczanowa- typ A- zwiększona produkcja kwasu mlekowago- w wyniku aktywacji glikolizy beztlenowej, np. w anemii

• Kwasica mleczanowa B- niedostateczny metabolizm kwasu mlekowego

(przekształcenie kwasu mlekowego do kwasu pirogronowego jest zależne od stanu oksydoredukcyjnego hepatocyta, zależnego od stosunku NADH/NAD+.

Zaburzenie tej równowagi- leki, defekty enzymatyczne, prowadzi do powstania kwasicy mleczanowej B

• Kwasica metaboliczna w mocznicy.

Jest ona wynikem postepującego spadku filtracji kłębuszkowej w przebiegu niewydolności nerek- prowadzi to do zmniejszenia sekrecji jonów wodorowych.

Obniżeniu stężenia wodorowęglanów, w przestrzeni zewnątrzkomórkowej przeciwdziałają bufory znajdujące się w kościach, fosforany, węglany wapnia, ubocznym skutkiem jest odwapnienie tkanki kostnej.

• Kwasice metaboliczne, wywołane zatruciami

Związki, które po wprowadzeniu do organizmu, ulegają metabolizmowi do słabych kwasów organicznych., np. kwas salicylowy, powstaje z kwasu acetylosalicylowego, -aspiryna, kwas szczawiowy kwas glikolowy, powstaja podczas metabolizmu alkoholu etylowego, kwas mrówkowy, powstaje z formaldehydu, który jest matabolitem alkoholu metylowego, kwas hipurowy, zatrucie toluenem.

Kwasice z niezmienioną luką anionową osocza

Wzrost stężenia chloru w osoczu, tzw. kwasice hiperchloremiczne, luka anionowa pozostaje niezmieniona. Są one spowodowane najczęściej utratą jonów wodorowęglanowych, lub nerkowym defektem wydania jonu wodorowego, co w efekcie również prowadzi do utraty wodorowęglanów z moczem.

Przyczyna: biegunki, utrata NaHCO₃, przy równoczesnym pozostaniu w organiźmie HCL

Kwasice nerkowe: niedostateczne wydalanie jonu wodorowego do moczu, lub niedosteczna resorpcja wodorowęglanów, lub brak aldosteronu- to zaburzenie współistnieje z z hiperkalemią i hipowolemia.

Kompensacja kwasicy metabolicznej

Układu buforowe zewnątrzkomórkowe- wodorowęglany

Wewnątrzkomórkowe- białczany, hemoglobina, fosforany, węglany w tkance kostnej.

Kompensacja- ośrodek oddechowy- hiperwentylacja, kompensacja przez nerki- wolniej, niż ośrodek oddechowy, pod warunkiem, że nerki nie uczestnicza w patomechanizmie kwasicy.

Wpływ kwasicy metabolicznej na organizm

-przesunięcie krzywej dysocjacji hemoglobiny w prawo (efekt Bohra), co odzwierciedla zmniejszenie powinowactwa hemoglobiny do tlenu- czyli łatwiejsze oddawanie tlenu tkankom, ale trudniejsze pobieranie tlenu w płucach.

-działanie kataboliczne na wybrane białka- albuminy, powodując ujemny bilans azotowy,

-zmniejszenie produkcji hormonów tarczycy

-zaburzenie działanie hormonu wzrostu.

Wzrost stężenia jonów wodorowych, powoduje rozszerzenie naczyń tętniczych i obkurczenie naczyń zylnych.

Odwapnienie kości

Przesunięcie potasu z przestrzeni wewnątrzkomórkowej, do przestrzeni zewnątrzkomórkowej.

Zasadowica metaboliczna

Pierwotny wzrost stężenia wodorowęglanów w organizmie, prowadzący do obniżenia ilości wolnych protonów.

Przyczyny:

• nadmierna podaż wodorowęglanów (mleczany, octany obecne w płynach do odzywiania pozajelitowego, cytryniany obecne w konserwowanej krwi (przetaczanie krwi)

• nadmierna resorpcja zwrotna i/lub odtwarzanie wodorowęglanów w nerkach

• nadmierna utrata jonów wodorowych z organizmu.

Zasadowica wtórna do zmniejszenia objętości przestrzeni zewnątrzkomórkowej.

Zmniejszenie ilości NaCl i wody w przestrzeni zewnatrzkomórkowej przy stałej ilości wodorowęglanów powoduje ich zagęszczenie, wzrost stężenia i zasadowicę metaboliczną.

Zasadowica spowodowana nadmierna utratą jonu wodorowego

Poprzez utratę droga nerek, z przewodu pokarmowego,

Zasadowica będąca następstwem niedoboru potasu

W przypadku niedoboru potasu wewnątrz komórek panuje kwasica, a w przestrzeni zewnątrzkomórkowej zasadowica.

Patomechanizm tego zjawiska:

Niedobór potasu w komórce powoduje przesunięcie innych kationów sód, potas, do komórki, prowadzi to do wzrostu stężenia jonów wodorowych w komórce.-kwasica, i obniżenia stężenia w przestrzeni zewnatrzkomórkowej- zasadowica.

Kompensacja zasadowicy metabolicznej

Odbywa się przez układ oddechowy, jak również nerka, odgrywa ważną rolę, poprzez zmniejszenie resorpcji zwrotnej wodorowęglanów (kanalik proksymalny), wzrost sekrecji wodorowęglanów (cewka dystalna), zmniejszenie wydalania jonu amonowego i kwaśności miareczkowej moczu.

Wpływ zasadowicy metabolicznej na organizm.

W stanach zasadowicy, hipowentylacji towarzyszy zwiększenie powinowactwa hemoglobiny do tlenu, (trudniej jest tlen oddawany tkankom), to sprzyja daleszemu procesowi niedotlenienia tkanek,

Zwiększa się pula wapnia zwiazanego z białkami, kosztem wapnia zjonizowanego, tylko ten jest aktywny, efekt- zmniejszona pobudliwość komórek układu nerwowego.

Silnie kurczą się naczynia tętnicze, co może być przyczyną niedokrwienia mięśnia sercowego czy CUN.

Kwasica oddechowa

Przyczyna: nadmierna produkcja CO2 w organizmie, przekraczająca zdolność jej eliminacji drogą płuc.

Zaburzenie układu oddechowego:

• zahamowanie aktywności ośrodka oddechowego

• nieprawidłowa funkcja mięśni oddechowych

• choroby tkanki płucnej

Kompensacja kwasicy oddechowej

Neutralizowanie jonów wodorowych, przez bufory wewnątrzkomórkowe

Kompensacja nerkowa- zwiększenie sekrecji jonów wodorowych

Wpływ kwasicy oddechowej na organizm

Rozszerzenie tętnic mózgowych, co powoduje wzrost przepływu krwi w obrębie Ośrodkowego układu nerwowego, następstwem tych zmian może być obrzęk mózgu

Spadek rzutu serca i ciśnienia tętniczego krwi

Hiperkapnia doprowadza do aktywacji układu renina- angiotensyna- aldosteron, efekt- zwiększona retencja sodu i wody w nerkach.

Zasadowica oddechowa

Przyczyna: zmniejszona produkcja CO2, lub jego nadmierne usuwanie z organizmu przez płuca.

Przyczyna: hiperwentylacja ( pobudzenie ośrodka oddechowego, -progesteron, endotoksyny bakteryjne, związki aminowe, związki chemiczne- salicylany, psychogenne podłoże hiperwentylacji- histeria.

Kompensacja zasadowicy oddechowej

Uwalnianie jonów wodorowych z białek, fosforanów, które po opuszczeniu komórek neutralizują wodorowęglany w przestrzeni zewnątrzkomórkowej

Stymulacja produkcji kwasu mlekowego w komórkach- aktywność fosfofruktokinazy wzrasta w środowisku alkalicznym

Drugi etap kompensacji zależy od nerek, polega na zmniejszeniu sekrecji jonów wodorowych, zarówno w proksymalnej i dystalnej części nefronu.

Wpływ zasadowicy oddechowej na organizm

Zmniejszona resorpcja wodorowęglanów pociąga za sobą również spadek zwrotnego wchłaniania sodu w nefronie, co powoduje zmniejszenie objętości przestrzeni zewnątrzkomórkowej

Stężenie potasu ulega obniżeniu, w skutek, przejścia do komórek, z uwagi na jon wodorowy, który migruje z komórek.

Zasadowica powoduje wiązanie wapnia przez białka osoczowe- obniżony poziom wapnia zjonizowanego predysponuje do tężyczki.

Hipokapnia działa kurcząco na naczynia krwionośne- może to prowadzić do niedokrwienia ośrodkowego układu nerowego (zaburzenie czucia, drgawki, utrata świadomości.

9

PCO2

[HCO3]

---