第一節 酸堿的概念及酸堿物質的來源和調節

一、酸堿的概念

在化學反應中，能釋放出H+的化學物質稱為酸，例如HCl、H2SO4、H2CO3、CH3CH（OH）COOH（乳酸）、、HPr（蛋白酸）等；反之，凡能接受H+的化學物質稱為堿，如、、NH3等。由此分析可知：一種化學物質作為酸釋放出H+時，必然同時生成一種堿性物質；同理，一種化學物質作為堿在接受H+的同時，也有一種酸性物質生成。因此，一種酸總會與相應的堿形成一個共軛體系，如圖4-1所示的共軛體系。

二、體液中酸堿物質的來源

體液中酸性、堿性物質多數來源于組織細胞的分解代謝，少數來自攝入的食物。正常人在普通膳食條件下，體內酸性物質的產量遠遠多于堿性物質。

（一）酸性物質的來源

體液中的酸性物質按其特性分為揮發性酸（volatile acid）和固定酸（fixed acid）。

1．揮發性酸 糖、脂肪、蛋白質氧化分解的最終產物是二氧化碳（CO2）, CO2非酸非堿，但與水（H2O）結合形成碳酸（H2CO3），這一反應可在碳酸酐酶（carbonic anhydrase, CA）的催化下加速完成。碳酸不穩定，在體內可釋出H+，也可形成二氧化碳（CO2）由肺呼出，故稱為揮發性酸。肺對H2CO3（CO2）排出量的調節，稱為酸堿平衡的呼吸性調節。正常成人在靜息狀態下每天生成300～400L CO2（CO2的生成量隨代謝率提高而增多），如果生成的CO2全部與H2O結合形成H2CO3，那么，每天可釋放13～15mol的H+。因此，碳酸（H2CO3）是機體代謝過程中生成得最多的酸性物質。

2．固定酸 固定酸是指不能變成氣體由肺呼出，而只能通過腎臟隨尿排出的酸性物質，又稱非揮發性酸（involatile acid）。腎對固定酸排出量的調節，稱為酸堿平衡的腎性調節。固定酸種類較多，主要由糖、脂肪、蛋白質分解代謝產生，如丙酮酸、乳酸、三羧酸、乙酰乙酸、β-羥丁酸、硫酸、磷酸、尿酸等。正常成人每天由固定酸釋出的H+僅50～100mmol，與揮發性酸相比要少得多。

酸性物質的另一來源是從飲食中直接攝入，包括服用一些酸性藥物如氯化銨、水楊酸等。

（二）堿性物質的來源

體液中的堿性物質主要來自食物中的蔬菜、瓜果。這類食物含有豐富的有機酸鹽，如蘋果酸鹽、檸檬酸鹽、草酸鹽等。這些含Na+、K+的有機酸鹽進入體內后與H+結合形成相應的有機酸，再經三羧酸循環氧化為CO2和水，而Na+、K+則與結合成堿性鹽。

另外，機體在物質代謝過程中也可產生堿性物質，如氨基酸脫氨基生成氨，由于此氨經肝臟鳥氨酸循環后轉化為尿素，故血液中含量甚微，對體液酸堿度影響不大。腎小管細胞分泌的氨則用來中和原尿中的酸（H+）并保留堿。

三、酸堿平衡的調節

盡管機體不斷地攝取和生成酸性或堿性物質，但在生理情況下，血液pH并沒有發生顯著改變，仍能維持在正常范圍內。這種血液pH相對穩定的維持是機體酸堿平衡調節機制調節的結果。體內酸堿平衡的調節機制主要包括血液的緩沖作用、肺及腎的調節等。

（一）血液的緩沖作用

血液的緩沖系統是由弱酸及其共軛堿（緩沖堿）組成的，具有緩沖酸或堿，防止H+濃度發生顯著變動的作用。血液的緩沖系統主要有四種（表4-1）。其中以碳酸氫鹽緩沖系統（）最為重要，這是因為：①含量最多，占血液緩沖總量的1/2以上，具有較強的緩沖能力；②為開放體系，和H2CO3可通過腎和肺的調節得到補充或排泄，從而增加了其緩沖能力；③可以緩沖所有的固定酸。

但是碳酸氫鹽緩沖系統不能緩沖揮發性酸，揮發性酸的緩沖主要靠非碳酸氫鹽緩沖系統，特別是血紅蛋白和氧合血紅蛋白緩沖系統的緩沖。

當體液中酸堿性物質發生改變時，緩沖系統又是如何調節的？現以碳酸氫鹽緩沖系統為例來加以闡明。

當體液中酸（H+）過多時，緩沖系統中的緩沖堿（）立即與其結合，上述反應向左移動，使H+的濃度不至于顯著增高，同時緩沖堿濃度降低；反之，當體液中H+減少時，緩沖系統中的弱酸（H2CO3）可以釋出H+，反應向右移動，使體液中H+的濃度得到部分恢復，同時緩沖堿濃度增加。

總之，血液的緩沖系統緩沖作用迅速，若體內酸、堿負荷過度或不足，緩沖系統馬上起緩沖作用，將強酸或強堿轉變成弱酸或弱堿，同時緩沖系統自身被消耗。因此，血液緩沖系統具有反應迅速，但緩沖作用不持久的特點。

（二）肺在酸堿平衡中的調節作用

肺在維持體內酸堿平衡中通過改變呼吸運動來控制CO2的排出量，從而調節血漿H2CO3濃度，維持血液pH的相對恒定。這種調節作用發揮較快，數分鐘內即可見明顯效果。

肺通氣量受延髓呼吸中樞控制，延髓呼吸中樞接受來自中樞化學感受器和外周化學感受器的刺激。中樞化學感受器能夠感受腦脊液中H+濃度的變化，H+濃度增加可以興奮呼吸中樞使肺通氣量增加。但血液中的H+不易透過血腦屏障，故對中樞化學感受器的直接作用很弱。CO2雖不能直接刺激中樞化學感受器，但CO2屬脂溶性物質，易透過血腦屏障，并在碳酸酐酶的作用下生成碳酸，使腦脊液H+濃度增加。因此，中樞化學感受器對PaCO2（動脈血二氧化碳分壓）的變化非常敏感。當PaCO2超過正常值時，肺通氣量可明顯增加；若PaCO2增加到60mmHg時，肺通氣量可增加10倍，使CO2排出顯著增多。但是當PaCO2超過80mmHg時，呼吸中樞反而受到抑制，稱為二氧化碳麻醉（carbon dioxide narcosis）。

外周化學感受器（主要指主動脈體和頸動脈體）能感受缺氧、p H和CO2的刺激。當PaO2（動脈血氧分壓）降低、p H降低、PaCO2升高時均可通過外周化學感受器反射性興奮呼吸中樞，呼吸加深加快，肺通氣量增加，CO2排出增多；反之，呼吸變淺變慢，CO2排出減少。但外周化學感受器比中樞化學感受器反應遲鈍，只有當PaO2低于60mmHg時，才能感受刺激，引起興奮。

（三）腎在酸堿平衡中的調節作用

腎臟主要通過排出體內過多的酸或堿來調節血漿濃度，從而維持血液pH的相對恒定。正常人在普通膳食條件下，體內產生的酸性物質遠遠多于堿性物質，腎臟在調節酸堿平衡中的主要作用是排酸保堿。腎臟的調節作用比較緩慢，常在酸堿平衡紊亂發生數小時后開始發揮作用，3～5d達到高峰，但效能高、作用持久。

腎臟調節酸堿平衡的主要機制包括以下幾個方面。

1．近曲小管泌H+和對NaHCO3的重吸收 腎小球濾過的NaHCO3約90%在近曲小管被重吸收，少部分在遠曲小管和集合管重吸收，排出體外的NaHCO3僅為濾出量的0.1%。近曲小管Na+的主動重吸收是以與或Cl-結合的形式進行的，同時伴有水的被動吸收。在酸堿平衡的調節中，Na+的重吸收是與近曲小管上皮細胞分泌的H+交換的結果，這種H+-Na+交換常伴有的重吸收。腎小球濾過的NaHCO3在近曲小管管腔內解離成Na+和；腎小管細胞內的CO2與H2O在碳酸酐酶的催化下生成H2CO3, H2CO3在細胞內又解離成和H+, H+通過近曲小管上皮細胞膜上的H+-Na+交換被分泌到管腔中，同時把管腔中的Na+交換進細胞，由基側膜載體返回血液循環，使細胞內Na+濃度維持在一個較低水平，這有利于管腔內Na+向濃度低的細胞內擴散，同時促進細胞內H+泵出。H+-Na+交換所需的能量由基側膜上Na+-K+-ATP酶間接提供。近曲小管上皮細胞分泌的H+和管腔濾液中的結合生成H2CO3, H2CO3在碳酸酐酶的催化下生成H2O和CO2, H2O隨尿液排出，CO2則彌散入細胞內。碳酸酐酶在H+-Na+交換、重吸收的過程中起著重要作用。當pH降低時碳酸酐酶活性增高，近曲小管H+-Na+交換增強，NaHCO3重吸收增多；反之，這一作用減弱（圖4-2左）。

2．遠曲小管、集合管泌H+和對NaHCO3的重吸收 遠曲小管和集合管的閏細胞（又稱泌H+細胞），借助管腔膜上的H+-ATP酶作用向管腔泌H+，而管腔中的Na+則通過鈉通道進入細胞，同時在基側膜以交換的方式重吸收，使尿液酸化，這種作用稱為遠端酸化作用（distal acidification）（圖4-2右）。遠曲小管和集合管分泌的H+還可與管腔濾液中Na2HPO4的Na+交換，將堿性Na2HPO4轉變成酸性NaH2PO4，使尿液酸化，將H+排出體外，但這種緩沖是有限的，當尿液pH降至4.8左右時，兩者比值（）由正常血漿（pH為7.4時）的4∶1變為1∶99，表明尿液中幾乎所有的都已轉變為，就不能進一步發揮緩沖作用了。

3.的排出 近曲小管上皮細胞是產銨（）的主要場所。細胞內谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的水解作用下產生氨（NH3）, NH3與細胞內碳酸解離的H+結合生成,通過交換進入管腔，隨尿排出。NH3是脂溶性分子，能自由彌散，但彌散的量及方向依賴體液pH，通常腎小管管腔液的pH較低，所以NH3易向管腔內彌散，并與管腔內H+結合生成。是水溶性的，不易通過細胞膜返回細胞，而進一步與強酸鹽（NaCl）中的負離子（Cl-）結合成銨鹽（NH4Cl）隨尿排出。而強酸鹽（NaCl）解離后的陽離子（Na+）通過H+-Na+等方式進入腎小管上皮細胞，與一起返回血液。由于銨的生成和排泄是pH依賴性的，所以酸中毒越嚴重，腎排越多（圖4-3）。

綜上所述，腎臟對酸堿的調節主要通過腎小管上皮細胞的活動來實現。酸中毒時，由于碳酸酐酶、谷氨酰胺酶等活性增強，腎臟的這三種調節作用（近曲小管對NaHCO3的重吸收、遠曲小管對NaHCO3的重吸收、的排出）均增強；反之，堿中毒時，這三種調節作用均減弱。

（四）組織細胞對酸堿平衡的調節作用

細胞外液H+濃度的變動必然影響到細胞內H+的濃度，因此機體大量的組織細胞成為巨大的酸堿緩沖池。組織細胞的緩沖作用主要通過細胞內、外離子交換（如H+-K+、Cl--等）的方式完成。如酸中毒時，細胞外液過多的H+通過H+-K+交換進入細胞內，被細胞內緩沖堿緩沖，而K+從細胞內逸出，導致血鉀升高，反之亦然。當升高時，Cl--交換很重要，因為Cl-是可以交換的自由離子，的排出可通過交換來完成。

肝臟也可以通過尿素的合成來清除NH3，參與調節酸堿平衡。骨骼鈣鹽（磷酸鈣、碳酸鈣）的分解也有利于對H+的緩沖，如，但這種調節主要參與持續時間較長的代謝性酸中毒，也是慢性代謝性酸中毒患者發生骨質疏松的原因之一。