1. UVOD
1.1 Pufri
Pufri (ali puferji) so snovi, ki v določeni raztopini upočasnjujejo spreminjanje pH ob dodatku močne kisline ali baze. To lastnost imajo raztopine šibkih kislin in njihovih konjugiranih baz pa tudi raztopine šibkih baz in njihovih konjugiranih kislin.

1.2 Henderson-Hasselbalchova enačba
Reakcijska shema za disociacijo kisline (v nadaljevanju se omejujemo le na kisline):


Reakcijska konstanta znaša:


Postavimo: , ,  Henderson-Hasselbalchova enačba:


Za določeno spremembo pH je potrebno puferski raztopini dodati ali odvzeti tem več H+, čim večja je koncentracija pufra (A-+AH) in čim bližje vrednosti 1 je razmerje ( ) – čim večja je torej moč pufra: . V telesu velja princip izohidričnosti, po katerem so vsi telesni pufri v ravnotežju z isto koncentacijo oksonijevih ionov, njihove moči se zato seštevajo.

1.3 Telesni pufri

1.3.1Pufri v krvi in intersticiju MEHANIZEM PUFRANJA PKa POSEBNOSTI
bikarbonatni pufer
pri pH=7.4 velja tudi:
in Henryev topnostni koeficient za CO2 pri T=310K:
Henderson – Hasselbalchova enačba:

6.1 80 zunajcel. pufranja (a le ob met. motnjah)
plazemski proteini
najpomembnejši Hb
6.8 edini zunajcel. pufer ob resp. motnjah, 20 ob met. motnjah
fosfatni pufer
6.8 praktično nepomemben
1.3.2 Znotrajcelični
pufri
bikarbonatni pufer glej 1.3.1 ne sodeluje ob znotrajcel. pufranju resp. m., v ravnotežju z zunajcel. bikarbonatnim p.
znotrajcel. proteini (najpomembnejši histidinski ostanki) 97-99 pufranja ob respiratornih motnjah
1.3.3 Pufri v seču
fosfatni pufer glej 1.3.1 6.8 preko njega na dan 30mmol H+
amonijev pufer
9.3 najpomembnejši p. v seču, nastajanje regulirano, na dan 40mmol H+
1.3.4 Kostnina
karbonat, fosfat, hidroksiapatit zamenjava Ca2+ s H+ v CaCO3, CaPO4 in Ca10(PO4)6(OH)2 – kostnina se raztaplja 6.1/6.8 predvsem pri kronični met. acidozi

1.4 Nastajanje in izločanje kislin v telesu

Pri presnovi ogljikovih hidratov in maščobnih kislin nastane v 70kg težkem človeku približno 20 mol CO2 na dan, ki se izloči preko pljuč, metabolizem aminokislin in nekaterih drugih, predvsem fosfate vsebujočih snovi pa stvarja v telesu dnevno neto 70mmol protonov (1mmol/kg/dan). Ti se morajo izločiti preko ledvic, poleg tega morajo ledvice v krvni obtok vrniti ves v glomerulih filtriran HCO3-.


2. URAVNAVANJE ACIDOBAZNIH MOTENJ PREKO RESPIRATORNEGA SISTEMA
Hlapne in nehlapne kisline ali baze, ki nastajajo kot produkt celičnega metabolizma ali pa jih zaužijemo s hrano, rušijo acidobazno ravnotežje organizma. Za vzdrževanje homeostaze skrbijo v prvi vrsti znotraj- in zunajcelični pufri, med katerimi je najpomembnejši bikarbonatni puferski sistem. Sestavljata ga CO2 kot kislina in bikarbonat kot njegova konjugirana baza. Sistem je odprt, saj se presežki obeh njegovih komponent lahko odvajajo: HCO3- se odstranjuje preko ledvic, CO2 pa s prosto difuzijo prehaja iz krvi v alveolni prostor, od koder se odstrani z ventilacijo.
Iz zapisa Henderson – Hasselbalchove enačbe za bikarbonatni puferski sistem lahko razberemo, kakšen vpliv ima koncentracija CO2 oz. njegov delni tlak v plazmi na pH telesnih tekočin. Kadar pCO2 naraste, pH pade; kadar pCO2 pade, pa pH naraste. Poleg koncentracije H+ je pCO2 glavna spremenljivka, ki jo spremlja nadzorni sistem. Spremenljivki zaznavajo periferni kemoreceptorji v karotidnih telescih in aortnem loku ter centralni kemoreceptorji – dorzalna skupina jeder v medulli oblongati. Informacije od tod potujejo v ventralno skupino jeder in naprej do generatorja ritma dihanja v ponsu. Padec pH in povečanje pCO2 izzoveta povečano pljučno ventilacijo (pCO2 pade največ na 10 mmHg), ki pospeši izplavljanje hlapnih kislin iz pljuč in omogoči vzdrževanje ravnotežja. Naraščanje pH in padec pCO2 pa sproži hipoventilacijo, ki ne sme ovirati preskrbe tkiv s kisikom (pCO2 lahko naraste največ do 60 mmHg). Respiratorni odzivi so hitri in učinkoviti pri akutnih motnjah, pri kroničnih pa ne, saj pride do pojava aklimatizacije (mehanizem temelji na aktivaciji transporterja, ki omogoči aktivni transport bikarbonata v likvor ali iz njega in posledično normalizacijo pH v okolici receptorjev).


3. URAVNAVANJE ACIDO-BAZNEGA RAVNOTEŽJA PREKO LEDVIC

Nehlapne kisline, ki nastajajo v metabolizmu hranil (približno 50 -100 mmol/dan), se lahko iz telesa izločajo le z urinom. Skupaj z natrijevimi ioni se filtrirajo skozi ledvice (ketonska telesa, laktat, sulfat), protoni (H+) pa se secernirajo skozi tubulni epitelij ter se pufrajo z amonijakom (NH3) in fosfatom (HPO42-).
Primanjkljaj bikarbonata (HCO3-), ki nastane v krvi zaradi pufranja nehlapnih kislin, ledvice nadomestijo s tvorbo t.i. »novega« HCO3- v interkalarnih celicah zbiralnih duktusov.
Ker se na dan v primarni urin filtrira kar 4320 mmol HCO3-, morajo ledvice preprečiti tolikšno izgubo baz z reabsorpcijo HCO3-, kar se večinoma (95) vrši v proksimalnih delih nefrona. Tako v končnem urinu normalno ne najdemo bikarbonata. Proces je povezan s sekrecijo protonov iz tubulnih epitelijskih celic v lumen nefrona, kot je prikazano na sliki 1. Tako je za popolno reabsorpcijo HCO3- potrebnih 4320 mmol secerniranih H+ na dan.
V distalnih delih nefrona, predvsem v zbiralcih, ko v lumnu ni več HCO3- se secernirani H+ povežejo z NH3, HPO42- ali pa ostanejo prosti in znižajo pH urina v zbiralcu; vendar je koncentracija prostih H+, glede na celotno izločanje kislin prek ledvic, zanemarljiva (najnižji možni pH urina je 4.5, saj protonska črpalka ne zmore črpanja proti višjemu koncentracijskemu gradientu). HCO3-, ki poleg H+ še nastaja v interkalarni celici, predstavlja »novi« HCO3-, ki se dodaja v kri (slika 2).
V zbiralcih obstajajo tudi celice, ki secernirajo HCO3- in se aktivirajo ob sistemski alkalozi, vendar običajno prevladuje sekrecija H+.
HPO42- je odvisen od prehrane in v urinu predstavlja titrabilno kislino. NH4+ pa nastaja v celicah proksimalnih tubulov iz glutamina, ki pride iz jeter (glutamin → 2NH4+ + 2HCO3-) in je lahko reguliran glede na acido-bazne potrebe organizma. HCO3- se vrača v kri, NH4+ pa se secernira v lumen (antiport z Na+). V ascendentnem delu Henlejeve zanke se velik del NH4+ reabsorbira in se akumulira v medularnem intersticiju, kjer je v ravnovesju z NH3. V zbiralcih NH3 difundira nazaj v lumen in se tam poveže s H+ v NH4+. Ker so zbiralca nepropustna za NH4+, ta ostane ujet v lumnu in se izloči iz telesa. Če v lumnu ni H+, se amonijak vrača v kri, kjer titrira HCO3- in tako povzroča izgubo baz.
Tvorba NH4+/NH3, kot najpomembnejšega pufra v seču, je ustrezno uravnavana predvsem z ekstraclularnim pH, pa tudi s koncentracijo plazemskega K+. Ob znižanju pH plazme, se aktivira več encimov za razgradjo glutamina in v nekaj dneh se organizem na sistemsko acidozo lahko adaptira z večjo produkcijo NH4+. Hipokalemija, ki nastopa skupaj z acidozo, prav tako stimulira produkcijo NH4+. Obratno se dogaja pri alkalozi. Poleg tega je izločanje kislin (včasih tudi baz – alkaloza) iz telesa regulirano tudi s hormoni (aldosteron poveča izločanje H+, angiotenzin spodbuja reabsorpcijo HCO3-, paratiroidni hormon pa oboje inhibira).
Spremembe acido-baznega ravnovesja in volumna ekstracelularne tekočine (prek homeostaze Na+) uravnavajo izločanje H+ in reabsorpcijo HCO3- že na ravni proksimalnega tubula. Sistemska acidoza (metabolična ali respiratorna) stimulira reabsorpcijo HCO3-; zaradi znotrajceličnega pufranja namreč v celicah naraste koncentracija H+, gradient za njegovo izločanje v lumen se poveča (aktivira se tudi več H+-ATP-az na apikalni membrani), z večjo sekrecijo H+, pa se reabsorbira več HCO3-. Obratno se dogaja pri alkalozi.
Ob povečanju volumna ekstracelularne tekočine (ECT) je zaradi zmanjšanega izločanja aldosterona reabsorpcija Na+ iz tubulnega lumna inhibirana. Ker je sekrecija H+ v proksimalnem tubulu povezana z reabsorpcijo Na+ (Na+-H+ antiporter), je v primeru povečanja volumna ECT sekrecija H+ in reabsorpcija HCO3- inhibirana. Ravno nasprotno se dogaja ob zmanjšanju volumna ECT.
Reabsorbcija HCO3- je seveda odvisna tudi od GFR (glomerular filtration rate): če se več HCO3- filtrira, se ga več tudi reabsorbira.


Slika 1: Reabsorpcija HCO3- v proksimalnih delih nefrona
CA – karbonska anhidraza






Slika 2: Sekrecija H+ v interkalarni celici distalnega dela nefrona










4. MOTNJE ACIDO-BAZNEGA RAVNOTEŽJA

pH prim. sprememba sek. sprememba kompenzacija primeri
RAC < 7,35 ↑ pCO2 ↑ HCO3- ↑ reabsorbcija HCO3- in ↑ sekrecija NH4+ astma, bronhitis, emfizem, mišična distrofija, debelost
RAL > 7,45 ↓ pCO2 ↓ HCO3- ↓ resorbcija HCO3- in ↓ izločanje NH4+ hipoksemija, nosečnost, umetno dihanje, salicilati
MAC < 7,35 ↓ HCO3- ↓ pCO2 hiperventilacija, ↑ sekrecija H+ in ↑ reabsorbcija HCO3- driska, ketoacidoza, laktacidoza, alkoholni opoj
MAL > 7,45 ↑ HCO3- ↑ pCO2 hipoventilacija, ↓ sekrecija H+ in ↑ sekrecija HCO3- bruhanje, jetrna ciroza, stenoza ledv. arterije
zastrupitev z aspirinom* < 7,35 ↓ HCO3-, ↓ pCO2 ↓ pCO2, ↓ HCO3- ↑ sekrecija H+ in ↑ reabsorbcija HCO3-
RAC = respiratorna acidoza, RAL = respiratorna alkaloza, MAC = metabolna acidoza, MAL = metabolna alkaloza

* Zastrupitev z aspirinom je mešana motnja: RAL in MAC. RAL nastane zato, ker salicilati spodbujajo dihalni center. Ker pa poleg tega zavirajo dihalno verigo pride do laktacidoze (MAC). Salicilati tudi spodbujajo bruhanje (MAL!).


KLINIČNI ZNAKI
Klinični znaki pri vseh acido-baznih motnjah so odvisni predvsem od bolezni, ki je privedla do motnje.

ALKALOZE
- padec pCO2 povzroči vazokonstrikcijo možganskih žil, kar se klinično kaže kot vrtoglavica, zmedenost in mišični krči. Slednji tudi zaradi hipokalcemije, ki nastane pri alkalozi zaradi povečane vezave Ca2+ na plazemske proteine (izmenjava s H+) in HCO3-
- alkaloza povzroči padec plazemskega K+, kar zmanjša ekscitabilnost živčnih in mišičnih celic, lahko privede do motenj srčnega ritma (na EKG-ju vidna depresija S-T spojnice).

ACIDOZE
- porast pCO2 ima največji učinek na možgane; ima narkotični učinek, poleg tega pa povzroči vazodilatacijo možganskega žilja in edem možganov. Na periferiji povzroča vazokonstrikcijo
- povišana [H+] v plazmi povzroči izmenjavo med znotrajceličnim K+ in plazemskim H+. To vodi v hiperkaliemijo. H+ se lahko izmenjuje tudi s Ca2+ na plazemskih proteinih. To vodi v hiperkalciemijo (ta nastane tudi pri kronični acidozi zaradi raztapljanja kostnine – pufranje; pri pufrih, ki vsebujejo Ca2+, se le-ta zamenjuje s H+).
- nizek pH in visok pCO2 pa vplivata tudi na hemoglobin; saturacijska krivulja se prestavi v desno (Bohrov efekt), kar pomeni, da je pri istem pO2 tkivom na voljo več kisika.







8. Primeri kjer lahko nastane motnja acidobaznega stanja

m.ac. m.al. r.ac. r.al. Vzrok
Cushingova bolezen
 povečano izločanje kortizola, aldosteronu podoben učinek
primarni hiperaldosteronizem povečano izločanje aldosterona
kronično odpovedovanje ledvic  ledvice ne zagotavljajo izplavljanja prekomernih nehlapnih kislin, fosfatov in NH4, zmanjšano je privzemanje HCO3-
sladkorna bolezen  povečana konc. ketonskih kislin
zastrupitev z alkoholom  povečano nastajanje nehlapnih kislin
obilno bruhanje iz želodca  brez nadomestitve izgube vode in elektrolitov izgubljanje nehlapnih kislin
zožitev renalne arterije  povečano izločanje renina, angiotenzina, aldosterona
hipokaliemija  vzdržuje K+ iz cel., H+ v cel., zmanjšan pH  cel. ledvic to zaznajo kot acidozo in izločajo več H+ (paradoksna acidurija)
hipertermija (>39°C)
 pospešena presnova, dihanje  hitrejše izplavljanje CO2
zastrupitev s salicilati
  spodbujeno središče za dihanje, nastajanje nehlapnih kislin
zmeren akutni edem pljuč  zaradi povečane ventilacije se zmanjša pCO2
zelo obsežen edem pljuč   respiratorna acidoza nezadostno izplavljanje CO2, nastanek laktata zaradi hipoksije
akutna odpoved jeter  Ni Corijevega cikla
akutno poslabšanje astme  hipokapnija zaradi spodbujenega dihanja
šok
 povečana konc. laktata v krvi, zmanjšanje pO2
Addisonova
bolezen  ni sekrecije aldosterona, povečana konc. H+ v krvi
uporaba diuretikov osmozni diuretiki, inhibitorji karbonske anhidraze  zmanjšana reabsorpcija HCO3- v prox. tubulu
K+ - varčni diuretiki  inhibicija reabsorpcije Na+ v dist. tubulu in zbiralcu, s tem je inhibirana sekrecija H+
tiazidni diuretiki, diuretiki henleyeve pentlje  ECV, Na+ in HCO3- se hitreje reabsorbirata, stimuliran je tudi aldosteron  sekrecija H+
m.ac. – metabolna acidoza m.al. – metabolna alkaloza r.ac. – respiratorna acidoza r.al. – respiratorna alkaloza