酸碱物质的来源

4.1.2　酸碱物质的来源

体液中的酸性或碱性物质主要是细胞在物质代谢的过程中产生的，少量来自食物。在普通膳食条件下，正常人体内酸性物质的生成量远远超过碱性物质的生成量。

4.1.2.1　酸性物质的来源

(1)挥发酸(volatile acid)指碳酸(H₂CO₃)，糖、脂肪和蛋白质氧化分解的终产物CO₂与H₂O在碳酸酐酶(carbonic anhydrase，CA)的催化下结合生成H₂CO₃。H₂CO₃可以释放H⁺，H₂CO₃也可解离出CO₂与H₂O，CO₂呈气体经肺排出体外，所以称之为挥发酸。正常成人在安静状态下，每天生成CO₂300～400 L，如全部生成H₂CO₃可释放出15 mol H⁺，成为体内酸性物质的最主要来源。

(2)固定酸(fixed acid)指不能变成气体由肺呼出，只能经肾随尿排出的酸性物质，又称非挥发性酸(non-volatile acid)。固定酸主要包括蛋白质分解代谢的产物:磷酸、硫酸、尿酸；脂肪的代谢产物:β-羟丁酸、乙酰乙酸；糖有氧氧化的产物:三羧酸；糖无氧酵解的产物:甘油酸、丙酮酸、乳酸等。机体有时还会摄入一些酸性食物或酸性药物，如氯化铵、水杨酸等，成为体内酸性物质的另一来源。一般情况下，固定酸主要来自蛋白质的分解代谢，体内固定酸的产生量与蛋白质的摄入量成正比。正常成人每日由固定酸释放出的H⁺为50～100 mmol，远远小于挥发酸。

4.1.2.2　碱性物质的来源

体液中碱性物质的主要来源是食物中含的有机酸盐，例如柠檬酸盐、苹果酸盐等。在机体代谢过程中也可生成碱性物质，如氨基酸脱氨基产生的NH₃以及肾小管上皮细胞分泌的NH₃。服用某些碱性药物如碳酸氢钠等，也是体内碱性物质的另一种来源。

4.1.3　酸碱平衡的调节机制

机体不断生成或摄取酸碱物质，但体液的pH值却不发生明显变化，这是通过体液中的缓冲系统、肺和肾对酸碱平衡的调节来维持的。

4.1.3.1　体液缓冲系统

(1)缓冲系统的组成　由弱酸及其共轭碱构成的具有缓冲酸或碱能力的缓冲对组成。缓冲系统包括碳酸氢盐缓冲系统和非碳酸氢盐缓冲系统。

1)碳酸氢盐缓冲系统(bicarbonate buffer system)　在细胞外液由NaHCO₃/H₂CO₃构成，在细胞内液由KHCO₃/H₂CO₃构成。其作用特点是:①只缓冲碱和固定酸，不能缓冲挥发酸；②开放性缓冲:通过肺和肾对H₂CO₃和的调节使缓冲物质易于补充或排出，缓冲潜力大；③缓冲能力强:是细胞外液含量最多的缓冲系统，其缓冲固定酸的能力占全血缓冲总量的53%；④决定血液pH值的高低:血浆pH值主要取决于血浆与H₂CO₃的浓度比。根据Henderson-Hasselbalch方程:

pH值=pKa+lg［］/［H₂CO₃］

式中:pKa为H₂CO₃电离常数的负对数值，38℃时为6.1。血浆NaHCO₃浓度为24 mmol/L，血浆H₂CO₃浓度为1.2 mmol/L，代入上式为:pH值=6.1+lg24/1.2=6.1+ lg20/1=6.1+1.3=7.4，即使两者的绝对浓度已经发生变化，只要浓度比维持在20/1，血浆pH值就不会发生变动。

2)非碳酸氢盐缓冲系统　指碳酸氢盐缓冲对以外的各缓冲系统，包括磷酸盐缓冲系统、血浆蛋白缓冲系统、血红蛋白缓冲系统和氧合血红蛋白缓冲系统。

(2)缓冲系统的作用　当体液中酸性或碱性物质的含量发生改变时，缓冲系统通过接受H⁺或释放H⁺，减轻体液pH值变动的程度。例如:盐酸是一种强酸，当其进入血液后首先与缓冲系统中的碱发生反应，生成氯化钠和碳酸(HCl+NaHCO₃→NaCl+ H₂CO₃)。碳酸为弱酸，可以通过肺以二氧化碳的形式排出，血液pH值不会发生明显变化。氢氧化钠是一种强碱，当其入血与缓冲系统中的弱酸发生反应，生成水和碳酸氢钠(NaOH⁺H₂CO₃→H₂O+NaHCO₃)，碳酸氢钠为弱碱，再经肾排出。

4.1.3.2　组织细胞在酸碱平衡中的调节作用

组织细胞对酸碱平衡的调节作用包括细胞内外的离子交换和细胞内的缓冲。当细胞外液H⁺浓度过高时，H⁺扩散入细胞，同时细胞内的K⁺扩散到细胞外；当细胞外液H⁺浓度过低时，细胞内的H⁺扩散到细胞外，细胞外的K⁺扩散到细胞内。所以在酸中毒时，常伴有高钾血症，而在碱中毒时，常伴有低钾血症。呼吸性酸、碱平衡紊乱时，细胞内外的与Cl^-交换，以维持血浆NaHCO₃/H₂CO₃比值的稳定，即维持了细胞外液H⁺浓度的稳定。

4.1.3.3　肺在酸碱平衡中的调节作用

肺通过改变CO₂的排出量调节血浆碳酸浓度，以维持血浆pH值相对恒定。

(1)呼吸运动的中枢调节　当血液中PaCO₂升高时，CO₂通过血-脑屏障和血-脑脊液屏障进入脑脊液，在碳酸酐酶的作用下，CO₂与H₂O结合成H₂CO₃，H₂CO₃解离的H⁺可刺激中枢化学感受器，进而使延髓呼吸中枢兴奋，呼吸运动加强，使肺泡通气量增加，CO₂排出量明显增加。但是，当PaCO₂超过10.7 kPa(80 mmHg)时，可因CO₂浓度过高产生中枢神经系统功能损伤，如呼吸中枢抑制等，称为二氧化碳麻醉(CO₂necrosis)。

(2)呼吸运动的外周调节　当PaCO₂升高，刺激颈动脉体和主动脉体的外周化学感受器，使窦神经和主动脉神经的传入冲动增加，进而使延髓呼吸中枢兴奋，导致呼吸加深加快，增加CO₂排出量。

4.1.3.4　肾对酸碱平衡的调节

肾通过排泄固定酸和维持血浆NaHCO₃的浓度对酸碱平衡进行调节。其主要的作用机制是:

(1)肾小管对NaHCO₃的重吸收　血液中NaHCO₃可自由通过肾小球，滤出的NaHCO₃85%～90%在近曲小管和髓袢被重吸收，其余部分在远曲小管和集合管被重吸收。正常情况下，随尿液排出体外的NaHCO₃仅为滤出量的0.1%。

1)近端肾小管对NaHCO₃的重吸收　近端肾小管上皮细胞内CO₂和H₂O在碳酸酐酶催化下生成H₂CO₃，H₂CO₃部分解离成H⁺和。从肾小球滤过的Na⁺经肾小管上皮细胞管腔膜Na⁺-H⁺交换体进入细胞内，再经基膜Na⁺-K⁺-ATP酶转运入血，而细胞内H⁺经同一交换体进入管腔。进入肾小管腔的H⁺与滤过的结合成H₂CO₃，并迅速分解为H₂O和CO₂，水随尿排出，CO₂又弥散回肾小管上皮细胞。重吸收的Na⁺与肾小管上皮细胞内的结合生成NaHCO₃回流入血(图4-1)。

2)远端肾小管对NaHCO₃的重吸收　与近端小管不同，在远曲小管和集合管上皮细胞内CO₂和H₂O生成H₂CO₃，并解离成H⁺和。上皮细胞通过管腔膜上的质子泵(H⁺-ATP酶)将细胞内的H⁺转运入管腔。细胞内的则在基底膜通过Cl^--逆向转运机制被转运入细胞间隙(图4-1)。

近端肾小管与远端肾小管对尿液酸化的能力有很大差异。近端小管重吸收过程中，入血的并不是从肾小球滤过的，而是在近端上皮细胞内生成的；近端小管分泌的H⁺与滤液中结合，最终排出体外的是H₂O，并无H⁺的大量排泄，虽然NaHCO₃被大量重吸收，但近端小管液pH值下降不明显(pH值约为6.5)，H⁺浓度仅浓缩3～4倍。而在远曲小管，特别是集合管，小管液H⁺可浓缩至1/900，远端肾小管可根据机体需要改变H⁺分泌量，对NaHCO₃进行调节性重吸收。

图4-1　近端肾小管和集合管泌H⁺、重吸收NaHCO₃过程示意图

-表示主动转运；-表示继发主动转运；CA-碳酸酐酶

(2)磷酸盐的酸化　正常人血浆中Na₂HPO₄/NaH₂PO₄的浓度比为4∶1，近端肾小管滤液中磷酸盐比例与血浆相同，主要为碱性磷酸盐。当肾小管液流经远曲小管和集合管时，由于上皮细胞不断向管腔内泌H⁺，尿液pH值降低。H⁺与滤液中的Na⁺交换，将碱性Na₂HPO₄转变成酸性NaH₂PO₄，并随尿液排出体外。终尿中Na₂HPO₄/NaH₂PO₄的最大比值可达1∶99。pH降到4.8左右。回吸收的Na⁺与远曲小管上皮细胞内的生成新的NaHCO₃回流入血。

(3)氨的排泄　在肾小管上皮细胞内谷氨酰胺在谷氨酰胺酶催化下产生氨(NH₃)，NH₃是脂溶性的，可以自由扩散。由于肾小管上皮细胞在不断分泌H⁺，肾小管液中H⁺浓度较高，pH值低，有利于NH₃向小管液扩散。进入小管液的NH₃与肾小管上皮细胞分泌的H⁺结合成铵(NH₄⁺)，NH₄⁺为水溶性，不易通过细胞膜返回细胞内。NH₄⁺与小管液中的强酸盐(如NaCl)的负离子结合为铵盐(NH₄Cl)随尿液排出体外。而强酸盐所解离出的Na⁺则可通过Na⁺-H⁺交换进入细胞，再与生成新的NaHCO₃转运回血液。NH₃的分泌与H⁺的分泌密切相关，如果H⁺的分泌被抑制，尿中排出的NH₄⁺也就减少，NH₃被重吸收回血液(图4-2)。

综上所述，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NH₄⁺生成新的NaHCO₃，以补充机体的消耗，从而维持血液浓度的相对恒定。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种调节方式比较，各有其特点:①血液缓冲系统的反应最为迅速，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。②细胞内液的缓冲作用强于细胞外液，在3～4 h开始发挥调节作用，通过细胞内外离子的转移来维持酸碱平衡，但常可引起电解质的紊乱。③肺的调节效能最强，亦很迅速，30 min达到高峰，通过改变肺泡通气量来控制血浆H₂CO₃浓度的高低，但仅对CO₂有调节作用，不能缓冲固定酸。④肾的调节作用比较缓慢，常在酸碱平衡紊乱发生后12～24 h开始发挥作用，但持续时间较久，特别是固定酸的排出和含量的恢复最终要靠肾来完成。

图4-2　尿铵形成示意图