病理生理学电子教材(中文)-第三章 酸碱平衡和酸碱平衡紊乱:第一节 正常酸碱平衡三、酸碱平衡的调节

三、酸碱平衡的调节

尽管机体在不断地生成和摄取酸性或碱性物质，但血液中的pH并不会发生显著的变化，这是由于体内一系列调节机制共同作用的结果，主要包括体液的缓冲作用、肺和肾的调节作用(图3—1)。

    (一)机体的缓冲系统

机体对酸碱的缓冲系统主要有三个相对独立的缓冲池，即血液缓冲池、细胞内液缓冲池、脑脊液缓冲池。此外，在某些特殊情况下，其他一些医学检验网组织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.血液的缓冲作用  缓冲系统由弱酸(缓冲酸)及其相对应的碱(缓冲碱)组成。血液中的缓冲系统主要有碳酸氢盐缓冲系统、磷酸盐缓冲系统、血浆蛋白缓冲系统、血红蛋白和氧合血红蛋白缓冲系统五种

表（3-1)。当血中H+过多时，反应向左移动，使H+浓度不至于发生大幅度的增高，同时由于中和作用，缓冲碱的浓度会降低；当H+减少时，反应向左移动，使H+得到部分恢复，同时缓冲碱的浓度会增减。

  所有的固定酸都能被血中缓冲系统缓冲，但以碳酸氢盐缓冲系统最重要，这是因为：①含量最多，约占血中缓冲总量的一半以上(表3—2)；②可进行开放性调节，碳酸能和体液中溶解的CO，取得平衡而受呼吸的调节，另外，碳酸氢盐还能通过肾进行调节。

虽然碳酸氢盐缓冲系统占全血总缓冲量的比例非常大，但却不能缓冲体内挥发酸。挥发酸的缓冲作用主要靠体内非碳酸氢盐缓冲系统，特别是Hb—及HbO₂—缓冲系统进行缓冲。

2．组织细胞的缓冲作用  ，机体大量组织细胞内液也是酸碱平衡的重要缓冲池。细胞外液中[H’]的变动会影响到细胞内，特别是大量的肌肉组织细胞是巨大的酸碱缓冲池。酸中毒时，H’可由细胞外进入细胞内，被细胞内的缓冲系统缓冲，从而减轻了细胞外液酸中毒的程度；同理也可减轻碱中毒的程度。细胞的缓冲作用有两种方式，即细胞膜内外的离子交换和细胞内缓冲体系。

(1)细胞内外离子交换  细胞可通过离子交换调节酸碱平衡，例如通过H+—K+、H+—Na+、Na+—K+交换以维持电中性，当细胞外液H+增加时，H+弥散进入细胞内，而细胞内K+则移出至细胞外，所以酸中毒时往往会有高血钾。Cl^—HC0₃^—的交换也相当重要，因为C1^—是可能自由通过细胞膜的阴离子，当HC0₃^—升高时，HC0₃^—的排泄可由Cl^——HC0₃^—交换体来完成。

(2)细胞内缓冲体系  一般说来，机体体液的总缓冲能力是血液缓冲能力的6倍，其中细胞内液缓冲酸的能力最强，血液次之，脑脊液的缓冲能力最弱。与血液对酸的缓冲能力特别强一样，细胞内液对酸的缓冲能力也远超过对碱的缓冲能力。

在细胞内，磷酸根离子和蛋白阴离子的含量比细胞外要高得多，分别为80mEq／L和47 mEq／L，约占阴离子总量的70％，因此在细胞功能完好的情况下，细胞内的磷酸根离子和蛋白阴离子成为最强大缓冲物质，对细胞内酸中毒有巨大的缓冲作用。

由于细胞膜的半透膜特性，体细胞对不同酸碱紊乱的缓冲强度并不一致。受此影响，H+和HCO₃进出细胞的过程非常缓慢，但CO₂可迅速进入细胞，故在代谢性酸中毒时，细胞内的缓冲作用相对缓慢且弱；而在呼吸性酸中毒时，只要不存在明显的缺氧，细胞内的缓冲作用就非常迅速且强大，一般在15 min后其缓冲作用就可达60％，而在3 h后其缓冲作用可达峰值。同理，在呼吸性碱中毒时，细胞内碱中毒比较明显，容易出现严重的代谢障碍；而在代谢性碱中毒时，细胞内碱中毒则相对轻得多，故不容易出现严重的代谢障碍。

    3．脑脊液的缓冲作用  与血液和体细胞相比，脑脊液不仅缺乏有效的缓冲物质，也缺乏细胞内适当的代谢活动，补充碱性物质的丢失。此外在脑脊液和血液之间还存在血—脑脊液屏障，H⁺和HCO₃^—移出 和进入脑脊液的速度非常缓慢，但CO₂可迅速进出脑脊液，故血液中出现原发性的代谢因素改变时，脑脊液酸碱度的改变缓慢且有限，而因呼吸性改变使CO₂显著变化时则可导致脑脊液酸碱度的显著变化，并影响呼吸中枢，出现明显的神经—精神改变和呼吸变化。

除上述三个缓冲池的缓冲作用外，骨骼的钙盐分解也有利于对H+的缓冲，其机制是产生了较多的H₂P0₄^—，反应式为：Ca₃(P0₄)₂+4H+---*3Ca²⁺+2H2P0₄^-。钙盐的分解主要参与持续时间较长的代谢性酸中毒的调节，这也是慢性酸中毒患者易发生骨质疏松的原因之一。

    (二)肺在酸碱平衡中的调节作用

肺在酸碱平衡中的作用是通过改变肺泡通气量来控制挥发酸释出的CO₂的排出量，使血浆中的HC0₃^—与H₂CO₃比接近正常值，以保持血中pH相对恒定。

肺通气的调节作用较迅速，数分钟内起效，30rain达高峰。其机制主要是通过呼出CO₂来调节血液中CO₂的含量。延髓的呼吸中枢通过调节呼吸运动的频率和深度，加速或减慢CO₂的排出。这种调节作用可通过以下三种机制来实现。

    1.化学性调节  正常情况下，化学性因素由CO₂、pH和O₂起主要作用。

(1)动脉血CO₂分压(Pa CO₂)  Pa CO₂的变化是兴奋呼吸中枢的主要因素，其对呼吸中枢的影响主要有两条途径。首先是延髓的中枢化学感受器对血中Pa CO₂的变化非常敏感(CO₂对中枢化学感受器的作用主要通过H+浓度的变化来实现)，PaC02升高2mmHg就会引起通气加强反应；其次是通过外周化学感受器间接影响呼吸中枢的兴奋性，但敏感性要低得多，PaCO：要升高10mmHg才会引起通气加强反应。需要指出的是CO₂对呼吸中枢的兴奋作用是有限度的，当Pa CO₂过度升高(>80mmHg)时，反而对呼吸中枢有抑制作用，并可能出现“CO₂麻醉”现象，使肺通气减少。  

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(2)pH或H+  与CO₂分压的变化对呼吸中枢的影响相似，pH的变化对呼吸中枢的影响也是通过调节中枢和外周化学感受器兴奋性的变化发挥作用。中枢化学感受器对pH(或H+)变化的敏感性比外周化学感受器的敏感性要高得多，前者大约是后者的25倍。一般来说，脑脊液与血液中的pH是一致的。但由于血液或脑脊液中的HC0₃^—不易透过血脑屏障，所以如果脑脊液局部发生代谢性酸中毒或碱中毒，则代偿速度非常缓慢，呼吸中枢受其影响时间延长。

(3)动脉血氧分压(Pa0：) O₂分压下降对中枢的直接作用是抑制，只有通过外周化学感受器才能间接引起呼吸中枢的兴奋。一般情况下，Pa O₂下降对呼吸中枢的影响较弱，当Pa O₂下降至60mmHg以下时，才会出现通气发应的明显增强。在正常情况下，O2分压对呼吸中枢兴奋性的影响微乎其微，但在慢性C O₂严重潴留的患者，呼吸中枢对C O₂分压的变化逐渐适应，这时低O₂升分压对呼吸中枢的间接兴奋作用才显得更为重要，如果此时迅速将O₂升高到80mmHg以上，反而会引起呼吸抑制。

  2、中枢神经性调节 呼吸运动的节律来自于中枢神经系统的呼吸中枢，经神经传导引起呼吸肌兴奋，调控呼吸。临床上可使用呼吸中枢兴奋剂和抑制剂对呼吸中枢进行调节。

3、神经反射性调节 呼吸的神经反射调节的外周感受器属机械或物理性感受器。如肺组织中的牵张感受器，J感受器（又称毛细血管旁感受器)和呼吸肌内的本体感受器等，在受到刺激后，反射性兴奋呼吸中枢，使呼吸增强。

（三)肾在酸碱平衡中的调节作用

肾脏在维持体内酸碱平衡中的作用是通过肾脏排酸保碱或排碱保酸来调节血浆中HCO₃^-的含量，保持血中PH的相对稳定。当血浆中HCO₃-浓度降低时，肾脏加强酸性物质的排出和加快HCO₃^-的重吸收，以尽量使血中HCO₃^-恢复正常；相反，当体内碱性物质增多时，肾脏接减少酸性物质的排出和减少HCO₃^-的重吸收。与肺调节挥发酸排出相比，肾脏主要调节固定酸的排出和重吸收HCO₃^-，而且它的调节速度也慢很多，通常在数小时后才起作用，3~5天达高峰 。这也是在发生急性代谢性酸中毒或碱中毒时，细胞内外酸碱变化强化情况不一样 的原因之一。

  正常饮食情况下，尿液中 的PH一般在6.0左右。但在酸碱失衡时，PH可降至4.4或升至8.0，波动范围非常大，其间H+浓度相差有1000倍。因此，肾脏对酸碱的调节功能非常强大。肾脏对酸碱的调节主要有以下四个方面：

1. 近端肾小管泌H+和重吸收NaHCO3 近曲小管调节酸碱的功能主要是重吸收HCO3-，其泌H+作用也是为了辅助HCO₃^-重吸收。实际上，由肾小球滤过的HCO3-，90%在近曲小管被重吸收。其机制包括四个步骤：①近曲小管上皮细胞内含有大量的碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA),能催化CO₂与H₂O结合生成H₂CO₃,而碳酸可部分解离出H+和HCO3-;②在近曲小管上皮细胞内产生的H+通过其管腔面的H+--Na+交换体分泌到肾小管腔中,而肾小管腔中的Na+则被重吸收入近曲小管上皮细胞内;③进入肾小管腔的H+与管腔中经肾小球滤过的HCO₃^-结合生成H₂CO₃.由于在近曲小管上皮细胞管腔面的刷状缘也富含碳酸酐酶,因此,H₂CO₃在碳酸酐酶的作用下分解为CO₂和H₂O.CO₂可通过弥散迅速进入近曲小管上皮细胞内,在细胞内碳酸酐酶的作用下,又可与H₂O结合生成 H₂CO₃,从而完成依次近曲小管上皮细胞的泌H+和重吸收HCO₃^-的循环.由此可见,在近曲小管腔中的HCO₃^-是以CO₂的形式被重吸收,然后在细胞内碳酸酐酶的作用下还原成HCO₃^-;④进入细胞内的Na+和HCO₃^-通过近曲小管上皮细胞基膜侧的Na+-- HCO₃^-载体同向被动重吸收到血液循环中.此外,进入细胞内的Na+还能被基膜侧的Na+--K+泵主动重吸收进入血液www.med126.com/hushi/循环中(图3-2A).

2. 远端肾小管及集合管泌H+和重吸收HCO₃^- 虽然远端肾小管也通过泌H+和重吸收HCO3来调节酸碱平衡,但与近端肾小管相比,其机制却不尽相同,其结果也有较大差别.其差别主要表现在原尿流经远曲小管及集合管后,尿液PH显著下降,即尿液酸化.尿液的远端酸化作用(distal acidification)是由远端肾小管及集合管的闰细胞承担的.此细胞又称为泌H+细胞,它并不运转Na+,是一种非Na+依赖性的泌H+细胞.

闰细胞分泌H+和重吸收HCO₃^-的机制包括以下几个步骤:①闰细胞中的碳酸酐酶催化CO₂和H₂O结合生成H₂CO₃,而碳酸可部分解离出H+和HCO₃^-;②在闰细胞内产生的H+通过其管腔面的质子泵(H+--ATP酶)和H+--K+--ATP酶主动分泌到肾小管腔中后,与管腔中的碱性HPO₄^2-结合变成酸性的H₂PO₄-,从而使尿液酸化;③闰细胞内的CO₂经碳酸酐酶转化为H₂CO₃后解离出HCO₃^-,解离出的HCO₃^-在基膜侧通过Cl—HCO₃^-交换体重吸收,进入血液循环中(图3-2B).

3. 尿NH4+的排出 肾脏铵(NH4+)的产生和排出是PH依赖性的,即酸中毒越严重,尿中排NH4+量越多.近端和远端肾小管都能泌NH3和NH4+,但近端肾小管上皮细胞是泌铵(NH4+)的主要场所,其泌

NH₄+的机制与泌H+非常相似 ，区别是在肾小管上皮细胞内除产生H+外，还能产生NH₃，两者相结合生成NH₄+，然后通过NH₄+-Na+交换将NH₄+排入肾小管中。近曲小管上皮细胞产NH₃的机制与谷氨酰胺的代谢有关，即谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下分解成氨（NH3)和谷氨酸，谷氨酸又分解为NH₃和α-酮戊二酸，α-酮戊二酸经代谢转化为2HCO₃-（图3-3A)。

远端肾小管分泌的NH₃先是由肾小管周围毛细血管弥散而来，进一步弥散进入肾小管腔后再与管腔中已有的H+结合生成NH₄+。在严重的酸中毒时，当远曲小管分泌的H+与磷酸盐缓冲后使尿液酸化，PH下降至4.8左右，磷酸缓冲系统已不能进行缓冲时，不仅近曲小管泌NH₄+增多，远曲小管泌NH₃也增多，NH₃与管腔中H+结合，生成的NH₄+也增多，导致尿中NH4+浓度升高，经尿排NH₄+明显增多（图3-3B)。

 4．远曲小管的K+--Na交换与H+--Na+交换  在远曲小管上皮细胞的管腔侧既有K+--Na+交换，又有H+--Na+交换，它们主要调节K+的排泄，但在一些特殊的病理情况下对调节血液的酸碱有一定作用。原尿中的K+在近曲小管几乎全部被重吸收，而尿液（终尿)中的K+是由远曲小管分泌出来的。远曲小管分泌的K+可与管腔中的Na+交换，排出K+，回收Na+，称为K+--Na+交换；而H+--Na+交换则是分泌H+，回收Na+。远曲小管上皮细胞的K+--Na+ 交换与H+--Na+交换之间有竞争性抑制作用。酸中毒时，H+分泌增多，K+分泌受竞争性抑制而减少，即在H+--Na+交换占优势时会抑制K+--Na+交换，这是酸中毒时常伴有高血钾，碱中毒时常伴有低血钾的原因之一。