Acidobazická rovnováha v organismu Udržování konstantního pH tělních tekutin je významným aspektem udržení stability vnitřního prostředí. Většina biochemických pochodů je vzhledem k enzymové katalýze na hodnotě pH prostředí velmi závislá a již nepatrné odchylky od stabilních hodnot mohou vyvolat jejich zpomalení či zástavu. Hodnoty pH buněk živočišného organismu se zpravidla jen málo odchylují od neutrální hodnoty. Hodnoty pH tělních tekutin naproti tomu vykazují odchylky na obě strany, např. pH žaludeční šťávy je silně kyselé (1-2), naopak pankreatický sekret má reakci mírně alkalickou, pH moči kolísá v rozmezí 5-6, s extrémy 4,5-7,5. pH plazmy je udržováno v úzkém rozmezí 7,36-7,44 a výchylka od těchto hodnot znamená závažné ohrožení životních funkcí. Na udržování stálého prostředí v biologických tekutinách se podílí několik různých pufrů. Kromě pufrových systémů však organismus reguluje pH i odstraňováním protonů ledvinami a vylučováním CO[2] plícemi. 1. Pufrační systémy v organismu Nejdůležitější pufrační systémy v organismu jsou: hydrogenuhličitanový pufr, systém hemoglobin/oxyhemoglobin, bílkoviny krevní plazmy a fosfátový pufr. Každý z nich lze charakterizovat jeho vlastní Hendersonovou-Haselbalchovou rovnicí (vztah pro výpočet pH pufru). V různých tělesných tekutinách se tyto pufry podílejí na udržování pH s rozdílnou významností, přičemž navzájem spolupracují. V krvi je hlavním pufrem hydrogenuhličitanový systém. Pufrační systémy v krvi: Pufrační systém Zastoupení Pufrační báze Pufrační kyselina pK[A] kyseliny Hydrogenuhličitanový Proteiny^a Hydrogenfosfátový 50 % 45 % 5 % HCO[3]^- Protein-His HPO[4]^2- H[2]CO[3], CO[2] Protein-His-H^+ H[2]PO[4]^- 6,1 6,0-8,0^b 6,8 ^ a V krevní plazmě hlavně albumin, v erytrocytech hemoglobin. ^b Výrazně závisí na typu bílkoviny. Hydrogenuhličitanový pufr. Hydrogenuhličitanový pufr bývá v klinické medicíně tradičně označován jako bikarbonátový (zastaralý název). Je tvořen HCO[3]^- (bazická složka) a H[2]CO[3] (kyselá složka). Do kyselé složky systému se zahrnuje i fyzikálně rozpuštěný CO[2], který je v rovnováze s H[2]CO[3]. Reakci mezi CO[2] a H[2]O za vzniku H[2]CO[3] a zpětně urychluje enzym karbonátdehydratasa, který se nachází v erytrocytech, v ledvinných tubulech a sliznici žaludku. Rovnováhu mezi složkami tohoto pufru popisuje rovnice Textové pole: CO2 + H2O D H2CO3 D H+ + HCO3- V Hendersonově-Hasselbalchově rovnici se místo koncentrace [H[2]CO[3]] počítá s tzv. „efektivní“^ koncentrací kyseliny uhličité [H[2]CO[3]+CO[2]]. [H[2]CO[3]][ef] přímo závisí na parciálním tlaku CO[2] v krvi (pCO[2]), který lze měřit, a na rozpustnosti CO[2] v krvi (koeficient rozpustnosti s = 0,23, je-li tlak udán v kPa). Obecná Henderson-Haselbalchova rovnice pro hydrogenuhličitanový pufr v krvi pak nabývá tvaru: Jak tento pufr působí? Zvýší-li se koncentrace H^+ iontů v krvi, pufrační systém reaguje tak, že část iontů H^+ se sloučí s HCO[3]^- za vzniku H[2]CO[3]. Část H[2]CO[3] se pak přemění na H[2]O a CO[2], v krvi vzroste parciální tlak CO[2] (pCO[2]) a nadbytečné množství CO[2] se vyloučí plícemi. H^+ + HCO[3]^- D H[2]CO[3] D CO[2] + H[2]O Naopak při snížení koncentrace H^+ dochází k posunu rovnováhy směrem doprava. Část CO[2] není vydýchána, přeměňuje se na H[2]CO[3] a disociací H[2]CO[3] se doplní chybějící protony. CO[2] + H[2]O D H[2]CO[3 ]D H^+ + HCO[3]^- Vysoká účinnost tohoto pufru je dána možností regulovat množství vydýchaného CO[2]. Je v rovnováze s ostatními pufračními systémy, kterým je schopen jak předávat H^+ a sám se regenerovat, tak od nich H^+ přijímat. Bílkoviny. Pufrační účinek bílkovin je způsoben jejich amfoterním charakterem (podobně jako u aminokyselin). Ionizovatelné skupiny postranních řetězců aminokyselin mohou reagovat jako slabé kyseliny nebo slabé zásady, tedy v závislosti na pH okolí vázat nebo uvolnit proton. V oblasti fyziologického pH mají nejdůležitější úlohu imidazolové skupiny histidinových zbytků. Nejvýznamnějším bílkovinným pufračním systémem v krvi je systém hemoglobin/oxyhemoglobin, který tvoří téměř jednu třetinu její pufrační kapacity. Oxygenovaný hemoglobin se chová jako silnější kyselina než hemoglobin. Proto při oxygenaci hemoglobinu (Hb) v plicích uvolňuje vznikající oxyhemoglobin (HHbO[2]) část protonů. Tím se částečně eliminuje zvýšení pH v plicích vyvolané vydýcháním CO[2]. Naopak ve tkáních je oxyhemoglobin po odevzdání O[2] převáděn na hemoglobin, který se chová jako akceptor protonů. Eliminuje se tak část protonů uvolněných metabolismem ve tkáních. O[2] HHb Hb^− + H^+ O[2] plíce tkáně HHbO[2 ]HbO[2]^− + H^+ Na udržování pH se podílí i další bílkoviny. V plazmě je to zejména albumin. Hydrogenfosfáty. Ve fyziologické oblasti pH se uplatňuje fosfátový pufr tvořený složkami HPO[4]^2- (bazická složka) a H[2]PO[4]^- (kyselá složka). Reakci fosfátového pufru lze popsat rovnicí: HPO[4]^2- + H^+ D H[2]PO[4]^- Fosfáty jsou hlavním pufračním systémem moče, podílí se též na udržování pH v intracelulárním prostoru. Jejich podíl na pufrační kapacitě plazmy je malý. 2. Princip udržování stálého pH vnitřního prostředí Další pufry krve Úloha ledvin, plic a jater v udržování acidobazické rovnováhy Plíce se podílejí na udržování acidobazické rovnováhy vylučováním CO[2]. Denně je vylučováno 15-25 mol CO[2]. Zvýší-li se v krvi parciální tlak CO[2] nebo poklesne pH, množství vylučovaného CO[2] se zvýší, v případě snížení pCO[2] nebo zvýšení pH proběhnou děje opačné (pokud není narušena funkce plic). Ledviny přispívají k udržování acidobazické rovnováhy především regulovanou sekrecí H^+, amoniaku a fosfátů, a dále resorpcí, případně sekrecí hydrogenuhličitanů. Játra se podílejí na udržování acidobazické rovnováhy možností dvou způsobů přeměny amoniaku. Detoxikace amoniaku v játrech je totiž možná syntézou močoviny nebo syntézou glutaminu. Tvorba močoviny je spojena s uvolněním dvou H^+, při tvorbě glutaminu se H^+ neuvolňuje. Proto při acidózách převažuje syntéza glutaminu nad syntézou močoviny a naopak. Při selhávání jater váznou obě cesty a často nastává metabolická alkalóza. 3. Hlavní ukazatele acidobazické rovnováhy Pro vyšetření parametrů acidobazické rovnováhy (ABR) se odebírá krev arteriální nebo arterializovaná. Arteriální krev se odebírá z artérií do heparinizovaných zkumavek nebo kapilár. Arterializovaná krev se odebírá z dobře prokrveného místa na periferii (bříško prstů, ušní lalůček). Odběr musí být proveden za anaerobních podmínek, v krvi se nesmí nacházet vzduchové bubliny. Měřené parametry ABR Referenční interval Názvy poruch pH 7,40 ± 0,04 Acidóza, alkalóza pCO[2] 5,3 ± 0,5 kPa Hyperkapnie, hypokapnie (pO[2], tHb, sO[2], HbO[2], COHb, MetHb) Acidobazické analyzátory, tj. analyzátory pH a krevních plynů, jsou dodnes často nazývané podle jednoho z prvních autorů "Astrup". Pomocí selektivních elektrod měří základní parametry ABR, tj. pH, pCO[2] a pO[2]. Ostatní parametry (zejména koncentrace HCO[3]^-) jsou dopočítávány na bázi Hendersonovy-Hasselbalchovy rovnice pomocí softwarového vybavení analyzátoru. Modernější analyzátory umožňují kromě stanovení základních parametrů ještě stanovení koncentrace celkového hemoglobinu (tHb), oxygenovaného hemoglobinu a dalších derivátů hemoglobinu. Pro hodnocení ABR jsou dále důležité údaje o koncentraci základních elektrolytů (Na^+, K^+, Cl^−, anorganický fosfát) a albumin. 4. Poruchy acidobazické rovnováhy Textové pole: Acidóza při diabetu Při nekompenzovaném diabetu I. typu vyvolá nedostatek inzu-linu a převaha glukagonu zvý-šenou tvorbu ketolátek. Kyseli-na b-hydroxymáselná a kyseli-na acetoctová svou disociací produkují protony. pH krve klesá. Poruchy ABR se označují jako acidózy nebo alkalózy. Při acidóze roste koncentrace kyselin schopných disociace a klesá koncentrace bází (HCO[3]^-), při alkalóze je tomu naopak. Acidózy a alkalózy mohou být nekompenzované (dochází k posunu pH pod referenční rozmezí) nebo kompenzované (pH je v důsledku zásahu kompenzačních mechanismů v rozmezí 7,36-7,44, avšak některé z dalších parametrů jsou vychýleny). Kompenzace poruch se děje účinkem pufrů a fyziologickými pochody dýchání a vylučování metabolitů močí. Z hlediska příčiny rozlišujeme poruchy respirační (primární příčinou poruchy je změna pCO[2 ]v krvi) a metabolické (primární příčinou je změna HCO[3]^-). Nejčastější poruchou ABR je metabolická acidóza. Příčinou může být např. produkce ketolátek při diabetu, tvorba laktátu při převaze anaerobního metabolismu, ztráta HCO[3]^- ledvinami. Porucha je kompenzována urychleným dýcháním (Kussmaulovo dýchání), vylučováním kyselé moče a zpětnou resorpcí hydrogenuhličitanů v ledvinách. Textové pole: Alkalóza a zvracení Při opakovaném zvracení do-chází ke ztrátám chloridových iontů ze žaludeční šťávy. Aby byl úbytek aniontů v organismu kompenzován, zvyšuje se resorpce HCO3- v ledvinách. Podíl HCO3- v plazmě se tím zvýší a pH plazmy se posouvá k hodnotám nad 7,4. Respirační acidóza vzniká při poklesu schopnosti plic vylučovat CO[2]. Kompenzace se odehrává urychlenou zpětnou resorpcí HCO[3]^-. Metabolická alkalóza je nejčastěji způsobena ztrátami silných kyselin (zvracení), nepřiměřenou alkalizací (infuze HCO[3]^-) či ztrátou chloridů močí. Kompenzace hypoventilací je omezena vzhledem k potřebě přijímat kyslík plícemi. Pokud porucha nespočívá ve funkci ledvin, kompenzuje se zvýšenou resorpcí HCO[3]^- močí. Příčinou respirační alkalózy je hyperventilace (např. hysterie, pobyt ve větších výškách). Kompenzace probíhá ledvinami, zvýšeným vylučováním HCO[3]^-.