第十五章酸碱平衡教材

第十五章酸碱平衡（1.3万周许峰）

学习目标及基本要求

1．掌握酸碱平衡的概念及血液、肺脏、肾脏、组织细胞对酸碱缓冲和平衡调节的作用机制。

2．熟悉体内酸碱物质的产生、挥发性酸及固定酸的概念、酸碱平衡失调的类型。

3．了解判断酸碱平衡失调的生化指标及临床意义。

正常人血液pH值为7.35-7.45，平均值为7.4。机体通过物质代谢不断产生内源性酸性和少量的碱性物质，也有一定数量的外源性酸碱物质进入体内，均可影响血液pH值。机体通过体液中的缓冲体系的缓冲作用和肺、肾的调节作用，排出过多的酸或碱，从而维持机体pH值内环境的稳定，称为酸碱平衡（acid-base balance）。因各种原因致使体液的pH值相对稳定性遭到破坏就称为酸碱平衡紊乱（acid-base imbalance）。

第一节酸碱物质的来源

体液中的酸性物质和碱性物质主要是组织细胞在物质分解代谢过程中产生的，其中产生最多的是酸性物质，仅小部分为碱性物质。

一、酸性物质的来源

体内酸性物质主要来自糖、脂类、蛋白质及核酸的代谢产物，其次是饮食和药物中的少量酸性物质。体内物质代谢产生的酸性物质可分为两大类：

（一）、挥发性酸（volatile acid）

成人体内每天通过糖、脂肪和蛋白质等营养物质的分解代谢产生约300~400LCO2，可以通过两种方式与水结合生成约15 mol H2CO3。一种是与组织间液和血浆中的水直接结合生成H2CO3，即CO2溶解于水生成H2CO3；另一种是在红细胞、肾小管上皮细胞、胃粘膜上皮细胞和肺泡上皮细胞内经碳酸酐酶（CA）的催化与水结合生成H2CO3。H2CO3是体内酸的主要来源，因其分解产生的CO2可由肺呼出而被称之为挥发性酸。通过肺进行的CO2呼出量调节也称之酸碱的呼吸性因素调节。

（二）、固定酸（fixed acid）

机体内由含硫氨基酸分解代谢产生的硫酸；含磷有机物（磷蛋白、核苷酸、磷脂等）分解代谢产生的磷酸；糖酵解产生的乳酸；脂肪分解产生的乙酰乙酸、β-羟丁酸等酸性物质，因不能由肺呼出而只能通过肾脏由尿液排出，故称为固定酸或非挥发酸

（non-volatile acid），人体每天生成的固定酸所离解产生的H+与挥发酸相比要少得多，约为50~90 mmol。通过肾进行排酸保碱的调节也称之酸碱的代谢性因素调节。

二、碱性物质的来源

体内通过三大营养物质的分解代谢产生的碱性物质并不多，但人们摄入的蔬菜和水果中含有有机酸盐（如柠檬酸盐、苹果酸盐等），在体内经过生物氧化可分解成CO2和H2O，剩下的Na+和K+进入体液与HCO3- 结合成具有碱性的碳酸氢盐，因此蔬菜、水果是成碱食物。物质代谢过程中也有碱性物质（如NH3）的产生，但数量较少。

第二节酸碱平衡调节

正常情况下，体内各种来源的酸性物质多于碱性物质。因此，机体对酸碱平衡的调节主要是针对酸而进行。机体对酸碱平衡的调节作用主要是由三大调节体系的调节作用（血液缓冲体系的缓冲作用、肺对酸碱平衡的呼吸性因素的调节作用和肾对酸碱平衡的代谢性因素的调节作用）来共同完成的。

一、血液缓冲体系的缓冲作用

体外进入体内或体内代谢产生的酸、碱性物质先后进入血液，被血液缓冲体系（buffer system）作用，转变为较弱的酸或碱，这称为血液的缓冲作用。虽然整个体液对酸碱的缓冲能力是血液的6倍，但血液作为机体的流动组织迅速沟通细胞间液和内液，从而及时反映了体内的酸碱平衡状况。

（一）、血液缓冲体系

血液缓冲体系包括血浆缓冲体系和红细胞缓冲体系，都是由弱酸和其相对应的弱酸盐所组成。血浆缓冲体系由碳酸氢盐缓冲对（NaHCO3/H2CO3）、磷酸氢盐缓冲对（Na2HPO4/NaH2PO4）和血浆蛋白缓冲对（NaPr/HPr）组成。红细胞缓冲对则由还原血红蛋白缓冲对（KHb/HHb）、氧合血红蛋白缓冲对（KHbO2/HHbO2）、碳酸氢盐缓冲对（KHCO3/H2CO3）和磷酸氢盐缓冲对（K2HPO4/KH2PO4）组成。上述七对缓冲对实际上是由三个缓冲体系即碳酸氢盐缓冲体系、磷酸盐缓冲体系和蛋白质（包括HHb、HHbO2）缓冲体系所组成。

这些缓冲对中，血浆中以NaHCO3/H2CO3缓冲体系最为重要，红细胞中以KHbO2/HHbO2、KHb/HHb 缓冲体系最为重要。碳酸氢盐缓冲对所以重要，是因为其含量多，约占血浆缓冲对含量的50%以上；缓冲能力大，血浆中50%以上的缓冲作用由它完成，NaHCO3是体内缓冲固定性酸的主要物质，又称碱储。

图15-1 全血各缓冲体系

表15-1 全血各缓冲体系的比较

缓冲体系占全血缓冲能力的百分数（%）HHbO2和HHb 35

有机磷酸盐 3

无机磷酸盐 2

血浆蛋白质7

血浆碳酸氢盐35

红细胞碳酸氢盐18

（二）、血液的缓冲机制

血浆缓冲体系中碳酸氢盐缓冲体系能迅速与进入血液的固定酸、碱起反应，以减弱血液pH的急剧变化。碳酸氢盐缓冲体系可经呼吸调节CO2分压以调节碳酸浓度，可经肾调节碳酸氢钠浓度，因此，也称碳酸氢盐缓冲对为开放性缓冲对。从而使缓冲体系不断得到补充与调整，保持了持续的缓冲效应。

动脉血pH值等于7.4时测得血浆中的HCO3-的浓度平均为24mmol/L，H2CO3的浓度约为1.2 mmol/L，两者比例为20：1。血浆pH值等于7.4时按亨德森-哈塞巴（Henderson-Hasselbach）方程计算得到[NaHCO3]/[H2CO3]两者比例也为20：1。

pH = pk a + lg NaHCO3

H2CO3

pH = 6.1 + lg = 6.1 + 1.3 = 7.4201

（式中：pk a 是碳酸的一级解离常数，在37℃时为6.1。）

由上式可见，只要[NaHCO 3]/[H 2CO 3]的浓度比为 20/1，血浆的pH 值即可维持在

7.4。也即血浆的pH 值是否维持在7.4，可由血浆中[NaHCO 3]/[H 2CO 3]的浓度比是否维持在20/1来准确反映。故体液对酸碱的缓冲作用及肺、肾对酸碱平衡的调节作用，可以围绕维持血浆[NaHCO 3]/[H 2CO 3]的浓度比值为20/1来进行。如果任何一方的浓度发生改变，只要另一方作相应的增减，维持二者20/1的比值，则血浆的pH 值仍为

7.4，这就是代偿性调节的精髓所在。

进入血液中的固定酸或碱由血浆缓冲体系（主要是NaHCO 3/H 2CO 3）缓冲；挥发性酸（H 2CO 3）主要由红细胞内的还原血红蛋白缓冲对（KHb/HHb ）、氧合血红蛋白缓冲对（KHbO 2/HHbO 2），通过与血红蛋白运O 2过程相偶联的缓冲机制进行缓冲。其中弱酸作为酸性物质对进入血液的碱起缓冲作用；弱酸盐作为碱性物质对进入血液的酸起缓冲作用。

1、对固定酸的缓冲作用

代谢中产生的固定酸（H 3PO 4、H 2SO 4、酮体等），主要由NaHCO 3所缓冲，使酸性较强的固定酸转变为酸性较弱的H 2CO 3。

HA + NaHCO Na - A + H CO 2

H 2O + CO (固定酸) (固定酸钠)

此外，血浆磷酸盐缓冲体系及血浆蛋白缓冲体系对固定酸也具有缓冲作用，均可使酸性强的固定酸转变为酸性较弱的H 2CO 3，易于从肺排出。

2、对碱性物质的缓冲作用

碱性物质进入血液后，大部分被NaHCO 3/H 2CO 3缓冲体系中的H 2CO 3中和，少量碱由血浆中的HPr 和H 2PO 4-所中和，使碱性减弱。 Na 2CO 3 + H 2CO 3 2NaHCO 3

由于不断产生H 2CO 3，因此机体对固定碱的缓冲能力很强，其中生成过多的NaHCO 3可由肾排出。

3、对挥发性酸的缓冲作用

对挥发性酸的缓冲最重要的是血红蛋白缓冲体系的缓冲作用。体内产生的CO 2约有10％在血浆中生成H 2CO 3，另外90％进入红细胞。

组织细胞不断产生的大量CO2扩散进入红细胞内，在碳酸酐酶（CA）催化下迅速与H2O化合生成H2CO3，后者解离生成呼吸性H+，主要由KHb/HHb和KHbO2/HHbO2对其进行缓冲，少数由磷酸氢盐缓冲。与此同时，HbO2-中的O2扩散到组织细胞，用于细胞内物质的有氧氧化。HCO3-浓度升高会弥散进入血浆，同时血浆中有等量的Cl-从血浆进入红细胞，以维持体液的pH值中性，此种现象称为氯离子转移。这样就保证了红细胞内生成的HCO3-不断进入血浆生成NaHCO3。

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

H+ + HbO2 HHb + O2

H+ + Hb- HHb

H+ + HPO4 H2PO4-

HHb + CO2 HHbCO2

在肺部，肺泡内PO2高，PCO2低。于是红细胞中HCO3-与H+结合生成H2CO3，H2CO3分解为CO2随呼吸排出体外，血浆HCO3-向红细胞扩散，而Cl-从红细胞向血浆扩散。

HHbCO2 HHb + CO2

HHb H+ + Hb-

Hb- + O2 HbO2

H2O + CO2 扩散到血浆肺泡呼出

图15-2血红蛋白对挥发性酸的缓冲作用

血液缓冲体系对酸碱缓冲作用的特点是反应非常迅速，通常在数秒钟内就开始发挥作用，但只能起到缓冲体液pH值剧烈变化的作用，而不能排出多余的酸碱。

二、肺对酸碱平衡的调节

肺对酸碱平衡的调节作用是由呼吸中枢整合中枢化学感受器和外周化学感受器

传入的刺激信号，通过改变呼吸频率和呼吸幅度的方式来改变肺泡通气量，从而调节血中H2CO3的浓度，以维持[NaHCO3]/[H2CO3] 浓度比为20/1的正常比值来实现的。

延髓呼吸中枢的兴奋性受血液中PCO2及pH的影响，当血浆PCO2升高或血浆pH下降时可使呼吸中枢兴奋，增加肺通气，从而排出更多的CO2；反之，当血浆PCO2下降或血浆pH升高时，呼吸中枢受抑制，呼吸运动变得浅而慢，而使血浆保留较多的H2CO3。

肺调节酸碱平衡的特点是反应较快，调节迅速，通常在数分钟内就开始发挥作用，并在很短时间内达到高峰，但作用并不持久。

三、肾脏对酸碱平衡的调节

在正常代谢过程中，机体以产酸性物质为主，经血液缓冲后，消耗了大量碳酸氢盐，并产生大量碳酸。对于NaHCO3浓度的变化要依赖肾脏的调节，使其恢复正常浓度水平，并且要保持血浆中[NaHCO3]/[H2CO3]的浓度之比为20/1。所以，在正常情况下，肾脏对酸碱平衡的调节过程，实际上就是一个排酸保碱的过程。肾脏通过H+-Na+交换、NH+4-Na+交换及K+-Na+交换回收NaHCO3，从而调节酸碱平衡。

（一）、肾小管泌H+及重吸收Na+（H+- Na+交换）

机体在代谢过程中，产酸大于产碱。而中和多余的酸需要保留足够的碱储备(NaHCO3)，肾脏通过H+-Na+交换来保留NaHCO3。

1、碳酸氢盐的重吸收：

NaHCO3分子量较小，流经肾小球时可被滤入肾小管，肾小球滤过的NaHCO3在小管液中解离为Na+和HCO3-，其中的Na+与小管上皮细胞内的H+进行转运交换，Na+进入细胞后即与小管上皮细胞内的HCO3-一同转运至血液。H+- Na+交换是一个继发性耗能过程，所需的能量是由基侧膜上Na+-K+-ATP酶通过消耗ATP将细胞内Na+的泵出，使细胞内Na+处于一个较低的浓度，这样有利于小管液中Na+与细胞内H+转运交换。由于小管液中的HCO3-不易透过管腔膜，因而很难进入细胞，于是小管液中的HCO3-先与小管上皮细胞分泌的H+结合，生成H2CO3，然后H2CO3分解，生成H2O 和CO2。高度脂溶性CO2能迅速通过管腔膜进入小管上皮细胞，并在细胞内碳酸酐酶（CA）的催化下与H2O结合生成H2CO3。H2CO3解离为HCO3-和H+，H+由小管上皮细胞分泌进入小管液中，与小管液中的Na+进行交换。然后，小管上皮细胞内的HCO3-与通过H+- Na+交换进入细胞内的Na+一起被转运到血液内，从而完成NaHCO3的重

吸收。此过程并没有真正的排出H+，而是将肾小球滤过的绝大部分NaHCO3进行了重吸收，这对保持血液pH稳定有重要意义。

图15-3 H+- Na+交换与碳酸氢盐的重吸收

2、小管液中磷酸氢盐的酸化

肾小球滤液中存在两种形式的磷酸氢盐，即Na2HPO4和NaH2PO4，是血浆中的缓冲体系，在肾小球滤液pH为7.4的时候，两者的比值为4:1，与正常血液中的比值相同。当肾小管上皮细胞分泌H+增加时，分泌的H+与肾小球滤液中的Na2HPO4分离出的Na+进行交换，即分泌一个H+，换回一个Na+。Na+进入肾小管上皮细胞与HCO3-一起重吸收回到血浆而形成NaHCO3，从而保证了血浆中正常的NaHCO3浓度。而分泌的H+则与小管液中NaHPO4-的结合使NaH2PO4的生成增加，这便是磷酸氢盐的酸化。通过磷酸氢盐的酸化加强，可使H+的排出增加，结果导致尿液pH降低。当尿液pH降至4.8时，使两者比值变为1:99，此时小管液中几乎所有的Na2HPO4都已转变成了NaH2PO4。因此，磷酸氢盐的酸化在促进H+的排出过程中起到一定的作用，但作用有限。

图15-4 H+- Na+交换与磷酸氢盐的酸化

此外，小管液中存在的如β-羟丁酸钠、乙酰乙酸钠、柠檬酸钠、乳酸钠等少量的有机酸钠盐分子中的Na+，在小管液pH值降至4时，可通过肾小管细胞膜上进行的H+- Na+交换而得到回收。这一途径在酸中毒情况下较为重要。

Na-A + H+ HA + Na+

有机酸钠盐游离有机酸

（二）、肾小管泌NH3及Na+的重吸收（NH4+- Na+交换）

近曲小管除泌H+外，还能不断地分泌NH3。近曲小管细胞内含有谷氨酰胺酶（glutaminase，GT），可催化谷氨酰胺（glutamine）水解而释放出NH3，谷氨酰胺→谷氨酸+ NH3，部分NH3还来自氨基酸的氧化脱氨基作用，谷氨酸→ -酮戊二酸+ NH3。产生的NH3具有脂溶性，它可以通过非离子扩散泌NH3进入小管液中，也可以