第一节 酸碱的概念及酸碱物质的来源和调节

一、酸碱的概念

在化学反应中，能释放出H+的化学物质称为酸，例如HCl、H2SO4、H2CO3、CH3CH（OH）COOH（乳酸）、、HPr（蛋白酸）等；反之，凡能接受H+的化学物质称为碱，如、、NH3等。由此分析可知：一种化学物质作为酸释放出H+时，必然同时生成一种碱性物质；同理，一种化学物质作为碱在接受H+的同时，也有一种酸性物质生成。因此，一种酸总会与相应的碱形成一个共轭体系，如图4-1所示的共轭体系。

二、体液中酸碱物质的来源

体液中酸性、碱性物质多数来源于组织细胞的分解代谢，少数来自摄入的食物。正常人在普通膳食条件下，体内酸性物质的产量远远多于碱性物质。

（一）酸性物质的来源

体液中的酸性物质按其特性分为挥发性酸（volatile acid）和固定酸（fixed acid）。

1．挥发性酸 糖、脂肪、蛋白质氧化分解的最终产物是二氧化碳（CO2）, CO2非酸非碱，但与水（H2O）结合形成碳酸（H2CO3），这一反应可在碳酸酐酶（carbonic anhydrase, CA）的催化下加速完成。碳酸不稳定，在体内可释出H+，也可形成二氧化碳（CO2）由肺呼出，故称为挥发性酸。肺对H2CO3（CO2）排出量的调节，称为酸碱平衡的呼吸性调节。正常成人在静息状态下每天生成300～400L CO2（CO2的生成量随代谢率提高而增多），如果生成的CO2全部与H2O结合形成H2CO3，那么，每天可释放13～15mol的H+。因此，碳酸（H2CO3）是机体代谢过程中生成得最多的酸性物质。

2．固定酸 固定酸是指不能变成气体由肺呼出，而只能通过肾脏随尿排出的酸性物质，又称非挥发性酸（involatile acid）。肾对固定酸排出量的调节，称为酸碱平衡的肾性调节。固定酸种类较多，主要由糖、脂肪、蛋白质分解代谢产生，如丙酮酸、乳酸、三羧酸、乙酰乙酸、β-羟丁酸、硫酸、磷酸、尿酸等。正常成人每天由固定酸释出的H+仅50～100mmol，与挥发性酸相比要少得多。

酸性物质的另一来源是从饮食中直接摄入，包括服用一些酸性药物如氯化铵、水杨酸等。

（二）碱性物质的来源

体液中的碱性物质主要来自食物中的蔬菜、瓜果。这类食物含有丰富的有机酸盐，如苹果酸盐、柠檬酸盐、草酸盐等。这些含Na+、K+的有机酸盐进入体内后与H+结合形成相应的有机酸，再经三羧酸循环氧化为CO2和水，而Na+、K+则与结合成碱性盐。

另外，机体在物质代谢过程中也可产生碱性物质，如氨基酸脱氨基生成氨，由于此氨经肝脏鸟氨酸循环后转化为尿素，故血液中含量甚微，对体液酸碱度影响不大。肾小管细胞分泌的氨则用来中和原尿中的酸（H+）并保留碱。

三、酸碱平衡的调节

尽管机体不断地摄取和生成酸性或碱性物质，但在生理情况下，血液pH并没有发生显著改变，仍能维持在正常范围内。这种血液pH相对稳定的维持是机体酸碱平衡调节机制调节的结果。体内酸碱平衡的调节机制主要包括血液的缓冲作用、肺及肾的调节等。

（一）血液的缓冲作用

血液的缓冲系统是由弱酸及其共轭碱（缓冲碱）组成的，具有缓冲酸或碱，防止H+浓度发生显著变动的作用。血液的缓冲系统主要有四种（表4-1）。其中以碳酸氢盐缓冲系统（）最为重要，这是因为：①含量最多，占血液缓冲总量的1/2以上，具有较强的缓冲能力；②为开放体系，和H2CO3可通过肾和肺的调节得到补充或排泄，从而增加了其缓冲能力；③可以缓冲所有的固定酸。

但是碳酸氢盐缓冲系统不能缓冲挥发性酸，挥发性酸的缓冲主要靠非碳酸氢盐缓冲系统，特别是血红蛋白和氧合血红蛋白缓冲系统的缓冲。

当体液中酸碱性物质发生改变时，缓冲系统又是如何调节的？现以碳酸氢盐缓冲系统为例来加以阐明。

当体液中酸（H+）过多时，缓冲系统中的缓冲碱（）立即与其结合，上述反应向左移动，使H+的浓度不至于显著增高，同时缓冲碱浓度降低；反之，当体液中H+减少时，缓冲系统中的弱酸（H2CO3）可以释出H+，反应向右移动，使体液中H+的浓度得到部分恢复，同时缓冲碱浓度增加。

总之，血液的缓冲系统缓冲作用迅速，若体内酸、碱负荷过度或不足，缓冲系统马上起缓冲作用，将强酸或强碱转变成弱酸或弱碱，同时缓冲系统自身被消耗。因此，血液缓冲系统具有反应迅速，但缓冲作用不持久的特点。

（二）肺在酸碱平衡中的调节作用

肺在维持体内酸碱平衡中通过改变呼吸运动来控制CO2的排出量，从而调节血浆H2CO3浓度，维持血液pH的相对恒定。这种调节作用发挥较快，数分钟内即可见明显效果。

肺通气量受延髓呼吸中枢控制，延髓呼吸中枢接受来自中枢化学感受器和外周化学感受器的刺激。中枢化学感受器能够感受脑脊液中H+浓度的变化，H+浓度增加可以兴奋呼吸中枢使肺通气量增加。但血液中的H+不易透过血脑屏障，故对中枢化学感受器的直接作用很弱。CO2虽不能直接刺激中枢化学感受器，但CO2属脂溶性物质，易透过血脑屏障，并在碳酸酐酶的作用下生成碳酸，使脑脊液H+浓度增加。因此，中枢化学感受器对PaCO2（动脉血二氧化碳分压）的变化非常敏感。当PaCO2超过正常值时，肺通气量可明显增加；若PaCO2增加到60mmHg时，肺通气量可增加10倍，使CO2排出显著增多。但是当PaCO2超过80mmHg时，呼吸中枢反而受到抑制，称为二氧化碳麻醉（carbon dioxide narcosis）。

外周化学感受器（主要指主动脉体和颈动脉体）能感受缺氧、p H和CO2的刺激。当PaO2（动脉血氧分压）降低、p H降低、PaCO2升高时均可通过外周化学感受器反射性兴奋呼吸中枢，呼吸加深加快，肺通气量增加，CO2排出增多；反之，呼吸变浅变慢，CO2排出减少。但外周化学感受器比中枢化学感受器反应迟钝，只有当PaO2低于60mmHg时，才能感受刺激，引起兴奋。

（三）肾在酸碱平衡中的调节作用

肾脏主要通过排出体内过多的酸或碱来调节血浆浓度，从而维持血液pH的相对恒定。正常人在普通膳食条件下，体内产生的酸性物质远远多于碱性物质，肾脏在调节酸碱平衡中的主要作用是排酸保碱。肾脏的调节作用比较缓慢，常在酸碱平衡紊乱发生数小时后开始发挥作用，3～5d达到高峰，但效能高、作用持久。

肾脏调节酸碱平衡的主要机制包括以下几个方面。

1．近曲小管泌H+和对NaHCO3的重吸收 肾小球滤过的NaHCO3约90%在近曲小管被重吸收，少部分在远曲小管和集合管重吸收，排出体外的NaHCO3仅为滤出量的0.1%。近曲小管Na+的主动重吸收是以与或Cl-结合的形式进行的，同时伴有水的被动吸收。在酸碱平衡的调节中，Na+的重吸收是与近曲小管上皮细胞分泌的H+交换的结果，这种H+-Na+交换常伴有的重吸收。肾小球滤过的NaHCO3在近曲小管管腔内解离成Na+和；肾小管细胞内的CO2与H2O在碳酸酐酶的催化下生成H2CO3, H2CO3在细胞内又解离成和H+, H+通过近曲小管上皮细胞膜上的H+-Na+交换被分泌到管腔中，同时把管腔中的Na+交换进细胞，由基侧膜载体返回血液循环，使细胞内Na+浓度维持在一个较低水平，这有利于管腔内Na+向浓度低的细胞内扩散，同时促进细胞内H+泵出。H+-Na+交换所需的能量由基侧膜上Na+-K+-ATP酶间接提供。近曲小管上皮细胞分泌的H+和管腔滤液中的结合生成H2CO3, H2CO3在碳酸酐酶的催化下生成H2O和CO2, H2O随尿液排出，CO2则弥散入细胞内。碳酸酐酶在H+-Na+交换、重吸收的过程中起着重要作用。当pH降低时碳酸酐酶活性增高，近曲小管H+-Na+交换增强，NaHCO3重吸收增多；反之，这一作用减弱（图4-2左）。

2．远曲小管、集合管泌H+和对NaHCO3的重吸收 远曲小管和集合管的闰细胞（又称泌H+细胞），借助管腔膜上的H+-ATP酶作用向管腔泌H+，而管腔中的Na+则通过钠通道进入细胞，同时在基侧膜以交换的方式重吸收，使尿液酸化，这种作用称为远端酸化作用（distal acidification）（图4-2右）。远曲小管和集合管分泌的H+还可与管腔滤液中Na2HPO4的Na+交换，将碱性Na2HPO4转变成酸性NaH2PO4，使尿液酸化，将H+排出体外，但这种缓冲是有限的，当尿液pH降至4.8左右时，两者比值（）由正常血浆（pH为7.4时）的4∶1变为1∶99，表明尿液中几乎所有的都已转变为，就不能进一步发挥缓冲作用了。

3.的排出 近曲小管上皮细胞是产铵（）的主要场所。细胞内谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的水解作用下产生氨（NH3）, NH3与细胞内碳酸解离的H+结合生成,通过交换进入管腔，随尿排出。NH3是脂溶性分子，能自由弥散，但弥散的量及方向依赖体液pH，通常肾小管管腔液的pH较低，所以NH3易向管腔内弥散，并与管腔内H+结合生成。是水溶性的，不易通过细胞膜返回细胞，而进一步与强酸盐（NaCl）中的负离子（Cl-）结合成铵盐（NH4Cl）随尿排出。而强酸盐（NaCl）解离后的阳离子（Na+）通过H+-Na+等方式进入肾小管上皮细胞，与一起返回血液。由于铵的生成和排泄是pH依赖性的，所以酸中毒越严重，肾排越多（图4-3）。

综上所述，肾脏对酸碱的调节主要通过肾小管上皮细胞的活动来实现。酸中毒时，由于碳酸酐酶、谷氨酰胺酶等活性增强，肾脏的这三种调节作用（近曲小管对NaHCO3的重吸收、远曲小管对NaHCO3的重吸收、的排出）均增强；反之，碱中毒时，这三种调节作用均减弱。

（四）组织细胞对酸碱平衡的调节作用

细胞外液H+浓度的变动必然影响到细胞内H+的浓度，因此机体大量的组织细胞成为巨大的酸碱缓冲池。组织细胞的缓冲作用主要通过细胞内、外离子交换（如H+-K+、Cl--等）的方式完成。如酸中毒时，细胞外液过多的H+通过H+-K+交换进入细胞内，被细胞内缓冲碱缓冲，而K+从细胞内逸出，导致血钾升高，反之亦然。当升高时，Cl--交换很重要，因为Cl-是可以交换的自由离子，的排出可通过交换来完成。

肝脏也可以通过尿素的合成来清除NH3，参与调节酸碱平衡。骨骼钙盐（磷酸钙、碳酸钙）的分解也有利于对H+的缓冲，如，但这种调节主要参与持续时间较长的代谢性酸中毒，也是慢性代谢性酸中毒患者发生骨质疏松的原因之一。