酸塩基平衡

酸塩基恒常性とは、体内の細胞外液（ECF）のpHを恒常的に調節することです。 ^{[ 1 ]} ECF中の酸と塩基の適切なバランス（つまりpH）は、体の正常な生理機能と細胞代謝にとって非常に重要です。^{[ 1 ]}細胞内液と細胞外液のpHは一定のレベルに維持される必要があります。^{[ 2 ]}

血漿タンパク質や体細胞の膜タンパク質など、多くの細胞外タンパク質の三次元構造は、細胞外pHに非常に敏感です。^{[ 3 ] [ 4 ]}そのため、pHを非常に狭い範囲内に維持するための厳密なメカニズムが存在します。許容範囲を超えると、タンパク質は変性し（つまり、その三次元構造が破壊され）、酵素やイオンチャネル（その他）が機能不全に陥ります。

酸塩基平衡の異常は、pHが酸性の場合はアシデミア、pHがアルカリ性の場合はアルカレミアと呼ばれます。

ヒトや他の多くの動物では、酸塩基恒常性は、3 つの防御線に関与する複数のメカニズムによって維持されています。^{[ 5 ] [ 6 ]}

1. 化学的防御：第一の防御線は即時的なものであり、様々な化学緩衝液から成り、これらがなければ起こるであろうpHの変化を最小限に抑えます。これらの緩衝液には、重炭酸緩衝系、リン酸緩衝系、タンパク質緩衝系が含まれます。^{[ 7 ]}
2. 呼吸器系の防御機構：第二の防御線は、過換気または低換気によって呼吸の速度と深さを変化させることで細胞外液中の炭酸（_{H₂CO₃ ）濃度を制御する迅速な機構である。これにより、}必要に応じて血漿中の二酸化炭素（したがって炭酸）を排出または保持する。 ^{[ 5 ] [ 8 ]}
3. 代謝成分：第3の防御線は遅く、塩基過剰によって最もよく測定され、^{[ 9 ]}主に腎臓系に依存しており、腎臓系は重炭酸イオン（HCO ⁻ ₃）を細胞外液に加えたり、細胞外液から除去したりすることができます。 ^{[ 5 ]}重炭酸イオンは、代謝二酸化炭素から生成され、腎尿細管細胞で酵素的に炭酸に変換されます。^{[ 5 ] [ 10 ] [ 11 ]}そこで、炭酸は自発的に水素イオンと重炭酸イオンに解離します。^{[ 5 ]}細胞外液のpHが低下すると、水素イオンは尿中に排泄され、重炭酸イオンは血漿中に分泌され、血漿pHが上昇します。^{[ 12 ]}細胞外液のpHが上昇する傾向がある場合は、その逆が起こります。重炭酸イオンは尿中に排泄され、水素イオンは血漿中に排泄されます。

第二および第三の防御線は、それぞれ弱酸とその共役塩基の 2 つの成分からなる緩衝液を変化させることによって機能します。^{[ 5 ] [ 13 ]}溶液の pH は、弱酸とその共役塩基の濃度の比によって決まります。^{[ 14 ]}したがって、まず弱酸の濃度を操作し、次にその共役塩基の濃度を操作することによって、細胞外液(ECF) の pH を正しい値に非常に正確に調整することができます。炭酸 (H2CO3 ₎と重炭酸塩 ( HCO3 ₎の混合物からなる重炭酸緩衝液は、細胞外液中で最も豊富な緩衝液^であり、酸塩基比を非常に容易かつ迅速に変更できる緩衝液でもあります_。^{[ 15 ]}

血漿を含む細胞外液のpHは、通常、化学緩衝系、呼吸器系、および腎臓系によって7.32～7.42の範囲に厳密に調節されています。^{[ 13 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 1 ]}胎児の正常なpHは成人とは異なります。胎児では、臍帯静脈のpHは通常7.25～7.45、臍帯動脈のpHは通常7.18～7.38です。^{[ 19 ]}

水性緩衝溶液は、過剰なH ⁺を吸収することによって強酸または強塩基と反応します。^イオン、またはOH⁻イオンを弱酸と弱塩基に置き換えることで、pH変化の影響を緩和したり、本来起こるはずだったpH変化を軽減したりする効果があります。^{[ 13 ]}しかし、緩衝液は試験管内の溶液であれ細胞外液であれ、溶液中の異常なpHレベルを修正することはできません。緩衝液は通常、溶液中の一対の化合物から構成され、一方は弱酸、もう一方は弱塩基です。[13] 細胞外液中で最も豊富な緩衝液は、炭酸（H₂CO₃ ^{）と、通常}はナトリウム（Na⁺）の重炭酸塩（HCO₃⁻）の溶液から構成されてい_ます。_[ 5 ^]したがって_、 OH⁻^が過剰になると^、溶液中のイオンは、炭酸^によって部分的に中和され、H₂Oと重炭酸イオン（HCO₃⁻）が生成されます。_[ 5 _] [ 15 ^{]同様に、過剰な}H⁺^イオンは、緩衝溶液の重炭酸成分によって部分的に中和され_、炭酸（H₂CO₃）が生成されます_。炭酸は弱酸であるため、大部分が未解離の形で残り、元の強酸よりもはるかに少ないH⁺イオンを溶液中に^{放出します。 [ 5 ]}

緩衝溶液のpHは、弱酸と弱塩基のモル濃度比のみに依存します。溶液中の弱酸の濃度が高いほど（弱塩基の濃度と比較して）、溶液のpHは低くなります。同様に、弱塩基の濃度が高いほど、pHは高くなります。

この原理は、細胞外液のpHを調節するために利用されています（単にpHを緩衝するだけでなく）。炭酸-重炭酸緩衝液の場合、弱酸と弱塩基のモル比が1:20の場合、pHは7.4になります。また、その逆も同様で、細胞外液のpHが7.4の場合、その液中の炭酸イオンと重炭酸イオンの比は1:20になります。^{[ 14 ]}

酸塩基平衡異常は、重大な障害によって血液のpHが正常範囲（7.32～7.42 ^{[ 16 ]} ）から外れたときに発生します。細胞外液のpHが異常に低い状態をアシデミア、異常に高い状態をアルカレミアと呼びます。

酸性症とアルカリ性症は、細胞外液 (ECF) の pH の実際の変化を明確に指します。^{[ 24 ]}似たような響きの用語に、アシドーシスとアルカローシスがあります。これらは、呼吸性または代謝性の成分の通常の効果を指します。アシドーシスは、それ自体でアシドーシスを引き起こします(つまり、アルカローシスによって「補償されない」場合)。 ^{[ 24 ]}同様に、アルカローシスは、それ自体でアルカローシスを引き起こします。 ^{[ 24 ]}医学用語では、アシドーシスとアルカローシスという用語は、常に障害の原因を示す形容詞で修飾する必要があります。呼吸性(二酸化炭素の分圧の変化を示す)、^{[ 25 ]}または代謝性(ECF の塩基過剰の変化を示す)。^{[ 9 ]}したがって、代謝性アシドーシス、呼吸性アシドーシス、代謝性アルカローシス、呼吸性アルカローシスの4 つの異なる酸塩基平衡の問題があります。^{[ 5 ]}これらの状態のうちの1つまたは複数が同時に発生することがあります。たとえば、代謝性アシドーシス（制御されていない糖尿病など）は、ほとんどの場合、呼吸性アルカローシス（過換気）によって部分的に代償されます。同様に、呼吸性アシドーシスは、代謝性アルカローシスによって完全にまたは部分的に補正されることがあります。

• スチュワートによる原文はacidbase.orgに掲載されています。
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• kumc.edu の概要
• 酸塩基チュートリアル
• オンライン酸塩基生理学テキスト
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• 解釈についてはnda.ox.ac.ukをご覧ください。
• 酸と塩基― 定義