酸塩基恒常性

酸塩基恒常性は、体内の細胞外液（ECF）のpHの恒常性調節です。^[1] ECF 内の酸と塩基（つまり pH）の適切なバランスは、体の正常な生理機能、そして細胞の代謝にとって重要です。^[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]

体細胞の血漿タンパク質や膜タンパク質など、多くの細胞外タンパク質の3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格なメカニズムが存在します。許容されるpH範囲外では、タンパク質は変性し（つまり、3D構造が破壊され）、酵素やイオンチャネル（その他）の機能不全を引き起こします。

酸塩基の不均衡は、 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、酸塩基の恒常性は3つの防御ライン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に作用し、さまざまな化学緩衝剤で構成されており、それらが存在しない場合に起こるpH変化を最小限に抑えます。これらの緩衝剤には、重炭酸塩緩衝システム、リン酸緩衝システム、タンパク質緩衝システムが含まれます。 ^[7]
2. 呼吸器系：第2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、ECF中の炭酸ガス（H ₂ CO ₃ ）濃度を制御するという迅速なものです。これにより、必要に応じて血漿中の二酸化炭素（および炭酸ガス）を排出または保持します。 ^{[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、重炭酸イオン（HCO⁻
   ₃）をECFへ、またはECFから排出します。^{[5]重炭酸イオンは}代謝二酸化炭素に由来し、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] ECF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、血漿のpHが上昇します。^[12] ECFのpHが上昇する傾向がある場合は逆のことが起こり、重炭酸イオンは尿中に、水素イオンは血漿中に排泄されます。

第 2 および第 3 の防御線は、緩衝液を変更することによって機能します。緩衝液はそれぞれ、弱酸とその共役塩基の 2 つの成分で構成されています。^{[5] [13]}溶液の pH を決定するのは、弱酸とその共役塩基の濃度比です。^[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で、細胞外液(ECF) の pH を非常に正確に正しい値に調整できます。炭酸水素緩衝液は、炭酸 (H ₂ CO ₃ ) と重炭酸塩 ( HCO⁻
₃）塩溶液は細胞外液中に最も多く含まれる緩衝液であり、酸塩基比を非常に容易かつ迅速に変化させることができる緩衝液でもある。^[15]

血漿を含む細胞外液のpHは、化学的緩衝剤、呼吸器系、腎臓系によって通常7.32～7.42の間で厳密に調節されています。^{[13] [16] [17] [18] [1]}胎児の正常なpHは成人のそれとは異なります。胎児では、臍静脈のpHは通常7.25～7.45で、臍動脈のpHは通常7.18～7.38です。^[19]

水性 緩衝溶液は、過剰なHを吸収することで強酸または強塩基と反応します。⁺
イオン、またはOH⁻
緩衝液は、強い酸と塩基を弱酸と弱塩基に置き換えることで、^pHの変化の影響を弱める、または本来起こるはずのpHの変化を減らす効果があります。しかし、緩衝液は、試験管内の溶液であれ細胞外液内の溶液であれ、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2つの化合物で構成されており、そのうちの1つは弱酸で、もう1つは弱塩基です。^[13] ECFで最も豊富な緩衝液は、炭酸（H ₂ CO ₃）と重炭酸塩（HCO⁻
₃）の塩であり、通常はナトリウム（Na ⁺）である。^[5]したがって、OH⁻
溶液中のイオンは炭酸によって部分的に中和され、H ₂ Oと重炭酸塩（HCO⁻
₃）イオンである。^{[5] [15]}同様に、過剰なH ⁺イオンは緩衝液の重炭酸塩成分によって部分的に中和されて炭酸（H ₂ CO ₃）を形成しますが、これは弱酸であるため、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 ⁺イオンが溶液中に放出されます。^[5]

緩衝溶液の pH は、弱酸と弱塩基のモル濃度の比によってのみ決まります。溶液中の弱酸の濃度が高いほど (弱塩基と比較して)、溶液の pH は低くなります。同様に、弱塩基が優勢であればあるほど、pH は高くなります。^{[引用が必要]}

この原理は、細胞外液のpHを調節するために利用されます（単にpHを緩衝するのではなく）。炭酸-重炭酸緩衝液の場合、弱酸と弱塩基のモル比が1:20のとき、pHは7.4になります。逆もまた同様で、細胞外液のpHが7.4のとき、その液中の炭酸イオンと重炭酸イオンの比率は1:20です。^[14]

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を細胞外液中の炭酸-重炭酸緩衝系に適用すると、次のようになる。 ^[14]

${\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} ~\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}}+\log _{10}\left ({\frac {[\mathrm {HCO} _{3}^{-}]}{[\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}]}}\右),}$

どこ：

• pH は、細胞外液中の水素イオンのモル濃度の負の対数（または共対数）です。
• p K _{a H 2 CO 3 は}炭酸の酸解離定数の共対数である。6.1に等しい。
• [HCO⁻
  ₃] は血漿中の重炭酸塩のモル濃度です。
• [H ₂ CO ₃ ]は細胞外液中の炭酸のモル濃度です。

しかし、炭酸濃度は細胞外液中の二酸化炭素分圧（ ）に正比例するため、この式は次のように書き直すことができる：^{[5] [14]}${\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}$

${\displaystyle \mathrm {pH} =6.1+\log _{10}\left({\frac {[\mathrm {HCO} _{3}^{-}]}{0.0307\times P_{\mathrm {CO } _{2}}}}\右),}$

どこ：

• pH は細胞外液中の水素イオンのモル濃度の負の対数です。
• [HCO⁻
  ₃] は血漿中の重炭酸塩のモル濃度です。
• P _{CO 2 は}血漿中の二酸化炭素の分圧です

したがって、細胞外液の pH は、およびその他の代謝酸 の調節によって制御できます。${\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}$

恒常性制御はP _{CO 2を}変化させ、動脈血漿のpHを数秒以内に変化させます。^[5]動脈血中の二酸化炭素分圧は延髄の中枢化学受容器によって監視されます。^{[5] [20]これらの化学受容器は}脳脊髄液中の二酸化炭素レベルとpHに敏感です。^{[14] [12] [20]}

中枢化学受容器は、その情報を脳幹の延髄と橋にある呼吸中枢に送ります。^{[12]呼吸中枢は}肺胞の平均換気率を決定し、動脈血中のP _{CO 2 を}一定に保ちます。呼吸中枢は、呼吸筋（特に横隔膜）を活性化する運動ニューロンを介してこれを行います。 [ 5 ^{] [21]}動脈血漿中のP _{CO 2}が 5.3 kPa (40 mmHg) を超えて上昇すると、反射的に呼吸の速度と深さが増加します。二酸化炭素分圧が 5.3 kPa に戻ると、通常の呼吸が再開されます。^[8]二酸化炭素分圧が正常範囲を下回ると、逆のことが起こります。呼吸は一時的に停止するか、遅くなり、二酸化炭素が肺と動脈血に再び蓄積されることがあります。^[要出典]

血漿HCOセンサー⁻
₃濃度は確実にはわかっていない。遠位尿細管の尿細管細胞自体が血漿のpHに敏感である可能性が非常に高い。これらの細胞の代謝によってCO _{2が生成され、これはすぐにH} ⁺とHCOに変換される。⁻
₃炭酸脱水酵素の作用によって^{[5] [10] [11]}細胞外液が酸性に傾くと、腎尿細管細胞は尿細管液中にH ⁺イオンを分泌し、そこから尿を介して体外に排出されます。HCO⁻
₃同時にイオンが血漿中に分泌され、血漿中の重炭酸イオン濃度が上昇し、炭酸/重炭酸イオン比が低下し、その結果血漿のpHが上昇する。^{[5] [12]}血漿pHが正常値を超えて上昇すると、逆のことが起こり、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る。これらは血漿中の重炭酸イオンと結合して炭酸（H ⁺ + HCO⁻
₃ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$H ₂ CO ₃）、細胞外液中の炭酸：重炭酸塩比を上昇させ、pHを正常に戻す。^[5]

一般的に、代謝によって生成される廃酸は塩基よりも多くなります。^[5]生成される尿は一般的に酸性で、グルタミン酸とグルタミン（不要になった余分なアミノ基の運搬体）が遠位腎尿細管上皮細胞によって脱アミノ化されるときに尿中に排泄されるアンモニア（NH _{3 ）によって部分的に}中和されます。^{[5] [11]}したがって、尿の「酸含有量」の一部は、尿の結果として生じるアンモニウムイオン（NH ₄ ⁺）含有量に存在しますが、これは細胞外液のpH恒常性には影響しません。^{[5] [22]}

酸塩基平衡の異常は、重大な障害により血液のpHが正常範囲（7.32～7.42 ^[16] ）から外れたときに起こります。細胞外液のpHが異常に低い状態はアシデミア、異常に高い状態はアルカレミアと呼ばれます。^[要出典]

アシデミアとアルカレミアは、細胞外液（ECF）のpHの実際の変化を明確に指します。^[24]他に似たような用語として、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、それ自体ではアシデミアを引き起こします（つまり、アルカローシスによって「補償」されないまま放置された場合）。^[24]同様に、アルカローシスは、それ自体ではアルカレミアを引き起こします。 ^{[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、常に障害の病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）です。^{[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つの異なる酸塩基障害があります。^[5]これらの状態は、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）によって部分的に補償されます。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修正できます。^[要出典]

• Stewart の原文は acidbase.org にあります
• AnaesthesiaMCQ.com のオンラインテキスト
• 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
• lakesidepress.com の診断
• nda.ox.ac.uk での通訳
• 酸と塩基 – 定義