فیزیولوژی پزشکی گایتون و هال؛ تنظیم اسید و باز

The regulation of hydrogen ion (H⁺) balance is similar in some ways to the regulation of other ions in the body. For example, there must be a balance between the intake or production of H⁺ and the net removal of H⁺ from the body to achieve homeostasis. And, as is true for other ions, the kidneys play a key role in regulating H⁺ removal from the body. However, precise control of extracellular fluid H⁺ concentration involves much more than the simple elimination of H⁺ by the kidneys. Multiple acid-base buffering mechanisms involving the blood, cells, and lungs also are essential in maintaining normal H⁺ concentrations in extracellular and intracellular fluids.

تنظیم اسید و باز

تنظیم تعادل یون هیدروژن (⁺H) از جهاتی شبیه به تنظیم یون‌های دیگر در بدن است. برای مثال، برای رسیدن به هموستاز، باید تعادلی بین دریافت یا تولید ⁺H و حذف خالص ⁺H از بدن وجود داشته باشد. و مانند سایر یون‌ها، کلیه‌ها نقش کلیدی در تنظیم حذف ⁺H از بدن دارند. با این حال، کنترل دقیق غلظت ⁺H مایع خارج سلولی بسیار بیشتر از حذف ساده ⁺H توسط کلیه‌ها است. چندین مکانیسم بافر اسید-باز که شامل خون، سلول‌ها و ریه‌ها می‌شود نیز در حفظ غلظت طبیعی ⁺H در مایعات خارج سلولی و درون سلولی ضروری است.

In this chapter, we consider the mechanisms that regulate H⁺ concentration, with special emphasis on renal H⁺ secretion and renal reabsorption, production, and excretion of bicarbonate ions (HCO₃^–), one of the key components of acid-base control systems in the body fluids.

در این فصل، مکانیسم‌هایی را که غلظت ⁺H را تنظیم می‌کنند، با تأکید ویژه بر ترشح کلیوی ⁺H و بازجذب کلیوی، تولید و دفع یون‌های بی‌کربنات (^–HCO₃)، یکی از اجزای کلیدی سیستم‌های کنترل اسید-باز در مایعات بدن، در نظر می‌گیریم.

HYDROGEN ION CONCENTRATION IS PRECISELY REGULATED

Precise H⁺ regulation is essential because the activities of almost all enzyme systems in the body are influenced by H⁺ concentration. Therefore, changes in H⁺ concentration alter virtually all cell and body functions.

غلظت یون هیدروژن دقیقاً تنظیم شده است

تنظیم دقیق ⁺H ضروری است زیرا فعالیت تقریباً تمام سیستم‌های آنزیمی‌در بدن تحت تأثیر غلظت ⁺H است. بنابراین، تغییرات در غلظت ⁺H تقریباً تمام عملکردهای سلولی و بدن را تغییر می‌دهد.

Compared with other ions, the H⁺ concentration of the body fluids normally is kept at a low level. For example, the concentration of sodium in extracellular fluid (142 mEq/L) is about 3.5 million times as great as the normal concentration of H⁺, which averages only 0.00004 mEq/L. Equally important, the normal variation in H⁺ concentration in extracellular fluid is only about one millionth as great as the normal variation in sodium ion (Na⁺) concentration. Thus, the precision with which H⁺ is regulated emphasizes its importance to the various cell functions.

در مقایسه با سایر یون‌ها، غلظت ⁺H مایعات بدن به طور معمول در سطح پایینی نگه داشته می‌شود. به عنوان مثال، غلظت سدیم در مایع خارج سلولی (142 mEq/L) حدود 3.5 میلیون برابر غلظت طبیعی ⁺H است که میانگین آن تنها 0.00004 mEq/L است. به همان اندازه مهم است که تغییرات طبیعی در غلظت ⁺H در مایع خارج سلولی تنها حدود یک میلیونیم به اندازه تغییرات طبیعی در غلظت یون سدیم (⁺Na) است. بنابراین، دقت تنظیم ⁺H بر اهمیت آن برای عملکردهای مختلف سلول تأکید می‌کند.

ACIDS AND BASES-DEFINITIONS AND MEANINGS

A hydrogen ion is a single free proton released from a hydrogen atom. Molecules containing hydrogen atoms that can release hydrogen ions in a solution are referred to as acids. An example is hydrochloric acid (HCl), which ionizes in water to form hydrogen ions (H⁺) and chloride ions (CI). Likewise, carbonic acid (H₂CO₃) ionizes in water to form H⁺ and bicarbonate ions (HCO₃^–).

اسیدها و بازها – تعاریف و معانی

یون هیدروژن یک پروتون آزاد منفرد است که از اتم هیدروژن آزاد می‌شود. مولکول‌های حاوی اتم‌های هیدروژن که می‌توانند یون‌های هیدروژن را در محلول آزاد کنند، اسید نامیده می‌شوند. به عنوان مثال اسید کلریدریک (HCl) است که در آب یونیزه می‌شود و یون‌های هیدروژن (⁺H) و یون‌های کلرید (CI) را تشکیل می‌دهد. به همین ترتیب، اسید کربنیک (H₂CO₃) در آب یونیزه می‌شود و یون‌های ⁺H و بی کربنات (^–HCO₃) را تشکیل می‌دهد.

A base is an ion or a molecule that can accept an H⁺. For example, HCO₃^– is a base because it can combine with H⁺ to form H₂CO₃. Likewise, HPO₄ is a base because it can accept an H⁺ to form H₂PO₄. The proteins in the body also function as bases because some of the amino acids that make up proteins have net negative charges that readily accept H⁺. The protein hemoglobin in the red blood cells and proteins in the other cells of the body are among the most important of the body’s bases.

باز یون یا مولکولی است که می‌تواند ⁺H را بپذیرد. به عنوان مثال، ^–HCO₃ یک پایه است زیرا می‌تواند با ⁺H ترکیب شود تا H₂CO₃ را تشکیل دهد. به همین ترتیب، HPO₄ یک پایه است زیرا می‌تواند ⁺H را برای تشکیل H₂PO₄ بپذیرد. پروتئین‌های بدن نیز به‌عنوان پایه عمل می‌کنند، زیرا برخی از اسیدهای آمینه سازنده پروتئین‌ها دارای بارهای منفی خالص هستند که به آسانی ⁺H را می‌پذیرند. پروتئین هموگلوبین در گلبول‌های قرمز و پروتئین در سایر سلول‌های بدن از مهمترین پایه‌های بدن هستند.

The terms base and alkali are often used synonymously. An alkali is a molecule formed by the combination of one or more of the alkaline metals-such as sodium, potassium, and lithium-with a highly basic ion such as a hydroxyl ion (OH^–). The base portion of these molecules reacts quickly with H⁺ to remove it from solution and are, therefore, typical bases. For similar reasons, the term alkalosis refers to the excess removal of H⁺ from the body fluids, in contrast to the excess addition of H⁺, which is referred to as acidosis.

اصطلاحات پایه و قلیایی اغلب به صورت مترادف استفاده می‌شوند. قلیایی مولکولی است که از ترکیب یک یا چند فلز قلیایی – مانند سدیم، پتاسیم و لیتیوم – با یک یون بسیار بازی مانند یون هیدروکسیل (^–OH) تشکیل می‌شود. بخش پایه این مولکول‌ها به سرعت با ⁺H واکنش نشان می‌دهد تا آن را از محلول حذف کند و بنابراین، بازهای معمولی هستند. به دلایل مشابه، واژه آلکالوز به حذف بیش از حد ⁺H از مایعات بدن اشاره دارد، برخلاف اضافه شدن بیش از حد ⁺H که به آن اسیدوز می‌گویند.

Strong and Weak Acids and Bases. A strong acid, such as HCl, rapidly dissociates and releases especially large amounts of H⁺ in solution. Weak acids such as H₂CO₃ are less likely to dissociate their ions and, therefore, release H⁺ with less vigor. A strong base is one that reacts rapidly and strongly with H⁺ and, therefore, quickly removes H⁺ from a solution. A typical example is OH^–, which reacts with H to form water (H₂O). A typical weak base is HCO₃^– because it binds with H⁺ much more weakly than OH^–. Most acids and bases in the extracellular fluid that are involved in normal acid-base regulation are weak acids and bases. The most important ones that we discuss are carbonic acid (H₂CO₃) and HCO₃^– base.

اسیدها و بازهای قوی و ضعیف. یک اسید قوی، مانند HCl، به سرعت تجزیه می‌شود و مقادیر بسیار زیادی ⁺H را در محلول آزاد می‌کند. اسیدهای ضعیفی مانند H₂CO₃ کمتر یون‌های خود را تجزیه می‌کنند و بنابراین، ⁺H را با قدرت کمتری آزاد می‌کنند. یک پایه قوی پایه ای است که سریع و قوی با ⁺H واکنش نشان می‌دهد و بنابراین به سرعت ⁺H را از محلول خارج می‌کند. یک مثال معمولی ^–OH است که با H برای تشکیل آب (H₂O) واکنش نشان می‌دهد. یک باز ضعیف معمولی ^–HCO₃ است زیرا با ⁺H بسیار ضعیف تر از ^–OH متصل می‌شود. اکثر اسیدها و بازهای موجود در مایع خارج سلولی که در تنظیم طبیعی اسید-باز نقش دارند، اسیدها و بازهای ضعیف هستند. مهم ترین مواردی که در مورد آنها بحث می‌کنیم اسید کربنیک (H₂CO₃) و باز HCO₃ هستند.

Normal H⁺ Concentration and pH of Body Fluids and Changes That Occur in Acidosis and Alkalosis. The blood H⁺ concentration is normally maintained within tight limits around a normal value of about 0.00004 mEq/L (40 nEq/L). Normal variations are only about 3 to 5 nEq/L but, under extreme conditions, the H⁺ concentration can vary from as low as 10 nEq/L to as high as 160 nEq/L without resulting in death.

غلظت طبیعی ⁺H و pH مایعات بدن و تغییراتی که در اسیدوز و آلکالوز رخ می‌دهد. غلظت ⁺H خون به طور معمول در حدود محدود در حدود مقدار نرمال حدود 0.00004 mEq/L (40 nEq/L) حفظ می‌شود. تغییرات نرمال فقط حدود 3 تا 5 nEq/L است، اما در شرایط شدید، غلظت ⁺H می‌تواند از 10 nEq/L تا 160 nEq/L تغییر کند بدون اینکه منجر به مرگ شود.

Because H⁺ concentration normally is low, and because these small numbers are cumbersome, it is customary to express H⁺ concentration on a logarithm scale using pH units. pH is related to the actual H⁺ concentration by the following formula (H⁺ concentration [H⁺] is expressed in equivalents per liter):

از آنجایی که غلظت ⁺H به طور معمول کم است و از آنجا که این اعداد کوچک دست و پا گیر هستند، مرسوم است که غلظت ⁺H را در مقیاس لگاریتمی‌با استفاده از واحدهای pH بیان کنیم. pH به غلظت واقعی ⁺H با فرمول زیر مربوط می‌شود (غلظت H⁺ [H⁺] به معادل در لیتر بیان می‌شود):

 For example, normal [H+] is 40 nEq/L (0.00000004 Eq/L). Therefore, the normal pH is as follows:

برای مثال، [⁺H] نرمال 40 nEq/L (0.00000004 Eq/L) است. بنابراین pH نرمال به شرح زیر است:

From this formula, one can see that pH is inversely related to the H⁺ concentration; therefore, a low pH corresponds to a high H⁺ concentration, and a high pH corresponds to a low H⁺ concentration.

از این فرمول می‌توان دریافت که pH با غلظت ⁺H رابطه معکوس دارد. بنابراین، pH پایین با غلظت ⁺H بالا و pH بالا با غلظت کم ⁺H مطابقت دارد.

The normal pH of arterial blood is 7.4, whereas the pH of venous blood and interstitial fluids is about 7.35 because of the extra amounts of carbon dioxide (CO₂) released from the tissues to form H2CO3 in these fluids (Table 31-1). Because the normal pH of arterial blood is 7.4, a person is considered to have acidemia when the pH falls significantly below this value and alkalemia when the pH rises above 7.4. The lower limit of pH at which a per- son can live more than a few hours is about 6.8, and the upper limit is about 8.0.

طبیعی خون شریانی 7.4 است، در حالی که pH خون وریدی و مایعات بینابینی به دلیل مقادیر اضافی دی اکسید کربن (CO₂) آزاد شده از بافت‌ها برای تشکیل H₂CO₃ در این مایعات حدود 7.35 است (جدول 31-1). از آنجایی که pH طبیعی خون شریانی 7.4 است، زمانی که PH به طور قابل توجهی کمتر از این مقدار می‌شود، فرد دارای اسیدمی‌و زمانی که PH از 7.4 بالاتر می‌رود آلکالمی‌در نظر گرفته می‌شود. حد پایین pH که یک فرد می‌تواند بیش از چند ساعت در آن زندگی کند حدود 6.8 و حد بالایی حدود 8.0 است.

Intracellular pH usually is slightly lower than plasma pH because cell metabolism produces acid, especially H₂CO₃. Depending on the type of cells, the pH of intracellular fluid has been estimated to range between 6.0 and 7.4. Hypoxia of the tissues and poor blood flow to the tissues can cause acid accumulation and decreased intracellular pH. The terms acidosis and alkalosis describe the processes that lead to acidemia and alkalemia, respectively.

pH داخل سلولی معمولاً کمی‌کمتر از PH پلاسما است زیرا متابولیسم سلولی اسید، به ویژه H₂CO₃ تولید می‌کند. بسته به نوع سلول‌ها، pH مایع درون سلولی بین 6.0 تا 7.4 برآورد شده است. هیپوکسی بافت‌ها و جریان خون ضعیف به بافت‌ها می‌تواند باعث تجمع اسید و کاهش pH داخل سلولی شود. اصطلاحات اسیدوز و آلکالوز به ترتیب فرآیندهایی را توصیف می‌کنند که منجر به اسیدمی‌و آلکالمی‌می‌شوند.

The pH of urine can range from 4.5 to 8.0, depending on the acid-base status of the extracellular fluid. As discussed later, the kidneys play a major role in correcting abnormalities of extracellular fluid H⁺ concentration by excreting acids or bases at variable rates.

PH ادرار بسته به وضعیت اسید-باز مایع خارج سلولی می‌تواند از 4.5 تا 8.0 متغیر باشد. همانطور که بعداً بحث شد، کلیه‌ها با دفع اسیدها یا بازها با سرعت‌های متغیر، نقش عمده ای در اصلاح ناهنجاری‌های غلظت ⁺H مایع خارج سلولی ایفا می‌کنند.

An extreme example of an acidic body fluid is the HCI secreted into the stomach by the oxyntic (parietal) cells of the stomach mucosa, as discussed in Chapter 65. The H⁺ concentration in these cells is about 4 million times greater than the hydrogen concentration in blood, with a pH of 0.8. In the remainder of this chapter, we discuss the regulation of extracellular fluid H⁺ concentration.

یک مثال افراطی از مایع اسیدی بدن، HCI است که توسط سلول‌های اکسینتیک (پاریتال) مخاط معده، همانطور که در فصل 65 بحث شد، به معده ترشح می‌شود. غلظت ⁺H در این سلول‌ها حدود 4 میلیون برابر بیشتر از غلظت هیدروژن در خون است، با pH 0.8. در ادامه این فصل، در مورد تنظیم غلظت ⁺H مایع خارج سلولی بحث می‌کنیم.

Table 31-1 pH and H⁺ Concentration of Body Fluids

جدول 31-1 pH و غلظت ⁺H مایعات بدن

DEFENDING AGAINST CHANGES IN H⁺ CONCENTRATION: BUFFERS, LUNGS, AND KIDNEYS

Three primary systems regulate the H⁺ concentration in the body fluids: (1) the chemical acid-base buffer systems of the body fluids, which immediately combine with an acid or a base to prevent excessive changes in H⁺ concentration; (2) the respiratory center, which regulates the removal of CO₂ (and, therefore, H₂CO₃) from the extracellular fluid; and (3) the kidneys, which can excrete acidic or alkaline urine, thereby readjusting the extracellular fluid H⁺ concentration toward normal during acidosis or alkalosis.

دفاع در برابر تغییرات در غلظت H: بافرها، ریه‌ها و کلیه‌ها

سه سیستم اولیه غلظت ⁺H را در مایعات بدن تنظیم می‌کنند: (1) سیستم‌های شیمیایی اسید-باز مایعات بدن، که بلافاصله با یک اسید یا یک باز ترکیب می‌شوند تا از تغییرات بیش از حد در غلظت ⁺H جلوگیری کنند. (2) مرکز تنفسی که حذف CO₂ (و بنابراین H₂CO₃) را از مایع خارج سلولی تنظیم می‌کند. و (3) کلیه‌ها، که می‌توانند ادرار اسیدی یا قلیایی دفع کنند، در نتیجه غلظت ⁺H مایع خارج سلولی را در طی اسیدوز یا آلکالوز به سمت نرمال تنظیم می‌کنند.

When there is a change in H⁺ concentration, the buffer systems of the body fluids react within seconds to minimize these changes. Buffer systems do not eliminate H⁺ from or add H⁺ to the body but only keep them tied up until balance can be re-established.

هنگامی‌که غلظت ⁺H تغییر می‌کند، سیستم‌های بافر مایعات بدن در عرض چند ثانیه واکنش نشان می‌دهند تا این تغییرات را به حداقل برسانند. سیستم‌های بافر ⁺H را از بدن حذف نمی‌کنند یا ⁺H را به بدن اضافه نمی‌کنند، بلکه فقط آن‌ها را تا زمانی که تعادل دوباره برقرار شود، بسته نگه می‌دارند.

The second line of defense, the respiratory system, acts within a few minutes to eliminate CO₂ and, therefore, H₂CO₃ from the body.

دومین خط دفاعی، سیستم تنفسی، در عرض چند دقیقه برای از بین بردن CO₂ و در نتیجه H₂CO₃ از بدن عمل می‌کند.

These first two lines of defense keep the H⁺ concentration from changing too much until the more slowly responding third line of defense, the kidneys, can eliminate the excess acid or base from the body. Although the kidneys are relatively slow to respond compared with the other defenses, over a period of hours to several days, they are by far the most powerful of the acid-base regulatory systems.

این دو خط دفاعی اول از تغییر بیش از حد غلظت ⁺H جلوگیری می‌کنند تا زمانی که خط سوم دفاعی آهسته تر یعنی کلیه‌ها بتواند اسید یا باز اضافی را از بدن حذف کند. اگرچه کلیه‌ها در مقایسه با سایر سیستم‌های دفاعی نسبتاً کند پاسخ می‌دهند، اما در طی چند ساعت تا چند روز، آنها به مراتب قوی‌ترین سیستم تنظیم‌کننده اسید-باز هستند.

BUFFERING OF H+ IN THE BODY FLUIDS

A buffer is any substance that can reversibly bind H⁺. The general form of the buffering reaction is as follows:

بافر ⁺H در مایعات بدن

بافر هر ماده ای است که می‌تواند به طور برگشت پذیر ⁺H را متصل کند. شکل کلی واکنش بافر به شرح زیر است:

In this example, a free H⁺ combines with the buffer to form a weak acid (H buffer) that can either remain as an unassociated molecule or dissociate back to the buffer and H⁺. When the H⁺ concentration increases, the reaction is forced to the right, and more H⁺ binds to the buffer, as long as buffer is available. Conversely, when the H⁺ concentration decreases, the reaction shifts toward the left, and H⁺ is released from the buffer. In this way, changes in H⁺ concentration are minimized.

در این مثال، یک ⁺H آزاد با بافر ترکیب می‌شود و یک اسید ضعیف (بافر H) تشکیل می‌دهد که می‌تواند به عنوان یک مولکول غیر مرتبط باقی بماند یا به بافر و ⁺H تجزیه شود. وقتی غلظت ⁺H افزایش می‌یابد، واکنش به سمت راست کشیده می‌شود و تا زمانی که بافر در دسترس باشد، ⁺H بیشتری به بافر متصل می‌شود. برعکس، وقتی غلظت ⁺H کاهش می‌یابد، واکنش به سمت چپ تغییر می‌کند و ⁺H از بافر آزاد می‌شود. به این ترتیب تغییرات غلظت ⁺H به حداقل می‌رسد.

The importance of the body fluid buffers can be quickly realized if one considers the low concentration of H⁺ in the body fluids and the relatively large amounts of acids produced by the body each day. About 80 milliequivalents of H⁺ is ingested or produced each day by metabolism, whereas the H⁺ concentration of the body fluids normally is only about 0.00004 mEq/L. Without buffering, the daily production and ingestion of acids would cause lethal changes in the body fluid H⁺ concentration.

اگر غلظت کم ⁺H در مایعات بدن و مقادیر نسبتاً زیادی اسیدهای تولید شده توسط بدن هر روز در نظر گرفته شود، می‌توان به سرعت به اهمیت بافرهای مایع بدن پی برد. حدود 80 میلی اکی والان ⁺H هر روز توسط متابولیسم مصرف یا تولید می‌شود، در حالی که غلظت ⁺H مایعات بدن به طور معمول تنها حدود 0.00004 mEq/L است. بدون بافر، تولید و مصرف روزانه اسیدها باعث تغییرات کشنده در غلظت ⁺H مایع بدن می‌شود.

The action of acid-base buffers can perhaps best be explained by considering the buffer system that is quantitatively the most important in the extracellular fluid-the bicarbonate buffer system.

عملکرد بافرهای اسید-باز را شاید بتوان با در نظر گرفتن سیستم بافری که از نظر کمی‌در مایع خارج سلولی مهم‌تر است، یعنی سیستم بافر بی کربنات، توضیح داد.

BICARBONATE BUFFER SYSTEM

The bicarbonate buffer system consists of a water solution that contains two ingredients: (1) a weak acid, H₂CO₃; and (2) a bicarbonate salt, such as sodium bicarbonate (NaHCO₃).

سیستم بافر بی کربنات

سیستم بافر بی کربنات شامل یک محلول آبی است که شامل دو ماده است: (1) اسید ضعیف H₂CO₃. و (2) نمک بی کربنات، مانند بی کربنات سدیم (NaHCO₃).

H2CO3 is formed in the body by the reaction of CO2 with H₂O:

H₂CO₃ در بدن از واکنش CO₂ با H₂O تشکیل می‌شود:

This reaction is slow, and exceedingly small amounts of H2CO3 are formed unless the enzyme carbonic anhydrase is present. This enzyme is especially abundant in the walls of the lung alveoli, where CO2 is released; carbonic anhydrase is also present in the epithelial cells of the renal tubules, where CO2 reacts with H2O to form H2CO3.

این واکنش کند است و مقادیر بسیار کمی‌از H₂CO₃ تشکیل می‌شود مگر اینکه آنزیم کربنیک انیدراز وجود داشته باشد. این آنزیم به ویژه در دیواره آلوئول‌های ریه، جایی که CO₂ آزاد می‌شود، فراوان است. کربنیک انیدراز همچنین در سلول‌های اپیتلیال لوله‌های کلیوی وجود دارد، جایی که CO₂ با H2O واکنش می‌دهد و H₂CO₃ را تشکیل می‌دهد.

H2CO3 ionizes weakly to form small amounts of H+ and HCO3″:

H₂CO₃ ضعیف یونیزه می‌شود و مقادیر کمی‌⁺H و HCO₃ را تشکیل می‌دهد:

The second component of the system, bicarbonate salt, occurs predominantly as NaHCO3 in the extracellular fluid. NaHCO3 ionizes almost completely to form HCO3- and Na+, as follows:

دومین جزء سیستم، نمک بی کربنات، عمدتاً به صورت NaHCO₃ در مایع خارج سلولی وجود دارد. NaHCO₃ تقریباً به طور کامل یونیزه می‌شود و ^–HCO₃ و ⁺Na را تشکیل می‌دهد، به شرح زیر:

Now, putting the entire system together, we have the following:

حال، با کنار هم قرار دادن کل سیستم، موارد زیر را داریم:

Because of the weak dissociation of H2CO3, the H+ concentration is extremely low.

به دلیل تفکیک ضعیف H₂CO₃، غلظت ⁺H بسیار کم است.

When a strong acid such as HCl is added to the bicarbonate buffer solution, the increased H+ released from the acid (HCl → H+ + Cl-) is buffered by HCO3:

هنگامی‌که یک اسید قوی مانند HCl به محلول بافر بی کربنات اضافه می‌شود، افزایش ⁺H آزاد شده از اسید (HCl → H⁺ + Cl) توسط HCO₃ بافر می‌شود:

As a result, more H2CO3 is formed, causing increased CO2 and H2O production. From these reactions, one can see that H+ from the strong acid HCl reacts with HCO3- to form the very weak acid H2CO3, which in turn forms CO2 and H2O. The excess CO2 greatly stimulates respiration, which eliminates the CO2 from the extracellular fluid.

در نتیجه، H₂CO₃ بیشتری تشکیل می‌شود که باعث افزایش تولید CO₂ و H₂O می‌شود. از این واکنش‌ها می‌توان دریافت که ⁺H از اسید قوی HCl با ^–HCO₃ واکنش می‌دهد و اسید بسیار ضعیف H₂CO₃ را تشکیل می‌دهد که به نوبه خود _CO2 و H₂O را تشکیل می‌دهد. CO₂ اضافی تا حد زیادی تنفس را تحریک می‌کند، که CO₂ را از مایع خارج سلولی حذف می‌کند.

The opposite reactions take place when a strong base, such as sodium hydroxide (NaOH), is added to the bicarbonate buffer solution.

هنگامی‌که یک باز قوی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) به محلول بافر بی کربنات اضافه می‌شود، واکنش‌های مخالف انجام می‌شود.

In this case, the OH- from the NaOH combines with H2CO3 to form additional HCO3-. Thus, the weak base NaHCO3 replaces the strong base NaOH. At the same time, the concentration of H2CO3 decreases (because it reacts with NaOH), causing more CO2 to combine with H2O to replace the H2CO3:

در این مورد، ^–OH از NaOH با H₂CO₃ ترکیب می‌شود و ^–HCO₃ اضافی را تشکیل می‌دهد. بنابراین، باز ضعیف NaHCO₃ جایگزین باز قوی NaOH می‌شود. در همان زمان، غلظت H₂CO₃ کاهش می‌یابد (زیرا با NaOH واکنش می‌دهد)، و باعث می‌شود CO₂ بیشتری با H₂O ترکیب شود تا جایگزین H₂CO₃ شود:

The net result, therefore, is a tendency for the CO₂ levels in the blood to decrease, but the decreased CO₂ in the blood inhibits respiration and decreases the rate of CO₂ expiration. The rise in blood HCO₃^– concentration that occurs is compensated for by increased renal excretion of HCO₃.

بنابراین، نتیجه خالص تمایل به کاهش سطح CO₂ در خون است، اما کاهش CO₂ در خون، تنفس را مهار می‌کند و سرعت بازدم CO₂ را کاهش می‌دهد. افزایش غلظت ^–HCO₃ خون که رخ می‌دهد با افزایش دفع کلیوی HCO₃ جبران می‌شود.

Quantitative Dynamics of the Bicarbonate Buffer System

All acids, including H₂CO₃, are ionized to some extent. From mass balance considerations, the concentrations of H⁺ and HCO₃ are proportional to the concentration of H₂CO₃:

دینامیک کمی‌سیستم بافر بی کربنات

تمام اسیدها از جمله H₂CO₃ تا حدی یونیزه می‌شوند. از ملاحظات موازنه جرم، غلظت ⁺H و HCO₃ با غلظت H₂CO₃ متناسب است:

For any acid, the concentration of the acid relative to its dissociated ions is defined by the dissociation constant, K’.

برای هر اسید، غلظت اسید نسبت به یون‌های تفکیک شده آن با ثابت تفکیک K’ تعریف می‌شود.

This equation indicates that in an H2CO3 solution, the amount of free H+ is equal to

این معادله نشان می‌دهد که در محلول H₂CO₃ مقدار ⁺H آزاد برابر است با

The concentration of undissociated H2CO3 cannot be measured in solution because it rapidly dissociates into CO2 and H2O or into H+ and HCO3. However, the CO2 dissolved in the blood is directly proportional to the amount of undissociated H2CO3. Therefore, Equation 2 can be rewritten as follows:

غلظت H₂CO₃ تفکیک نشده را نمی‌توان در محلول اندازه گیری کرد زیرا به سرعت به CO₂ و H₂O یا به ⁺H و HCO₃ تجزیه می‌شود. با این حال، CO₂ حل شده در خون نسبت مستقیمی‌با مقدار H₂CO₃ تجزیه نشده دارد. بنابراین، معادله 2 را می‌توان به صورت زیر بازنویسی کرد:

The dissociation constant (K) for Equation 3 is only about 1/400 of the dissociation constant (K’) of Equation 2 because the proportionality ratio between H2CO3 and CO2 is 1:400.

ثابت تفکیک (K) برای معادله ۳ تنها حدود ۱/۴۰۰ ثابت تفکیک (K’) معادله ۲ است زیرا نسبت تناسب بین H₂CO₃ و CO₂ برابر با ۱:۴۰۰ است.

Equation 3 is written in terms of the total amount of CO2 dissolved in solution. However, most clinical laboratories measure the blood CO2 tension (Pco2) rather than the actual amount of CO2. Fortunately, the amount of CO2 in the blood is a linear function of Pco, multiplied by the solubility coefficient for CO2; under physiological conditions, the solubility coefficient for CO2 is 0.03 mmol/mm Hg at body temperature. This means that 0.03 millimole of H2CO3 is present in the blood for each mm Hg Pco, measured. Therefore, Equation 3 can be rewritten as

معادله 3 بر حسب مقدار کل CO₂ حل شده در محلول نوشته شده است. با این حال، اکثر آزمایشگاه‌های بالینی به جای مقدار واقعی CO₂، کشش CO₂ خون (Pco₂) را اندازه گیری می‌کنند. خوشبختانه، مقدار CO₂ در خون تابع خطی Pco است که در ضریب حلالیت برای CO₂ ضرب می‌شود. در شرایط فیزیولوژیکی، ضریب حلالیت برای CO2 0.03 میلی مول بر میلی متر جیوه در دمای بدن است. این بدان معنی است که 0.03 میلی مول H₂CO₃ به ازای هر میلی متر جیوه Pco اندازه گیری شده در خون وجود دارد. بنابراین، معادله 3 را می‌توان به صورت بازنویسی کرد

Henderson-Hasselbalch Equation. As discussed earlier, it is customary to express the H+ concentration in pH units rather than in actual concentrations. Recall that pH = -log H+. The dissociation constant (pK) can be expressed in a similar manner.

معادله هندرسون-‌هاسلبالخ. همانطور که قبلاً بحث شد، مرسوم است که غلظت ⁺H را در واحدهای pH به جای غلظت واقعی بیان کنیم. به یاد بیاورید که ⁺pH = -log H. ثابت تفکیک (pK) را می‌توان به روشی مشابه بیان کرد.

Therefore, we can express the H+ concentration in Equation 4 in pH units by taking the negative logarithm of that equation, which yields the following:

بنابراین، با گرفتن لگاریتم منفی آن معادله، می‌توانیم غلظت ⁺H را در معادله 4 به واحد pH بیان کنیم که به‌دست می‌آید:

Therefore,

بنابراین،

Rather than work with a negative logarithm, we can change the sign of the logarithm and invert the numerator and denominator in the last term, using the law of logarithms, to yield the following:

به جای کار با یک لگاریتم منفی، می‌توانیم علامت لگاریتم را تغییر دهیم و صورت و مخرج را در جمله آخر با استفاده از قانون لگاریتم معکوس کنیم تا نتیجه زیر باشد:

For the bicarbonate buffer system, the pK is 6.1, and Equation 7 can be written as follows:

برای سیستم بافر بی کربنات، pK برابر 6.1 است و معادله 7 را می‌توان به صورت زیر نوشت:

Equation 8 is the Henderson-Hasselbalch equation and, with it, one can calculate the pH of a solution if the molar concentration of HCO3 and the Pco, are known.

معادله 8 معادله هندرسون-‌هاسلبالخ است و در صورت مشخص بودن غلظت مولی HCO₃ و Pco با آن می‌توان pH محلول را محاسبه کرد.

From the Henderson-Hasselbalch equation, it is apparent that an increase in HCO3 concentration causes the pH to rise, shifting the acid-base balance toward alkalosis. An increase in Pco, causes the pH to decrease, shifting the acid-base balance toward acidosis.

از معادله هندرسون-‌هاسلبالخ، آشکار است که افزایش غلظت HCO₃ باعث افزایش pH می‌شود و تعادل اسید و باز را به سمت آلکالوز تغییر می‌دهد. افزایش Pco باعث کاهش pH می‌شود و تعادل اسید و باز را به سمت اسیدوز تغییر می‌دهد.

The Henderson-Hasselbalch equation, in addition to defining the determinants of normal pH regulation and acid-base balance in the extracellular fluid, provides insight into the physiological control of the acid and base composition of the extracellular fluid. As discussed later, the HCO3 concentration is regulated mainly by the kidneys, whereas the Pco, in extracellular fluid is controlled by the rate of respiration. By increasing the rate of respiration, the lungs remove CO2 from the plasma and, by decreasing respiration, the lungs elevate Pco2. Normal physiological acid-base homeostasis results from the coordinated efforts of both the lungs and kidneys, and acid-base disorders occur when one or both of these control mechanisms are impaired, thus altering either the HCO3- concentration or Pco2 of extracellular fluid.

معادله هندرسون-‌هاسلبالخ، علاوه بر تعریف عوامل تعیین کننده تنظیم pH نرمال و تعادل اسید-باز در مایع خارج سلولی، بینشی در مورد کنترل فیزیولوژیکی ترکیب اسید و باز مایع خارج سلولی ارائه می‌دهد. همانطور که بعداً بحث شد، غلظت HCO₃ عمدتاً توسط کلیه‌ها تنظیم می‌شود، در حالی که Pco در مایع خارج سلولی توسط سرعت تنفس کنترل می‌شود. با افزایش سرعت تنفس، ریه‌ها CO₂ را از پلاسما حذف می‌کنند و با کاهش تنفس، ریه‌ها Pco₂ را بالا می‌برند. هموستاز فیزیولوژیکی اسید-باز طبیعی از تلاش‌های هماهنگ ریه‌ها و کلیه‌ها ناشی می‌شود، و اختلالات اسید-باز زمانی رخ می‌دهد که یکی یا هر دوی این مکانیسم‌های کنترلی مختل شوند، بنابراین غلظت ^–HCO₃ یا Pco₂ مایع خارج سلولی تغییر می‌کند.

When disturbances of acid-base balance result from a primary change in extracellular fluid HCO3- concentration, they are referred to as metabolic acid-base disorders. Therefore, acidosis caused by a primary decrease in HCO3 concentration is termed metabolic acidosis, whereas alkalosis caused by a primary increase in HCO3 concentration is called metabolic alkalosis. Acidosis caused by an increase in Pco, is called respiratory acidosis, whereas alkalosis caused by a decrease in Pco2 is termed respiratory alkalosis.

هنگامی‌که اختلالات تعادل اسید-باز ناشی از تغییر اولیه غلظت ^–HCO₃ مایع خارج سلولی باشد، به آنها اختلالات متابولیک اسید-باز گفته می‌شود. بنابراین اسیدوز ناشی از کاهش اولیه غلظت HCO₃ اسیدوز متابولیک نامیده می‌شود، در حالی که آلکالوز ناشی از افزایش اولیه غلظت HCO₃ آلکالوز متابولیک نامیده می‌شود. اسیدوز ناشی از افزایش Pco، اسیدوز تنفسی نامیده می‌شود، در حالی که آلکالوز ناشی از کاهش Pco₂، آلکالوز تنفسی نامیده می‌شود.

Bicarbonate Buffer System Titration Curve. Figure 31-1 shows the changes in pH of the extracellular fluid when the ratio of HCO3 to CO2 in extracellular fluid is altered. When the concentrations of these two components are equal, the right-hand portion of Equation 8 becomes the log of 1, which is equal to 0. Therefore, when the two components of the buffer system are equal, the pH of the solution is the same as the pK (6.1) of the bicarbonate buffer system. When base is added to the system, part of the dissolved CO2 is converted into HCO3, causing an increase in the ratio of HCO3- to CO2 and increasing the pH, as is evident from the Henderson-Hasselbalch equation. When acid is added, it is buffered by HCO3, which is then converted into dissolved CO2, decreasing the ratio of HCO3 to CO2 and decreasing the pH of the extracellular fluid.

منحنی تیتراسیون سیستم بافر بی کربنات. شکل 31-1 تغییرات pH مایع خارج سلولی را در صورت تغییر نسبت HCO₃ به CO₂ در مایع خارج سلولی نشان می‌دهد. هنگامی‌که غلظت این دو جزء برابر باشد، قسمت سمت راست معادله 8 تبدیل به log از 1 می‌شود که برابر با 0 است. بنابراین، زمانی که دو جزء سیستم بافر برابر باشند، pH محلول با pK (6.1) سیستم بافر بی کربنات یکسان است. هنگامی‌که باز به سیستم اضافه می‌شود، بخشی از CO₂ محلول به HCO₃ تبدیل می‌شود، که باعث افزایش نسبت ^–HCO₃ به CO₂ و افزایش pH می‌شود، همانطور که از معادله هندرسون -‌هاسلبالچ مشهود است. هنگامی‌که اسید اضافه می‌شود، توسط HCO₃ بافر می‌شود، که سپس به CO₂ محلول تبدیل می‌شود و نسبت HCO₃ به CO₂ را کاهش می‌دهد و pH مایع خارج سلولی را کاهش می‌دهد.

Buffer Power Determined by Amount and Relative Concentrations of Buffer Components. From the titration curve in Figure 31-1, several points are apparent. First, the pH of the system is the same as the pK when each of the components (HCO and CO2) constitutes 50% of the total concentration of the buffer system. Second, the buffer system is most effective in the central part of the curve, where the pH is near the pK of the system. This phenomenon means that the change in pH for any given amount of acid or base added to the system is least when the pH is near the pK of the system. The buffer system is still reasonably effective for 1.0 pH unit on either side of the pK, which, for the bicarbonate buffer system, extends from a pH of about 5.1 to 7.1 units. Beyond these limits, the buffering power rapidly diminishes. And, when all the CO2 has been converted into HCO3-, or when all the HCO3 has been converted into CO2, the system has no more buffering power.

توان بافر توسط مقدار و غلظت نسبی اجزای بافر تعیین می‌شود. از منحنی تیتراسیون در شکل 31-1، چندین نقطه مشخص است. ابتدا، pH سیستم با pK یکسان است، زمانی که هر یک از اجزا (HCO و CO₂) 50٪ از غلظت کل سیستم بافر را تشکیل می‌دهند. دوم، سیستم بافر در قسمت مرکزی منحنی، جایی که PH نزدیک pK سیستم است، موثرتر است. این پدیده به این معنی است که تغییر در pH برای هر مقدار معینی از اسید یا باز اضافه شده به سیستم زمانی که PH نزدیک pK سیستم باشد کمترین مقدار را دارد. سیستم بافر هنوز برای 1.0 واحد pH در دو طرف pK موثر است، که برای سیستم بافر بی کربنات، از pH حدود 5.1 تا 7.1 واحد گسترش می‌یابد. فراتر از این محدودیت‌ها، قدرت بافر به سرعت کاهش می‌یابد. و هنگامی‌که تمام CO₂ به ^–HCO₃ یا زمانی که تمام HCO₃ به CO₂ تبدیل شده است، سیستم دیگر قدرت بافری ندارد.

The absolute concentration of the buffers is also an important factor in determining the buffer power of a system. With low concentrations of the buffers, only a small amount of acid or base added to the solution changes the pH considerably.

غلظت مطلق بافرها نیز عامل مهمی‌در تعیین توان بافر یک سیستم است. با غلظت‌های کم بافرها، تنها مقدار کمی‌اسید یا باز به محلول اضافه می‌شود PH را به طور قابل توجهی تغییر می‌دهد.

Figure 31-1. Titration curve for bicarbonate buffer system showing the pH of extracellular fluid when the percentages of buffer in the form of HCO3- and CO2 (or H2CO3) are altered.

شکل 31-1. منحنی تیتراسیون برای سیستم بافر بی کربنات که pH مایع خارج سلولی را نشان می‌دهد زمانی که درصد بافر به شکل ^–HCO₃ و CO₂ (یا H2CO3) تغییر می‌کند.

Bicarbonate Buffer System Is the Most Important Extracellular Buffer. From the titration curve shown in Figure 31-1, one would not expect the bicarbonate buffer system to be powerful, for two reasons. First, the pH of the extracellular fluid is about 7.4, whereas the pK of the bicarbonate buffer system is 6.1, which means that there is about 20 times as much of the bicarbonate buffer system in the form of HCO3 as in the form of dissolved CO2. For this reason, this system operates on the portion of the buffering curve where the slope is low, and the buffering power is poor. Second, the concentrations of the two elements of the bicarbonate system, CO, and HCO3-, are not high.

سیستم بافر بی کربنات مهم ترین بافر خارج سلولی است. از منحنی تیتراسیون نشان داده شده در شکل 31-1، به دو دلیل نمی‌توان انتظار داشت که سیستم بافر بی کربنات قدرتمند باشد. اول، pH مایع خارج سلولی حدود 7.4 است، در حالی که pK سیستم بافر بی کربنات 6.1 است، به این معنی که حدود 20 برابر بیشتر از سیستم بافر بی کربنات به شکل HCO₃ به شکل CO₂ محلول وجود دارد. به همین دلیل، این سیستم در قسمتی از منحنی بافر که شیب کم است و قدرت بافر ضعیف است، کار می‌کند. دوم، غلظت دو عنصر سیستم بی کربنات، CO و ^–HCO3 زیاد نیست.

Despite these characteristics, the bicarbonate buffer system is the most powerful extracellular buffer in the body. This apparent paradox is due mainly to the fact that the two elements of the buffer system, HCO3 and CO2, are regulated, respectively, by the kidneys and lungs, as dis- cussed later. As a result of this regulation, the pH of the extracellular fluid can be precisely controlled by the relative rate of removal and addition of HCO3 by the kidneys and rate of removal of CO2 by the lungs.

با وجود این ویژگی‌ها، سیستم بافر بی کربنات قوی ترین بافر خارج سلولی در بدن است. این پارادوکس ظاهری عمدتاً به دلیل این واقعیت است که دو عنصر سیستم بافر، HCO₃ و CO₂، به ترتیب توسط کلیه‌ها و ریه‌ها تنظیم می‌شوند، همانطور که بعداً بحث شد. در نتیجه این تنظیم، pH مایع خارج سلولی را می‌توان با سرعت نسبی حذف و افزودن HCO₃ توسط کلیه‌ها و سرعت حذف CO₂ توسط ریه‌ها به طور دقیق کنترل کرد.

PHOSPHATE BUFFER SYSTEM

Although the phosphate buffer system is not a major extracellular fluid buffer, it plays an important role in buffering renal tubular fluid and intracellular fluids.

سیستم بافر فسفات

اگرچه سیستم بافر فسفات یک بافر اصلی مایع خارج سلولی نیست، اما نقش مهمی‌در بافر مایع لوله‌ای کلیوی و مایعات درون سلولی دارد.

The main elements of the phosphate buffer system are H2PO4 and HPO4. When a strong acid such as HCl is added to a mixture of these two substances, the hydrogen is accepted by the base HPO4 and converted to H2PO4:

عناصر اصلی سیستم بافر فسفات H₂PO₄ و HPO₄ هستند. هنگامی‌که یک اسید قوی مانند HCl به مخلوط این دو ماده اضافه می‌شود، هیدروژن توسط پایه HPO₄ پذیرفته شده و به H₂PO₄ تبدیل می‌شود:

The result of this reaction is that the strong acid, HCl, is replaced by an additional amount of a weak acid, NaH2PO4, and the decrease in pH is minimized.

نتیجه این واکنش این است که اسید قوی HCl با مقدار اضافی اسید ضعیف NaH₂PO₄ جایگزین می‌شود و کاهش pH به حداقل می‌رسد.

When a strong base, such as NaOH, is added to the buffer system, the OH- is buffered by the H2PO4 to form additional amounts of HPO4 + H2O:

هنگامی‌که یک باز قوی مانند NaOH به سیستم بافر اضافه می‌شود، ^–OH توسط H₂PO₄ بافر می‌شود تا مقادیر بیشتری از HPO₄ + H₂O را تشکیل دهد:

In this case, a strong base, NaOH, is traded for a weak base, Na2HPO4, causing only a slight increase in pH.

در این مورد، یک باز قوی، NaOH، با یک باز ضعیف، Na₂HPO₄ معامله می‌شود، که باعث افزایش جزئی در pH می‌شود.

The phosphate buffer system has a pK of 6.8, which is not far from the normal pH of 7.4 in the body fluids, allows the system to operate near its maximum buffering power. However, its concentration in the extracellular fluid is low, at only about 8% of the concentration of the bicarbonate buffer. Therefore, the total buffering power of the phosphate system in the extracellular fluid is much less than that of the bicarbonate buffering system.

سیستم بافر فسفات دارای pK برابر با 6.8 است که با pH طبیعی 7.4 در مایعات بدن فاصله چندانی ندارد و به سیستم اجازه می‌دهد تا نزدیک به حداکثر قدرت بافری خود عمل کند. با این حال، غلظت آن در مایع خارج سلولی کم است و تنها در حدود 8 درصد از غلظت بافر بی کربنات است. بنابراین، کل قدرت بافر سیستم فسفات در مایع خارج سلولی بسیار کمتر از سیستم بافر بی کربنات است.

In contrast to its minor role as an extracellular buffer, the phosphate buffer is especially important in the tubular fluids of the kidneys for two reasons: (1) phosphate usually becomes greatly concentrated in the tubules, thereby increasing the buffering power of the phosphate system; and (2) the tubular fluid usually has a consider- ably lower pH than the extracellular fluid, bringing the operating range of the buffer closer to the pK (6.8) of the system.

برخلاف نقش کوچکش به عنوان بافر خارج سلولی، بافر فسفات به دو دلیل در مایعات لوله‌ای کلیه‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد: (1) فسفات معمولاً به میزان زیادی در لوله‌ها متمرکز می‌شود و در نتیجه قدرت بافری سیستم فسفات را افزایش می‌دهد. و (2) مایع لوله‌ای معمولاً دارای pH بسیار پایین‌تری نسبت به مایع خارج سلولی است که محدوده عملکرد بافر را به pK (6.8) سیستم نزدیک‌تر می‌کند.

The phosphate buffer system is also important in buffering intracellular fluid because the concentration of phosphate in this fluid is many times higher than in the extracellular fluid. Also, the pH of intracellular fluid is lower than that of extracellular fluid and, therefore, is usually closer to the pK of the phosphate buffer system compared with the extracellular fluid.

سیستم بافر فسفات نیز در بافر مایع داخل سلولی مهم است زیرا غلظت فسفات در این مایع چندین برابر بیشتر از مایع خارج سلولی است. همچنین pH مایع درون سلولی کمتر از مایع خارج سلولی است و بنابراین در مقایسه با مایع خارج سلولی معمولاً به pK سیستم بافر فسفات نزدیک‌تر است.

PROTEINS ARE IMPORTANT INTRACELLULAR BUFFERS

Proteins are among the most plentiful buffers in the body because of their high concentrations, especially in the cells. The pH of the cells, although slightly lower than in the extracellular fluid, nevertheless changes approximately in proportion to extracellular fluid pH changes. There is a slight diffusion of H+ and HCO3- through the cell membrane, although these ions require several hours to reach equilibrium with the extracellular fluid, except for the rapid equilibrium that occurs in the red blood cells. CO2, however, can rapidly diffuse through all the cell membranes. This diffusion of the elements of the bicarbonate buffer system causes the pH in intracellular fluid to change when there are changes in extra- cellular pH. For this reason, the buffer systems in the cells help prevent changes in the pH of the extracellular fluid but may take several hours to become maximally effective.

پروتئین‌ها بافرهای درون سلولی مهمی‌هستند

پروتئین‌ها به دلیل غلظت بالایشان، به ویژه در سلول‌ها، از فراوان ترین بافرهای بدن هستند. PH سلول‌ها، اگرچه کمی‌کمتر از مایع خارج سلولی است، اما تقریباً متناسب با تغییرات pH مایع خارج سلولی تغییر می‌کند. انتشار جزئی ⁺H و ^–HCO₃ از طریق غشای سلولی وجود دارد، اگرچه این یون‌ها به چند ساعت نیاز دارند تا با مایع خارج سلولی به تعادل برسند، به جز تعادل سریعی که در گلبول‌های قرمز اتفاق می‌افتد. با این حال، CO₂ می‌تواند به سرعت در تمام غشای سلولی پخش شود. این انتشار عناصر سیستم بافر بی کربنات باعث می‌شود که pH در مایع داخل سلولی با تغییراتی در pH خارج سلولی تغییر کند. به همین دلیل، سیستم‌های بافر در سلول‌ها به جلوگیری از تغییرات pH مایع خارج سلولی کمک می‌کنند، اما ممکن است چندین ساعت طول بکشد تا حداکثر اثربخشی داشته باشد.

In the red blood cell, hemoglobin (Hb) is an important buffer, as follows:

در گلبول قرمز، هموگلوبین (Hb) یک بافر مهم است، به شرح زیر:

Approximately 60% to 70% of the total chemical buffering of the body fluids is inside the cells, and most of this buffering results from the intracellular proteins. However, except for the red blood cells, the slow rate at which H+ and HCO3- move through the cell membranes often delays the maximum ability of the intracellular proteins to buffer extracellular acid-base abnormalities for several hours.

تقریباً 60 تا 70 درصد از کل بافر شیمیایی مایعات بدن در داخل سلول‌ها است و بیشتر این بافر از پروتئین‌های داخل سلولی ناشی می‌شود. با این حال، به‌جز گلبول‌های قرمز، سرعت آهسته حرکت ⁺H و ^–HCO₃ از طریق غشای سلولی، اغلب حداکثر توانایی پروتئین‌های داخل سلولی را برای رفع ناهنجاری‌های اسید-باز خارج سلولی برای چند ساعت به تاخیر می‌اندازد.

In addition to the high concentration of proteins in the cells, another factor that contributes to their buffering power is the fact that the pKs of many of these protein systems are fairly close to intracellular pH.

علاوه بر غلظت بالای پروتئین‌ها در سلول‌ها، عامل دیگری که به قدرت بافری آنها کمک می‌کند این واقعیت است که pKs بسیاری از این سیستم‌های پروتئینی تقریباً به pH داخل سلولی نزدیک هستند.

Isohydric Principle: All Buffers in a Common Solution Are in Equilibrium With the Same H+ Concentration

We have been discussing buffer systems as though they operate individually in the body fluids. However, they all work together because H+ is common to the reactions of all these systems. Therefore, whenever there is a change in H+ concentration in the extracellular fluid, the balance of all the buffer systems changes at the same time. This phenomenon is called the isohydric principle and is illustrated by the following formula:

اصل ایزوهیدریک: همه بافرهای موجود در یک محلول مشترک با غلظت H+ یکسان در تعادل هستند.

ما سیستم‌های بافر را به گونه ای مورد بحث قرار داده ایم که گویی به صورت جداگانه در مایعات بدن عمل می‌کنند. با این حال، همه آنها با هم کار می‌کنند زیرا ⁺H در واکنش‌های همه این سیستم‌ها مشترک است. بنابراین، هرگاه تغییری در غلظت ⁺H در مایع خارج سلولی ایجاد شود، تعادل تمام سیستم‌های بافر به طور همزمان تغییر می‌کند. این پدیده اصل ایزوهیدریک نامیده می‌شود و با فرمول زیر نشان داده می‌شود:

K1, K2, and K3 are the dissociation constants of three respective acids-HA, HA, HA3-and A1, A2, A3 are the concentrations of the free negative ions that constitute the bases of the three buffer systems.

K1، K2 و K3 ثابت‌های تفکیک سه اسید مربوطه هستند-HA، HA، HA3- و A1، A2، A3 غلظت یون‌های منفی آزاد هستند که پایه‌های سه سیستم بافر را تشکیل می‌دهند.

The implication of this principle is that any condition that changes the balance of one of the buffer systems also changes the balance of all the others because the buffer systems actually buffer one another by shifting H+ back and forth between them.

مفهوم این اصل این است که هر شرطی که تعادل یکی از سیستم‌های بافر را تغییر دهد، تعادل همه سیستم‌های بافر را نیز تغییر می‌دهد، زیرا سیستم‌های بافر در واقع با جابجایی H+ بین آنها به عقب و جلو، یکدیگر را بافر می‌کنند.

RESPIRATORY REGULATION OF ACID- BASE BALANCE

The second line of defense against acid-base disturbances is control of extracellular fluid CO2 concentration by the lungs. An increase in ventilation eliminates CO2 from extracellular fluid, which, by mass action, reduces the H+ concentration. Conversely, decreased ventilation increases CO2 and H+ concentrations in the extracellular fluid.

تنظیم تنفسی تعادل اسید و باز

دومین خط دفاعی در برابر اختلالات اسید-باز، کنترل غلظت CO₂ مایع خارج سلولی توسط ریه‌ها است. افزایش تهویه، CO₂ را از مایع خارج سلولی حذف می‌کند، که با عمل جرمی، غلظت ⁺H را کاهش می‌دهد. برعکس، کاهش تهویه باعث افزایش غلظت CO₂ و ⁺H در مایع خارج سلولی می‌شود.

PULMONARY EXPIRATION OF CO2 BALANCES METABOLIC FORMATION OF CO2

CO2 is formed continually in the body by intracellular metabolic processes. After it is formed, it diffuses from the cells into the interstitial fluids and blood, and the flowing blood transports it to the lungs, where it diffuses into the alveoli and then is transferred to the atmosphere by pulmonary ventilation. About 1.2 mol/L of dissolved CO2 is normally in the extracellular fluid, corresponding to a Pco2 of 40 mm Hg.

انقضای ریوی CO2 تشکیل متابولیک CO2 را متعادل می‌کند

CO₂ به طور مداوم در بدن توسط فرآیندهای متابولیک درون سلولی تشکیل می‌شود. پس از تشکیل، از سلول‌ها به داخل مایعات بینابینی و خون منتشر می‌شود و خون جاری آن را به ریه‌ها منتقل می‌کند و در آنجا به داخل آلوئول‌ها منتشر می‌شود و سپس با تهویه ریوی به جو منتقل می‌شود. حدود 1.2 مول در لیتر CO₂ محلول به طور معمول در مایع خارج سلولی است که مربوط به Pco₂ 40 میلی متر جیوه است.

If the rate of metabolic formation of CO2 increases, the Pco2 of the extracellular fluid is likewise increased. Conversely, a decreased metabolic rate lowers the Pco2. If the rate of pulmonary ventilation is increased, CO2 is blown off from the lungs, and the Pco, in the extracellular fluid decreases. Therefore, changes in pulmonary ventilation or the rate of CO2 formation by the tissues can change the extracellular fluid Pco2.

اگر سرعت تشکیل متابولیک CO₂ افزایش یابد، Pco₂ مایع خارج سلولی نیز افزایش می‌یابد. برعکس، کاهش سرعت متابولیسم باعث کاهش Pco₂ می‌شود. اگر سرعت تهویه ریوی افزایش یابد، CO₂ از ریه‌ها خارج می‌شود و Pco در مایع خارج سلولی کاهش می‌یابد. بنابراین، تغییر در تهویه ریوی یا سرعت تشکیل CO₂ توسط بافت‌ها می‌تواند باعث تغییر Pco₂ مایع خارج سلولی شود.

INCREASING ALVEOLAR VENTILATION DECREASES EXTRACELLULAR FLUID H+ CONCENTRATION AND RAISES PH

If the metabolic formation of CO2 remains constant, the only other factor that affects Pco, in extracellular fluid is the rate of alveolar ventilation. The higher the alveolar ventilation, the lower the Pco2. As discussed previously, when CO2 concentration increases, the H2CO3 concentration and H+ concentration also increase, thereby lowering extracellular fluid pH.

افزایش تهویه آلوئولی باعث کاهش غلظت +H مایع خارج سلولی و افزایش PH می‌شود.

اگر تشکیل متابولیک CO₂ ثابت بماند، تنها عامل دیگری که Pco را در مایع خارج سلولی تحت تاثیر قرار می‌دهد، سرعت تهویه آلوئولی است. هرچه تهویه آلوئولی بالاتر باشد، Pco₂ کمتر است. همانطور که قبلاً بحث شد، هنگامی‌که غلظت CO₂ افزایش می‌یابد، غلظت H₂CO₃ و غلظت ⁺H نیز افزایش می‌یابد، در نتیجه pH مایع خارج سلولی کاهش می‌یابد.

Figure 31-2 shows the approximate changes in blood pH that are caused by increasing or decreasing the alveolar ventilation rate. Note that increasing alveolar ventilation to about twice normal raises extracellular fluid pH by about 0.23. If the pH of the body fluids is 7.40 with normal alveolar ventilation, doubling the ventilation rate raises the pH to about 7.63. Conversely, a decrease in alveolar ventilation to one-fourth normal reduces the pH by 0.45. That is, if the pH is 7.4 at a normal alveolar ventilation, reducing the ventilation to one-fourth normal reduces the pH to 6.95. Because the alveolar ventilation rate can change markedly, from as low as 0 to as high as 15 times normal, one can easily understand how much the pH of the body fluids can be changed by the respiratory system.

شکل 31-2 تغییرات تقریبی PH خون را نشان می‌دهد که در اثر افزایش یا کاهش میزان تهویه آلوئولی ایجاد می‌شود. توجه داشته باشید که افزایش تهویه آلوئولی تا حدود دو برابر نرمال، pH مایع خارج سلولی را حدود 0.23 افزایش می‌دهد. اگر PH مایعات بدن با تهویه طبیعی آلوئولی 7.40 باشد، دو برابر شدن سرعت تهویه، pH را به حدود 7.63 افزایش می‌دهد. برعکس، کاهش تهویه آلوئولی به یک چهارم نرمال، pH را تا 0.45 کاهش می‌دهد. یعنی اگر PH در تهویه طبیعی آلوئولی 7.4 باشد، کاهش تهویه به یک چهارم نرمال باعث کاهش pH به 6.95 می‌شود. از آنجایی که میزان تهویه آلوئولی می‌تواند به طور قابل توجهی تغییر کند، از 0 تا 15 برابر طبیعی، به راحتی می‌توان متوجه شد که pH مایعات بدن چقدر می‌تواند توسط سیستم تنفسی تغییر کند.

Figure 31-2. Change in extracellular fluid pH caused by an increased or decreased rate of alveolar ventilation, expressed as times normal.

شکل 31-2. تغییر در pH مایع خارج سلولی ناشی از افزایش یا کاهش سرعت تهویه آلوئولی، که بر حسب زمان عادی بیان می‌شود.

INCREASED H+ CONCENTRATION STIMULATES ALVEOLAR VENTILATION

Not only does the alveolar ventilation rate influence H+ concentration by changing Pco2 of the body fluids, but the H+ concentration affects the rate of alveolar ventilation. Thus, Figure 31-3 shows that alveolar ventilation rate increases four to five times normal as pH decreases from the normal value of 7.4 to the strongly acidic value of 7.0. Conversely, a rise in plasma pH above 7.4 causes a decrease in the ventilation rate. The change in ventilation rate per unit pH change is much greater at reduced levels of pH (corresponding to elevated H+ concentration) compared with increased levels of pH. The reason for this is that as the alveolar ventilation rate decreases, as a result of an increase in pH (decreased H+ concentration), the amount of oxygen added to the blood decreases, and the partial pressure of oxygen (Po2) in the blood also decreases, which stimulates the ventilation rate. Therefore, the respiratory compensation for an increase in pH is not nearly as effective as the response to a marked reduction in pH.

افزایش غلظت ⁺H تهویه آلوئولار را تحریک می‌کند

نه تنها نرخ تهویه آلوئولی بر غلظت ⁺H با تغییر Pco₂ مایعات بدن تأثیر می‌گذارد، بلکه غلظت ⁺H بر میزان تهویه آلوئولی تأثیر می‌گذارد. بنابراین، شکل 31-3 نشان می‌دهد که با کاهش pH از مقدار طبیعی 7.4 به مقدار اسیدی قوی 7.0، سرعت تهویه آلوئولی چهار تا پنج برابر نرمال افزایش می‌یابد. برعکس، افزایش pH پلاسما بالای 7.4 باعث کاهش سرعت تهویه می‌شود. تغییر در نرخ تهویه در واحد تغییر pH در سطوح کاهش یافته pH (مربوط به غلظت ⁺H بالا) در مقایسه با سطوح افزایش یافته pH بسیار بیشتر است. دلیل این امر این است که با کاهش سرعت تهویه آلوئولی، در نتیجه افزایش pH (کاهش غلظت ⁺H)، مقدار اکسیژن اضافه شده به خون کاهش می‌یابد و فشار جزئی اکسیژن (Po₂) در خون نیز کاهش می‌یابد که باعث تحریک سرعت تهویه می‌شود. بنابراین، جبران تنفسی برای افزایش pH تقریباً به اندازه پاسخ به کاهش قابل توجه pH مؤثر نیست.

Figure 31-3. Effect of blood pH on the alveolar ventilation rate.

شکل 31-3. تأثیر pH خون بر میزان تهویه آلوئولی.

Feedback Control of H+ Concentration by the Respiratory System. Because increased H+ concentration stimulates respiration and because increased alveolar ventilation decreases H+ concentration, the respiratory system acts as a typical negative feedback controller of H+ concentration:

کنترل بازخورد غلظت ⁺H توسط سیستم تنفسی. از آنجایی که افزایش غلظت ⁺H تنفس را تحریک می‌کند و از آنجا که افزایش تهویه آلوئولی باعث کاهش غلظت ⁺H می‌شود، سیستم تنفسی به عنوان یک کنترل کننده بازخورد منفی معمول غلظت ⁺H عمل می‌کند:

That is, whenever H+ concentration increases above normal, the respiratory system is stimulated, and alveolar ventilation increases. This mechanism decreases the Pco2 in extracellular fluid and reduces H+ concentration back toward normal. Conversely, if H+ concentration falls below normal, the respiratory center becomes depressed, alveolar ventilation decreases, and H+ concentration increases back toward normal. Although alkalosis tends to depress the respiratory centers, the response is generally less robust and less predictable than the response to metabolic acidosis; the hypoxemia associated with reduced alveolar ventilation eventually activates oxygen- sensitive chemoreceptors that tend to stimulate ventilation and limit the respiratory compensation for metabolic alkalosis.

یعنی هرگاه غلظت ⁺H بالاتر از حد نرمال باشد، سیستم تنفسی تحریک می‌شود و تهویه آلوئولی افزایش می‌یابد. این مکانیسم باعث کاهش Pco₂ در مایع خارج سلولی و کاهش غلظت ⁺H به حالت طبیعی می‌شود. برعکس، اگر غلظت ⁺H کمتر از حد نرمال باشد، مرکز تنفسی تحت فشار قرار می‌گیرد، تهویه آلوئولی کاهش می‌یابد و غلظت ⁺H به حالت طبیعی افزایش می‌یابد. اگر چه آلکالوز تمایل به کاهش مراکز تنفسی دارد، پاسخ عموماً نسبت به اسیدوز متابولیک قوی تر و کمتر قابل پیش بینی است. هیپوکسمی‌همراه با کاهش تهویه آلوئولی در نهایت گیرنده‌های شیمیایی حساس به اکسیژن را فعال می‌کند که تمایل به تحریک تهویه و محدود کردن جبران تنفسی برای آلکالوز متابولیک دارند.

Efficiency of Respiratory Control of H+ Concentration. Respiratory control cannot return the H+ concentration all the way back to normal when a disturbance outside the respiratory system has altered the pH. Ordinarily, the respiratory mechanism for controlling H+ concentration is approximately 50% to 75% effective, corresponding to a feedback gain of 1 to 3 for metabolic acidosis. That is, if the pH is suddenly decreased by adding acid to the extracellular fluid, and the pH falls from 7.4 to 7.0, the respiratory system can return the pH to a value of about 7.2 to 7.3. This response occurs within 3 to 12 minutes. As discussed previously, the respiratory responses to metabolic alkalosis are limited by hypoxemia associated with reduced alveolar ventilation.

کارایی کنترل تنفسی غلظت ⁺H. کنترل تنفسی نمی‌تواند غلظت ⁺H را به حالت عادی برگرداند، زمانی که اختلالی در خارج از سیستم تنفسی PH را تغییر داده است. به طور معمول، مکانیسم تنفسی برای کنترل غلظت ⁺H تقریباً 50 تا 75 درصد مؤثر است، که مربوط به افزایش بازخورد 1 تا 3 برای اسیدوز متابولیک است. یعنی اگر با افزودن اسید به مایع خارج سلولی ناگهان PH کاهش یابد و PH از 7.4 به 7.0 کاهش یابد، سیستم تنفسی می‌تواند pH را به مقدار حدود 7.2 تا 7.3 برگرداند. این پاسخ در عرض 3 تا 12 دقیقه رخ می‌دهد. همانطور که قبلا بحث شد، پاسخ‌های تنفسی به آلکالوز متابولیک توسط هیپوکسمی‌مرتبط با کاهش تهویه آلوئولی محدود می‌شود.

Buffering Power of the Respiratory System. Respiratory regulation of acid-base balance is a physiological type of buffer system because it acts rapidly and keeps the H+ concentration from changing too much until the slowly responding kidneys can eliminate the imbalance. In general, the overall buffering power of the respiratory system is one to two times as great as the buffering power of all other chemical buffers in the extracellular fluid combined. That is, one to two times as much acid or base can normally be buffered by this mechanism as by the chemical buffers.

قدرت بافر سیستم تنفسی تنظیم تنفسی .تعادل اسید و باز یک نوع فیزیولوژیکی از سیستم بافر است زیرا به سرعت عمل می‌کند و غلظت ⁺H را از تغییر بیش از حد جلوگیری می‌کند تا زمانی که کلیه‌ها به آهستگی واکنش نشان می‌دهند، عدم تعادل را از بین ببرند. به طور کلی، قدرت بافر کلی سیستم تنفسی یک تا دو برابر بیشتر از قدرت بافری سایر بافرهای شیمیایی موجود در مایع خارج سلولی است. یعنی یک تا دو برابر اسید یا باز به طور معمول با این مکانیسم بافرهای شیمیایی بافر می‌شود.

Impairment of Lung Function Can Cause Respiratory Acidosis. We have discussed thus far the role of the normal respiratory mechanism as a means of buffering changes in H+ concentration. However, abnormalities of respiration can also cause changes in H+ concentration. For example, an impairment of lung function, such as severe emphysema, decreases the ability of the lungs to eliminate CO2, which causes a buildup of CO2 in the extracellular fluid and a tendency toward respiratory acidosis. Also, the ability to respond to metabolic acidosis is impaired because the compensatory reductions in Pco2 that would normally occur by means of increased ventilation are blunted. In these circum- stances, the kidneys represent the sole remaining physiological mechanism for returning pH toward normal after the initial chemical buffering in the extracellular fluid has occurred.

اختلال در عملکرد ریه می‌تواند باعث اسیدوز تنفسی شود. ما تاکنون در مورد نقش مکانیسم تنفسی طبیعی به عنوان وسیله ای برای بافر کردن تغییرات در غلظت H+ بحث کرده ایم. با این حال، ناهنجاری‌های تنفسی نیز می‌تواند باعث تغییر در غلظت ⁺H شود. به عنوان مثال، اختلال در عملکرد ریه، مانند آمفیزم شدید، توانایی ریه‌ها برای از بین بردن CO₂ را کاهش می‌دهد، که باعث تجمع CO2 در مایع خارج سلولی و تمایل به اسیدوز تنفسی می‌شود. همچنین، توانایی پاسخ به اسیدوز متابولیک مختل می‌شود، زیرا کاهش جبرانی در Pco₂ که به طور معمول با افزایش تهویه رخ می‌دهد، کمرنگ می‌شود. در این شرایط، کلیه‌ها تنها مکانیسم فیزیولوژیکی باقیمانده برای بازگشت pH به حالت طبیعی پس از وقوع بافر شیمیایی اولیه در مایع خارج سلولی را نشان می‌دهند.

RENAL CONTROL OF ACID-BASE BALANCE

The kidneys control acid-base balance by excreting acidic or basic urine. Excreting acidic urine reduces the amount of acid in extracellular fluid, whereas excreting basic urine removes base from the extracellular fluid.

کنترل کلیوی تعادل اسید و باز

کلیه‌ها با دفع ادرار اسیدی یا بازی تعادل اسید و باز را کنترل می‌کنند. دفع ادرار اسیدی مقدار اسید موجود در مایع خارج سلولی را کاهش می‌دهد، در حالی که دفع ادرار بازی باعث حذف باز از مایع خارج سلولی می‌شود.

The overall mechanism whereby the kidneys excrete acidic or basic urine is as follows. Large amounts of HCO₃ are filtered continuously into the tubules and, if excreted into the urine, remove base from the blood. Large numbers of H⁺ are also secreted into the tubular lumen by the tubular epithelial cells, thus removing acid from the blood. If more H⁺ is secreted than HCO₃^– is filtered, there will be a net loss of acid from the extracellular fluid. Conversely, if more HCO₃^– is filtered than H⁺ is secreted, there will be a net loss of base.

مکانیسم کلی که در آن کلیه‌ها ادرار اسیدی یا بازی را دفع می‌کنند به شرح زیر است. مقادیر زیادی HCO3 به طور مداوم در لوله‌ها فیلتر می‌شود و در صورت دفع در ادرار، پایه را از خون خارج می‌کند. تعداد زیادی H+ نیز توسط سلول‌های اپیتلیال لوله ای به داخل مجرای لوله ای ترشح می‌شود و در نتیجه اسید را از خون خارج می‌کند. اگر H+ بیشتر از HCO3- فیلتر شده ترشح شود، از دست دادن خالص اسید از مایع خارج سلولی وجود خواهد داشت. برعکس، اگر HCO3- بیشتر از H+ ترشح شود فیلتر شود، از دست دادن خالص باز وجود خواهد داشت.

Each day, the body produces about 80 mEq of nonvolatile acids, mainly from metabolism of proteins. These acids are called nonvolatile because they are not H₂CO₃ and,therefore, cannot be excreted by the lungs. The primary mechanism for removal of these acids from the body is renal excretion. The kidneys must also prevent the loss of bicarbonate in the urine, a task that is quantitatively more important than the excretion of nonvolatile acids. Each day, the kidneys filter about 4320 mEq of HCO₃^– (180 L/ day x 24 mEq/L); under normal conditions, almost all of this is reabsorbed from the tubules, thereby conserving the primary buffer system of the extracellular fluid.

هر روز، بدن حدود 80 میلی اکی والان اسیدهای غیرفرار تولید می‌کند که عمدتاً از متابولیسم پروتئین‌ها می‌باشد. این اسیدها غیرفرار نامیده می‌شوند زیرا H2CO3 نیستند و بنابراین نمی‌توانند توسط ریه‌ها دفع شوند. مکانیسم اصلی حذف این اسیدها از بدن دفع کلیوی است. کلیه‌ها همچنین باید از از دست دادن بی کربنات در ادرار جلوگیری کنند، وظیفه ای که از نظر کمی‌مهمتر از دفع اسیدهای غیرفرار است. هر روز، کلیه‌ها حدود 4320 میلی اکی والان HCO3- (180 لیتر در روز x 24 میلی اکی والان در لیتر) فیلتر می‌کنند. در شرایط عادی، تقریباً همه اینها از لوله‌ها بازجذب می‌شوند و در نتیجه سیستم بافر اولیه مایع خارج سلولی حفظ می‌شود.

As discussed later, both the reabsorption of HCO3- and excretion of H+ are accomplished through the process of H+ secretion by the tubules. Because HCO3- must react with a secreted H+ to form H2CO3 before it can be reabsorbed, 4320 mEq of H+ must be secreted each day just to reabsorb the filtered HCO3-. Then, an additional 80 mEq of H+ must be secreted to rid the body of the nonvolatile acids produced each day for a total of 4400 mEq of H+ secreted into the tubular fluid each day.

همانطور که بعداً بحث شد، هم بازجذب ^–HCO₃ و هم دفع ⁺H از طریق فرآیند ترشح ⁺H توسط لوله‌ها انجام می‌شود. از آنجایی که ^–HCO₃ باید با ⁺H ترشح شده واکنش دهد تا H₂CO₃ تشکیل شود تا بتواند دوباره جذب شود، 4320 ⁺mEq H باید هر روز فقط برای جذب مجدد ^–HCO₃ فیلتر شده ترشح شود. سپس، 80 mEq اضافی ⁺H باید ترشح شود تا بدن از اسیدهای غیرفرار تولید شده در هر روز خلاص شود و در مجموع 4400 mEq H+ که هر روز در مایع لوله‌ای ترشح می‌شود.

When there is a reduction in the extracellular fluid H+ concentration (alkalosis), the kidneys usually secrete less H+ and fail to reabsorb all the filtered HCO3-, thereby increasing the excretion of HCO3. Because HCO3- normally buffers H+ in the extracellular fluid, this loss of HCO3- is the same as adding an H+ to the extracellular fluid. Therefore, in alkalosis, the removal of HCO3- raises the extracellular fluid H+ concentration back toward normal.

هنگامی‌که غلظت ⁺H مایع خارج سلولی کاهش می‌یابد (آلکالوز)، کلیه‌ها معمولا ⁺H کمتری ترشح می‌کنند و نمی‌توانند تمام ^–HCO₃ فیلتر شده را دوباره جذب کنند، در نتیجه دفع HCO₃ افزایش می‌یابد. از آنجایی که ^–HCO₃ به طور معمول ⁺H را در مایع خارج سلولی بافر می‌کند، این از دست دادن -HCO₃ مانند افزودن ⁺H به مایع خارج سلولی است. بنابراین، در آلکالوز، حذف ^–HCO₃ غلظت ⁺H مایع خارج سلولی را به حالت طبیعی برمی‌گرداند.

In acidosis, the kidneys secrete additional H+ and do not excrete HCO3- into the urine but reabsorb all the filtered HCO3- and produce new HCO3-, which is added back to the extracellular fluid. This action reduces the extracellular fluid H+ concentration back toward normal.

در اسیدوز، کلیه‌ها H+ اضافی ترشح می‌کنند و HCO3- را به ادرار دفع نمی‌کنند، اما تمام HCO3- فیلتر شده را دوباره جذب می‌کنند و HCO3- جدید تولید می‌کنند که دوباره به مایع خارج سلولی اضافه می‌شود. این عمل غلظت +H مایع خارج سلولی را به حالت عادی کاهش می‌دهد.

Thus, the kidneys regulate extracellular fluid H⁺ concentration through three fundamental mechanisms: (1) secretion of H⁺; (2) reabsorption of filtered HCO₃; and (3) production of new HCO₃. All these processes are accomplished through the same basic mechanisms, as discussed in the next few sections.

بنابراین، کلیه‌ها غلظت ⁺H مایع خارج سلولی را از طریق سه مکانیسم اساسی تنظیم می‌کنند: (1) ترشح H⁺. (2) بازجذب HCO₃ فیلتر شده. و (3) تولید HCO₃ جدید. همه این فرآیندها از طریق مکانیسم‌های اساسی یکسانی انجام می‌شوند که در چند بخش بعدی مورد بحث قرار گرفت.

SECRETION OF H+ AND REABSORPTION OF HCO3- BY THE RENAL TUBULES

Hydrogen ion secretion and HCO3- reabsorption occur in virtually all parts of the tubules except the descending and ascending thin limbs of the loop of Henle. Figure 31-4 summarizes HCO3- reabsorption along the tubule. Keep in mind that for each HCO3- reabsorbed, an H+ must be secreted.

ترشح +H و بازجذب HCO3- توسط لوله‌های کلیوی

ترشح یون هیدروژن و بازجذب HCO3 عملاً در تمام قسمت‌های لوله‌ها به جز اندام‌های نازک نزولی و صعودی حلقه هنله رخ می‌دهد. شکل 31-4 بازجذب ^–HCO₃ را در طول لوله خلاصه می‌کند. به خاطر داشته باشید که برای هر ^–HCO₃ بازجذب، یک H+ باید ترشح شود.

About 80% to 90% of the HCO3- reabsorption (and H secretion) occurs in the proximal tubule, so only a small amount of HCO3- flows into the distal tubules and collecting ducts. In the thick ascending loop of Henle, another 10% of the filtered HCO3- is reabsorbed, and the remainder of the reabsorption takes place in the distal tubules and collecting ducts. As discussed previously, the mechanism whereby HCO3- is reabsorbed also involves tubular secretion of H+, but different tubular segments accomplish this task differently.

حدود 80 تا 90 درصد بازجذب ^–HCO₃ (و ترشح H) در لوله پروگزیمال رخ می‌دهد، بنابراین فقط مقدار کمی‌از ^–HCO₃ به داخل لوله‌های انتهایی و مجاری جمع کننده جریان می‌یابد. در حلقه صعودی ضخیم هنله، 10 درصد دیگر از ^–HCO₃ فیلتر شده دوباره جذب می‌شود و باقیمانده جذب مجدد در لوله‌های دیستال و مجاری جمع‌آوری صورت می‌گیرد. همانطور که قبلاً بحث شد، مکانیسمی‌که در آن ^–HCO₃ بازجذب می‌شود، شامل ترشح لوله‌ای ⁺H نیز می‌شود، اما بخش‌های لوله‌ای مختلف این وظیفه را متفاوت انجام می‌دهند.

Figure 31-4. Reabsorption of HCO3- in different segments of the renal tubule. The percentages of the filtered load of HCO3- absorbed by the various tubular segments are shown, as well as the number of milliequivalents reabsorbed per day under normal conditions.

شکل 31-4. بازجذب ^–HCO₃ در بخش‌های مختلف توبول کلیوی. درصد بار فیلتر شده ^–HCO₃ جذب شده توسط بخش‌های مختلف لوله ای و همچنین تعداد میلی اکی والان‌های بازجذب در روز در شرایط عادی نشان داده شده است.

H+ SECRETED BY SECONDARY ACTIVE TRANSPORT IN EARLY TUBULAR SEGMENTS

The epithelial cells of the proximal tubule, the thick segment of the ascending loop of Henle, and the early distal tubule all secrete H+ into the tubular fluid by sodium- hydrogen counter-transport, as shown in Figure 31-5. This secondary active secretion of H+ is coupled with the transport of Na+ into the cell at the luminal mem- brane by the sodium-hydrogen exchanger protein, and the energy for H secretion against a concentration gradient is derived from the sodium gradient favoring Na+ movement into the cell. This gradient is established by the sodium-potassium adenosine triphosphatase (Na+-K+ ATPase) pump in the basolateral membrane. About 95% of the bicarbonate is reabsorbed in this manner, requiring about 4000 mEq of H+ to be secreted each day by the tubules. This mechanism, however, can establish a mini- mum pH of only about 6.7; the tubular fluid becomes very acidic only in the collecting tubules and collecting ducts, which can establish a urine pH as low as about 4.5.

H+ ترشح شده با حمل و نقل فعال ثانویه در بخش‌های لوله ای اولیه

سلولهای اپیتلیال لوله پروگزیمال، بخش ضخیم حلقه صعودی هنله، و لوله دیستال اولیه، همگی ⁺H را با انتقال متقابل سدیم-هیدروژن به داخل مایع لوله ای ترشح می‌کنند، همانطور که در شکل 31-5 نشان داده شده است. این ترشح فعال ثانویه ⁺H با انتقال ⁺Na به داخل سلول در غشای مجرا توسط پروتئین مبدل سدیم-هیدروژن همراه است و انرژی برای ترشح H در برابر گرادیان غلظت از گرادیان سدیم به دست می‌آید که به حرکت ⁺Na به داخل سلول کمک می‌کند. این گرادیان توسط پمپ سدیم-پتاسیم آدنوزین تری فسفاتاز (Na⁺-K⁺ ATPase) در غشای قاعده جانبی ایجاد می‌شود. حدود 95 درصد از بی کربنات به این روش بازجذب می‌شود، که نیاز به حدود 4000 میلی اکی والان ⁺H برای ترشح هر روز توسط لوله‌ها دارد. با این حال، این مکانیسم می‌تواند حداقل pH را تنها در حدود 6.7 ایجاد کند. مایع لوله‌ای فقط در لوله‌های جمع‌کننده و مجاری جمع‌آوری بسیار اسیدی می‌شود، که می‌تواند pH ادرار را تا حدود 4.5 پایین بیاورد.

Figure 31-5 shows how the process of H+ secretion achieves HCO3 reabsorption. The secretory process begins when CO2 either diffuses into the tubular cells or is formed by metabolism in the tubular epithelial cells. Under the influence of the enzyme carbonic anhydrase, CO2, combines with H2O to form H2CO3, which dissociates into HCO3- and H+. The H+ is secreted from the cell into the tubular lumen by sodium-hydrogen counter- transport. That is, when Nat moves from the lumen of the tubule to the interior of the cell, it first combines with a carrier protein in the luminal border of the cell membrane; at the same time, a H+ in the interior of the cells combines with the carrier protein. The Na1 moves into the cell down a concentration gradient that has been established by the Na+-K+ ATPase pump in the basolateral membrane. The gradient for Na+ movement into the cell then provides the energy for moving H+ in the opposite direction from the interior of the cell to the tubular lumen.

شکل 31-5 نشان می‌دهد که چگونه فرآیند ترشح ⁺H به بازجذب HCO₃ می‌رسد. فرآیند ترشح زمانی شروع می‌شود که CO2 یا به داخل سلول‌های لوله ای منتشر می‌شود یا توسط متابولیسم در سلول‌های اپیتلیال لوله ای تشکیل می‌شود. تحت تأثیر آنزیم کربنیک انیدراز، CO₂، با H2O ترکیب می‌شود و H₂CO₃ را تشکیل می‌دهد که به ^–HCO₃ و ⁺H تجزیه می‌شود. +H از سلول به مجرای لوله ای با انتقال متقابل سدیم-هیدروژن ترشح می‌شود. یعنی وقتی Nat از مجرای لوله به داخل سلول حرکت می‌کند، ابتدا با یک پروتئین حامل در مرز مجرای غشای سلول ترکیب می‌شود. در همان زمان، یک ⁺H در داخل سلول‌ها با پروتئین حامل ترکیب می‌شود. Na1 به داخل سلول به سمت پایین گرادیان غلظتی حرکت می‌کند که توسط پمپ Na⁺-K⁺ ATPase در غشای قاعده جانبی ایجاد شده است. سپس گرادیان برای حرکت ⁺Na به داخل سلول، انرژی را برای حرکت ⁺H در جهت مخالف از داخل سلول به لومن لوله‌ای فراهم می‌کند.

The HCO3- generated in the cell (when H+ dissociates from H2CO3) then moves downhill across the basolateral membrane, into the renal interstitial fluid and peritubular capillary blood. The net result is that for every H+ secreted into the tubular lumen, an HCO3- enters the blood.

^–HCO₃ تولید شده در سلول (زمانی که ⁺H از H₂CO₃ جدا می‌شود) سپس در سراشیبی غشای قاعده جانبی به داخل مایع بینابینی کلیوی و خون مویرگی اطراف لوله حرکت می‌کند. نتیجه خالص این است که به ازای هر ⁺H که در لومن لوله‌ای ترشح می‌شود، یک ^–HCO₃ وارد خون می‌شود.

Figure 31-5. Shown are the cellular mechanisms for the following: (1) active secretion of H+ into the renal tubule; (2) tubular reabsorption of HCO3 by combination with H+ to form H2CO3, which dissociates to form CO2 and H2O; and (3) Nat reabsorption in exchange for H+ secreted.This pattern of H+ secretion occurs in the proximal tubule, thick ascending segment of the loop of Henle, and early distal tubule.

شکل 31-5. مکانیسم‌های سلولی برای موارد زیر نشان داده شده است: (1) ترشح فعال ⁺H به داخل لوله کلیوی. (2) بازجذب لوله ای HCO₃ با ترکیب با ⁺H برای تشکیل H₂CO₃، که تجزیه می‌شود و CO₂ و H₂O را تشکیل می‌دهد. و (3) بازجذب ⁺Na در ازای ترشح ⁺H. این الگوی ترشح +H در لوله پروگزیمال، بخش صعودی ضخیم حلقه هنله و لوله دیستال اولیه رخ می‌دهد.

FILTERED HCO3- IS REABSORBED BY INTERACTION WITH H+ IN THE TUBULES

Bicarbonate ions do not readily permeate the luminal mem- branes of the renal tubular cells; therefore, HCO3- that is filtered by the glomerulus cannot be directly reabsorbed. Instead, HCO3- is reabsorbed by a special process in which it first combines with H+ to form H2CO3, which eventually becomes CO2 and H2O, as shown in Figure 31-5.

HCO3 فیلتر شده- با برهمکنش با +H در لوله‌ها بازجذب می‌شود

یون‌های بی کربنات به راحتی در غشای مجرای سلول‌های لوله ای کلیه نفوذ نمی‌کنند. بنابراین، ^–HCO₃ که توسط گلومرول فیلتر می‌شود، نمی‌تواند مستقیماً دوباره جذب شود. در عوض، ^–HCO₃ توسط یک فرآیند خاص دوباره جذب می‌شود که در آن ابتدا با ⁺H ترکیب می‌شود و H₂CO₃ را تشکیل می‌دهد، که در نهایت به CO₂ و H₂O تبدیل می‌شود، همانطور که در شکل 31-5 نشان داده شده است.

This reabsorption of HCO3- is initiated by a reaction in the tubules between HCO3- filtered at the glomerulus and H+ secreted by the tubular cells. The H2CO3 formed then dissociates into CO2 and H2O. The CO2 can move easily across the tubular membrane; therefore, it instantly diffuses into the tubular cell, where it recombines with H2O, under the influence of carbonic anhydrase, to generate a new H2CO3 molecule. This H2CO3 dissociates to form HCO3- and H+; the HCO3- then diffuses through the basolateral membrane into the interstitial fluid and is taken up into the peritubular capillary blood. The trans- port of HCO3 across the basolateral membrane is facilitated by two mechanisms: (1) Na+-HCO3- co-transport in the proximal tubules; and (2) CI–HCO3- exchange in the late segments of the proximal tubule, thick ascending loop of Henle, and collecting tubules and ducts.

این بازجذب ^–HCO₃ با واکنشی در لوله‌های بین -HCO₃ فیلتر شده در گلومرول و ⁺H ترشح شده توسط سلول‌های لوله ای آغاز می‌شود. H₂CO₃ تشکیل شده سپس به CO₂ و H₂O تجزیه می‌شود. CO₂ می‌تواند به راحتی در سراسر غشای لوله ای حرکت کند. بنابراین، فوراً به داخل سلول لوله‌ای منتشر می‌شود، جایی که با H₂O، تحت تأثیر کربنیک انیدراز، دوباره ترکیب می‌شود تا یک مولکول H₂CO₃ جدید تولید کند. این H₂CO₃ تجزیه می‌شود تا ^–HCO₃ و ⁺H را تشکیل دهد. ^–HCO₃ سپس از طریق غشای قاعده‌ای جانبی به داخل مایع بینابینی منتشر می‌شود و به خون مویرگی اطراف لوله‌ای منتقل می‌شود. انتقال HCO₃ از طریق غشای قاعده‌ای توسط دو مکانیسم تسهیل می‌شود: (1) ^–Na⁺-HCO₃ هم‌رسانی در لوله‌های پروگزیمال. و (2) تبادل ^–CI^–-HCO₃ در بخش‌های انتهایی لوله پروگزیمال، حلقه صعودی ضخیم هنله، و لوله‌ها و مجاری جمع آوری می‌شود.

Thus, each time a H+ is formed in the tubular epithelial cells, an HCO3- is also formed and released back into the blood. The net effect of these reactions is “reabsorption” of HCO3 from the tubules, although the HCO3- that actually enters the extracellular fluid is not the same as that filtered into the tubules. The reabsorption of filtered HCO3 does not result in net secretion of H+ because the secreted H+ combines with the filtered HCO3- and is therefore not excreted.

بنابراین، هر بار که +H در سلول‌های اپیتلیال لوله‌ای تشکیل می‌شود، ^–HCO₃ نیز تشکیل می‌شود و دوباره به خون آزاد می‌شود. اثر خالص این واکنش‌ها «جذب مجدد» HCO₃ از لوله‌ها است، اگرچه ^–HCO₃ که در واقع وارد مایع خارج سلولی می‌شود، با آنچه که در لوله‌ها فیلتر می‌شود، یکسان نیست. بازجذب HCO₃ فیلتر شده منجر به ترشح خالص ⁺H نمی‌شود زیرا ⁺ H ترشح شده با ^–HCO₃ فیلتر شده ترکیب می‌شود و بنابراین دفع نمی‌شود.

HCO3- Is Titrated Against H+ in the Tubules. Under normal conditions, the rate of tubular H+ secretion is about 4400 mEq/day, and the rate of filtration by HCO3- is about 4320 mEq/day. Thus, the quantities of these two ions entering the tubules are almost equal, and they combine with each other to form CO2 and H2O. Therefore, it is said that HCO3 and H⁺ normally “titrate” each other in the tubules.

^–HCO₃ در برابر ⁺H در لوله‌ها تیتر می‌شود. در شرایط عادی، سرعت ترشح ⁺H لوله ای حدود 4400 میلی اکی والان در روز و میزان فیلتراسیون توسط ^– HCO₃ حدود 4320 میلی اکی والان در روز است. بنابراین، مقدار این دو یون وارد شده به لوله‌ها تقریباً برابر است و با یکدیگر ترکیب می‌شوند و CO₂ و H₂O را تشکیل می‌دهند. بنابراین، گفته می‌شود که HCO₃ و ⁺H به طور معمول یکدیگر را در لوله‌ها “تیتر” می‌کنند.

The titration process is not quite exact because there is usually a slight excess of H+ in the tubules to be excreted in the urine. This excess H+ (~80 mEq/day) rids the body of nonvolatile acids produced by metabolism. As dis- cussed later, most of this H+ is not excreted as free H+ but is in combination with other urinary buffers, especially phosphate and ammonia.

فرآیند تیتراسیون کاملاً دقیق نیست زیرا معمولاً مقدار کمی‌⁺H در لوله‌ها وجود دارد تا از طریق ادرار دفع شود. این H+ اضافی (~80 mEq/day) بدن را از شر اسیدهای غیرفرار تولید شده توسط متابولیسم خلاص می‌کند. همانطور که بعداً بحث شد، بیشتر این ⁺H به صورت ⁺H آزاد دفع نمی‌شود، بلکه در ترکیب با سایر بافرهای ادراری، به ویژه فسفات و آمونیاک است.

When there is an excess of HCO3- over H+ in the urine, as occurs in metabolic alkalosis, the excess HCO3- can- not be reabsorbed. Therefore, the excess HCO3- is left in the tubules and eventually excreted into the urine, which helps correct the metabolic alkalosis.

هنگامی‌که ^–HCO₃ بیش از ⁺H در ادرار وجود دارد، همانطور که در آلکالوز متابولیک رخ می‌دهد، ^–HCO₃ اضافی نمی‌تواند دوباره جذب شود. بنابراین، ^–HCO₃ اضافی در لوله‌ها باقی می‌ماند و در نهایت به ادرار دفع می‌شود که به اصلاح آلکالوز متابولیک کمک می‌کند.

In acidosis, there is excess H+ relative to HCO3-, causing complete reabsorption of the HCO3; the excess H+ passes into the urine in combination with urinary buffers, especially phosphate and ammonia, and eventually is excreted as salts. Thus, the basic mechanism whereby the kidneys correct acidosis or alkalosis is incomplete titration of H+ against HCO3-, leaving one or the other to pass into the urine and be removed from the extracellular fluid.

در اسیدوز، ⁺H اضافی نسبت به ^–HCO₃ وجود دارد که باعث بازجذب کامل HCO3 می‌شود. ⁺H اضافی در ترکیب با بافرهای ادراری به ویژه فسفات و آمونیاک وارد ادرار می‌شود و در نهایت به صورت نمک دفع می‌شود. بنابراین، مکانیسم اساسی که توسط آن کلیه‌ها اسیدوز یا آلکالوز را تصحیح می‌کنند، تیتراسیون ناقص ⁺H در برابر ^–HCO₃ است که باعث می‌شود یکی یا دیگری به ادرار رفته و از مایع خارج سلولی خارج شود.

PRIMARY ACTIVE SECRETION OF H+ IN THE INTERCALATED CELLS OF LATE DISTAL AND COLLECTING TUBULES

Beginning in the late distal tubules and continuing through the remainder of the tubular system, the tubular epithelium secretes H+ by primary active transport. The characteristics of this transport are different from those discussed for the proximal tubule, loop of Henle, and early distal tubule.

ترشح فعال اولیه ⁺H در سلول‌های در هم آمیخته لوله‌های انتهایی دیستال و جمع کننده

اپیتلیوم لوله‌ای که از لوله‌های انتهایی انتهایی شروع می‌شود و از طریق بقیه سیستم لوله‌ای ادامه می‌یابد، +H را با انتقال فعال اولیه ترشح می‌کند. ویژگی‌های این انتقال با مواردی که برای لوله پروگزیمال، حلقه هنله و لوله دیستال اولیه مورد بحث قرار گرفت متفاوت است.

The mechanism for primary active H+ secretion was discussed in Chapter 28 and is shown in Figure 31- 6. It occurs at the luminal membrane of the tubular cell, where H+ is transported directly by specific proteins, a hydrogen-transporting ATPase and a hydrogen-potassium- ATPase transporter. The energy required for pumping the H+ is derived from the breakdown of ATP to adenosine diphosphate.

مکانیسم ترشح فعال اولیه ⁺H در فصل 28 مورد بحث قرار گرفت و در شکل 31-6 نشان داده شده است. این مکانیسم در غشای مجرای سلول لوله‌ای رخ می‌دهد، جایی که ⁺H مستقیماً توسط پروتئین‌های خاص، یک ATPase حامل هیدروژن و یک انتقال‌دهنده هیدروژن-پتاسیم-ATPase منتقل می‌شود. انرژی مورد نیاز برای پمپاژ ⁺H از تجزیه ATP به آدنوزین دی فسفات به دست می‌آید.

Primary active secretion of H+ occurs in special types of cells called the type A intercalated cells of the late distal tubule and in the collecting tubules. Hydrogen ion secretion in these cells is accomplished in two steps: (1) the dissolved CO2 in this cell combines with H2O to form H2CO3; and (2) the HCO then dissociates into HCO3-, which is reabsorbed into the blood, plus H+, which is secreted into the tubule by means of the hydrogen-ATPase and the hydrogen-potassium-ATPase transporters. For each H+ secreted, a HCO3- is reabsorbed, similar to the process in the proximal tubules. The main difference is that H+ moves across the luminal membrane by an active H+ pump instead of by counter-transport, as occurs in the early parts of the nephron.

ترشح فعال اولیه ⁺H در انواع خاصی از سلول‌ها به نام سلول‌های intercalated نوع A در اواخر توبول دیستال و در لوله‌های جمع‌کننده رخ می‌دهد. ترشح یون هیدروژن در این سلول‌ها در دو مرحله انجام می‌شود: (1) CO₂ محلول در این سلول با H₂O ترکیب می‌شود و H₂CO₃ را تشکیل می‌دهد. و (2) سپس HCO به HCO3-، که دوباره جذب خون می‌شود، به اضافه ⁺H، که با استفاده از هیدروژن-ATPase و انتقال دهنده‌های هیدروژن- پتاسیم-ATPase به داخل لوله ترشح می‌شود، تجزیه می‌شود. برای هر ⁺H ترشح شده، یک ^–HCO₃ دوباره جذب می‌شود، مشابه فرآیندی که در لوله‌های پروگزیمال انجام می‌شود. تفاوت اصلی این است که ⁺H به جای انتقال متقابل، همانطور که در قسمت‌های اولیه نفرون اتفاق می‌افتد، از طریق یک پمپ ⁺H فعال در غشای مجرا حرکت می‌کند.

Although secretion of H+ in the late distal tubule and collecting tubules accounts for only about 5% of the total H+ secreted, this mechanism is important in forming maximally acidic urine. In the proximal tubules, H+ concentration can be increased only about threefold to fourfold and the tubular fluid pH can be reduced to only about 6.7, although large amounts of H+ are secreted by this nephron segment. However, H+ concentration can be increased as much as 900-fold in the collecting tubules. This mechanism decreases the pH of the tubular fluid to about 4.5, which is the lower limit of pH that can be achieved in normal kidneys.

اگرچه ترشح ⁺H در لوله‌های انتهایی دیستال و توبول‌های جمع‌کننده تنها حدود 5 درصد از کل ⁺H ترشح شده را تشکیل می‌دهد، این مکانیسم در تشکیل ادرار حداکثر اسیدی مهم است. در لوله‌های پروگزیمال، غلظت ⁺H را می‌توان تنها حدود سه تا چهار برابر افزایش داد و pH مایع لوله‌ای را می‌توان به حدود 6.7 کاهش داد، اگرچه مقادیر زیادی ⁺H توسط این بخش نفرون ترشح می‌شود. با این حال، غلظت ⁺H را می‌توان تا 900 برابر در لوله‌های جمع کننده افزایش داد. این مکانیسم PH مایع لوله‌ای را به حدود 4.5 کاهش می‌دهد که حد پایین pH است که می‌توان در کلیه‌های طبیعی به دست آورد.

Figure 31-6. Active secretion of H+ through the luminal membrane of the type A intercalated epithelial cells of the late distal and collecting tubules. Type A cells contain hydrogen-adenosine triphosphatase (ATPase) and hydrogen-potassium-ATPase in the luminal membrane and secrete H+ while reabsorbing HCO3 and K+ in acidosis. Note that one HCO3- is reabsorbed for each H+ secreted, and one Cl- is passively secreted along with H+.

شکل 31-6. ترشح فعال ⁺H از طریق غشای مجرای نوع A سلول‌های اپیتلیال درونی لوله‌های انتهایی دیستال و جمع کننده. سلول‌های نوع A حاوی هیدروژن-آدنوزین تری فسفاتاز (ATPase) و هیدروژن-پتاسیم-ATPase در غشای مجرا هستند و ⁺H ترشح می‌کنند در حالی که در اسیدوز HCO₃ و ⁺K را بازجذب می‌کنند. توجه داشته باشید که یک ^–HCO₃ به ازای هر ⁺H ترشح شده مجدد جذب می‌شود و یک ^–Cl به صورت غیر فعال همراه با ⁺H ترشح می‌شود.

COMBINATION OF EXCESS H+ WITH PHOSPHATE AND AMMONIA BUFFERS IN THE TUBULE GENERATES “NEW” HCO,”

When H+ is secreted in excess of the HCO₃^– filtered into the tubular fluid, only a small part of the excess H⁺ can be excreted in the ionic form (H⁺) in the urine.This is because the minimal urine pH is about 4.5, corresponding to an H concentration of 10-45 mEq/L, or 0.03 mEq/L. Thus, for each liter of urine formed, a maximum of only about 0.03 mEq of free H⁺ can be excreted. To excrete the 80 mEq of nonvolatile acid formed by metabolism each day, about 2667 liters of urine would have to be excreted if the H⁺ remained free in solution.

ترکیب H+ اضافی با بافرهای فسفات و آمونیاک در لوله، HCO “جدید” تولید می‌کند.

هنگامی‌که ⁺H بیش از ^–HCO₃ فیلتر شده در مایع لوله‌ای ترشح می‌شود، تنها بخش کوچکی از ⁺H اضافی می‌تواند به شکل یونی (⁺H) در ادرار دفع شود. این به این دلیل است که حداقل pH ادرار حدود 4.5 است که مطابق با غلظت H 10-45 mEq/L یا 0.03 mEq/L است. بنابراین، برای هر لیتر ادرار تشکیل شده، حداکثر تنها حدود 0.03 میلی اکی والان ⁺H آزاد می‌تواند دفع شود. برای دفع 80 میلی اکی والان اسید غیرفرار که توسط متابولیسم در هر روز تشکیل می‌شود، اگر ⁺H در محلول آزاد بماند، باید حدود 2667 لیتر ادرار دفع شود.

The excretion of large amounts of H+ (on occasion as much as 500 mEq/day) in the urine is accomplished primarily by combining the H+ with buffers in the tubular fluid. The most important buffers are phosphate buffer and ammonia buffer. Other weak buffer systems, such as urate and citrate, are much less important.

دفع مقادیر زیادی ⁺H (در مواردی به میزان mEq/day 500) در ادرار عمدتاً با ترکیب ⁺H با بافرهای موجود در مایع لوله‌ای انجام می‌شود. مهم ترین بافرها بافر فسفات و بافر آمونیاک هستند. سایر سیستم‌های بافر ضعیف، مانند اورات و سیترات، اهمیت بسیار کمتری دارند.

When H+ is titrated in the tubular fluid with HCO3-, this leads to reabsorption of one HCO3- for each H+ secreted, as discussed earlier. However, when there is excess H+ in the tubular fluid, it combines with buffers other than HCO3-, and this leads to generation of new HCO3 that can also enter the blood. Thus, when there is excess H+ in the extracellular fluid, the kidneys not only reabsorb all the filtered HCO3- but also generate new HCO3, thereby helping replenish the HCO3- lost from the extracellular fluid in acidosis. In the next two sections, we discuss the mechanisms whereby phosphate and ammonia buffers contribute to generation of new HCO₃.

هنگامی‌که ⁺H در مایع لوله ای با ^–HCO₃ تیتر می‌شود، این منجر به بازجذب یک ^–HCO₃ برای هر ⁺H ترشح شده، همانطور که قبلاً بحث شد، می‌شود. با این حال، وقتی ⁺H اضافی در مایع لوله‌ای وجود دارد، با بافرهایی غیر از ^–HCO₃ ترکیب می‌شود و این منجر به تولید HCO₃ جدید می‌شود که می‌تواند وارد خون نیز شود. بنابراین، هنگامی‌که ⁺H اضافی در مایع خارج سلولی وجود داشته باشد، کلیه‌ها نه تنها تمام ^–HCO₃ فیلتر شده را دوباره جذب می‌کنند، بلکه HCO₃ جدید تولید می‌کنند و در نتیجه به پر کردن ^–HCO₃ از دست رفته از مایع خارج سلولی در اسیدوز کمک می‌کنند. در دو بخش بعدی، مکانیسم‌هایی را مورد بحث قرار می‌دهیم که به موجب آن بافرهای فسفات و آمونیاک به تولید HCO₃ جدید کمک می‌کنند.

PHOSPHATE BUFFER SYSTEM CARRIES EXCESS H+ INTO THE URINE AND GENERATES NEW HCO3-

The phosphate buffer system is composed of HPO4. Both become concentrated in the tubular fluid because water is normally reabsorbed to a greater extent than phosphate by the renal tubules. Therefore, although phosphate is not an important extracellular fluid buffer, it is much more effective as a buffer in the tubular fluid.

سیستم بافر فسفات، H+ اضافی را به داخل ادرار می‌برد و HCO3- جدید تولید می‌کند.

سیستم بافر فسفات از HPO₄ تشکیل شده است. هر دو در مایع لوله ای متمرکز می‌شوند زیرا آب معمولاً به میزان بیشتری نسبت به فسفات توسط لوله‌های کلیوی بازجذب می‌شود. بنابراین، اگرچه فسفات یک بافر مایع خارج سلولی مهم نیست، اما به عنوان یک بافر در مایع لوله ای بسیار موثرتر است.

Another factor that makes phosphate important as a tubular buffer is the fact that the pK of this system is about 6.8. Under normal conditions, the urine is slightly acidic, and the urine pH is near the pK of the phosphate buffer system. Therefore, in the tubules, the phosphate buffer system normally functions near its most effective pH range.

عامل دیگری که فسفات را به عنوان یک بافر لوله ای مهم می‌کند این است که pK این سیستم حدود 6.8 است. در شرایط عادی، ادرار کمی‌اسیدی است و pH ادرار نزدیک pK سیستم بافر فسفات است. بنابراین، در لوله‌ها، سیستم بافر فسفات به طور معمول نزدیک به موثرترین محدوده pH خود عمل می‌کند.

Figure 31-7 shows the sequence of events whereby H+ is excreted in combination with phosphate buffer and the mechanism whereby new HCO3 is added to the blood. The process of H+ secretion into the tubules is the same as described earlier. As long as there is excess HCO3- in the tubular fluid, most of the secreted H+ combines with HCO3. However, once all the HCO3- has been reabsorbed and is no longer available to combine with H+, any excess H+ can combine with HPO4 and other tubular buffers. After the H+ combines with HPO4 to form H2PO4, it can be excreted as a sodium salt (NaH2PO4), carrying with it the excess H+.

شکل 31-7 توالی وقایعی را نشان می‌دهد که به موجب آن ⁺H در ترکیب با بافر فسفات دفع می‌شود و مکانیسمی‌که در آن HCO₃ جدید به خون اضافه می‌شود. فرآیند ترشح ⁺H به داخل لوله‌ها همان است که قبلا توضیح داده شد. تا زمانی که ^–HCO₃ اضافی در مایع لوله ای وجود داشته باشد، بیشتر ⁺H ترشح شده با HCO₃ ترکیب می‌شود. با این حال، هنگامی‌که تمام ^–HCO₃ دوباره جذب شد و دیگر برای ترکیب با ⁺H در دسترس نیست، هر ⁺H اضافی می‌تواند با HPO₄ و سایر بافرهای لوله‌ای ترکیب شود. پس از اینکه ⁺H با HPO4 ترکیب شد و H₂PO₄ تشکیل داد، می‌توان آن را به صورت نمک سدیم (NaH₂PO₄) دفع کرد و ⁺H اضافی را با خود حمل کرد.

There is one important difference in this sequence of H+ excretion from that discussed previously. In this case, the HCO3- that is generated in the tubular cell and enters the peritubular blood represents a net gain of HCO3 by the blood, rather than merely a replacement of filtered HCO3. Therefore, whenever an H+ secreted into the tubular lumen combines with a buffer other than HCO3, the net effect is the addition of a new HCO3- to the blood. This process demonstrates one of the mechanisms whereby the kidneys can replenish the extracellular fluid stores of HCO3.

یک تفاوت مهم در این توالی دفع ⁺H با آنچه قبلاً بحث شد وجود دارد. در این مورد، ^–HCO₃ که در سلول لوله ای تولید می‌شود و وارد خون اطراف لوله می‌شود، نشان دهنده افزایش خالص HCO₃ توسط خون است، نه صرفاً جایگزینی HCO₃ فیلتر شده. بنابراین، هرگاه ⁺H ترشح شده در مجرای لوله‌ای با بافری غیر از HCO₃ ترکیب شود، اثر خالص افزودن یک ^–HCO₃ جدید به خون است. این فرآیند یکی از مکانیسم‌هایی را نشان می‌دهد که به موجب آن کلیه‌ها می‌توانند ذخایر مایع خارج سلولی HCO₃ را دوباره پر کنند.

Under normal conditions, much of the filtered phosphate is reabsorbed, and only 30 to 40 mEq/day are avail- able for buffering H+. Therefore, much of the buffering of excess H⁺ in the tubular fluid in acidosis occurs through the ammonia buffer system.

در شرایط عادی، بیشتر فسفات فیلتر شده دوباره جذب می‌شود و تنها 30 تا 40 میلی اکی والان در روز برای بافر ⁺H در دسترس است. بنابراین، بیشتر بافر ⁺H اضافی در مایع لوله‌ای در اسیدوز از طریق سیستم بافر آمونیاک انجام می‌شود.

Figure 31-7. Buffering of secreted H+ by filtered phosphate (NaH- PO). Note that a new HCO3- is returned to the blood for each NaH- PO4 that reacts with a secreted H+.

شکل 31-7. بافر ⁺H ترشح شده توسط فسفات فیلتر شده (NaH-PO). توجه داشته باشید که یک ^–HCO₃ جدید به ازای هر NaH-PO₄ که با ⁺H ترشح شده واکنش می‌دهد، به خون بازگردانده می‌شود.

EXCRETION OF EXCESS H+ AND GENERATION OF NEW HCO3-BY AMMONIA BUFFER SYSTEM

A second buffer system in the tubular fluid that is even more important quantitatively than the phosphate buffer system is composed of ammonia (NH3) and the ammonium ion (NH4). Ammonium ion is synthesized from glutamine, which comes mainly from metabolism of amino acids in the liver. The glutamine delivered to the kidneys is transported into epithelial cells of the proximal tubules, thick ascending limb of the loop of Henle, and distal tubules (Figure 31-8). Once inside the cell, each molecule of glutamine is metabolized in a series of reactions to ultimately form two NH4+ and two HCO3-. The NH4+ is secreted into the tubular lumen by a counter- transport mechanism in exchange for sodium, which is reabsorbed. The HCO3- is transported across the basolateral membrane, along with the reabsorbed Na+, into the interstitial fluid and is taken up by the peritubular capillaries. Thus, for each molecule of glutamine metabolized in the proximal tubules, two NH4+ are secreted into the urine and two HCO3- are reabsorbed into the blood. The HCO3-generated by this process constitutes new HCO3-

دفع H+ اضافی و تولید HCO3-BY جدید توسط سیستم بافر آمونیاک

یک سیستم بافر دوم در مایع لوله‌ای که از نظر کمی‌حتی مهم‌تر از سیستم بافر فسفات است از آمونیاک (NH₃) و یون آمونیوم (NH₄) تشکیل شده است. یون آمونیوم از گلوتامین که عمدتاً از متابولیسم اسیدهای آمینه در کبد به دست می‌آید، سنتز می‌شود. گلوتامین تحویلی به کلیه‌ها به سلول‌های اپیتلیال لوله‌های پروگزیمال، اندام صعودی ضخیم حلقه هنله و لوله‌های دیستال منتقل می‌شود (شکل 31-8). هر مولکول گلوتامین پس از ورود به سلول، در یک سری واکنش متابولیزه می‌شود تا در نهایت دو ⁺NH₄ و دو ^–HCO₃ تشکیل شود. ⁺NH₄ توسط یک مکانیسم انتقال متقابل در ازای سدیم که دوباره جذب می‌شود، به لومن لوله‌ای ترشح می‌شود. -HCO₃ از طریق غشای قاعده‌ای جانبی همراه با ⁺Na بازجذب شده به داخل مایع بینابینی منتقل می‌شود و توسط مویرگ‌های اطراف لوله‌ای جذب می‌شود. بنابراین، برای هر مولکول گلوتامین متابولیزه شده در لوله‌های پروگزیمال، دو ⁺NH₄ در ادرار ترشح می‌شود و دو ^–HCO₃ دوباره در خون جذب می‌شوند. HCO₃ تولید شده توسط این فرآیند، ^–HCO₃ جدید را تشکیل می‌دهد.

In the collecting tubules, the addition of NH4+ to the tubular fluids occurs through a different mechanism (Figure 31-9). Here, H+ is actively secreted by the tubular membrane into the lumen, where it combines with NH3 to form NH4+, which is then excreted. The collecting ducts are permeable to NH3, which can easily diffuse into the tubular lumen. However, the luminal membrane of this part of the tubules is much less permeable to NH4+; there- fore, once the H+ has reacted with NH3 to form NH4+, the NH4+ is trapped in the tubular lumen and eliminated in the urine. For each NH4+ excreted, a new HCO3- is generated and added to the blood.

در لوله‌های جمع‌آوری، افزودن NH₄+ به مایعات لوله‌ای از طریق مکانیسم متفاوتی اتفاق می‌افتد (شکل 31-9). در اینجا، ⁺H به طور فعال توسط غشای لوله‌ای به لومن ترشح می‌شود، جایی که با NH₃ ترکیب می‌شود و ⁺NH₄ را تشکیل می‌دهد که سپس دفع می‌شود. مجراهای جمع کننده نسبت به NH₃ نفوذپذیر هستند که می‌تواند به راحتی در لومن لوله ای منتشر شود. با این حال، غشای مجرای این قسمت از لوله‌ها نسبت به ⁺NH₄ نفوذپذیری بسیار کمتری دارد. بنابراین، هنگامی‌که ⁺H با NH₃ واکنش نشان داد و ⁺NH₄ را تشکیل داد، ⁺NH₄ در مجرای لوله‌ای به دام افتاده و در ادرار دفع می‌شود. برای هر ⁺NH₄ دفع شده، یک ^–HCO₃ جدید تولید و به خون اضافه می‌شود.

Figure 31-8. Production and secretion of ammonium ion (NH4+) by proximal tubular cells. Glutamine is metabolized in the cell, yielding NH4+ and HCO3. The NH4+ is secreted into the lumen by a Na+-NH4+ exchanger. For each glutamine molecule metabolized, two NH4+ are produced and secreted, and two HCO3- are returned to the blood.

شکل 31-8. تولید و ترشح یون آمونیوم (⁺NH₄) توسط سلول‌های لوله پروگزیمال. گلوتامین در سلول متابولیزه می‌شود و ⁺NH₄ و HCO₃ تولید می‌کند. ⁺NH₄ توسط یک مبدل ⁺Na⁺-NH₄ به لومن ترشح می‌شود. برای هر مولکول گلوتامین متابولیزه شده، دو ⁺NH₄ تولید و ترشح می‌شود و دو ^–HCO₃ به خون بازگردانده می‌شود.

Figure 31-9. Buffering of H+ secretion by ammonia (NH3) in the collecting tubules. NH3 diffuses into the tubular lumen, where it reacts with secreted H+ to form NH4+, which is then excreted. For each NH4+ excreted, a new HCO3- is formed in the tubular cells and returned to the blood.

شکل 31-9. بافر ترشح ⁺H توسط آمونیاک (NH₃) در لوله‌های جمع کننده. NH₃ در مجرای لوله‌ای منتشر می‌شود و در آنجا با ⁺H ترشح شده واکنش داده و ⁺NH₄ را تشکیل می‌دهد که سپس دفع می‌شود. به ازای هر ⁺NH₄ دفع شده، یک -HCO₃ جدید در سلول‌های لوله ای تشکیل می‌شود و به خون باز می‌گردد.

Chronic Acidosis Increases NH4+ Excretion. One of the most important features of the renal ammonium- ammonia buffer system is that it is subject to physiological control. An increase in extracellular fluid H+ concentration stimulates renal glutamine metabolism and, there- fore, increases formation of NH4+ and new HCO3- to be used in H+ buffering; a decrease in H+ concentration has the opposite effect.

اسیدوز مزمن باعث افزایش دفع ⁺NH₄ می‌شود. یکی از مهمترین ویژگی‌های سیستم بافر آمونیوم- آمونیاک کلیه این است که تحت کنترل فیزیولوژیکی قرار دارد. افزایش غلظت ⁺H مایع خارج سلولی، متابولیسم گلوتامین کلیوی را تحریک می‌کند و بنابراین، تشکیل ⁺NH₄ و ^–HCO₃ جدید را برای استفاده در بافر ⁺H افزایش می‌دهد. کاهش غلظت ⁺H اثر معکوس دارد.

Under normal conditions, the amount of H+ eliminated by the ammonia buffer system accounts for about 50% of the acid excreted and 50% of the new HCO3- generated by the kidneys. However, with chronic acidosis, the rate of NH4+ excretion can increase to as much as 500 mEq/day. Therefore, with chronic acidosis, the dominant mechanism for acid elimination is excretion of NH4+. This process also provides the most important mechanism for generating new bicarbonate during chronic acidosis.

در شرایط عادی، مقدار ⁺H حذف شده توسط سیستم بافر آمونیاک حدود 50 درصد از اسید دفع شده و 50 درصد از ^–HCO₃ جدید تولید شده توسط کلیه‌ها را تشکیل می‌دهد. با این حال، با اسیدوز مزمن، سرعت دفع ⁺NH₄ می‌تواند تا 500 میلی اکی والان در روز افزایش یابد. بنابراین، با اسیدوز مزمن، مکانیسم غالب برای حذف اسید، دفع ⁺NH₄ است. این فرآیند همچنین مهمترین مکانیسم تولید بی کربنات جدید را در طی اسیدوز مزمن فراهم می‌کند.

QUANTIFYING RENAL ACID-BASE EXCRETION

Based on the principles discussed earlier, we can quantify the kidneys’ net excretion of acid or net addition or elimination of HCO3- from the blood as follows.

کمی‌سازی دفع اسید-باز کلیوی

بر اساس اصولی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، می‌توانیم مقدار خالص دفع اسید توسط کلیه‌ها یا افزودن خالص یا حذف -HCO₃ از خون را به شرح زیر تعیین کنیم.

Bicarbonate excretion is calculated as urine flow rate multiplied by the urinary HCO3- concentration and indicates how rapidly the kidneys are removing HCO3- from the blood, which is the same as adding an H+ to the blood. In alkalosis, the loss of HCO3- helps return the plasma pH toward normal.

دفع بی کربنات به صورت سرعت جریان ادرار ضرب در غلظت ^–HCO₃ ادراری محاسبه می‌شود و نشان می‌دهد که کلیه‌ها با چه سرعتی ^–HCO₃ را از خون خارج می‌کنند، که همان افزودن ⁺H به خون است. در آلکالوز، از دست دادن ^–HCO₃ به بازگشت pH پلاسما به حالت نرمال کمک می‌کند.

The amount of new HCO3- contributed to the blood at any given time is equal to the amount of H+ secreted that ends up in the tubular lumen with non-bicarbonate urinary buffers. As discussed previously, the primary sources of nonbicarbonate urinary buffers are NH4+ and phosphate. Therefore, part of the HCO3- added to the blood (and H+ excreted by NH4+) is calculated by measuring NH4 excretion (urine flow rate multiplied by urinary NH4+ concentration).

مقدار ^–HCO₃ جدید وارد شده به خون در هر زمان معین برابر با مقدار ⁺H ترشح شده است که به مجرای لوله‌ای با بافرهای ادراری غیر بی کربنات می‌رسد. همانطور که قبلاً گفته شد، منابع اولیه بافرهای ادراری غیر بی کربنات ⁺NH₄ و فسفات هستند. بنابراین، بخشی از ^–HCO₃ اضافه شده به خون (و ⁺H دفع شده توسط ⁺NH₄) با اندازه گیری دفع NH₄ (سرعت جریان ادرار ضربدر غلظت ⁺NH₄ ادرار) محاسبه می‌شود.

The rest of the non-bicarbonate, non-NH4+ buffer excreted in the urine is measured by determining a value known as titratable acid. The amount of titratable acid in the urine is measured by titrating the urine with a strong base, such as NaOH, to a pH of 7.4, the pH of normal plasma and the pH of the glomerular filtrate. This titration reverses the events that occurred in the tubular lumen when the tubular fluid was titrated by secreted H+. Therefore, the number of milliequivalents of NaOH required to return the urinary pH to 7.4 equals the number of milliequivalents of H+ added to the tubular fluid that combined with phosphate and other organic buffers. The titratable acid measurement does not include H+ in association with NH4+ because the pK of the ammonia- ammonium reaction is 9.2, and titration with NaOH to a pH of 7.4 does not remove the H+ from NH4+.

بقیه بافر غیر بی کربنات و غیر ⁺NH₄ که در ادرار دفع می‌شود با تعیین مقداری به نام اسید قابل تیتراسیون اندازه گیری می‌شود. مقدار اسید قابل تیتراسیون در ادرار با تیتر کردن ادرار با یک باز قوی مانند NaOH تا pH 7.4، pH پلاسما طبیعی و pH فیلتر گلومرولی اندازه گیری می‌شود. این تیتراسیون وقایعی را که در لومن لوله‌ای رخ می‌دهد معکوس می‌کند که مایع لوله‌ای توسط ⁺H ترشح شده تیتر می‌شود. بنابراین، تعداد میلی‌اکی‌والان‌های NaOH مورد نیاز برای بازگرداندن pH ادرار به 7.4 برابر با تعداد میلی‌اکی‌والان ⁺H اضافه‌شده به مایع لوله‌ای است که با فسفات و سایر بافرهای آلی ترکیب می‌شود. اندازه‌گیری اسید قابل تیتر کردن، ⁺H را در ارتباط با ⁺NH₄ شامل نمی‌شود، زیرا pK واکنش آمونیاک-آمونیم 9.2 است و تیتراسیون با NaOH تا⁺pH 7.4، H را از ⁺NH₄ حذف نمی‌کند.

Thus, the net acid excretion by the kidneys can be assessed as follows:

بنابراین، دفع خالص اسید توسط کلیه‌ها را می‌توان به صورت زیر ارزیابی کرد:

The reason we subtract HCO3- excretion is that the loss of HCO3- is the same as the addition of H+ to the blood. To maintain acid-base balance, the net acid excretion must equal the nonvolatile acid production in the body.

دلیل اینکه ما دفع ^–HCO₃ را کم می‌کنیم این است که از دست دادن ^–HCO₃ با اضافه شدن ⁺H به خون یکسان است. برای حفظ تعادل اسید و باز، دفع خالص اسید باید برابر با تولید اسید غیرفرار در بدن باشد.

In acidosis, the net acid excretion increases markedly, especially because of increased NH4+ excretion, thereby removing acid from the blood. The net acid excretion also equals the rate of net HCO3- addition to the blood. There- fore, in acidosis, there is a net addition of HCO3- back to the blood as more NH4+ and urinary titratable acid are excreted.

در اسیدوز، دفع خالص اسید به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، به ویژه به دلیل افزایش دفع ⁺NH₄، در نتیجه اسید از خون خارج می‌شود. دفع خالص اسید نیز برابر با میزان خالص افزودن ^–HCO₃ به خون است. بنابراین، در اسیدوز، با دفع بیشتر ⁺NH₄ و اسید قابل تیتراسیون از طریق ادرار، ^–HCO₃ به خون اضافه می‌شود.

In alkalosis, titratable acid and NH4+ excretion drop to 0, whereas HCO3- excretion increases. Therefore, in alkalosis, there is a negative net acid secretion, which means that there is a net loss of HCO3- from the blood, which is the same as adding H+ to the blood, and that no new HCO3 is generated by the kidneys.

در آلکالوز، اسید قابل تیتراسیون و دفع ⁺NH₄ به 0 کاهش می‌یابد، در حالی که دفع ^–HCO₃ افزایش می‌یابد. بنابراین در آلکالوز، ترشح خالص اسید منفی وجود دارد، به این معنی که ^–HCO₃ از خون خالص از دست می‌رود که همان افزودن ⁺H به خون است و HCO₃ جدیدی توسط کلیه‌ها تولید نمی‌شود.

REGULATION OF RENAL TUBULAR H+ SECRETION

As discussed earlier, H+ secretion by the tubular epithelium is necessary for HCO3- reabsorption and generation of new HCO3 associated with titratable acid formation. Therefore, the rate of H secretion must be carefully regulated if the kidneys are to perform their functions in acid-base homeostasis effectively. Under normal conditions, the kidney tubules must secrete at least enough H+ to reabsorb almost all the HCO3- that is filtered, and there must be enough H+ left over to be excreted as titratable acid or NH4+ to rid the body of the nonvolatile acids produced each day from metabolism.

تنظیم ترشح ⁺H توبولار کلیه

همانطور که قبلاً بحث شد، ترشح ⁺H توسط اپیتلیوم لوله ای برای بازجذب HCO₃ و تولید HCO₃ جدید مرتبط با تشکیل اسید قابل تیتراسیون ضروری است. بنابراین، اگر قرار است کلیه‌ها وظایف خود را در هموستاز اسید-باز به طور موثر انجام دهند، باید سرعت ترشح H را به دقت تنظیم کرد. در شرایط عادی، لوله‌های کلیه باید حداقل به اندازه کافی ⁺H ترشح کنند تا تقریباً تمام ^–HCO₃ فیلتر شده را بازجذب کنند و باید به اندازه کافی ⁺H باقی بماند تا به عنوان اسید قابل تیتراسیون یا ⁺NH₄ دفع شود تا بدن از اسیدهای غیرفرار تولید شده هر روز از متابولیسم خلاص شود.

In alkalosis, the tubular secretion of H+ is reduced to a level that is too low to achieve complete HCO3- reabsorption, enabling the kidneys to increase HCO3- excretion. Titratable acid and ammonia are not excreted in alkalosis because there is no excess H+ available to combine with nonbicarbonate buffers; therefore, no new HCO3- is added to the blood in alkalosis.

در آلکالوز، ترشح لوله‌ای ⁺H به سطحی کاهش می‌یابد که برای دستیابی به بازجذب کامل ^–HCO₃ بسیار کم است و کلیه‌ها را قادر می‌سازد تا دفع ^–HCO₃ را افزایش دهند. اسید و آمونیاک قابل تیتراسیون در آلکالوز دفع نمی‌شوند زیرا ⁺H اضافی برای ترکیب با بافرهای غیر بی کربنات موجود نیست. بنابراین در آلکالوز هیچ ^–HCO₃ جدیدی به خون اضافه نمی‌شود.

During acidosis, the tubular H+ secretion is increased sufficiently to reabsorb all the filtered HCO3, with enough H+ left over to excrete large amounts of NH4+ and titratable acid, thereby contributing large amounts of new HCO3 to the total body extracellular fluid. The most important stimuli for increasing H+ secretion by the tubules in acidosis are as follows: (1) an increase in Pco2 of the extracellular fluid in respiratory acidosis; and (2) an increase in H+ concentration of the extracellular fluid (decreased pH) in respiratory or metabolic acidosis.

در طی اسیدوز، ترشح ⁺H لوله‌ای به اندازه‌ای افزایش می‌یابد که تمام HCO₃ فیلتر شده را دوباره جذب کند، با H+ کافی برای دفع مقادیر زیادی ⁺NH₄ و اسید قابل تیتراسیون باقی می‌ماند، در نتیجه مقادیر زیادی HCO₃ جدید به کل مایع خارج سلولی بدن کمک می‌کند. مهم ترین محرک برای افزایش ترشح ⁺H توسط لوله‌ها در اسیدوز به شرح زیر است: (1) افزایش Pco₂ مایع خارج سلولی در اسیدوز تنفسی. و (2) افزایش غلظت ⁺H مایع خارج سلولی (کاهش pH) در اسیدوز تنفسی یا متابولیک.

The tubular cells respond directly to an increase in Pco2 of the blood, as in respiratory acidosis, with an increase in the rate of H secretion, as follows. The increased Pco2 raises the Pco2 of the tubular cells, causing increased formation of H+ in the tubular cells, which in turn stimulates secretion of H+. The second factor that stimulates H+ secretion is an increase in extracellular fluid H+ concentration (decreased pH).

سلول‌های لوله ای مستقیماً به افزایش Pco₂ خون پاسخ می‌دهند، مانند اسیدوز تنفسی، با افزایش سرعت ترشح H به شرح زیر. افزایش Pco₂ باعث افزایش Pco₂ سلول‌های لوله ای می‌شود و باعث افزایش تشکیل ⁺H در سلول‌های لوله ای می‌شود که به نوبه خود ترشح ⁺H را تحریک می‌کند. دومین عاملی که ترشح ⁺H را تحریک می‌کند، افزایش غلظت ⁺H مایع خارج سلولی (کاهش pH) است.

A special factor that can increase H+ secretion under some pathophysiological conditions is excessive aldosterone secretion. Aldosterone stimulates secretion of H+ by type A intercalated cells of the collecting tubules and ducts. Therefore, excessive secretion of aldosterone, as in persons with Conn syndrome, increases secretion of H+ into the tubular fluid and, consequently, increases the amount of HCO3- added back to the blood. This action usually causes alkalosis in patients with excessive aldosterone secretion.

عامل خاصی که می‌تواند ترشح ⁺H را در برخی شرایط پاتوفیزیولوژیک افزایش دهد، ترشح بیش از حد آلدوسترون است. آلدوسترون ترشح ⁺H را بوسیله سلول‌های نوع A در لوله‌ها و مجاری جمع کننده تحریک می‌کند. بنابراین، ترشح بیش از حد آلدوسترون، مانند افراد مبتلا به سندرم کان، باعث افزایش ترشح ⁺H در مایع لوله‌ای و در نتیجه افزایش مقدار HCO3- اضافه شده به خون می‌شود. این عمل معمولاً در بیماران با ترشح بیش از حد آلدوسترون باعث آلکالوز می‌شود.

The tubular cells usually respond to a decrease in H+ concentration (alkalosis) by reducing H+ secretion. The decreased H secretion results from decreased extracellular Pco₂, as in respiratory alkalosis, or from a decrease in H+ concentration, as in both respiratory and metabolic alkalosis.

سلول‌های لوله ای معمولاً با کاهش ترشح ⁺H به کاهش غلظت ⁺H (آلکالوز) پاسخ می‌دهند. کاهش ترشح H ناشی از کاهش Pco₂ خارج سلولی، مانند آلکالوز تنفسی، یا از کاهش غلظت ⁺H، مانند آلکالوز تنفسی و متابولیک است.

Table 31-2 summarizes the major factors that influence H secretion and HCO3- reabsorption. Some of these factors are not directly related to the regulation of acid-base balance. For example, H+ secretion is coupled to Na reabsorption by the Na+-H+ exchanger in the proximal tubule and the thick ascending loop of Henle. Therefore, factors that stimulate Nat reabsorption, such as decreased extracellular fluid volume and increased angiotensin II (Ang II), may also secondarily increase H+ secretion and HCO3- reabsorption.

جدول 31-2 عوامل عمده ای را که بر ترشح H و بازجذب ^–HCO₃ تأثیر می‌گذارند، خلاصه می‌کند. برخی از این عوامل ارتباط مستقیمی‌با تنظیم تعادل اسید و باز ندارند. به عنوان مثال، ترشح ⁺H با بازجذب Na توسط مبدل ⁺Na⁺-H در لوله پروگزیمال و حلقه صعودی ضخیم هنله جفت می‌شود. بنابراین، عواملی که بازجذب ⁺Na را تحریک می‌کنند، مانند کاهش حجم مایع خارج سلولی و افزایش آنژیوتانسین II (Ang II)، ممکن است به طور ثانویه ترشح ⁺H و بازجذب ^–HCO₃ را افزایش دهند.

Extracellular fluid volume depletion stimulates sodium reabsorption by the renal tubules and increases H+ secretion and HCO3- reabsorption through multiple mechanisms, including the following: (1) increased Ang II levels, which directly stimulate activity of the Na+- H+ exchanger in the renal tubules; and (2) increased aldosterone levels, which stimulate H+ secretion by the intercalated cells of the cortical collecting tubules. Therefore, extracellular fluid volume depletion tends to cause alkalosis due to excess H secretion and HCO3 reabsorption.

کاهش حجم مایع خارج سلولی باعث تحریک بازجذب سدیم توسط لوله‌های کلیوی و افزایش ترشح ⁺H و بازجذب ^–HCO₃ از طریق مکانیسم‌های متعددی می‌شود که شامل موارد زیر می‌شود: (1) افزایش سطح Ang II که مستقیماً فعالیت مبدل ⁺Na⁺-H را در لوله‌های کلیوی تحریک می‌کند. و (2) افزایش سطح آلدوسترون، که باعث تحریک ترشح ⁺H توسط سلول‌های درونی لوله‌های جمع کننده قشر مغز می‌شود. بنابراین، کاهش حجم مایع خارج سلولی به دلیل ترشح بیش از حد H و بازجذب HCO3 باعث آلکالوز می‌شود.

Changes in plasma potassium concentration can also influence H+ secretion, with hypokalemia stimulating and hyperkalemia inhibiting H secretion in the proximal tubule. Decreased plasma potassium concentration tends to increase H+ concentration in the renal tubular cells. This, in turn, stimulates H+ secretion and HCO3- reabsorption and leads to alkalosis. Hyperkalemia decreases H secretion and HCO3- reabsorption and tends to cause acidosis.

تغییرات در غلظت پتاسیم پلاسما نیز می‌تواند بر ترشح ⁺H تأثیر بگذارد، با تحریک هیپوکالمی‌و هیپرکالمی‌ترشح H در لوله پروگزیمال را مهار می‌کند. کاهش غلظت پتاسیم پلاسما باعث افزایش غلظت ⁺H در سلول‌های توبولار کلیوی می‌شود. این به نوبه خود ترشح ⁺H و بازجذب ^–HCO₃ را تحریک کرده و منجر به آلکالوز می‌شود. هیپرکالمی‌ترشح H و بازجذب -HCO₃ را کاهش می‌دهد و تمایل به ایجاد اسیدوز دارد.

Table 31-2 Plasma or Extracellular Fluid Factors That Increase or Decrease H+ Secretion and HCO3- Reabsorption by the Renal Tubules

جدول 31-2 عوامل پلاسما یا مایع خارج سلولی که باعث افزایش یا کاهش ترشح ⁺H و بازجذب HCO₃ توسط لوله‌های کلیوی می‌شود.

RENAL CORRECTION OF ACIDOSIS- INCREASED EXCRETION OF H+ AND ADDITION OF HCO3- TO THE EXTRACELLULAR FLUID

Now that we have described the mechanisms whereby the kidneys secrete H+ and reabsorb HCO3-, we can explain how the kidneys readjust the pH of the extracellular fluid when it becomes abnormal.

اصلاح کلیوی اسیدوز- افزایش دفع ⁺H و افزودن ^–HCO₃ به مایع خارج سلولی

اکنون که مکانیسم‌هایی را که به موجب آن کلیه‌ها H+ ترشح می‌کنند و -HCO₃ را بازجذب می‌کنند، توضیح دادیم، می‌توانیم توضیح دهیم که چگونه کلیه‌ها pH مایع خارج سلولی را هنگامی‌که غیرطبیعی می‌شود، تنظیم می‌کنند.

Referring to Equation 8, the Henderson-Hasselbalch equation, we can see that acidosis occurs when the ratio of HCO3 to CO2 in the extracellular fluid decreases, thereby decreasing the pH. If this ratio decreases because of a fall in HCO3-, the acidosis is referred to as metabolic acidosis. If the pH falls because of an increase in Pco2, the acidosis is referred to as respiratory acidosis.

با مراجعه به معادله 8، معادله هندرسون-‌هاسلبالخ، می‌بینیم که اسیدوز زمانی رخ می‌دهد که نسبت HCO₃ به CO₂ در مایع خارج سلولی کاهش یابد و در نتیجه PH کاهش یابد. اگر این نسبت به دلیل کاهش ^–HCO₃ کاهش یابد، اسیدوز به عنوان اسیدوز متابولیک شناخته می‌شود. اگر pH به دلیل افزایش Pco₂ کاهش یابد، اسیدوز به عنوان اسیدوز تنفسی شناخته می‌شود.

ACIDOSIS DECREASES HCO3-/H+ RATIO IN RENAL TUBULAR FLUID

Respiratory and metabolic acidosis both cause a decrease in the ratio of HCO3-/H+ in the renal tubular fluid. As a result, there is excess H+ in the renal tubules, causing complete reabsorption of HCO3- and still leaving additional H+ available to combine with the urinary buffers NH4+ and HPO4. Thus, in acidosis, the kidneys reabsorb all the filtered HCO3- and contribute new HCO3- through formation of NH4+ and titratable acid.

اسیدوز نسبت ⁺HCO₃^–/H را در مایع لوله‌ای کلیوی کاهش می‌دهد.

اسیدوز تنفسی و متابولیک هر دو باعث کاهش نسبت ⁺HCO₃^–/H در مایع لوله‌ای کلیه می‌شوند. در نتیجه، ⁺H اضافی در لوله‌های کلیوی وجود دارد که باعث بازجذب کامل ^–HCO₃ می‌شود و همچنان ⁺H اضافی برای ترکیب با بافرهای ادراری ⁺NH₄ و HPO₄ باقی می‌ماند. بنابراین، در اسیدوز، کلیه‌ها تمام ^–HCO₃ فیلتر شده را دوباره جذب می‌کنند و از طریق تشکیل ⁺NH₄ و اسید قابل تیتراسیون، ^–HCO₃ جدید را جذب می‌کنند.

In metabolic acidosis, an excess of H+ over HCO3- occurs in the tubular fluid, primarily because of decreased extracellular fluid concentration of HCO3- and therefore decreased glomerular filtration of HCO3.

در اسیدوز متابولیک، ⁺H بیش از ^–HCO₃ در مایع لوله‌ای رخ می‌دهد، که عمدتاً به دلیل کاهش غلظت ^–HCO₃ مایع خارج سلولی و در نتیجه کاهش فیلتراسیون گلومرولی HCO₃ است.

In respiratory acidosis, the excess H+ in the tubular fluid is due mainly to the rise in extracellular fluid Pco2, which stimulates H+ secretion.

در اسیدوز تنفسی، ⁺H اضافی در مایع لوله‌ای عمدتاً به دلیل افزایش Pco₂ مایع خارج سلولی است که ترشح +H را تحریک می‌کند.

As discussed previously, with chronic acidosis, regard- less of whether it is respiratory or metabolic, there is increased production of NH4+, which further contributes to excretion of H+ and addition of new HCO3- to the extracellular fluid. With severe chronic acidosis, as much as 500 mEq/day of H+ can be excreted in the urine, mainly in the form of NH4+; this excretion, in turn, contributes up to 500 mEq/day of new HCO3- that is added to the blood.

همانطور که قبلاً گفته شد، با اسیدوز مزمن، صرف نظر از تنفسی یا متابولیک بودن، تولید ⁺NH₄ افزایش می‌یابد که بیشتر به دفع ⁺H و افزودن ^–HCO₃ جدید به مایع خارج سلولی کمک می‌کند. با اسیدوز مزمن شدید، تا 500 میلی اکی والان ⁺H می‌تواند از طریق ادرار، عمدتاً به شکل ⁺NH₄، دفع شود. این دفع، به نوبه خود، تا 500 میلی اکی والان در روز از ^–HCO₃ جدید که به خون اضافه می‌شود کمک می‌کند.

Thus, with chronic acidosis, increased secretion of H+ by the tubules helps eliminate excess H+ from the body and increases the quantity of HCO3- in the extracellular fluid. This process increases the HCO3- part of the bicarbonate buffer system, which, in accordance with the Henderson-Hasselbalch equation, helps raise the extra- cellular pH and corrects the acidosis. If the acidosis is metabolically mediated, additional compensation by the lungs causes a reduction in Pco2, also helping correct the acidosis.

بنابراین، با اسیدوز مزمن، افزایش ترشح ⁺H توسط لوله‌ها به حذف ⁺H اضافی از بدن و افزایش مقدار ^–HCO₃ در مایع خارج سلولی کمک می‌کند. این فرآیند قسمت -HCO₃ سیستم بافر بی کربنات را افزایش می‌دهد، که مطابق با معادله هندرسون-‌هاسلبالخ، به افزایش pH خارج سلولی و اصلاح اسیدوز کمک می‌کند. اگر اسیدوز به واسطه متابولیسم باشد، جبران اضافی توسط ریه‌ها باعث کاهش Pco₂ می‌شود و همچنین به اصلاح اسیدوز کمک می‌کند.

Table 31-3 summarizes the extracellular fluid characteristics associated with respiratory and metabolic acidosis, as well as respiratory and metabolic alkalosis, discussed in the next section. Note that in respiratory acidosis, there is a reduction in pH, an increase in extracellular fluid H+ concentration, and an increase in Pco2, which is the initial cause of the acidosis. The compensatory response is increase in plasma HCO3, caused by the addition of new HCO3- to the extracellular fluid by the kidneys. The rise in HCO3- helps offset the increase in Pco2, thereby returning the plasma pH toward normal.

جدول 31-3 خصوصیات مایع خارج سلولی مرتبط با اسیدوز تنفسی و متابولیک و همچنین آلکالوز تنفسی و متابولیک را که در بخش بعدی مورد بحث قرار می‌گیرد، خلاصه می‌کند. توجه داشته باشید که در اسیدوز تنفسی کاهش pH، افزایش غلظت ⁺H مایع خارج سلولی و افزایش Pco₂ که علت اولیه اسیدوز است، وجود دارد. پاسخ جبرانی افزایش HCO₃ پلاسما است که در اثر افزودن -HCO₃ جدید به مایع خارج سلولی توسط کلیه‌ها ایجاد می‌شود. افزایش -HCO₃ به جبران افزایش Pco₂ کمک می‌کند و در نتیجه pH پلاسما را به حالت عادی برمی‌گرداند.

In metabolic acidosis, there is also a decrease in pH and a rise in the extracellular fluid H+ concentration. How- ever, in this case, the primary abnormality is a decrease in plasma HCO3. The primary compensations include increased ventilation rate, which reduces Pco,, and renal compensation, which, by adding new HCO3- to the extra- cellular fluid, helps minimize the initial fall in extracellular HCO3- concentration.

در اسیدوز متابولیک، کاهش pH و افزایش غلظت ⁺H مایع خارج سلولی نیز وجود دارد. با این حال، در این مورد، ناهنجاری اولیه کاهش HCO₃ پلاسما است. جبران‌های اولیه شامل افزایش سرعت تهویه، که Pco را کاهش می‌دهد، و جبران کلیوی، که با افزودن -HCO₃ جدید به مایع خارج سلولی، به به حداقل رساندن کاهش اولیه غلظت -HCO₃ خارج سلولی کمک می‌کند.

Table 31-3 Extracellular Fluid Characteristics of Primary Acid-Base Disturbancesa

جدول 31-3 ویژگی‌های مایع خارج سلولی اختلالات اولیه اسید و باز

^aThe primary event is indicated by the double arrows (If or II). Note that respiratory acid-base disorders are initiated by an increase or decrease in Pcoz, whereas metabolic disorders are initiated by an increase or decrease in HCO3-.

^aرویداد اولیه با فلش‌های دوتایی (If یا II) نشان داده می‌شود. توجه داشته باشید که اختلالات تنفسی اسید-باز با افزایش یا کاهش Pcoz شروع می‌شود، در حالی که اختلالات متابولیک با افزایش یا کاهش -HCO₃ آغاز می‌شود.

RENAL CORRECTION OF ALKALOSIS- DECREASED TUBULAR SECRETION OF H+ AND INCREASED EXCRETION OF HCO3-

The compensatory responses to alkalosis are basically opposite to those that occur in acidosis. In alkalosis, the ratio of HCO3- to CO2 in the extracellular fluid increases, causing a rise in pH (a decrease in H+ concentration), as evident from the Henderson-Hasselbalch equation.

اصلاح کلیوی قلیایی- کاهش ترشح لوله ای +H و افزایش دفع -HCO₃

پاسخ‌های جبرانی به آلکالوز اساساً بر خلاف پاسخ‌هایی است که در اسیدوز رخ می‌دهد. در آلکالوز، نسبت -HCO₃ به CO₂ در مایع خارج سلولی افزایش می‌یابد و باعث افزایش pH (کاهش غلظت ⁺H) می‌شود، همانطور که از معادله هندرسون-‌هاسلبالخ مشهود است.

ALKALOSIS INCREASES HCO3-/H+ RATIO IN RENAL TUBULAR FLUID

Regardless of whether alkalosis is caused by metabolic or respiratory abnormalities, there is still an increase in the ratio of HCO3-/H+ in the renal tubular fluid. The net effect of this is an excess of HCO3- that cannot be reabsorbed from the tubules and is, therefore, excreted in the urine. Thus, in alkalosis, HCO3- is removed from the extracellular fluid by renal excretion, which has the same effect as adding an H+ to the extracellular fluid. This process helps return the H+ concentration and pH toward normal.

قلیایی باعث افزایش نسبت ⁺HCO₃^–/H در مایع لوله ای کلیه می‌شود

صرف نظر از اینکه آلکالوز ناشی از ناهنجاری‌های متابولیک یا تنفسی است، هنوز هم افزایش نسبت ⁺HCO₃^–/H در مایع توبولار کلیوی وجود دارد. اثر خالص این افزایش HCO₃– است که نمی‌تواند از لوله‌ها بازجذب شود و بنابراین از طریق ادرار دفع می‌شود. بنابراین، در آلکالوز، ^–HCO₃ از مایع خارج سلولی توسط دفع کلیوی خارج می‌شود، که همان اثر افزودن ⁺H به مایع خارج سلولی را دارد. این فرآیند به بازگشت غلظت ⁺H و pH به حالت نرمال کمک می‌کند.

Table 31-3 shows the overall extracellular fluid characteristics of respiratory and metabolic alkalosis. In respiratory alkalosis, there is an increase in extracellular fluid pH and a decrease in H+ concentration. The cause of the alkalosis is decreased plasma Pco, caused by hyperventilation. Reduction in Pco, then leads to decreased renal tubular H+ secretion. Consequently, there is not enough H+ in the renal tubular fluid to react with all the HCO3 that is filtered. Therefore, the HCO3- that cannot react with H+ is not reabsorbed and is excreted in the urine. This results in a decreased plasma HCO3- con- centration and correction of the alkalosis. Therefore, the compensatory response to a primary reduction in Pco2 in respiratory alkalosis is a reduction in plasma HCO3- concentration, caused by increased renal excretion of HCO3.

جدول 31-3 خصوصیات کلی مایع خارج سلولی آلکالوز تنفسی و متابولیک را نشان می‌دهد. در آلکالوز تنفسی افزایش pH مایع خارج سلولی و کاهش غلظت ⁺H وجود دارد. علت آلکالوز کاهش Pco پلاسما است که در اثر تهویه بیش از حد ایجاد می‌شود. کاهش Pco، سپس منجر به کاهش ترشح ⁺H لوله‌های کلیوی می‌شود. در نتیجه، ⁺H کافی در مایع لوله‌ای کلیوی برای واکنش با تمام HCO₃ فیلتر شده وجود ندارد. بنابراین، HCO₃– که نمی‌تواند با ⁺H واکنش نشان دهد، دوباره جذب نمی‌شود و از طریق ادرار دفع می‌شود. این منجر به کاهش غلظت -HCO₃ پلاسما و اصلاح آلکالوز می‌شود. بنابراین، پاسخ جبرانی به کاهش اولیه Pco₂ در آلکالوز تنفسی، کاهش غلظت -HCO₃ پلاسما است که ناشی از افزایش دفع کلیوی HCO₃ است.

In metabolic alkalosis, there is also decreased plasma H+ concentration and increased pH. The cause of metabolic alkalosis, however, is a rise in the extracellular fluid HCO3 concentration. This rise is partly compensated for by a reduction in the respiration rate, which increases Pco, and helps return the extracellular fluid pH toward normal. In addition, increased HCO3- concentration in the extracellular fluid increases the filtered load of HCO3-, which, in turn, causes excess HCO3 over H+ secreted in the renal tubular fluid. The excess HCO3- in the tubular fluid fails to be reabsorbed because there is no H+ with which it can react, and it is excreted in the urine. In metabolic alkalosis, the primary compensations are decreased ventilation, which raises Pco, and increases renal HCO3- excretion, which helps compensate for the initial rise in extracellular fluid HCO3 concentration.

در آلکالوز متابولیک نیز کاهش غلظت ⁺H پلاسما و افزایش pH وجود دارد. با این حال، علت آلکالوز متابولیک، افزایش غلظت HCO₃ در مایع خارج سلولی است. این افزایش تا حدی با کاهش سرعت تنفس جبران می‌شود، که Pco را افزایش می‌دهد و به بازگشت pH مایع خارج سلولی به حالت طبیعی کمک می‌کند. علاوه بر این، افزایش غلظت -HCO₃ در مایع خارج سلولی، بار فیلتر شده ^–HCO₃ را افزایش می‌دهد، که به نوبه خود باعث افزایش HCO₃ بیش از ⁺H ترشح شده در مایع لوله ای کلیه می‌شود. -HCO₃ اضافی موجود در مایع لوله‌ای دوباره جذب نمی‌شود زیرا ⁺H وجود ندارد که بتواند با آن واکنش نشان دهد و از طریق ادرار دفع می‌شود. در آلکالوز متابولیک، جبران اولیه کاهش تهویه است که Pco را افزایش می‌دهد، و دفع ^–HCO₃ کلیوی را افزایش می‌دهد، که به جبران افزایش اولیه غلظت HCO₃ مایع خارج سلولی کمک می‌کند.

Clinical Causes of Acid-Base Disorders

Respiratory Acidosis Results From Decreased Ventilation and Increased Pco2

From the previous discussion, it is obvious that any factor that decreases the rate of pulmonary ventilation also increases the Pco2 of extracellular fluid. This causes an increase in H2CO3 and H+ concentrations, thus resulting in acidosis. Because the acidosis is caused by an abnormality in respiration, it is called respiratory acidosis.

علل بالینی اختلالات اسید و باز

اسیدوز تنفسی ناشی از کاهش تهویه و افزایش Pco2 است

از بحث قبلی، بدیهی است که هر عاملی که سرعت تهویه ریوی را کاهش دهد، Pco₂ مایع خارج سلولی را نیز افزایش می‌دهد. این باعث افزایش غلظت H₂CO₃ و ⁺H و در نتیجه اسیدوز می‌شود. از آنجایی که اسیدوز ناشی از اختلال در تنفس است، اسیدوز تنفسی نامیده می‌شود.

Respiratory acidosis can occur from pathological conditions that damage the respiratory centers or that decrease the ability of the lungs to eliminate CO2. For example, damage to the respiratory center in the medulla oblongata can lead to respiratory acidosis. Also, obstruction of the passageways of the respiratory tract, pneumonia, emphysema, or decreased pulmonary membrane surface area, as well as any factor that interferes with exchange of gases between the blood and alveolar air, can cause respiratory acidosis.

اسیدوز تنفسی می‌تواند از شرایط پاتولوژیک که به مراکز تنفسی آسیب می‌زند یا توانایی ریه‌ها برای از بین بردن CO2 را کاهش می‌دهد رخ دهد. به عنوان مثال، آسیب به مرکز تنفسی در بصل النخاع می‌تواند منجر به اسیدوز تنفسی شود. همچنین، انسداد مجاری تنفسی، ذات الریه، آمفیزم، یا کاهش سطح غشای ریه و همچنین هر عاملی که در تبادل گازها بین خون و هوای آلوئولی اختلال ایجاد کند، می‌تواند باعث اسیدوز تنفسی شود.

In respiratory acidosis, the compensatory responses available are as follows: (1) the buffers of the body fluids; and (2) the kidneys, which require several days to compensate for the disorder.

در اسیدوز تنفسی، پاسخ‌های جبرانی موجود به شرح زیر است: (1) بافرهای مایعات بدن. و (2) کلیه‌ها که چندین روز برای جبران این اختلال نیاز دارند.

Respiratory Alkalosis Results From Increased Ventilation and Decreased Pco2

Respiratory alkalosis is caused by excessive ventilation by the lungs. Rarely does this occur because of physical pathological conditions. However, a psychoneurosis can occasionally increase breathing to the extent that a person becomes alkalotic.

آلکالوز تنفسی ناشی از افزایش تهویه و کاهش Pco2 است

آلکالوز تنفسی در اثر تهویه بیش از حد ریه‌ها ایجاد می‌شود. به ندرت به دلیل شرایط پاتولوژیک فیزیکی این اتفاق می‌افتد. با این حال، روان عصبی گاهی اوقات می‌تواند تنفس را تا حدی افزایش دهد که فرد قلیایی شود.

A physiological type of respiratory alkalosis occurs when a person ascends to a high altitude. The low oxy- gen content of the air stimulates respiration, which causes loss of CO2 and development of mild respiratory alkalosis. Again, the major means for compensation are the chemical buffers of the body fluids and ability of the kidneys to increase HCO3 excretion.

یک نوع فیزیولوژیکی آلکالوز تنفسی زمانی رخ می‌دهد که فرد به ارتفاعات بالا می‌رود. محتوای کم اکسیژن هوا باعث تحریک تنفس می‌شود که باعث از بین رفتن CO₂ و ایجاد آلکالوز تنفسی خفیف می‌شود. باز هم، ابزار اصلی برای جبران، بافرهای شیمیایی مایعات بدن و توانایی کلیه‌ها برای افزایش دفع HCO₃ است.

Metabolic Acidosis Results From Decreased Extracellular Fluid HCO3 Concentration

The term metabolic acidosis refers to all other types of acidosis besides those caused by excess CO2 in the body fluids. Metabolic acidosis can result from several general causes: (1) failure of the kidneys to excrete metabolic acids normally formed in the body; (2) formation of excess quantities of metabolic acids in the body; (3) addition of metabolic acids to the body by ingestion or infusion of acids; and (4) loss of base from the body fluids, which has the same effect as adding an acid to the body fluids. Some specific conditions that cause metabolic acidosis are described in the following sections.

اسیدوز متابولیک ناشی از کاهش غلظت HCO3 مایع خارج سلولی

اصطلاح اسیدوز متابولیک به سایر انواع اسیدوز غیر از آنهایی که در اثر CO₂ اضافی در مایعات بدن ایجاد می‌شود، اشاره دارد. اسیدوز متابولیک می‌تواند ناشی از چندین علت کلی باشد: (1) نارسایی کلیه‌ها در دفع اسیدهای متابولیک که به طور معمول در بدن تشکیل می‌شوند. (2) تشکیل مقادیر اضافی اسیدهای متابولیک در بدن. (3) افزودن اسیدهای متابولیک به بدن با مصرف یا تزریق اسیدها. و (4) از دست دادن باز از مایعات بدن، که همان اثر افزودن اسید به مایعات بدن است. برخی از شرایط خاص که باعث اسیدوز متابولیک می‌شوند در بخش‌های زیر توضیح داده شده اند.

Renal Tubular Acidosis. Renal tubular acidosis results from a defect in renal secretion of H+, reabsorption of HCO3, or both. These disorders are generally of two types: (1) impairment of renal tubular HCO3 reabsorption, causing loss of HCO3 in the urine; or (2) inability of the renal tubular H+ secretory mechanism to establish normal acidic urine, causing the excretion of alkaline urine. In these cases, inadequate amounts of titratable acid and NH4+ are excreted, so there is net accumulation of acid in the body fluids. Some causes of renal tubular acidosis include chronic renal failure, insufficient aldosterone secretion (Addison disease), and several hereditary and acquired disorders that impair tubular function, such as Fanconi syndrome (see Chapter 32).

اسیدوز توبولار کلیه .اسیدوز توبولار کلیه ناشی از نقص در ترشح کلیوی ⁺H، بازجذب HCO₃ یا هر دو است. این اختلالات عموماً دو نوع هستند: (1) اختلال در بازجذب HCO₃ لوله‌ای کلیوی که باعث از دست رفتن HCO₃ در ادرار می‌شود. یا (2) ناتوانی مکانیسم ترشحی ⁺H لوله کلیوی در ایجاد ادرار اسیدی طبیعی که باعث دفع ادرار قلیایی می‌شود. در این موارد، مقادیر ناکافی اسید قابل تیتراسیون و ⁺NH₄ دفع می‌شود، بنابراین تجمع خالص اسید در مایعات بدن وجود دارد. برخی از علل اسیدوز توبولار کلیوی عبارتند از نارسایی مزمن کلیه، ترشح ناکافی آلدوسترون (بیماری آدیسون)، و چندین اختلال ارثی و اکتسابی که عملکرد لوله‌ها را مختل می‌کنند، مانند سندرم فانکونی (به فصل 32 مراجعه کنید).

Diarrhea. Severe diarrhea is probably the most frequent cause of metabolic acidosis. The cause of this acidosis is the loss of large amounts of sodium bicarbonate into the feces. The gastrointestinal secretions normally contain large amounts of bicarbonate, and diarrhea results in the loss of HCO3 from the body, which has the same effect as losing large amounts of bicarbonate in the urine. This form of metabolic acidosis can be serious and can cause death, especially in young children.

اسهال .اسهال شدید احتمالاً شایع ترین علت اسیدوز متابولیک است. علت این اسیدوز از بین رفتن مقادیر زیادی بی کربنات سدیم در مدفوع است. ترشحات گوارشی به طور معمول حاوی مقادیر زیادی بی کربنات است و اسهال منجر به از دست دادن HCO₃ از بدن می‌شود که مانند از دست دادن مقادیر زیادی بی کربنات در ادرار است. این شکل از اسیدوز متابولیک می‌تواند جدی باشد و می‌تواند باعث مرگ، به ویژه در کودکان خردسال شود.

Vomiting of Intestinal Contents. Vomiting of gastric contents alone would cause a loss of acid and a tendency toward alkalosis because the stomach secretions are highly acidic. However, vomiting large amounts from deeper in the gastrointestinal tract causes loss of bicarbonate and results in metabolic acidosis in the same way that diarrhea causes acidosis.

استفراغ محتویات روده. استفراغ محتویات معده به تنهایی باعث کاهش اسید و تمایل به آلکالوز می‌شود زیرا ترشحات معده بسیار اسیدی هستند. با این حال، استفراغ مقادیر زیاد از عمق دستگاه گوارش باعث از دست دادن بی کربنات و منجر به اسیدوز متابولیک می‌شود، همانطور که اسهال باعث اسیدوز می‌شود.

Diabetes Mellitus. Diabetes mellitus is caused by lack of insulin secretion by the pancreas (type 1 diabetes) or by insufficient insulin secretion to compensate for decreased sensitivity to the effects of insulin (type 2 diabetes). In the absence of sufficient insulin, the normal metabolism of glucose is prevented. Instead, some of the fats are split into acetoacetic acid, and this acid is metabolized by the tissues for energy in place of glucose. With severe diabetes mellitus, blood acetoacetic acid levels can rise very high, causing severe metabolic acidosis. In an attempt to compensate for this acidosis, large amounts of acid are excreted in the urine-sometimes as much as 500 mmol/day.

دیابت ملیتوس. دیابت قندی به دلیل عدم ترشح انسولین توسط پانکراس (دیابت نوع 1) یا ترشح ناکافی انسولین برای جبران کاهش حساسیت به اثرات انسولین (دیابت نوع 2) ایجاد می‌شود. در غیاب انسولین کافی، از متابولیسم طبیعی گلوکز جلوگیری می‌شود. در عوض، برخی از چربی‌ها به اسید استواستیک تقسیم می‌شوند و این اسید به جای گلوکز توسط بافت‌ها برای انرژی متابولیزه می‌شود. با دیابت شدید، سطح اسید استواستیک خون می‌تواند بسیار بالا رفته و باعث اسیدوز متابولیک شدید شود. در تلاش برای جبران این اسیدوز، مقادیر زیادی اسید از طریق ادرار دفع می‌شود – گاهی اوقات تا 500 میلی مول در روز.

Ingestion of Acids. Rarely are large amounts of acids ingested in normal foods. However, severe metabolic acidosis occasionally results from the ingestion of certain acidic poisons. Some of these substances include some acetylsalicylic compounds (e.g., aspirin) and methyl alcohol, which forms formic acid when it is metabolized.

مصرف اسیدها .به ندرت مقادیر زیادی اسید در غذاهای معمولی مصرف می‌شود. با این حال، اسیدوز متابولیک شدید گهگاه از مصرف برخی از سموم اسیدی ایجاد می‌شود. برخی از این مواد شامل برخی از ترکیبات استیل سالیسیلیک (مانند آسپرین) و متیل الکل هستند که هنگام متابولیزه شدن، اسید فرمیک را تشکیل می‌دهند.

Chronic Renal Failure. When kidney function declines markedly, there is a buildup in the body fluids of the anions of weak acids that are not being excreted by the kidneys. In addition, the decreased glomerular filtration rate reduces excretion of phosphates and NH4+, which reduces the amount of HCO3- added back to the body fluids. Thus, chronic renal failure can be associated with severe metabolic acidosis.

نارسایی مزمن کلیه .هنگامی‌که عملکرد کلیه به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، در مایعات بدن آنیون‌های اسیدهای ضعیف که توسط کلیه‌ها دفع نمی‌شوند، تجمع می‌یابد. علاوه بر این، کاهش نرخ فیلتراسیون گلومرولی، دفع فسفات و ⁺NH₄ را کاهش می‌دهد که باعث کاهش مقدار -HCO₃ اضافه شده به مایعات بدن می‌شود. بنابراین، نارسایی مزمن کلیه می‌تواند با اسیدوز متابولیک شدید همراه باشد.

Metabolic Alkalosis Results From Increased Extracellular Fluid HCO3- Concentration

Excess retention of HCO3- or loss of H+ from the body causes metabolic alkalosis. Metabolic alkalosis is not nearly as common as metabolic acidosis, but some of the causes of metabolic alkalosis are described in the following sections.

آلکالوز متابولیک ناشی از افزایش غلظت HCO3- مایع خارج سلولی

احتباس بیش از حد -HCO₃ یا از دست دادن ⁺H از بدن باعث آلکالوز متابولیک می‌شود. آلکالوز متابولیک تقریباً به اندازه اسیدوز متابولیک رایج نیست، اما برخی از علل آلکالوز متابولیک در بخش‌های زیر توضیح داده شده است.

Administration of Diuretics (Except Carbonic Anhydrase Inhibitors). All diuretics cause increased flow of fluid along the tubules, usually increasing flow in the distal and collecting tubules. This effect leads to increased reabsorption of Na+ from these parts of the nephrons. Because the sodium reabsorption here is coupled with H+ secretion, the enhanced sodium reabsorption also leads to an increase in H+ secretion and increase in bicarbonate reabsorption. Re- ductions in extracellular fluid volume associated with the use of diuretics is also generally associated with increased formation of Ang II and aldosterone, which both stimulate H+ secretion and HCO3- reabsorption. These changes lead to the development of alkalosis, characterized by increased extracellular fluid bicarbonate concentration.

تجویز دیورتیک‌ها (به جز مهارکننده‌های کربنیک آنهیدراز). همه دیورتیک‌ها باعث افزایش جریان مایع در امتداد لوله‌ها می‌شوند که معمولاً باعث افزایش جریان در لوله‌های دیستال و جمع کننده می‌شوند. این اثر منجر به افزایش بازجذب ⁺Na از این قسمت‌های نفرون می‌شود. از آنجایی که بازجذب سدیم در اینجا با ترشح ⁺H همراه است، افزایش بازجذب سدیم همچنین منجر به افزایش ترشح ⁺H و افزایش بازجذب بی‌کربنات می‌شود. کاهش حجم مایع خارج سلولی مرتبط با استفاده از دیورتیک‌ها نیز عموماً با افزایش تشکیل Ang II و آلدوسترون همراه است که هر دو ترشح ⁺H و بازجذب -HCO₃ را تحریک می‌کنند. این تغییرات منجر به ایجاد آلکالوز می‌شود که با افزایش غلظت بی کربنات مایع خارج سلولی مشخص می‌شود.

Excess Aldosterone. When large amounts of aldosterone are secreted by the adrenal glands, a mild metabolic alkalosis develops. As discussed previously, aldosterone promotes extensive reabsorption of Na+ from the distal and collecting tubules and, at the same time, stimulates secretion of H+ and HCO3 reabsorption by the intercalated cells of the collecting tubules. This increased secretion of H+ and HCO3 reabsorption leads to metabolic alkalosis.

آلدوسترون اضافی. هنگامی‌که مقادیر زیادی آلدوسترون توسط غدد فوق کلیوی ترشح می‌شود، آلکالوز متابولیک خفیف ایجاد می‌شود. همانطور که قبلاً بحث شد، آلدوسترون بازجذب گسترده ⁺Na را از لوله‌های دیستال و جمع‌کننده افزایش می‌دهد و در همان زمان، ترشح ⁺H و بازجذب HCO₃ را توسط سلول‌های درون‌ماده لوله‌های جمع‌کننده تحریک می‌کند. این افزایش ترشح ⁺H و بازجذب HCO₃ منجر به آلکالوز متابولیک می‌شود.

Vomiting of Gastric Contents. Vomiting of the gastric contents alone, without vomiting of the lower gastrointestinal contents, causes loss of the HCl secreted by the stomach mucosa. The net result is loss of acid from the extracellular fluid and development of metabolic alkalosis. This type of alkalosis occurs especially in neonates who have pyloric stenosis caused by hypertrophied pyloric sphincter muscles.

استفراغ محتویات معده. استفراغ محتویات معده به تنهایی، بدون استفراغ محتویات پایینی دستگاه گوارش، باعث از بین رفتن HCl ترشح شده از مخاط معده می‌شود. نتیجه خالص از دست دادن اسید از مایع خارج سلولی و ایجاد آلکالوز متابولیک است. این نوع آلکالوز به ویژه در نوزادانی که تنگی پیلور ناشی از هیپرتروفی شدن عضلات اسفنکتر پیلور دارند، رخ می‌دهد.

Ingestion of Alkaline Drugs. A common cause of metabolic alkalosis is ingestion of alkaline drugs, such as sodium bicarbonate, for the treatment of gastritis or peptic ulcer.

مصرف داروهای قلیایی. یکی از علل شایع آلکالوز متابولیک، مصرف داروهای قلیایی، مانند بی کربنات سدیم، برای درمان گاستریت یا زخم معده است.

Treatment of Acidosis or Alkalosis

The best treatment for acidosis or alkalosis is to correct the condition that caused the abnormality. This is often difficult, especially in chronic diseases that cause impaired lung function or kidney failure. In these circumstances, various agents can be used to neutralize the excess acid or base in the extracellular fluid.

درمان اسیدوز یا آلکالوز

بهترین درمان برای اسیدوز یا آلکالوز اصلاح وضعیتی است که باعث ناهنجاری شده است. این اغلب دشوار است، به ویژه در بیماری‌های مزمن که باعث اختلال در عملکرد ریه یا نارسایی کلیه می‌شوند. در این شرایط می‌توان از عوامل مختلفی برای خنثی کردن اسید یا باز اضافی مایع خارج سلولی استفاده کرد.

To neutralize excess acid, large amounts of sodium bicarbonate can be ingested by mouth. The sodium bicarbonate is absorbed from the gastrointestinal tract into the blood and increases the HCO3- portion of the bicarbonate buffer system, thereby increasing pH toward normal. Sodium bicarbonate can also be infused intravenously but, because of the potentially dangerous physiological effects of such treatment, other substances are often used instead, such as sodium lactate and sodium gluconate. The lactate and gluconate portions of the molecules are metabolized in the body, leaving the sodium in the extracellular fluid in the form of sodium bicarbonate and thereby increasing the pH of the fluid to- ward normal.

برای خنثی کردن اسید اضافی، می‌توان مقادیر زیادی بی کربنات سدیم را از طریق دهان مصرف کرد. بی کربنات سدیم از دستگاه گوارش به خون جذب می‌شود و بخش -HCO₃ سیستم بافر بی کربنات را افزایش می‌دهد و در نتیجه pH را به سمت نرمال افزایش می‌دهد. بی کربنات سدیم همچنین می‌تواند به صورت داخل وریدی تزریق شود، اما به دلیل اثرات بالقوه خطرناک فیزیولوژیکی چنین درمانی، مواد دیگری مانند لاکتات سدیم و گلوکونات سدیم اغلب به جای آن استفاده می‌شود. بخش‌های لاکتات و گلوکونات مولکول‌ها در بدن متابولیزه می‌شوند و سدیم را در مایع خارج سلولی به شکل بی‌کربنات سدیم باقی می‌گذارند و در نتیجه pH مایع را به سمت نرمال افزایش می‌دهند.

For the treatment of alkalosis, ammonium chloride can be administered by mouth. When ammonium chloride is absorbed into the blood, the ammonia portion is converted by the liver into urea. This reaction liberates HCl, which immediately reacts with the buffers of the body fluids to shift the H+ concentration in the acidic direction. Ammonium chloride occasionally is infused intravenously, but NH4+ is highly toxic, and this procedure can be dangerous. The most appropriate treatment is to reverse the underlying cause of the alkalosis. For example, if metabolic alkalosis is associated with extracellular fluid volume depletion, but not heart failure, appropriate repletion of volume by infusion of isotonic saline solution is often beneficial in correcting the alkalosis.

برای درمان آلکالوز، کلرید آمونیوم را می‌توان از طریق دهان تجویز کرد. هنگامی‌که کلرید آمونیوم جذب خون می‌شود، قسمت آمونیاک توسط کبد به اوره تبدیل می‌شود. این واکنش HCl را آزاد می‌کند که بلافاصله با بافرهای مایعات بدن واکنش می‌دهد تا غلظت ⁺H را در جهت اسیدی تغییر دهد. کلرید آمونیوم گاهی اوقات به صورت داخل وریدی تزریق می‌شود، اما ⁺NH₄ بسیار سمی‌است و این روش می‌تواند خطرناک باشد. مناسب ترین درمان، معکوس کردن علت زمینه ای آلکالوز است. به عنوان مثال، اگر آلکالوز متابولیک با کاهش حجم مایع خارج سلولی همراه باشد، اما با نارسایی قلبی همراه نباشد، تکمیل حجم مناسب با تزریق محلول سالین ایزوتونیک اغلب در اصلاح آلکالوز مفید است.

Clinical Measurements and Analysis of Acid-Base Disorders

The appropriate therapy of acid-base disorders requires proper diagnosis. The simple acid-base disorders de- scribed previously can be diagnosed by analyzing three measurements from an arterial blood sample: pH, plasma HCO3 concentration, and Pco2.

اندازه گیری بالینی و تجزیه و تحلیل اختلالات اسید-باز

درمان مناسب اختلالات اسید-باز نیاز به تشخیص صحیح دارد. اختلالات ساده اسید-بازی که قبلاً توضیح داده شد را می‌توان با تجزیه و تحلیل سه اندازه گیری از نمونه خون شریانی تشخیص داد: pH، غلظت HCO3 پلاسما و Pco2.

The diagnosis of simple acid-base disorders involves several steps, as shown in Figure 31-10. By examining the pH, one can determine whether the disorder is acidosis or alkalosis. A pH less than 7.4 indicates acidosis, whereas a pH greater than 7.4 indicates alkalosis.

همانطور که در شکل 31-10 نشان داده شده است، تشخیص اختلالات اسید-باز ساده شامل چندین مرحله است. با بررسی PH می‌توان تشخیص داد که این اختلال اسیدوز است یا آلکالوز. pH کمتر از 7.4 نشان دهنده اسیدوز است، در حالی که pH بیشتر از 7.4 نشان دهنده آلکالوز است.

The second step is to examine the plasma Pco, and HCO3 concentrations. The normal value for Pco, is about 40 mm Hg, and for HCO3- it is 24 mEq/L. If the disorder has been characterized as acidosis and the plasma Pco2 is increased, there must be a respiratory component to the acidosis. After renal compensation, the plasma HCO3- concentration in respiratory acidosis would tend to increase above normal. Therefore, the expected values for a simple respiratory acidosis would be reduced plasma pH, increased Pco, and increased plasma HCO3- concentration after partial renal compensation.

مرحله دوم بررسی غلظت Pco و HCO3 پلاسما است. مقدار نرمال برای Pco حدود 40 میلی متر جیوه و برای HCO₃– 24 mEq/L است. اگر اختلال به عنوان اسیدوز مشخص شده باشد و Pco2 پلاسما افزایش یابد، باید یک جزء تنفسی در اسیدوز وجود داشته باشد. پس از جبران کلیه، غلظت -HCO₃ پلاسما در اسیدوز تنفسی تمایل به افزایش بیش از حد نرمال دارد. بنابراین، مقادیر مورد انتظار برای یک اسیدوز تنفسی ساده کاهش pH پلاسما، افزایش Pco و افزایش غلظت HCO₃ پلاسما پس از جبران جزئی کلیه است.

For metabolic acidosis, there would also be a decrease in plasma pH. However, with metabolic acidosis, the primary abnormality is a decrease in plasma HCO3- concentration. Therefore, if a low pH is associated with a low HCO3-concentration, there must be a metabolic component to the acidosis. In simple metabolic acidosis, the Pco, is reduced because of partial respiratory compensation, in contrast to respiratory acidosis, in which Pco, is increased. Therefore, in simple metabolic acidosis, one would expect to find a low pH, a low plasma HCO3 concentration, and a reduction in Pco, after partial respiratory compensation.

برای اسیدوز متابولیک، کاهش pH پلاسما نیز وجود دارد. با این حال، با اسیدوز متابولیک، ناهنجاری اولیه کاهش غلظت -HCO₃ پلاسما است. بنابراین، اگر pH پایین با غلظت کم HCO₃ همراه باشد، باید یک جزء متابولیک در اسیدوز وجود داشته باشد. در اسیدوز متابولیک ساده، Pco به دلیل جبران جزئی تنفسی کاهش می‌یابد، برخلاف اسیدوز تنفسی که در آن Pco افزایش می‌یابد. بنابراین، در اسیدوز متابولیک ساده، می‌توان انتظار داشت که پس از جبران نسبی تنفسی، pH پایین، غلظت HCO₃ پلاسما پایین و کاهش Pco مشاهده شود.

The procedures for categorizing the types of alkalosis involve the same basic steps. First, alkalosis implies that there is an increase in plasma pH. If the increase in pH is associated with decreased Pco2, there must be a respiratory component to the alkalosis. If the rise in pH is associated with increased HCO3, there must be a metabolic component to the alkalosis. Therefore, in simple respiratory alkalosis, one would expect to find increased pH, decreased Pco, and decreased HCO3 concentration in the plasma. In simple metabolic alkalosis, one would expect to find in- creased pH, increased plasma HCO3, and increased Pco2.

روش‌های طبقه بندی انواع آلکالوز شامل همان مراحل اساسی است. اولاً، آلکالوز به معنای افزایش pH پلاسما است. اگر افزایش pH با کاهش Pco₂ همراه باشد، باید یک جزء تنفسی در آلکالوز وجود داشته باشد. اگر افزایش pH با افزایش HCO₃ همراه باشد، باید یک جزء متابولیک در آلکالوز وجود داشته باشد. بنابراین، در آلکالوز تنفسی ساده، انتظار می‌رود افزایش pH، کاهش Pco و کاهش غلظت HCO₃ در پلاسما مشاهده شود. در آلکالوز متابولیک ساده، انتظار می‌رود افزایش pH، افزایش HCO₃ پلاسما و افزایش Pco₂ مشاهده شود.

Figure 31-10. Analysis of simple acid-base disorders. If the compensatory responses are markedly different from those shown at the bottom of the figure, one should suspect a mixed acid-base disorder.

شکل 31-10. تجزیه و تحلیل اختلالات اسید-باز ساده. اگر پاسخ‌های جبرانی به طور قابل توجهی با پاسخ‌های نشان داده شده در پایین شکل متفاوت باشد، باید به اختلال اسید-باز مخلوط مشکوک شد.

Complex Acid-Base Disorders and Use of Acid-Base Nomogram for Diagnosis

In some cases, acid-base disorders are not accompanied by appropriate compensatory responses. When this situation occurs, the abnormality is referred to as a mixed acid-base disorder, which means that there are two or more underlying causes for the acid-base disturbance. For example, a patient with a low pH would be categorized as acidotic. If the disorder was metabolically mediated, this would also be accompanied by a low plasma HCO3 concentration and, after appropriate respiratory compensation, a low Pco2. However, if the low plasma pH and low HCO3 concentration are associated with an elevated Pco2, one would suspect a respiratory component to the acidosis, as well as a metabolic component. Therefore, this disorder would be categorized as a mixed acidosis. This disorder could occur, for example, in a patient with acute HCO, loss from the gastrointestinal tract because of diarrhea (metabolic acidosis) and emphysema (respiratory acidosis).

اختلالات پیچیده اسید و باز و استفاده از نوموگرام اسید و باز برای تشخیص

در برخی موارد، اختلالات اسید-باز با پاسخ‌های جبرانی مناسب همراه نیست. هنگامی‌که این وضعیت رخ می‌دهد، ناهنجاری به عنوان یک اختلال اسید-باز مخلوط نامیده می‌شود، به این معنی که دو یا چند دلیل زمینه ای برای اختلال اسید-باز وجود دارد. به عنوان مثال، یک بیمار با pH پایین به عنوان اسیدی طبقه بندی می‌شود. اگر این اختلال با واسطه متابولیک باشد، این نیز با غلظت کم HCO₃ پلاسما و پس از جبران مناسب تنفسی، Pco₂ پایین همراه خواهد بود. با این حال، اگر pH پایین پلاسما و غلظت پایین HCO₃ با افزایش Pco₂ همراه باشد، می‌توان به یک جزء تنفسی در اسیدوز و همچنین یک جزء متابولیک مشکوک شد. بنابراین، این اختلال به عنوان اسیدوز مختلط طبقه بندی می‌شود. این اختلال می‌تواند به عنوان مثال در یک بیمار مبتلا به HCO حاد، از دست دادن دستگاه گوارش به دلیل اسهال (اسیدوز متابولیک) و آمفیزم (اسیدوز تنفسی) رخ دهد.

A convenient way to diagnose acid-base disorders is to use an acid-base nomogram, as shown in Figure 31-11. This diagram can be used to determine the type of acidosis or alkalosis, as well as its severity. In this acid-base diagram, pH, HCO3 concentration, and Pco2 values intersect according to the Henderson-Hasselbalch equation. The central open circle shows normal values and the deviations that can still be considered within the normal range. The shaded areas of the diagram show the 95% confidence limits for the normal compensations to simple metabolic and respiratory disorders.

همانطور که در شکل 31-11 نشان داده شده است، یک راه راحت برای تشخیص اختلالات اسید-باز استفاده از نوموگرام اسید-باز است. از این نمودار می‌توان برای تعیین نوع اسیدوز یا آلکالوز و همچنین شدت آن استفاده کرد. در این نمودار اسید-باز، مقادیر pH، غلظت HCO₃ و Pco₂ بر اساس معادله هندرسون-‌هاسلبالخ قطع می‌شوند. دایره باز مرکزی مقادیر نرمال و انحرافاتی را نشان می‌دهد که هنوز می‌توانند در محدوده نرمال در نظر گرفته شوند. نواحی سایه‌دار نمودار حدود 95% اطمینان را برای جبران‌های طبیعی اختلالات متابولیک و تنفسی ساده نشان می‌دهد.

When using this diagram, one must assume that sufficient time has elapsed for a full compensatory response, which is 6 to 12 hours for the ventilatory compensations in primary metabolic disorders and 3 to 5 days for the metabolic compensations in primary respiratory disorders. If a value is within the shaded area, this suggests that there is a simple acid-base disturbance. Conversely, if the values for pH, bicarbonate, or Pco, lie outside the shaded area, this suggests that the patient may have a mixed acid-base disorder.

هنگام استفاده از این نمودار، باید فرض کرد که زمان کافی برای پاسخ جبرانی کامل سپری شده است، که 6 تا 12 ساعت برای جبران تهویه در اختلالات متابولیک اولیه و 3 تا 5 روز برای جبران متابولیک در اختلالات تنفسی اولیه است. اگر مقداری در ناحیه سایه‌دار باشد، این نشان می‌دهد که یک اختلال اسید-باز ساده وجود دارد. برعکس، اگر مقادیر pH، بی کربنات یا Pco خارج از ناحیه سایه قرار داشته باشد، این نشان می‌دهد که بیمار ممکن است یک اختلال اسید-باز مخلوط داشته باشد.

It is important to recognize that an acid-base value within the shaded area does not always mean that a simple acid-base disorder is present. With this reservation in mind, the acid-base diagrams can be used as a quick means of determining the specific type and severity of an acid- base disorder.

مهم است که بدانیم مقدار اسید-باز در ناحیه سایه دار همیشه به معنای وجود یک اختلال اسید-باز ساده نیست. با در نظر گرفتن این شرط، نمودارهای اسید-باز را می‌توان به عنوان ابزاری سریع برای تعیین نوع خاص و شدت اختلال اسید-باز مورد استفاده قرار داد.

For example, assume that the arterial plasma from a patient yields the following values: pH, 7.30; plasma HCO3- concentration, 12.0 mEq/L; and plasma Pco2, 25 mm Hg. With these values, one can look at the diagram and find that this represents a simple metabolic acidosis, with appropriate respiratory compensation that reduces the Pco2 from its normal value of 40 mm Hg to 25 mm Hg.

به عنوان مثال، فرض کنید که پلاسمای شریانی یک بیمار مقادیر زیر را به دست می‌دهد: pH، 7.30; غلظت -HCO₃ پلاسما، 12.0 mEq/L. و Pco₂ پلاسما، 25 میلی متر جیوه. با این مقادیر، می‌توان به نمودار نگاه کرد و متوجه شد که این نشان دهنده یک اسیدوز متابولیک ساده، با جبران تنفسی مناسب است که Pco2 را از مقدار طبیعی آن 40 میلی متر جیوه به 25 میلی متر جیوه کاهش می‌دهد.

A second example would be a patient with the following values: pH, 7.15; plasma HCO3 concentration, 17 mEq/L; and plasma Pco2, 50 mm Hg. In this example, the patient is acidotic, and there appears to be a metabolic component because the plasma HCO3 concentration is lower than the normal value of 24 mEq/L. However, the respiratory compensation that would normally reduce Pco, is absent and Pco, is slightly increased above the normal value of 40 mm Hg. This finding is consistent with a mixed acid-base disturbance consisting of metabolic acidosis, as well as a respiratory component.

مثال دوم بیمار با مقادیر زیر است: pH، 7.15; غلظت HCO3 پلاسما، mEq/L 17. و Pco₂ پلاسما، 50 میلی متر جیوه. در این مثال، بیمار اسیدی است و به نظر می‌رسد که یک جزء متابولیک وجود دارد زیرا غلظت HCO₃ پلاسما کمتر از مقدار طبیعی 24 mEq/L است. با این حال، جبران تنفسی که به طور معمول Pco را کاهش می‌دهد، وجود ندارد و Pco، کمی‌بالاتر از مقدار طبیعی 40 میلی متر جیوه افزایش می‌یابد. این یافته با یک اختلال اسید-باز ترکیبی متشکل از اسیدوز متابولیک و همچنین یک جزء تنفسی مطابقت دارد.

The acid-base nomogram serves as a quick way to assess the type and severity of disorders that may be contributing to abnormal pH, Pco2, and plasma bicarbonate concentrations. In a clinical setting, the patient’s history and other physical findings also provide important clues concerning the causes and treatment of the acid-base disorders.

نوموگرام اسید-باز به عنوان راهی سریع برای ارزیابی نوع و شدت اختلالاتی است که ممکن است در pH غیر طبیعی، Pco2 و غلظت بی کربنات پلاسما نقش داشته باشند. در یک محیط بالینی، تاریخچه بیمار و سایر یافته‌های فیزیکی نیز سرنخ‌های مهمی‌در مورد علل و درمان اختلالات اسید-باز ارائه می‌دهد.

Figure 31-11. Acid-base nomogram showing arterial blood pH, arterial plasma HCO3-, and Pco2 values. The central open circle shows the approximate limits for acidbase status in normal people. The shaded areas in the nomogram show the approximate limits for the normal compensations caused by simple metabolic and respiratory disorders. For values lying outside the shaded areas, one should suspect a mixed acid-base disorder. (Modified from Cogan MG, Rector FC Jr: Acid-Base Disorders in the Kidney, 3rd ed. Philadelphia: WB Saunders, 1986.)

شکل 31-11. نوموگرام اسید-باز که pH خون شریانی، مقادیر ^–HCO₃ و Pco₂ پلاسمای شریانی را نشان می‌دهد. دایره باز مرکزی حدود تقریبی وضعیت اسید-باز را در افراد عادی نشان می‌دهد. نواحی سایه‌دار در نوموگرام، حدود تقریبی جبران‌های طبیعی ناشی از اختلالات متابولیکی و تنفسی ساده را نشان می‌دهد. برای مقادیری که خارج از نواحی سایه قرار دارند، باید به اختلال اسید-باز مخلوط مشکوک شد. (اصلاح شده از Cogan MG, Rector FC Jr: Acid-Base Disorders in the Kidney, ویرایش سوم فیلادلفیا: WB Saunders, 1986.)

Use of Anion Gap to Diagnose Acid-Base Disorders

The concentrations of anions and cations in plasma must be equal to maintain electrical neutrality. Therefore, there is no real anion gap in the plasma. However, only certain cations and anions are routinely measured in the clinical laboratory. The cation normally measured is Na+, and the anions are usually Cl- and HCO3-. The anion gap-which is only a diagnostic conceptis the difference between unmeasured anions and unmeasured cations and is estimated as follows:

استفاده از آنیون گپ برای تشخیص اختلالات اسید-باز

غلظت آنیون‌ها و کاتیون‌ها در پلاسما باید برابر باشد تا خنثی الکتریکی حفظ شود. بنابراین، هیچ شکاف آنیونی واقعی در پلاسما وجود ندارد. با این حال، تنها کاتیون‌ها و آنیون‌های خاصی به طور معمول در آزمایشگاه بالینی اندازه گیری می‌شوند. کاتیونی که معمولاً اندازه گیری می‌شود Na+ است و آنیون‌ها معمولاً -Cl و -HCO₃ هستند. شکاف آنیون – که فقط یک مفهوم تشخیصی است – تفاوت بین آنیون‌های اندازه گیری نشده و کاتیون‌های اندازه گیری نشده است و به صورت زیر تخمین زده می‌شود:

The anion gap will increase if unmeasured anions rise or if unmeasured cations fall. The most important unmeasured cations include calcium, magnesium, and potassium, and the major unmeasured anions are albumin, phosphate, sulfate, and other organic anions. Usually, the unmeasured anions exceed the unmeasured cations, and the anion gap ranges between 8 and 16 mEq/L.

اگر آنیون‌های اندازه‌گیری نشده افزایش یابند یا اگر کاتیون‌های اندازه‌گیری نشده کاهش پیدا کنند، شکاف آنیون افزایش می‌یابد. مهم ترین کاتیون‌های اندازه گیری نشده شامل کلسیم، منیزیم و پتاسیم و عمده آنیون‌های اندازه گیری نشده آلبومین، فسفات، سولفات و سایر آنیون‌های آلی هستند. معمولاً آنیون‌های اندازه‌گیری‌نشده از کاتیون‌های اندازه‌گیری‌نشده بیشتر است و فاصله آنیون‌ها بین 8 تا 16 mEq/L است.

Table 31-4 Metabolic Acidosis Associated With Normal or Increased Plasma Anion Gap

جدول 31-4 اسیدوز متابولیک مرتبط با شکاف آنیون پلاسما طبیعی یا افزایش یافته است

The plasma anion gap is used mainly in diagnosing different causes of metabolic acidosis. In metabolic acidosis, plasma HCO3 concentration is reduced. If plasma sodium concentration is unchanged, the concentration of anions (Cl- or an unmeasured anion) increases to maintain electroneutrality. If plasma Cl- increases in proportion to the fall in plasma HCO3, the anion gap will remain normal. This is often referred to as hyperchloremic metabolic acidosis.

شکاف آنیون پلاسما عمدتاً در تشخیص علل مختلف اسیدوز متابولیک استفاده می‌شود. در اسیدوز متابولیک، غلظت HCO₃ پلاسما کاهش می‌یابد. اگر غلظت سدیم پلاسما تغییر نکند، غلظت آنیون‌ها (Cl- یا یک آنیون اندازه گیری نشده) افزایش می‌یابد تا خنثی الکتریکی حفظ شود. اگر Cl- پلاسما متناسب با کاهش HCO₃ پلاسما افزایش یابد، شکاف آنیونی طبیعی باقی می‌ماند. این اغلب به عنوان اسیدوز متابولیک هیپرکلرمیک شناخته می‌شود.

If the decrease in plasma HCO3- is not accompanied by increased Cl-, there must be increased levels of unmeasured anions and therefore an increase in the calculated anion gap. Metabolic acidosis caused by excess nonvolatile acids (besides HCI), such as lactic acid or ketoacids, is associated with an increased plasma anion gap because the fall in HCO3- is not matched by an equal increase in Cl-. Some examples of metabolic acidosis associated with a normal or increased anion gap are shown in Table 31-4. By calculating the anion gap, one can narrow some of the potential causes of metabolic acidosis.

اگر کاهش -HCO₃ پلاسما با افزایش کلر همراه نباشد، باید سطح آنیون‌های اندازه گیری نشده افزایش یابد و در نتیجه شکاف آنیون محاسبه شده افزایش یابد. اسیدوز متابولیک ناشی از اسیدهای غیرفرار اضافی (علاوه بر HCI)، مانند اسید لاکتیک یا کتواسیدها، با افزایش شکاف آنیون پلاسما همراه است زیرا کاهش ^–HCO₃ با افزایش برابر در Cl- مطابقت ندارد. برخی از نمونه‌های اسیدوز متابولیک مرتبط با شکاف آنیونی طبیعی یا افزایش یافته در جدول 31-4 نشان داده شده است. با محاسبه شکاف آنیونی، می‌توان برخی از علل بالقوه اسیدوز متابولیک را محدود کرد.