Sự Điều Hòa Acid-Base (Phần 4)

Sự kết hợp của H⁺ dư với các đệm phosphate và ammonia trong ống thận tạo ra HCO₃^– “mới”

Sự bài tiết H⁺ dư và sự tạo thành của HCO₃^– mới bởi hệ đệm ammonia

Một hệ đệm thứ hai trong dịch ống thận mà thậm chí quan trọng hơn về mặt định lượng so với hệ đệm phosphate bao gồm ammonia (NH₃) và ion ammonium (NH₄⁺). Ion ammonium được tổng hợp từ glutamine, mà chủ yếu đến từ sự chuyển hóa của các amino acids trong gan. Glutamine đưa tới các thận được vận chuyển vào trong các tế bào tiểu mô của ống lượn gần, nhánh lên dày của quai Henle và ống lượn xa (Hình 1). Một khi ở bên trong tế bào, mỗi phân tử glutamine được chuyển hóa trong một chuỗi các phản ứng để cuối cùng hình thành nên hai NH₄⁺ và hai HCO₃^–. NH₄⁺ được bài tiết vào trong lòng ống thận bởi một cơ chế đối vận chuyển trong sự trao đổi với natri mà được tái hấp thu. HCO₃^– được vận chuyển qua màng đáy-bên, cùng với Na⁺ tái hấp thu, vào trong dịch kẽ và được thu nhận bởi các mao mạch quanh ống thận. Vì thế, đối với mỗi phân tử glutamine được chuyển hóa trong ống lượn gần, hai NH₄⁺ được bài tiết vào trong nước tiểu và hai HCO₃^– được tái hấp thu vào trong máu. HCO₃^– được tạo thành bởi quá trình này thiết lập nên HCO₃^– mới.

Trong các vi ống thu thập, sự thêm vào của NH₄⁺ vào trong các dịch ống thận xảy ra qua một cơ chế khác (Hình 2). Ở đây, H⁺ được bài tiết một cách chủ động bởi màng ống vào trong lòng ống, nơi mà nó kết hợp với NH₃ để hình thành nên NH₄⁺, là thành phần sau đó được bài tiết. Các ống thu thập thì thấm đối với NH₃, thành phần mà có thể dễ dàng khuếch tán vào trong lòng ống thận. Tuy nhiên, màng lòng của phần ống thận này thì ít thấm hơn nhiều đối với NH₄⁺; vì thế, một khi H⁺ đã phản ứng với NH₃ để hình thành nên NH₄⁺ thì NH₄⁺ được giữ trong lòng ống thận và được loại bỏ trong nước tiểu. Đối với mỗi NH₄⁺ được bài tiết, một HCO₃^– mới được tạo thành và thêm vào trong máu.

Nhiễm toan mạn tính làm tăng sự bài tiết NH₄⁺. Một trong số các đặc điểm quan trọng nhất của hệ thống đệm ammonium-ammonia là nó là đối tượng của sự kiểm soát sinh lý. Một sự tăng lên trong nồng độ H⁺ dịch ngoại bào kích thích sự chuyển hóa glutamine của thận và vì thế, làm tăng sự hình thành của NH₄⁺ và HCO₃^– mới mà được sử dụng trong việc đệm H⁺; một sự giảm trong nồng độ H⁺ có tác động đối nghịch.

Dưới các điều kiện bình thường, lượng H⁺ được loại bỏ bởi hệ đệm ammonia chiếm khoảng 50% lượng acid được bài tiết và 50% lượng HCO₃^– mới được tạo thành bởi các thận. Tuy nhiên, với tình trạng nhiễm toan mạn tính, mức bài tiết NH₄⁺ có thể tăng lên đến 500 mEq/ngày. Vì thế, với tình trạng nhiễm toan mạn tính, cơ chế chính cho sự loại bỏ acid là sự bài tiết của NH₄⁺. Quá trình này cũng cung cấp cơ chế quan trọng nhất cho sự tạo thành bicarbonate mới trong suốt quá trình nhiễm toan mạn tính.

Định lượng sự bài tiết acid-base của thận

Dựa trên các nguyên lý đã được bàn đến trước đây, chúng ta có thể định lượng sự bài tiết toàn phần của acid hay sự bổ sung hay loại bỏ toàn phần của HCO₃^– khỏi máu như sau.

Sự bài tiết bicarbonate được tính toán bởi mức lưu lượng nước tiểu nhân với nồng độ HCO₃^– nước tiểu và cho thấy các thận đang loại bỏ HCO₃^– nhanh như thế nào khỏi máu, điều mà cũng giống với việc thêm một H⁺ vào trong máu. Trong tình trạng nhiễm kiềm, sự mất HCO₃^– giúp đưa pH huyết tương về mức bình thường.

Lượng HCO₃^– mới đóng góp vào trong máu ở bất cứ thời điểm nào thì bằng với lượng H⁺ được bài tiết mà đi vào trong lòng ống thận với các chất đệm tiết niệu không chứa bicarbonate. Như được bàn đến trước đây, các nguồn chất đệm tiết niệu không chứa bicarbonate là NH₄⁺ và phosphate. Vì thế, một phần của HCO₃^– thêm vào trong máu (và H⁺ được bài tiết bởi NH₄⁺) được tính toán bằng cách đo sự bài tiết NH₄⁺ (mức lưu lượng nước tiểu nhân với nồng độ NH₄⁺ nước tiểu).

Phần còn lại của chất đệm không phải bicarbonate, không phải NH₄⁺ được bài tiết trong nước tiểu được đo bằng cách xác định một giá trị được gọi là acid chuẩn độ (titratable acid). Lượng acid chuẩn độ trong nước tiểu được đo bằng cách chuẩn độ nước tiểu với một base mạnh, như NaOH, đến một pH là 7.4, pH của huyết tương bình thường và pH của dịch lọc cầu thận. Sự chuẩn độ này đảo ngược các sự kiện xảy ra trong lòng ống thận khi dịch ống thận được chuẩn độ bởi H⁺ được bài tiết. Vì thế, số milliequivalents (milli đương lượng) của NaOH cần để đưa pH nước tiểu đến 7.4 bằng với số milliequivalents của H⁺ được thêm vào trong dịch ống thận mà kết hợp với phosphate và các đệm hữu cơ khác. Phương pháp đo acid chuẩn độ thì không bao gồm H⁺ liên quan với NH₄⁺ bởi vì pK của phản ứng ammonia-ammonium là 9.2, và sự chuẩn độ với NaOH là đến một pH 7.4 mà không loại bỏ H⁺ khỏi NH₄⁺.

Vì thế, sự bài tiết acid toàn phần bởi các thận có thể được đánh giá như sau:

Sự bài tiết acid toàn phần = Sự bài tiết NH₄⁺ + Acid chuẩn độ nước tiểu – Sự bài tiết HCO₃^–

Nguyên nhân chúng ta trừ đi sự bài tiết HCO₃^– là sự mất của HCO₃^– thì giống như sự thêm H⁺ vào trong máu. Để duy trì thăng bằng acid-base, tổng sự bài tiết acid phải bằng với sự sản xuất của acid không bay hơi trong cơ thể.

Trong tình trạng nhiễm toan, sự bài tiết acid toàn phần tăng lên đáng kể, đặc biệt là do sự bài tiết NH₄⁺ tăng lên, bằng cách đó, loại bỏ đi acid khỏi máu. Sự bài tiết acid toàn phần cũng bằng với mức thêm HCO₃^– toàn phần vào trong máu. Vì thế, trong nhiễm toan, có một sự bổ sung HCO₃^– toàn phần quay trở vào trong máu khi nhiều NH₄⁺ và acid chuẩn độ trong nước tiểu hơn được bài tiết.

Trong nhiễm kiềm, sự bài tiết acid chuẩn độ và NH₄⁺ giảm xuống 0, ngược lại, sự bài tiết HCO₃^– tăng lên. Vì thế, trong nhiễm kiềm, có một sự bài tiết acid toàn phần âm, có nghĩa là có một sự mất HCO₃^– toàn phần khỏi máu, cũng giống như việc thêm H⁺ vào trong máu, và có nghĩa là không có HCO₃^– mới được tạo ra bởi các thận.

Sự điều hòa bài tiết H⁺ của ống thận

Như được nói đến trước đây, sự bài tiết H⁺ bởi biểu mô ống thận thì cần cho sự tái hấp thu HCO₃^– và sự hình thành HCO₃^– mới liên quan với sự hình thành của acid chuẩn độ. Vì thế, mức bài tiết H⁺ phải được điều hòa một cách cẩn thận nếu như các thận thực hiện các chức năng của chúng trong cân bằng nội môi acid-base một cách hiệu quả. Dưới các điều kiện bình thường, các ống thận phải bài tiết ít nhất đủ H⁺ để tái hấp thu hầu như tất cả HCO₃^– mà được lọc, và phải có đủ H⁺ còn lại để được bài tiết dưới dạng acid chuẩn độ hay NH₄⁺ để loại bỏ khỏi cơ thể các acids không bay hơi mà được tạo ra mỗi ngày từ sự chuyển hóa.

Trong nhiễm kiềm, sự bài tiết H⁺ được giảm xuống đến một mức quá thấp để đạt được sự tái hấp thu HCO₃^– hoàn toàn, khiến cho các thận tăng sự bài tiết HCO₃^–. Acid chuẩn độ và ammonia không được bài tiết trong nhiễm kiềm bởi vì không có H⁺ có sẵn để kết hợp với các chất đệm không phải bicarbobate; vì thế, không có HCO₃^– mới được thêm vào trong máu trong nhiễm kiềm.

Trong suốt tình trạng nhiễm toan, sự bài tiết H⁺ của ống thận được tăng lên đủ để tái hấp thu tất cả HCO₃^– được lọc, với đủ lượng H⁺ còn lại để bài tiết các lượng lớn NH₄⁺ và acid chuẩn độ, bằng cách đó, đóng góp các lượng lớn HCO₃^– mới vào trong tổng dịch ngoại bào của cơ thể. Các kích thích quan trọng nhất cho sự tăng bài tiết H⁺ bởi các ống thận trong nhiễm toan là như sau: (1) một sự tăng lên trong P_CO2 của dịch ngoại bào trong nhiễm toan hô hấp; và (2) một sự tăng lên trong nồng độ H⁺ của dịch ngoại bào (pH giảm) trong nhiễm toan hô hấp hay chuyển hóa.

Các tế bào ống thận đáp ứng một cách trực tiếp với một sự tăng lên trong P_CO2 của máu, như trong nhiễm toan hô hấp, với một sự tăng lên trong mức bài tiết H⁺, như sau. P_CO2 tăng lên làm tăng P_CO2 của các tế bào ống thận, gây ra sự tăng hình thành của H⁺ trong các tế bào ống thận, điều mà cuối cùng kích thích sự bài tiết của H⁺. Yếu tố thứ hai mà kích thích sự bài tiết của H⁺ là một sự tăng lên trong nồng độ H⁺ dịch ngoại bào (pH giảm).

Một yếu tố đặc biệt mà có thể làm tăng sự bài tiết H⁺ dưới một số tình trạng sinh lý bệnh là sự bài tiết aldosterone quá mức. Aldosterone kích thích sự bài tiết của H⁺ bởi các tế bào xen kẽ type A của các vi ống thu thập và các ống thu thập. Vì thế, sự bài tiết quá mức aldosterone, như ở những người mắc hội chứng Conn, làm tăng sự bài tiết H⁺ vào trong dịch ống thận và, cuối cùng, làm tăng lượng HCO₃^– được thêm lại vào máu. Hoạt động này thường gây ra tình trạng nhiễm kiềm ở những bệnh nhân có sự bài tiết aldosterone quá mức.

Các tế bào ống thận thường đáp ứng với một sự giảm trong nồng độ H⁺ (nhiễm kiềm) bằng cách làm giảm sự bài tiết H⁺. Sự bài tiết H⁺ giảm do giảm P_CO2 ngoại bào, như trong nhiễm kiềm hô hấp hoặc từ một sự giảm trong nồng độ H⁺, như trong cả nhiễm kiềm hô hấp và chuyển hóa.

Bảng 1 tóm tắt các yếu tố chính mà ảnh hưởng đến sự bài tiết H⁺ và sự tái hấp thu HCO₃^–. Một số trong số các yếu tố này thì không liên quan trực tiếp đến sự điều hòa thăng bằng acid-base. Ví dụ, sự bài tiết H⁺ được bắt cặp với sự tái hấp thu Na⁺ bởi chất trao đổi Na⁺-H⁺ trong ống lượn gần và nhánh lên dày của quai Henle. Vì thế, các yếu tố mà kích thích sự tái hấp thu Na⁺, như thể tích dịch ngoại bào giảm và tăng angiotensin II (Ang II), cũng có thể làm tăng thứ phát sự bài tiết H⁺ và sự tái hấp thu HCO₃^–.

Sự suy giảm thể tích dịch ngoại bào kích thích sự tái hấp thu natri bởi các ống thận và làm tăng sự bài tiết H⁺ và sự tái hấp thu HCO₃^– thông qua nhiều cơ chế, bao gồm các cơ chế sau: (1) tăng các mức Ang II, mà kích thích một cách trực tiếp hoạt động của chất trao đổi Na⁺-H⁺ trong các ống thận; và (2) tăng các mức aldosterone, mà kích thích sự bài tiết H⁺ bởi các tế bào xen lẽ của các vi ống thu thập vỏ. Vì thế, sự suy giảm thể tích dịch ngoại bào có khuynh hướng gây ra tình trạng nhiễm kiềm do sự bài tiết H⁺ và sự tái hấp thu HCO₃^– quá mức.

Các sự thay đổi trong nồng độ kali huyết tương cũng có thể ảnh hưởng đến sự bài tiết H⁺, với tình trạng hạ kali máu kích thích và tăng kali máu ức chế sự bài tiết H⁺ trong ống lượn gần. Giảm nồng độ kali huyết tương có khuynh hướng làm tăng nồng độ H⁺ trong các tế bào ống thận. Điều này, cuối cùng, kích thích sự bài tiết H⁺ và sự tái hấp thu HCO₃^– và dẫn đến tình trạng nhiễm kiềm. Tăng kali máu làm giảm sự bài tiết H⁺ và sự tái hấp thu HCO₃^– và có khuynh hướng gây ra nhiễm toan.

Sự điều chỉnh có thận đối với tình trạng nhiễm toan – tăng sự bài tiết H⁺ và sự bổ sung của HCO₃^– vào trong dịch ngoại bào

Bây giờ, chúng ta đã mô tả các cơ chế mà bằng cách đó các thận bài tiết H⁺ và tái hấp thu HCO₃^–, chúng ta có thể giải thích các thận tái điều chỉnh pH của dịch ngoại bào như thế nào khi nó trở nên bất thường.

Nhớ lại phương trình 8 của phần 1, phương trình Henderson-Hasselbalch, chúng ta có thể thấy rằng nhiễm toan xảy ra khi tỷ số của HCO₃^– với CO₂ trong dịch ngoại bào giảm, bằng cách đó, làm giảm pH. Nếu như tỉ số này giảm do một sự giảm trong HCO₃^– thì tình trạng nhiễm toan được gọi là nhiễm toan chuyển hóa (metabolic acidosis). Nếu như pH giảm do một sự tăng lên trong P_CO2 thì tình trạng nhiễm toan được gọi là nhiễm toan hô hấp (respiratory acidosis).

Nhiễm toan làm giảm tỉ số HCO₃^–/H⁺ trong dịch ống thận

Cả nhiễm toan hô hấp và chuyển hóa đều gây ra một sự giảm trong tỉ số của HCO₃^–/H⁺ trong dịch ống thận. Kết quả, có một lượng H⁺ dư trong các ống thận, gây ra một sự tái hấp thu HCO₃^– hoàn toàn và vẫn để lại lượng H⁺ có sẵn để kết hợp với các chất đệm của nước tiểu là NH₄⁺ và HPO₄⁼. Vì thế, trong tình trạng nhiễm toan, các thận tái hấp thu tất cả HCO₃^– được lọc và đóng góp HCO₃^– mới thông qua sự hình thành của NH₄⁺ và acid chuẩn độ.

Trong nhiễm toan chuyển hóa, một lượng dư của H⁺ so với HCO₃^– xuất hiện trong dịch ống thận, chủ yếu do giảm nồng độ dịch ngoại bào của HCO₃^– và vì thế, giảm mức lọc cầu thận của HCO₃^–.

Trong nhiễm toan hô hấp, lượng dư H⁺ trong dịch ống thận chủ yếu là do sự tăng lên trong P_CO2 dịch ngoại bào, điều mà kích thích sự bài tiết H⁺.

Như đã bàn đến trước đây, với tình trạng nhiễm toan mạn tính, bất kể liệu là hô hấp hay chuyển hóa, sẽ có một sự sản xuất tăng lên của NH₄⁺, điều mà sẽ đóng góp thêm vào sự bài tiết của H⁺ và sự thêm của HCO₃^– mới vào trong dịch ngoại bào. Với tình trạng nhiễm toan mạn tính nghiêm trọng, nhiều đến 500 mEq/ngày H⁺ có thể được bài tiết trong nước tiểu, chủ yếu là ở dạng NH₄⁺; sự bài tiết này, cuối cùng, đóng góp lên đến 500 mEq/ngày HCO₃^– mới mà được thêm vào trong máu.

Vì thế, với tình trạng nhiễm toan mạn tính, tăng sự bài tiết H⁺ bởi các ống thận giúp loại bỏ lượng H⁺ dư khỏi cơ thể và làm tăng lượng HCO₃^– trong dịch ngoại bào. Quá trình này làm tăng phần HCO₃^– của hệ thống đệm bicarbonate mà theo phương trình Henderson-Hasselbalch, giúp làm tăng pH ngoại bào và điều chỉnh tình trạng nhiễm toan. Nếu như tình trạng nhiễm toan được điều hòa về mặt chuyển hóa, sự đền bù thêm bởi các phổi gây ra một sự giảm trong P_CO2, cũng giúp điều chỉnh tình trạng nhiễm toan.

Bảng 2 tóm tắt các đặc điểm của dịch ngoại bài liên quan với tình trạng nhiễm toan hô hấp và chuyển hóa, cũng như là tình trạng nhiễm kiềm hô hấp và chuyển hóa, sẽ được bàn đến trong phần tiếp theo. Chú ý rằng trong nhiễm toan hô hấp (respiratory acidosis), có một sự giảm trong pH, một sự tăng trong nồng độ H⁺ dịch ngoại bào và một sự tăng lên trong P_CO2 mà là nguyên nhân ban đầu của tình trạng nhiễm toan. Đáp ứng đền bù là sự tăng lên trong HCO₃^– huyết tương, được gây ra bởi sự thêm của HCO₃^– mới vào dịch ngoại bào bởi các thận. Sự tăng lên trong HCO₃^– giúp làm ngừng sự tăng lên trong P_CO2, bằng cách đó, đưa pH huyết tương về mức bình thường.

Trong nhiễm toan chuyển hóa (metabolic acidosis), cũng có một sự giảm trong pH và một sự tăng lên trong nồng độ H⁺ dịch ngoại bào. Tuy nhiên, trong trường hợp này, bất thường chủ yếu là một sự giảm trong HCO₃^– huyết tương. Các sự đền bù chính bao gồm tăng mức thông khí, mà làm giảm P_CO2 và sự đền bù của thận, mà bằng cách thêm HCO₃^– mới vào trong dịch ngoại bào, giúp làm giảm thiểu sự giảm ban đầu trong nồng độ HCO₃^– ngoại bào.

Sự điều chỉnh của thận đối với tình trạng nhiễm kiềm – sự bài tiết H⁺ giảm của ống thận và sự bài tiết HCO₃^– tăng lên

Các đáp ứng đền bù đối với tình trạng nhiễm kiềm về cơ bản là đối nghịch với những đáp ứng xảy ra trong tình trạng nhiễm toan. Trong tình trạng nhiễm kiềm, tỉ số HCO₃^– so với CO₂ trong dịch ngoại bào tăng lên, gây ra một sự tăng lên trong pH (một sự giảm trong nồng độ H⁺), như thấy được rõ ràng từ phương trình Henderson-Hasselbalch.

Tình trạng nhiễm kiềm làm tăng tỉ số HCO₃^–/H⁺ trong dịch ống thận

Bất kể liệu tình trạng nhiễm kiềm được gây ra bởi các bất thường hô hấp hay chuyển hóa thì vẫn có một sự tăng lên trong tỉ số của HCO₃^–/H⁺ trong dịch ống thận. Tác động toàn phần của việc này là một mức dư thừa của HCO₃^– mà không thể được tái hấp thu từ các ống thận và vì thế, được bài tiết trong nước tiểu. Vì thế, trong tình trạng nhiễm kiềm, HCO₃^– được loại bỏ khỏi dịch ngoại bào bởi sự bài tiết của thận, việc mà có cùng tác động như thêm H⁺ vào trong dịch ngoại bào. Quá trình này giúp đưa nồng độ H⁺ và pH về mức bình thường.

Bảng 2 cho thấy các đặc điểm dịch ngoại bào tổng quan của tình trạng nhiễm kiềm hô hấp và chuyển hóa. Trong nhiễm kiềm hô hấp (respiratory alkalosis), có một sự tăng lên trong pH dịch ngoại bào và một sự giảm trong nồng độ H⁺. Nguyên nhân của nhiễm kiềm là P_CO2 huyết tương giảm, được gây ra bởi tăng thông khí. Sự giảm trong P_CO2 sau đó dẫn đến sự bài tiết H⁺ của ống thận giảm. Kết quả, không có đủ H⁺ trong dịch ống thận để phản ứng với tất cả HCO₃^– được lọc. Vì thế, HCO₃^– mà không thể phản ứng với H⁺ thì không được tái hấp thu và được bài tiết trong nước tiểu. Điều này gây ra một sự giảm nồng độ HCO₃^– huyết tương và “sửa đổi” tình trạng nhiễm kiềm. Vì thế, đáp ứng đền bù đối với một sự giảm ban đầu trong P_CO2 trong nhiễm kiềm hô hấp là một sự giảm trong nồng độ HCO₃^– huyết tương, được gây ra bởi tăng sự bài tiết HCO₃^– của thận.

Trong nhiễm kiềm chuyển hóa (metabolic alkalosis), cũng có một sự giảm trong nồng độ H⁺ huyết tương và tăng pH. Tuy nhiên, nguyên nhân của nhiễm nhiễm kiềm chuyển hóa là một sự tăng lên trong nồng độ HCO₃^– của dịch ngoại bào. Sự tăng lên này được đền bù một phần bởi một sự giảm trong mức hô hấp, việc mà làm tăng P_CO2 và giúp đưa pH dịch ngoại bào về mức bình thường. Ngoài ra, tăng nồng độ HCO₃^– trong dịch ngoại bào làm tăng tải lọc của HCO₃^–, điều mà cuối cùng gây ra sự dư thừa của HCO₃^– so với H⁺ được bài tiết trong dịch ống thận. Lượng HCO₃^– dư thừa trong dịch ống thận không thể được tái hấp thu bởi vì không có H⁺ mà có thể phản ứng với nó và nó sẽ được bài tiết trong nước tiểu. Trong tình trạng nhiễm kiềm chuyển hóa, các sự đền bù chủ yếu là sự giảm thông khí, mà làm tăng P_CO2, và làm tăng sự bài tiết HCO₃^– của thận, điều mà giúp đền bù cho sự tăng lên ban đầu trong nồng độ HCO₃^– dịch ngoại bào.

Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!