Sự Điều Hòa Acid-Base (Phần 2)

Hệ thống đệm bicarbonate

Đường cong chuẩn độ hệ thống đệm bicarbonate. Hình 1 cho thấy các sự thay đổi trong pH của dịch ngoại bào khi tỉ số HCO₃^– so với CO₂ trong dịch ngoại bào bị thay đổi. Khi nồng độ của hai thành phần này bằng nhau, phần bên tay phải của phương trình 8 trở thành log 1, nghĩa là bằng 0. Vì thế, khi hai thành phần của hệ đệm bằng nhau, pH của dung dịch là bằng với pK (6.1) của hệ đệm bicarbonate. Khi base được thêm vào trong hệ đệm, một phần của CO₂ hòa tan được chuyển thành HCO₃^–, gây ra một sự tăng lên trong tỉ số của HCO₃^– với CO₂ và làm tăng pH, như rõ ràng được thấy từ phương trình Henderson-Hasselbalch. Khi acid được thêm vào, nó được đệm bởi HCO₃^–, mà sau đó được chuyển thành CO₂ hòa tan, làm giảm tỉ số của HCO₃^– so với CO₂ và làm giảm pH của dịch ngoại bào.

Khả năng đệm được xác định bởi lượng và nồng độ tương đối của các thành phần đệm. Từ đường cong chuẩn độ trong Hình 1, một số điểm được làm sáng tỏ. Đầu tiên, pH của hệ thống là giống với pK khi mỗi thành phần (HCO₃^– và CO₂) chiếm 50% tổng nồng độ của hệ thống đệm. Thứ hai, hệ thống đệm thì hiệu quả nhất trong phần trung tâm của của đường cong, nơi mà pH gần pK của hệ đệm. Điều này có nghĩa là sự thay đổi trong pH đối với bất cứ lượng acid hoặc base được thêm vào trong hệ đệm thì ít nhất khi pH gần pK của hệ đệm. Hệ thống đệm thì vẫn hiệu quả một cách phù hợp trong khoảng 1.0 đơn vị pH trên mỗi phía của pK, mà đối với hệ đệm bicarbonate, mở rộng từ một pH là khoảng 5.1 đến 7.1 đơn vị. Vượt ra khỏi giới hạn này, khả năng đệm nhanh chóng suy giảm. Và, khi tất cả CO₂ được chuyển thành HCO₃^– hoặc khi tất cả HCO₃^– được chuyển thành CO₂, thì hệ thống không còn khả năng đệm nữa.

Nồng độ tuyệt đối của chất đệm cũng là một yếu tố quan trọng trong việc xác định khả năng đệm của một hệ thống. Với các nồng độ thấp của các chất đệm, chỉ một lượng nhỏ acid hoặc base được thêm vào trong dung dịch sẽ làm thay đổi pH một cách đáng kể.

Hệ đệm bicarbonate là hệ đệm ngoại bào quan trọng nhất. Từ đường cong chuẩn độ được thể hiện trong Hình 1, chúng ta sẽ không xem hệ thống đệm bicarbonate là mạnh mẽ vì hai lý do. Đầu tiên, pH của dịch ngoại bào là khoảng 7.4, ngược lại, pK của hệ đệm bicarbonate là 6.1, điều đó có nghĩa là có nhiều gấp khoảng 20 lần của hệ đệm bicarbonate ở dạng HCO₃^– so với dạng CO₂ hòa tan. Vì lí do này, hệ thống này vận hành trên một phần của đường cong đệm, nơi mà dốc thấp và khả năng đệm thì kém. Thứ hai, các nồng độ của hai thành phần của hệ đệm bicarbobate, CO₂ và HCO₃^–, thì không cao.

Mặc cho các đặc điểm này, hệ đệm bicarbonate là hệ đệm ngoại bào mạnh mẽ nhất trong cơ thể. Sự ngược đời rõ ràng này một phần là do hai thành phần của hệ thống đệm, HCO₃^– và CO₂ được điều hòa một cách lần lượt bởi các thận và các phổi, như được nói đến sau. Kết quả của sự điều hòa này, pH của dịch ngoại bào có thể được kiểm soát một cách chính xác bởi mức độ tương đối của sự loại bỏ và sự bổ sung HCO₃^– bởi các thận và mức độ loại bỏ CO₂ bởi các phổi.

Hệ thống đệm phosphate

Mặc dù hệ đệm phosphate không phải là hệ đệm của dịch ngoại bào chính nhưng nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc đệm cho dịch ống thận và dịch nội bào.

Các thành phần chính của hệ đệm phosphate là H₂PO₄^– và HPO₄⁼. Khi một acid mạnh như HCl được thêm vào trong một hỗn hợp của hai chất này, hydrogen được nhận bởi base HPO₄⁼ và được chuyển thành H₂PO₄^–:

Kết quả của phản ứng này là acid mạnh, HCl, được thay thế bởi một lượng thêm của acid yếu, NaH₂PO₄ và sự giảm trong pH được giảm thiểu.

Khi một base mạnh như NaOH được thêm vào trong hệ đệm, OH^– được đệm bởi H₂PO₄^– để hình thành thêm các lượng của HPO₄⁼ + H₂O:

Trong trường hợp này, một base mạnh, NaOH, được đổi thành một base yếu, Na₂HPO₄, chỉ gây ra một sự tăng lên nhẹ trong pH.

Hệ đệm bicarbonate có một pK là 6.8, không xa so với pH 7.4 trong các dịch cơ thể nên cho phép hệ  vận hành gần khả năng đệm tối đa của nó. Tuy nhiên, nồng độ của nó trong dịch ngoại bào thấp, chỉ ở khoảng 8% của nồng độ của hệ đệm bicarbonate. Vì thế, tổng khả năng đệm của hệ đệm phosphate trong dịch ngoại bào thì ít hơn nhiều so với hệ đệm bicarbonate.

Ngược lại với vai trò nhỏ của nó khi là một hệ đệm ngoại bào, hệ đệm phosphate thì đặc biệt quan trọng trong các dịch ống thận của các thận vì hai lý do: (1) phosphate thường trở nên cô đặc đáng kể trong các ống thận, bằng cách đó, làm tăng khả năng đệm của hệ đệm phosphate; và (2) dịch ống thận thường có một pH thấp hơn đáng kể so với dịch ngoại bào, đưa khoảng vận hành của hệ đệm gần hơn với pK (6.8) của hệ thống.

Hệ thống đệm phosphate cũng quan trọng trong việc đệm dịch nội bào bởi vì nồng độ của phosphate trong dịch này thì cao hơn nhiều lần so với dịch ngoại bào. Ngoài ra, pH của dịch nội bào thì thấp hơn so với dịch ngoại bào và vì thế, thường gần với pK của hệ đệm phosphate hơn so với dịch ngoại bào.

Các proteins là các chất đệm nội bào quan trọng

Các proteins là trong số những hệ đệm dồi dào nhất trong cơ thể do các nồng độ cao của chúng, đặc biệt là trong các tế bào. pH của các tế bào, mặc dù hơi thấp hơn trong dịch ngoại bào, nhưng thay đổi đổi gần như tỷ lệ với các sự thay đổi pH của dịch ngoại bào. Có một sự khuếch tán nhẹ của H⁺ và HCO₃^– qua màng tế bào, mặc dù các ion này cần vài giờ để đạt đến cân bằng với dịch ngoại bào, ngoại trừ sự cân bằng nhanh mà xảy ra trong các tế bào hồng cầu. Tuy nhiên, CO₂ có thể khuếch tán nhanh quá tất cả các màng tế bào. Sự khuếch tán này của các thành phần của hệ đệm bicarbonate làm cho pH trong dịch nội bào thay đổi khi có các sự thay đổi trong pH ngoại bào. Vì lý do này, các hệ thống đệm trong các tế bào giúp ngăn cản các sự thay đổi trong pH của dịch ngoại bào nhưng có thể tốn vài giờ để trở nên hiệu quả tối đa.

Trong tế bào hồng cầu, hemoglobin (Hb) là một chất đệm quan trọng như sau:

Gần 60% đến 70% tổng khả năng đệm hóa học của các dịch cơ thể là ở bên trong các tế bào, và hầu hết trong số khả năng đệm này là do các protein nội bào. Tuy nhiên, ngoại trừ các tế bào hồng cầu, mức độ chậm mà ở đó H⁺ và HCO₃^– di chuyển qua các màng tế bào thường trì hoãn khả năng tối đa của các proteins nội bào trong việc đệm các bất thường acid-base ngoại bào trong vài giờ.

Ngoài nồng độ cao của các proteins trong các tế bào, một yếu tố khác mà đóng góp vào khả năng đệm của chúng là các pKs của nhiều trong số các hệ thống protein này thì khá gần với pH nội bào.

Nguyên lý đẳng toan: Tất cả các hệ đệm trong một dung dịch chung là cân bằng với cùng nồng độ H⁺

Chúng ta đang bàn luận đến các hệ đệm như thể chúng đang vận hành một cách riêng rẽ trong các dịch cơ thể. Tuy nhiên, tất cả chúng hoạt động cùng với nhau bởi vì H⁺ là chung đối với các phản ứng của tất cả các hệ thống này. Vì thế, bất cứ khi nào mà có một sự thay đổi trong nồng độ H⁺ trong dịch ngoại bào, cân bằng của tất cả các hệ đệm sẽ thay đổi cùng lúc. Hiện tượng này được gọi là nguyên lý đẳng toan (isohydric principle) và được minh họa bởi công thức sau đây:

K₁, K₂ và K₃ là các hằng số phân li của ba acids tương ứng – HA₁, HA₂, HA₃ – và A₁, A₂, A₃ là các nồng độ của các ion âm tự do mà tạo thành các base của ba hệ đệm.

Ý nghĩa của nguyên lý này là bất cứ tình trạng nào mà làm thay đổi thăng bằng của một trong số các hệ đệm thì cũng sẽ làm thay đổi thăng bằng của tất cả các hệ đệm khác bởi vì các hệ đệm thực sự sẽ đệm cho một hệ đệm khác bằng cách dịch chuyển H⁺ qua lại giữa chúng.

Sự điều hòa hô hấp của thăng bằng acid-base

“Lớp phòng thủ” thứ hai chống lại các rối loạn acid-base là sự kiểm soát nồng độ CO₂ dịch ngoại bào bởi các phổi. Một sự tăng lên trong thông khí sẽ loại bỏ CO₂ khỏi dịch ngoại bào, mà bởi định luật tác động khối lượng, làm giảm nồng độ H⁺. Ngược lại, giảm thông khí làm tăng nồng độ CO₂ và H⁺ trong dịch ngoại bào.

Sự thở ra CO₂ của phổi cân bằng với sự hình thành CO₂ chuyển hóa

CO₂ được hình thành một cách liên tục trong cơ thể bởi các quá trình chuyển hóa nội bào. Sau khi nó được hình thành, nó khuếch tán từ các tế bào vào trong các dịch kẽ và máu, và máu chảy vận chuyển nó đến các phổi, nơi mà nó khuếch tán vào trong các phế nang và sau đó được vận chuyển vào trong khí quyển bởi sự thông khí phổi. Khoảng 1.2 mol/L CO₂ hòa tan bình thường trong dịch ngoại bào, tương ứng với một P_CO2 là 40 mm Hg.

Nếu như mức độ hình thành CO₂ chuyển hóa tăng lên, P_CO2 của dịch ngoại bào thì tăng lên tương tự. Ngược lại, một mức chuyển hóa giảm làm giảm P_CO2. Nếu như mức thông khí phổi tăng lên, CO₂ được đưa ra khỏi các phổi và P_CO2 trong dịch ngoại bào giảm xuống. Vì thế, các sự thay đổi trong thông khí phổi hoặc mức độ hình thành CO₂ bởi các mô mà có thể làm thay đổi P_CO2 dịch ngoại bào.

Tăng thông khí phế nang làm giảm nồng độ H⁺ dịch ngoại bào và làm tăng pH

Nếu như sự hình thành CO₂ chuyển hóa vẫn hằng định thì yếu tố khác duy nhất mà ảnh hưởng đến P_CO2 trong dịch ngoại bào là mức độ thông khí phế nang. Sự thông khí phế nang càng cao thì P_CO2 càng thấp. Như đã được nói đến trước đây, khi nồng độ CO₂ tăng lên thì nồng độ H₂CO₃ và nồng độ H⁺ cũng tăng lên, bằng cách đó, làm giảm pH dịch ngoại bào.

Hình 2 cho thấy các sự thay đổi gần đúng trong pH máu được gây ra bằng cách làm tăng hoặc làm giảm mức thông khí phế nang. Chú ý rằng tăng thông khí phế nang đến khoảng hai lần so với bình thường làm tăng pH dịch ngoại bào lên khoảng 0.23. Nếu như pH của các dịch cơ thể là 7.40 với thông khí phế nang bình thường, tăng gấp đôi mức độ thông khí sẽ làm tăng pH đến khoảng 7.63. Ngược lại, một sự giảm trong thông khí phế nang đến khoảng một phần bốn so với bình thường sẽ làm giảm pH đi 0.45. Nghĩa là, nếu pH là 7.4 ở một sự thông khí phế nang bình thường, giảm thông khí đến một phần bốn so với bình thường sẽ làm giảm pH đến 6.95. Bởi vì mức thông khí phế nang có thể thay đổi đáng kể, từ thấp đến 0 đến cao đến 15 lần so với bình thường nên chúng ta có thể hiểu dễ dàng bao nhiêu pH của các dịch cơ thể có thể được thay đổi bởi hệ thống hô hấp.

Nồng độ H⁺ tăng lên kích thích sự thông khí phế nang

Không chỉ mức thông khí phế nang ảnh hưởng đến nồng độ H⁺ bằng cách thay đổi P_CO2 của các dịch cơ thể, mà nồng độ H⁺ cũng ảnh hưởng đến mức thông khí của phế nang. Vì thế, Hình 3 cho thấy rằng mức độ thông khí của phế nang tăng lên bốn đến năm lần so với bình thường khi pH giảm từ giá trị bình thường là 7.4 đến giá trị có tính acid nhiều là 7.0. Ngược lại, một sự tăng lên trong pH huyết tương lên trên 7.4 gây ra một sự giảm trong mức độ thông khí. Sự thay đổi trong mức độ thông khí trên mỗi sự thay đổi đơn vị pH thì lớn hơn nhiều ở các mức pH giảm (tương ứng với nồng độ H⁺ tăng lên) so với các mức pH tăng lên. Nguyên nhân cho việc này là khi mức độ thông khí phế nang giảm, do kết quả của một sự tăng lên trong pH (giảm nồng độ H⁺), lượng oxygen được thêm vào trong máu giảm xuống, điều này kích thích mức thông khí. Vì thế, sự đền bù hô hấp cho một sự tăng lên trong pH thì gần như không hiệu quả như đáp ứng với một sự giảm đáng kể trong pH.

Sự kiểm soát phản hồi của nồng độ H⁺ bởi hệ thống hô hấp. Bởi vì nồng độ H⁺ tăng lên kích thích sự hô hấp và bởi vì tăng thông khí phế nang làm giảm nồng độ H⁺ nên hệ thống hô hấp đóng vai trò như là một yếu tố kiểm soát phản hồi âm điển hình của nồng độ H⁺:

Nghĩa là, bất cứ khi nào nồng độ H⁺ tăng lên trên mức bình thường, hệ thống hô hấp sẽ được kích thích, và sự thông khí phế nang tăng lên. Cơ chế này làm giảm P_CO2 trong dịch ngoại bào và làm giảm nồng độ H⁺ quay trở về mức bình thường. Ngược lại, nếu như nồng độ H⁺ giảm xuống bên dưới mức bình thường thì trung tâm hô hấp trở nên suy yếu, thông khí phế nang giảm và nồng độ H⁺ tăng quay trở về mức bình thường. Mặc dù tình trạng nhiễm kiềm có khuynh hướng làm suy yếu các trung tâm hô hấp nhưng đáp ứng thì nhìn chung ít mạnh mẽ và ít dự đoán được hơn so với đáp ứng với nhiễm toan chuyển hóa; hạ oxygen máu liên quan với giảm thông khí phế nang cuối cùng hoạt hóa các thụ cảm thể hóa học nhạy cảm với oxygen mà có khuynh hướng kích thích sự thông khí và giới hạn sự đền bù hô hấp đối với tình trạng nhiễm kiềm chuyển hóa.

Tính hiệu quả của sự kiểm soát hô hấp đối với nồng độ H⁺. Sự kiểm soát hô hấp không thể đưa nồng độ H⁺ quay trở về mức bình thường khi một rối loạn bên ngoài hệ thống hô hấp làm thay đổi pH. Thông thường, cơ chế hô hấp trong kiểm soát nồng độ H⁺ là hiệu quả xấp xĩ 50% đến 75%, tương ứng với một hệ số phản hồi (feedback gain) là 1 đến 3 đối với nhiễm toan chuyển hóa. Nghĩa là, nếu như pH đột ngột giảm bằng cách thêm acid vào dịch ngoại bào và pH giảm từ 7.4 đến 7.0, thì hệ thống hô hấp có thể đưa pH đến một giá trị là khoảng 7.2 đến 7.3. Đáp ứng này xảy ra trong vòng 3 đến 12 phút. Như được nói đến trước đây, các đáp ứng hô hấp với tình trạng nhiễm kiềm chuyển hóa bị giới hạn bởi hạ oxygen máu liên quan với giảm thông khí phế nang.

Khả năng đệm của hệ thống hô hấp. Sự điều hòa hô hấp của thăng bằng acid-base là một loại hệ thống đệm sinh lý bởi vì nó đóng vai trò một cách nhanh chóng và giữ nồng độ H⁺ không thay đổi quá nhiều cho đến khi các thận đáp ứng một cách chậm chạp có thể loại bỏ sự mất cân bằng. Nhìn chung, khả năng đệm tổng quan của hệ thống hô hấp thì lớn hơn một đến hai lần so với khả năng đệm của tất cả các hệ đệm hóa học khác trong dịch ngoại bào kết hợp lại. Nghĩa là, một đến hai lần lượng acid hoặc base bình thường có thể được đệm bởi cơ chế này so với bởi các hệ đệm hóa học.

Sự suy giảm chức năng phổi có thể gây ra nhiễm toan hô hấp. Chúng ta đã bàn đến vai trò của cơ chế hô hấp bình thường như là một phương tiện cho việc đệm các sự thay đổi trong nồng độ H⁺. Tuy nhiên, các bất thường của sự hô hấp cũng có thể gây ra các sự thay đổi trong nồng độ H⁺. Ví dụ, một sự suy giảm trong chức năng phổi, như khí phế thủng nghiêm trọng, làm giảm khả năng của các phổi trong việc loại bỏ CO₂, điều mà gây ra sự tích tụ của CO₂ trong dịch ngoại bào và một khuynh hướng về phía tình trạng nhiễm toan hô hấp. Ngoài ra, khả năng đáp ứng với tình trạng nhiễm toan chuyển hóa bị suy giảm bởi vì các sự giảm đền bù trong P_CO2 mà bình thường sẽ xảy ra bởi con đường tăng thông khí thì bị suy yếu. Trong các trường hợp này, các thận sẽ cho thấy cơ chế sinh lý còn lại chính trong việc đưa pH về mức bình thường sau khi sự đệm hóa học ban đầu trong dịch ngoại bào đã xảy ra.

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