Sự Điều Hòa Acid-Base (Phần 3)

Sự kiểm soát của thận đối với thăng bằng acid-base

Các thận kiểm soát thăng bằng acid-base bằng cách bài tiết nước tiểu acid hoặc base. Bài tiết nước tiểu acid làm giảm lượng acid trong dịch ngoại bào, ngược lại, bài tiết nước tiểu base loại bỏ base khỏi dịch ngoại bào.

Cơ chế tổng quan mà bằng cách đó các thận bài tiết nước tiểu acid hay base là như sau. Các lượng lớn HCO₃^– được lọc một cách liên tục vào trong các ống thận và nếu được bài tiết vào trong nước tiểu, sẽ loại bỏ base khỏi máu. Các lượng lớn H⁺ cũng được bài tiết vào trong lòng ống thận bởi các tế bào biểu mô ống thận, vì thế, loại bỏ acid khỏi máu. Nếu nhiều H⁺ được bài tiết hơn so với HCO₃^– được lọc thì sẽ có một sự mất acid toàn phần khỏi dịch ngoại bào. Ngược lại, nếu như nhiều HCO₃^– được lọc nhiều hơn H⁺ được bài tiết thì sẽ có một sự mất base toàn phần.

Mỗi ngày, cơ thể sản xuất khoảng 80 mEq các acids không bay hơi, chủ yếu là từ sự chuyển hóa các proteins. Các acids này được gọi là không bay hơi (nonvolatile) bởi vì chúng không phải là H₂CO₃ và vì thế, không thể được bài tiết bởi các phổi. Cơ chế chủ yếu để loại bỏ các acids  này khỏi cơ thể là sự bài tiết của thận. Các thận cũng phải ngăn cản sự mất của bicarbonate trong nước tiểu, một nhiệm vụ mà quan trọng hơn về mặt định lượng so với sự bài tiết các acids không bay hơi. Mỗi ngày, các thận lọc khoảng 4320 mEq HCO₃^– (180 L/ngày x 24 mEq/L); dưới các điều kiện bình thường, hầu như tất cả lượng này được tái hấp thu từ các ống thận, bằng cách đó, bảo toàn hệ thống đệm chủ yếu của dịch ngoại bào.

Như được bàn luận đến sau, cả sự tái hấp thu HCO₃^– và sự bài tiết H⁺ được thực hiện thông qua quá trình bài tiết H⁺ bởi các ống thận. Bởi vì HCO₃^– phải phản ứng bởi một H⁺ được bài tiết để hình thành nên H₂CO₃ trước khi nó có thể được tái hấp thu, 4320 mEq H⁺ phải được bài tiết mỗi ngày chỉ để tái hấp thu lượng HCO₃^– được lọc. Sau đó, thêm một lượng 80 mEq H⁺ phải được bài tiết để loại bỏ khỏi cơ thể các acids không bay hơi được sản xuất mỗi ngày cho một tổng cộng là 4400 mEq H⁺ được bài tiết vào trong dịch ống thận mỗi ngày.

Khi có một sự giảm trong nồng độ H⁺ dịch ngoại bào (tình trạng nhiễm kiềm), các thận thường bài tiết ít H⁺ và không tái hấp thu tất cả HCO₃^– được lọc, bằng cách đó, làm tăng sự bài tiết HCO₃^–. Bởi vì HCO₃^– bình thường đệm H⁺ trong dịch ngoại bào nên sự mất HCO₃^– này thì giống với việc thêm H⁺ vào trong dịch ngoại bào. Vì thế, trong nhiễm kiềm, sự loại bỏ HCO₃^– làm tăng nồng độ H⁺ dịch ngoại bào quay trở về mức bình thường.

Trong tình trạng nhiễm toan, các thận bài tiết thêm H⁺ và không bài tiết HCO₃^– vào trong nước tiểu nhưng tái hấp thu tất cả HCO₃^– được lọc và tạo ra HCO₃^– mới mà được thêm trở lại vào trong dịch ngoại bào. Hoạt động này làm giảm nồng độ H⁺ dịch ngoại bào quay trở về mức bình thường.

Vì thế, các thận điều hòa nồng độ H⁺ dịch ngoại bào thông qua ba cơ chế nền tảng: (1) sự bài tiết H⁺; (2) sự tái hấp thu HCO₃^– được lọc; và (3) sự sản xuất của HCO₃^– mới. Tất cả các quá trình này được thực hiện thông qua cùng các cơ chế cơ bản, như được bàn đến trong các phần tiếp theo.

Sự bài tiết H⁺ và sự tái hấp thu HCO₃^– bởi các ống thận

Sự bài tiết ion hydrogen và sự tái hấp thu HCO₃^– xảy ra trong hầu như tất cả các phần của các ống thận trừ các nhánh xuống và nhánh lên mỏng của quai Henle. Hình 1 tóm tắt sự tái hấp thu HCO₃^– dọc theo ống thận. Luôn nhớ là đối với mỗi HCO₃^– được tái hấp thu, một H⁺ phải được bài tiết.

Khoảng 80% đến 90% sự tái hấp thu HCO₃^– (và sự bài tiết H⁺) xảy ra trong ống lượn gần, vì thế, chỉ một lượng nhỏ HCO₃^– chảy vào trong các ống lượn xa và các ống thu thập. Trong nhánh lên dày của quai Henle, thêm 10% HCO₃^– được lọc được tái hấp thu và phần còn lại của sự tái hấp thu diễn ra trong các ống lượn xa và các ống thu thập. Như được bàn đến trước đây, cơ chế mà bằng cách đó HCO₃^– được tái hấp thu cũng liên quan đến sự tái bài tiết H⁺ của ống thận, nhưng các đoạn ống thận khác nhau thực hiện công việc này một cách khác nhau.

H⁺ được bài tiết bởi sự vận chuyển tích cực thứ phát trong các đoạn ống thận gần

Các tế bào biểu mô của ống lượn gần, đoạn dày của nhánh lên quai Henle và đoạn đầu ống lượn xa tất cả đều bài tiết H⁺ vào trong dịch ống thận bởi sự đối vận chuyển natri-hydrogen, như được thể hiện trong Hình 2. Sự bài tiết tích cực thứ phát này của H⁺ được bắt cặp với sự vận chuyển Na⁺ vào trong tế bào ở màng lòng bởi protein trao đổi natri-hydrogen (sodium-hydrogen exchanger protein) và năng lượng cho sự bài tiết H⁺ ngược lại một gradient nồng độ có nguồn gốc từ gradient natri mà tạo điều kiện thuận lợi cho sự di chuyển của Na⁺ vào trong tế bào. Gradient này được thiết lập bởi bơm natri-kali adenosine triphosphate (Na⁺-K⁺ ATPase) trong màng đáy-bên. Khoảng 95% bicarbonate được tái hấp thu theo cách này, cần khoảng 4000 mEq H⁺ được bài tiết mỗi ngày bởi các ống thận. Tuy nhiên, cơ chế này có thể thiết lập một pH tối thiểu là chỉ khoảng 6.7; dịch ống thận trở nên rất acid chỉ trong các vi ống thu thập và các ống thu thập, mà có thể thiết lập một pH nước tiểu thấp đến khoảng 4.5.

Hình 2 cho thấy cách quá trình bài tiết H⁺ đạt được sự tái hấp thu HCO₃^–. Quá trình bài tiết bắt đầu khi CO₂ hoặc khuếch tán vào trong các tế bào ống thận hoặc được hình thành bởi sự chuyển hóa trong các tế bào biểu mô ống thận. Dưới tác động của enzyme carbonic anhydrase, CO₂, kết hợp với H₂O để hình thành nên H₂CO₃, chất mà phân li thành HCO₃^– và H⁺. H⁺ được bài tiết từ tế bào vào trong lòng ống thận bởi sự đối vận chuyển natri-hydrogen. Nghĩa là, khi Na⁺ di chuyển từ lòng ống thận vào bên trong tế bào, nó đầu tiên kết hợp với một protein mang trong bờ lòng của màng tế bào; cùng lúc đó, một H⁺ ở bên trong các tế bào kết hợp với protein mang. Na⁺ di chuyển vào bên trong tế bào theo một gradient nồng độ mà đã thiết lập bởi bơm Na⁺-K⁺ ATPase trong màng đáy-bên. Gradient cho sự di chuyển của Na⁺ vào trong tế bào sau đó cung cấp năng lượng cho sự đưa H⁺ theo hướng đối diện từ bên trong tế bào đến lòng ống thận.

HCO₃^– được tạo ra trong tế bào (khi H⁺ phân li từ H₂CO₃) sau đó di chuyển theo gradient nồng độ qua màng đáy bên, vào trong dịch kẽ thận và máu mao mạch quanh ống thận. Kết quả toàn phần là đối với mỗi H⁺ được bài tiết vào trong lòng ống thận thì một HCO₃^– sẽ đi vào trong máu.

HCO₃^– được lọc được tái hấp thu bởi sự tương tác với H⁺ trong các ống thận

Ion bicarbonate không thấm một cách dễ dàng qua các màng lòng của các tế bào ống thận; vì thế, HCO₃^– mà được lọc bởi mao mạch cầu thận không thể được tái hấp thu một cách trực tiếp. Thay vào đó, HCO₃^– được tái hấp thu bởi một quá trình đặc biệt mà trong đó nó đầu tiên kết hợp với H⁺ để hình thành nên H₂CO₃, chất mà cuối cùng trở thành CO₂ và H₂O, như được thể hiện trong Hình 2.

Sự tái hấp thu HCO₃^– này được khởi đầu bởi một phản ứng trong các ống thận giữa HCO₃^– được lọc ở mao mạch cầu thận và H⁺ được bài tiết bởi các tế bào ống thận. H₂CO₃ được hình thành sau đó phân li thành CO₂ và H₂O. CO₂ có thể di chuyển dễ dàng qua màng ống thận; vì thế, nó liên tục khuếch tán vào trong tế bào ống thận, nơi mà nó tái kết hợp với H₂O, dưới tác động của carbonic anhydrase, để tạo thành phân tử H₂CO₃ mới. H₂CO₃ này phân li để hình thành nên HCO₃^– và H⁺; HCO₃^– sau đó khuếch tán qua màng đáy-bên vào trong dịch kẽ và được thu nhận vào trong máu mao mạch quanh ống thận. Sự vận chuyển HCO₃^– qua màng đáy-bên được tạo điều kiện bởi hai cơ chế: (1) sự đồng vận chuyển Na⁺-HCO₃^– trong các ống lượn gần; và (2) sự trao đổi Cl^–-HCO₃^– trong các đoạn cuối của ống lượn gần, nhánh lên dày của quai Henle và vi ống thu thập và ống thu thập.

Vì thế, mỗi khi một H⁺ được hình thành trong các tế bào biểu mô ống thận, một HCO₃^– cũng được hình thành và được giải phóng ngược vào trong máu. Tác động toàn phần của các phản ứng này là “sự tái hấp thu” của HCO₃^– từ các ống thận mặc dù HCO₃^– mà thực sự đi vào trong dịch ngoại bào thì không giống với HCO₃^– mà được lọc vào trong các ống thận. Sự tái hấp thu của HCO₃^– được lọc không gây ra sự bài tiết toàn phần của H⁺ bởi vì H⁺ được bài tiết kết hợp với HCO₃^– được lọc và vì thề không được bài tiết.

HCO₃^– được chuẩn độ dựa vào H⁺ trong các ống thận. Dưới các điều kiện bình thường, mức độ bài tiết H⁺ của ống thận là khoảng 4400 mEq/ngày và mức độ lọc của HCO₃^– là khoảng 4320 mEq/ngày. Vì thế, các lượng của hai ion này đi vào trong các ống thận thì gần như bằng nhau và chúng kết hợp với nhau để hình thành nên CO₂ và H₂O. Vì thế, nó được cho là HCO₃^– và H⁺ bình thường “chuẩn độ” lẫn nhau trong các ống thận.

Quá trình chuẩn độ thì không hoàn toàn chính xác bởi vì thường có một sự dư thừa H⁺ trong các ống thận được bài tiết trong nước tiểu. Lượng H⁺ dư thừa này (khoảng 80 mEq/ngày) loại bỏ khỏi cơ thể các acids không bay hơi được tạo ra bởi chuyển hóa. Như sẽ được bàn luận sau, hầu hết H⁺ này thì không được bài tiết dưới dạng H+ tự do mà là trong sự kết hợp với các hệ đệm nước tiểu khác, đặc biệt là phosphate và ammonia (amoniac).

Khi có một lượng dư HCO₃^– nhiều hơn H⁺ trong nước tiểu, như xảy ra trong nhiễm kiềm chuyển hóa thì lượng HCO₃^– dư thừa có thể không được tái hấp thu. Vì thế, lượng HCO₃^– dư thừa thì còn lại trong các ống thận và cuối cùng được bài tiết vào trong nước tiểu, việc mà giúp điều chỉnh tình trạng nhiễm kiềm chuyển hóa.

Trong tình trạng nhiễm toan, có một lượng dư H⁺ so với HCO₃^–, gây ra sự tái hấp thu hoàn toàn của HCO₃^–; lượng H⁺ dư đi vào trong nước tiểu trong sự kết hợp với hệ đệm trong nước tiểu, đặc biệt là phosphate và ammonia, và cuối cùng được bài tiết dưới dạng các muối. Vì thế, cơ chế cơ bản mà bằng cách đó các thận điều chỉnh tình trạng nhiễm kiềm hay nhiễm toan là sự chuẩn độ không hoàn toàn của H⁺ dựa trên HCO₃^–, để lại thành phần này hoặc thành phần khác đi vào trong nước tiểu và được loại bỏ khỏi dịch ngoại bào.

Sự bài tiết tích cực nguyên phát của H⁺ trong các tế bào xen kẽ của đoạn cuối ống lượn xa và các vi ống thu thập

Bắt đầu trong đoạn cuối ống lượn xa và tiếp tục qua phần còn lại của hệ thống ống thận, biểu mô ống thận bài tiết H⁺ bởi sự vận chuyển tích cực (chủ động) nguyên phát (primary active transport). Các đặc điểm của sự vận chuyển này thì khác so với những gì đã mô tả đối với ống lượn gần, quai Henle và đoạn đầu ống lượn xa.

Cơ chế cho sự bài tiết H⁺ tích cực nguyên phát đã được mô tả trong loạt bài viết trước và được thể hiện trong Hình 3. Nó xảy ra ở màng lòng của tế bào ống thận, nơi mà H⁺ được vận chuyển một cách trực tiếp bởi các protein đặc hiệu, một hydrogen-transporting ATPase và một chất vận chuyển hydrogen-kali-ATPase. Năng lượng cần cho sự bơm H⁺ có nguồn gốc từ sự thoái hóa của ATP thành adenosine diphosphate.

Sự bài tiết tích cực nguyên phát H⁺ xảy ra trong các loại tế bào đặc hiệu được gọi là các tế bào xen kẽ type A (type A intercalated cells) của đoạn cuối ống lượn xa và trong các vi ống thu thập. Sự bài tiết ion hydrogen trong các tế bào này được thực hiện trong hai bước: (1) CO₂ hòa tan trong tế bào này kết hợp với H₂O để hình thành nên H₂CO₃; và (2) H₂CO₃ sau đó phân li thành HCO₃^–, mà được tái hấp thu vào trong máu, cùng với H⁺, thành phần mà được bài tiết vào trong ống thận bởi các phương tiện là hydrogen-ATPase và các chất vận chuyển hydrogen-kali-ATPase. Đối với mỗi H⁺ được bài tiết, một HCO₃^– được tái hấp thu, tương tự với quá trình trong ống lượn gần. Sự khác biệt chính chính là H⁺ di chuyển qua màng lòng bởi một bơm H⁺ chủ động thay vì bởi sự đối vận chuyển, như xảy ra trong các đoạn đầu của nephron.

Mặc dù sự bài tiết H⁺ trong đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập chiếm chỉ khoảng 5% tổng lượng H⁺ được bài tiết, nhưng cơ chế này thì quan trọng trong việc hình thành nước tiểu có tính acid tối đa. Trong các ống lượn gần, nồng độ H⁺ có thể được tăng lên chỉ khoảng ba lần đến bốn lần và pH dịch ống thận có thể được giảm xuống chỉ khoảng 6.7 mặc dù các lượng H⁺ lớn được bài tiết bởi đoạn nephron này. Tuy nhiên, nồng độ H⁺ có thể được tăng lên đến 900 lần trong các vi ống thu thập. Cơ chế này làm giảm pH của dịch ống thận xuống khoảng 4.5, là giới hạn dưới của pH mà có thể đạt được ở các thận bình thường.

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

Khi H⁺ được bài tiết với lượng dư so với HCO₃^– được lọc vào trong dịch ống thận thì chỉ một phần nhỏ H⁺ dư có thể được bài tiết ở dạng ion (H⁺) trong nước tiểu. Điều này là bởi vì pH nước tiểu tối thiểu là khoảng 4.5, tương ứng với một nồng độ H⁺ là 10^-4.5 mEq/L hay 0.03 mEq/L. Vì thế, đối với mỗi lít nước tiểu được hình thành, một tối đa chỉ khoảng 0.03 mEq của H⁺ tự do có thể được bài tiết. Để bài tiết 80 mEq acid không bay hơi được hình thành bởi chuyển hóa mỗi ngày, khoảng 2667 lít nước tiểu phải được bài tiết nếu như H⁺ vẫn tự do trong dung dịch.

Sự bài tiết của các lượng lớn H⁺ (đôi khi nhiều đến 500 mEq/ngày) trong nước tiểu được thực hiện chủ yếu bởi sự kết hợp của H⁺ với các hệ đệm trong dịch ống thận. Các hệ đệm quan trọng nhất là hệ đệm phosphate và hệ đệm ammonia. Các hệ đệm yếu khác, như urate và citrate, thì ít quan trọng hơn nhiều.

Khi H⁺ được chuẩn độ trong dịch ống thận với HCO₃^–, điều này dẫn đến sự tái hấp thu của một HCO₃^– cho mỗi H⁺ được bài tiết, như được nói đến trước đây. Tuy nhiên, khi có lượng H⁺ dư thừa trong dịch ống thận, nó kết hợp với các hệ đệm chứ không phải HCO₃^– và điều này dẫn đến sự hình thành của HCO₃^– mới mà cũng có thể đi vào trong máu. Vì thế, khi có lượng dư H⁺ trong dịch ngoại bào, các thận không chủ tái hấp thu tất cả HCO₃^– được lọc mà còn tạo thành HCO₃^– mới, bằng cách đó, giúp “làm đầy lại” HCO₃^– mất khỏi dịch ngoại bào trong tình trạng nhiễm toan. Trong hai phần tiếp theo, chúng ta sẽ bàn đến các cơ chế mà bằng cách đó các hệ đệm phopshate và ammonia đóng góp vào sự hình thành của HCO₃^– mới.

Hệ đệm phosphate mang H⁺ dư thừa vào trong nước tiểu và tạo thành HCO₃^– mới

Hệ đệm phosphate bao gồm H₂PO₄^– và HPO₄⁼. Cả hai trở nên cô đặc trong dịch ống thận bởi vì nước bình thường được tái hấp thu với một mức độ lớn hơn phosphate bởi các ống thận. Vì thế, mặc dù phosphate không phải là một hệ đệm ngoại bào quan trọng nhưng nó thì hiệu quả hơn nhiều khi là một hệ đệm trong dịch ống thận.

Một yếu tố khác mà khiến cho phosphate quan trọng khi là hệ đệm của ống thận là pK của hệ thống này là khoảng 6.8. Dưới các điều kiện bình thường, nước tiểu hơi có tính acid, và pH nước tiểu thì gần pK của hệ đệm phosphate. Vì thế, trong các ống thận, hệ đệm phosphate bình thường thực hiện chức năng gần khoảng pH hiệu quả nhất của nó.

Hình 4 cho thấy trình tự các sự kiện mà bằng cách đó H⁺ được bài tiết trong sự kết hợp với đệm phosphate và cơ chế mà bằng cách đó HCO₃^– được thêm vào trong máu. Quá trình bài tiết H⁺ vào trong các ống thận thì giống với được mô tả trước đó. Miễn là có HCO₃^– dư trong dịch ống thận thì hầu hết H⁺ sẽ kết hợp với HCO₃^–. Tuy nhiên, một khi tất cả HCO₃^– được tái hấp thu và không có tồn tại để kết hợp với H⁺ nữa thì bất cứ lượng dư H⁺ nào cũng có thể kết hợp với HPO₄⁼ và các đệm ống thận khác. Sau khi H⁺ kết hợp với HPO₄⁼ để hình thành nên H₂PO₄^– thì nó có thể được bài tiết dưới dạng một muối natri (NaH₂PO₄), mang theo nó là H⁺ dư thừa.

Có một sự khác biệt quan trọng trong trình tự bài tiết H⁺ so với những gì đã nói đến trước dây. Trong trường hợp này, HCO₃^– mà được tạo thành trong tế bào ống thận và đi vào trong máu trong mao mạch quanh ống thận cho thấy một sự thu nhận HCO₃^– toàn phần bởi máu, chứ không phải gần như là một sự thay thế HCO₃^– đã được lọc. Vì thế, bất cứ khi nào một H⁺ được bài tiết vào trong lòng ống thận kết hợp với một chất đệm khác với HCO₃^– thì tác động toàn phần là sự bổ sung thêm của một HCO₃^– mới vào trong máu. Quá trình này cho thấy một trong số các cơ chế mà bằng cách đó các thận có thể “làm đầy lại” các sự tích trữ HCO₃^– dịch ngoại bào.

Dưới các điều kiện bình thường, hầu hết phosphate được lọc được tái hấp thu và chỉ 30 đến 40 mEq/ngày là có sẵn để đệm cho H⁺. Vì thế, hầu hết sự đệm H⁺ dư thừa trong dịch ống thận trong tình trạng nhiễm toan xảy ra thông qua hệ thống đệm ammonia.

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