Regulatie van het zuur-base evenwicht

De concentratie van Waterstofionen wordt in het lichaam binnen nauwe grenzen gehouden. De waterstofconcentratie (H+) is in de extracellulaire vloeistof zeer laag, gemiddeld 0,00000004 Eq/L (40 nEq/L). De normale variatie is 3 tot 5 nEq/L.

Wat is pH, zuurgraad?

Daar de concentratie van Waterstofionen in de extracellulaire vloeistof zeer laag is en omdat het lastig is om met kleine getallen te werken, wordt de H+ concentratie uitgedrukt in pH. De pH is de logaritmische reciprook van H+, uitgedrukt als equivalenten per liter. pH = log 1/[H+] = -log[H+]

Arterieel bloed heeft normaal een pH van 7,4. De pH van veneus bloed is normaliter 7,35. Iemand heeft een acidose wanneer de arteriële pH lager is dan 7,4. Wanneer de pH hoger is dan 7,4 wordt dat alkalose genoemd. Iemand overlijdt wanneer de pH hoger wordt dan 8,0 of lager dan 6,8.

Buffersystemen van het lichaam

Het lichaam kent drie mechanismen om veranderingen in de Waterstofionconcentratie op te vangen:

  • De chemische zuur-base buffer van de lichaamsvloeistof. Deze neutraliseren direct zuur of base om grote schommelingen in het zuur-base evenwicht te voorkomen.
  • De ademhaling. Tijdens het ademen raakt het lichaam koolstofdioxide (CO2) en dus H2CO3 kwijt vanuit de extracellulaire vloeistof. Dit mechanisme reageert binnen minuten.
  • De nieren. De nieren kunnen zure of basische urine uit scheiden. Hierdoor wordt het zuur-base evenwicht gecorrigeerd. Dit mechanisme reageert traag, maar krachtig en reguleert het zuur-base evenwicht over een periode van uren tot dagen.

De chemische zuur-base buffer van de lichaamsvloeistof

Een buffer is een stof die H+ reversibel aan zich kan binden. De algemene werking van een buffer staat in onderstaande formule: Buffer + H+ <-> HBuffer

In bovenstaand voorbeeld wordt vrij H+ gebonden aan de buffer, om zo een zwak zuur te vormen. Wanneer de H+-concentratie stijgt, verloopt de reactie naar rechts, zo lang er nog buffer aanwezig is. Wanneer de H+-concentratie daalt, verloopt de reactie naar links en komt er H+ vrij. De belangrijkste buffer in het lichaam zijn de eiwitten in de cellen. Eiwitten in het plasma en interstitium zijn minder belangrijke buffers. De fosfaatbuffer (HPO4/H2PO4) is een belangrijke buffer binnen cellen en de nieren, maar niet in de extracellulaire vloeistof. De belangrijkste extracellulaire buffer is het bicarbonaat buffersysteem (HCO3/PCO2), omdat de componenten van het systeem gereguleerd worden door de longen en de nieren.

Bicarbonaat buffersysteem

Het bicarbonaat buffersysteem bestaat uit oplossing een zwak zuur, H2CO3 en een bicarbonaatzout NaHCO3. H2CO3 wordt gevormd uit CO2 en H2O.

CO2 + H2O <-> H2CO3 (Carbonanhydrase is de katalysator in deze reactie.)

H2CO3 ioniseert tot H+ en HCO3

H2CO3 <-> H+ + HCO3 (het evenwicht van deze reactie ligt naar links)

De tweede component van het systeem, Natriumbicarbonaat ioniseert bijna volledig tot Na en HCO3.

NaHCO3 <-> Na + HCO3 (evenwicht naar rechts)

Beide bovenstaande reacties leiden tot een algemene reactie:

CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3 + Na

Wanneer een sterk zuur aan deze buffer wordt toegevoegd, worden er meer H+ gebufferd:

H+ (stijgt) + HCO3 <-> H2CO3 <-> CO2 + H2O

De tegengestelde reactie ontstaat wanneer een sterke base aan de buffer wordt toegevoegd:

NaOH + H2CO3 <-> NaHCO3 + H2O

In dit geval reageert NaOH met H2CO3, om zo HCO3 te vormen. De zwakke base NaHCO3 vervangt de sterke base NaOH. Gelijktijdig daalt de concentratie H2CO3, meer CO2 kan reageren met H2O om zo aan de vraag naar H2CO3 te voldoen.

CO2 + H2O <-> H2CO3 + NaOH <-> HCO3 + H + Na (evenwichtsreactie ligt naar rechts)

Het nettoresultaat is een daling van de CO2 spiegel in het bloed. De afgenomen CO2 spiegel in het bloed inhibeert de ademhaling. Daardoor wordt er minder CO2 uitgeademd. Het overschot van HCO3 van het bloed wordt uitgescheiden door de nieren.

De Henderson-Hasselbalch vergelijking verklaart de relatie tussen bicarbonaat, koolstofdioxide en pH. Henderson-Hasselbalch vergelijking: pH = 6,1 + log HCO3/0,03 + PCO2

In deze vergelijking is CO2 het zuur en HCO3 de base. HCO3 wordt uitgedrukt in millimol per liter. PCO2 wordt uitgedrukt in millimeter kwikdruk (mmHg). Wanneer PCO2 toeneemt, daalt de pH. Wanneer HCO3 toeneemt, stijgt de pH. Wanneer verstoringen in het zuur-base evenwicht het resultaat zijn van veranderingen van de HCO3-concentratie, worden deze metabole zuur-base afwijkingen genoemd. Acidose wordt veroorzaakt door een daling van de HCO3-concentratie. Alkalose wordt veroorzaakt door een stijging van de HCO3-concentratie. Een stijging van de PCO2 veroorzaakt een respiratoire acidose. Een daling van de PCO2 veroorzaakt een respiratoire alkalose.

Respiratoire regulatie van de zuur-base balans

Daar de longen CO2 verwijderen uit het lichaam, veroorzaakt een versnelde ademhaling een daling van CO2 in het bloed. Een daling van de CO2-concentratie heeft tot gevolg dat de H2CO3-concentratie daalt en dus de pH van het bloed stijgt. Een vertraagde ademhaling heeft tot gevolg dat de CO2-concentratie en dus pH van het bloed stijgt. Verhoogde waterstofconcentratie stimuleert de ventilatie. Ventilatie heeft niet alleen invloed op de pH van het bloed, het omgekeerde is ook het geval. Een lage pH stimuleert de ademhaling. Wanneer de pH dealt van normaal 7,4 naar de voor het lichaam sterke zuurgraad van 7,0, neemt de ventilatie met een factor 4 tot 5 toe. Wanneer de pH stijgt, neemt de ventilatie af. Het respiratoire systeem kan de pH binnen een aantal minuten tot tweederde van normaal herstellen. Ademhalingsafwijkingen kunnen het zuur-base evenwicht verstoren. Een verslechterde longfunctie (bijvoorbeeld bij COPD) reduceert de capaciteit om CO2 te verwijderen uit het lichaam. Dit veroorzaakt een ophoping van CO2 in de extracellulaire vloeistof en kan een respiratoire acidose veroorzaken. Het vermogen van het lichaam om te reageren op een metabole acidose is ook afgenomen, omdat compensatoire mechanismen die normaal op een verlaagde pH reageren minder goed functioneren. Overventilatie veroorzaakt een daling van de PCO2 en vergroot de kans op een respiratoire alkalose.

Controle van het zuur-base evenwicht door de nieren

De nieren beïnvloeden het zuur-base evenwicht door zure of basische urine uit te scheiden. Het mechanisme waarop de nieren het zuur-base evenwicht kunnen beïnvloeden, werkt als volgt: een grote hoeveelheid HCO3 wordt continue door de tubuli gefilterd. Waneer HCO3 met de urine wordt uitgescheiden, wordt base uit het bloed verwijderd. In het tubulaire lumen wordt ook een grote hoeveelheid H+ uitgescheiden. Wanneer de uitgescheiden hoeveelheid H+ de hoeveelheid HCO3 overschrijdt, ontstaat er een verlies van zuur vanuit de extracellulaire vloeistof. Wanneer de uitgescheiden hoeveelheid HCO3 de hoeveelheid H+ overschrijdt, ontstaat er een verlies van base vanuit de extracellulaire vloeistof. De nieren kunnen niet alleen H+ uitscheiden en gefilterd HCO3 reabsorberen, maar ook nieuw HCO3 vormen. De nieren kunnen nieuw HCO3 vormen, door reacties die plaats vinden in de tubulus. De nieren reguleren de extracellulaire H+ concentratie op drie manieren:

(1)secretie van H+; (2)reabsorptie van gefilterd HCO3 en (3)vorming van HCO3.

Secretie van waterstofionen en reabsorptie van bicarbonaationen door de niertubulus

Secretie van waterstofionen en reabsorptie van bicarbonaationen vindt met uitzondering van het descenderende en ascenderende segment van de Lis van Henle in alle delen van de tubulus plaats. Bicarbonaat wordt niet direct door de tubulus gereabsorbeerd. Bicarbonaat wordt gereabsorbeerd voor elk waterstofion dat wordt uitgescheiden. Dit gebeurd onder invloed van carbonanhydrase. In de proximale tubulus, het dikke ascenderende segment van de Lis van Henle en de distale tubulus wordt H+ uitgescheiden in de tubulaire vloeistof door uitwisseling van Natrium voor waterstof. Het uitgescheiden H+ reageert met HCO3 tot H2CO3. H2CO3 dissocieert tot H2O en CO2. CO2 diffundeert naar de cel en wordt gebruikt om eerst H2CO3 te vormen en uiteindelijk HCO3. HCO3 wordt gereabsorbeerd over het basolaterale membraan van de tubulus. Normaliter wordt meer dan 99 procent van het gefilterde HCO3 gereabsorbeerd. Ongeveer 95 procent van het gefilterde HCO3 wordt gereabsorbeerd in de proximale tubulus, Lis van Henle en het vroege gedeelte van de distale tubulus. In het laatste deel van de distale tubulus en verzameltubulus, wordt H+ middels actief transport gesecerneerd. Hetzelfde mechanisme wordt gebruikt om HCO3 te reabsorberen. Hoewel de totale secretie van H+ in het laatste gedeelte van de distale tubulus en verzameltubulus laag is, kunnen deze delen van het nefron H+ concentratie met een factor 900 vergroten. Dit verlaagt de pH van de tubulaire vloeistof naar ongeveer 4,5. Dit is de ondergrens voor de pH van de urine die bereikt kan worden in de nieren. Bicarbonaat wordt uitgewisseld voor H+ in de tubulus. Bij normale omstandigheden is de secretie van H+ en bicarbonaat respectievelijk 4400 en 4320 mEq/dag. De hoeveelheden van deze ionen in de tubulus zijn nagenoeg gelijk. Beide ionen reageren met elkaar om CO2 en H2O te vormen. Bij een alkalose bevat de urine meer bicarbonaat- dan waterstofionen. Omdat HCO3 met H+ moet reageren voordat het gereabsorbeerd kan worden door de tubulus, kan overtollig HCO3 makkelijk worden uitgescheiden, om zo het lichaam te beschermen tegen alkalose. Bij een acidose bevat de urine meer waterstof- dan bicarbonaationen. Dit veroorzaakt een complete reabsorptie van het gefilterde HCO3. het overtollige H+ reageert eerst met fosfaat of ammonia voordat het in de urine verschijnt.

De vorming van nieuw bicarbonaat in de tubulus

Er kan maar een kleine hoeveelheid H+ in ionvorm met de urine worden uitgescheiden. De urine kan een pH hebben van minimaal 4,5. Uitscheiding van grote hoeveelheden H+ (meer dan 500 mEq/dag bij een ernstige acidose) wordt bereikt door H+ te binden met buffers in de tubulaire vloeistof. De twee belangrijkste buffers in de tubulaire vloeistof zijn ammonia en fosfaat. Voor elke H+ die wordt uitgescheiden en die niet is gebonden met bicarbonaat, maar met een andere buffer, wordt nieuw HCO3 gevormd in de tubulaire cellen. Fosfaatbuffer in de urine vervoert waterstofionen naar de urine en genereert nieuw bicarbonaat. De fosfaatbuffer bestaat uit HPO4 en H2PO4. Het resterende H+ in de renale tubulus reageert met HPO4 tot H2PO4. H2PO4 wordt uitgescheiden als NaH2PO4. Voor elke H+ die wordt uitgescheiden met de fosfaatbuffer, wordt nieuw HCO3 gevormd. Het gegenereerde HCO3 is een nettowinst van HCO3 voor het bloed. Onder normale omstandigheden wordt 75 procent van het gefilterde fosfaat gereabsorbeerd. Ongeveer 30 tot 40 mEq/dag is beschikbaar voor het bufferen van H+. Ernstige acidose wordt daarom opgevangen door het ammonia buffer systeem. Ammonia is de belangrijkste buffer bij chronische acidose. De ammonia buffer bestaat uit ammonia (NH3) en het ammonia ion (NH4). Het ammonia ion wordt gevormd uit glutamine. Glutamine wordt actief getransporteerd naar de cellen van de proximale tubulus, dikke segment van het ascenderende deel van de Lis van Henle en de distale tubulus. Eenmaal in de cel wordt uit elk glutaminemolecuul twee NH4 ionen en twee HCO3 ionen gevormd. NH4 wordt middels contratransport voor HCO3 en Natrium uitgescheiden in het tubulaire lumen. Voor elk glutaminemolecuul dat wordt gemetaboliseerd tot twee NH4, worden twee NH4 ionen uitgescheiden en twee HCO3 ionen gereabsorbeerd in het bloed. Op deze wijze wordt nieuw HCO3 aan het bloed toegevoegd. Een van de meest belangrijke kenmerken van het ammonia buffer systeem is dat acidose het glutaminemetabolisme stimuleert.

Kwantificeren van de tubulaire zuursecretie

De totale H+ secretie kan berekend worden.

H+ secretiesnelheid = HCO3 reabsorptiesnelheid + titreerbare zuur excretie snelheid + NH4 excretie snelheid

Dit impliceert dat bijna al het gesecerneerde H+ bindt met HCO3, wat wordt gereabsorbeerd of wordt uitgescheiden met fosfaat of ammonia. De netto zuuruitscheiding (zuurexcretie) kan ook berekend worden.

Netto zuuruitscheiding = Titeerbare zuurexcretie + NH4 excretiesnelheid – HCO3 excretie

HCO3 uitscheiding betekent dat H+ aan het bloed wordt toegevoegd. In geval van een acidose stijgt de netto zuuruitscheiding dramatisch. De netto zuuruitscheiding is in evenwicht met de vorming van nieuw HCO3 in de nieren. Dit nieuwe HCO3 wordt toegevoegd aan het bloed. Bij een acidose wordt bicarbonaat aan het bloed toegevoegd, wanneer meer NH4 en zuur wordt uitgescheiden. Bij een alkalose daalt de uitscheiding van zuur en NH4, terwijl de uitscheiding van HCO3 stijgt. Secretie van waterstofionen wordt gereguleerd door PCO2 en extracellulair [H+]. Bij een alkalose daalt de tubulaire secretie van H+ tot een niveau waarbij geen reabsorptie van HCO3 meer kan plaats vinden. Hierdoor stijgt de excretie van HCO3. Bij een acidose voldoet de H+ secretie om het gefilterde HCO3 te reabsorberen. Het H+ wordt uitgescheiden als NH4 en titreerbaar zuur, waardoor grote hoeveelheden HCO3 worden getransporteerd naar het bloed. De twee belangrijkste stimuli voor een verhoogde H+ secretie door de tubulus zijn: (1) een stijging van de PCO2 van de extracellulaire vloeistof (wat het geval is bij een respiratoire acidose) en (2) een stijging van de H+ concentratie in de extracellulaire vloeistof (wat voorkomt bij zowel een respiratoire als metabole acidose). Acidose ontstaat wanneer de arteriële pH lager wordt dan 7,4. Wanneer de verlaging van de pH ontstaat door een daling van HCO3, wordt dat een metabole acidose genoemd. Wanneer de daling van de pH wordt veroorzaakt door een stijging van de PCO2, wordt dat een respiratoire acidose genoemd. Ongeacht of het een metabole of respiratoire acidose is, het veroorzaakt altijd een daling van de HCO3/H+ ratio in de tubulaire vloeistof. Dit resulteert in een overschot van H+ in de renale tubulus. Dit veroorzaakt een volledige reabsorptie van HCO3 en uitscheiding van H+. In geval van een acidose reabsorberen de nieren al het gefilterde HCO3. Ook wordt nieuw bicarbonaat gevormd door de vorming van NH4 en titreerbaar zuur. Metabole acidose is het resultaat van gedaalde bicarbonaatspiegel van het lichaamsvocht. De afgenomen concentratie HCO3 van de extracellulaire vloeistof, veroorzaakt een afgenomen glomerulaire filtratie van HCO3. Andere compensatoire mechanismen zijn: stimulatie van de ademhaling (wat voor verwijdering van CO2 uit het lichaam zorgt). Ook reabsorberen de nieren meer HCO3 en scheiden meer zuur en NH4 uit. Een van de oorzaken van metabole acidose zijn:

  • Gedaalde tubulaire secretie van waterstofionen of een afgenomen reabsorptie van HCO3. Dit kan het gevolg zijn door een renale tubulaire acidose. Door deze afwijking zijn de nieren niet in staat om grote hoeveelheden H+ te secerneren. Hierdoor raakt het lichaam grote hoeveelheden HCO3 met de urine kwijt. Chronisch nierfalen veroorzaakt een onvoldoende H+ secretie door de tubulus, waardoor zuur ophoopt in het lichaam.
  • Vorming van metabool zuur in het lichaam. Dit kan voorkomen bij Diabetes Mellitus. Bij onbehandelde diabetes mellitus worden grote hoeveelheden acetoacetaat uit vrije vetzuren gevormd.
  • Inname van zuur. Dit kan voorkomen bij de inname van bepaalde medicijnen, zoals: acetylsalicylzuur en methylalcohol. Beide stoffen worden tot zuren gemetaboliseerd.
  • Verlies van base uit de lichaamsvloeistof. Dit kan voorkomen bij ernstige diarree, waarbij bicarbonaat met de darminhoud verloren gaat.

Respiratoire acidose wordt veroorzaakt door een afgenomen ademhaling. Dit vergroot de PCO2. Een verlaging van de ademhaling, verhoogd de PCO2 van de extracellulaire vloeistof. Hierdoor stijgt de H2CO3 en H+ concentratie en ontstaat een respiratoire acidose. De gestegen PCO2 stimuleert de H+ secretie door de tubulus. Dit veroorzaakt een toegenomen HCO3 reabsorptie. H+ in de tubulus reageert met buffers (voornamelijk ammonia) en wordt nieuw HCO3 gevormd. Door deze reacties normaliseert de pH van het bloed. De bekendste oorzaken van respiratoire acidose zijn ziekten die de ademhalingscentra beschadigen, of het vermogen van de longen om CO2 uit te scheiden aantasten. Beschadiging van het ademhalingscentra in de Medulla Oblongata veroorzaakt bijvoorbeeld respiratoire acidose. Obstructie van de luchtwegen, of een afgenomen alveolair oppervlak (of elke andere ziekte die de gaswisseling bemoeilijkt) veroorzaakt respiratoire acidose.

Alkalose

Alkalose ontstaat wanneer de arteriële pH hoger is dan 7,4. Wanneer de stijging van de pH het gevolg is van een stijging van het plasma HCO3, wordt dat metabole alkalose genoemd. Alkalose veroorzaakt door een daling van de PCO2 wordt respiratoire alkalose genoemd. Compensatoire mechanismen om alkalose tegen te gaan, zijn tegengesteld aan de mechanismen om acidose te compenseren. In geval van alkalose is de HCO3/CO2 ratio in de extracellulaire vloeistof gestegen, wat een stijging van de pH veroorzaakt. Ongeacht de oorzaak van de alkalose (metabool of respiratoir) er is altijd een stijging van de HCO3/CO2 in de tubulaire vloeistof. Het netto effect is een overschot van HCO3 wat niet gereabsorbeerd uit de tubulus gereabsorbeerd kan worden. In geval van een alkalose wordt HCO3 verwijderd uit de extracellulaire vloeistof.

Metabole alkalose is het gevolg van een gestegen HCO3 spiegel van de extracellulaire vloeistof. Dit veroorzaakt een toegenomen filtratie van HCO3. Dit veroorzaakt een gestegen HCO3 concentratie van de tubulaire vloeistof. Het HCO3 in de tubulaire vloeistof wordt niet gereabsorbeerd, omdat het niet met H+ kan reageren (H+ is bij een alkalose niet aanwezig in de tubulaire vloeistof). Het HCO3 wordt met de urine uitgescheiden. Een metabole alkalose wordt gecompenseerd door meer HCO3 met de urine uit te scheiden en een afgenomen ademhalingsfrequentie, waardoor de PCO2 daalt. Metabole alkalose komt minder vaak voor, dan metabole acidose. De bekendste oorzaken van metabole alkalose zijn:

  • Gestegen Aldosteronsecretie. Dit stimuleert de reabsorptie van Natrium en secretie van H+ door de verzameltubulus. Dit leidt tot een toegenomen uitscheiding van H+ en een gestegen vorming van HCO3 door de nieren.
  • Braken. Braken leidt tot verlies van maagzuur. Hierdoor verliest de extracellulaire vloeistof zuur.
  • Inname van alkaloïde medicijnen. Een van de meest bekende oorzaken van metabole alkalose is de inname van alkaloïde medicijnen (zoals Natriumbicarbonaat voor de behandeling van gastritis of een maagzweer).

Respiratoire alkalose wordt veroorzaakt door een gestegen ventilatie, wat een daling van de PCO2 veroorzaakt. Respiratoire alkalose kent zelden een fysieke oorzaak. Psychoneurose veroorzaakt vaak hyperventilatie. Dit leidt tot een daling van de PCO2. Verblijf op grote hoogte kan echter wel een fysieke oorzaak zijn respiratoire alkalose. De lage PO2 op grote hoogte stimuleert de ademhaling, waardoor meer CO2 met de uitademing verloren gaat. Hierdoor ontstaat een milde respiratoire alkalose. Compensatoire mechanismen voor respiratoire alkalose zijn de buffers in de extracellulaire vloeistof en uitscheiding van HCO3 door de nieren.

Lees ook:

Loop geen inkomsten mis, schrijf over hobby, werk of studie en verdien extra inkomsten!

Maak je eigen geldmachine in 8 stappen en wordt financieel onafhankelijk

Urineproductie door de nieren 2

Regulatie van de tensie door de nieren

Regulatie van de osmolariteit

Nierziekten en diuretica

Integratie van renale regelmechanismen

Extra-, intracellulaire en interstitiële  vloeistof

Organen en orgaanstelsels

Bronnen:

JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology, Elsevier Inc

GA Thibodeau, Patton KT 2007, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier

EN Marieb, Hoehn K 2007, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings