ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΙΩΑΝΝΑ ΔΗΜΟΠΟΥΛΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΕΚΠΑ
ΟΞΕΟΒΑΣΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ
ΣΗΜΑΣΙΑ ΟΞΕΟΒΑΣΙΚΗΣ Η ακριβής ρύθμιση των ιόντων υδρογόνου (Η + ) καθοριστικής σημασίας Όλα τα ενζυμικά συστήματα επηρεάζονται από τη συγκέντρωση Η + Μεταβολές των Η + οδηγούν σε δυσλειτουργία / θάνατο των κυττάρων
ΟΡΙΣΜΟΙ Οξέα είναι δότες πρωτονίων (H+) Τα κύρια οξέα του οργανισμού είναι: (1) Ανθρακικό οξύ (H 2 CO3) (2) Φωσφορικό οξύ (H 3 PO4) (3) Πυροσταφυλικό οξύ (4) Γαλακτικό οξύ
ΟΡΙΣΜΟΙ Βάσεις είναι δέκτες πρωτονίων (H+) Κύριες βάσεις του οργανισμού είναι : (1) Τα διττανθρακικά (HCO3 - ) (2) Τα διφωσφορικά (HPO 4-2 )
ΟΡΙΣΜΟΙ Οξύ H + + Βάση
ΟΡΙΣΜΟΙ Αλκάλωση Υπέμετρη αφαίρεση Η + από βιολογικά υγρά Οξέωση Προσθήκη Η + στα βιολογικά υγρά
ΟΡΙΣΜΟΙ Φ.Τ. Η + είναι χαμηλές (0.00004 meq/l, ή 40 neq/l) ph Επειδή οι τιμές Η + είναι, η συγκέντρωση Η + εκφράζεται σε λογαριθμική κλίμακα, ως μονάδες ph
ΟΡΙΣΜΟΙ Το ph εκφράζει τη συγκέντρωση των ιόντων Η +
Προσδιορισμός οξύτητας διαλύματος ph = - log [Η+]
ΟΡΙΣΜΟΙ Το ph αντιστρόφως ανάλογο με τη συγκέντρωση Η+ ph, H+ ph, H+
ΟΡΙΣΜΟΙ Φ.Τ. ph αρτηριακού αίματος 7.35-7.45 Οξέωση ph < 7.35 Aλκάλωση ph > 7.45
ΟΡΙΣΜΟΙ Ρυθμιστικό διάλυμα Ενώσεις (ασθενείς βάσεις ή οξέα) οι οποίες δεσμεύουν Η+ όταν αυξάνεται η [Η+] και απελευθερώνουν Η+ όταν μειώνεται η [Η+] ΣΤΟΧΟΣ Άμβλυνση των διακυμάνσεων του ph
Ρυθμιστικό διάλυμα
ΟΞΕΟΒΑΣΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΑΕΡΙΩΝ Ο κυτταρικός μεταβολισμός αποτελεί την κύρια πηγή οξέων στο αίμα υπό φυσιολογικές συνθήκες. Το CO 2 που σχηματίζεται από τον μεταβολισμό στους ιστούς κατά ένα μεγάλο μέρος ενυδατώνεται σε ανθρακικό οξύ (Η 2 CO 3 ) με αποτέλεσμα το μεγάλο συνολικό φορτίο Η + (>125.000 meq/ημέρα). Ωστόσο, το περισσότερο CO 2 αποβάλλεται από τους πνεύμονες και οι μικρές ποσότητες Η + που παραμένουν αποβάλλονται από τους νεφρούς
ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ
ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Καθημερινά παράγονται περίπου 200 ml CO 2 ανά λεπτό ή 288 L/24ωρο, που αποβάλλονται με την αναπνοή
ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Καθημερινά παράγονται περίπου 70 meq H + (μη πτητικά οξέα), τα οποία πρέπει να αποβληθούν από τους νεφρούς
Η παραγωγή των οξέων δεν μεταβάλλει τo ph του οργανισμού
ΡΥΘΜΙΣΗ Η + Η εξουδετέρωση των οξέων γίνεται με 3 διαφορετικούς τρόπους
ΡΥΘΜΙΣΗ Η + Τα ρυθμιστικά διαλύματα, τα οποία δρουν άμεσα (1 η γραμμή προστασίας του οργανισμού) Το αναπνευστικό σύστημα, το οποίο δρα διαμέσου της αποβολής του CO 2 και αρχίζει τη δράση του μέσα σε min Οι νεφροί (ο ισχυρότερος ρυθμιστής), οι οποίοι δρουν μέσα σε ώρες έως και ημέρες
ΡΥΘΜΙΣΗ Η + ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ
Ρυθμιστικά διαλύματα (buffers): Εξωκυττάρια (κυρίως τα διττανθρακικά, αλλά και οι πρωτεΐνες του πλάσματος και τα φωσφορικά)- άμεση ρύθμιση
Ρυθμιστικά διαλύματα (buffers): Ενδοκυττάρια (πρωτεΐνες, φωσφορικά και η αιμοσφαιρίνη) ρύθμιση μετά από 2-4 ώρες
Ρυθμιστικά διαλύματα (buffers): Οστά (πολύ σημαντική εστία εξουδετέρωσης οξέος-περίπου το 40% της εξουδετέρωσης ενός φορτίου οξέος συμβαίνει εδώ)
ΡΥΘΜΙΣΗ Η + / ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ (1) Ανθρακικού οξέως- Διττανθρακικών (2) Πρωτεινών (3) Φωσφόρου
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΘΡΑΚΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ - ΔΙΤΤΑΝΘΡΑΚΙΚΩΝ Σύστημα ανθρακικού οξέως (H 2 CO 3 ) Το οξύ παράγεται CO 2 + H 2 0 H 2 CO 3 (ένζυμο: καρβονική ανυδράση) Η 2 CO 3 H + + HCO 3 -
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΘΡΑΚΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ - ΔΙΤΤΑΝΘΡΑΚΙΚΩΝ Σύστημα διττανθρακικών (ΝαHCO 3 ) Υπάρχει στο εξωκυττάριο υγρό NaHCO3 Na + + HCO3 -
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΘΡΑΚΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ - ΔΙΤΤΑΝΘΡΑΚΙΚΩΝ Tα δύο συστήματα μαζί CO 2 + H 2 0 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - (+ Na+) Λόγω της ασθενούς διάσπασης του H 2 CO 3, η συγκέντρωση Η + είναι χαμηλή
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ Οι πρωτεΐνες του πλάσματος είναι αποτελεσματικοί ρυθμιστές διότι μπορούν να απελευθερώσουν καρβοξύλια και αμινομάδες
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ Συμπεριφέρονται άλλοτε ως βάσεις και άλλοτε ως οξέα (αμφολύτες) Ισοηλεκτρικό σημείο είναι το ph του διαλύματος, στο οποίο ο αμφολύτης συμπεριφέρεται ως διπολικό ιόν
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ Σε περιβάλλον με ph πάνω από το ισοηλεκτρικό της σημείο, συμπεριφέρεται ως οξύ (αποδίδει H + ), ενώ σε περιβάλλον με ph κατώτερο από το ισοηλεκτρικό της σημείο συμπεριφέρεται ως βάση (προσλαμβάνει H + )
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ Σημαντικότατο ρυθμιστικό σύστημα του οργανισμού Καλύπτει τα ¾ της ρυθμιστικής ικανότητας του οργανισμού, εξαιτίας της μεγάλης του συγκέντρωση Βρίσκονται κυρίως ενδοκυττάρια ( - Hb, ενδοκυττάρια λευκώματα), αλλά και εξωκυττάρια (κυρίως η λευκωματίνη)
ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΦΩΣΦΟΡΟΥ H 2 PO 4 - (οξύ) / HPO 4 2- (βάση, δέκτης Η+) Σημαντικό ενδοκυττάριο ρυθμιστικό διάλυμα Σημαντική η δράση του στους νεφρούς
ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ ΟΞΕΟΒΑΣΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ
ΟΞΕΩΣΗ ΚΑΙ ΑΛΚΑΛΩΣΗ Το ph στο αρτηριακό αίμα είναι φυσιολογικά 7.40. Η μείωση του ph (οξέωση) παρουσιάζεται, όταν το αρτηριακό ph είναι μικρότερο του 7.40, ενώ η αύξηση του ph (αλκάλωση) συμβαίνει, όταν το ph είναι πάνω από 7.40. Οι διαταραχές της οξεοβασικής ισορροπίας διαιρούνται σε τέσσερις κατηγορίες: - Αναπνευστική Οξέωση - Αναπνευστική Αλκάλωση - Μεταβολική Οξέωση - Μεταβολική Αλκάλωση Επιπλέον αυτές οι διαταραχές μπορούν να εμφανιστούν σε συνδυασμό
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗ ΟΞΕΩΣΗ Κάθε οξεία άνοδος της αρτηριακής ΡCO 2 (δηλαδή πάνω από 40 mm Hg) λόγω μειωμένου αερισμού έχει ως αποτέλεσμα την αναπνευστική οξέωση. Υπενθυμίζεται ότι το CO 2 διατηρείται σε ισορροπία με το Η 2 CO 3, το οποίο με τη σειρά του βρίσκεται σε ισορροπία με τα HCO 3 -. Έτσι, η αποτελεσματική αύξηση των HCO 3 - στο πλάσμα υποδηλώνει ότι επιτεύχθηκε μια νέα ισορροπία με χαμηλότερο ph. Η μεταβολή του ph που παρατηρείται σε μια αύξηση της ΡCO 2 κατά τη διάρκεια της αναπνευστική οξέωσης εξαρτάται από τη ρυθμιστική ικανότητα του αίματος.
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗ ΟΞΕΩΣΗ ph < 7.40 [ΗCO3-] > 24 meq/l ή pco2 > 40 mmhg
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗ ΟΞΕΩΣΗ αντιρρόπηση οξέως 1 meq/l [ΗCO3-] από το 24 (meq/l) για κάθε 10 mmhg της pco2 από το 40 (mmhg) χρονίως 3,5 meq/l [ΗCO3-] από το 24 (meq/l) για κάθε 10 mmhg της pco2 από το 40 (mmhg)
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗ ΑΛΚΑΛΩΣΗ Κάθε οξεία αύξηση του αερισμού που μειώνει την ΡCO 2 κάτω από αυτή που απαιτείται για την αναγκαία ανταλλαγή CO 2 (δηλαδή κάτω από 35 mm Hg) έχει ως αποτέλεσμα την αναπνευστική αλκάλωση. Το μειωμένο CO 2 μετατοπίζει την ισορροπία του συστήματος ανθρακικού διττανθρακικών, ώστε να μειωθεί αποτελεσματικά η [H + ] και να αυξηθεί το ph.
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗ ΑΛΚΑΛΩΣΗ ph > 7.40 [ΗCO3-] < 24 meq/l ή pco2 < 40 mmhg
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗ ΑΛΚΑΛΩΣΗ οξέως αντιρρόπηση 2 meq/l [ΗCO3-] από το 24 (meq/l) για κάθε 10 mmhg της pco2 από το 40 (mmhg) χρονίως 4 meq/l [ΗCO3-] από το 24 (meq/l) για κάθε 10 mmhg της pco2 από το 40 (mmhg)
ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΗ ΟΞΕΩΣΗ ΚΑΙ ΑΛΚΑΛΩΣΗ Η μεταβολική οξέωση συμβαίνει, όταν ισχυρά οξέα προστίθενται στο αίμα. Π.χ. αν καταναλωθεί μεγάλη ποσότητα οξέων, όπως υπερβολική δόση ασπιρίνης. Το Η 2 CO 3 που σχηματίζεται μετατρέπεται σε H 2 Ο και CO 2, και το CO 2 αποβάλλεται ταχέως από τους πνεύμονες. Όταν το επίπεδο των ελεύθερων [H + ] μειωθεί ως αποτέλεσμα της προσθήκης αλκάλεως ή πιο συχνά της απομάκρυνσης μεγάλων ποσοτήτων οξέως (π.χ. μετά από εμετό), συμβαίνει μεταβολική αλκάλωση.
METABOΛΙΚΗ ΟΞΕΩΣΗ ορισμός ph < 7.35 HCO 3 < 24 meq/l
ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΗ ΟΞΕΩΣΗ αντιρρόπηση Υπέρπνοια Αναμενόμενο PCO 2 = 1.54 x HCO - 3 + 8.36 ή Για κάθε 1 mmol/l ελάττωσης των HCO - 3 από το 24 meq/l αναμένεται πτώση του PCO 2 κατά 1.2 mmhg Η αντιρρόπηση ξεκινάει μέσα σε μισή ώρα και ολοκληρώνεται σε 12-24 ώρες Το όριο της αντιρρόπησης για το PCO 2 είναι τα 10 mmhg
METABOΛΙΚΗ AΛΚΑΛΩΣΗ ορισμός ph > 7.45 HCO 3 > 24 meq/l
ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΗ ΑΛΚΑΛΩΣΗ αντιρρόπηση Σε μεταβολική αλκάλωση εκδηλώνεται αντιρροπιστικά υποαερισμός με αύξηση του PCO2 που μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο: Αναμενόμενο PCO 2 = 0.9 Χ HCO - 3 + 9 ή Για κάθε 1 mmol/l αύξηση ων HCO - 3 από το 24 meq/l αναμένεται αύξηση του PCO 2 κατά 0.7 mmhg Το όριο της αντιρρόπησης για το PCO 2 είναι τα 60 mmhg
OPΙΑ ΑΝΤΙΡΡΟΠΗΣΗΣ Η φυσιολογική αντιρρόπηση δε μπορεί να μεταβάλει την οξύτητα του αίματος σε κατεύθυνση αντίθετη από αυτήν της πρωταρχικής διαταραχής Η φυσιολογική αντιρρόπηση σε μεταβολικές διαταραχές σπανίως επαναφέρει το ph του αίματος σε απόλυτα φυσιολογικές τιμές.
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗ ΚΑΙ ΝΕΦΡΙΚΗ ΑΝΤΙΡΡΟΠΗΣΗ Τα δύο κύρια αντιρροπιστικά συστήματα είναι η αναπνευστική και η νεφρική αντιρρόπηση. Το αναπνευστικό σύστημα αντιρροπεί τη μεταβολική οξέωση ή αλκάλωση μέσω μεταβολών στον αερισμό και συνεπώς της ΡCO 2, η οποία μπορεί αμέσως να μεταβάλλει το ph του αίματος. Οι αναπνευστικοί μηχανισμοί τείνουν να είναι γρήγοροι. Σε απάντηση στη μεταβολική οξέωση αυξάνεται ο αερισμός, με αποτέλεσμα τη μείωση της ΡCO 2 με επακόλουθη αύξηση του ph προς τις φυσιολογικές τιμές. Σε απάντηση στη μεταβολική αλκάλωση μειώνεται ο αερισμός, αυξάνεται η ΡCO 2 και ακολούθως συμβαίνει μείωση του ph.
Για την πλήρη αντιρρόπηση από την αναπνευστική ή μεταβολική οξέωση/αλκάλωση επιστρατεύονται οι αντιρροπιστικοί μηχανισμοί του νεφρού. Ο νεφρός απαντά στης οξέωση με την ενεργητική αποβολή των σχηματισμένων οξέων, ενώ διατηρεί διηθημένα τα HCO 3-. Αντίθετα, στη αλκάλωση απαντά ελλατώνοντας την έκκριση H + και μειώνοντας την κατακράτηση των διηθημένων HCO 3-. Τα κύτταρα των νεφρικών σωληναρίων στο νεφρό διαθέτουν ενεργό καρβονική ανυδράση και έτσι μπορούν να παράγουν H + και CO 2 από HCO 3-. Σε απάντηση στην οξέωση αυτά τα κύτταρα εκκρίνουν H + μέσα στο σωληνιαριακό υγρό ανταλλάσσοντάς τα Na + με ενώ τα HCO 3 - επαναρροφώνται ενεργητικά εντός των περισωληναριακών τριχοειδών. Για κάθε H + που εκκρίνεται, ένα Na + και ένα HCO 3 - προστίθενται στο αίμα. Αντίθετα, σε απάντηση στην αλκάλωση, ο νεφρός μειώνει την έκκριση H + και καταστέλλει την επαναρρόφηση HCO 3-.
ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΡΑΧΩΝ ΤΗΣ ΟΞΕΟΒΑΣΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ