Säure-Basen-Haushalt

酸鹼平衡 – 簡介

• pH調節對於獸醫的重要性- 病例：患有糖尿病的貓、腹瀉的小牛、患有犬小病毒的狗

  • 共同點：pH 穩態失調

  • 充分知識對於充分治療的必要性

• 生理 pH 值- 細胞內：比細胞外稍酸

  • 範圍窄，受到嚴格監管

  • pH 值範圍：0（酸性）至 14（鹼性）

• 血液 pH 值- 正常範圍：7.35 - 7.45

  • 酸中毒：向下偏差（酸性）

  • 鹼中毒：向上偏差（鹼性）

• pH 值的定義- $pH = -log[H^+]$

  • 如果已知 pH 值，則可以計算出自由質子濃度。

  • 健康動物體內的質子濃度低

  • 範例：細胞外空間中的$[Na^+]$ = 140 mmol/l

細胞 pH 調節

• 細胞中的質子濃度低- 質子與陰離子結合。

  • 弱陰離子：碳酸氫鹽、蛋白質、磷酸鹽（適用於緩衝）

  • 強陰離子：氯化物（始終解離，不適用於緩衝）

• 氯化物- 與 $H^+$ 形成鹽酸 (HCl)，鹽酸會解離

  • 由於帶負電荷，因此從細胞中移除到細胞內空間

• 將質子從細胞中轉移出來的必要性- 利用膜電位和濃度差異 (Na+/K+-ATPase)

  • 鈉-質子交換器 (NHE)- 普遍表現

    • 透過交換 $Na^+$，將 $H^+$ 從細胞中轉移出來。

  • 碳酸氫鹽轉運蛋白- 氯化物-碳酸氫鹽交換器

    • 鈉-碳酸氫鹽協同轉運蛋白

  • 質子泵（ATP 依賴性）- 在生理 pH 值下作用較小

    • 對於細胞外空間的強酸性很重要

  • 漢堡轉移- 紅血球中的氯化物-碳酸氫鹽交換

    • 在周邊吸收 CO2

    • CO2 + $H<em>2O$ -> $H^+$ + $HCO</em>3^-$

    • $H^+$ 由血紅蛋白緩衝

    • $HCO_3^-$ 與氯化物交換，從細胞中轉移出來

    • 在肺部，這個過程是相反的。

無氧糖酵解和乳酸酸中毒

• 正常葡萄糖分解- 葡萄糖 -> 丙酮酸 -> 乙醯輔酶A -> 檸檬酸循環

• 無氧條件- 丙酮酸 -> 乳酸

  • 乳酸（pK 值低）-> 乳酸 + $H^+$

  • $H^+$ 引起的酸中毒

• 無氧糖酵解的原因- 缺血（血液供應不足、心臟衰竭）

  • 失血或失液

  • 腸扭轉（腸扭轉）

  • 強烈的肌肉工作（運動、癲癇發作）

• 運動時的乳酸酸中毒- 通常不是問題，因為乳酸在肝臟、心肌和腎臟中分解。

  • 如果有其他疾病（例如肝病），則很危險

糖尿病酮症酸中毒

• 胰島素缺乏（第 1 型糖尿病）- 葡萄糖無法充分吸收到組織中。

  • 分解脂肪以獲取能量

  • 脂肪酸和酮體積累

  • pK 值低 -> 酸中毒

• 獸醫學中的酮症（奶牛）- 由於葡萄糖缺乏導致酮體水平升高

  • 葡萄糖缺乏 -> 脂肪分解 -> 過度產生酮體

  • 葡萄糖缺乏的原因- 產後不久的能量缺乏（產奶）

    • 脂質過度動員綜合症（身體狀況評分高）

    • 抑制食物攝取（蹄部疾病）

  • 酮體亞臨床升高，表示飢餓代謝

營養與酸鹼平衡

• 肉食動物- 富含蛋白質的飲食

  • 形成磷酸鹽和硫酸鹽（酸性）

  • 透過腎臟排泄

  • 分解胺基酸 -> 氮 -> 轉化為尿素（肝臟） -> 透過腎臟排泄 -> 產生 $H^+$

  • 酸性代謝狀態

• 草食動物- 富含鉀鹽和可代謝陰離子

  • 消耗 $H^+$ -> $HCO_3^-$ 相對過剩

  • 透過腎臟排泄 $HCO_3^-$，以防止鹼中毒

• 代謝的重要性- 決定因素不是營養的 pH 值，而是代謝產物。

  • 範例：橙汁具有鹼化作用。

• 膳食陽離子-陰離子差異 (DCAD)- 評估飼料是酸性還是鹼性

  • 電中性原理

  • 每個陰離子都必須存在一個陽離子。

  • $H^+$ 和 $HCO_3^-$ 也是帶電荷的離子。

  • 透過強離子 (Na+, K+, Cl-) 或弱離子（碳酸氫鹽、磷酸鹽）來平衡電荷

DCAD 計算和應用

• DCAD 公式- 基於飼料中的離子濃度，而不是血液中的離子濃度

  • $DCAD = (Na^+ + K^+) - (Cl^- + S^{2-})$

  • （硫酸鹽被考慮在內，因為它在體內具有酸性作用。）

  • 強陰離子濃度高 -> 緩衝陰離子少 -> 酸性作用

  • 陽離子濃度高 -> 鹼性作用

• 在奶牛中的應用- 鈣需求量隨著泌乳期的開始而增加。

  • 輕微的代謝性酸中毒促進骨骼中鈣的動員。

  • 小牛前的日糧：陽離子-陰離子比率低

  • 更多 $H^+$ -> 促進鈣釋放

• 狗的鳥糞石- 磷酸銨鎂石

  • 出現在鹼性尿液 pH 值下 (> 6.5-7)

  • 通常與尿路感染結合

  • 治療：酸化尿液

  • 具有酸化特性的食物（甲硫胺酸）

整個生物體對質子的排泄

• 肺- 最重要的器官：約 15000 mmol $H^+$ 每天

  • $H^+$ 與 $HCO<em>3^-$ 反應 -> $H</em>2CO<em>3$ -> $H</em>2O$ + $CO_2$

  • $CO_2$ 透過肺部呼出

• 腎臟- 約 70 mmol $H^+$ 每天

  • 以銨離子和磷酸離子的形式排泄

  • 碳酸氫鹽的損失

• 胃腸道- 少量 $HCO_3^-$ 和 $H^+$ 流失

腎小管

• 碳酸氫鹽排泄- 近端小管：碳酸氫鹽的重吸收

  • 遠端小管和集合管：碳酸氫鹽排泄的微調- A 型插層細胞- 透過質子 ATP 酶或 $K^+$/$H^+-$ATP 酶將 $<br><br>H^+$ 從細胞中泵出。
    * 基底外側：透過氯/碳酸氫鹽交換器重吸收 $HCO_3^-$
    * 由酸性代謝狀態刺激- B 型插層細胞- 透過氯/碳酸氫鹽交換器將碳酸氫鹽分泌到小管腔中
    * 透過 ATP 酶重吸收 $H^+$
    * 鹼中毒時受到刺激

以銨離子形式排泄酸

• 近端小管- 麩醯胺酸分解 -> 銨離子 ($H_4^+$)

  • 氨 ($H_3$) 從細胞頂端離開。

  • $H^+$ 透過 NHE 轉移到小管腔中。

  • 在酸性小管腔中，$H<em>3$ 與 $H^+$ 結合 -> $H</em>4^+$ -> 透過尿液排泄

  • 尿液中的 $H<em>3$ / $H</em>4^+$ 緩衝系統

• 肝臟中的麩醯胺酸分解- 麩醯胺酸酶 -> 銨離子 -> 尿素（解毒）+ $H^+$

  • 酸中毒抑制麩醯胺酸酶 -> 減少尿素 -> 減少 $H^+$

  • 鹼中毒刺激麩醯胺酸酶 -> 增加尿素 -> 增加 $H^+$

  • 在酸中毒時，更多的麩醯胺酸被腎臟代謝 -> 透過 $H_4^+$ 排泄更多的 $H^+$ -> 對抗酸中毒

  • 草食動物與肉食動物- 草食動物：鹼性代謝狀態 --> 肝臟中的尿素形成

    • 肉食動物：將麩醯胺酸釋放到腎臟 --> 質子排泄

骨骼代謝與酸鹼平衡 + 磷酸鹽緩衝

• 骨骼物質（羥磷灰石）：碳酸鹽和磷酸鹽

• 酸中毒- 刺激依賴於副甲狀腺素的骨骼物質分解。

  • 磷酸鹽、碳酸鹽和鈣被釋放（緩衝作用）。

  • 鈣透過腎臟流失

• 鹼中毒- 骨骼物質的形成

  • 產生自由質子。

• 磷酸鹽- 小管腔中的重要緩衝劑

  • 結合 $H^+$ -> 在尿液中排泄

pH 調節機制的概述

• 肺- 大部分 $H^+$ 以 $CO_2$ 形式排泄

• 腎臟- 碳酸氫鹽重吸收

  • 碳酸氫鹽排泄（A 型和 B 型插層細胞）

  • 排泄 $H^+$（分泌到小管腔並與緩衝物質結合）- 銨離子（約 60%）

    • 磷酸鹽（約 30%）

電解質對酸鹼平衡的影響

• 鉀- 細胞內濃度高

  • 傾向於離開細胞

  • $Na^+$/$K^+-$ATPase 恢復濃度梯度。

  • 細胞外空間相對於細胞內空間帶正電荷

  • 高血鉀症：濃度梯度崩潰 -> $K^+$ 在細胞中積累 -> 去極化 -> 較少 $HCO<em>3^-$ 從細胞中轉運出來 -> 較少 $H</em>2CO<em>3$ 分解 -> 較少 $H^+$ 釋放到小管腔中 -> $HCO</em>3^-$ 與尿液一起處理 -> 細胞外酸中毒，細胞內鹼中毒

• 鈉- 高血鈉症：增加 $Na^+$ 排泄 -> 妨礙 $HCO_3^-$ 重吸收 -> 酸中毒

  • 低血鈉症：$HCO_3^-$ 排泄太少 -> 鹼中毒

胃腸道在酸鹼平衡中的作用

• 胃- 壁細胞：$H<em>2O$ + $CO</em>2$ -> $H<em>2CO</em>3$ -> $H^+$ + $HCO_3^-$

  • $H^+$ 進入胃，$HCO_3^-$ 進入血液 -> 暫時性鹼中毒（鹼潮）

• 十二指腸- 透過富含雙碳酸鹽的胰液中和酸性胃內容物

• 空腸和迴腸- 將 $H^+$ 和 $HCO_3^-$ 分泌到腸道體積中

  • 迴腸：重吸收碳酸氫鹽

• 嘔吐和腹瀉的影響- 嘔吐：酸性胃內容物損失 -> 鹼中毒

  • 腹瀉：$HCO_3^-$ 損失 -> 酸中毒

質子的緩衝

• 緩衝劑的定義- 在添加酸或鹼時會引起較小 pH 值變化的物質混合物。

  • 自由質子的可逆結合 -> 中間儲存，直到透過肺/腎臟排出

  • 保護重要的蛋白質功能

緩衝劑特性

• 緩衝容量- 緩衝劑可以多好地補償 pH 值變化

  • 測量：向緩衝溶液中添加酸並測量 pH 值變化

• pK 值- 可以透過滴定來確定

  • 範例：丙胺酸的滴定曲線 * 酸：丙胺酸結合 3 個質子 * 鹼：質子從丙胺酸分離 - 半當量點：一半的離子已釋放質子，緩衝容量很大

    • 等電點：羧基上的所有質子都已移除，分子不再帶電荷

亨德森-哈塞爾巴赫方程式

• 氨 ($H<em>3$) / 銨 ($H</em>4^+$) 緩衝劑- pK 值在強鹼性範圍內

• 反應速率- 正向反應：$v<em>1 = k</em>1 \cdot [NH_3] \cdot [H^+]$

  • 反向反應：$v<em>2 = k</em>2 \cdot [NH*4^+]$

  • 在平衡狀態下：$v<em>1 = v</em>2$

  • 平衡常數：$K = \frac{k<em>1}{k</em>2} = \frac{[NH<em>4^+]}{[NH</em>3] \cdot [H^+]}$

• 亨德森-哈塞爾巴赫方程式（推導與考試無關）- $pH = pK + log(\frac{[NH<em>3]}{[NH</em>4^+]})$

  • 在給定不同反應夥伴濃度的情況下計算 pH 值- 正常血液 pH 值 (7.35 - 7.45)：幾乎只有銨離子

    • 肉食動物的尿液：酸性，主要為質子化形式 NH4+，用於控制酸性代謝狀態

其他緩衝劑

• 磷酸鹽緩衝劑- 尿液中的重要緩衝劑

  • PKS 值 = 7.2，在生理範圍內緩衝良好

  • 細胞內緩衝

• 蛋白質（白蛋白）- 組胺酸殘基（平均 pK 值 = 6）- 當血液過於鹼性時釋放質子- 賴胺酸：鹼性範圍內的 pK 值- 當血液過於酸性時吸收質子。

  • 也會結合其他陽離子（鈣）-> 在酸中毒時釋放 -> 尿液中的鈣流失 -> 抽搐

• 血紅蛋白：比白蛋白結合更多的質子，- 去氧合的血液可以緩衝更多的質子，這與氧氣有關- 血紅蛋白對於血液緩衝非常重要- 身體周邊的較低 pH 值還導致氧氣更容易釋放到組織中。

碳酸氫鹽系統

• 開放系統

• 血液中 48 毫莫耳缓冲鹼- 24 毫莫耳是碳酸氫鹽

• 氣態和溶解的 $CO_2$ 之間的平衡（亨利定律）

• 反應過程- $CO<em>2 (氣態) \rightleftharpoons CO</em>2 (溶解)$

  • $CO<em>2 (溶解) + H</em>2O \rightleftharpoons H<em>2CO</em>3$

  • $H<em>2CO</em>3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$

  • $HCO<em>3^- \rightleftharpoons H^+ + CO</em>3^{2-}$

• 最後一個反應在血液中不起作用

• 對於滲透壓 = 每升低於 500 毫莫耳，在 37 度時，對應於 6.1 的十進制對數和 6.1 的 pK 值- cO2 濃度影響 pH 值

身體中的碳酸氫鹽系統

• 開放系統

• 透過肺部排出二氧化碳

• 維持體內 cO2 濃度不變

• 透過呼吸調節 cO2 的分壓

• 不同分壓下碳酸氫鹽的滴定