Homeostasis of internal enviroment Acid-base homeostasis

External environment of organism 1865 Claude Bernard V roce 1865 francouzský fyziolog Claude Bernard upozornil na to, že prostředí, které obklopuje buňky v organismu není totožné s vnějším prostředím organismu. Internal environment of the cells

External environment of organism i.e. temperature, volume, osmolarity, pH, ionic composition, O2, CO2 concentrations, concentration of glucose etc. 1865 Claude Bernard THEY ARE STAEDY AND INDEPENDENT ON FLOATING CONDITIONS OF EXTERNAL ENVIRONMENT AND ON VARIED LEVELS OF CELLULAR METABOLIC ACTIVITY Their properties must enable optimal functioning of cellular structures Vlastnosti prostředí, které buňky obklopuje (tj, teplota, objem, osmolarita, pH, iontové složení, koncentrace krevních plynů, koncentrace glukóza a dalších živin) musí být takové, aby umožňovaly optimální činnost buněčných struktur. Pro buňky obklopující prostředí pak zavedl pojem vnitřní prostředí (dnes se ale častěji používá termín extracelulární, resp. intersticiální tekutina). Regulační mechanismy zajišťují, aby složení vnitřního prostředí (tj. extracelulární, resp. intersticiální tekutiny) bylo stabilní nezávisle na měnících se podmínkách vnějšího prostředí organismu a různé úrovni metabolické činnosti buněk. External environment of cells = internal environment

External environment of organism Homeostasis - the ability or tendency of an organism or cell to maintain internal equilibrium by adjusting its physiological processes. External environment of organism i.e. temperature, volume, osmolarity, pH, ionic composition, O2, CO2 concentrations, concentration of glucose etc. 1932 Walter Cannon THEY ARE STAEDY AND INDEPENDENT ON FLOATING CONDITIONS OF EXTERNAL ENVIRONMENT AND ON VARIED LEVELS OF CELLULAR METABOLIC ACTIVITY Their properties must enable optimal functioning of cellular structures Tuto regulaci zajišťující pozoruhodnou stabilitu parametrů vnitřního prostředí (objemu, osmolarity, koncentrace iontů, teploty a pH) souhrnně nazýváme pojmem homeostáza. Pojem „Homeostáza“ definoval americký fyziolog Walter Cannon v roce 1932 jako regulaci parametrů vnitřního prostředí v rozmezí náležitých hodnot. External environment of cells = internal environment

nearly „cybernetic“ definition in 1932 Homeostatic system is able to maintain its essential variables within limits acceptable to its own structure in the face of unexpected disturbances. Homeostasis = dynamic self-regulation nearly „cybernetic“ definition in 1932 1932 Walter Cannon Je zajímavé, že Cannon v roce 1932 definuje homeostázu téměř „kybernetickým slovníkem“.

nearly „cybernetic“ definition in 1932 Homeostatic system is able to maintain its essential variables within limits acceptable to its own structure in the face of unexpected disturbances. Homeostasis = dynamic self-regulation nearly „cybernetic“ definition in 1932 1932 Walter Cannon Z tohoto hlediska stojí za zmíňku, že žákem Waltera Cannona byl Arturo Rosenblueth, původem Mexičan…. Arturo Rosenblueth (disciple of W. Cannon)

nearly „cybernetic“ definition in 1932 Homeostatic system is able to maintain its essential variables within limits acceptable to its own structure in the face of unexpected disturbances. Homeostasis = dynamic self-regulation nearly „cybernetic“ definition in 1932 1932 Walter Cannon Z tohoto hlediska stojí za zmíňku, že žákem Waltera Cannona byl Arturo Rosenblueth, původem Mexičan, který na sklonku třicátých a do poloviny čtyřicátých let úzce spolupracoval s matematikem Norbertem Wienerem. Arturo Rosenblueth Nobert Wiener (disciple of W. Cannon) collaboration

nearly „cybernetic“ definition in 1932 Homeostatic system is able to maintain its essential variables within limits acceptable to its own structure in the face of unexpected disturbances. Homeostasis = dynamic self-regulation nearly „cybernetic“ definition in 1932 1932 Walter Cannon 1948: N. Wiener: Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine Jedním z důležitých výsledků této spolupráce bylo založení nového oboru „Kybernetiky“, která byla titulem známé knihy, kterou Norbert Wiener vydal v roce 1948. Podtitul knihy zněl: nauka o řízení a sdělování ve strojích, živých systémech a společnosti. Norbert Wiener v této knize vzpomíná na řadu inspirativních seminářů, které profesor Rosenbueth organizoval, na nichž se scházeli odborníci z nejrůznějších oborů a hledali a diskutovali o těch rysech, které jsou těmto, na první pohled vzdáleným oborům (jako např. elektroinženýrství, fyziologie, sociologie) společné. Ukázalo se, že společnými problémy je přenos a zpracování informací a řízení – tedy to, co se stalo předmětem nového oboru kybernetika. Arturo Rosenblueth Nobert Wiener (žák W. Cannona) collaboration

External environment of organism Homeostasis - the ability or tendency of an organism or cell to maintain internal equilibrium by adjusting its physiological processes. External environment of organism i.e. temperature, volume, osmolarity, pH, ionic composition, O2, CO2 concentrations, concentration of glucose etc. 1932 Walter Cannon THEY ARE STAEDY AND INDEPENDENT ON FLOATING CONDITIONS OF EXTERNAL ENVIRONMENT AND ON VARIED LEVELS OF CELLULAR METABOLIC ACTIVITY Their properties must enable optimal functioning of cellular structures Tuto regulaci zajišťující pozoruhodnou stabilitu parametrů vnitřního prostředí (objemu, osmolarity, koncentrace iontů, teploty a pH) souhrnně nazýváme pojmem homeostáza. Pojem „Homeostáza“ definoval americký fyziolog Walter Cannon v roce 1932 jako regulaci parametrů vnitřního prostředí v rozmezí náležitých hodnot. External environment of cells = internal environment

External environment of organism Homeostasis - the ability or tendency of an organism or cell to maintain internal equilibrium by adjusting its physiological processes. External environment of organism 1932 Walter Cannon intracellular fluid extracellular fluid Their properties must enable optimal functioning of cellular structures Vraťme se ale k pojmu „homeostáza“. Vnitřní prostředí je podle současné definice totožné s extracelulární tekutinou. Mezi extracelulární tekutinou a intracelulární tekutinou dochází k výměně látek. External environment of cells = internal environment

External environment of organism Homeostasis - the ability or tendency of an organism or cell to maintain internal equilibrium by adjusting its physiological processes. External environment of organism 1932 Walter Cannon intracellular fluid extracellular fluid Their properties must enable optimal functioning of cellular structures Vraťme se ale k pojmu „homeostáza“. Vnitřní prostředí je podle současné definice totožné s extracelulární tekutinou. Mezi extracelulární tekutinou a intracelulární tekutinou dochází k výměně látek. Metabolism External environment of cells = internal environment

External environment of organism Homeostasis - the ability or tendency of an organism or cell to maintain internal equilibrium by adjusting its physiological processes. External environment of organism 1932 Walter Cannon intracellular fluid extracellular fluid Their properties must enable optimal functioning of cellular structures Vraťme se ale k pojmu „homeostáza“. Vnitřní prostředí je podle současné definice totožné s extracelulární tekutinou. Mezi extracelulární tekutinou a intracelulární tekutinou dochází k výměně látek. Metabolism External environment of cells = internal environment

Balance between input and output flow Inputs Balance between input and output flow Zásoby látek v organismu a v jednotlivých tělních tekutinách jsou určovány bilancí mezi příjmem a výdejem příslušné látky. Převažuje-li příjem nad výdejem, zásoba látky se zvyšuje - hovoříme o retenci, v opačném případě mluvíme o depleci. Storage ? Outputs retention ? depletion

Concentrations External environment of organism Balance estimation extracellular fluid - ECF Klinicky běžně měřitelné však nejsou zásoby jednotlivých látek, ale pouze jejich koncentrace (a to navíc pouze v extracelulární tekutině). Krom toho můžeme odhadovat (nebo v podmínkách intenzívní péče i měřit) bilanci některých látek. Na základě klinických úvah pak můžeme množství látek v jednotlivých oddílech tělních tekutin pouze odhadovat a usuzovat na míru jejich deplece či retenci. Koncentrace látek měříme v části extracelulární tekutiny – v plazmě. intracellular fluid - ICF Metabolism

Concentrations External environment of organism Balance estimation plasma Lymph capillaries extracellular fluid -ECF interstitial fluid - ISF Extracelulární tekutina se skládá ze dvou částí – z krevní plazmy a z intersticiální tekutiny. Mezi plazmou a intersticiem dochází k intenzívní výměně látek v krevních kapilárách. Koncentrace jednotlivých iontů a dalších nízkomolekulárních látek jsou v plazmě a v intersticiální tekutině téměř stejná. Rozdílná je však koncentrace bílkovin. Bílkoviny krevní plazmy skrze neporušenou membránu kapilár do intersticia neprocházejí. Pokud se do intersticiální tekutiny nějaké bílkoviny z plazmy dostanou, jsou ihned odstraňovány do lymfatických cév a z lymfou se postupně dostávají zpět do oběhu. intracellular fluid - ICF Metabolism

External environment of organism blood cells intravascular plasma Lymph (part of ICF) fluid capillaries capillaries extracellular fluid -ECF interstitial fluid - ISF V krvi necirkuluje jenom krevní plazma. Krev také obsahuje červené a bílé krvinky – dohromady tvoří tzv. intravaskulární tekutinu. Tekutina uvnitř krvinek je ovšem součástí ICT. intracellular fluid - ICF Metabolism

External environment of organism blood cells intravascular plasma Lymph (part of ICF) fluid capillaries extracellular fluid -ECF capillaries interstitial fluid - ISF transcellular fluid V tělních dutinách obklopených buňkami (jako např. oční komory, mozkové komory) se nachází tzv. transcelulární tekutina – sem patří např. oční tekutina a mozkomíšní mok. Složení tělesných tekutin je výslednicí mezi přítokem a odtokem jednotlivých látek do příslušných oddílů tělesných tekutin. Některé látky se mohou tvořit nebo být spotřebovávány v metabolismu (vodíkové ionty, CO2, O2, voda, kyselina mléčná, ketokyseliny aj.), látky mohou být přijímány z okolí organismu, nebo jsou do okolí do naopak vylučovány prostřednictvím jednotlivých orgánů. intracellular fluid - ICF Metabolism

External environment of organism GIT Lungs „exchangers“ Ledviny blood cells intravascular plasma Lymph (part of ICF) fluid extracellular fluid -ECF capillaries interstitial fluid - ISF transcellular fluid Tyto orgány fungují jako určité výměníky mezi organismem a jeho vnějším prostředím. K těmto „výměníkům“ patří kůže – skrze kůži organismus ztrácí prostřednictvím potu vodu a ionty, především sodík a chloridy. Kůže hraje velkou úlohu v termoregulaci organismu – zvýšením prokrvení kůže se může odvádět teplo, organismus může ochladit i zvýšené pocení a následné odpařování. Ztráty vody a iontů při zvýšeném pocení (v důsledku větší vnější teploty nebo větší tělesné námahy) mohou být značné a homeostatické mechanismy musí zajistit stálost vnitřního prostředí. Za patologických okolností – při popáleninách, se může kůží ztrácet velké množství vody a iontů – tyto ztráty jsou jednou ze základních příčin popáleninového šoku. Dalším důležitým „výměníkem“ je zažívací trakt. Jeho prostřednictvím přijímáme do těla živiny, ionty a vodu. Vody a ionty můžeme také ztrácet při průjmech a zvracení. Prostřednictvím plic organismus zajišťuje přísun kyslíku a odsun oxidu uhličitého z organismu. Protože vzduch v plicích je prakticky úplně nasycen vodními parami, ztrácí se při dýchání prostřednictvím plic z organismu i voda. Důležitým orgánem, jehož prostřednictvím organismus reguluje složení vnitřního prostředí (vylučováním vody a iontů), jsou ledviny. intracellular fluid - ICF Metabolism

External environment of organism „exchangers“ GIT Lung Kidney blood cells intravascular plasma Lymph (part of ICF) fluid Circulation extracellular fluid -ECF capillaries „mixing“ interstitial fluid - ISF transcellular fluid Protože složení tělesných tekutin je výslednicí mezi přítokem a odtokem jednotlivých látek do příslušných oddílů tělesných tekutin, homeostatické regulační mechanismy se uplatňují prostřednictvím regulace velikosti toků látek mezi organismem a jeho okolím a mezi jednotlivými oddíly tělních tekutin navzájem. Ovlivňováním těchto toků organismus zajišťuje regulační odpověď na ztrátu či depleci jednotlivých látek. Plíce jsou základním regulačním orgánem pro homeostázu krevních plynů, ledviny jsou základním regulačním orgánem pro objemovou a iontovou homeostázu, jak plíce taki i ledviny zajišťují regulaci acidobazické homeostázy. Důležitá je úloha oběhového systému, který zajišťuje přenos látek mezi plazmou a intersticiální tekutinou. intracellular fluid - ICF Metabolism

External environment of organism GIT Lungs „exchangers“ Kidney blood cells intravascular plasma Lymph (part of ICF) fluid Circulation extracellular fluid -ECF capillaries „mixing“ interstitial fluid - ISF transcellular fluid V udržování stálosti vnitřního prostředí (homeostáze) se tak uplatní regulace dýchání, ledvin, oběhu i zažívacího traktu, včetně příslušných endokrinních regulačních smyček. Poruchy těchto fyziologických subsystémů se pak projeví poruchami vnitřního prostředí. intracellular fluid - ICF Metabolism

External environment of organism CO2 H+ GIT Lungs „exchangers“ Kidney blood cells intravascular plasma Lymph (part of ICF) fluid Circulation extracellular fluid -ECF capillaries „mixing“ interstitial fluid - ISF transcellular fluid V udržování stálosti vnitřního prostředí (homeostáze) se tak uplatní regulace dýchání, ledvin, oběhu i zažívacího traktu, včetně příslušných endokrinních regulačních smyček. Poruchy těchto fyziologických subsystémů se pak projeví poruchami vnitřního prostředí. intracellular fluid - ICF ACID-BASE BALANCE Metabolism

H+ H2O + H+ OH- H2O - OH- H2O H3O+ H2O + H3O+ H2O OH- - OH- H2O

H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

H2O H2O H2O H2O H2O H2O H3O+ H2O OH- H2O H2O H2O

H2O H2O H2O H2O H2O H3O+ H2O H2O OH- H2O H2O H2O

H2O H2O H3O+ H2O H2O H2O H2O H2O OH- H2O H2O H2O

H2O H2O H3O+ H2O H2O H2O H2O H2O OH- H2O H2O H2O

H3O+ + H2O H2O + H3O+ OH- + H2O H2O + OH- H2O H2O H2O H2O H2O H2O H3O+

H3O+ + H2O H2O + H3O+ OH- + H2O H2O + OH- H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

H3O+ + H2O H2O + H3O+ OH- + H2O H2O + OH- H2O H2O H3O+ H2O H2O H2O H2O

H3O+ + H2O H2O + H3O+ OH- + H2O H2O + OH- H2O H2O H2O H3O+ H2O H2O H2O

H3O+ + H2O H2O + H3O+ OH- + H2O H2O + OH- H2O H3O+ H2O H2O H2O H2O H2O

H3O+ + H2O H2O + H3O+ OH- + H2O H2O + OH- H2O H2O H2O H2O H3O+ H2O H2O

H3O+ + H2O H2O + H3O+ OH- + H2O H2O + OH- H3O+ H2O H2O H2O H2O H2O H2O

H3O+ + H2O H2O + H3O+ OH- + H2O H2O + OH- H2O H2O H2O H2O H2O H3O+ H2O

H+ H2O H2O OH- H2O

H+ H2O OH- H+ + OH- H2O K‘ = = K‘ [H2O] = [H+][OH-] v1=k1[H2O] OH- H2O H+ + v2=k2[H+][OH-] pH = 7.4 [H+] = 10-7,4 mol/l ´= 40 nmol/l v1=v2 pH= -log [H+] k1[H2O] =k2[H+][OH-] k2 [H+][OH-] [H2O] k1 K‘ = = K‘ [H2O] = [H+][OH-] [H+] = 1,55 10-7 mol/l ´= 155 nmol/l [H2O] = constant [OH-] = 1,55 10-7 mol/l ´= 155 nmol/l Kw = [H+][OH-] = 2,4 10-14 mol2/l2 at 37°C

Buffer curve Buf- HBuf H+ + Buf HBuf H+ + Buf HBuf OH- H2O pH Addition of OH- mmol/l Addition of H+ mmol/l -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

CO2 HCO3- H2CO3 TA+NH4+ H2O H+ A- Practically complete reabsorbtion of HCO3- H+ excretion 60 mmol/24 h CO2 HCO3- H2CO3 TA+NH4+ H2O H+ obr. 13.20 Za normálních okolností je metabolická tvorba oxidu uhličitého v rovnováze s jeho odsunem respirací a metabolická tvorba silných kyselin (vodíkových iontů a příslušných aniontů silných kyselin - na obr. označené jako A-) s jejich exkrecí ledvinami (vylučovaných ve formě titrovatelné acidity - TA a amonného iontu). Toky oxidu uhličitého a vodíkových iontů jsou propojeny přes bikarbonátový systém, pH tedy závisí jak na bilanci CO2 (respirační složka acidobazické rovnováhy), tak na bilanci H+ (metabolická složka acidobazické rovnováhy). A- 20 000 mmol/24 hod 60 mmol/24 hod Metabolic production of CO2 Metabolic production od strong acids

A: Closed system - CO2 HCO3 H2CO3 H+ H2O - CO2 HCO3 H2CO3 H+ H2O A 1. Addition of strong acid (H+ ions) H2CO3 H+ H2O - CO2 HCO3 A obr. 13.21 A - Pufrování v uzavřeném systému, dokonale odděleném od okolí, vyplněném CO2 (např. v sifonové lahvi). Mezi všemi složkami bikarbonátového systému existuje rovnováha. Po přidání silné kyseliny se ustavuje nový rovnovážný stav. B - Pufrování v otevřeném systému, kde množství CO2, které je do něho přiváděno zvenčí se rovná množství CO2, které se z něho za tutéž dobu uvolní do okolí. Příkladem je vnitřní prostředí, kam CO2 přichází jako produkt buněčného metabolismu a odkud je odstraňován respiračním systémem. Respirace, která v arteriální krvi udržuje hladinu CO2 na stálé úrovni, závislé na alveolární ventilaci zefektivňuje pufrování silných kyselin a bazí bikarbonátovým nárazníkem. 2. Consumption of bicarbonate and added H+ ions in buffer reaction H2CO3 3. Establishment of new equilibriom with increased concentrations of CO2 and H2CO3 H+ H2O

A: Open system - CO2 HCO3 H2CO3 H+ H2O - CO2 HCO3 H2CO3 H+ H2O A 1. Addition of strong acid (H+ ions) H2CO3 H+ H2O - CO2 HCO3 A obr. 13.21 A - Pufrování v uzavřeném systému, dokonale odděleném od okolí, vyplněném CO2 (např. v sifonové lahvi). Mezi všemi složkami bikarbonátového systému existuje rovnováha. Po přidání silné kyseliny se ustavuje nový rovnovážný stav. B - Pufrování v otevřeném systému, kde množství CO2, které je do něho přiváděno zvenčí se rovná množství CO2, které se z něho za tutéž dobu uvolní do okolí. Příkladem je vnitřní prostředí, kam CO2 přichází jako produkt buněčného metabolismu a odkud je odstraňován respiračním systémem. Respirace, která v arteriální krvi udržuje hladinu CO2 na stálé úrovni, závislé na alveolární ventilaci zefektivňuje pufrování silných kyselin a bazí bikarbonátovým nárazníkem. H2CO3 H+ H2O

Metabolic production of CO2 Metabolic production od strong acids - CO2 HCO3 24 mmol/l TA+NH4+ H2CO3 40 nmol/l (pH=7,40) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. 20 000 mmol/24 hod Metabolic production of CO2 60 mmol/24 hod Metabolic production od strong acids

Metabolic production of CO2 Metabolic production od strong acids - CO2 HCO3 24 mmol/l TA+NH4+ H2CO3 40 nmol/l (pH=7,40) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. 20 000 mmol/24 hod Metabolic production of CO2 60 mmol/24 hod Metabolic production od strong acids

Metabolic production of CO2 Metabolic production od strong acids dHCO3 = +1 mmol/l - - CO2 HCO3 24 mmol/l TA+NH4+ H2CO3 10-3 mol H+/l: pH=3! dH+ = +1 mmol/l - 40 nmol/l (pH=7,40) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. 20 000 mmol/24 hod Metabolic production of CO2 60 mmol/24 hod Metabolic production od strong acids

Metabolic production of CO2 dHCO3 = +1 mmol/l - - CO2 HCO3 24 mmol/l TA+NH4+ H2CO3 10-3 mol H+/l: pH=3! dH+ = +1 mmol/l - 40 nmol/l (pH=7,40) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf 20 000 mmol/24 hod Metabolic production of CO2 Buf -

Metabolic production of CO2 dHCO3 = +1 mmol/l - - CO2 HCO3 24 mmol/l TA+NH4+ H2CO3 43 nmol/l (pH=7,37) H2O H+ +1 mmol/l A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf 20 000 mmol/24 hod dBuf - = -1 mmol/l Metabolic production of CO2 Buf -

Buffering systems of the blood CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- H+ + Buf- HBuf H+ + Hb- HHb H+ + Alb- HAlb H+ + HPO42- H2PO4- non-bicarbonate buffers Buf = Hb + Alb + PO4-

Buffering reactions H2CO3 HCO3- H+ CO2 HBuf Buf- H2O

Bicarbonate buffer CO2 + H2O H+ + HCO3- Hendersson- Hasselbalch equation: [H+] = 24 . pCO2 / [HCO3-] or pH = 6.1 + log ( [HCO3-] / [H2CO3] ) = 6.1 + log ( [HCO3-] / 0.03 pCO2 ) CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- The most important buffer. The buffering reactions in equilibrium behave according to H.H. equation 6.1 je pKa bikarbonatoveho pufru Pozn.: Pufry jsou schopny ustát rychlá přilití H+ nebo OH- do systému s jen malou změnou pH. Pokud ale mají být účinně udržovat stálé pH dlouhodobě, musí být jejich koncentrace obnovovány a účinně regulovány. Regulační orgány jsou plíce pro koncentraci CO2 a ledviny v součinnosti s játry pro koncentraci bikarbonátů.

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - 40 nmol/l (pH=7,40) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf Buf - Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ]

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - dH+ = +1 mmol/l - 40 nmol/l (pH=7,40) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf Buf - Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ]

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - dHCO3- - CO2 HCO3 H2CO3 dH+ = +1 mmol/l dBuf - + dHCO3- = -1mmol/l 43 nmol/l (pH=7,37) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf dBuf - Buf - Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ]

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - A: Titration CO2 „in vitro“ - CO2 HCO3 24 mmol/l H2CO3 40 nmol/l (pH=7,40) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf Buf - Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ]

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - A: Titration CO2 „in vitro“ dHCO3 = +1 mmol/l - - CO2 HCO3 24 mmol/l H2CO3 dH+ = +1 mmol/l - 40 nmol/l (pH=7,40) H2O H+ A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf Buf - Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ]

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - A: Titration CO2 „in vitro“ dHCO3 = +1 mmol/l - - CO2 HCO3 24 mmol/l H2CO3 43 nmol/l (pH=7,37) H2O H+ +1 mmol/l A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf dBuf - = -1 mmol/l Buf - Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ]

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - A: Titration CO2 „in vitro“ dHCO3 = +1 mmol/l - - CO2 HCO3 24 mmol/l 999 997 nmol/l H+ were „buffered“ by nonbicarbonate buffers H2CO3 +1 mmol/l = 1 000 000 nmol/l 43 nmol/l (pH=7,37) H2O H+ +1 mmol/l A obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. HBuf dBuf - = -1 mmol/l Buf - Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ] = const

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - B: Titration CO2 „in vivo“ - CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ If pCO2 increases BB = [HCO3- ]+ [Buf - ] v in blood decreases HBuf Buf - B obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ] =/= const

Diffusion by concentration gradient B: Titration CO2 „in vivo“ Diffusion by concentration gradient - CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ If pCO2 increases BB = [HCO3- ]+ [Buf - ] v in blood decreases HBuf Buf - Blood Interstitial fluid B obr. 13.22 A - Titrace krve oxidem uhličitým "in vitro": Při změnách koncentrace CO2 v krvi se součet celkových koncentrací bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí (na obr. souhrnně označených jako Buf - ) nemění. To ovšem platí pouze v krvi "in vitro", nikoli v krvi v organismu (viz následující obrázek). B - Titrace krve oxidem uhličitým "in vivo": Při vzestupu CO2 se rovnováha v IST ustaví s menší koncentrací bikarbonátů, než v krvi. Mezi plazmou a intersticiem proto dochází ke koncentračnímu gradientu bikarbonátů, které při hyperkapnii unikají z plazmy do intersticiální tekutiny. BB a BE v krvi proto poněkud klesají. - CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - There are small concentrations of non bicarbonate buffers in ISF

Measurement of Acid-Base parameters pH, pCO2, [HCO3-] CO2 HCO3- H2CO3 H2O H+ HBuf Buf-

Measurement of Acid-Base parameters pH, pCO2, [HCO3-] CO2 HCO3- H2CO3 H2O H+ HBuf Buf-

Measurement of Acid-Base parameters pH, pCO2, [HCO3-] Alkaline reserve CO2 HCO3- H2CO3 H2O H+ HBuf Buf-

Measurement of Acid-Base parameters P. Astrup 1956 pH, pCO2, [HCO3-] CO2 HCO3- H2CO3 H2O H+ HBuf Buf-

Equilibration method for pCO2 measurement by Astrup log PCO 2 pH after equilibration with high pCO 2 High level pCO in mixture O /CO Titration curve pCO2 in measered sample pH after equilibration with low pCO 2 Low level pCO In mixture O /CO pH pH In blood sample (before equilibration í

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - Buffer Base (BB) BB = [HCO3- ]+ [Buf - ] CO2 - HCO3 depends on cHb H2CO3 H2O H+ Normal buffer base: NBB=41.7+0.42*cHB [g/100ml] HBuf Buf - Base Excess: BE=BB-NBB

CO2 - HCO3 + 1 mmol H+ added to 1 litre of blood H2CO3 H2O H+ HBuf Buf -

CO2 - HCO3 + 1 mmol H+ added to 1 litre of blood H2CO3 H2O H+ HBuf 1 mmol/l drop of [HCO3-] + [Buf-] Buf - BE=-1mmol/l

+ 1 mmol OH- added to 1 litre CO2 - HCO3 + 1 mmol OH- added to 1 litre of blood H2CO3 H2O H+ HBuf Buf -

+ 1 mmol OH- added to 1 litre CO2 - HCO3 + 1 mmol OH- added to 1 litre of blood H2CO3 H2O H+ HBuf 1 mmol/l increase of [HCO3-] + [Buf-] Buf - BE= 1mmol/l

log pCO2 Plasma and blood with different hematocrit BE curve BE=0 40 torr BE=-5 BE=5 BE=-10 7.4 pH

NBB=41,7 + 0,42 * cHB Odečet BB reading of BE

Acid-base regulation CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ Buffer systems (msec) Respiration control (12 hours) Kidney control (3-5 days) H+ balance HBuf Buf - Exchange H+/K+ H+/Na+ between cells and ECF Role of liver in AB regulation

K+ Cellular exchange K+/H+ K+ K+ K+mmol/l 8 7 H+ 6 B H+ B: Acidemia - exchange K+ for H+ normal kalemia range K+ 5 C K+ H+ C: long-lasting acidemia - K+ depletion A 4 D K+ H+ D: Quick alkalisation - exchange H+ for K+ - dangerous hypokalemia 3 2 1 A: Norm pH 6,9 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8

Role of liver in Acid-Base In case of liver failure this feedback is broken Therefore there is inclination to alkalemia during liver failure H+ Urea NH4+ CO2 Aminogroup Role of liver in Acid-Base CO2+H2O H+ Neutral aminoacids carbon carcass - acidémia – inhibition of enzyme activity alkalemia – aktivation of enzyme activity prefererred in alkalemia NH4+ preferred In alkalemia Glutamine Glutamate (2-oxoglutarate) NH4+ H+ +NH3 H+ NH3 + H+ NH3 Proximal tubule Distal nephron upřednostněno při acidémii preferred in acidemia

Cerebrospinal fluid Blood Respiratory controller of acid-base disorders Respiration center CO2 H+ H2CO3 H2O - HCO3 Quick diffusion CO2 passes through hematoencephalic barrier easily Cerebrospinal fluid Bicarbonate hardly passes throught hematoencephalic barrier Blood - obr. 13.34 Při náhle vzniklé metabolické acidóze pokles bikarbonátů v moku zaostává za jejich poklesem v plazmě. Příčinou je malá permeabilita hematoencefalické bariéry pro bikarbonátové ionty. Spolu s postupným poklesem hladiny bikarbonátů v moku pomalu klesá i mozkomíšní pH a tím se postupně stimulují centrální chemoreceptory dechového centra. Ventilace pozvolna stoupá. Adaptační odpověď respirace na náhle vzniklou metabolickou acidózu proto dosahuje svého maxima až za 12 hodin. HCO3 CO2 H2CO3 H+ H2O HBuf Buf -

Cerebrospinal fluid Blood Acute metabolic acidosis CO2 H+ H2CO3 H2O - Respiration center CO2 H+ H2CO3 H2O - HCO3 Quick diffusion CO2 passes through hematoencephalic barrier easily Cerebrospinal fluid Bicarbonate hardly passes throught hematoencephalic barrier Slow diffusion Blood H+retention - obr. 13.34 Při náhle vzniklé metabolické acidóze pokles bikarbonátů v moku zaostává za jejich poklesem v plazmě. Příčinou je malá permeabilita hematoencefalické bariéry pro bikarbonátové ionty. Spolu s postupným poklesem hladiny bikarbonátů v moku pomalu klesá i mozkomíšní pH a tím se postupně stimulují centrální chemoreceptory dechového centra. Ventilace pozvolna stoupá. Adaptační odpověď respirace na náhle vzniklou metabolickou acidózu proto dosahuje svého maxima až za 12 hodin. HCO3 CO2 H2CO3 H+ H2O HBuf Buf -

pH depletion - stimulation of respiration center Sustained metabolic acidosis pH depletion - stimulation of respiration center Respiration center CO2 H+ H2CO3 H2O - HCO3 Quick diffusion CO2 passes through hematoencephalic barrier easily Cerebrospinal fluid Bicarbonate hardly passes throught hematoencephalic barrier Slow diffusion Blood H+retention - obr. 13.34 Při náhle vzniklé metabolické acidóze pokles bikarbonátů v moku zaostává za jejich poklesem v plazmě. Příčinou je malá permeabilita hematoencefalické bariéry pro bikarbonátové ionty. Spolu s postupným poklesem hladiny bikarbonátů v moku pomalu klesá i mozkomíšní pH a tím se postupně stimulují centrální chemoreceptory dechového centra. Ventilace pozvolna stoupá. Adaptační odpověď respirace na náhle vzniklou metabolickou acidózu proto dosahuje svého maxima až za 12 hodin. HCO3 CO2 H2CO3 H+ H2O HBuf Buf -

- - - - + + + - proximal tubule -68mV -70mV -2mV NH4+ Glutamine 4500 mmol HCO3-/24hod glutaminase NH4+ - Glutamine + Glutamine Na+ Na+-K+ ATPáza NH4+ K+ K+ HCO3- Na+ Angiotensin II - Na+ Gi - - CAMP + H+ H+ AC + ATP Parathormon Gs H2O H2O obr. 13.29 Acidifikační mechanismy v proximálním tubulu. Zhruba dvaadevadesát procent vodíkových iontů secernovaných do proximálního tubulu je spotřebováváno na reabsorpci bikarbonátů. Reabsorpce bikarbonátů se urychlí při zvýšení jejich nabídky z glomerulárního filtrátu. Na+/H+ výměnu zvýší i angiotenzin II - přes inhibiční G-protein (Gi) utlumí aktivitu adenylát cyklázy, sníží tím množství cAMP, který má tlumivý vliv na Na+/H+ transportér. Opačný význam má parathormon (PTH). Hypokalémie a pokles pH zvýší aktivitu glutaminázy - a tím si sekreci amonných iontů. OH- Na+ Na+ H2CO3 karboanhydrase HCO3- HCO3- karboanhydrase CO2 3825 mmol HCO3-/24hod CO2 675 mmol HCO3- /24hod proximal tubule

Rate of HCO3- reabsorbtion and excretion filtered at pCO2 = 60 torr HCO3-readsorbtion při pCO2 = 40 torr Rate of HCO3- reabsorbtion and excretion at pCO2 = 40 torr obr. 13.30 Substrátový efekt při reabsorpci bikarbonátů: při vzestupu pCO2 stoupne nabídka bikarbonátů v glomerulárním filtrátu. Zároveň se však zvýší i rychlost jejich reabsorpce. Exkrece HCO3- at pCO2 = 60 torr 4 8 16 20 24 28 32 36 40 mmol/l Plasma (and glomerular filtrate) HCO3- level

5 1 3 4 6 2 Glutamin glutamináza CO2 CO2 NH4+ Na+ NH4+ HCO3- Na+ NH4+ Cl- 3 Cl- H+ Na+ 4 NH4+ CO2 6 obr. 13.31 Význam amonných iontů v acidifikaci moči. (1) Amonné ionty vytvářené glutaminázou z glutaminu jsou secernovány do proximálního tubulu. Amonné ionty bez pomoci přenašeče nemohou procházet skrze buněčnou membránu a proto jsou v tubulech vlastně "chyceny". Na konci Henleho kličky (kde je alkaličtější pH než na konci proximálního tubulu a tudíž i větší koncentrace NH3) amoniak, odštěpený z amonného iontu prochází z tubulu do intersticia ledvin (2). Krom toho, do intersticia ledvin je pomocí přenašeče reabsorbován i amonný iont ve vzestupné části Henleho kličky (3). Amoniak se částečně vrací do sestupného raménka Henleho kličky (4), kde je díky kyselé moči pevněji vázán s vodíkovým iontem - v Henleho kličce tedy dochází k recirkulaci amoniaku. Amonné ionty jsou z dřeně ledvin vymývány krví (5). Zároveň se amoniak přitahován kyselým prostředím sběrných kanálků, kde slouží jako akceptor vodíkových iontů (6) a zvyšuje tak kapacitu vodíkové pumpy. Čím kyselejší je pH ve sběrných kanálcích, tím více amoniaku se přesouvá do sběrných kanálků (a tím méně amonných iontů je vymýváno ze dřeně krví). CO2 NH3 Cl- H+ H++ HCO3- HCO3- HCO3- H+ 2 NH4+ NH3 NH4+

Renal acid-base controller (in distal nephron) -intercalar cells H+ -ATPáza H2O H+ OH- CO2 HCO3- karboanhydrase Cl- b-intercalar cells HCO3- Cl- + Aldosteron - Cl- CO2 HCO3- karboanhydrase OH- H2O H+ + H+ H+ -ATPáza H+ HCO3- CO2 HPO42- H2PO4- (titratable acidity) lumen NH3 NH4+

lumen main cells b-intercalar cells -intercalar cells + + + + H2O H+ H+ -ATPáza H2O H+ OH- CO2 HCO3- karboanhydrase Cl- b-intercalar cells Na+ K+ Cl- HCO3- Cl- K+ Aldosteron + + + Cl- CO2 HCO3- karboanhydrase Na+-K+ ATPáza OH- H2O + Na+ K+ H+ Na+ H+ -ATPáza A- (non-resorbable anion) H+ HCO3- CO2 HPO42- H2PO4- (titratable acidity) lumen NH3 NH4+ Cl- Cl-

Acid-base disturbances: CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffer system acid-base disturbances Buf - Balance acid-base disturbances: - metabolic acidosis/alkalosis - respiration acidosis/alkalosis

CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffers system acid-base disturbances: Dilutional acidemia Contractional alkalemia Hypoproteinemic alkalemia Buf -

Dilution CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffers system acid-base disturbances: Dilutional acidemia Buf -

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - Dilution equilibrium shift CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffers system acid-base disturbances: Dilutional acidemia Buf -

Hemoconcentration CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffers system acid-base disturbances: Contractional alkalemia Buf -

Hemoconcentration CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffers system acid-base disturbances: Contractional alkalemia Buf -

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - Hemoconcentration CO2 - HCO3 equilibrium shift TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffers system acid-base disturbances: Contractional alkalemia Buf -

Acute hypoproteinemia CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffers system acid-base disturbances: Hypoproteinemic alkalemia Buf -

CO2 HCO3 H2CO3 H2O H+ HBuf Buf - Acute hypoproteinemia CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 equilibrium shift CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffers system acid-base disturbances: Hypoproteinemic alkalemia Buf -

Acid-base disturbances: CO2 - HCO3 TA + NH4+ H2CO3 CO2 balance H2O H+ H+ balance HBuf Buffer system acid-base disturbances Buf - Balance acid-base disturbances: - metabolic acidosis/alkalosis - respiration acidosis/alkalosis

Acute metabolic acidosis 3. Respiration keep CO2 level unchangeable – thereby increases buffer power of bicarbonate buffer 2. Consumption of bicarbonate in buffer reaction - CO2 HCO3 H2CO3 1. Primary disturbance: H+ retention H+ H2O 4. Pathophysiological concequence: H+ level increases only a little bit due to buffer reaction HBuf PCO2 BE Buf - 2. Consumtion of non-bicarbonate buffer bases in buffer reaction

Respiratory compensation of metabolic acidosis 2. Respiratory response: Decrease CO2 level - CO2 HCO3 H2CO3 1. Primary failurea: H+retention H+ H2O 4. Pathophysiological concequence : diminished H+ level HBuf 3. Shift of equilibrium to the left PCO2 BE Buf -

PCO2 torr Base Excess mmol/l -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 40 50 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 PCO2 torr Base Excess mmol/l pH=7,1 pH=7,2 pH=7,3 pH=7,37 pH=7,43 pH=7,5 pH=7,6 Acute metabolic acidosis Akute metabolic alkalosis respiratory acidosi Acute Acute respiratory acidosis Sustained metabolic alkalosis Sustained metabolic acidosis Sustained respiratory alkalosis Sustained respiratory acidosis

Bicarbonate reabsorbtion (2) Disorder of H+ excretion (4) diarhoea (2) Disorder of H+ excretion (3) losses of HCO3- H+excretion CO2 HCO3- H2CO3 TA+NH4 + H+ retention H+ depletion H2O H+ HBuf A- Buf - (1) Increased metabolic production of strong acids

A- Metabolic acidosis with: increased anion gap normal anion gap NH3 Gastrointestinal losses of bicarbonate NH3 H+ A- HCO3- Cl- H+ Accumulation of anions of strong acids (laktate acidosis ketoacidosis uremic acidosis) Cl- NH4+ Cl- Urea Overdosis of NH4Cl K+ Normal anion gap Na+ Anion gap Na+ Na+ Increased anion gap Na+ In urine: [K+]+[Na+]-[Cl-] < 0 HCO3- HCO3- HCO3- Cl- Relative accumulation of chlorides Cl- Cl- Cl- NH3 HCO3- HCO3- H+ Decreased acidification (tubular acidosis, hypoaldosteronisms, decreases glomer. filtration) HCO3- Cl- NH4+ K+ Cl- Na+ in urine: [K+]+[Na+]-[Cl-] >= 0

norm c b a c b a norma Complete reabsorbtion norm proximal tubular renal acidosis Rate of bicarbonate reabsorbtion c b a 10 15 20 25 Plasma level of HCO3- c b a norma pH=5,5 pH=6,5 pH=7,8 pH=5,5

Bicarbonate reabsorbtion (2) Disorder of H+ excretion (4) diarhoea (2) Disorder of H+ excretion (3) losses of HCO3- H+excretion CO2 HCO3- H2CO3 TA+NH4 + H+ retention H+ depletion H2O H+ HBuf A- Buf - (1) Increased metabolic production of strong acids

Bicarbonate reabsorbtion H+excretion CO2 HCO3- H2CO3 TA+NH4 + Retence H+ Retence H H2O H+ HBuf A- (7) K+ depletion hyperaldosteronism katabolism K+ H+ (6) vomiting Buf -

Acute metabolic alkalosis 3. Respiration keep CO2 level unchangeable – thereby increases buffer power of bicarbonate buffer CO2 - HCO3 H2CO3 2. Dissotiation of carbonic acid in buffer reaction 4. Pathophysiological concequence: H+ level decreases only a little bit due to buffer reaction H2O H+ 2. Dissotioation of non-bicarbonate acid in buffer reaction 1. Primary disturbance: H+ loss HBuf PCO2 BE Buf -

Respiratory compensation of metabolic alkalosis 2. Regulatory response of respiration: Increase level of CO2 3. Shift equilibrium in buffer system to the right CO2 - HCO3 H2CO3 4. . Pathophysiological concequence : increase diminished H+ level H2O H+ 1. Primary disturbance: H+ loss + PCO2 BE HBuf Buf -

PCO2 torr Base Excess mmol/l -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 40 50 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 PCO2 torr Base Excess mmol/l pH=7,1 pH=7,2 pH=7,3 pH=7,37 pH=7,43 pH=7,5 pH=7,6 Acute metabolic acidosis Akute metabolic alkalosis respiratory acidosi Acute Acute respiratory acidosis Sustained metabolic alkalosis Sustained metabolic acidosis Sustained respiratory alkalosis Sustained respiratory acidosis

Na+ Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- Cl- Cl- H+ H+ H+ K+ K+ K+ H+ H+ K+ K+ H+ Primary cause: Losses of Cl- a H+ by vomiting Glomerular filtraton (norm) Na+ Glomerulal filtration (hypochloremic alkalosis) Na+ Na+ Na+ Cl- Depletion of chlorides Cl- Cl- Cl- H+ Na+/Cl- reabsorbtion is diminished Readsorbtion of sodium and chlorides Metabolic alkalosis H+ H+ K+ K+ Remnant of sodium is exchanged with and H+ K+ H+ NH4+ Increased exchange Na+ with K+ and Na+ with H+ Intracellular fluid K+ Potassium depletion obr. 13.42 Patogeneze vzniku paradoxní acidifikace moči a deplece draslíku po ztrátách chloridů při těžkém zvracení. H+ Excretion of potassium increases, acidification of urine regardless of alkalosis H+ K+ K+ H+ Paradoxal urine acidification Increases lossse ofn

Acute respiratory acidosis 1. Primary disturbance: CO2 retention 2. Shift equilibrium to the left - to carbonic acid dissociation - CO2 HCO3 3. Dissociation of carbonic acid, creation of a huge amount of H+ ions H2CO3 H+ H2O 4. Pathophysiological concequence : H+ level increases only a little bit due to buffer reaction HBuf PCO2 BE Buf - 3. H+ ions are removed by the bounding with non-bicarbonate buffer bases

Renal compensation of respiratory acidosis 2. Regulatory responce of kidney: increasing excretion of titratable acids (TA) and ammonium ions accompanied by equimolar addition of bicarbonate ions into extracellular fluid 1. Primární disturbance: CO2 retention (increased levels of CO2 and H2CO3 are set to unchangeable values due to respiration) - CO2 HCO3 TA+NH4 + 3. Addition of bicarbonates shifts equilibrium to the right, bicarbonates bind H+ ions H2CO3 H2O H+ Increasing of H+ level 4. Pathophysiological concequence : decrease of H+ level PCO2 BE HBuf Buf -

PCO2 torr Base Excess mmol/l -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 40 50 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 PCO2 torr Base Excess mmol/l pH=7,1 pH=7,2 pH=7,3 pH=7,37 pH=7,43 pH=7,5 pH=7,6 Acute metabolic acidosis Akute metabolic alkalosis respiratory acidosi Acute Acute respiratory acidosis Sustained metabolic alkalosis Sustained metabolic acidosis Sustained respiratory alkalosis Sustained respiratory acidosis

Acute respiratory alcalosis 1. Primary disturbance: CO2 depletion 2. Shift equlibrium to the left, (to carbonic acid production) - CO2 HCO3 3. Due to carbonic acid production, A huge amount of H+ ions are consumed H2CO3 3. Consumed H+ ions supplemented from non bicarbonate buffered acids H+ H2O H+ 4. Pathophysiological concequence : H+ level due to buffering of non-bicarbonate acids decreases only a little bit. HBuf PCO2 BE Buf -

Renal compensation of respiratory alkalosis 1. Primary disturbance: CO2 depletion 2. Regulatory responce of kidney: decreasing excretion of titratable acids (TA) and ammonium ions will be less then metabolic strong acids production. (decreased levels of CO2 and H2CO3 are set to unchangeable values due to respiration) - CO2 HCO3 3. Metabolic H+ ions production is greater then their renal excretion H2CO3 Decrease of H+ H2O H+ 4. Pathophysiological consequence: increase of H+ level HBuf PCO2 BE Buf -

PCO2 torr Base Excess mmol/l -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 40 50 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 PCO2 torr Base Excess mmol/l pH=7,1 pH=7,2 pH=7,3 pH=7,37 pH=7,43 pH=7,5 pH=7,6 Acute metabolic acidosis Akute metabolic alkalosis respiratory acidosi Acute Acute respiratory acidosis Sustained metabolic alkalosis Sustained metabolic acidosis Sustained respiratory alkalosis Sustained respiratory acidosis

Oxygen released due drop Oxygen released due to shift Concentration of O2 PaO2 PvO2 Arterial blood at pH=7,4 Venose blood at pH=7,2 Oxygen released due to shift of dissotiacion curve (Bohr effect) Oxygen released due drop obr. 13.35 Význam Bohrova efektu pro uvolňování kyslíku z krve do tkání. Na tkáňovém konci kapilár vlivem přesunu oxidu uhličitého z tkání do krve klesá pH. Disociační křivka hemoglobinu se posouvá doprava. To umožňuje při stejné tenzi kyslíku uvolnit z krve do tkání další množství kyslíku.

at respiratory alkalosis Arterial blood at pH=7,4 (normal conditions) (alkalemia) Release of oxygen at respiratory alkalosis Arterial blood at pH=7,4 (normal conditions) Concentration of O2 Release of oxygen at normal condition Venous blood at pH=7,36 (alkalemia) Venous blood at pH=7,2 (normal conditions) obr. 13.36 Patogenetické mechanismy snížení dodávky kyslíku do tkání při akutní respirační alkalóze. Decrease of oxygen delivery to tissues at acute respiratory alkalosis PO2 normal PaO2 PvO2 High PaO2 during hyperventilation at respiratory alkalosis

Mixed acid-base disturbances - examples -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 PCO2 torr Base Excess mmol/l pH=7,1 pH=7,2 pH=7,3 pH=7,37 pH=7,43 pH=7,5 pH=7,6 Acute metabolic acidosis Akute metabolic alkalosis respiratory acidosi Acute Acute respiratory acidosis Sustained metabolic alkalosis Sustained metabolic acidosis Sustained respiratory alkalosis Sustained respiratory acidosis Metabolic acidosis + respiratory acidosis Diarrhoea -> metabolic acidosis + vomiting -> metabolic alkalosis + catabolism, ->lactate metabolic acidosis Metabolic acidosis + respiratory alkalosis