Acidobazická rovnováha 5.12.2005

Vnitřní prostředí Sestává z posuzování složení extracelulární tekutiny z hlediska izohydrie (= optimální koncentrace pH) izoionie (= optimální koncentrace iontů) izoosmolarity (= optimální koncentrace nízkomolekulárních látek)

Koncentrace H+ pH = -log [H+] Normální hodnoty [H+] = 40 nmol/L Pro srovnání s ostatními ionty: [Na+] = 140 mmol/L [HCO3-] = 25 mmol/L

pH pH je nepřímým ukazatelem [H+] neutrální vs. normální pH plazmy CAVE! Hydrogenové ionty (tj. protony) neexistují v roztoku volně ale jsou vázány s okolními molekulami vody vodíkovými vazbami (H3O+) [H+] o faktor 2 způsobuje  pH o 0.3 neutrální vs. normální pH plazmy pH 7.4 (7.36-7.44)  normální pH 7.0  neutrální ale fatální!!! pH = -log [H+] pH 7.40  40 nM pH 7.00  100 nM pH 7.36  44 nM pH 7.44  36 nM

Proč je pH tak důležité ? pH má efekt na funkci proteinů všechny známé nízkomolekulární a ve vodě rozpustné sloučeniny jsou téměř kompletně ionizovány při neutrálním pH pH-dependentní ionizace (tj. náboj) slouží jako účinný mechanismus intracelulárního zadržení ionizovaných látek v cytoplazmě a organelách výjimky: makromolekuly (proteiny) většinou nesou náboj, zadrženy díky velikosti nebo hydrofobicitě lipidy ty které zůstávají intarcelulárně jsou vázány na proteiny odpadní produkty

pH je neustále “narušováno” metabolismem Celkové CO2: = [HCO3] + [H2CO3] + [karbamino CO2] + [rozpuštěný CO2]

Mechanizmy regulace ABR Lidské tělo produkuje za 24 hod cca 20 000 mmol CO2 (v těle vytváří s vodou kys. uhličitou) s cca 60-70 mmol silných („neprchavých“) kyselin. Jejich tvorba musí být v rovnováze s jejich eliminací z organizmu - o odvod CO2 se stará respirační systém - vylučování silných kyselin zajišťují ledviny (za každý vyloučený H+ iont, který je v moči navázán na fostáty – jako titrovatelná acidita (TA) nebo jako součást ammonného iontu se do vnitřního prostředí dostává 1 iont bikarbonátů)

Poruchy bilance mezi příjmem a výdejem CO2 vedou k respiračním poruchám ABR respirační acidóza respirační alkalóza Poruchy bilance mezi tvorbou a vylučováním silných kyselin vedou k metabolickým poruchám ABR metabolická acidóza metabolická alkalóza Rozlišovat: acidóza / alkalóza – patofyziologický proces acidémie / alkalémie – momentální hodnota pH v plazmě

Nárazníkové systémy Pufry = roztoky látek, schopné uvolňovat či pohlcovat H+, takže změny pH jsou minimální Fyziologické pufry: bikarbonát/kys. uhličitá hemoglobin fosfáty, sulfáty proteiny krevní plazmy

Pufry V extracelulární tekutině: bikarbonáty Hb fosfáty, sulfáty, organické kyseliny proteiny krevní plazmy V intracelulární tekutině: pH se velmi liší podle kompartmentu proteiny a fosfáty

Henderson-Hasselbalchova rovnice pH pufru závisí na logaritmu poměru zásady ke kyselině za daného pH je pro každý pufr charakteristický daný poměr těchto složek pH = pKa + log [HA] [A-]

Hemoglobin jako pufr Ve tkáni Hb uvolní O2 a naváže H+ H+ vznikl takto: CO2+H2O HCO3-+H+ Bikarbonát se transportuje z ery výměnou za Cl- V plicích Hb váže O2 a uvolní H+ H+ reaguje s HCO3-: HCO3-+H+  CO2+H2O CO2 se vydýchá, bikarbonát se doplní z plazmy výměnou za Cl-

Hemoglobin jako pufr V pracující tkáni pohlcuje protony a pomáhá zvládat kyselou nálož i produkcí HCO3- V plících naopak protony uvolňuje a ty spolu s HCO3- přispívají k produkci CO2 Výměna HCO3- za Cl- v membráně erytrocytu se nazývá Hamburgerův efekt

Bikarbonátový pufr H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3- Ka = pH = p Ka + log CA H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3- Ka = pH = p Ka + log pH = 6.1 + log [H+][HCO3- ] [CO2] [HCO3- ] [CO2] [HCO3- ] 0.03 x pCO2

Bikarbonátový pufr Otevřený pufrační systém pCO2 je regulován úrovní ventilace [HCO3-] regulován ledvinami Nečas et al. 2000

Bikarbonátový pufr Je nejvýkonnější extracelulární pufr Je nejdůležitější pro regulaci ABR, protože tělo umí aktivně měnit koncentraci [HCO3-] i pCO2 Pomocí stavu bikarbonátového pufru klinicky posuzujeme stav acidobáze u pacienta (měření pH, [HCO3-] a pCO2)

Nečas et al. 2000

BB (buffer base) = sumární koncentrace bikarbonátů a nebikarbonátových nárazníkových bazí BE (base excess) = „nadbytek bazí“ (norm. hodnota=0) BE = BB – NBB NBB (normal buffer base) NBB (mmol/l) = 41.7 + 0.042 x (koncentrace Hb v g/l)

Metabolická a respirační složka ABR BB a BE – veličiny nezávislé na změnách hladiny CO2, ale mění se při poruchách bilance toku H+ iontů (jsou tedy ukazatelem retence nebo deplece silných kyselin) Charakterizují tedy „metabolickou složku“ ABR (v organizmu – při akutní retenci CO2 – respirační acidóze – se hodnota BB (resp. BE) mírně sníží) Hladina CO2 charakterizuje její „respirační složku“ Nečas et al. 2000

ABR je z časového hlediska regulována na několika úrovních První úrovní regulace jsou pufrační systémy - nejrychleji jsou schopny tlumit změny koncentrace H+ iontů nárazníky v krvi (regul. odpověď v řádu ms) Další úrovní jsou přesuny látek mezi jednotlivými pufračními systémy krve a intersticia (řády desítek min) Nitrobuněčné (neerytrocytární) nárazníky (a také základní hmota kostí) jsou schopné vázat H+ ionty (během pár hodin) Regulační odpověď respirace má maximum 6-10 hod Ledviny – nejpomalejší (vrchol za 3-5 dní)

Redistribuce H+, K+ a Na+ na buněčné membráně Nečas et al. 2000

Mechanizmy výměny H+ za K+ a H+ za Na+ při acidémii Nečas et al. 2000

Alkalémie bez deficitu K+ a s deficitem K+ Nečas et al. 2000

Vztah ABR a kalémie Nečas et al. 2000

Zdroje silných kyselin Nečas et al. 2000

Regulační odpověď metabolizmu na ABR poruchu Regulační úloha jater spočívá v tom, že pH krve mění množství substrátu pro tvorbu močoviny (tím se mění s ureosyntézou spřažená rychlost tvorby H+ iontů) Při alkalémii se  tvorba močoviny a H+ iontů z NH4+ a  tvorba glutaminu v játrech. Výsledkem je acidifikace alkalického vnitřního prostředí. U acidózy naopak Nečas et al. 2000

Úloha plic v udržování ABR vylučují denně cca 15 molů CO2 vzhledem k dobré rozpustnosti CO2 je jeho koncentrace v alveolech stejná, jako v arteriální krvi pCO2 tedy závisí na úrovni minutové ventilace (počet dechů x dechový objem) zvýšení pCO2 vede ke snížení pH, pokles pCO2 znamená zvýšení pH

Úloha ledvin v udržování ABR Vyrovnávají pH tím, že vylučují [H+] výměnou za Na+ a současně zpětně reabsorbují [HCO3-] v proximálním tubulu vylučují [H+] vazbou na NH3v proximálním tubulu vylučují [H+] v distálním tubulu (protonová pumpa, vazba na fosfáty)

Souhrn pH extracelulární tekutiny je udržováno pufračními systémy na hodnotách 7,35-7,45 pH je určeno vzájemným poměrem pCO2 a [HCO3-] podle H.-H. rovnice pCO2 ovlivňují plíce a [HCO3-] ledviny

Vyšetření stavu ABR tzv. ASTRUP (vyš. dle Astrupa) vyšetřujeme: pH pCO2 pO2 [HCO3-] (AB, SB, BE) nutný odběr arteriální (nebo kapilární) krve, venózní krev se vyšetřuje jen ve speciální indikacích (např. pro stanovení A-V rozdílu)

* spolehlivý (přesný a správný) * rychlý * správně interpretován Výsledek biochemického testu se stává skutečnou informací (zvyšuje míru rozhodování) když je: * adekvátně ordinován * spolehlivý (přesný a správný) * rychlý * správně interpretován

Poruchy ABR Podle úrovně komplikovanosti Základní Smíšené (více poruch ABR ve stejném nebo různém směru) Kombinované (porucha ABR kombinovaná se změnou koncetrací iontů v ECT, příp. ICT)

Základní poruchy ABR Acidóza Alkalóza proces, vedoucí k poklesu pH krve Alkalóza proces, vedoucí ke vzestupu pH krve Respirační poruchy = způsobené změnou pCO2 Metabolické poruchy = zp. změnou [HCO3-]

Základní poruchy ABR Respirační acidóza = pokles pH krve, způsobený vzestupem pCO2 Respirační alkalóza = vzestup pH krve, způsobený poklesem pCO2 Metabolická acidóza = pokles pH krve, způsobený snížením [HCO3-] Metabolická alkalóza = vzestup pH krve, způsobený vzestupem [HCO3-]

Poruchy ABR Podle úrovně kompenzace: Kompenzovaná (pH = 7.34-7.44) Částečně kompenzovaná (pH se odchyluje, ale je zřetelná účast kompenzačních mechanismů) Nekompenzovaná (odchylka pH, není zřetelná účast Dekompenzovaná (výchylka pH se zhoršuje ve srovnání s předchozím vyšetřením) Překompenzovaná (příliš silná nebo rychlá terapie poruch ABR)

Kompenzace poruch Respirační kompenzace metabolických poruch: plíce změní pCO2 tak, aby se vyrovnal poměr k [HCO3-] a pH se opět přiblížilo normě trvá sekundy až minuty Metabolická kompenzace respiračních poruch: ledviny zadrží/vyloučí [HCO3-], tak aby vyrovnaly poměr k pCO2 a pH se opět přiblížilo normě trvá hodiny až dny

Poruchy ABR-směry kompenzace

Poruchy bilance silných kyselin Nečas et al. 2000

Metabolická acidóza (MA) Stav, kdy metabolický tok H+ do extracelulární tekutiny převýší přítok bikarbonátů z ledvin:  fixních [H+] = vysoký anion gap absolutní ztráta nebo  reabsorpce HCO3- = normální anion gap (příčiny: v ledvinách, GIT, diluční acidóza)

Anion Gap („aniontové okénko“) AG = [Na+ + K+] - [Cl- + HCO3-] Norma: 12 ± 2 mmol/L Hlavní „neměřitelné“ anionty, zahrnuté v AG: albumin fosfáty sulfáty organické anionty Slouží k posouzení příčin metabolické acidozy

Anion Gap Nečas et al. 2000

MA - příčiny ketoacidóza renální tubulární acidóza ztráta HCO3 v GIT diabetická, alkoholická, hladovění laktátová acidóza akutní renální selhání toxiny (salicyláty, metanol..) renální tubulární acidóza ztráta HCO3 v GIT průjem pankreatické či žlučová drenáž

Reakce organizmu na MA Nečas et al. 2000

MA – metabolické důsledky respirační hyperventilace posun disociační křivky hemoglobinu kardiovaskulární další zvýšená kostní resorpce (pouze u chronické acidózy) únik K+ z buňek  hyperkalemie

Metabolická alkalóza Příčinou je negativní bilance silných kyselin v extracelulární tekutině: - Zvýšení přísunu HCO3- (neadekvátní podávání nebo HCO3- dehydratace) - Snížení přísunu H+ iontů do extracelulární tekutiny (při zvracení)  hypochloremická metabolická alkalóza (s tzv. paradoxní acidifikací moče)

Patogeneze vzniku paradoxní acidifikace moče Nečas et al. 2000

Reakce organizmu na metabolickou alkalózu Nečas et al. 2000

Respirační acidóza (RA) primární změnou je pH v důsledku PaCO2 (>40 mmHg), tj. hyperkapnie akutní (pH) chronická (pH nebo normální pH) renální kompenzace – retence HCO3-, 3-4 dny příčiny: pokles alveolární ventilace (zvýš. koncentrace CO2 ve vdechovaném vzduchu) (zvýšená produkce CO2) paCO2 = VCO2 / VA

Naprostá většina případů RA je důsledkem poklesu alveolární ventilace !!!! porucha se může vyskytnout na jakékoliv úrovni kontrolního mechanizmu Vzrůst arteriálního pCO2 je normálně velmi silným stimulem ventilace takže respirační acidóza se v případě, že regulace není porušena, rychle upraví kompenzatorní hyperventilací

RA - nedostatečná alveolární ventilace Centrální (CNS) příčiny deprese resp. centra opiáty, sedativy, anestetiky CNS trauma, infarkt, hemoragie nebo tumor hypoventilace při obesitě (Pickwickův syndrom) cervikální trauma nebo léza C4 a výše poliomyelitis tetanus srdeční zástava s cerebrální hypoxií Nervové a muskulární poruchy Guillain-Barre syndrom myasthenia gravis myorelaxnci toxiny (organofosfáty, hadí jed) myopatie Plicní onemocnění a hrudní defekty akutní COPD trauma hrudníku - kontuze, hemothorax pneumothorax diafragmatická paralýza plicní edém adult respiratory distress syndrome restrikční choroba plic aspirace Nemoci dýchacích cest laryngospasmus bronchospasmus / astma Zevní faktory nedostatečná mechanická ventilace

RA – vzácné příčiny nadprodukce CO2 u hyperkatabolických stavů maligní hypertermie sepse zvýšený přívod CO2 opak. vdechování vydechovaného vzduchu obsahujícího CO2 více CO2 ve vdechovaném vzduchu insuflace CO2 do dutin (např. laparoskopické výkony)

RA - metabolické důsledky hyperkapnie! útlum intracelulárního metabolizmu cerebrální efekty kardiovaskulární systém extrémně vysoká hyperkapnie: anestetický efekt (pCO2>100mmHg) hypoxemie Arteriální pCO2>90 mmHg není kompatibilní se životem u pacienta dýchajícího okolní vzduch: pAO2 = [0.21 x (760 - 47)] - 90/0.8 = 37 mmHg

RA - kompenzace Akutní RA – pouze pufrováním! cca 99% pufrování intracelulárně proteiny (hemoglobin a fosfáty) jsou nejdůležitější pro CO2 ale jejich koncentrace je nízká v poměru k množství CO2 které je potřeba pufrovat bikarbonátový systém nemůže pufrovat “sám sebe” u RA Chronická RA - renální kompenzace  retence HCO3, maximum za 3 až 4 dny  paCO2  pCO2 v proximálním tubulu  H+ sekrece do lumen:  HCO3 produkce (tj. plazma [HCO3] vzroste)  Na+ reabsorpce výměnou za H+  NH3 produkce k ‚pufrování' H+ v tubulárním lumen (tj. roste exkrece NH4Cl)

Reakce organizmu na respirační acidózu Nečas et al. 2000

RA - korekce (tj. terapie) pCO2 se po obnovení dostatečné alveolární ventilace rychle normalizuje léčba základné příčiny pokud možno rychlý pokles pCO2 (zejm. u chron. RA) může vést k: těžké hypotenzi ‘post-hyperkapnické alkalóze’

Respirační alkalóza Příčinou je deplece oxidu uhličitého projevující se hypokapnií (snížením tenze CO2) v arteriální krvi - hyperventilace při UPV - dráždění dechového centra * psychogenní, nervové vlivy (hysterie, farmaka…) * hypoxémie (srdeční vady s P-L zkraty, výšková nemoc)

Reakce organizmu na respirační alkalózu Nečas et al. 2000

Kombinované poruchy ABR Pro posouzení kombinované poruchy ABR mohou být užitečné kompenzační diagramy Nečas et al. 2000