Нарушения кислотно-основного равновесия в организме (метаболический и дыхательный ацидоз и дыхательный алкалоз)

КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ (кислотно-щелочное равновесие; кислотно-щелочной баланс; кислотно-основное равновесие)
— одно из важнейших гомеостатических свойств внутренней среды организма, характеризующееся относительным постоянством соотношения водородных и гидроксильных ионов и определяющее оптимальный характер обменных процессов и физиологических функций.
Основой внутренней среды является вода, молекулы которой при диссоциации образуют Н+ и ОН- ионы.
Соотношение их концентрации определяет актуальную реакцию жидкостей, прежде всего крови.
Актуальной реакцией называют существующую в организме в конкретных условиях кислотность или щелочность внутренней среды. От актуальной реакции среды зависят условия функционирования большинства белков, так как электронейтральность белковой молекулы определяется ее изоэлектрической точкой, что напрямую связано с кислотностью среды.

Актуальная реакция среды определяет активность ферментов, для большинства из которых свойственны свои оптимальные значения реакции среды.
Кислотно-основное состояние внутренней среды определяет в тканях направление и интенсивность процессов окисления и восстановления, расщепления и синтеза белков, углеводов и жиров, нуклеиновых кислот, активность витаминов и микроэлементов.
Изменения актуальной реакции среды помимо метаболизма влияют и на функции клеток, органов и систем (сердца и сосудов, нервной системы и мышц, легких и почек), определяют биофизические свойства клеток и молекул, например проницаемость мембран и возбудимость, степень дисперсности коллоидов и пр.
В свою очередь, кислотно-основное состояние является интегральным параметром внутренней среды организма и зависит от состояния клеточного метаболизма, газотранспортной функции крови, процессов питания и внешнего дыхания, водно-солевого обмена.

Кислотно-основное состояние внутренней среды характеризуют следующие показатели:
актуальный рН;
парциальное напряжение углекислоты;
актуальный бикарбонат крови;
стандартный бикарбонат крови;
буферные основания крови;
избыток или дефицит буферных оснований крови.

Основные изменения кислотно-основного состояния

Кислотно-основное состояние внутренней среды характеризуют по содержанию в ней количества водородных ионов, зависящего от их поступления и выделения, т. е. баланса.
В связи с этим выделяют две формы сдвига кислотно-основного состояния: ацидоз и алкалоз.
Ацидоз — это сдвиг кислотно-основного состояния в связи с положительным балансом водородных ионов, т. е. при накоплении Н-ионов в крови.
Алкалоз — это сдвиг кислотно-основного состояния в связи с отрицательным балансом водородных ионов, т. е. при уменьшении Н-ионов в крови.

Концентрация водородных ионов в крови определяется,
во-первых, [Н2СO3] или рС02, выводимого в большей или меньшей степени через легкие, — дыхательная, или респираторная, компонента;
во-вторых, содержание Н+ определяется концентрацией бикарбоната (HCO3-), не выделяемого через легкие,— недыхательная, или нереспираторная, компонента.
Таким образом, как ацидозы, так и алкалозы можно представить в двух видах: 1) дыхательные или респираторные и 2) недыхательные или нереспираторные.

Однако нарушения баланса водородных ионов не обязательно приводят к сдвигу уровня свободных Н+, т. е. рН, поскольку буферные системы и физиологические гомеостатические системы компенсируют изменения баланса водородных ионов
сдвиг кислотно-основного состояния
Дыхательный
изменяется концентрация углекислоты
(повышается при ацидозе и снижается при алкалозе)
Недыхательный
изменяется концентрация бикарбоната, т. е. основания
(снижается при ацидозе, повышается при алкалозе)

Компенсацией называют процесс выравнивания нарушения путем изменения в той системе, которая не была нарушена.
Таким образом, дыхательные нарушения компенсируются сдвигами в недыхательной компоненте и, наоборот, сдвиги уровня бикарбоната компенсируются изменениями дыхательной компоненты, т. е. выведения углекислоты.
В зависимости от степени эффективности компенсации возможны три варианта сдвигов кислотно-основного состояния:
некомпенсированные (сдвиг рН<7,29 или >7,56),
частично компенсированные (рН<7,35 или >7,45, отмечается избыток иди дефицит буферных оснований),
компенсированные (сдвиг рН отсутствует /7,35—7,45/, благодаря полной компенсации изменившегося баланса водородных ионов)

Основные изменения кислотно-основного состояния

Определение характера сдвига кислотно-щелочного состояния в случаях компенсированных ацидоза или алкалоза требует специального расширенного исследования.
Выявление частично компенсированных и некомпенсированных сдвигов может быть осуществлено путем сопоставления трех параметров: рН, дыхательной и недыхательной компонент баланса.

Функциональное значение ацидозов и алкалозов
Физиологические свойства ферментов, транспорт и связывание белков, обусловленные диссоциацией кислых или основных аминокислот, особенно гистидина, зависят от рН.
Ферменты гликолиза, особенно фосфофруктокиназа, зависят от рН. Внутриклеточный алкалоз стимулирует, а ацидоз подавляет гликолиз и образование молочной кислоты. Алкалоз подавляет глюконеогенез и повышает содержание субстратов цикла Кребса, например цитрата. Ацидоз стимулирует деградацию глюкозы через пентозо-фосфатный цикл.
Для синтеза ДНК и пролиферации клеток рН не должен быть кислым. Легкий алкалоз всегда имеет место при клеточной пролиферации. Множество регуляторов роста активируют Na/H-обменник мембраны и приводят к защелачиванию внутриклеточной среды. Щелочной рН характерен для опухолевых клеток.

К+-каналы большинства клеток активируются алкалозом и подавляются ацидозом, что способствует изменению потенциала покоя и возбудимости клеток.
Ацидоз ведет к уменьшению входа Са2+ через Са-каналы, приводя, например, к снижению сократимости миокарда.
В легочных артериолах Н+-ионы вызывают вазоконстрикцию, а в сосудах большого круга они способствуют вазодилатации, что в условиях кислородного голодания может вести к снижению артериального давления. Алкалоз способствует вазоконстрикции, особенно мозговых сосудов.
Ацидоз снижает, а алкалоз повышает проводимость в плотных межклеточных контактах, в частности в миокарде, следствием чего могут быть аритмии сердца.
Функциональное значение ацидозов и алкалозов

Ацидоз снижает, а алкалоз повышает сродство гемоглобина к кислороду (эффект Бора). Алкалоз стимулирует диссоциацию плазменных белков, которые затем связывают больше Са2+ и снижают его активность в плазме. Напротив, ацидоз снижает кальций-связывающую активность белков плазмы. С другой стороны, бикарбонат соединяется с Са2+ и уменьшает его активность.
Все случаи возникновения сдвигов кислотно-основного состояния у здоровых людей обычно полностью компенсированы.
В условиях патологии ацидозы и алкалозы у человека бывают значительно чаще и, соответственно, чаще являются частично компенсированными или даже некомпенсированными, что требует искусственной коррекции.
Функциональное значение ацидозов и алкалозов

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АЦИДОЗ
— cмещение кислотно-щелочного баланса организма в сторону увеличения кислотности (уменьшению рН).
Причиной развития дыхательного ацидоза у человека является гиперкапния, т. е. повышение содержания и напряжения С02 в крови (выше 45 мм рт. ст.)
в результате того, что скорость образования С02 в тканях превышает скорость его выделения легкими.
Это одно из наиболее тяжелых нарушений кислотно-основного состояния.
В зависимости от скорости возникновения и тяжести, выделяют острый и хронический дыхательный ацидоз.

Острое повышение напряжения СO2 в плазме крови вызывает рост содержания Н+-ионов до почти двукратного их увеличения, а также повышение концентрации НСO3 за счет реакции, катализируемой карбоангидразой:
СO2 +Н2O -> Н2СO3 -> Н+ + НСO3
Острая гиперкапния вызывает повышение концентрации Н+-ионов в соотношении: на каждый мм рт. ст. прироста pСO2 увеличение [Н+] на 0,75 нмоль/л.
Компенсаторные реакции организма, возникающие немедленно вслед за ростом концентрации Н+-ионов, состоят в связывании избытка водородных ионов протеинами, гемоглобином и фосфатной буферной системой. Спустя несколько часов включаются почечные компенсаторные процессы — в канальцах почек активируется обмен Н+-ионов на Na+, повышается реабсорбция HCO3-, избыток Н+-ионов выводится с солями аммония, прежде всего в виде NH4Cl.
ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АЦИДОЗ

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АЦИДОЗ
Избыточное выведение хлорида аммония с мочой влечет за собой усиление потерь Сl- и истощение его запасов в организме, что замедляет процессы почечной компенсации ацидоза и требует экзогенного восполнения хлоридного аниона.
Содержание HCO3- в жидкостях внутренней среды в результате активации реабсорбции в почках повышается, актуальный бикарбонат крови становится выше стандартного бикарбоната при неизмененном количестве буферных оснований крови и, если причина гиперкапнии устранена (например, при искусственной вентиляции легких), на смену дыхательному ацидозу в результате роста избытка буферных оснований может формироваться недыхательный «постгиперкапнический» алкалоз.
Избыток Н+-ионов во внеклеточной среде приводит к поступлению в клетки не только Н+- ионов, но и ионов Na+, что вызывает выход из них ионов К+ и развитие гиперкалиемии. Повышается и концентрация фосфатов в плазме. В то же время при компенсации ацидоза накопление в плазме HCO3- снижает содержание калия в плазме крови, а «постгиперкапнический» алкалоз может вести к гипокалиемии.

Ацидоз возникает при превышении образования в организме над возможностями выведения из него нелетучих органических и неорганических кислот, при повышенной потере организмом оснований и относительном избытке кислот, а также при поступлении кислот в организм из внешней среды.
Соответственно этому, выделяют четыре типа недыхательного ацидоза:
метаболический— возникающий при повышенном образовании нелетучих кислот в случаях шока, гипоксии, лихорадки, гипертиреоза, недостаточности кровообращения, диабета, голодания и усиленной мышечной работы;
выделительный — формирующийся в результате сниженного выделения нелетучих кислот почками (уремия, дистальный канальцевый ацидоз, пиелонефрит) или повышенных потерь HCO3- с содержимым кишечника (кишечные и желчные свищи, диарея);
экзогенный — прояв­ляющийся при введении в организм с лечебной целью нелетучих кислот (прием салицилатов, хлорида аммония, парентеральное вливание 0,1 моль/ л раствора хлористоводородной кислоты);
дилюционный — причиной которого является разведение внеклеточной жидкости, ведущее к уменьшению концентрации НСO3 (при быстрых и чрезмерных внутривенных вливаниях изотонического раствора хлорида натрия, в первой фазе действия осмотических диуретиков типа маннита).
НЕДЫХАТЕЛЬНЫЙ АЦИДОЗ

Общие компенсаторные реакции организма при недыхательных типах ацидоза состоят в буферировании кровью избытка Н+-ионов, прежде всего бикарбонатной буферной системой, и выведении избытка освобождающегося из нее СO2 через легкие.
При ацидозе метаболического типа важнейшим компенсаторным механизмом является выделение почками избытка Н+.
Также к компенсаторным реакциям относятся:
активация симпатоадреналовой системы, повышающая производительность сердца и вызывающая вазодилатацию за счет стимуляции в условиях ацидоза преимущественно бета-адренорецепторов сосудов; усиливающийся при этом тканевый кровоток повышает доставку кислорода и уменьшает тканевый ацидогенез;
смещение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо, что облегчает отдачу кислорода тканям;
возбуждение дыхательного центра, приводящее к гипервентиляции, облегчающей выведение С02.
МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ АЦИДОЗ

МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ АЦИДОЗ
Наиболее распространенным метаболическим ацидозом у человека является лактат-ацидоз.
При физиологических условиях обмена углеводов во всех клетках и тканях организма образуется молочная кислота, поступающая во внеклеточную жидкость. Извлекается при этом лактат из крови в значительных количествах преимущественно печенью и корковым веществом почек, где основная его часть превращается в глюкозу, а остаток метаболизирует до СO2 и воды. При гипоксии в тканях образуется больше лактата, чем может превратиться в пируват, и отношение лактат/пируват, в норме составляющее 10:1, возрастает, т. е. развивается избыток лактата в крови.
К появлению избытка лактата и лактат-ацидозу ведет и чрезмерная активация симпатоадреналовой системы при стрессе, поскольку адреналин снижает поступление пирувата в цикл трикарбоновых кислот и, следовательно, повышает образование лактата. Кроме того, возникающая при симпатической стимуляции констрикция сосудов печени снижает утилизацию ею избытка лактата.
Основными поставщиками лактата в плазму крови являются эритроциты (до 25 % всего лактата) и активно работающие скелетные мышцы.

Таким образом, накопление лактата в крови является следствием изменения как его продукции, так и утилизации.
Нормальное содержание лактата в плазме крови составляет около 1 ммоль/л, но лишь возрастание концентрации молочной кислоты свыше 4 ммоль/л является патологическим и ведет к лактат-ацидозу.
Одним из компенсаторных процессов, реализуемых при этом на уровне образования лактата, является метаболическая ауторегуляция по механизму обратной связи:
ацидоз подавляет активность ключевого фермента гликолиза в эритроцитах фосфофруктокиназы, в результате скорость гликолиза падает и образование молочной кислоты снижается.
МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ АЦИДОЗ

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АЛКАЛОЗ
— нарушение кислотно-щелочного равновесия организма, характеризующееся абсолютным или относительным избытком оснований.
Дыхательный алкалоз возникает как следствие гипервентиляции, в результате которой выведение СO2 из крови превышает его образование в организме. В крови при этом снижается pСO2, т. е. возникает гипокапния и уменьшается концентрация водородных ионов.
Остро возникающий дыхательный алкалоз, как правило, в начальный период декомпенсирован, и рН может повышаться до критических пределов (7,6-7,8).

Компенсаторные реакции организма при дыхательном алкалозе начинаются прежде всего в системе крови с буферирования сдвига рН, что осуществляется пополнением недостатка Н+ путем диссоциации протеинов и фосфатов, при этом содержание не гидрокарбонатных анионов возрастает.
В эритроцитах при алкалозе увеличивается активность фосфофруктокиназы, и образуются повышенные количества молочной кислоты, восполняющей низкую концентрацию Н+-ионов.
Почечная компенсация дыхательного алкалоза формируется медленно, в течение 2—4 сут. Она проявляется торможением в дистальных отделах нефрона обмена протонов на Na+, подавлением реабсорбции НСO3- и секреции Н+. При этом повышается экскреция с мочой НСO3-, в крови уменьшается избыток буферных оснований.
ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АЛКАЛОЗ

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АЛКАЛОЗ
Сниженные концентрации СO2 в плазме крови ведут к сужению внутриорганных сосудов, гипоксии и активации гликолиза в клетках, что приводит к увеличению продукции ими молочной кислоты и компенсации алкалоза. Ослабление тонуса сосудодвигательного центра при недостатке возбуждающих его Н+ и, как следствие, уменьшение симпатических эффектов на сосуды способствует артериальной гипотензии, снижению кровотока в тканях и активации образования в них молочной кислоты, а снижение почечного и печеночного кровотока ослабляет ее утилизацию из крови, способствуя тем самым восстановлению [Н+].
Кислородному голоданию тканей и, соответственно, росту образования в них лактата способствует и сдвиг при алкалозе кривой диссоциации оксигемоглобина влево, уменьшающий отдачу кислорода. В то же время в эритроцитах растет содержание 2,3-дифосфоглицерата, что ограничивает величину сдвига кривой влево и не позволяет резко снизиться диссоциации оксигемоглобина.

Следствием алкалоза является изменение внутреннего баланса электролитов:
перемещение К+ из плазмы крови в клетки и гипокалиемия;
выход Na+ из клеток в плазму крови и увеличение его экскреции с мочой;
уменьшается в плазме крови и содержание фосфата.
ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АЛКАЛОЗ

Общие закономерности компенсации нарушений кислотно-основного состояния
Основные компенсаторные реакции у человека:
реакция буферных систем внеклеточной жидкости и перемещение Н+-ионов через клеточные мембраны в направлении, нормализующем сдвиги рН крови;
дыхательная компенсация, вызванная изменениями рН крови и влиянием Н+-ионов на дыхательный центр, что в результате увеличения или уменьшения альвеолярной вентиляции меняет pСO2 в альвеолярном воздухе и артериальной крови и таким образом противодействует сдвигам рН.
При этом повышение pаСO2, является потенциальной причиной роста [Н+], так как реакция с участием карбангидразы: СO2 + Н2O -> Н2СO3 -> Н+ + HCO 3 - ведет к росту [Н+]. Эта дыхательная компенсация первичного накопления либо дефицита некарбоновых кислот или оснований, как правило, не восстанавливает рН крови до нормы;
компенсация костной тканью: бикарбонатный ион при ацидозе осво­бождается из кости для нейтрализации некарбоновых кислот крови, а Н+ связывается костной тканью;
почечная компенсация путем увеличения экскреции некарбоновых кислот или оснований при дыхательных ацидозах или алкалозах, ведущих к изменениям pСO2 в плазме крови, уменьшения или увеличения выведения Н+ и HCO 3 - из организма.

ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ
Кислотно-основное равновесия является важнейшим показателем для оценки состояния организма в экстремальных ситуациях в реанимационной практике.
В настоящее время исследования проводятся кислотно-основного состояния крови проводится на газовых анализаторах, которые с учетом температуры крови и
давления напрямую определяют концентрацию ионов H+ (величину рН) и показатель рСО2 (количество CO2). Остальные параметры рассчитываются исходя из уравнения Гендерсона-Гасселььбаха:

ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ
ШАГ 1.
Определение pH
На основании этого показателя сразу ставится диагноз – алкалоз/ацидоз, нормальный рН при удовлетворительной компенсации нарушений кислотно-основного состояния организма.
Упрощенный алгоритм первичной диагностики нарушения КОС:

ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ
Упрощенный алгоритм первичной диагностики нарушения КОС:
ШАГ 2.
Определение величины рСО2 могут быть 3 ситуации

Анализ газов крови
– лабораторный метод исследования, позволяющий определить соотношение газов, растворенных в крови человека. Самыми важными показателями являются содержание кислорода и содержание окиси углерода, которые являются показателями дыхательной функции.

Показатели в норме:
парциальное давление кислорода (рO2) 4,7-6,0 кПа (35-45 мм. рт. ст.)
парциальное давление углекислого газа (рCO2) 10,6-13,3 кПа (80-100 мм.рт. ст.)
бикарбонаты 22-28 ммоль/л
избыток/дефицит оснований - от -2,0 до +2,0 ммоль/л
Анализ газов крови

Требования
Для анализа газов берется артериальная кровь, а не венозная, как в большинстве лабораторных исследований.
Пациент должен быть отдохнувшим и спокойным, т.к. взятие артериальной крови более рискованно и болезненно.
Осложнения
Кровотечения
Инфицирование
Повреждение артерии или нерва

Процедура
Перед пункцией артериального сосуда сначала оценивают кровоток (тест Аллена).
Для этого пережимается артерия и наблюдается побледнение дистальной части тела. При недостаточном кровотоке для пункции используются другие сосуды. Чаще всего пункция производится на руке. После взятия образца крови (2 мл) место прокола прижимается на 5-10 минут.
Необходимо учитывать высокое давление в артериальном русле. На длительность гемостаза (остановки кровотечения) могут повлиять лекарственные средства, снижающие свертываемость крови.

Анализ газов крови и рН оказывает наиболее прямое и важное воздействие на лечение больного по сравнению с любым другим лабораторным исследованием.
Правильная интерпретация анализа газов крови и рН позволяет своевременно начать проведение корригирующей терапии, которая в первую очередь направлена на устранение причины возникновения кислотно-основных нарушений.
Значение

ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ
ШАГ 3.
Сопоставление уровня рСО2 и значений рН (ацидоз/алкалоз):
Упрощенный алгоритм первичной диагностики нарушения КОС:

ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ
ШАГ 3.
Сопоставление уровня рСО2 и значений рН (ацидоз/алкалоз):
Упрощенный алгоритм первичной диагностики нарушения КОС:

ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ
ШАГ 3.
Упрощенный алгоритм первичной диагностики нарушения КОС:

ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ
ШАГ 4.
Поиск клинических причин нарушения равновесия
Упрощенный алгоритм первичной диагностики нарушения КОС: