ROLA NEREK W REGULACJI RÓWNOWAGI KWASOWO-ZASADOWEJ USTROJU -

Reklama
A A A

ROLA NEREK W REGULACJI RÓWNOWAGI KWASOWO-ZASADOWEJ USTROJU

Czynność kanalików nerkowych nie tylko reguluje ciśnienie osmotycz-ne płynów w ustroju oraz zawartość i przesunięcia wody między jej zbiornikami wewnątrz- i pozakomórkowymi, ale dzięki niej utrzymywa­ny jest odpowiedni stosunek kationów do anionów i zapewniona równo­waga kwasowo-zasadowa krwi, odpowiadająca stężeniu jonów wodorów około pH = 7,4. Mechanizmy fizjologiczne, od których zależą gospodarka wodna, utrzymywanie stałego ciśnienia osmotycznego i stałego stęże­nia jonów wodorowych (H4), są ściśle związane z jednej strony z prze­mianami odbywającymi się w środowisku wewnętrznym ustroju, z dru­giej — z procesami wymiany ze środowiskiem zewnętrznym. Mechanizmy pierwszego rodzaju związane są z istnieniem w płynach ustrojowych — głównie w osoczu — układu tzw. ciał buforowych, natomiast procesy wy­miany sprowadzają się w zasadzie do czynności oddechowej i do wyda­lania moczu. W skład układu buforowego osocza wchodzą sole słabych kwasów, przede wszystkim białczany, węglany i fosforany. Działanie wspomnianego układu polega na tym, że jeśli istnieją obok siebie w roz­tworze silnie zdysocjowany mocny kwas, np. HCL lub H2SO4, oraz sól słabego kwasu, np. węglowego czy fosforowego, powstaje wówczas obo­jętna sól mocnego kwasu (chlorek, ewentualnie siarczan) i mało zdysocjo­wany słaby kwas, a stężenie jonów wodorowych (H+) zmniejsza się (czyli pH roztworu wzrasta). Zachodzą więc reakcje chemiczne następującego typu: HC1 + białczan Nan *=* NaCl 4- białczan Na (n-i) albo HC1 + NaHC03 NaCl + H2C03 albo HC1 + Na2HP04 *=* NaCl + NaH2P04 albo HC1 + mleczan Na ** NaCl + kwas mlekowy. Szczególne znaczenie jako substancja buforowa ma kwas węglowy, który powstaje z bezwodnika kwasu węglowego CO2 i wody: CO2 + H2O = H2CO3. Kwas ten jest stale wytwarzany w tkankach, a jednocześnie jako związek lotny zostaje z łatwością wydalany przez płuca. Zgodnie z prawem Hendersona, stopień zakwaszenia pH, czyli stężenie jonów wo­dorowych (H"1") płynu zawierającego w roztworze jednocześnie kilka ciał buforowych (słabych kwasów i ich soli), określa się przez stosunek stęże­nia każdego kwasu do jego soli, uwzględniając współczynnik dysocjacji K danego kwasu. W zastosowaniu do osocza można więc to prawo wyrazić następującym równaniem. Z tego tzw. prawa izohydrii Hendersona wynika więc, że stężenie jonów wodorowych H+ osocza zmienia się wprost proporcjonalnie (a pH — odwrotnie proporcjonalnie) do stężenia kwasu węglowego (lub jego bezwodnika). Jeżeli wytwarzanie tego kwasu w tkankach wzrasta, albo też wydalanie w płu­cach maleje, wzrasta zakwaszenie krwi (obniżenie jej pH). Powoduje to natychmiast odruchowe pobudzenie ośrodka oddechowego i wzmożenie wentylacji płucnej, w następstwie czego usunięty zostaje nadmiar CO2. Przeciwnie, przy zmniejszeniu zawartości kwasu węglowego i wzroście pH krwi (alkaloza) ośrodek oddechowy osłabia swoją czynność, zmniejsza się wentylacja płucna i następuje zatrzymanie CO2 w ustroju aż do wyrów­nania zachwianej równowagi kwasowo-zasadowej krwi i powrotu do nor­malnej wartości jej pH = 7,4. Z równania Hendersona wynika jednak, że stężenie jonów wodorowych krwi (H+)—, a więc i jej pH, może się zmie­niać również wraz ze zmianą mianownika każdego z ułamków. Stąd wnio­skujemy, że równowaga kwasowo-zasadowa zależy też od stężenia węglanów, ewentualnie fosforanów zasado­wych, mleczanów, białczanów itd. Stężenie zaś tych soli zależy z kolei od zawartości wolnych zasad, przeważnie Na i K, nie zwią­zanych z kwasami mocniejszymi od kwasu węglowego, czyli od tzw. za­sobu zasad określanego w osoczu sposobem Van Slyka. Tak więc alkaloza (zasadowica) powstaje w ustroju, jeśli zmniejsza się ilość mocnych kwa­sów wiążących część zasad, np. przy obfitych wymiotach połączonych z utratą wolnego kwasu solnego: powoduje to natychmiast związanie po­zostałych w nadmiarze zasad z kwasem węglowym i wzrost zasobu zasad (węglanów i dwuwęglanów) dzięki zatrzymaniu kwasu węglowego. Osta­tecznie stosunek tego kwasu do jego soli, a więc i stężenie jonów wodoro­wych (H+), i pH osocza nie ulegną przesunięciu (alkaloza wyrównana). Podobne warunki i przesunięcia powstaną, jeśli zwiększy się ilość zasad w ustroju przez wprowadzenie nadmiaru ich z zewnątrz — w postaci sody, tlenku magnezu czy innych związków alkalicznych. Następuje wtedy za­trzymanie kwasu węglowego na skutek zmniejszenia wentylacji płucnej oraz związanie nadmiaru zasad w postaci węglanów i dwuwęglanów. Znaj­duje to swój wyraz we wzroście zasobu zasad — powstaje tzw. alkaloza niegazowa, ale bez naruszenia stosunku stężenia kwasu węglowego do stężenia jego soli (wg równania Hendersona) i bez przesunięcia (H+) czy pH krwi (alkaloza wyrównana). Jeśli natomiast zmniejsza się ogólna ilość zasad w ustroju — czy to wskutek utraty ich, np. w związku z obfitymi biegunkami, czy to przez związanie z nielotnymi kwasami mocniejszymi od kwasu węglowego (kwasy mineralne — przy zatruciu egzogenicznym lub kwasy ketonowe w śpiączce cukrzycowej) — wówczas kwas węglowy zostaje wyparty z jego połączeń, a ilość węglanów i dwuwęglanów we krwi, a więc i zasób zasad, zmniejszają się. Jednak nadmiar wolnego kwasu węglowego we krwi powoduje natychmiast wzmożoną czynność ośrodka oddechowego i zwiększoną wentylację płucną, dzięki czemu zo­staje on wydalony na zewnątrz. Ostatecznie stosunek C02czy też H2COg do jego soli pozostaje bez zmiany, a więc — jak głosi prawo Hendersona — nie ma przesunięcia stężenia jonów wodorowych i pH krwi, a kwasica pozostaje wyrównana dopóty, dopóki wystarcza tego mechanizmu wyrów­nawczego. Jednak przy znaczniejszych zaburzeniach równowagi kwa-sowo-zasadowej ustroju regulacja jedynie drogą zmiany samej wentylacji płucnej nie może zapobiec niebezpiecznym w skutkach dla ustroju prze­sunięciom w stężeniu jonów wodorowych (pH) krwi, jak to wynika z na­stępujących danych i obliczeń. Kwas węglowy wytwarzany jest (w wyniku procesów przemiany ma­terii) w ilości dobowej 20-krotnie większej, niż to odpowiada całemu zaso­bowi zasad ustroju, który wg Smitha wynosi około 100 mEq (ilość ta odpowiada według tego autora 2 litrom stężonego kwasu solnego). Bezwodnik kwasu węglowego — CO2 całkowicie prawie ulatnia się drogą płuc. Z drugiej strony jednak stężenie jonów wodorowych krwi zależy od H2C03 stosunku (B — jakakolwiek zasada tworząca sól z danym kwasem). Ze względu na to, że jak z poprzedniego rozumowania wynika — właśnie dwuwęglany — BH CO3 zobojętniają w ustroju wszystkie kwasy oprócz kwasu węglowego i dwuwęglany mogą być wydalane całkowicie przez nerki, w ostatecznym rachunku nerki odgrywają główną rolę w utrzymy­waniu i regulowaniu równowagi kwasowo-zasadowej krwi. Wszystkie kwasy nielotne, jak fosforowy, siarkowy, mleczny, betaoksy-masłowy i inne, powstające w procesie przemiany materii, odbierają za­sady związane z kwasem węglowym. Wszystkie te kwasy wiążą normalnie od 50 do 100 mEq zasad dziennie, a w ciężkiej kwasicy cukrzycowej ilość ich może wzrosnąć do 500 mEq i więcej. Oczywiście, że i te wymienione wyżej kwasy oraz związane z nimi zasady jako nielotne muszą być wy­dalane drogą nerek. Grozi to nadmierną utratą zasad. Jednak w nerkach istnieją złożone mechanizmy fizyko-chemiczne i biologiczne, dzięki któ­rym mogą one wydzielać mocz znacznie kwaśniejszy niż osocze i zawiera­jący daleko więcej wartości kwaśnych, dzięki czemu zatrzymana zostaje w ustroju znaczna ilość cennych zasad, jak Na+ i K+. Jednak ilość wy­dalanych z moczem wartości kwaśnych ograniczona jest tym, że jak się okazuje, nerki nie mogą wytwarzać moczu bardziej kwaśnego od pH — = 4,8—4,5, jak to stwierdza się w stanach najcięższej kwasicy. W tych przypadkach stężenie jonów wodorowych w moczu (H+) jest około 400 razy wyższe niż w osoczu o pH = 7,4 (Smith). Pitts i współpr. podali następujące 3 teorie tłumaczące działanie mechanizmów nerkowych, sprzyjających wydalaniu kwaśnego moczu: 1. Teoria wchłaniania zwrotnego fosforanów: przesącz kłębko- wy zawiera fosforany obojętne B2HPO4 i kwaśne BH0PO4 w takim samym stosunku wzajemnym 4 : 1 jak osocze; fosforany kwaśne są wydalane z moczu, a obojętne — wchłaniane w obrębie dystalnej części kanalików wybiórczo, w zmiennej ilości, zależnie od potrzeby. 2. Teoria filtracji kwasu węglowego: przesącz kłębkowy ma za- wierać 20 razy więcej węglanów kwaśnych — BH2CO3 — niż kwasu węglowego H2CO3. Kanaliki nerkowe mają nie przepuszczać kwasu węglowego i dwutlenku węgla, natomiast wybiórczo wchłaniają dwuwęglany. Stężenie jonów wodorowych moczu ostatecznego (H+) i jego pH zależy więc od stosunku ilości przesączonego H2CC>3 do pozostałych dwuwęglanów. W myśl prawa Hendersona stężenie to auto- matycznie wyznacza również stosunek ilości fosforanów obojętnych do kwaśnych B2HP04, który zostaje regulowany dzięki czynnemu wchłanianiu zwrotnemu tych ciał w dystalnej części kanalików. 3. Teoria wymiany jonów: w kanalikach może się odbywać wchłania- nie zwrotne jonów zasadowych Na+ i K+ i zamiana ich przez jony kwaśne H+, nie- zależnie zupełnie od anionów obecnych w moczu (p. niżej — anhydraza węglowa). Zawartość fosforanów i stosunek fosforanów obojętnych do kwaśnych kształtuje się dzięki wybiórczemu wchłanianiu ich w kanalikach dystalnych (zgodnie z prawem Hendersona) odpowiednio do stężenia jonów wodorowych (H+). Każda z tych teorii jest możliwa do przyjęcia, jeżeli uwzględnimy, że ilość war­tości kwaśnych, które mogą być wydalone w moczu, jest ograniczona dla pierwszych dwu teorii — przez zawartość fosforanów kwaśnych i kwasu węglowego w przesączu kłębkowym, dla 3 zaś — przez maksymalne możliwe dla nerek stężenie jonów wodo­rowych w moczu, odpowiadające pH = 4,5. Wreszcie wśród mechanizmów zachowujących równowagę kwasowo-zasadową ustroju i jego zasób zasad stałych Na+ i K+ niemałą rolę odgry­wa amoniak NH3"1" wytwarzany w samych nerkach z glutaminy (w 40%) oraz z aminokwasów (w 60%) i zastępujący część zasad w ich połącze­niach z kwasami. Z badań i obliczeń ostatnich lat wynika jednak, że wszystkie wymienione wyżej mechanizmy nie tłumaczą wystarczająco całokształtu gospodarki kwasowo-zasadowej ustroju. Według Greenspana sole amoniaku nie odgrywają tutaj znaczniejszej roli. W warunkach zwykłych zaledwie 10% azotu wydalanego w moczu zależy od amoniaku wytwarzanego w kanalikach dystalnych. Zaoszczędza to najwyżej 20—50 mEq stałych zasad na dobę. Z doświadczeń na psach wynika również, że zawartość kwaśnych wartości w moczu ostatecznym może znacznie przewyższać ogólną ilość kwasów przesączu kłębkowego, a ilość kwaśnych fosforanów wydalanych w moczu, którym poszczególni autorzy skłonni byli przypisywać główną rolę wśród mechanizmów zapo­biegających zakwaszeniu, wynosi zaledwie 11% wszystkich kwasów wy­dalanych przez nerki w warunkach kwasicy. Trzeba więc przyjąć istnienie jeszcze jakiegoś mechanizmu, który przenosi wartości kwaśne z krwi z ominięciem kłębków do moczu znajdującego się w kanalikach. Jedynym źródłem, które może przenosić jony wodorowe H+ bezpośrednio z krwi do moczu w obrębie kanalików dystalnych, jest według nowszych badań kwas węglowy H2CO3. Otóż istnieje specjalny zaczyn — anhydraza wę­glowa, która powoduje w komórkach kanalików uwodnienie cząsteczki bezwodnika węglowego CO2 krwi na kwas węglowy H2CO3 przez przy­łączenie cząsteczki wody. Kwas węglowy rozpada się w samej komórce kanalików na jony H+ i HCO3. Otóż kwaśny jon H+ przenika z komórki do światła kanalika i tam spotyka jony dwuwęglanu sodu NaHCOs, z którymi następuje wymiana jonów z odtworze­niem cząsteczki kwasu węglowego H2CO3, a zasadowy jon sodowy wchła­nia się z powrotem do krwi, jak to przedstawiają Welt i Hill w następujący prosty sposób: Na tym polega jeszcze jeden, bodaj najważniejszy ilościowo mechanizm uwalniania krwi od kwaśnych wartości z jednoczesnym zaoszczędzaniem cen­nej zasady stałej, jaką jest jon sodowy. Uszkodzeniem, ewentualnie zablokowa­niem tego zaczynu tłumaczą niektórzy autorzy fakt, że w pewnych sta­nach chorobowych może się wydzielać zasadowy mocz pomimo istniejącej we krwi kwasicy. Według Newmana np. sulfonamidy i pochodna sulfo-namidowa —• nowy środek moczopędny „Diamox" unieczynniają ten za­czyn, powodując wzmożone wydalanie sodu i wody w alkalicznym moczu z zatrzymywaniem kwaśnego jonu H+ we krwi. Podobnie i w niedomodze nerek z towarzyszącą kwasicą zdolność wy­dalania wolnych wartości kwaśnych obniża się znacznie do 20, a nawet 2 mEq na dobę, a wartości związanych z amoniakiem, wskutek zmniejszo­nego jego wytwarzania — do 15, a nawet 0,5 mEq. Dlatego mocz w tych wypadkach może mieć odczyn obojętny lub nawet zasadowy pomimo znacznego zakwaszenia krwi. Spożywanie soli obojętnych mocnych kwasów — chlorków, siarcza­nów — nie wywiera większego wpływu na równowagę kwasowo-zasadową ustroju, ale sole kwasów organicznych — mleczany, octany, szczawiany, cytryniany — zwiększają zasób zasad we krwi, gdyż aniony rozpadają się na H2O i CO2, a uwolnione zasady łączą się z kwasem węglowym tworząc BH C03. Przeciwnie zaś — sole amoniaku i kwasów mineralnych obniżają zasób zasad. Jak wiadomo, amoniak przechodzi w wątrobie w mocznik, a uwol­niony anion mocnego kwasu odbiera zasady z połączeń z kwasem węglo­wym BHCO3 i równowaga kwasowo-zasadowa krwi przesuwa się w stronę kwaśną. Według Smitha 15 g chlorku amonu jest równoważne ze spoży­ciem 280 ml N kwasu solnego. Sole ziem alkalicznych (Ca, Mg, St) z kwasami mineralnymi również powodują zakwaszenie ustroju, gdyż zasadowe kationy Ca+, Mg+ i St+ nie wchłaniają się w jelitach do krwi, lecz są wydalane z kałem jako nie­rozpuszczalne fosforany i węglany. Pozostające zaś wolne kwasy siar­kowy i solny wypierają kwas węglowy z jego połączeń BHCO3 i powodują zmniejszenie zasobu zasad. Wiadomo, że w godzinę po jedzeniu mocz staje się bardziej zasadowy. Zależy to od wydzielania przez błonę śluzową żołądka wolnego kwasu solnego HCI, który tworzy się z chlorku sodu i potasu. Uwolnione jony Na+ i K+ łączą się z anionem HC03- i zwiększają zasób zasad krwi. Jednak istnieje tu mechanizm obronny, zapobiegający nadmiernej alkali-zacji krwi: w jelitach wydziela się alkaliczny sok trzustkowy i żółć, które wydalają nadmiar zasad, a poza tym kwas solny częściowo wchłania się w jelitach z powrotem do krwi, wypiera kwas węglowy z jego połączeń BH CO3, a uwolniony CO2 wydala się przez płuca. Podobnie i kwasy siar­kowy, fosforowy, mlekowy, beta-oksymasłowy itd., powstające w toku przemiany materii białkowej, tłuszczowej i węglowodanowej, wypierają CO2 z jego połączeń BH CO3 do płuc — i na zewnątrz. Sole ich wydalają się w moczu, pozbawiając ustrój zasobu zasad, zwłaszcza Na i K. Może to spowodować groźne dla życia zaburzenia równowagi elektrolitów oso­cza, połączone z odwodnieniem ustroju. Sole te wydalane są w dużej ilości wody, podobnie jak to się dzieje w przebiegu kwasicy cukrzycowej. Jednak część wolnych wartości kwaśnych zostaje zatrzymywana we krwi, gdyż zdolność wydalania ich przez nerki jest ograniczona niemożnością wytwa­rzania moczu o pH mniejszym niż 4,5. Może to prowadzić do niewyrów-nanej kwasicy z niebezpiecznym dla życia przesunięciem stężenia jonów wodorowych i pH krwi. Niewyrównana kwasica powstaje po wyczerpaniu wszystkich mechanizmów obronnych ustroju, jak zużycie zapasu węgla­nów i obniżenie zasobu zasad, określanych przy użyciu przyrządu Van Slyka, nasycenie układu innych substancji buforowych (białek, fosfora- nów kwaśnych i obojętnych), zwiększone wydalanie wypartego z węgla­nów CO2 — dzięki wzmożonej wentylacji płucnej, wydalanie części wol­nych kwaśnych wartości w moczu o znacznie wyższym stężeniu jonów wodorowych niż osocze, zwiększone wytwarzanie amoniaku w nerkach i zastąpienie przezeń części związanych z anionami kwasów jonów Na+ i K+, które zostają w kanalikach wchłonięte z powrotem do krwi i za­trzymane w ustroju. Wszystkie te przemiany i przesunięcia charaktery­zują stany tzw. kwasicy niegazowej, wywołanej przez nagromadzenie we krwi nadmiaru wymienionych wyżej kwasów nielotnych. Może również powstać stan tzw. kwasicy gazowej, zależny wyłącznie od gromadzenia się nadmiaru kwasu węglowego. Może on wystąpić wskutek niedostatecznej wentylacji płucnej, spowodowanej uszkodzeniem i osłabieniem czynności ośrodka oddechowego — wskutek zmniejszenia powierzchni oddechowej płuc, zaburzeń w krążeniu lub nadmiaru CO2 w powietrzu wdychanym. Kwasica gazowa powoduje zwiększenie zawartości węglanów i dwuwęgla­nów we krwi. Wówczas wzrasta zasób zasad oznaczony w przyrządzie Van Slyka. Jednak w przeciwieństwie do opisanej wyżej alkalozy niega­zowej, spowodowanej spożywaniem nadmiaru związków alkalicznych czy soli kwasów organicznych lub po utracie wskutek wymiotów dużej ilości HC1, kiedy też wzrasta zasób zasad Van Slyka — mocz ma odczyn kwaśny, a stężenie jonów wodorowych krwi raczej się podwyższa (pH obniża się). Całkowicie odmienne zjawiska spostrzega się w stanach tzw. alkalozy gazowej, w których CO2 zostaje usuwany ze krwi w nadmiernej ilości. Zdarza się to w następstwie dowolnego albo odruchowego wzmożenia czynności ośrodka oddechowego i zwiększonej wentylacji płucnej (tzw. alkaloza hiperwentylacyjna) lub też wskutek zmniejszonej zawartości CO2 w powietrzu oddechowym, np. przy oddychaniu czystym tlenem. Wtedy zmniejsza się zawartość kwasu węglowego, a więc i węglanów we krwi, i zmniejsza się wartość zasobu zasad. W przeciwieństwie do stanu obniżenia zasobu zasad, jaki spotyka się w stanach kwasicy niegazowej, mocz ma w tych przypadkach odczyn zasadowy, a stężenie jonów wodoro­wych we krwi raczej się obniża (pH wzrasta). Istnieją więc — zdaniem Newmana — 3 podstawowe mechanizmy wyda­lania kwasów w moczu, zapewniające jak najmniejszą stratę zasad, przede wszystkim jonów Na+ i K+, stanowiących dla ustroju najobfitsze źródło wartości zasadowych. Te 3 mechanizmy zależą od czynności kanalików nerkowych, a mianowicie: a. Pierwszy mechanizm polega na wymianie jonu H+ bezpo­średnio przez komórki kanalików wg wzoru. Mechanizm ten pozwala na wytwarzanie kwaśnego moczu, w którym zostają wydalane kwaśne jony H+ w postaci kwasu H Ac (Ac = anion kwasu), a zaoszczędzony jon Na+ wchłania się z powrotem jako Na H CO3. W mechanizmie tym czynny udział bierze wspomniana już anhydraza wę­glowa, umożliwiająca powstawanie kwasu węglowego w obrębie samych komórek dystalnej części kanalików. b. Drugi mechanizm polega na wytwarzaniu przez komórki kanalików nerkowych amoniaku NH3. Umożliwia to wydalanie w moczu kwasów w postaci soli amonowych i zatrzymanie zasad stałych (Na) wg wzoru. W prawidłowych warunkach wytwarza się tylko niewielka ilość amo­niaku. Ale jeśli zjawia się większa ilość kwasów w ustroju, produkcja jego znacznie wzrasta, co umożliwia wydalanie nadmiaru tych kwasów bez utraty zasad stałych (Na i K) i zapobiega zakwaszeniu płynów ustrojo­wych oraz przesunięciu pH krwi. c. Trzeci mechanizm polega na wydalaniu niektórych kwasów w postaci soli sodowych (lub potasowych). Działa on wówczas, gdy pierwsze dwa nie wystarczają. Przy chorych nerkach lub przy znacznym nadmiarze kwasów może to spowodować nadmierną utratę sodu i płynów (wydalenie tych soli sodowych odbywa się przy wzmożonej diurezie) oraz kwasicę. Ta wzmożona diureza, spowodowana koniecznością wydalania sodu. w du­żej ilości wody przy dowozie nadmiaru kwasów, stanowi właśnie fizjolo­giczną podstawę zakwaszania ustroju przez podawanie soli amonowych w celu zwalczania obrzęków. Jak już wyżej wspomniano, jon amonowy zostaje zmetabolizowany w ustroju, a pozostały w nadmiarze wolny anion, np. jon chlorowy (przy podaniu chlorku amonu), wiąże sód i zostaje wy­dalany w moczu jako chlorek sodu (w myśl zasady trzeciego mechanizmu), wywołując wzmożoną diurezę i uruchomienie zatrzymanej wody.