第一节 概述

一、酸与碱的概念

化学反应中，凡是能释放H+的化学物质统称为酸，如H2CO3、HCl、H2SO4、NH4+等；反之，凡是能接受H+的化学物质则称为碱，如HCO3-、OH-、NH3等。当一个酸性物质释放出H+时，必然形成一个对应的碱性物质；同理，当一个碱性物质接受H+时，必然形成一个对应的酸性物质。我们把在这个过程中相对应的酸和碱称为一个酸碱共轭体。例如：

二、酸、碱物质的来源

体液中的酸和碱主要是细胞内物质在分解代谢过程中产生的。食物中也含有酸性或碱性物质，但量不多。在普通膳食条件下，机体新陈代谢过程中不断地产生酸性物质和碱性物质，但酸性物质的数量远远超过碱性物质。

（一）酸的来源

1．挥发酸

糖类、脂肪和蛋白质等营养物质在体内分解代谢的最终产物为CO2和水，二者在碳酸酐酶的作用下生成碳酸（H2CO3）。碳酸具有释放H+的能力，又可离解产生CO2而经肺排出体外，因而称之为挥发酸（volatile acid）。

由于糖类、脂肪和蛋白质三大物质是机体能量代谢的主要来源，因此它们代谢的最终产物CO2生成的碳酸即成为体内酸性物质的主要来源。正常成年人每天生成300～400 L CO2，如果全部CO2都与水结合生成碳酸，其释放的H+有13～15 mol。虽然CO2是体内酸的巨大潜在来源，但大部分CO2由红细胞携带至肺排出体外；即使运动时随着代谢率的增加而使CO2生成增加，但通过呼吸运动的加强，CO2的排出也增多，这就是酸碱的呼吸性调节。

2．固定酸

与碳酸相对，体内不能变成气体的酸性物质，称为固定酸（fixed acid），又称非挥发性酸。固定酸总量不及碳酸那样多，也不能由肺呼出，但可以经肾以尿液的形式排出，称为酸碱的肾调节。

正常人摄入混合性膳食时，每天产生50～100 mmol的固定酸，如乳酸、磷酸、硫酸、丙酮酸等。这些酸的主要来源是：①含硫氨基酸分解代谢产生硫酸；②含磷有机物（如磷蛋白、核酸、核苷酸及磷脂等）分解产生磷酸；③糖酵解产生乳酸、丙酮酸和甘油酸；④脂肪分解产生β-羟丁酸和乙酰乙酸等；⑤食物中某些不能代谢的酸，如苹果酸等。

总体来说，体内固定酸主要来自蛋白质的分解代谢，固定酸的产生量与食物中蛋白质的含量成正比。

3．酸性物质进入体内

酸性物质的另一来源是直接摄入某些酸性食物或药物（如氯化铵、苹果酸、稀盐酸等），以及给予含有氨基酸等酸性物质的营养液。

（二）碱的来源

机体在代谢过程中产生的碱性物质很少，主要是蔬菜、瓜果等食物中含有的有机酸盐，如柠檬酸盐、苹果酸盐、草酸盐等，这些有机酸盐在体内代谢过程中与H+起反应，分别转化为柠檬酸、苹果酸和草酸，而Na+或K+则可与HCO3-结合生成碱性盐。总之，人体碱的生成量少于酸的生成量（图4-1）。

三、机体对酸碱平衡的调节

机体正常情况下不断生成或摄取酸性物质的量远远多于碱性物质，但体液的pH值却无明显变化，这是由于机体对酸碱负荷有强大的缓冲和调节能力，以维持体内酸碱的稳态。机体对酸碱平衡的调节主要是通过体液的缓冲以及肺和肾的调节来实现的。

（一）血液的缓冲系统

1．缓冲系统的组成

血液缓冲系统由弱酸（缓冲酸）及其对应的共轭碱（缓冲碱）组成，可分成碳酸氢盐缓冲系统和非碳酸氢盐缓冲系统（磷酸盐缓冲系统、血浆蛋白质缓冲系统、血红蛋白缓冲系统和氧合血红蛋白缓冲系统），详见表4-1。

（1）碳酸氢盐缓冲系统：细胞外液碳酸氢盐缓冲系统由NaHCO3-H2CO3构成，而细胞内液由KHCO3-H2CO3构成。其作用特点是：①只缓冲固定酸和碱，不能缓冲挥发酸；②开放性缓冲：通过肺和肾对H2CO3和HCO3-的调节使缓冲物质易于补充或排出，缓冲潜力大；③缓冲能力强，是细胞外液含量最多的缓冲系统，其缓冲固定酸的能力占全血缓冲总量的53%（表4-2）; ④是决定血液pH值高低的主要缓冲对，血浆pH值主要取决于血浆HCO3-与H2CO3的浓度比。

根据Henderson-Hasselbalch方程，

pH=pKa+log [HCO3-]/[H2CO3]

式中pKa为H2CO3电离常数的负对数值，38 ℃时为6.1。血浆HCO3-浓度为24 mmol/L，血浆H2CO3浓度为1.2 mmol/L，代入上式为pH =6.1+log24/1.2=6.1+log20/1=6.1+1.3=7.4，即使两者的绝对浓度已经发生变化，但只要其浓度比维持在20/1，血浆pH值就不会发生变动。

（2）非碳酸氢盐缓冲系统：血液非碳酸氢盐缓冲系统包括磷酸盐缓冲系统、蛋白质缓冲系统和血红蛋白缓冲系统。

2．缓冲系统的作用

当体液中酸性或碱性物质的含量发生变动时，缓冲系统通过接受H+或释放H+，中和酸性或碱性物质以维持血液pH值的相对恒定，以减轻体液pH变动的程度。

现以碳酸氢盐缓冲系统为例，说明缓冲系统对酸碱平衡的调节作用。

HCl + NaHCO3—→ NaCl + H2CO3

盐酸是一种强酸，当其进入血液后首先与缓冲系统中的碱发生反应，生成氯化钠和碳酸，从而将强酸转变成弱酸，再通过肺将碳酸排出，使血液的pH值不会发生明显变化。

NaOH + H2CO3—→H2O + NaHCO3

氢氧化钠是一种强碱，入血后与缓冲系统中的弱酸发生反应，生成水和碳酸氢钠，从而将强碱转化成弱碱，再经肾排出。

（二）肺的调节

肺通过改变CO2的排出量调节血液中碳酸的浓度，从而调节[HCO3-]/[H2CO3]，以维持血浆pH值的相对恒定。

1．呼吸运动的中枢调节

延髓呼吸中枢的化学感受器对动脉血二氧化碳分压（PaCO2）的变化非常敏感，PaCO2升高可以增加脑脊液H+的含量，从而兴奋呼吸中枢使肺泡通气量增加。当PaCO2超过5.32 kPa（40 mmHg）时，肺通气量可增加2倍；若增加到8.3 kPa（62.4 mmHg）时，肺通气量可增加10倍，使CO2排出量明显增加。但是，当PaCO2超过10.7 kPa（80 mmHg）时，因CO2浓度过高而使中枢神经系统受到损伤，如呼吸中枢抑制等，称为二氧化碳麻醉（CO2narcosis）。

2．呼吸运动的外周调节

主动脉体和颈动脉体的外周化学感受器可感受动脉血PaCO2、pH值和氧分压（PaO2）的变化。当PaCO2升高或pH值降低时，通过外周化学感受器反射性兴奋呼吸中枢，使呼吸运动加深、加快，从而增加CO2排出量，使PaCO2降低和pH值升高。

反之，当血液PaCO2降低或pH值升高时，呼吸中枢抑制，呼吸运动变浅、变慢，CO2排出量减少，使血液PaCO2回升，pH值下降。

正常情况下，中枢化学感受器的调节作用强于外周化学感受器的调节作用。

肺的调节作用很快，数分钟即可达到高峰，但其调节作用是有限的。因为呼吸运动除受pH值和PaCO2的影响外，还受PaO2的影响。例如，血液pH值升高时，呼吸中枢受抑，呼吸变浅、变慢，结果使PaCO2升高和PaO2降低，PaCO2升高对呼吸中枢有兴奋作用，PaO2降低也可通过外周化学感受器兴奋呼吸。因此在原来抑制呼吸的基础上出现了兴奋呼吸的因素，使得呼吸抑制的程度不能与pH值升高的程度相平行，反之也是如此。很多情况下，肺对酸碱的调节往往不能使血液pH值完全恢复到正常水平。

（三）肾的调节

机体代谢过程中，不断地产生大量酸性物质，消耗了大量HCO3-和其他缓冲碱，肾能通过不断地排H+和重吸收HCO3-来维持血液pH值在正常范围。肾的调节作用主要通过肾小管的H+-Na+交换实现的，主要有以下三种方式：

1．肾小球滤液中HCO3-的重吸收

HCO3-可自由通过肾小球，肾小球滤液中HCO3-的含量与血浆相等。每天从肾小球滤过的HCO3-超过4000 mmol，如果都随尿丢失必将导致体液容量的严重减少和酸碱平衡紊乱。因此，肾小管对HCO3-的重吸收对机体有着重要意义。

（1）近端小管对HCO3-的重吸收：正常情况下肾小球滤液中的HCO3-有85%～90%在近曲小管重吸收。其过程如下：肾小管滤液中的Na+与肾小管细胞分泌的H+交换，H+进入管腔后与肾小管内的HCO3-结合成H2CO3，后者在碳酸酐酶的作用下分解成H2O和CO2。H2O随尿排出，而脂溶性的CO2顺浓度梯度迅速扩散，回到肾小管细胞内。在碳酸酐酶的催化下，CO2又与细胞内H2O结合成H2CO3并解离成H+和HCO3-, H+继续与肾小管内Na+进行交换。重吸收入肾小管细胞内的Na+经基侧膜的Na+-K+-ATP酶转运入血，HCO3-则顺电化学梯度被动扩散进入组织间液而返回血浆。如此，肾可以源源不断地分泌H+而完成对HCO3-的重吸收（图4-2）。

（2）远端小管和集合管对HCO3-的重吸收：经近曲小管重吸收后，原尿中剩余的10%～15%的HCO3-继续在远曲小管和集合管处通过H+-Na+交换和K+-Na+交换的方式重吸收；同时由管腔膜上的H+-ATP酶主动分泌H+，并由位于基侧膜上的Cl--HCO3-载体将HCO3-转运入血。

以上过程中肾小管重吸收的HCO3-并不是从肾小球滤过的，而是在肾小管上皮细胞内重新生成的；近曲小管分泌的H+在肾小管腔内与HCO3-结合后最终以H2O的形式排出，近曲小管内无H+的净排泄；近曲小管排H+的主要方式是H+-Na+交换，而远端小管和集合管的排H+方式主要是H+-ATP酶主动分泌。

肾小管泌H+和重吸收HCO3-受血液pH值、PaCO2、血K+浓度、血容量和醛固酮等因素的影响。上皮细胞内pH值是管腔膜上H+-Na+交换的重要决定因素。凡是降低细胞内pH值的因素（如PaCO2升高等）皆可刺激近曲小管对NaHCO3的重吸收。反之，凡是升高细胞内pH值的因素（如PaCO2降低等），则可抑制近曲小管对NaHCO3的重吸收。另外，当肾小管管腔内pH值和HCO3-浓度降低时，H+的分泌和NaHCO3重吸收速率也降低。反之，当管腔内pH值和HCO3-浓度升高时，H+的分泌和HCO3-的重吸收速率就加快。

2．肾小管内磷酸盐的酸化

肾小管内磷酸盐的酸化主要指肾小球滤液中的碱性磷酸盐（Na2HPO4）在远曲小管内生成酸性磷酸盐（NaH2PO4）的过程。

正常人血浆中 [Na2HPO4]/[NaH2PO4]为4∶1，近曲小管滤液中磷酸盐比例与血浆相同，故肾小球滤过的原尿中主要为碱性的Na2HPO4。通过肾远曲小管及集合管上皮细胞的氢泵作用，排出的H+将碱性Na2HPO4转变成酸性NaH2PO4，同时，交换回肾小管细胞的Na+与HCO3-结合成新的NaHCO3而返回血浆（图4-3）。

3.NH4+的排泄

肾小管上皮细胞内氨基酸分解过程和谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的催化下可产生氨（NH3），谷氨酰胺→NH3+谷氨酸，谷氨酸→NH3+α-酮戊二酸。脂溶性的NH3生成后顺浓度差自由弥散进入肾小管腔，与肾小管上皮细胞分泌的H+结合成NH4+。NH4+为水溶性，不易通过细胞膜返回细胞内，可以与肾小管腔内Cl-、SO42-等形成铵盐随尿液排出体外。同时，α-酮戊二酸代谢生成的HCO3-与重吸收的Na+在上皮细胞内经同向转运生成新的NaHCO3回流入血（图4-4）。

氨的分泌是肾排酸保碱的重要环节。肾小管液pH值越低，NH3的分泌就愈快，NH4+排出也越多，也意味着H+的排出和HCO3-的重吸收增多。

肾对酸碱平衡的三种调节机制中，H+-Na+交换是基本步骤。肾小管上皮细胞在不断分泌H+的同时，将肾小球滤过的HCO3-重吸收入血，防止细胞外液HCO3-的丢失。若细胞外液HCO3-浓度仍然不能维持，机体则通过磷酸盐的酸化和泌NH4+作用生成新的HCO3-，从而维持血液HCO3-浓度的相对恒定。酸中毒时，肾小管细胞内的碳酸酐酶活性增强，H+的分泌增多，重吸收HCO3-增强，排出酸性尿，尿液的pH值可降到4.5；反之，碱中毒或体内HCO3-含量过高时，肾可减少HCO3-的生成和重吸收，从而增加排出量，使血浆HCO3-浓度降低。

（四）组织细胞的调节

除以上三大调节系统以外，组织细胞（红细胞、肌细胞和骨组织等）对酸碱平衡也有一定的缓冲作用。细胞的缓冲作用主要是通过H+-K+交换、H+-Na+交换等离子交换进行的。酸中毒时，细胞外液H+浓度增加而弥散入细胞内，细胞内的K+和Na+则移出细胞外；反之，碱中毒时，H+移出细胞外而K+和Na+则移入细胞内。这种离子交换能缓冲细胞外液H+浓度的变化以维持pH值的相对恒定，但同时也可影响血K+浓度。酸中毒时，血K+浓度往往升高而出现高血钾；碱中毒时，血K+浓度则降低而出现低血钾。此外，细胞内外还存在Cl--HCO3-交换，Cl-和HCO3-是可以自由交换的阴离子，当细胞外HCO3-发生变动时，可以通过Cl--HCO3-交换起到一定的缓冲作用。

上述四大调节系统共同维持体液酸碱度的相对稳定，但它们在作用时间及调节强度上又各有特点，相互配合与补充，以保持 [HCO3-]/[H2CO3]为20/1。血液缓冲系统的反应最快，一旦有酸性或碱性物质入血，缓冲物质就立即与其反应，将强酸或强碱中和成弱酸或弱碱，同时缓冲系统自身被消耗，故缓冲作用不易持久。肺的调节亦很迅速，通过改变肺泡通气量来控制血浆H2CO3浓度的高低，但仅对CO2有调节作用，不能缓冲固定酸。细胞内液的缓冲作用强于细胞外液，在2～4小时后开始发挥调节作用，主要通过细胞内外离子的转移来维持酸碱平衡，但常可引起血钾浓度的改变。肾的调节作用比较缓慢，常在酸碱平衡紊乱发生后数小时发挥作用，但持续时间较久，功能强大，特别是固定酸的排出和HCO3-含量的恢复最终要靠肾来完成。