การรักษาสมดุลกรด-เบสคือการควบคุมค่า pHของของเหลวภายนอกเซลล์ (ECF) ในร่างกายให้คง ที่ ^{[ 1 ]}ความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างกรดและเบส (เช่น ค่า pH) ใน ECF มีความสำคัญต่อสรีรวิทยา ปกติ ของร่างกายและต่อกระบวนการเผาผลาญของเซลล์^{[ 1 ]}ค่า pH ของของเหลวภายในเซลล์และของเหลวภายนอกเซลล์จำเป็นต้องรักษาให้อยู่ในระดับคงที่^{[ 2 ]}

โครงสร้างสามมิติของโปรตีนนอกเซลล์หลายชนิด เช่นโปรตีนพลาสมาและโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ของร่างกายมีความไวต่อค่า pH ภายนอกเซลล์มาก^{[ 3 ] [ 4 ]}ดังนั้นจึงมีกลไกที่เข้มงวดเพื่อรักษาระดับ pH ให้อยู่ภายในขอบเขตที่แคบมาก หากค่า pH อยู่นอกช่วงที่ยอมรับได้โปรตีนจะเสียสภาพ (กล่าวคือ โครงสร้างสามมิติของโปรตีนจะถูกทำลาย) ทำให้เอนไซม์และช่องไอออน (และอื่นๆ) ทำงานผิดปกติ

ภาวะไม่สมดุลของกรด-ด่างจะเรียกว่าภาวะกรดในเลือดเมื่อค่า pH เป็นกรด หรือภาวะด่างในเลือดเมื่อค่า pH เป็นด่าง

ในมนุษย์และสัตว์อื่นๆ อีกมากมาย การรักษาสมดุลกรด-เบสจะคงอยู่ได้ด้วยกลไกหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับการป้องกันสามแนว: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

1. ทางเคมี: แนวป้องกันด่านแรกเกิดขึ้นทันที โดยประกอบด้วยบัฟเฟอร์ ทางเคมีต่างๆ ซึ่งช่วยลดการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่อาจเกิดขึ้นหากไม่มีบัฟเฟอร์เหล่านี้ บัฟเฟอร์เหล่านี้ได้แก่ระบบบัฟเฟอร์ไบ คาร์บอเนต ระบบบัฟเฟอร์ฟอสเฟตและ ระบบ บัฟเฟอร์โปรตีน^{[ 7 ]}
2. ส่วนประกอบระบบหายใจ: แนวป้องกันที่สองคือการควบคุมความเข้มข้นของกรดคาร์บอนิก (H₂CO₃ ) อย่างรวดเร็วโดยการเปลี่ยนอัตราและความลึกของการหายใจด้วยการหายใจเร็วเกินไปหรือหายใจช้าเกินไป ซึ่งจะขับ คาร์บอนไดออกไซด์ (และกรดคาร์บอนิก) ออกจากพลาสมาในเลือดหรือกักเก็บไว้ ตามต้องการ ^{[ 5 ] [ 8 ]}
3. องค์ประกอบเมตาบอลิซึม: แนวป้องกันที่สามนั้นช้า วัดได้ดีที่สุดด้วยเบสส่วนเกิน^{[ 9 ]}และส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับระบบไตซึ่งสามารถเพิ่มหรือกำจัด ไอออนไบ คาร์บอเนต ( HCO )ได้⁻ ) ไปยังหรือจาก ECF ^{[ 5 ]}ไอออนไบคาร์บอเนตได้มาจาก คาร์บอนไดออกไซด์ จากการเผาผลาญซึ่งถูกเปลี่ยนเป็นกรดคาร์บอนิกโดยเอนไซม์ในเซลล์ท่อไต [ ^{5 ] [ 10 ] [ 11 ] ที่}นั่น กรดคาร์บอนิกจะแตกตัวเป็นไอออนไฮโดรเจนและไอออนไบคาร์บอเนต โดยธรรมชาติ ^{[ 5 ]}เมื่อค่า pH ใน ECF ลดลง ไอออนไฮโดรเจนจะถูกขับออกทางปัสสาวะ ในขณะที่ไอออนไบคาร์บอเนตจะถูกขับออกทางพลาสมาในเลือด ทำให้ค่า pH ของพลาสมาสูงขึ้น^{[ 12 ]}ในทางกลับกัน หากค่า pH ใน ECF มีแนวโน้มสูงขึ้น ไอออนไบคาร์บอเนตจะถูกขับออกทางปัสสาวะและไอออนไฮโดรเจนจะถูกขับออกทางพลาสมาในเลือด

แนวป้องกันที่สองและสามทำงานโดยการเปลี่ยนแปลงบัฟเฟอร์ ซึ่งแต่ละบัฟเฟอร์ประกอบด้วยส่วนประกอบสองส่วน ได้แก่ กรดอ่อนและเบสคู่ควบ [ ^{5 ] [ 13 ] อัตราส่วน}ความเข้มข้นของกรดอ่อนต่อเบสคู่ควบเป็นตัวกำหนดค่า pH ของสารละลาย^{[ 14 ]}ดังนั้น โดยการปรับความเข้มข้นของกรดอ่อนก่อน แล้วจึงปรับความเข้มข้นของเบสคู่ควบ ค่า pH ของของเหลวนอกเซลล์ (ECF) สามารถปรับได้อย่างแม่นยำจนถึงค่าที่ถูกต้อง บัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนตประกอบด้วยส่วนผสมของกรดคาร์บอนิก (H CO ) และไบคาร์บอเนต ( HCO )⁻ เกลือในสารละลายเป็นบัฟเฟอร์ที่พบมากที่สุดในของเหลวนอกเซลล์ และยังเป็นบัฟเฟอร์ที่มีอัตราส่วนกรดต่อเบสที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่ายและรวดเร็วมาก^{[ 15 ]}

ค่าpHของของเหลวนอกเซลล์ รวมถึงพลาสมาในเลือดโดยปกติจะถูกควบคุมอย่างเข้มงวดระหว่าง 7.32 ถึง 7.42 โดยบัฟเฟอร์ทางเคมีระบบทางเดินหายใจและระบบไต [ ^{13 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 1 ] ค่า} pH ปกติในทารก ในครรภ์ แตกต่างจากในผู้ใหญ่ ในทารกในครรภ์ ค่า pH ในหลอดเลือดดำสะดือโดยปกติจะอยู่ที่ 7.25 ถึง 7.45 และในหลอดเลือดแดงสะดือโดยปกติจะอยู่ที่ 7.18 ถึง 7.38 ^{[ 19 ]}

สารละลายบัฟเฟอร์ในน้ำจะทำปฏิกิริยากับกรดแก่หรือเบสแก่โดยการดูดซับไฮโดรเจน ส่วนเกิน⁺ไอออน หรือOH⁻ไอออน แทนที่กรดและเบสที่แรงด้วยกรดและเบสที่อ่อน^{[ 13 ]}ซึ่งมีผลในการลดผลกระทบของการเปลี่ยนแปลง pH หรือลดการเปลี่ยนแปลง pH ที่อาจเกิดขึ้นได้ แต่บัฟเฟอร์ไม่สามารถแก้ไขระดับ pH ที่ผิดปกติในสารละลายได้ ไม่ว่าจะเป็นสารละลายในหลอดทดลองหรือในของเหลวนอกเซลล์ โดยทั่วไปบัฟเฟอร์ประกอบด้วยสารประกอบสองชนิดในสารละลาย โดยชนิดหนึ่งเป็นกรดอ่อนและอีกชนิดหนึ่งเป็นเบสอ่อน^{[ 13 ]}บัฟเฟอร์ที่พบมากที่สุดใน ECF ประกอบด้วยสารละลายของกรดคาร์บอนิก (H CO ) และไบคาร์บอเนต ( HCO )⁻ ) เกลือของโซเดียม (Na ⁺ ) ^{[ 5 ]}ดังนั้น เมื่อมีOH มากเกินไป⁻กรดคาร์บอนิกจะทำให้ไอออนในสารละลาย เป็นกลาง บางส่วนโดยการสร้าง H₂O ไบคาร์บอเนต ( HCO₃⁻)⁻ ไอออน ) ^{[ 5 ] [ 15 ]} ในทำนองเดียวกัน ไอออน H ⁺ส่วนเกิน จะถูกทำให้เป็นกลาง บางส่วนโดยส่วนประกอบไบคาร์บอเนตของสารละลายบัฟเฟอร์เพื่อสร้างกรดคาร์บอนิก (H CO ) ซึ่งเนื่องจากเป็นกรดอ่อน จึงยังคงอยู่ในรูปที่ไม่แตกตัวเป็นส่วนใหญ่ ปล่อยไอออน H ⁺ออกมาในสารละลายน้อยกว่ากรดแก่เดิม มาก ^{[ 5 ]}

ค่า pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของ ความเข้มข้น โมลาร์ของกรดอ่อนต่อเบสอ่อนเท่านั้น ยิ่งความเข้มข้นของกรดอ่อนในสารละลายสูง (เมื่อเทียบกับเบสอ่อน) ค่า pH ของสารละลายก็จะยิ่งต่ำลง ในทำนองเดียวกัน หากเบสอ่อนมีปริมาณมากกว่า ค่า pH ก็จะยิ่งสูงขึ้น

หลักการนี้ถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมค่า pH ของของเหลวนอกเซลล์ (แทนที่จะแค่ปรับค่า pH ให้คงที่) สำหรับบัฟเฟอร์กรดคาร์บอนิก-ไบคาร์บอเนตอัตราส่วนโมลของกรดอ่อนต่อเบสอ่อนที่ 1:20 จะทำให้ค่า pH เท่ากับ 7.4 และในทางกลับกัน เมื่อค่า pH ของของเหลวนอกเซลล์เท่ากับ 7.4 อัตราส่วนของไอออนกรดคาร์บอนิกต่อไอออนไบคาร์บอเนตในของเหลวนั้นจะเป็น 1:20 ^{[ 14 ]}

สมการ Henderson–Hasselbalchเมื่อนำไปใช้กับระบบบัฟเฟอร์กรดคาร์บอนิก-ไบคาร์บอเนตในของเหลวนอกเซลล์ ระบุว่า: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} ~\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}}+\log _{10}\left({\frac {[\mathrm {HCO} _{3}^{-}]}{[\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}]}}\ขวา),}$

ที่ไหน:

• ค่า pHคือค่าลบของลอการิทึม (หรือโคลอการิทึม ) ของความเข้มข้นโมลาร์ของไอออนไฮโดรเจนในของเหลวภายนอกเซลล์
• pKaH2CO3 คือค่าโค ของค่าคงที่การแตกตัวของกรดคาร์บอนิกซึ่งเท่ากับ 6.1
• [HCO⁻ ]คือความเข้มข้นเชิงโมลของไบคาร์บอเนตในพลาสมาของเลือด
• [H CO ]คือความเข้มข้นโมลาร์ของกรดคาร์บอนิกในของเหลวนอกเซลล์

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเข้มข้นของกรดคาร์บอนิกเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความดันย่อยของคาร์บอนไดออกไซด์ ( ) ในของเหลวนอกเซลล์ สมการจึงสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้ : ^{[ 5 ] [ 14 ]}${\displaystyle P_{{\คณิตศาสตร์ {CO} _{2}}}$

${\displaystyle \mathrm {pH} =6.1+\log _{10}\left({\frac {[\mathrm {HCO} _{3}^{-}]}{0.0307\times P_{\mathrm {CO} _{2}}}}\right),}$

ที่ไหน:

• ค่า pHคือค่าลบของลอการิทึมของความเข้มข้นโมลาร์ของไอออนไฮโดรเจนในของเหลวภายนอกเซลล์
• [HCO⁻ ]คือความเข้มข้นเชิงโมลของไบคาร์บอเนตในพลาสมา
• PCO2คือความดันย่อยของคาร์บอนไดออกไซด์ ใน เลือด

ดังนั้น ค่า pH ของของเหลวภายนอกเซลล์จึงสามารถควบคุมได้โดยการควบคุมกรดเมตาบอลิกอื่นๆ ${\displaystyle P_{{\คณิตศาสตร์ {CO} _{2}}}$

การควบคุมภาวะสมดุลสามารถเปลี่ยนแปลงP และด้วยเหตุนี้จึงเปลี่ยนแปลง pH ของพลาสมาในหลอดเลือดแดงได้ภายในไม่กี่วินาที^{[ 5 ]}ความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดแดงจะถูกตรวจสอบโดยตัวรับเคมีส่วนกลางของเมดุลลาออบลองกาตา [ ^{5 ] [ 20 ] ตัว}รับเคมีเหล่านี้มีความไวต่อระดับของคาร์บอนไดออกไซด์และ pH ในน้ำไขสันหลัง^{[ 14 ] [ 12 ] [ 20 ]}

ตัวรับเคมีส่วนกลางจะส่งข้อมูลไปยังศูนย์การหายใจในเมดุลลาออบลองกาตาและพอนส์ของก้านสมอง^{[ 12 ]}จากนั้นศูนย์การหายใจจะกำหนดอัตราการระบายอากาศเฉลี่ยของถุงลมในปอดเพื่อรักษาระดับP ในเลือดแดงให้คงที่ ศูนย์การหายใจจะทำเช่นนั้นผ่านทางเซลล์ประสาทสั่งการซึ่งกระตุ้นกล้ามเนื้อการหายใจ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งกระบังลม ) ^{[ 5 ] [ 21 ]}การเพิ่มขึ้นของP ในพลาสมาเลือดแดงที่สูงกว่า 5.3 kPa (40 mmHg) จะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอัตราและความลึกของการหายใจ โดยอัตโนมัติ การหายใจปกติจะกลับมาเมื่อความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์กลับมาที่ 5.3 kPa ^{[ 8 ]}ในทางกลับกันจะเกิดขึ้นหากความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ลดลงต่ำกว่าช่วงปกติ การหายใจอาจหยุดชะงักชั่วคราว หรือช้าลง เพื่อให้คาร์บอนไดออกไซด์สะสมในปอดและเลือดแดงอีกครั้ง

เซ็นเซอร์สำหรับพลาสมา HCO⁻ ความเข้มข้นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด มีความเป็นไปได้สูง ที่เซลล์ท่อไต ส่วนปลายของ ท่อขด จะมีความไวต่อค่า pH ของพลาสมา การเผาผลาญของเซลล์เหล่านี้ก่อให้เกิด CO₂ จะถูกเปลี่ยนเป็น H⁺ ^และ HCO₃⁻ อย่างรวดเร็ว⁻ โดยผ่านการทำงานของคาร์บอนิกแอนไฮดราส [ ^{5 ] [ 10 ] [ 11 ] เมื่อ}ของเหลวภายนอกเซลล์มีแนวโน้มเป็นกรด เซลล์ท่อไตจะหลั่งไอออน H ⁺เข้าสู่ของเหลวในท่อไต จากนั้นจึงขับออกจากร่างกายทางปัสสาวะ HCO⁻ ไอออนจะถูกหลั่งเข้าสู่พลาสมาในเลือดพร้อมกัน ทำให้ความเข้มข้นของไอออนไบคาร์บอเนตในพลาสมาเพิ่มขึ้น อัตราส่วนของกรดคาร์บอนิก/ไอออนไบคาร์บอเนตลดลง และส่งผลให้ค่า pH ของพลาสมาสูงขึ้น^{[ 5 ] [ 12 ]}ในทางกลับกัน เมื่อค่า pH ของพลาสมาสูงกว่าปกติ ไอออนไบคาร์บอเนตจะถูกขับออกทางปัสสาวะ และไอออนไฮโดรเจนเข้าสู่พลาสมา ไอออนเหล่านี้จะรวมกับไอออนไบคาร์บอเนตในพลาสมาเพื่อสร้างกรดคาร์บอนิก (H ⁺ + HCO)⁻ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$H CO ) จึงทำให้อัตราส่วนของกรดคาร์บอนิกต่อไบคาร์บอเนตในของเหลวนอกเซลล์เพิ่มขึ้น และทำให้ค่า pH กลับสู่ระดับปกติ^{[ 5 ]}

โดยทั่วไป การเผาผลาญจะสร้างกรดของเสียมากกว่าเบส^{[ 5 ]}ปัสสาวะที่ผลิตขึ้นโดยทั่วไปมีฤทธิ์เป็นกรดและถูกทำให้เป็นกลางบางส่วนโดยแอมโมเนีย (NH ) ที่ถูกขับออกมาในปัสสาวะเมื่อกลูตาเมตและกลูตามีน (ตัวนำกลุ่มอะมิโนส่วนเกินที่ไม่จำเป็นอีกต่อไป) ถูกกำจัดโดยเซลล์เยื่อบุผิวท่อไตส่วนปลาย^{[ 5 ] [ 11 ]}ดังนั้น "ปริมาณกรด" บางส่วนของปัสสาวะจึงอยู่ในปริมาณแอมโมเนียมไอออน (NH ⁺ ) ที่เกิดขึ้นในปัสสาวะ แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่มีผลต่อการรักษาสมดุล pH ของของเหลวนอกเซลล์ก็ตาม^{[ 5 ] [ 22 ]}

ภาวะกรด-เบสไม่สมดุลเกิดขึ้นเมื่อความเสียหายที่สำคัญทำให้ค่า pH ของเลือดเปลี่ยนแปลงไปจากช่วงปกติ (7.32 ถึง 7.42 ^{[ 16 ]} ) ค่า pH ที่ต่ำผิดปกติในของเหลวนอกเซลล์เรียกว่าภาวะกรด ในเลือด และค่า pH ที่สูงผิดปกติเรียกว่าภาวะ ด่างในเลือด

ภาวะกรดในเลือดและภาวะด่างในเลือดหมายถึงการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของของเหลวนอกเซลล์ (ECF) อย่างชัดเจน^{[ 24 ]}คำศัพท์อื่นที่ฟังดูคล้ายกันคือภาวะกรดเกินและภาวะด่างเกินซึ่งหมายถึงผลกระทบตามปกติของส่วนประกอบ ไม่ว่าจะเป็นระบบทางเดินหายใจหรือระบบเมตาบอ ลิซึม ภาวะกรดเกินจะทำให้เกิดภาวะกรดในเลือดได้ด้วยตัวเอง (เช่น หากปล่อยให้ "ไม่ได้รับการชดเชย" จากภาวะด่างเกิน) ^{[ 24 ]}ในทำนองเดียวกันภาวะด่างเกินจะทำให้เกิดภาวะด่างในเลือดได้ด้วยตัวเอง^{[ 24 ]}ในศัพท์ทางการแพทย์ คำว่าภาวะกรดเกินและภาวะด่างเกินควรมีคำคุณศัพท์กำกับเสมอเพื่อระบุสาเหตุของความผิดปกติ เช่นระบบทางเดินหายใจ (บ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์) ^{[ 25 ]}หรือระบบเมตาบอลิซึม (บ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงค่าเบสส่วนเกินของ ECF) ^{[ 9 ]}ดังนั้นจึงมีปัญหาเกี่ยวกับกรด-เบสที่แตกต่างกันสี่ประการ ได้แก่ภาวะกรดเกินจากระบบ เมตาบอลิ ซึม ภาวะกรดเกินจากระบบ ทางเดินหายใจ ภาวะด่างเกินจากระบบเมตาบอลิซึมและภาวะ ด่างเกินจากระบบทางเดิน หายใจ^{[ 5 ]}สภาวะเหล่านี้อย่างใดอย่างหนึ่งหรือหลายอย่างอาจเกิดขึ้นพร้อมกัน ตัวอย่างเช่นภาวะกรดเกินในร่างกาย (เช่น ในผู้ป่วยเบาหวาน ที่ควบคุมไม่ได้ ) มักจะได้รับการชดเชยบางส่วนด้วยภาวะด่างเกินในระบบทางเดินหายใจ (การหายใจเกิน) ในทำนองเดียวกันภาวะกรดเกินในระบบทางเดินหายใจสามารถแก้ไขได้อย่างสมบูรณ์หรือบางส่วนด้วยภาวะด่างเกินในร่างกาย

• ข้อความต้นฉบับของ Stewart อยู่ที่ acidbase.org
• เนื้อหาออนไลน์อยู่ที่ AnaesthesiaMCQ.com
• ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ kumc.edu
• บทเรียนเกี่ยวกับกรด-เบส
• ตำราสรีรวิทยาของกรด-เบสออนไลน์
• ผลการวินิจฉัยโรคที่ lakesidepress.com
• ดูคำอธิบายเพิ่มเติมได้ที่ nda.ox.ac.uk
• กรดและเบส– คำจำกัดความ