第七节 水、电解质平衡的调节

议一议：

什么叫酸碱平衡？

体液pH值的相对恒定，对维持机体组织细胞的正常代谢，尤其是维持细胞内酶的活性，保证机体的各种生命活动，具有重要的意义。任一调节过程出现问题，都将使体液中酸性或碱性物质增多或减少，而导致酸碱平衡紊乱。临床上许多原因可引起酸碱平衡紊乱。在许多情况下，酸碱平衡紊乱是某些疾病或病理过程的继发性变化，一旦发生酸碱平衡紊乱，就会使疾病更加严重和复杂，因此及时发现和正确处理常常是治疗成败的关键。

体液pH值的相对恒定是体内一系列调节机制调节的结果，其中起主要作用的是血液的缓冲作用、肺对CO₂排出的调节和肾对碳酸氢盐排出的调节。

一、血液的缓冲作用

生命活动中，内源性和外源性的酸碱性物质进入血液，均能被血液的缓冲体系缓冲，从而使血浆pH值保持在7.35～7.45。

（一）血液缓冲体系

能够对抗外来少量的酸性或碱性物质的影响，保持其溶液的pH值几乎不变的作用称为缓冲作用。具有缓冲作用的溶液称为缓冲溶液。如血液、细胞内液。缓冲溶液是由一对或多对缓冲系统组成的。血液中含有一系列由弱酸与弱酸盐组成的缓冲体系，它们主要存在于血浆及红细胞内，可缓冲酸和碱。血液中重要的缓冲体系有：

血浆中以碳酸氢盐（NaHCO₃/H₂CO₃）缓冲体系含量最多，作用最重要，红细胞中以血红蛋白和氧合血红蛋白（KHb/HHb及K－HbO₂/H－HbO₂）缓冲体系最重要，它们之间关系密切。血液中各种缓冲体系的缓冲能力（以每升血液的pH值自7.4降至7.0时，各种缓冲体系所能中和0.1mol/L盐酸的毫升数表示）的比较列于表13－6。

表13－6　血液中各种缓冲体系的缓冲能力的比较

血浆中，碳酸氢盐缓冲体系具有如下特点：①含量最多；②缓冲能力最强；③最易调节，因为H₂CO₃易通过肺进行调节，NaHCO₃可经肾调节；④只要血浆中NaHCO₃/H₂CO₃保持在20/1，血浆pH值即为7.4。根据计算缓冲液pH的亨德森－哈塞巴（Hender－son－Hasselbalch）方程式，NaHCO₃/H₂CO₃构成的缓冲溶液pH为：

想一想：

血浆中哪对缓冲对最重要？其有何特点？

式中p_Ka是碳酸解离常数的负对数，37℃时为6.1。体内碳酸浓度直接测定较困难，一般由二氧化碳分压（pressure of carbondiox－ide，PaCO₂）与其溶解系数的乘积来推算，即［H₂CO₃］＝α·PaCO₂，α为气体溶解常数，计算公式可改写成：

正常情况下，37℃时血浆CO₂的溶解系数每1kPa为0.225mmol/L，动脉血浆PaCO₂平均为5.33kPa，NaHCO₃为24mmol/L，因此H₂CO₃浓度为0.225mmol/（L·kPa）×5.33kPa＝1.2mmol/L，代入公式可得血浆pH值为：

pH值＝6.1＋lg（24/1.2）＝6.1＋1.3＝7.4（lg 20＝1.301）

由上可知，只要血浆中NaHCO₃与H₂CO₃的浓度之比为20∶1，血浆pH值就可维持在7.40。若NaHCO₃与H₂CO₃任何一方的浓度发生改变，而另一方也随之相应增减，其比值20∶1保持不变，血液的pH值都将维持在正常水平；如果NaHCO₃与H₂CO₃浓度的比值发生变化，血液pH将会升高或降低。因此人体酸碱平衡的实质就在于调整血浆中NaHCO₃与H₂CO₃含量，使二者的比值保持在20∶1。一般说来，NaHCO₃反映体内代谢情况，故又称为代谢因素；H₂CO₃的浓度可以反映肺的通气情况，故又称呼吸因素。

（二）缓冲系统的作用

1.对固定酸的缓冲作用　物质代谢产生的固定酸进入血液后，主要被碳酸氢盐缓冲体系中的NaHCO₃进行缓冲，也被血浆中其他弱酸盐所缓冲。通过碳酸氢盐缓冲体系的作用，酸性较强的固定酸（硫酸、乙酰乙酸）转变为酸性较弱的挥发酸——H₂CO₃，减弱了固定酸对血液pH值的影响，使血液pH不至于发生明显的降低。生成的H₂CO₃可进一步分解成CO₂和H₂O排出体外。

议一议：

机体主要通过哪些因素来缓冲固定酸、碱、挥发酸？

血浆中其他缓冲系统对固定酸也能发挥缓冲作用，但含量低，作用较小。血浆中的NaHCO₃是缓冲固定酸的主要成分，血浆中的NaHCO₃的量在一定程度上可代表血浆对固定酸的缓冲能力，故习惯上把血浆中的NaHCO₃称为碱储或碱储备。

此外，NaPr和Na₂HPO₄也能缓冲固定酸。

HA＋NaPr→NaA＋HPr

HA＋Na₂HPO₄→NaA＋NaH₂PO₄

2.对挥发酸的缓冲作用　主要被血红蛋白和氧合血红蛋白缓冲体系所缓冲，最终在肺以CO₂形式排出体外。

当血液流经组织时，由于组织CO₂分压高，细胞代谢产生的CO₂扩散进入血。因血浆中没有碳酸酐酶（CA），所以只有极少部分CO₂和与H₂O化合生成H₂CO₃。生成的H₂CO₃由血浆蛋白盐及磷酸氢盐缓冲。其反应式如下：

CO₂＋H₂O→H₂CO₃（慢而少）

H₂CO₃＋2Na－Pr→Na₂CO₃＋2H－Pr

H₂CO₃＋Na₂HPO₄→NaHCO₃＋NaH₂PO₄

绝大部分的CO₂由血浆扩散入红细胞，在红细胞内丰富的碳酸酐酶催化下，CO₂与H₂O化合生成H₂CO₃，然后与血红蛋白的运氧过程相偶联而被缓冲。同时，由于组织中O₂分压低，红细胞内KHbO₂解离释放出O₂转变为KHb，KHb对H₂CO₃作用，生成HHb和KHCO₃。经过上述缓冲作用，红细胞中HCO₃^-的浓度远高于血浆中HCO₃^-的浓度，导致HCO₃^-扩散入血浆中，但红细胞内的K⁺不能随H₂CO^-一起扩散，为维持体液电中性，血浆中必须有等量的Cl^-向红细胞转移，称为氯离子转移。从而保证了红细胞内生成的HCO₃^-不断进入血浆生成NaHCO₃。反应过程如下。

CO₂＋H₂O→H₂CO₃（快而多）

KHbO₂→KHb＋O₂（O₂进入组织细胞）

KHb＋H₂CO₃→HHb＋KHCO₃

H₂CO₃＋K₂HPO₄→KHCO₃＋KH₂PO₄

当血液流经肺时，随着O₂的吸入，CO₂的呼出，肺泡中的O₂扩散入血浆，并进入红细胞与HHb结合成HHbO₂，而HHbO₂的酸性较强，可释出H⁺，与红细胞内的HCO₃^-结合H₂CO₃，后者即由碳酸酐酶分解为CO₂与H₂O。CO₂经血浆扩散入肺，随呼气排出，使H₂CO₃得以彻底调节。在此过程中，红细胞内HCO₃^-的减少，使血浆中HCO₃^-转入红细胞；为维持电中性，红细胞中的Cl^-扩散入血浆，与在组织中的转移方向正好相反（图13－3）。

图13－3　挥发酸的调节

HHb＋O₂→HHbO₂

HHbO₂＋KHCO₃→KHbO₂＋H₂CO₃

H

₂CO₃→CO₂↑＋H₂O

3.对碱的缓冲作用 当碱性物质进入血液后，缓冲系统中抗碱的弱酸部分发挥作用。碳酸氢盐缓冲体系中H₂CO₃的相对含量虽不多，但CO₂可由体内代谢物质不断产生，所以也是对碱起缓冲作用的主要成分，血浆中其他缓冲体系如NaH₂PO₄、HPr也有缓冲作用。其反应式如下：

OH^-＋H₂CO₃→HCO₃^-＋H₂O

OH^-＋HPO^-→HPO^2-＋HO₂₄₄₂

OH^-＋HPr →Pr^-＋H₂O

结果较强的碱转变为较弱的碱，血液pH值不至于发生明显升高。生成过量的HCO₃^-和HPO²₄^-，最后还可由肾排出。

血液的缓冲作用快速，但短暂不彻底。在对酸缓冲后，血浆中HCO₃^-含量减少，H₂CO₃增多，仍可使血液pH值降低；对碱缓冲后，血浆中HCO₃^-浓度升高，H₂CO₃浓度下降，又可致血液pH值升高。因此仅靠血液缓冲作用，酸碱平衡很难维持，机体还需要肺和肾的调节。

二、肺对酸碱平衡的调节

肺主要通过改变呼吸的频率和深度，从而调节CO₂排出量，控制血液中H₂CO₃的浓度，以维持酸碱平衡。

想一想：

肺如何调节酸碱平衡的？

呼吸频率及深度受延髓呼吸中枢的控制，后者对血液CO₂分压（PaCO₂）及pH值非常敏感。当体内H₂CO₃增多时，血液PaCO₂升高或pH值降低时，呼吸中枢兴奋，使呼吸运动加深加快，CO₂排出增多，使血液中H2CO₃的浓度降低；实验证明，若血浆PaCO₂增加0.53kPa（4mmHg），即PaCO₂为5.87kPa（44 mmHg）时，可使肺通气量增加2倍；但血浆PaCO₂超过8.67kPa（65mmHg）时，呼吸中枢反而受到抑制。当体内H₂CO₃减少时，PaCO₂降低，pH值升高，呼吸变浅变慢，CO₂排出减少，使血液中H₂CO₃含量增多。

肺的调节作用快速、灵敏，但仅调控体内H₂CO₃的浓度，对NaHCO₃的浓度无调节作用。若血液中NaHCO₃的浓度改变，则通过肾脏的排泄和重吸收功能，以调整NaHCO₃的浓度，维持酸碱平衡。

三、肾对酸碱平衡的调节

肾是调节酸碱平衡最重要的器官。肾的主要作用是通过排出多余的酸或碱来调节体液中NaHCO₃的含量，以维持体液pH值的恒定。

在正常膳食条件下，肾脏排出固定酸比碱多，每日排出40～100mmol酸，尿液的pH值一般为6.0左右。根据体内酸碱平衡的状况，尿液pH值在4.4～8.2之间变动，可见肾脏有相当大的排酸和排碱的能力，以维持正常血液pH值。肾脏的调节机制主要通过肾小管上皮细胞的H⁺－Na⁺交换，使被肾小球滤出的NaHCO₃重吸收；使尿液酸化，补充被消耗的NaHCO₃。此外，肾远曲小管和集合管上皮细胞还进行NH₄⁺－Na⁺交换，也补充了被消耗的NaHCO₃，同时能迅速排出多余的强酸。

议一议：

H⁺－Na⁺交换、NH₄⁺－Na⁺交换、K⁺－Na⁺过程及意义？

1.H⁺－Na⁺交换

（1）碳酸氢盐的重吸收：肾脏重新吸收碳酸氢钠的能力很强，人体每天从肾小球滤出的碳酸氢盐总量约5000mmol（相当于420g NaHCO₃），但排出量仅为4～6mmol，只占滤液的0.1%。NaHCO₃的重吸收主要在肾近曲小管进行，占重吸收总量的80%～85%，其余部分在髓袢和远曲小管重吸收。肾小管重吸收的NaHCO₃并非原尿中的NaHCO₃，而是原尿中的Na⁺与肾小管细胞产生的H⁺进行交换的结果。肾近曲小管细胞含有碳酸酐酶，能催化CO₂与H₂O结合成H₂CO₃，H₂CO₃再解离成HCO₃^-与H⁺，H⁺被分泌到肾小管腔，与管腔液中NaHCO₃作用生成H₂CO₃和Na⁺。Na⁺被转移到管壁细胞内，与HCO₃^-结合成NaHCO₃，回到血液，此过程称为H⁺－Na⁺交换。此时，管腔内H₂CO₃在管壁细胞刷状缘上的碳酸酐酶催化下，又分解成CO₂与H₂O，其中的CO₂还可扩散进入肾小管细胞内被利用（图13－4）。

图13－4　NaHCO₃的重吸收

（2）磷酸氢盐的酸化：Na₂HPO₄中的Na⁺也经过上述途径与H⁺交换，使原尿中Na₂HPO₄/NaH₂PO₄的比值逐渐变小，尿中NaH₂PO₄增加，尿液变成酸性。健康人血浆中［Na₂HPO₄］/［NaH₂PO₄］的值为4∶1。近曲小管原尿中，磷酸氢盐缓冲系统两个组分的比值与血浆的相同。当原尿流经远曲小管时，由于管壁细胞中CO₂与H₂O在碳酸酐酶催化下生成H₂CO₃，H₂CO₃再解离成HCO₃^-与H⁺，H⁺被分泌到肾小管腔，与管腔液中Na₂HPO₄作用生成NaH₂PO₄和Na⁺。随后Na⁺被转移到管壁细胞内，与HCO₃^-结合成NaHCO₃，回到血液。此过程也是H⁺－Na⁺交换。此时，管腔液中Na₂HPO₄转变成酸性的NaH₂PO₄，尿液的pH值下降。如尿液的pH值降到4.8时，［NaHCO₃］/［H₂CO₃］之值由20∶1变为1∶20，［Na₂HPO₄］/［NaH₂PO₄］之值由4∶1降至1∶99。这说明原尿流经远曲小管时，在其pH值降为4.8的过程中，NaHCO₃几乎全部被重吸收，而Na₂HPO₄几乎全部转变成NaH₂PO₄。

H⁺－Na⁺交换是肾脏重吸收NaHCO₃的主要形式。血浆PaCO₂增高时，H₂CO₃的浓度增加，肾小管细胞分泌H⁺增强，HCO_3－的回收也增加，尿液酸度增高；血浆PaCO₂降低时，重吸收也减少。碳酸酐酶活性也影响NaHCO₃的重吸收。

2.NH₄⁺－Na⁺交换　肾小管细胞内有谷氨酰胺酶，能水解谷氨酰胺生成谷氨酸和氨，细胞内的α－酮戊二酸与氨基酸通过转氨基作用亦可生成谷氨酸。谷氨酸经谷氨酸脱氢酶生成α－酮戊二酸和氨。生成的氨分泌到原尿中与H⁺结合产生NH₄⁺，使原尿中H⁺浓度下降，有利于管壁细胞排出H⁺。NH₄⁺与固定酸钠盐中的Na⁺交换，生成铵盐随尿排出，而Na⁺重吸收，此即为NH₄⁺－Na⁺交换（图13－5）。

图13－5　磷酸氢盐的重吸收

H⁺－Na⁺交换不适用于强酸生成的钠盐如NaCl，Na₂SO₄等，因为交换的结果将生成HCl，H₂SO₄等强酸。肾脏回收NaCl，Na₂SO₄等盐中的Na⁺，是通过NH₄⁺－Na⁺交换进行的。

氨的分泌随原尿的pH值而变化，原尿酸性越强，NH₄⁺越易扩散进入管腔，NH₄⁺排出越多，这就是酸中毒越严重尿液中铵盐越多的原因。NH₄⁺－Na⁺交换提高了肾脏的排氢能力。

正常人24h内有30～50mmol NH3与H⁺结合产生NH₄⁺，随尿排出体外。酸中毒时，每天排出量甚至增加10倍，达400mmol之多（图13－6）。

图13－6　NH₄⁺－Na⁺交换

3.K⁺－Na⁺交换　原尿中K⁺在近曲小管几乎全部被吸收。在远曲小管，远曲小管上皮细胞主动分泌K⁺，分泌K⁺可与管腔中Na⁺交换，排出K⁺回收Na⁺。H⁺－Na⁺交换与K⁺－Na⁺交换均在远曲小管进行，形成竞争性交换。细胞外液K⁺升高可抑制肾小管细胞分泌H⁺，K⁺－Na⁺交换增加，H⁺－Na⁺交换减少，尿K⁺排出增加，H⁺保留在体内，产生酸中毒；细胞外液K⁺降低时，K⁺－Na⁺交换减少，H⁺－Na⁺交换加强，可产生低钾性碱中毒。

综上所述，肾对酸碱的调节主要是通过肾小管细胞的活动来实现的。肾小管细胞在不断分泌H⁺的同时，将肾小球滤过的NaHCO₃重吸收入血，防止细胞外液NaHCO₃的丢失。如仍不足以维持细胞外液NaHCO₃的浓度，则通过磷酸盐的酸化和泌NH₄⁺生成新的NaHCO₃以补充机体的消耗，从而维持血液HCO₃^-的相对恒定。如果体内HCO₃^-含量过高，肾脏可减少NaHCO₃的生成和重吸收，使血浆NaHCO₃浓度降低。但血液pH值降低、血K⁺降低、血Cl^-降低、有效循环血量降低，醛固酮升高及碳酸酐酶活性增强时，肾小管泌H⁺和重吸收HCO₃^-增多。

人体调节酸碱平衡的过程主要是通过上述三方面的调节因素来共同维持的，但在作用时间上和强度上存在着差别。血液缓冲系统的作用最快，但缓冲系统能力有一定限度，且不能持续发挥作用。肺的调节也较快，通常在pH值改变15～30min后开始起调节作用。但只能调节H₂CO₃的浓度，而且影响呼吸中枢的因素较多，调节效能常受到一定限制。肾脏的调节作用虽发挥得较迟，但效率高、持续时间长，是重要的调节系统。因此，良好的肾功能，是纠正酸碱平衡失调的重要条件。

四、其他组织细胞对酸碱平衡的调节

想一想：

酸中毒为什么能引起骨软化？

肌肉主要通过细胞内外的K⁺、Na⁺与H⁺交换调节，故高血钾可致酸中毒，酸中毒可致高血钾。骨骼主要通过骨盐的溶解，Ca₃（PO₄）₂在血浆中与H₂CO₃反应而起到调节作用。骨细胞释放1分子Ca₃（PO₄）₂可缓冲4个H⁺，因此，长期酸中毒时，导致大量骨盐溶解，最终可引起骨骼的严重软化。

小　结

水和无机盐不仅参与人体的结构，而且作为营养物参与物质代谢，对维持机体正常的生理活动具有重要作用。

体液是指体内的水及溶于水中的无机盐和有机物构成的液体。体液分为细胞内液和细胞外液，细胞外液包括血浆和细胞间液。体液是细胞生活的内环境，也是细胞进行代谢的主要场所。

水是人体重要的组成成分，对生命极为重要。水的生理功能主要有：①参与和促进物质代谢；②调节体温；③润滑作用；④维持组织的形态和功能。

无机盐的种类很多，功能各异，主要生理作用有：①维持体液的渗透压和酸碱平衡；②维持神经、肌肉的应激性；③维持或影响酶的活性；④构成骨骼、牙齿以及其他组织；⑤构成体内有特殊功能的化合物。

正常情况下，成人每天摄取水量和排出水量基本相等，约为2 500mL，称为水的平衡。机体即使不摄入水，每天至少要排出水1 500mL，因此，人体对水的每日最低生理需要量为1 500mL。Na⁺和Cl^-是细胞外液的主要离子，K＋是细胞内液的主要离子，它们对维持体液渗透压、酸碱平衡、神经、肌肉的兴奋性及物质代谢具有重要意义，水和钠、钾、氯代谢的平衡主要通过抗利尿激素和醛固酮的调节以及肾、肺和皮肤等器官的作用来实现的。

钙和磷是体内含量最多的无机盐，其在血浆中的含量相对稳定，主要依赖于钙、磷的吸收与排泄、钙化与脱钙之间的相对平衡。钙的主要生理作用是参与形成骨骼和牙齿，Ca²⁺可作为细胞内第二信使等。磷的主要生理功能主要是参与构成高能磷酸化合物、核酸和磷脂等，无机磷酸盐还参与体内缓冲体系的组成。体内钙磷代谢主要受1，25－二羟维生素D₃、降钙素和甲状旁腺素调节。1，25－二羟维生素D₃促进小肠对钙磷的吸收，促进肾小管对钙磷的重吸收；并有成骨和溶骨双重作用，以维持血钙、血磷浓度恒定。PTH能够促进骨盐溶解；增强肾小管对钙的重吸收，最终使血钙浓度增加。CT主要抑制溶骨和抑制肾小管对钙、磷的重吸收，而降低血钙和血磷。

Mg²⁺是体内主要的阳离子之一，作为酶的辅助因子，在物质代谢中发挥重要作用。Mg²⁺对中枢神经系统具有抑制作用。Mg²⁺还可扩张外周血管，引起血压下降。

体内还有多种微量元素，如铁、铜、锌、碘、锰、硒、氟、钴、铬等。微量元素通过作为蛋白质、酶、激素、维生素等的结构成分，参与物质代谢，在体内起极为重要的作用。

体液中酸碱性物质主要由细胞内物质代谢产生的，部分来自食物、饮料和药物等的酸性和碱性物质。体内酸性物质主要来源于糖、脂类和蛋白质分解代谢，此外，少量的还来自食物、饮料及某些酸性药物等。根据酸性物质的性质，体内酸性物质可分为挥发性酸和固定酸。碱性物质主要通过摄取蔬菜和水果获得。

体液pH值的相对恒定是体内一系列调节机制调节的结果，其中起主要作用的是血液的缓冲作用、肺对CO₂排出的调节和肾对碳酸氢盐排出的调节。血液中含有一系列由弱酸与弱酸盐组成的缓冲体系，它们主要存在于血浆及红细胞内，可缓冲酸和碱。血浆中以碳酸氢盐缓冲体系含量最多，作用最重要，红细胞中以血红蛋白和氧合血红蛋白缓冲体系最重要，它们之间关系密切。肺主要通过改变呼吸的频率和深度，从而调节CO₂排出量，控制血液中H₂CO₃的浓度，以维持酸碱平衡。肾是调节酸碱平衡最重要的器官。肾的主要作用是通过排出多余的酸或碱来调节体液中NaHCO₃的含量，以维持体液pH值的恒定。肾脏的调节机制主要通过肾小管上皮细胞的H⁺－Na⁺交换，使被肾小球滤出的NaHCO₃重吸收；使尿液酸化，补充被消耗的NaHCO₃。此外，肾远曲小管和集合管上皮细胞还进行NH₄⁺－Na⁺交换，也补充了被消耗的NaHCO₃，同时能迅速排出多余的强酸。

体内酸性物质或碱性物质的绝对量或相对量过多、过少，人体一时不能调整或缺乏调节能力，肺肾功能障碍、体内电解质平衡紊乱等原因都可引起酸碱平衡失调。当体内酸性或碱性物质过多，超过了机体的调节能力，血液pH值异常时，称酸碱平衡紊乱。根据pH值异常情况可将酸碱平衡失调分为两类：体内酸绝对或相对过多，pH值降低称为酸中毒。体内碱绝对或相对过多，pH值升高则称为碱中毒。HCO₃^-的浓度含量主要受代谢性因素的影响，由其浓度原发性降低或升高引起的酸碱平衡紊乱，称为代谢性酸中毒或代谢性碱中毒。H₂CO₃的浓度主要受呼吸性因素的影响，由其浓度原发性降低或升高引起的酸碱平衡紊乱，称为呼吸性酸中毒或呼吸性碱中毒。在单纯性酸中毒或碱中毒时，由于机体的调节，虽然体内酸性或碱性物质的含量已经发生改变，但是血液pH值尚在正常范围之内，称为代偿性酸或碱中毒。如果pH值低于或高于正常范围，则称为失代偿性酸或碱中毒。在同一患者身上不但可以发生一种酸碱平衡紊乱，还可以有两种或两种以上的酸碱平衡紊乱同时存在。如果是单一的失衡，称为单纯性酸碱平衡紊乱；如果是两种或两种以上的酸碱平衡紊乱同时存在，称为混合性酸碱平衡紊乱。

当肾功能正常时，酸碱平衡与血钾浓度之间的关系主要在于细胞内外H⁺与K⁺的交换与肾分泌H⁺与K⁺的相互竞争。高血钾会导致酸中毒，血液pH值呈酸性，尿液却呈碱性，称为反常性碱性尿。反之，低血钾时会导致碱中毒，血液pH值呈碱性，尿液却呈酸性，称为反常性酸性尿。反之，酸中毒时可导致高血钾，尿呈酸性。碱中毒可导致低血钾，尿呈碱性。