HC46: Zuur-base

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college worden besproken hoe de zuur-base verhouding in het lichaam, en met name de nieren, een rol speelt
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Zuur

In het bloed is de waterstofconcentratie:

• [H⁺] = 40 nmol/L = 40 x 10⁹ mol/L

Deze concentratie wordt binnen zeer nauwe grenzen gereguleerd → is van belang voor de functie van eiwitten, enzymen en de membraanpotentiaal.

De [H⁺] kan worden verstoord door:

• Metabolische oorzaken
  • Toename in zuurlading van externe oorsprong → intoxicatie
  • Toename in zuurlading van interne oorsprong → lactaat, ketoacidose
  • Braken → verlies aan H⁺→ alkalose
  • Diarree → verlies aan HCO₃^-→ acidose
  • Disfunctioneren van de nieren → metabole acidose
• Respiratorische oorzaken
  • Hypoventilatie → pH daalt
  • Hyperventilatie → pH stijgt

Ontstaan van zuren in het lichaam:

Het zuurgehalte in het lichaam stijgt als volgt:

1. Door de verbranding van vetten en koolhydraten ontstaan organische zuren
2. Tijdens aerobe verbranding (normaal) bestaan deze tussenproducten kort en in lage concentraties → worden in de citroenzuurcyclus volledig omgezet tot H₂O en CO₂ (zwak zuur)
3. Dagelijks wordt 15.000 mmol CO₂ geproduceerd
4. Het geproduceerde CO₂ vormt een enorme bron van zuur → gaat een reactie aan met H₂O → kan dissociëren tot H⁺en HCO₃^-
5. Door ventilatie via de longen wordt CO2 snel en efficiënt verwijderd → [CO2] blijft in het lichaam constant

pH

De pH in het bloed ligt tussen de 7,35 en 7,45. Deze wordt bepaald door de niet gebufferde, niet gebonden vrije [H⁺]:

• pH = - log[H⁺]
• [H⁺] = 10^-pH
• [40 x 10^-9] = 10^-7,4

→ de niet gebonden, niet gebufferde vrije [H⁺] is 40 nanomol/L (onder normale omstandigheden).

Omdat de [H⁺] afhangt van [CO₂] en [HCO₃^-] is de pH in het lichaam uit te rekenen middels de Henderson-Hasselbach vergelijking:

• pH = 6,1 + log(24 mM/((0,03 mM/mm Hg) x 40 mm Hg)) = 7,40
  • 24 mM = [HCO₃^-]
  • 40 mm Hg = pCO₂
  • mm Hg = kPa x 7,5

Buffers

Buffers zorgen ervoor dat grote veranderingen in vrije [H⁺] tot een minimum worden beperkt. Het belangrijkste extracellulaire buffersysteem om de homeostase te handhaven is dat van het bicarbonaat en kooldioxide (HCO₃^-, CO₂) systeem:

• CO₂ wordt geregeld door de ademhaling
• HCO₃^- wordt geregeld door de nieren

In het geval van acidose is de pH te laag, in het geval van alkalose is de pH te hoog. Bij stijging van de pH (bijv. bij hyperventilatie) probeert het lichaam te compenseren. De hoeveelheid bicarbonaat moet omlaag zodat er meer H⁺ vrijkomt.

Het buffersysteem werkt extra- en intracellulair:

• Extracellulair (open): 50-60%
  • Bicarbonaat
    • H⁺+ HCO₃^-«H₂CO₃«H₂O + CO₂→ snel
      • Efficiënt als de ventilatiecapaciteit groot is
      • Efficiënt als HCO₃ veel groter is dan H⁺
  • Albumine
• Intracellulair (gesloten): 40-50% → na een paar uur
  • Eiwitten
  • Fosfaat
  • Hemoglobine
  • Hydroxylapatiet (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ → botmineraal

Buffersystemen:

In een gesloten CO₂ systeem zorgt veel CO₂ voor extreem veel H⁺ en een extreem lage pH, zonder buffer. Bij een open CO₂ systeem zorgt het toevoegen van HCl voor een enorm lage pH, zonder buffer. In beide gevallen is de [H⁺] hoog. Omdat er in het lichaam wel buffering is, treedt dit niet op. Er reageert dan bicarbonaat → er is minder pH daling. Dankzij intracellulaire buffering wordt de pH nog iets minder laag. Daarnaast vindt er respiratoire compensatie plaats → er wordt meer geademd waardoor de pH nog meer stijgt.

Wasbak model

CO2komt op verschillende manieren in het lichaam:

• Ca. 20 mmol H⁺ uit het dieet
• Ca. 20 mmol H⁺ uit het metabolisme
• Verbranding in het lichaam van 15.000 mmol H⁺

Deze deeltjes verlaten op verschillende manieren het lichaam:

• 15.000 mmol via CO₂ en H₂O
• 10 mmol HCO₃^-met ontlasting
• 70 mmol H⁺ met urine

Acidose en alkalose

Bij een te hoge pH wordt er gesproken van een alkalose, bij een te lage pH wordt er gesproken van een acidose. Acidose en alkalose hebben verschillende gevolgen op de nieren:

• Respiratoire acidose stimuleert de excretie van H⁺door de nier
  • Toename van de pCO₂ wordt "gesensed" aan de basolaterale kant van de proximale tubulus en leidt tot meer H⁺excretie
  • Respiratoire acidose komt dus door CO₂-stapeling
• Metabole acidose stimuleert de excretie van H⁺door de nier en stimuleert ook de aanmaak van NH₃
  • Daling van de [HCO₃^-] wordt "gesensed" aan de basolaterale kant van de proximale tubulus en leidt tot meer H⁺ excretie
  • Bij een normale anion gap is er verlies van HCO₃^- via de darmen of nieren
  • Bij een high anion gap is er toename van een endogeen of exogeen "vreemd" zuur
  • Metabole acidose komt dus door HCO₃^--verlies
• Respiratoire alkalose ontstaat door uitblazen van extra CO₂
• Metabole alkalose vermeerdert de H⁺excretie en kan in de verzamelbuis zelfs HCO₃^-excretie bevorderen
• Activatie van het RAAS stimuleert de Na⁺ reabsorptie en daarmee de H⁺ secretie in de proximale tubulus
  • Aldosteron stimuleert ook de H⁺ excretie in de verzamelbuis

Hierbij spelen een aantal cellen in de verzamelbuis een belangrijke rol:

• Alpha-intercalated cell → zuur secretie
• Bèta-intercalated cell → bicarbonaat secretie

Anion gap

Anion gap gaat over deeltjes in het bloed (ionen). Er is een evenwicht tussen positief en negatief. Omdat niet alle negatieve deeltjes gemeten worden is er altijd een gap:

• Anion gap = [Na⁺] - [Cl^-] - [HCO₃^-]
  • Normaal is dit 8-12 mmol/l

In het echt is er geen anion gap, maar omdat niet alle deeltjes gemeten worden is die er bij de metingen wel. Een hogere anion gap duidt op de aanwezigheid van een vreemd zuur (bijv. ketonen). Deze gegevens zijn handig als er sprake is van metabole acidose.

Metabole acidose en een hogere anion gap kunnen veroorzaakt worden door:

• Lactaat acidose door anaerobe verbranding
  • Type A: hypoxisch
  • Type B: nonhypoxisch
• Intoxicatie met een zuur van buitenaf
• Keto-acidose door tekort aan insuline (diabetes)
  • Diabetische ketoacidose
  • Alcoholische ketoacidose
  • Voedseltekort

De nieren

Bicarbonaat zit met een concentratie van 24 mmol/L in het lichaam. Het wordt makkelijk gefiltreerd. In de nieren wordt bicarbonaat vrijwel volledig terug geresorbeerd → er is vrijwel geen bicarbonaat in de urine:

• Het carbo-anhydrase enzym speelt een belangrijke rol
  1. Na de filtratie wordt HCO₃^- gekoppeld aan H⁺ (wordt actief uitgescheiden)
  2. Met het carbo-anhydrase ontstaat H₂O + CO₂
  3. H₂O + CO₂ kan via AQP-kanalen opgenomen worden
  4. H₂O + CO₂ wordt met carbo-anhydrase weer gesplitst in HCO₃^- en H⁺
  5. HCO₃^- wordt in het bloed opgenomen en H⁺wordt gerecycled
  • Netto gebeurt er dus weinig met de pH, HCO₃^- wordt alleen terug geresorbeerd
• De natriumgradiënt is de drijvende kracht
• De concentratie HCO₃^- en pCO₂ wordt basolateraal "gesensed" 
• Dit gebeurt in de proximale tubulus

De pH in de urine is meestal > 7 omdat zo de zuurbelasting wordt kwijtgeraakt.

Als het RAAS aanstaat, stimuleert dit natrium en de daaraan gekoppelde bicarbonaat resorptie in de proximale tubulus.

Anorganische zuren

Naast organische produceert het lichaam door de verbranding van eiwitten/aminozuren ook anorganische zuren, bijvoorbeeld:

• H₃PO₄^- (fosfaat)
• H₃SO₄^- (sulfaat)

Er is dus veel zuur (70 mmol/dag) dat kwijtgeraakt moet worden. Dit wordt op 3 manieren kwijtgeraakt:

• Uitplassen van H⁺als vrij deeltje
  • De pH van de urine kan echter niet lager worden dan 4,5 → niet alles kan kwijtgeraakt worden
• Door gebruik te maken van titreerbare zuren
  • H₃PO₄^-(fosfaat) en H₃SO₄^- (sulfaat) → kunnen 30-40 mmol per dag bufferen
• Door gebruik te maken van ammonium excretie (NH₄⁺)
  •  NH₃ (ammoniak) komt uit de lever

Ongebonden H⁺ kan niet door de nieren uitgescheiden worden → het is toxisch. Zuur-excretie is hetzelfde als de terugresorptie van bicarbonaat.

Ammoniak:

NH₃ wordt nadat glutaminezuur is afgebroken uitgescheiden door de proximale tubulus cel. Het gaat door het hele systeem van het nefron. Ergens bij de distale tubulus wordt het opgenomen en getransporteerd. Het komt terecht in de verzamelbuis waar het samen met H⁺ een koppel vormt → het wordt NH₄⁺, waarmee heel veel zuur kwijtgeraakt kan worden.

Kalium en zuur-base

Bij hyper- en hypokaliëmie kan zowel acidose als alkalose optreden:

• Shift:
  • Hyperkaliëmie: ritmestoornis, spierzwakte, acidose
    • ECG: spitse T-toppen, verlengd QRS-complex
  • Hypokaliëmie: ritmestoornis, spierzwakte, alkalose, concentrering van urine lukt niet goed
• Renaal:
  • Hyperkaliëmie: verminderde zuurexcretie → acidose
  • Hypokaliëmie: verminder zuurexcretie → alkalose

Casus 1: respiratoire acidose

Een vrouw van 30 jaar heeft een overdosis heroïne genomen. Ze is niet wakker te maken. Haar ademhaling is oppervlakkig, 6x per minuut.

Uit bloedgasanalyse blijkt het volgende:

• pH = 7,26 (normaal 7,35-7,45)
• pCO₂ = 8,0 kPa = 60 mm Hg (normaal 4,5-6.0 kPa) → respiratoire acidose
• pO₂ = 5,0 kPa (normaal 10.5-13,6 kPa) → niet van belang voor zuur-base stoornissen
• HCO₃^- = 26 mmol/L (normaal 22-29 mmol/L) → niet te zeggen of er compensatie is
• Zuurstofsaturatie = 70%

Er is sprake van een acidose omdat de pH te laag is, en van een respiratoire acidose omdat de [CO₂] te hoog is. Omdat de [HCO₃^-] niet gestegen is, heeft de patiënt een acute en niet een chronische respiratoire acidose. Als het probleem chronisch was geweest, hadden de nieren de tijd gehad om meer HCO₃^- aan te maken.

Er is sprake van een acute respiratoire acidose als:

• De pCO₂ is gestegen met 10 mm Hg en de [HCO3^-] met 1 mmol/l
• De pCO₂ is gestegen met 1,33 kPa en de [HCO3^-] met 1 mmol/l

Casus 2: metabole acidose

Een vrouw van 20 jaar heeft 10x per dag infectieuze diarree.

Uit bloedgasanalyse blijkt het volgende:

• pH = 7,34 (normaal 7,35-7,45) → acidose
• pCO₂ = 4,1 kPa = 60 mm Hg (normaal 4,5-6.0 kPa) → verlaagd, er is compensatie opgetreden → hyperventilatie
• HCO₃^- = 16 mmol/L (normaal 22-29 mmol/L) → verlaagd → metabole acidose

Als er metabole acidose is, vindt er respiratoire compensatie plaats:

1. Als [H⁺] stijgt zal het lichaam de acidose "sensen" en sneller en dieper gaan ademen → "Kussmaulse ademhaling"
2. De respiratoire compensatie zorgt ervoor dat er meer CO₂ wordt uitgeademd
3. De reactie verschuift naar rechts en de concentratie [H⁺] daalt
4. Het evenwicht wordt hersteld → de pH is bijna normaal

Zonder de respiratoire compensatie zou de pH veel lager zijn geweest.

Er is sprake van een metabole acidose als:

• De pCO₂ is gedaald met 1,2 mm Hg en de [HCO3^-] met 1 mmol/l
• De pCO₂ is gedaald met 0,16 kPa en de [HCO₃^-] met 1 mmol/l

Casus 3: metabole acidose

Een jongen van 8 jaar plast veel, heeft veel dorst en ademt snel en diep.

Uit bloedgasanalyse blijkt het volgende:

• pH = 7,12 (normaal 7,35-7,45) → geen respiratoire compensatie
• pCO2= 2,2 kPa = 16 mm Hg (normaal 4,5-6.0 kPa) → verlaagd
• HCO3^-= 5 mmol/L (normaal 22-29 mmol/L) → zeer verlaagd
• Na⁺= 140 mmol/L (normaal 135-145) → normaal
• Cl^-= 100 mmol/L (96-107) → normaal

Omdat zijn [CO₂] is verlaagd en zijn [HCO3^-] ook is er sprake van een respiratoire compensatie en dus metabole acidose. 

Hij heeft een anion gap van:

•  140 - 100 - 5 = 35 mmol/L. 

Deze jongen heeft diabetes mellitus type 1.