酸塩基平衡とは?腎臓と呼吸(肺)でのPH調整について

腎臓

人間が生命活動する為には、体内で物質が分解されたり、合成されたりなど化学反応が行われています。その化学反応をスムーズに行えるように酵素が助けています。そして、酵素が適正に働く為には、適したpHがあります。

体内のpHは、呼吸腎臓の働きによりpH=7.4±0.05と非常に狭い範囲で調整しています。しかし、慢性腎不全になると腎臓の働きが悪くなり、pHの調整ができなくなります。

今回は、呼吸と腎臓によりどのようにpHが調整されているか、また透析によりどのようにpHの調整を行っているかという酸塩基平衡について紹介します。

新人のCEや看護師さんにも分かるように、pHとは何か?というところから、じっくり説明しますね。

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pHとは

酸塩基平衡について理解するには、pHを知っておかなければなりません。pHとは、酸の強さを表す単位です。日常生活では、酸性雨や弱酸性石鹸などといった言葉を耳にすると思いますが、その酸のことです。

具体的に酸の強さとは、H(水素イオン)濃度のことです。どれだけ、たくさんの水素イオンが含まれているかということです。

酸の濃度は、1mol/L~10-14mol/Lまでで表されます。
(ちなみに10-14とは、1を1014で割った値のことを言います。0.000000000000001になりますね)

しかし、この表示方法では数が小さくなりすぎて、見ずらいので対数をとって pH=-log[H] と計算して表示します。

この式に当てはめると例えば
水素イオン濃度(H+)が、10-7mol/Lの場合は、式に当てはめて
pH=-log10-7 これを計算すると
pH=7 となります。

対数の計算は、高校で習うと思いますが別にこの計算は分からなくて大丈夫です。

水素イオン濃度が低いほど、pHの値が大きくなる。水素イオン濃度が高いほどpHの値が小さくなるということだけ覚えてもらえればオッケーです。

各水素イオン濃度に対する、pHは以下のようになります。

10-0mol/L→pH=0
10-1mol/L→pH=1
10-2mol/L→pH=2
10-3mol/L→pH=3
10-4mol/L→pH=4
10-5mol/L→pH=5
10-6mol/L→pH=6
10-7mol/L→pH=7
10-8mol/L→pH=8
10-9mol/L→pH=9
10-10mol/L→pH=10
10-11mol/L→pH=11
10-12mol/L→pH=12
10-13mol/L→pH=13
10-14mol/L→pH=14

ちなみに、pH=0~6を酸性、pH=7を中性、pH8~14をアルカリ性といいます。人間の場合はpH=7.4±0.05なので弱アルカリ性ですね。

腎臓でのpHの調整

pHの調整は、腎臓の尿細管の上皮細胞内で行われます。上皮細胞内で以下の化学反応が起こり、H+を排出しています。

H20 + CO2 → H2CO3 → HCO3 + H

上の式を、言葉で説明します。
腎臓の上皮細胞で、水(H20)と二酸化炭素(CO2)がたくさんあるとそれが、反応して重炭酸(H2CO3)ができます。重炭酸は、安定性が低い為直ぐに重炭酸イオン(HCO3)と水素イオン(H)に分離されます。

水素イオンは、尿細管腔に捨てられて尿として体外に排出されます。重炭酸イオンは、血管内に戻されます。血管に戻された重炭酸イオンは、肺でのpH調整に使われます。

呼吸でのpHの調整

呼吸でのpHの調整には、腎臓で造られた重炭酸イオンが使用されます。呼吸でのpHの調整について、化学式で表します。

HCO3 + H+ → H2CO3 → H2O + CO2

腎臓の尿細管上皮細胞から排出された重炭酸イオンは血管内で、水素イオンと反応して、重炭酸となります。重炭酸は水と二酸化炭素に分かれます。二酸化炭素は、呼吸により体の外に排出されます。これが、呼吸により水素イオンを排出する反応です。

透析でのpHの調整

透析患者の場合は、腎臓の働きが悪くなる為、腎臓から水素イオンを排出することができなくなります。その為、血液中の水素イオン濃度が上昇して、体液が酸性になってしまいます。このように、腎臓が原因で酸性になることを、代謝性アシドーシスといいます。

透析患者の場合は、腎臓での水素イオンの排出ができない為、呼吸で水素イオンを排出する必要があります。

HCO3 + H → H2CO3 → H2O + CO2
上の式は、呼吸での水素イオン排出の化学式です。

透析液から重炭酸イオンを血液中に補充してやり、重炭酸イオンと血液中の水素イオンを反応させて、重炭酸ができます。重炭酸は、水と二酸化炭素に分かれるので、二酸化炭素は、呼吸により体外に排出します。水は、透析での除水により排出するということです。

透析液には、重炭酸を補充する為に重炭酸ナトリウムが含まれています。

ヘンダーソンヘンダーソン・ハッセンバルヒの式

上記のように、体内のpHの調整は呼吸腎臓の働きにより調整されています。
体内のpHの調整は、ヘンダーソン・ハッセンバルヒの式で表されます。

pH=6.1+log [HCO3/(0.03×PCO2)]

この式の意味は
重炭酸イオンが分子にあるので、重炭酸イオンが増えるとpHが上昇する。重炭酸イオンが低下するとpHが低下する。

そして、二酸化炭素分圧が分母にあるので、二酸化炭素が上昇するとpHが低下する。二酸化炭素が低下するとpHが上昇する
ということを表しています。ちなみに、二酸化炭素分圧は、呼吸量により決まります。呼吸量が多くなると二酸化炭素分圧は低くなり、呼吸量が少なくなると二酸化炭素分圧が上がります。

このようにして、pHを一定に保っているということです。

酸塩基平衡のまとめ

・体内のpHの調整は腎臓と呼吸(肺)で行っている。
・腎臓の尿細管上皮細胞で水素イオンの排出をしている。
・呼吸では、二酸化炭素の量を調整して、pHを調整している。
・pHが下がるの(酸性になるの)は、重炭酸イオン低下または、二酸化炭素分圧上昇時
・pHがあがるの(アルカリ性になるの)は、重炭酸イオン上昇または、二酸化炭素分圧低下時

もっと詳しく勉強したい方は日腎会誌の酸塩基平衡がお勧めです。