Các hệ thống đệm trong cơ thể

I. ĐẠI CƯƠNG

• Một hệ đệm bao gồm một axit yếu và bazơ liên hợp với nó tạo thành một cặp axit - bazơ liên hợp. Ở đây ta chấp nhận định nghĩa axit - bazơ theo quan điểm của thuyết proton : axit là chất có khả năng cho proton (H+), bazơ là chất có khả năng nhận proton (H+)
• Các hệ đệm thực hiện chức năng của mình thông qua hoạt động đệm. Hoạt động đệm là hoạt động nhằm giới hạn sự thay đổi của pH của môi trường (dung dịch chứa hệ đệm đó)
• Giả sử ta ký hiệu một hệ đệm là HB/B− trong đó HB là một axit yếu, B− là bazơ liên hợp của nó.

Khi H+ được cho vào dung dịch, phản ứng xảy ra : H+ + B− → HB (1)

Khi OH− được cho vào dung dịch OH− + HB → HOH + B− (2)

Ta thấy rằng trong cả hai trường hợp (1) và (2) không có sự thay đổi đáng kể nồng độ H+ hoặc OH− trong dung dịch, hay nói cách khác pH của dung dịch ít thay đổi.

• Các hệ đệm chính trong cơ thể (bảng 4 - 1)

Ghi chú: Một số hệ axit hữu cơ khác : lactic, pyruvic, axetoaxetic..., có thể hoạt động như một hệ đệm, tuy nhiên vai trò của chúng không đáng kể bởi hai lý do : + số lượng quá nhỏ so với các hệ thống khác. + pH của dịch thể (7,4) không nằm trong vùng đệm của các hệ thống này.

• Trong cơ thể, các hệ đệm chính phân bố như sau (bảng 4-2)

Khi có một vài hệ đệm cùng tồn tại trong một dung dịch thì tất cả các hệ thống này đều đạt trạng thái cân bằng với cùng một nồng độ H⁺ của dung dịch. (hình 4-8)

Người ta có thể nhấn mạnh sự cân bằng của các hệ đệm trong dịch thể bằng phương trình Henderson - Hesselbalch

pH = pK₁ + log [HCO₃⁻] / [CO₂] = pK₂ + log [HPO₄²⁻] / [H₂PO₄⁻] = pK₃ + log [Protn⁻] / [HnProt]

Cân bằng giữa các hệ đệm đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích các rối loạn cân bằng kiềm - toan. Người ta có thể dựa vào trạng thái của một hệ đệm để xác định trạng thái của tất cả các hệ đệm còn lại. Thí dụ : Trong huyết tương, nhưng hiểu biết về hệ CO₂/HCO₃⁻ sẽ giúp ta mở rộng sang hệ HnProt/Protn⁻ và hệ Hnphos/phosⁿ⁻ mà không cần phải đo lường cụ thể nồng độ của protein và phosphat.

II. HỆ ĐỆM BICARBONAT :

Thành phần : CO₂, H₂CO₃, HCO₃⁻

Ký hiệu : : CO₂ / HCO₃⁻

1. Nguồn gốc :

CO₂ và một phần nhỏ HCO₃⁻ được sản sinh từ quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong cơ thể (bao gồm cả các phản ứng oxy hóa lẫn không oxy hóa). Mỗi ngày có khoảng 13000 - 20000 mmol CO₂ sản sinh. CO₂ được vận chuyển dưới nhiều hình thái

(1) Hòa tan sinh lý trong tuần hoàn máu, trong đó một số lượng rất nhỏ được hydrat hóa để tạo thành carbonic axit (H2CO3). Tỉ lệ CO2 hidrat hóa là 1‰, có nghĩa là cứ 1000 phân tử CO2 hòa tan thì có 1 phân tử H2CO3 được tạo thành.

(2) Hình thái HCO3- (3) Hình thái bicamino CO2

Hai hình thái (1) và (2) có liên quan đến pH của máu.

2. Xác định pH máu thông qua hệ thống bicarbonat :

CO2 sản sinh ⇌ CO2 hòa tan + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+ axit carbonic là một axit mạnh (pK = 3,5), tuy nhiên chỉ tồn tại trong máu với tỉ lệ 1‰. CO2 hòa tan vì thế là mẫu axit chủ yếu của hệ thống. Vì lý do này H2CO3 và CO2 hòa tan được gọi chung là “CO2 tự do” và tổng của H2CO3, CO2 hòa tan và HCO3- là CO2 toàn phần (hay CO2 total, CO2 content)

Như vậy hằng số cân bằng K của hệ thống phải là K = [HCO3-] × [H+] / ([H2 CO3] + [CO2 hòa tan]) = [HCO3-] × [H+] / [CO2 tự do] = 8 x 10^-7

pK = 6,1 Phương trình Henderson - Hesselbalch cho hệ thống :

pH = 6,1 + log [HCO3-] / ([CO2 toàn phần] - [CO2 tự do]) = 6,1 + log [HCO3-] / [CO2 tự do]

Hệ số Bunsen của CO2 tại huyết tương tại nhiệt độ 37°C : αCO2 = 0,58

Ta tính nồng độ CO2 tự do : + Bằng đơn vị mmol : mmol CO2/lit = (1000 × α x PCO2) / (760 x 22,4) ~ 0,03 PCO2 + Bằng đơn vị thể tích : VolCO2% = (100 × α x PCO2) / 760 ~ 0,07 PCO2

Từ đó ta suy ra : pH = 6,1 + log [HCO3-] / (0,03 . PCO2)

Máu động mạch PaCO2 = 40mmHg HCO3- = 24meq/L

pH = 6,1 + log (24 / (0,03 x 40)) = 6,1 + log 20 ~ 7,4

Máu tĩnh mạch PCO2 = 46mmHg HCO3- = 27meq/L

pH = 6,1 + log (27 / (0,03 x 46)) = 6,1 + log 19,5 ~ 7,4

Ta nhận thấy : pH của dịch thể, phụ thuộc vào hai yếu tố : HCO3- và PCO2. pH được duy trì trong giới hạn bình thường (7,4) là nhờ tỉ lệ [HCO3-]/0,03 PCO2 được giữ trong giới hạn xấp xỉ 20. Sự thay đổi của một trong hai yếu tố dẫn đến sự thay đổi pH : ↑ PCO2 → ↓ pH và ngược lại ↑ HCO3- → ↑ pH và ngược lại

3. Vai trò và khả năng đệm của hệ thống bicarbonat :

a. Vai trò :

Hệ đệm bicarbonat, cũng như các hệ đệm khác, có vai trò giới hạn sự thay đổi của pH, ở một mức độ nào đó, bằng cách chuyển axit mạnh (H+) khi thêm vào dịch thể, bằng một axit yếu hơn (CO2)

H+ + HCO3- → H2CO3 → CO2 + H2O

Thí dụ : Khi cho 12mmol HCl vào 1 lít dịch ngoại bào có nồng độ [HCO3-] = 24meq/L, PCO2=40mmHg.

Tính pH của dung dịch mới được tạo thành : pH ban đầu của dịch ngoại bào :

pH = 6,1 + log (24 / (0,03 × 40)) = 7,4

Khi cho 12mmol HCl vào, phản ứng xảy ra : 12H+ + 12Cl- + 24Na+ + 24HCO3- ⇌ 12Na+ + 12Cl- + 12Na+ + 12HCO3- + 12CO2 + 12H2O

pH cuối cùng của dung dịch : pH = 6,1 + log (12 / (1,2 + 12)) = 6,1 + log (12/13,2) = 6,06

Từ đó ta thấy rằng nếu chỉ riêng một mình hệ thống đệm thì không đủ để đưa pH trở lại giá trị ban đầu. Tuy nhiên phản ứng giữa hệ thống đệm và axit hay bazơ xảy ra ngay sau khi các axit hay bazơ thêm vào. Do đó người ta xem các hệ thống đệm như là bước bảo vệ đầu tiên của cơ thể trong cơ chế điều hòa cân bằng kiềm toan.

b. Khả năng đệm Như chương mục đã trình bày, khả nang hoạt động đệm của một hệ đệm được đánh giá thông qua hai yếu tố : pK và tổng khối lượng (axit và bazơ liên hợp) của hệ đệm đó.

Hệ đệm bicarbonat có khả năng đệm yếu vì : + pK của hệ đệm bicarbonat là 6,1. Do đó pH của máu (7,4) không nằm trong vùng đệm của hệ đệm bicarbonat + Tổng khối lượng của hệ đệm bicarbonat nhỏ hơn so với hệ đệm protein, hemoglobin.

Tuy nhiên hệ đệm bicarbonat có vai trò lớn trong cân bằng axit - bazơ vì cả hai yếu tố của hệ này có thể được điều chỉnh dễ dàng : HCO3- bởi thận và CO2 bởi phổi.

4. Ảnh hưởng của cân bằng axit - bazơ lên hệ đệm bicarbonat :

Trở lại phương trình Henderson - Hesselbalch đối với hệ đệm bicarbonat :

pH = 6,1 + [HCO3-] / (0,03 . PCO2)

Rõ ràng, pH phụ thuộc vào tỉ số [HCO3-]/0,03.PCO2

[HCO3-] / 0,03 . PCO2 ↑ → pH↑ : Tình trạng kiềm [HCO3-] / 0,03 . PCO2 ↓ → pH↓ : Tình trạng toan

Tỉ lệ [HCO3-]/0,03 PCO2 xác định pH của máu trong giới hạn bình thường, kiềm hay toan, nhưng không cho ta biết được cân bằng axit - bazơ có bị rối loạn hay không, bởi vì tỉ lệ này cũng là 20 trong trường hợp có rối loạn cân bằng axit - bazơ nhưng đã được cơ thể bù trừ. Như vậy để đánh giá mức độ trầm trọng của rối loạn, đồng thời nói lên khuynh hướng của sự bù trừ xảy ra theo cách thức nào, cần phải xác định tổng số lượng (HCO3- + 0,03 PCO2) hay (HCO3- + CO2 tự do) hay CO2 toàn phần.

Cụ thể : + Nếu pH huyết tương bằng 7,4 và [HCO3-] ~ 24meq/L, CO2 tự do ~ 1,2mmol/L : ta nói cân bằng axit - bazơ bình thường. + Nếu pH huyết tương khác 7,4 hoặc xấp xỉ 7,4 nhưng CO2 toàn phần khác giá trị bình thường : ta nói có bất thường cân bằng axit - bazơ.

Như vậy, về mặt lý thuyết, có 3 yếu tố để đánh giá các rối loạn kiềm toan, nếu dựa trên hệ đệm bicarbonat :

(1) Tỉ số [HCO3-] / 0,03 PCO2 hay pH

(2) PCO2 hay áp suất phần của CO2 trong mao

(3) CO2 toàn phần hay CO2 content

Thực tế, nếu không đòi hỏi phải tính toán chính xác, ta có thể xem CO2 toàn phần xấp xỉ bằng HCO3-, bởi vì giá trị CO2 tự do (0,03.PCO2) thì rất nhỏ so với HCO3-

CO2 toàn phần = CO2 tự do + [HCO3-] (CO2 content) (0,03 PCO2)

Vì 0,03 PCO2 nhỏ, [HCO3-] / CO2 toàn phần = 90 - 95% => CO2 toàn phần ~ [HCO3-]

• Như vậy, về mặt lâm sàng ta có thể đánh giá các rối loạn kiềm toan dựa vào 3 yếu tố : (1) pH

(2) PCO2 (thông thường lấy máu động mạch, ta có PaCO2)

(3) Nồng độ HCO3- (huyết tương máu động mạch)

• Bây giờ, ta dựa vào ba yếu tố này để chẩn đoán các rối loạn cân bằng kiềm toan và khuynh hướng bù trừ của cơ thể

a. Toan chuyển hóa (hình 4 - 9a)

Điện hình là trường hợp toan huyết do nhiễm xeton trong bệnh tiểu đường. Axit axeto axetic, được sản xuất với mức độ lớn hơn bình thường, kết hợp với HCO3- :

CH3-CO-CH2-COOH + HCO3- -> CO2 + H2O + CH3-CO-CH2- COO

Kết quả của phản ứng : nồng độ HCO3- giảm nhanh, H2CO3 sinh ra chuyển thành CO2 + H2O, pH giảm. Hô hấp bù trừ bằng tăng thông khí để thải CO2 ra ngoài. Do đó PaCO2 giảm, tỉ lệ [HCO3-]/0,03 PaCO2 vẫn xấp xỉ 20, pH vẫn trong giới hạn bình thường

b. Toan hô hấp (hình 4 - 9b)

Điện hình là trường hợp suy hô hấp cấp : CO2 bị úp lại trong máu : PaCO2 tăng, nồng độ HCO3- cũng tăng nhưng mức độ không bằng PaCO2, do đó pH máu giảm.

Thận bù trừ bằng cách tăng tái hấp thu HCO3-, tăng bài tiết H+. Hậu quả nồng độ HCO3- tăng nhanh hơn, tỉ lệ [HCO3-]/0,03. PaCO2 xấp xỉ 20, pH trở về giá trị bình thường

c) Kiềm chuyển hóa (hình 4 - 10a) - Nồng độ HCO3− tăng, PaCO2 bình thường, pH tăng - Bù trừ : giảm thông khí, giảm hấp thu HCO3− ở thận - Kết quả : PaCO2 tăng, nồng độ HCO3− tăng chậm, pH trở về giá trị bình thường

d) Kiềm hô hấp (hình 4 - 10b) - PaCO2 giảm rõ, nồng độ HCO3− giảm ít hơn pH tăng. - Bù trừ : giảm hấp thu HCO3− ở thận - Kết quả : Nồng độ HCO3− giảm nhiều hơn, pH trở về giá trị bình thường

III. CÁC HỆ THỐNG ĐỆM KHÁC :

1. Hệ đệm phosphat

Thành phần: HPO4−, H2PO4−

Ký hiệu : H2PO4− HPO4 2-

Hoạt động của hệ đệm phosphat tương tự như hoạt động của hệ đệm bicarbonat : + Khi thêm axit mạnh (H+)

H+ + HPO4 2- → H2PO4− + Khi thêm bazơ mạnh (OH-)

OH- + H2PO4 − → HPO4 2− + HOH

H2PO4 là một axit yếu HPO4 − là một bazơ yếu

Sự đổi axit hay bazo mạnh lấy một axit hay bazo yếu làm cho pH của dịch thể ít thay đổi pK của hệ đệm phosphat là 8,8, gần với giá trị pH của huyết tương hơn pK của hệ đệm bicarbonat (6,1). Tuy nhiên, nồng độ của hệ đệm phosphat trong dịch ngoại bào chỉ bằng 1/6 so với hệ đệm bicarbonat. Thế nên, khả năng đệm của hệ phosphat thấp hơn khả năng đệm của hệ bicarbonat.

Hệ đệm phosphat có vai trò đặc biệt trong dịch ống thận vì hai lý do : + nồng độ của phosphat trong dịch ống thận cao + pH của dịch ống thận hơi thấp hơn huyết tương do đó gần với giá trị pK của hệ phosphat hơn

Hệ đệm phosphat cũng có vai trò quan trọng trong tế bào vì nồng độ của chúng trong dịch nội bào lớn hơn nhiều lần so với dịch ngoại bào.

2. Hệ đệm protein :

Protein hiện diện với một số lượng lớn trong tế bào và trong huyết tương

Xét về mặt cấu tạo, phân tử protein bao gồm các axit amin nối với nhau bằng liên kết peptit. Trên phân tử protein có các nhánh tự do – COOH và − NH2

• COOH có thể cho H+ và hoạt động như một axit - COOH -> -COO- + H+
• NH2 có thể nhận H+ và hoạt động như một bazơ : - NH2 + H+ -> -NH3+
• Khi thêm axit mạnh (H+) : - NH2 + H+ -> -NH3+
• Khi thêm bazơ mạnh (OH-) - COOH + OH- -> -COO- + HOH

3. Khả năng đệm của các hệ đệm khác nhau :

dựa vào pK và số lượng của từng hệ đệm trong dịch thể

Thí dụ : + Nếu cho khả năng đệm của hệ bicarbonat trong mầu là 1, khả năng đệm tương đối của các hệ đệm còn lại là : - bicarbonat : 1 - phosphat : 0,3 - protein : 1,4 - hemoglobin : 6,5

• Nếu xét đến cả dịch kê, khả năng đệm tương đối của các hệ đệm là : - bicarbonat : 1 - phosphat : 0,3 - protein : 0,8 - hemoglobin : 2

• Nếu xét toàn bộ dịch cơ thể, ta thấy rằng 3/4 khả năng đệm của dich thể nằm bên trong tế bào, do sự hiện diện với số lượng lớn của phosphat và các hợp chất hữu cơ khác, nhất là protein.