一歩一歩学ぶ生命科学

Henderson-Hasselbalchの式

重炭酸緩衝系の平衡式(H++HCO3-←→H2O+CO2)から、

pH=6.1+log (HCO3-濃度/CO2濃度)

が導かれます。すなわち、血漿のpHは重炭酸イオン(HCO3-)濃度(mEq/L)のCO2濃度(mEq/L)に対する比で決まります。また、CO2濃度(mEq/L)はCO2分圧(mm Hg)×0.03(分圧をモル濃度に変換する溶解係数)と等しいので、上式は

pH=6.1+log(HCO3-濃度/CO2分圧×0.03)

  =7.62+log(HCO3-濃度/CO2分圧)

とも記載できます。

Henderson-Hasselbalchの式の意義

血漿のpHは重炭酸イオン(HCO3-)濃度のCO2濃度(分圧)に対する比で決まる。とのことは、平衡式をみるだけで理解できることです。しかし、Henderson-Hasselbalchの式により、実際の数値を代入することが可能です。運動などで数値がどのように変化するかを検討することにより、平衡式の理解が深まると思われます。

 安静時運動時
動脈血動脈血
乳酸濃度(mEq/L)15
HCO3-濃度(mEq/L)2420
CO2分圧(mm Hg)4035
HCO3-/CO20.60.571
log(HCO3-/CO2)-0.22-0.24
pH7.407.38
H+濃度(nEq/L)4042


Doll E, et al. (Am. J. Physiol. 215:23-29, 1968)のデータを参照。14名の健康な平均年齢24才の男性におけるデータです。自転車エルゴメータで50Wで6分間、つづいて100Wで6分間、つづいて150Wで6分間運動したときのデータです。

気づいていただきたい点は...

  • pHを決定するH+濃度の単位がnano (10-9)であり、乳酸濃度などの単位milli (10-3)と比較すると100万分の1である。
  • 激しい運動の筋肉運動により乳酸濃度が増大すると、HCO3-が消費(安静時、24 mEq/L:運動時、20 mEq/L)される。しかし、換気の亢進のため、動脈血中CO2濃度が減少(安静時、40 mmHg:運動時、35 mmHg)し、HCO3-/CO2比は、安静時と比べて、あまり減少しない。結局、H+濃度はあまり上昇せず、pHもあまり減少しない。
  • 運動による乳酸濃度の増加は生存可能なH+濃度範囲(20-100 nEq/L、 pH:7.7-7.0)と比べて桁違い(1->5 mEq/L)に大きい。ビーカに5 mEq/Lの乳酸のみの溶液があると、そのpHは約3.5になる。この大量の酸性物質にもかかわらず、pHの変動が極小なのが上記の理由による。なお,HCO3-が消費(安静時、24 mEq/L:運動時、20 mEq/L)されるだけで、CO2濃度が減少しなかったら、HCO3-濃度/CO2分圧比は、0.6から0.5に減少してしまい、pHも7.32まで低下する。


Challenge Quiz

1. 運動により筋から乳酸が血中に放出された。血漿緩衝系がなければ、乳酸が遊離するH+はpHを  上昇 低下 させてしまう。しかし、血漿緩衝系、特に、重炭酸緩衝系の重炭酸イオンは  酸性 アルカリ性 物質であり、H+と結合することで、運動時のH+の  増大 減少 を緩衝する。この際、重炭酸緩衝系は  H+ + HCO3- ← H2O + CO2 H+ +HCO3- → H2O +CO2 の方向に作用し、重炭酸イオンは  減少 増大 する。さらに、運動時、換気が亢進することにより動脈血CO2濃度が  減少 増大 し、この変化も(は)重炭酸緩衝系を  H+ + HCO3- ← H2O + CO2 H+ + HCO3- → H2O + CO2 の方向に作用させ、重炭酸イオンの緩衝作用を  助長 阻害 する。
2. 安静時、動脈血に比べて静脈血のpHは  低い 同等である 高い 。これは、筋肉など各臓器が  乳酸 リン酸 CO2 重炭酸 重炭酸イオン を放出し、肺での排出のために動静脈間で濃度差があり、重炭酸緩衝系はこれに対して静脈内で  H+ + HCO3- ← H2O + CO2 H+ + HCO3- → H2O + CO2 方向へ作用しているためである。