電解質と体液/pH調節関連の用語定義/重炭酸緩衝系と肺とによるpH調節

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)	1	5
HCO3-濃度(mEq/L)	24	20
CO2分圧(mm Hg)	40	35
HCO3-／CO2比	0.6	0.571
log(HCO3-／CO2)	-0.22	-0.24
pH	7.40	7.38
H+濃度(nEq/L)	40	42

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  正解!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  正解!物質であり、H⁺と結合することで、運動時のH⁺の　 増大 減少  正解!を緩衝する。この際、重炭酸緩衝系は　 H⁺ + HCO₃^- ← H₂O + CO₂ H⁺ +HCO₃^- → H₂O +CO₂  正解!の方向に作用し、重炭酸イオンは　 減少 増大  正解!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  正解!し、この変化も(は)重炭酸緩衝系を　 H⁺ + HCO₃^- ← H₂O + CO₂ H⁺ + HCO₃^- → H₂O + CO₂  正解!の方向に作用させ、重炭酸イオンの緩衝作用を　 助長 阻害  正解!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  正解!。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  正解!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  正解! 方向へ作用しているためである。