Physiology

Physiology · 4.5

酸塩基平衡。pH調節と酸塩基平衡異常の代償における肺と腎の役割。

The acid-base balance. The role of the lung and kidney in the regulation of the pH and in the compensation of acid-base imbalances.

応用トピック
酸塩基平衡とその異常有害物質中毒―エチレングリコール・メタノール・重金属・毒キノコ妊娠に伴う生理的変化（心血管・呼吸器系）代謝性・呼吸性アシドーシス代謝性・呼吸性アルカローシス小児腎尿細管疾患酸塩基平衡と酸塩基異常の治療動脈血液ガス検査と結果の解釈急性呼吸不全

🧠 は「Henderson-Hasselbalch式1つに集約される、肺（分母）と腎（分子のHCO₃⁻）の綱引き」として読む。pH=pK′+log⁡[HCO3−]α⋅PCO2pH = pK' + \log\frac{[HCO_3^-]}{\alpha \cdot P_{CO_2}}——は腎が、は肺が支配する。だから代謝性の異常は肺が代償し、呼吸性の異常は腎が代償する、という「相手を頼る」構造がすべての代償パターンの根っこにある。

血液の酸塩基パラメータ

指標 正常値
pH 7.35–7.45
PaCO₂ 38–42 mmHg
（standard bicarbonate） 23–25 mmol/L（PaCO₂=40mmHg時の）
実測HCO₃⁻（actual bicarbonate） 23–25 mmol/L（実際の血中値、PaCO₂に依存して変動）
44–49 mEq/L（血液の全。半分がHCO₃⁻）
±2.5 mEq/L（正常BBからの偏差）

💡 1molのHCO₃⁻は1molのH⁺しか緩衝できないが、1molの蛋白（Hbなど）はアミノ酸側鎖の負電荷が多いため複数molのH⁺を緩衝できる。 BBはこれらすべてのを当量換算した合計値。

酸の分類

分類 定義 例 排泄経路
気体化して肺から排出できる CO₂（CO2+H2O⇌H2CO3⇌H++HCO3−CO_2+H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^++HCO_3^-） 肺
不（固定）酸 CO₂以外に由来し肺から排出できない 含硫アミノ酸由来の硫酸、リン脂質由来のリン酸、乳酸など 腎（緩衝＋）

pHとその生理学的重要性

pH=−log⁡[H+]pH = -\log[H^+]

H⁺は酵素・受容体・イオンチャネル・輸送体・など生体分子に広く影響する。蛋白の（HPr⇌H++Pr−HPr \rightleftharpoons H^+ + Pr^-）はイオン濃度分布（特に[K⁺]・[Ca²⁺]）にも影響する。

⚠️ 血液pHはあくまで「細胞内で何が起きているか」を知るための診断ツール。 正常細胞質のpH（約7.2）は血液pH（7.4）より酸性側にある——細胞は自らのpHをある程度でき、プロトン負荷が増えれば排出しようとする。

緩衝系

とその共役塩基（またはとその共役酸）の組み合わせで、生理的pH範囲付近で機能する。

  • HCO₃⁻/H₂CO₃： 体内最重要（[HCO₃⁻]=23-25mM）。
  • ： 尿路で重要。
  • ： 血漿ではアルブミン、赤血球ではHb（Bohr効果：HHb⇌Hb+H+HHb \rightleftharpoons Hb + H^+）。

開放系 vs 閉鎖系：

系 例 特徴
開放系 HCO₃⁻/H₂CO₃（CO₂） 呼吸により分単位で急速に調節可能
閉鎖系 H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻、HPr/Pr⁻ 急速に調節できない

⭐ HCO₃⁻が最重要な理由は「濃度が高い」ことと「開放系である」ことの2点。 強酸（H₂SO₄など）が完全解離してもHCO₃⁻がH⁺を吸収しCO₂として呼気に排出されるため、正常範囲のH⁺（nmolオーダー）に対しHCO₃⁻（mmolオーダー）は十分な緩衝余力を持つ。

Henderson-Hasselbalch式

pH=pK′+log⁡[HCO3−]α⋅PCO2pH = pK' + \log\frac{[HCO_3^-]}{\alpha \cdot P_{CO_2}}

（H2O+CO2→H2CO3H_2O+CO_2 \to H_2CO_3はが触媒。αはCO₂のH₂Oへの溶解度係数）。正常値代入：pH=6.1+log⁡240.03×40=7.40pH = 6.1 + \log\frac{24}{0.03\times40} = 7.40。

pH=pK′+腎機能呼吸pH = pK' + \frac{\text{腎機能}}{\text{呼吸}}

——この対応関係が、において腎と肺が二大制御臓器である理由を式そのものが表している。

各体液区画の主要緩衝系

区画 主な
蛋白（Hbなど）、CO₂/HCO₃⁻、有機・
血漿 CO₂/HCO₃⁻、（Ca²⁺-H⁺競合：酸性でCa²⁺が置換され遊離Ca²⁺↑、アルカリ性で逆）
間質 CO₂/HCO₃⁻が主（蛋白が少ないため相対的に重要）※灌流不良だとCO₂が肺まで運ばれず「開放系」として機能しなくなる
脳脊髄液 ほぼCO₂/HCO₃⁻のみ（蛋白がほとんどない）。が感知
尿路 、クレアチニン、NH₄⁺（「」——緩衝ではなく捕捉）

腎による酸塩基平衡調節

典型的な西洋型食事における酸負荷

由来 量
食事からの正味酸摂取 30 mmol/日
代謝による酸産生 40 mmol/日
合計 70 mmol/日
（参考）肺が処理する（CO₂） 15,000 mmol/日

70 mmol/日のH⁺は肺から排出できないため、腎が①尿中緩衝物質による緩衝 約30mmol ②NH₄⁺による捕捉 約40mmolの2経路で処理する。尿pHは緩衝前なら1-2だが、実際は緩衝により4.5-8となる。

腎の2大機能：

  1. 濾過されたHCO₃⁻をすべて再吸収する（GFR120×24mM=4320mmol/日を再吸収しないと直ちにアシドーシスに陥る——「ほとんどの腎疾患はアシドーシスに傾く」理由）。
  2. 血中pHに応じて「新しい」HCO₃⁻を産生/分泌する。
NAE(正味)=酸度（緩衝分）+NH4+排泄（捕捉分）−HCO3−排泄NAE(\text{正味}) = \text{酸度（緩衝分）} + NH_4^+\text{排泄（捕捉分）} - HCO_3^-\text{排泄}

尿中緩衝物質

が主要な尿緩衝物質（pKa 6.8、尿の生理的pH範囲4.5-8に近い）。クレアチニンも緩衝するがpKa（約5）がやや低く効率は劣る。70mmol中、リン酸が約18mmol、クレアチニンが約5.5mmolを緩衝（合計約23mmol）——残りはNH₄⁺による捕捉が担う。

①近位尿細管でのHCO₃⁻再吸収

flowchart TD
  A["管腔側Na+/H+<span class='jp-term jp-term-diagram' title='antiporter'>対向輸送体</span>：Na+流入・H+分泌"]
  A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intraluminal'>管腔内</span>でH++濾過HCO3-→H2CO3→（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='carbonic anhydrase'>炭酸脱水酵素</span>）→CO2+H2O"]
  B --> C["CO2+H2Oが細胞内へ拡散→再びH2CO3形成"]
  C --> D["H+は<span class='jp-term jp-term-diagram' title='antiporter'>対向輸送体</span>で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='recycling'>再循環</span>、HCO3-は<span class='jp-term jp-term-diagram' title='basolateral side'>基底側</span>Na+/HCO3-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cotransporter'>共輸送体</span>で間質へ"]

α型・β型介在細胞

型 機能 機序
α型 H⁺分泌・HCO₃⁻再吸収 管腔側H⁺-ATPase・H⁺/K⁺-ATPaseでH⁺分泌、分泌1つにつきCl⁻/HCO₃⁻交換体でHCO₃⁻をへ再吸収
β型 HCO₃⁻分泌・H⁺再吸収 管腔側Cl⁻/HCO₃⁻交換体でHCO₃⁻分泌、H⁺-ATPaseでH⁺再吸収

体はアシドーシス/アルカローシスの状況に応じ、どちらのタイプのを優位に働かせるかを切り替えられる（Hensin蛋白による細胞の極性再構成が関与）。

②「新しい」HCO₃⁻産生とNH₄⁺排泄

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proximal tubule'>近位尿細管</span>：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutaminase'>グルタミナーゼ</span>がグルタミンをNH4+と新しいHCO3-に分解"]
  A --> B["NH4+はNH3+H+に解離。NH3は脂溶性で管腔へ拡散、H+はNa+/H+交換体で分泌→NH3+H+=NH4+として<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intraluminal'>管腔内</span>へ"]
  A --> C["新HCO3-は<span class='jp-term jp-term-diagram' title='basolateral side'>基底側</span>から血中へ（酸負荷の緩衝分を補充）"]
  B --> D["TALのNa+/K+/2Cl-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cotransporter'>共輸送体</span>がK+の代わりにNH4+を取り込み髄質間質へ輸送（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='recycling'>再循環</span>）"]
  D --> E["髄質間質にNH3が濃縮される"]
  E --> F["集合管：脂溶性NH3が管腔へ拡散し戻り、α型<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intercalated cells'>介在細胞</span>が分泌するH+と結合→NH4+として排泄"]

⭐ NH₄⁺は緩衝物質ではなく「」。 一度H⁺と結合したNH₄⁺（イオン形態）は脂質膜を通過できずに閉じ込められる——これにより体は不可逆的にH⁺を体外へ「捨てる」ことができる。

肺による酸塩基平衡調節

PACO2=863×V˙CO2V˙AP_{ACO_2} = 863 \times \frac{\dot V_{CO_2}}{\dot V_A}

を変えることでPCO₂を、それゆえHenderson-Hasselbalch式を通じて血液pHを分単位で速く調節できる。

換気状態 PCO₂ pHへの影響
（代謝的必要以上の換気） <40mmHg pH↑
低換気（代謝的必要に満たない換気） >40mmHg pH↓

💡 呼吸の第一の目的はO₂供給ではなくpCO₂（＝pH）の維持。 高地では低pO₂に応じてが起こりpHが上昇するが、これはHbの解離曲線をさせを保つ効果もある——呼吸は「pHの解決策」にも「pHの原因（・低換気自体が酸塩基異常を生む）」にもなりうる二面性を持つ。

化学受容器と酸塩基平衡

受容器 感知対象 特徴
CSF中のH⁺（PCO₂経由の間接感知） 安静時の約75%を担う。CO₂は血液脳関門を通過しCSF中でH⁺・HCO₃⁻を生じるが、CSFはHCO₃⁻以外のをほぼ持たないため短期的にはpH変化を打ち消せない（長期的には適応してHCO₃⁻レベルが調整される）
動脈pH・pO₂（直接）＋PCO₂ PCO₂への感度はCCRより低いが、CCRが異常なPCO₂レベルにしてしまった場合でもpH異常自体を検出できる——重要なバックアップ機構

3段階の防御ライン

ライン 機序 時間スケール
第1（化学的緩衝, chemical buffering） 産生されたH⁺を即座に緩衝（70mmol/日の） 秒単位
第2（呼吸性緩衝, respiratory compensation） CO₂（）を呼気排出（15,000mmol/日） 分単位
第3（腎性緩衝, renal compensation） 新HCO₃⁻産生＋尿中緩衝物質によるH⁺排泄＋NH₄⁺トラップ 時間単位

⚠️ 腎性の防御ラインがなければ、膀胱内は胃のように強酸性になってしまう。 尿中緩衝物質とNH₄⁺トラップは、単に体内酸を排出するだけでなく、下部尿路の組織を酸傷害から守る役割も兼ねている。

酸塩基平衡異常の分類

アシドーシス／アルカローシスは血液pHそのものではなく、pH・PCO₂・[HCO₃⁻]の組み合わせで定義される「病態」である点に注意（血中pHが正常範囲内でも代償された酸塩基異常はありうる）。

診断手順：①pHを測定し/を判定 ②PCO₂とHCO₃⁻を見て呼吸性か代謝性かを判定 ③両方変化していれば、どちらが原発性でどちらが代償性かを推論する。

呼吸性アシドーシス

指標 変化
pH <7.35
PaCO₂ >40mmHg（一次性）
BB・BE 変化なし（急性期）
変化なし（急性期）
実測HCO₃⁻ 著明に上昇（>>24mM、CO₂由来）

原因： 肺疾患（肺気腫などの、換気障害）、吸入気の高PCO₂、薬物（オピオイド過量→抑制、致死的）。

代償（腎性、遅い）： 腎のNAE↑→新HCO₃⁻産生→BB・BE・標準/実測HCO₃⁻すべて上昇しpHを7.4に近づける。原疾患（肺気腫など）が続く限りPCO₂高値は持続する。

呼吸性アルカローシス

指標 変化
pH >7.45
PaCO₂ <40mmHg
実測HCO₃⁻ 低下（<24mM）

原因： 、高地（低pO₂→）、薬物（アスピリン過量→刺激）。

代償： 腎のNAE↓（H⁺排泄↓）→HCO₃⁻再吸収↓→標準/実測HCO₃⁻低下。

非呼吸性（代謝性）アシドーシス【最も重要・最も頻度が高い】

指標 変化
pH <7.35
PaCO₂ 変化なし（一次性）
BB・BE 低下（BB<44mEq/L、BE<−2.5mEq/L）
標準/実測HCO₃⁻ 低下（<24mM）

原因： 糖尿病（ケト酸蓄積）、腎不全（70mmolの固定酸を排泄できない）、下痢（便中HCO₃⁻喪失）、激しい運動（乳酸産生↑でHCO₃⁻消費）。

代償（呼吸性、速い）： →PaCO₂低下（：糖尿病患者にみられる深く速い呼吸パターン）。腎のNAEも可能な範囲で増加。

⚠️ 治療は血液pHそのものではなく根本原因（糖尿病、腎不全など）を治療する。

非呼吸性（代謝性）アルカローシス

指標 変化
pH >7.45
PaCO₂ 変化なし
BB・BE 上昇（BB>49mEq/L、BE>2.5mEq/L）
標準/実測HCO₃⁻ 上昇（>24mM）

原因： 胃酸喪失（嘔吐）、（H⁺分泌↑）、アルカリ製剤の過剰摂取。

代償： 低換気→PaCO₂上昇。腎のNAE↓。

混合型アシドーシス

複数の病態が同時に存在する場合（例：糖尿病+COPD、腎不全+薬物過量）。pH<<7.35、PaCO₂>40mmHg、BB・BEともに低下——代償の余地が乏しく、根本治療までの時間を薬物でpHをコントロールし稼ぐ必要がある。

陰イオンギャップ

AG=[Na+]−([Cl−]+[HCO3−])≈8–16 mEq/LAG = [Na^+] - ([Cl^-] + [HCO_3^-]) \approx 8\text{–}16\ \text{mEq/L}

測定されるとの差——実際には未測定の（蛋白、リン酸、クエン酸、硫酸など）を反映する。

⭐ AG上昇型の代謝性アシドーシスは「体内で新たに酸が産生された」ことを示す。 乳酸・ケト酸などの新酸がH⁺と（測定されない）に解離し、HCO₃⁻が消費される一方でCl⁻は変化しない——結果としてAGが開く。下痢によるHCO₃⁻喪失（AG正常型）とはこの点で区別できる。

Ca²⁺・K⁺と酸塩基平衡の相互作用

Ca²⁺

（アルブミンなど）はCa²⁺と結合するが、酸塩基状態でその結合量が変わる。

pH↑(アルカローシス)→蛋白がH+を放出（負電荷↑）→Ca2+結合量↑→遊離[Ca2+]↓pH\uparrow(\text{アルカローシス}) \to \text{蛋白がH}^+\text{を放出（負電荷↑）} \to \text{Ca}^{2+}\text{結合量↑} \to \text{遊離[Ca}^{2+}]\downarrow

⚠️ 遊離Ca²⁺の低下はの閾値を下げ、APが発生しやすくなる（様の不, tetany）。 呼吸筋に及べば致死的になりうる——（）で手足の・が起こる機序。

K⁺

pH +0.1→[K+] −0.5mM（おおよその関係）pH\ +0.1 \to [K^+]\ -0.5\text{mM（おおよその関係）}

アシドーシス→高K血症、アルカローシス→低K血症。 機序：アシドーシス下ではTAL・集合管のROMKチャネルが阻害され、K⁺の管腔側への/分泌が減り体内にK⁺が留まる（4-02-tubular-transport-processes参照）。K⁺濃度の変化はNernst式・GHK式を通じ膜電位に直結するため、心臓（SA結節を含む）の興奮性に影響し不整脈を招きうる。

まとめ

  • Henderson-Hasselbalch式（pH=pK′+log⁡[HCO3−]/αPCO2pH=pK'+\log[HCO_3^-]/\alpha P_{CO_2}）がの中心で、HCO₃⁻は腎、PCO₂は肺が支配する——だから代謝性異常は肺が、呼吸性異常は腎が代償する。
  • 腎は①濾過HCO₃⁻の完全再吸収②グルタミン代謝による新HCO₃⁻産生＋NH₄⁺トラップによるH⁺排泄、という2大機能で1日70mmolの固定酸負荷を処理する。
  • 防御は化学的緩衝（秒）→（分）→腎性代償（時間）の3段階。
  • 4つの一次性障害（呼吸性/代謝性アシドーシス・アルカローシス）は、pH・PaCO₂・HCO₃⁻の組み合わせパターンと、対側臓器による代償方向で鑑別する。
  • は代謝性アシドーシスの原因（新規酸産生 vs HCO₃⁻喪失）を鑑別する。酸塩基異常はCa²⁺（蛋白結合を介して）・K⁺（ROMK活性を介して）の血中濃度にも直結する。