呼吸生理学：二氧化碳的调控

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呼吸生理学：二氧化碳的调控

呼吸系统在维持酸碱平衡方面发挥着不可或缺的作用。正常通气参与维持一个开放的缓冲系统，允许排泄非挥发性酸和碳酸氢盐相互作用产生的二氧化碳。更重要的是排出由脂肪和碳水化合物完全氧化产生的挥发性酸所产生的二氧化碳。体液中二氧化碳张力的原发性升高是呼吸性酸中毒的原因，最常见的原因是以下一种或多种情况：(1)影响肺毛细血管气体交换的障碍，(2)胸壁和呼吸肌的障碍，和/或(3)延髓呼吸中枢的抑制。呼吸性碱中毒或原发性低碳酸血症最常见于肺泡通气量增加的疾病，其定义为动脉二氧化碳分压<35 mm Hg，随后体液碱化。这两种疾病均可导致危及生命的并发症，因此临床医生对这些酸碱紊乱的病因和治疗有透彻的了解至关重要。

介绍

尽管体内代谢过程不断产生酸性代谢物，但动脉血 pH 值通常维持在 7.35 至 7.45 之间。动脉 pH 值的防御需要细胞内和细胞外缓冲液与肺和肾的协同作用。本期 AJKD 肾病学核心课程将重点关注酸碱平衡中涉及的呼吸调节机制以及该系统运行异常时出现的病理生理紊乱。

二氧化碳的来源

体内代谢过程会产生两种类型的酸。非挥发性酸（即H+）主要来源于饮食中产生硫酸的含硫氨基酸（半胱氨酸和蛋氨酸）和产生磷酸的磷蛋白的代谢。酸的其他来源包括膳食阳离子氨基酸（赖氨酸、精氨酸和组氨酸）的代谢以及每日少量产生的有机酸，例如乙酸、乳酸和丙酮酸。考虑到碱排泄到粪便中产生的少量酸后，摄入典型的西方饮食会产生每公斤体重约 1 mmol H+ 的每日净酸负荷。这个量根据饮食的构成而变化。谷物、鸡蛋、奶酪和肉类产生较高的酸负荷，而水果和蔬菜则提供碱。

向体内添加非挥发性酸后，细胞内和细胞外缓冲液可以最直接地防御 pH 值的变化。HCO3−/CO2 系统是最重要的缓冲系统，因为该系统的成分浓度高且开放。根据反应 HA + NaHCO3 ↔NaA + H2O + CO2，添加酸将 HCO3− 转化为 CO2。当 HCO3− 被消耗时，CO2 浓度保持在由呼吸控制设定的恒定水平。最终结果是产生的 H+ 不再是游离的，并且 pH 值的变化很小。如果该系统关闭，HCO3− 的消耗将伴随着 CO2 的立即增加，导致系统 pH 值急剧下降。当酸被肾脏排出后，消耗的 HCO3− 最终会再生。

挥发性酸（即H2CO3）是体内产生的第二种酸。每天大约产生 15,000 mmol 的二氧化碳，主要来自膳食碳水化合物和脂肪的完全氧化。根据反应 CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ +HCO3−，碳酸酐酶催化 CO2 和 H2O 形成 H2CO3。呼吸道负责排出细胞代谢过程中碳酸脱水产生的每日细胞二氧化碳。肺部的 CO2 排泄使动脉 CO2 张力（即动脉血中 CO2 分压 [PaCO2]）维持在 35 至 45 mm Hg 之间相对恒定。即使在最大运动量时，当 CO2 产生量增加多达 20 倍时，由于每分钟通气量和 CO2 排泄量相应增加，体液中的动脉 CO2 张力仍保持在正常范围内。比较每日非挥发性酸比例（70- 100 mmol）到需要排泄的挥发性酸（15,000 mmol），很明显，肺通气的停止几乎立即导致酸碱平衡破坏，在不到 1 小时内导致致命的酸血症。相比之下，肾功能丧失后类似程度的全身酸度需要数天才能出现，而时间长短受饮食影响很大。

二氧化碳运输

问题1: 组织中产生的二氧化碳主要通过以下哪种方式被输送到肺部排泄？

(a) 作为气体溶解在血浆中

(b) 由红细胞中的血红蛋白携带

(c) 在血浆中以HCO3-形式运输

鉴于细胞代谢过程中会产生大量挥发性酸，了解二氧化碳如何从组织转运到肺部进行最终排泄非常重要。组织中产生的大部分进入血液的二氧化碳都会转化为非气态形式进行运输（图 1）。通过考虑组织和肺之间成功排泄组织产生的 CO2 所需的低 CO2 分压 (PCO2) 梯度（约 6 mm Hg），这种转换的效率变得显而易见。如果运输仅通过血浆中物理溶解的气体进行，则分压梯度需要大 10 倍才能确保每日 CO2 负荷的成功排泄。事实上，只有大约 10% 的代谢产生的 CO2 被溶解在水中的血浆携带，因此选择 (a) 是不正确的。组织中产生的大部分二氧化碳进入红细胞，在那里进行水合形成碳酸，这是碳酸酐酶催化的反应。然后碳酸电离成 H+ 和 HCO3−。组织中血红蛋白的脱氧形式很容易结合 H+，并且 HCO3− 通过红细胞膜上的阴离子交换带 3 蛋白离开细胞，交换 Cl−。带 3 或阴离子交换剂 1 (AE1) 是碳酸氢根转运蛋白溶质载体 4 家族 (SLC4A1) 的成员。通过这个过程，大约 80% 的组织产生的 CO2 以 HCO3 的形式输送到肺部，因此选择 (c) 是正确答案。其余 10% 的运输是通过一小部分 CO2 直接与血红蛋白分子上的某些氨基酸结合，形成氨基化合物而发生的。因此选项 (b) 是错误的。

由于肺泡腔中的二氧化碳张力较低，血液到达肺毛细血管会导致二氧化碳的卸载。PCO2 的减少产生了局部碱度，有利于血红蛋白中 H+ 的释放。此外，随着血红蛋白氧化，组氨酸咪唑基团的 pK 值降低，为 H+ 释放提供额外的刺激。H+ 滴定红细胞中的 HCO3−，导致形成碳酸，碳酸在碳酸酐酶的催化下迅速脱水为 CO2 和 H2O。细胞内 HCO3− 的减少有利于 HCO3− 移动到红细胞中以交换 Cl−，这是组织中发生的顺序的逆转。HCO3− 产生的 CO2 与氨基化合物中的少量成分一起迅速进入肺泡室，因为肺泡毛细血管膜对 CO2 具有高度渗透性。这种平衡发生在红细胞沿肺毛细血管传输时间的一小部分内。

决定 PaCO2 的因素

根据等式 PaCO2 = K × VCO2/(VA)，PaCO2 与 CO2 产生量成正比，与肺泡通气量 (VA) 成反比，其中 K 是比例常数，VCO2 是 CO2 产生量。在 CO2 产生恒定的情况下，增加的 VA 会降低 PaCO2，导致动脉 pH 值升高。相比之下，在 VA 量固定的情况下，增加 CO2 产生会增加 PaCO2，导致酸血症。

正常情况下，延髓的呼吸中枢接收来自延髓腹侧表面的中枢化学感受器和颈动脉体、颈动脉分叉处和主动脉弓的外周化学感受器的刺激信号。这些化学感受器检测 PaCO2 和 H+ 浓度的变化。动脉氧张力的变化主要由颈动脉体中的外周化学感受器感知。二氧化碳张力只要增加 1 mmHg就足以通过髓质化学感受器发出刺激信号。这些化学感受器的敏感性解释了为什么高碳酸血症几乎总是由于无效的VA而不是代谢性二氧化碳产生增加的结果。脑干呼吸中枢接收到的输入会调整呼吸肌的运动输入，改变呼吸频率以及吸气的深度和持续时间。通过调整潮气量和呼吸频率来纠正负反馈回路中 PaCO2 和 pH 值的偏差，并稳定动脉血气。

每次呼吸的一部分被分配到不发生气体交换的区域。这些区域包括解剖死腔，包括鼻子、气管和支气管直至并包括终末细支气管。该潮气量约为正常潮气量 500 mL 或 150 mL 的 30%。即使潮气量变化，解剖死腔仍保持相对恒定。因此，以低潮气量为特征的呼吸模式会增加解剖死腔的百分比（例如，300 mL 潮气量/150 mL 死腔 = 0.5），并且如果总通气量不变，则容易发生高碳酸血症。

VA 是指到达灌注肺泡的总通气量，因此可有效消除二氧化碳。该过程的效率取决于各个气体交换单元中 VA 和灌注 (VA/Q) 的相对匹配（图 2）。在一个极端情况下，离开非灌注肺泡的气体成分与吸入的空气相同，因此是死腔通气的组成部分。在另一个极端，肺部不通气区域的灌注会阻止气体交换的发生并产生分流或静脉混合。在两个极端以及两者之间不匹配程度较小的情况下，气体交换效率都会降低，从而产生所谓的肺泡死腔。生理死腔是解剖死腔和肺泡死腔的总和。

肺泡死腔增加是影响肺气体交换部分的实质肺疾病（慢性阻塞性肺病 [COPD]、肺炎和间质性纤维化）和肺血管疾病患者高碳酸血症的主要原因。在这些疾病的早期阶段，死腔的增加刺激分钟通气量（因此VA），避免CO2潴留，患者仅表现出低氧血症。当剩余正常肺泡的过度换气无法再补偿肺单位中不断增加的肺泡死腔且 VA/Q 不匹配恶化时，最终会出现高碳酸血症。代偿反应的损害会更早发生，并伴有叠加的肌肉无力、疲劳或气道阻力增加。

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