[二] 酸碱平衡
1. 碳酸H2CO3在水溶液中会一部分分解成碳酸根离子HCO3-与氢离子H+, 写成化学式:H2CO3 HCO3- + H+ -代表带一负电荷, +代表带一正电荷这里箭头有双向, 可见也是会达到化学平衡, 其符合的数学式是:[HCO3-]*[H+}/[H2CO3] = 某定值 其中 * 代表乘法.
2. 上面的化学式若与前一篇所提之二氧化碳水合的化学式 CO2 + H2O H2CO3合起来: CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ 数学式也合起来得:[HCO3-]*[H+]/[CO2] = 某定值, 整理一下得[H+] = 某定值* [CO2]/[HCO3-]
3. 上面最后的式子显示: [CO2]越高, 或 [HCO3-]越低则 [H+]越高.因为[H+]代表酸度, 所以只要达成化学平衡 [CO2]/[HCO3-] 这比值也代表酸度,CO2是酸性的, HCO3-是碱性的.
4. 而且, HCO3-越多时, 则当CO2增加或减少一定量, 所引起的[H+]变化越小. 这现象称为 "HCO3- 具有缓冲功能".
5. 人体不止一直产生CO2, 也产生或吃进来其它的酸, 所以人体倾向于努力把 HCO3-留下来而把酸排出去, CO2靠肺呼吸排泄, H+与其它酸如 HSO4- 靠肾脏排泄到尿中.
6. 如果使用药物让肾脏留不住HCO3-而排到尿中, 体内会变酸, 而且CO2变动一点点就会引起较大的[H+]的变动. Diamox(acetazolamide)就是这样的药.
7. 人体有侦测体内酸碱的系统来控制呼吸换气的速率. 当体内酸多时呼吸立刻增加换气使CO2排出更多, 好让酸度下降. 因此Diamox会促进呼吸以使体内CO2减少. Diamox透过抑制"碳酸去水脢"的功能来抑制肾脏肾小管再吸收HCO3-来达到目的. 为何牵涉碳酸去水脢? 容后再述.
[三] 体内的质传方式: 扩散, 流动, 渗透, 主动运输
1. "质传" 也就是物质的输送(mass transport).
2. 体内主要是流体的环境. 流动(convection)是速度最快的质传方式.
3. 扩散(diffusion)的意思: 溶质在溶液中, 溶质的分子或离子会像虫一样乱动,乱动的结果, 如果原先溶质的浓度分布不均, 会渐渐变得均匀, 溶质由浓的地方移动往稀的地方. 这是很没效率的方法, 速度是流动的千分之一以下.
4. 渗透(osmosis)与主动运输(active transport) 是让物质进出 "半透膜" 的方式.
5. 半透膜是薄膜, 它选择性让一些溶质通过. 不同溶质能通过的通透性不同. 细胞膜就是半透膜, 还有细胞内的胞器的膜也是. 细胞膜内外许多物质浓度差很多, 例如钠, 钾离子内外差数十倍, 钙离子差千倍, 酸碱度也不同. 为何需要内外不同? 一个最主要的原因是: 让细胞膜成为控制细胞的开关, 当细胞膜对于某溶质的通透性突然改变时, 该溶质的细胞内浓度就突然改变, 引发细胞的某项功能动作. 人体的所有功能都是细胞的功能, 细胞膜的选择通透性是主要的基础, 虽然有些物质是自由进出细胞膜的且也很重要.
6. 一如扩散, 溶质倾向于由浓度高的一侧经半透膜到浓度低的那一侧. 这过程不需由外界施加能量, 此即 "渗透".
7. 若施加能量使溶质由浓度低的一侧经半透膜到浓度高的那一侧, 称为 "主动运输", 也可称之为 "帮浦pump".
8. 细胞膜的选择通透性虽然是生理所必需, 也带来麻烦. 二氧化碳在细胞内产生后, 要运送到肺泡呼出去的过程就要面临层层关卡.
9. 其实二氧化碳几乎是可自由进出细胞膜的, 那为何又有麻烦呢? 关键在二氧化碳在水中溶解度不高, 而血液是水溶液. 一物质若要有效运输到远处非得靠 "流动" 不可, 而该流动的流体若是水溶液, 那么这物质必须化为高溶解度的形式. 对于二氧化碳而言, 其高溶解度的形式就是碳酸H2CO3, 或碳酸氢根HCO3-.
10. 但又有一麻烦了, 碳酸H2CO3, 或碳酸氢根HCO3-都几乎不能通过细胞膜! 真麻烦!为何如此? 一个简单的解释, 细胞膜的构成是两层磷脂质, 脂质的部分背靠背形成细胞膜的中间拒水层而让亲水的磷酸向外. 因此较具脂溶性的物质较能通过, 二氧化碳便是如此, 但脂溶性物质自然较难溶于水.
11. 二氧化碳从产生的细胞要运送到肺泡在通过细胞膜时要保持二氧化碳形式, 在 "流动" 时要化为碳酸H2CO3, 或碳酸氢根HCO3-, 而细胞膜关卡有许多道, 所以必须常常在两种形式间转换, 这时就需要 "碳酸去水脢".
12. Diamox (acetazolamide) 抑制 "碳酸去水脢", 所以在这层面上是有害的. 二氧化碳的加速排出是高度适应最重要部分, 因此 Diamox (在大剂量时)?有害! 但为何(在小剂量时) Diamox可预防高山病? 下回分解吧.
[四] 碳酸去水脢在肾脏的角色 及 其它
1. Diamox是抑制碳酸去水脢的药, 碳酸去水脢会促进CO2与H2CO3之间的转换, 这前三回已经说明. (H2CO3 HCO3- + H+ 这步骤不需催化剂可立即平衡.)
2. CO2与H2CO3之间的转换很重要, 是CO2从组织运送到肺泡途中所必须, 且转换多次, 这上回也已说明, 因此, Diamox若完全抑制碳酸去水脢, 对CO2的排泄有害.
3. 但Diamox抑制肾脏的碳酸去水脢, 结果会使得肾小管回收 HCO3- 的功能受到抑制,结果 HCO3- 流失于尿中. (碳酸去水脢与肾小管回收 HCO3- 的关系后面会解释).
4. HCO3- 流失于尿中会导致体内变酸, 体内变酸会刺激呼吸中枢增加换气, 这第二回也有提及.
5. 增加换气会使CO2排出更多, CO2与氧有互相排挤效应, 体内CO2减少则氧增加.
6. 动脉血中CO2下降以增加氧就是高度适应, 反之, 动脉血中CO2无法减少而致氧在高度上升时降到很低, 是高山病的原因.
7. Diamox在低剂量时会抑制约98-99%的红血球中的碳酸去水脢, 残存的1-2%脢的活性仍
足够运送CO2所需; 但同样剂量却会抑制100%肾脏的碳酸去水脢, 使得HCO3-流失于尿
中, 而间接促使呼吸中枢加速换气而促进CO2从肺排出. 因此Diamox促进了高度适应.
但若剂量大到接近100%红血球中的碳酸去水脢被抑制, 则反而有害.
8. 以下解释碳酸去水脢与肾小管回收 HCO3- 的关系.
9. 肾脏是由许多肾元构成, 一个肾元就像一条长长的细管, 细管开头封闭但膨大凹陷,
像个球状的杯子, 杯子中(其实属于细管的外部)装着许多微血管. 微血管的血浆除了
蛋白质等大分子外, 会穿透微血管壁与杯子的壁跑到细管的内部来, 像在过滤一样,
这就是尿液形成的第一步. 杯子与其杯中的微血管合起来有个名称, 叫做肾小球, 或
肾丝球. 肾元的其余部分称做肾小管, 肾小管又分成数段各有不同名称与功能, 这就
不要管他了. 刚从肾小球过滤到肾小管的液体还不能称做尿液, 因为里面含有太多的
有用物质, 包括几乎所有血中的营养, 其中之一就是 HCO3- . 这些有用的物质都必须
回收(或称做 再吸收)到血液循环中, 只剩下不要的废物, 那才叫做尿液.
10. 回收HCO3-时要经过肾小管细胞的细胞膜(两次), 与微血管壁细胞的细胞膜, 一部份还要穿
过红血球的细胞膜, 如上回说明, 必须转换成CO2才能通过这些细胞膜, 这就需要用到
碳酸去水脢. 进入微血管内的血浆或红血球细胞内后又必须转换回HCO3-或H2CO3的型
态以增加溶解度, 才好利用血液循环这个有效率的质传方法(流动convection), 转换
来转换去都靠碳酸去水脢.
11. Diamox抑制碳酸去水脢, 所以抑制HCO3-的回收.
12. 以上是大略的介绍, 如果您不是好学喜欢思考的, 以下都不用看了.
13. HCO3-带一负电, 基于电平衡必同时于回收HCO3-时回收一阳离子, 这阳离子是Na+,
而不是H+, 因一般体内一直产生酸须排掉, 而且须留住Na+以维持血容量与血压.
至于Na+与血容量与血压的关系已离题太远, 就不说明了. ?14. 因此, Diamox抑制碳酸去水脢以致于增加HCO3-排于尿中, 同时也增加 Na+排于尿中,
而 Na+ 排于尿中会增加尿量, 所以Diamox算是一种利尿剂. 为何排钠会增加尿量,
这也不多作说明(其实是太复杂了, 一时整理不来).
15. 碳酸去水脢是催化剂, 只是缩短 CO2 + H2O H2CO3 达成平衡的时间, 为何在
CO2与H2CO3之间要转换的场合每次都如愿促进我们需要的方向而不是反方向呢? 好学
的人必定会提出这个问题. 在CO2从组织运送到肺泡呼出这条输送带上, 这问题较容
易回答, 因CO2一直被呼出, 组织一直产生CO2, 所以维持一个浓度梯度, 自然造成
向一个方向的drive. 在肾脏的场合并没那么简单. 其中还牵涉了 Na+, H+交换的帮
浦. 因为太难了(我也不甚了解), 所以这问题就保留啰.
16. CO2化为高溶解度的型态除了HCO3-与H2CO3外, 其实还有一种: CO2与蛋白质中的胺
基酸结合, 叫做carbamate(胺基甲酸), 也与碳酸去水脢有关, 其考量与HCO3-类似,
为免于复杂, 就点到为止.
17. Convection不止发生于血流, 也发生于细胞内的细胞质流, 也发生于组织间隙的淋巴
流. 如红血球内, 肾小管细胞内等, 从细胞这端到细胞那端, 若加上convection也比
只靠diffusion来得有效率, 因此碳酸去水脢发挥功能的场合还很多.
18. 碳酸去水脢的功能还不止限于CO2的质传或肾小管回收HCO3-, 还有许多其它生理功能
与它有关, 这些使得Diamox有其它疗效或副作用. 例如, 眼球内水样液的产生与它有
关, 所以Diamox可用于治某些青光眼. 唾液的产生, 胃酸的产生, 胰液的碱性也都与
它有关. 细胞内的酸碱度维持与碳酸去水脢关系也很大, 神经细胞内酸碱失衡会使其
功能障碍, 所以Diamox有神经方面副作用. 血管平滑肌细胞内酸碱失衡会使其放松而
降血压. 有一些与Diamox不同类的利尿剂, 例如furosemide, thiazides, 以往人们
以为与Diamox(acetazolamide)机转完全不同, 但后来发现也会抑制碳酸去水脢, 而
且其降血压效果与此有关, 尽管其利尿机转确实有极大不同. 既然furosemide 与
thiazides也可抑制碳酸去水脢, 能否用于高山病? 尚无这方面研究报告.
