H+ + HCO3- ⇌ H2CO3 에서
Acid dissociation Constant (Ka) = [H+][HCO3-]/[H2CO3] 이므로 양변에 log를 취하면
logKa = log[H+] + log[HCO3-] - log[H2CO3] 이고
-log[H+] = -logKa + log[HCO3-] - log[H2CO3] 이므로
pH = pKa + log([HCO3-]/[H2CO3]) 인데
pKa는 상수이므로 pH ≈ log([HCO3-]/[H2CO3]) 이다.
그런데 H2CO3 ⇌ H2O + CO2 에서
Partial pressure of carbon dioxide in arterial blood (PaCO2) ≈ [H2CO3] 이므로
따라서 pH ∝ [HCO3-]/PaCO2 이다.
Metabolic alkalosis
Cause: Vomiting 등
Mechanism: 구토로 인해 위 내의 H+가 줄어들게 되므로 이를 회복하기 위해 Gastric mucosa에서 위 내로 H+를 분비해야하므로 체내에서 H2CO3 → H++ HCO3- 반응이 일어나고 생성된 H+는 위 내로 분비되고 HCO3-는 체내에 증가하여 pH가 증가하게 됨
Compensation: pH를 유지시켜려면 PaCO2를 증가시켜야하므로 보상반응으로 폐에서 Hypoventilation을 일으킴 (신장에서 HCO3-의 베설을 증가시키는 보상반응은 일어나지 않음. 왜냐하면 구토일 때 volume depletion, aldosterone, hypokalemia에 의해 HCO3-를 excretion 하기 위한 Renal threshold가 높아지기 때문.)
Metabolic acidosis
Cause: Lactic acidosis, 설사, Diabetic ketoacidosis 등
Mechanism: [H+]↑ → [H+]를 낮추기 위해 HCO3-가 buffer 역할 → [HCO3-]↓
Compensation: pH를 유지시키려면 PaCO2를 감소시켜야하므로 보상반응으로 폐에서 Hyperventilation을 일으킴. (신장에서 HCO3-를 재흡수하는 보상반응은 없음. 평상시에는 glutamine이 glutaminsase에 의해 deamination되어 ammonia와 glutamate로 나누어지고 또 glutamate는 glutamate dehydrogenase에 의해 deamination되어 ammonia와 α-Ketoglutarate로 나누어짐. 이 ammonia는 H+와 결합하여 Urea가 되어 신장으로부터 배설되는데 이 과정에서 Urea 생산에 필요한 H+를 만들기 위해 H2O + CO2 → H2CO3 → H+ + HCO3- 반응이 일어나고 이렇게 생성된 HCO3-는 체내에 쌓임. 대사성 산증일땐 [H+]가 높아 굳이 H+를 새로 만들어낼 필요가 없으므로 H2O + CO2 → H2CO3 → H+ + HCO3- 반응이 평상시보다 감소함. 어쨌든 Urea배출이 많아져서 [H+]가 감소하긴 하는데 이건 보상반응이 아니라 secondary reaction일뿐임)
Respiratory alkalosis
Cause: Sepsis (cytokine이 CNS의 respiratory center 자극), 임신 중 Progesterone이 CNS의 respiratory center 자극, Hepatic failure로 인해 CNS의 respiratory center 자극, emphysema (not severe) 등
Mechanism: CNS (brainstem의 medulla oblongata와 pons)의 respiratory center 자극에 의해 hyperventilation이 일어남 → PaCO2↓
Compensation: pH를 유지시키려면 [HCO3-]를 감소시켜야하므로 보상반응으로 신장에서 HCO3-의 재흡수가 감소함.
Respiratory acidosis
Cause: atelectasis (pneumothorax 등), chronic obstructive pulmonary disease, CNS의 respiratory center 자극(respiratory alkalosis에서의 자극과는 반대자극), emphysema (severe) 등
Mechanism: hypoventilation → PaCO2↑
Compensation: pH를 유지시키려면 [HCO3-]를 증가시켜야하므로 보상반응으로 신장에서 HCO3-의 재흡수가 증가함.