تنظيم الغازات التنفسية والتوازن الحمضي القاعدي

كيف تستشعر الحيوانات وتثبت مستويات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة (pH) في سوائل أجسامها، وتعدل التهوية وتبادل الأيونات للحفاظ على الكيمياء الداخلية ضمن حدود ضيقة.

Definition

تنظيم الغازات التنفسية هو التحكم الاستتبابي في الضغوط الجزئية للأكسجين وثاني أكسيد الكربون في سوائل الجسم من خلال تعديل التهوية والتروية، والتوازن الحمضي القاعدي هو الحفاظ على درجة حموضة سوائل الجسم ضمن حدود ضيقة عن طريق التخزين المؤقت وعن طريق التنظيم التنفسي والإفرازي لثاني أكسيد الكربون والبيكربونات.

Scope

يغطي هذا الموضوع تنظيم غازات الدم وحالة التوازن الحمضي القاعدي: المستقبلات الكيميائية التي تراقب الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة؛ التحكم الانعكاسي في التهوية، وفي الكائنات التي تتنفس الماء، في وظيفة الخياشيم؛ نظام البيكربونات العازل ووصفه؛ وتعويض الاضطرابات الحمضية القاعدية بوسائل تنفسية وكلوية أو خيشومية. ويتناول كيفية اختلاف هذه الضوابط بين الكائنات التي تتنفس الهواء وتلك التي تتنفس الماء. التغطية مقارنة وميكانيكية وليست سريرية.

Core questions

• كيف تستشعر الحيوانات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة في سوائل أجسامها؟
• كيف يتم تعديل التهوية للحفاظ على غازات الدم ضمن حدود ضيقة؟
• لماذا يعتبر ثاني أكسيد الكربون محوريًا جدًا في التوازن الحمضي القاعدي؟
• كيف تختلف الكائنات التي تتنفس الهواء وتلك التي تتنفس الماء في تنظيم درجة الحموضة؟

Key theories

التحكم في التهوية بواسطة المستقبلات الكيميائية

تراقب المستقبلات الكيميائية الطرفية والمركزية الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة وتدفع التغيرات الانعكاسية في التنفس، بحيث تزداد التهوية عندما يزداد ثاني أكسيد الكربون أو الحموضة أو ينخفض الأكسجين، مما يؤدي إلى استقرار غازات الدم.

نظام البيكربونات العازل والتفاعل التنفسي الأيضي

يعمل نظام ثاني أكسيد الكربون-بيكربونات على تخزين درجة حموضة سوائل الجسم، ولأن ثاني أكسيد الكربون متطاير، يمكن تنظيم درجة الحموضة بسرعة عن طريق التهوية وببطء أكبر عن طريق تعديل البيكربونات من خلال الكلى أو الخياشيم.

Mechanisms

تكتشف المستقبلات الكيميائية الانحرافات في الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة وتغذي مراكز الانعكاس التي تعدل معدل وعمق التنفس، وفي الكائنات التي تتنفس الماء، معدل تهوية الخياشيم. نظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون يشكل حمض الكربونيك، فإن تغيير التهوية يحول درجة حموضة سوائل الجسم بسرعة: فرط التهوية يخفض ثاني أكسيد الكربون ويرفع درجة الحموضة، ونقص التهوية يفعل العكس. يمتص نظام البيكربونات العازل، الذي تحكمه العلاقة بين درجة الحموضة وثاني أكسيد الكربون والبيكربونات، أحمال الحمض والقاعدة، بينما يعوض التعديل الأبطأ للبيكربونات بواسطة الكلى في الكائنات التي تتنفس الهواء أو عن طريق تبادل الأيونات عبر الخياشيم في الكائنات التي تتنفس الماء الاضطرابات المستمرة. نظرًا لأن الماء البارد يحتوي على الكثير من ثاني أكسيد الكربون، فإن الكائنات التي تتنفس الماء تعمل بمستويات أقل من ثاني أكسيد الكربون في الدم وتعتمد بشكل أكبر على البيكربونات ونقل الأيونات بدلاً من التهوية للتحكم في درجة الحموضة.

Clinical relevance

يوضح الفسيولوجيا المقارنة لتنظيم الغازات والتوازن الحمضي القاعدي الاستجابات للتمرين والارتفاع والغوص ونقص الأكسجة البيئي ويؤطر تفسير قياسات غازات الدم ودرجة الحموضة. هذا المدخل هو مادة مرجعية تعليمية ولا يقدم إرشادات طبية.

History

أرسى عمل هالدين حول تنظيم التنفس بواسطة ثاني أكسيد الكربون والمعالجة الكمية لهندرسون وهاسلبالش لنظام البيكربونات العازل التحكم في غازات الدم ودرجة الحموضة، وحدد اكتشاف هيمانز للمستقبلات الكيميائية الشريانية أجهزة الاستشعار. وسعت الفسيولوجيا المقارنة هذه الأفكار لتشمل الاستراتيجيات المتناقضة للكائنات التي تتنفس الهواء وتلك التي تتنفس الماء.

Key figures

• John Scott Haldane
• Lawrence Henderson
• Karl Hasselbalch
• Corneille Heymans

Seminal works

• westsd2012
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

لماذا يتحكم التنفس في درجة حموضة الدم بهذه السرعة؟

يشكل ثاني أكسيد الكربون حمضًا في الدم، لذا فإن تغيير سرعة التنفس يرفع أو يخفض ثاني أكسيد الكربون بسرعة، وبالتالي يحول درجة الحموضة في غضون ثوانٍ إلى دقائق.

هل تنظم الأسماك التوازن الحمضي القاعدي بنفس طريقة الثدييات؟

ليس تمامًا. نظرًا لأن الماء يزيل ثاني أكسيد الكربون بسهولة، فإن الأسماك تعتمد بشكل أقل على تغيير التهوية وبشكل أكبر على تبادل أيونات الحمض والقاعدة عبر خياشيمها للتحكم في درجة الحموضة.