สมดุลกรด-ด่างและการชดเชยทางการหายใจ

การออกกำลังกายอย่างหนักทำให้เกิดไฮโดรเจนไอออนเร็วกว่าที่ร่างกายจะกำจัดออกไปได้ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะทำให้ค่า pH ของเลือดลดลง ร่างกายจะรักษาสมดุลกรด-ด่างผ่านการบัฟเฟอร์ทางเคมี และที่สำคัญคือผ่านการชดเชยทางการหายใจ: การเพิ่มการระบายอากาศที่ลดคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดง จึงจำกัดการลดลงของค่า pH หัวข้อนี้อธิบายว่าภาวะเลือดเป็นกรดจากการเผาผลาญ (metabolic acidosis) จากการออกกำลังกายเกิดขึ้นได้อย่างไร และระบบทางเดินหายใจช่วยลดภาวะดังกล่าวได้อย่างไร

Definition

การชดเชยทางการหายใจระหว่างการออกกำลังกายคือการเพิ่มขึ้นของการระบายอากาศในถุงลมปอดที่ลดความดันคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดง เพื่อชดเชยภาวะเลือดเป็นกรดจากการเผาผลาญที่เกิดจากการออกกำลังกายอย่างหนักบางส่วน ซึ่งจะจำกัดการลดลงของค่า pH ในเลือด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงต้นกำเนิดของภาวะเลือดเป็นกรดจากการเผาผลาญจากการออกกำลังกายอย่างหนัก การบัฟเฟอร์ไฮโดรเจนไอออนในกล้ามเนื้อและเลือด และการชดเชยทางการหายใจที่ลดคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดงเพื่อรักษาระดับ pH โดยจะกล่าวถึงสิ่งเหล่านี้ในฐานะสรีรวิทยาเชิงบูรณาการสำหรับการอ้างอิงและการศึกษา ไม่ใช่การจัดการกรด-ด่างทางคลินิก

Core questions

• การออกกำลังกายอย่างหนักทำให้เกิดภาวะเลือดเป็นกรดจากการเผาผลาญได้อย่างไร?
• ภาระไฮโดรเจนไอออนที่เกิดขึ้นได้รับการบัฟเฟอร์ในกล้ามเนื้อและเลือดได้อย่างไร?
• การเพิ่มการระบายอากาศช่วยรักษาระดับ pH ในเลือดระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนักได้อย่างไร?
• ความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบของการเปลี่ยนแปลงกรด-ด่างจากการเผาผลาญและการหายใจในการออกกำลังกายคืออะไร?

Key concepts

• ภาวะเลือดเป็นกรดจากการเผาผลาญจากการออกกำลังกาย
• การบัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนต
• การชดเชยทางการหายใจ
• ความดันคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดง (PaCO2)
• ช่วงการบัฟเฟอร์แบบไอโซแคปนิก
• จุดชดเชยทางการหายใจ
• เบสส่วนเกิน (Base excess)

Mechanisms

ในระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนัก อัตราการสลายไกลโคเจน (glycolysis) จะเกินกว่าการกำจัดผลิตภัณฑ์จากการออกซิเดชัน และการปล่อยไฮโดรเจนไอออนที่เกี่ยวข้องมีแนวโน้มที่จะลดค่า pH ภายในเซลล์และในเลือด ภาระของไฮโดรเจนไอออนนี้จะถูกจัดการด้วยบัฟเฟอร์ทางเคมีเป็นอันดับแรก ซึ่งส่วนใหญ่เป็นระบบไบคาร์บอเนต ซึ่งจะใช้ไบคาร์บอเนตและสร้างคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มเติม ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงค่า pH ในเลือดจึงน้อยกว่าที่ภาระการเผาผลาญเพียงอย่างเดียวจะคาดการณ์ไว้ (Sahlin 1980; Sahlin 1978) เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้นอีก การเพิ่มขึ้นของการระบายอากาศจะลดความดันคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดง ซึ่งเป็นการชดเชยทางการหายใจที่รักษาระดับ pH ในหลอดเลือดแดง ในการออกกำลังกายแบบเพิ่มระดับความเข้มข้น สิ่งนี้จะให้ช่วงการบัฟเฟอร์แบบไอโซแคปนิก (isocapnic buffering range) เริ่มต้น ซึ่งการบัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนตจะชดเชยภาระกรดในขณะที่คาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดงคงที่ ตามด้วยจุดชดเชยทางการหายใจ (respiratory compensation point) ซึ่งการระบายอากาศจะเพิ่มขึ้นไม่สมส่วนกับการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ และคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดงลดลง (Wasserman 1973)

Clinical relevance

องค์ประกอบของการเปลี่ยนแปลงกรด-ด่างจากการเผาผลาญและการหายใจในระหว่างการออกกำลังกายเป็นพื้นฐานของช่วงการบัฟเฟอร์แบบไอโซแคปนิกและระยะการชดเชยทางการหายใจที่ระบุในการทดสอบสมรรถภาพหัวใจและปอดจากการออกกำลังกาย (cardiopulmonary exercise testing) ข้อมูลนี้อธิบายสรีรวิทยาปกติสำหรับการอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการจัดการหรือการรักษาภาวะกรด-ด่างทางคลินิก

Evidence & guidelines

ข้อมูลนี้อ้างอิงจากการศึกษาในมนุษย์เกี่ยวกับสถานะกรด-ด่างในเลือดและกล้ามเนื้อระหว่างและหลังการออกกำลังกายอย่างหนัก และจากการศึกษาเกณฑ์การแลกเปลี่ยนก๊าซแบบคลาสสิก ซึ่งสังเคราะห์ในบทวิจารณ์และตำราสรีรวิทยา (Sahlin 1980; Sahlin 1978; Wasserman 1973; ตำรา West) หลักฐานเป็นเชิงกลไกและเชิงสังเกต

History

การตอบสนองของกรด-ด่างต่อการออกกำลังกายได้รับการอธิบายผ่านการศึกษาในช่วงกลางถึงปลายศตวรรษที่ 20 เกี่ยวกับสารเมแทบอไลต์ในเลือดและกล้ามเนื้อระหว่างการทำงานอย่างหนัก ซึ่งได้วัดปริมาณภาวะเลือดเป็นกรดจากการเผาผลาญและการบัฟเฟอร์ (Sahlin 1978; Sahlin 1980) ควบคู่ไปกับการศึกษาการแลกเปลี่ยนก๊าซที่กำหนดเกณฑ์ของการบัฟเฟอร์และการชดเชยทางการหายใจ (Wasserman 1973)

Debates

ควรระบุแหล่งที่มาของภาวะเลือดเป็นกรดจากการออกกำลังกายอย่างแม่นยำเพียงใด?

คำอธิบายทั่วไประบุว่าภาวะเลือดเป็นกรดเกิดจากการปล่อยไฮโดรเจนไอออนที่มาพร้อมกับการเผาผลาญไกลโคเจนอย่างเข้มข้น การคำนวณทางชีวเคมีที่แม่นยำของการผลิตและการกำจัดโปรตอนได้รับการตรวจสอบใหม่ในวรรณกรรมทางสรีรวิทยา

Key figures

• Kent Sahlin
• Eric Hultman
• Karlman Wasserman
• Brian J. Whipp

Seminal works

• sahlin-1980
• wasserman-1973

Frequently asked questions

ทำไมเลือดจึงมีความเป็นกรดมากขึ้นในระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนัก?

การออกกำลังกายอย่างหนักทำให้เกิดไฮโดรเจนไอออนเร็วกว่าที่ร่างกายจะกำจัดออกไปได้ด้วยการออกซิเดชัน และแม้ว่าบัฟเฟอร์ทางเคมีและการหายใจที่เพิ่มขึ้นจะจำกัดการเปลี่ยนแปลง แต่ค่า pH ในเลือดจะลดลงในระหว่างการทำงานหนัก

การหายใจช่วยรักษาระดับ pH ในเลือดระหว่างการออกกำลังกายได้อย่างไร?

การเพิ่มการระบายอากาศจะกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์และลดความดันในหลอดเลือดแดง ซึ่งจะเปลี่ยนบัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนตและชดเชยภาระกรดจากการเผาผลาญบางส่วน ซึ่งจำกัดการลดลงของค่า pH