Điều hòa khí hô hấp và cân bằng axit-bazơ

Cách động vật cảm nhận và ổn định oxy, carbon dioxide và pH của dịch cơ thể, điều chỉnh thông khí và trao đổi ion để giữ hóa tính bên trong cơ thể trong giới hạn chặt chẽ.

Definition

Điều hòa khí hô hấp là sự kiểm soát nội cân bằng (homeostatic control) áp suất riêng phần của oxy và carbon dioxide trong dịch cơ thể thông qua việc điều chỉnh thông khí và tưới máu (perfusion), và cân bằng axit-bazơ là việc duy trì pH dịch cơ thể trong giới hạn hẹp bằng cách đệm và bằng cách điều hòa hô hấp và bài tiết carbon dioxide và bicarbonate.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự điều hòa khí máu và trạng thái axit-bazơ: các thụ thể hóa học (chemoreceptors) theo dõi oxy, carbon dioxide và pH; sự kiểm soát phản xạ của thông khí và, ở động vật hô hấp dưới nước, chức năng mang; hệ đệm bicarbonate và mô tả của nó; và sự bù trừ các rối loạn axit-bazơ bằng các phương tiện hô hấp và thận hoặc mang. Nó đề cập đến cách các cơ chế kiểm soát này khác nhau giữa động vật hô hấp trên cạn và động vật hô hấp dưới nước. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ chế hơn là lâm sàng.

Core questions

• Động vật cảm nhận oxy, carbon dioxide và pH trong dịch cơ thể của chúng như thế nào?
• Thông khí được điều chỉnh như thế nào để giữ khí máu trong giới hạn hẹp?
• Tại sao carbon dioxide lại đóng vai trò trung tâm trong cân bằng axit-bazơ?
• Động vật hô hấp trên cạn và động vật hô hấp dưới nước khác nhau như thế nào trong việc điều hòa pH?

Key theories

Kiểm soát thông khí bằng thụ thể hóa học

Các thụ thể hóa học ngoại vi và trung ương theo dõi oxy, carbon dioxide và pH và thúc đẩy các thay đổi phản xạ trong hô hấp, do đó thông khí tăng lên khi carbon dioxide hoặc độ axit tăng hoặc oxy giảm, ổn định khí máu.

Hệ đệm bicarbonate và tương tác hô hấp-chuyển hóa

Hệ thống carbon dioxide–bicarbonate đệm pH dịch cơ thể, và vì carbon dioxide dễ bay hơi, pH có thể được điều hòa nhanh chóng bằng thông khí và chậm hơn bằng cách điều chỉnh bicarbonate thông qua thận hoặc mang.

Mechanisms

Các thụ thể hóa học phát hiện sự sai lệch về oxy, carbon dioxide và pH và truyền tín hiệu đến các trung tâm phản xạ điều chỉnh tốc độ và độ sâu của nhịp thở, và ở động vật hô hấp dưới nước là tốc độ thông khí mang. Vì carbon dioxide tạo thành axit carbonic, việc thay đổi thông khí nhanh chóng làm thay đổi pH dịch cơ thể: tăng thông khí làm giảm carbon dioxide và tăng pH, giảm thông khí làm ngược lại. Hệ đệm bicarbonate, được điều chỉnh bởi mối quan hệ giữa pH, carbon dioxide và bicarbonate, hấp thụ các tải axit và bazơ, trong khi sự điều chỉnh bicarbonate chậm hơn bởi thận ở động vật hô hấp trên cạn hoặc bằng cách trao đổi ion qua mang ở động vật hô hấp dưới nước bù đắp cho các rối loạn kéo dài. Vì nước lạnh chứa nhiều carbon dioxide, động vật hô hấp dưới nước có nồng độ carbon dioxide trong máu thấp hơn và phụ thuộc nhiều hơn vào bicarbonate và vận chuyển ion hơn là thông khí để kiểm soát pH.

Clinical relevance

Sinh lý học so sánh về điều hòa khí và axit-bazơ làm rõ các phản ứng với tập thể dục, độ cao, lặn và thiếu oxy môi trường, đồng thời định hình việc giải thích các phép đo khí máu và pH. Mục này là tài liệu tham khảo giáo dục và không cung cấp hướng dẫn y tế.

History

Công trình của Haldane về điều hòa hô hấp bằng carbon dioxide và cách xử lý định lượng của Henderson và Hasselbalch về hệ đệm bicarbonate đã thiết lập sự kiểm soát khí máu và pH, và khám phá của Heymans về các thụ thể hóa học động mạch đã xác định các cảm biến. Sinh lý học so sánh đã mở rộng những ý tưởng này sang các chiến lược tương phản của động vật hô hấp trên cạn và động vật hô hấp dưới nước.

Key figures

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

Seminal works

• westsd2012
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

Tại sao hô hấp kiểm soát pH máu nhanh chóng như vậy?

Carbon dioxide tạo thành axit trong máu, vì vậy việc thay đổi tốc độ thở nhanh chóng làm tăng hoặc giảm carbon dioxide và do đó làm thay đổi pH trong vòng vài giây đến vài phút.

Cá có điều hòa cân bằng axit-bazơ giống như động vật có vú không?

Không hoàn toàn. Vì nước dễ dàng mang đi carbon dioxide, cá ít phụ thuộc vào việc thay đổi thông khí và nhiều hơn vào việc trao đổi các ion axit và bazơ qua mang của chúng để kiểm soát pH.