Kontrolowanie równowagi kwasowo-zasadowej organizmu jest niezbędne dla zapewnienia stało?ci przemian biochemicznych ustroju, a stężenie jonu wodorowego w osoczu i innych przestrzeniach wodnych jest utrzymywane w bardzo wšskich granicach [1].

W 1908 r. Lawrence Joseph Henderson [2] zastosował do równania dysocjacji kwasu węglowego:

(1)

prawo działania mas, zgodnie z którym szybko?ć reakcji chemicznej jest proporcjonalna do stężenia reagentów. Po przekształceniu oraz podstawieniu w miejsce jonu wodorowęglanowego łatwiejszego do oceny parametru, jakim jest dwutlenek węgla, równanie można zapisać w postaci:

(2)

W 1916 r. Karl Albert Hasselbalch [2] przekształcił równanie Hendersona do formy odpowiadajšcej wprowadzonemu 6 lat wcze?niej przez Sörensena zapisowi pH i zastšpił jednocze?nie stężenie rozpuszczonego, czšsteczkowego dwutlenku węgla, przez jego prężno?ć, otrzymujšc:

(3)

gdzie SCO₂ (oznaczany także jako a) jest współczynnikiem rozpuszczalno?ci dla CO₂, wynoszšcym 0,03 mmol l^-1 mm Hg^-1 (0,23 mmol l^-1 kPa^-1) w temperaturze 37°C, a pK ujemnym logarytmem dziesiętnym stałej K z równania (2); jej warto?ć w temperaturze 37°C wynosi 6,1.

Przy PaCO₂ 40 mm Hg (5,3 kPa) stężenie wodorowęglanów w osoczu wynosi około 25 mmol l^-1; podstawiajšc poszczególne elementy równania otrzyma się 7,4, czyli warto?ć pH dla płynu pozakomórkowego.

Zmiany stężenia jonów wodorowych we krwi sš wynikiem zmian stężeń lotnych lub nielotnych kwasów. Kwasem lotnym jest dwutlenek węgla (gdyż jest wydalany przez płuca), nielotnymi wszystkie inne: solny, siarkowy, mlekowy. W warunkach klinicznych zmiany dotyczšce kwasów lotnych okre?lane sš jako oddechowe, nielotnych jako metaboliczne [3].

Istotnym problemem w ocenie metabolicznych zaburzeń gospodarki kwasowo-zasadowej jest wybór metody analitycznej. Konwencjonalny sposób interpretacji wynika z równania Hendersona-Hasselbacha; analizy stężenia jonu wodorowęglanowego lub wielko?ci nadmiaru/niedoboru zasad [4]. W podej?ciu tym zauważalne sš dwa nurty. W pierwszym z nich, zwanym kopenhaskim, dużš wagę przywišzuje się do nadmiaru/niedoboru zasad. W podej?ciu bostońskim podstawowe znaczenie ma analiza stężenia jonu wodorowęglanowego, a rodzaj zaburzenia okre?lany jest w wyniku porównania, czy obserwowane zmiany stężenia HCO₃^- i prężno?ci CO₂ sš zbieżne z przewidywanymi. Dyskusja pomiędzy zwolennikami obu szkół została nazwana wielkš transatlantyckš debatš na temat zaburzeń kwasowo-zasadowych [5]. Obecnie uważa się, że znacznie dokładniejsze diagnostycznie, zwłaszcza w ocenie krytycznie chorych, jest podej?cie współczesne, wywodzšce się z teorii fizykochemicznej Stewarta [6].

Zgodnie z tš koncepcjš zaburzenie klasyfikowane jest jako oddechowe, je?li zmiana pierwotnie dotyczy prężno?ci CO₂, lub metaboliczne, je?li dotyczy kwasów nielotnych [7, 8]. Stopień zaburzeń oddechowych jest proporcjonalny do odchylenia PaCO₂ od warto?ci prawidłowych. Wielko?ć zaburzeń metabolicznych jest ilo?ciowo oceniana poprzez nadmiar kwasów nielotnych. Założenie to nie wyja?nia jednak, który z kwasów odpowiedzialny jest za wystšpienie kwasicy w poszczególnych sytuacjach klinicznych. Całkowita ilo?ć kwasów nielotnych oceniana jest po?rednio, w oparciu o założenie, że ich buforowanie w płynie pozakomórkowym odbywa się głównie poprzez wodorowęglany, których każda czšsteczka, wišżšc jeden jon wodorowy, tworzy jednš czšsteczkę kwasów nielotnych. Nadmiar kwasów nielotnych powinien więc być proporcjonalny do obniżenia stężenia wodorowęglanów w stosunku do normy. Wielko?ć zaburzenia metabolicznego (w płynie pozakomórkowym) oceniana jest poprzez zmianę stężenia HCO₃^-; parametr ten nie jest mierzony bezpo?rednio, lecz wyliczany, w oparciu o wzór Hendersona-Hasselbacha, z warto?ci PaCO₂ i pH [9]. Jednak fakt, że PaCO₂ i HCO₃^- nie sš niezależne od siebie (zmiana prężno?ci dwutlenku węgla powoduje zmianę stężenia wodorowęglanów, ponieważ obydwa zwišzki znajdujš się w równowadze chemicznej) ogranicza dokładno?ć metody, gdyż na stężenie HCO₃^- wpływajš także zaburzenia oddechowe. Ponadto buforowanie w próbce krwi nie jest reprezentatywne dla całego płynu pozakomórkowego; trudno wyniki odnosić do całego płynu pozakomórkowego, choćby dlatego, że krew, ze względu na zawarto?ć hemoglobiny, jest lepszym buforem. Wreszcie założenie, że kwasy nielotne sš buforowane tylko przez wodorowęglany jest uproszczeniem, pomijajšcym rolę buforów wewnštrzkomórkowych.

Z równania (3) wynika, że CO₂ i HCO₃^- sš zmiennymi, poprzez które organizm koryguje wahania stężenia jonu wodorowego [1]. Wzrost prężno?ci CO₂ prowadzi do obniżenia pH i zwiększenia stężenia HCO₃^-. Je?li nieprawidłowemu pH towarzyszš wahania prężno?ci CO₂, to przyczyny zaburzeń majš podłoże oddechowe. Ponieważ CO₂ można przypisać odpowiednie warto?ci liczbowe, równanie Hendersona-Hasselbacha umożliwia ilo?ciowš ocenę zaburzeń oddechowych [3].

W oparciu o równanie Hendersona-Hasselbacha próbowano także oceniać metabolicznš komponentę zaburzeń kwasowo-zasadowych. Czę?ć z tych metod ma znaczenie wyłšcznie historyczne. W 1916 r. Hasselbach wprowadził pojęcie standardowego pH, czyli warto?ć pH krwi wysyconej tlenem przy PaCO₂ 40 mm Hg (5,33 kPa), w temperaturze 37°C. Do oceny zaburzeń metabolicznych wykorzystywano także zdolno?ć buforowania CO₂ [10].

Zmiany w stężeniu HCO₃^- niezbyt dokładnie odzwierciedlajš ilo?ciowe zmiany stężeń niewęglowych kwasów lub zasad; wynika to z istnienia buforów innych niż wodorowęglany, zwłaszcza albumin i hemoglobiny. Na podstawie samego stężenia HCO₃^- nie można wnioskować o udziale składowej metabolicznej w zaburzeniach równowagi kwasowo-zasadowej, gdyż stężenie jonu wodorowęglanowego zależy od prężno?ci CO₂, a ta jest wypadkowš jego wytwarzania i wentylacji pęcherzykowej. Prawidłowa ocena składowej metabolicznej oraz rozróżnienie przyczyn jej zmian wykracza poza równanie Hendersona-Hasselbacha [10].

Dla zwiększenia dokładno?ci oceny wprowadzano kolejne pojęcia: zasady buforowe [11], standardowe dwuwęglany, [1, 10] oraz nadmiar zasad [7].

Koncepcję zasad buforowych, wywodzšcš się z zasady elektroobojętno?ci (suma kationów równa jest sumie anionów), obrazuje diagram Gamble´a [12]. Zasady buforowe (BB) sš różnicš pomiędzy sumš wszystkich mocnych (tzn. całkowicie zdysocjowanych) kationów, a sumš wszystkich mocnych anionów. Zwiększajš się w zasadowicy metabolicznej, a obniżajš w kwasicy metabolicznej. Głównš niedogodno?ciš pomiarów BB jest zmiana pojemno?ci buforowej w zależno?ci od stężenia hemoglobiny i albumin [10]. W 1914 r. Christiansen, Douglas i Haldane odkryli, że odtlenowana krew lepiej, niż utlenowana, przenosi CO₂, ponieważ jest lepszym buforem. W rzeczywisto?ci zdolno?ć przenoszenia CO₂ ro?nie także ze względu na transport przez dezoksyhemoglobinę pewnej jego ilo?ci w postaci karbaminianów, co zostało opisane w 20 lat po doniesieniu Christiansena i wsp. [13]. Zdolno?ć buforujšca hemoglobiny zależy od grupy imidazolowej histydyny. Czšsteczka hemoglobiny zawiera 38 reszt histydyny; siła buforujšca białek osocza jest mniejsza aczkolwiek także proporcjonalna do zawarto?ci histydyny [13].

Pojęcie standardowe wodorowęglany okre?la stężenie wodorowęglanów w próbce krwi przy PaCO₂ 40 mm Hg (5,33 kPa) i w temperaturze 37°C. Stało?ć warunków oddechowych miała wyeliminować wpływ zmian prężno?ci CO₂ na stężenie HCO₃^-. Parametr ten w założeniu przypomina standardowe pH, wprowadzone 51 lat wcze?niej.

Kolejnš próbš zwiększenia dokładno?ci oceny komponenty metabolicznej był nadmiar zasad [1]. Według obowišzujšcej definicji jest to ilo?ć mocnego kwasu lub zasady, niezbędnš do przywrócenia in vitro jednemu litrowi całkowicie wysyconej tlenem ludzkiej krwi pH 7,4 w temperaturze 37°C (oryginalnie 38°C) i przy PaCO₂ 40 mm Hg (5,33 kPa) [9]. Przy wykorzystaniu tego parametru in vivo pojawiajš się niedokładno?ci. Wynikajš one ze zmian zasobu zasad następujšcych wraz ze zmianami prężno?ci CO₂. Nie uwzględnia się także wpływu wywieranego przez zmiany stężenia hemoglobiny, co jest istotne, bowiem równowaga dotyczy całego płynu zewnštrzkomórkowego czyli krwi i płynu ?ródmišższowego [3, 9]. Z tego powodu parametr zmodyfikowano (standardowy nadmiar zasad, SBE), uwzględniajšc ?rednie stężenie hemoglobiny w całej przestrzeni zewnštrzkomórkowej, wynoszšce 3,1 mmol l^-1. Wielko?ć ta nie oddaje prawdziwego stężenia hemoglobiny łšcznie we krwi i w płynie zewnštrzkomórkowym, jest raczej szacunkowym wyliczeniem majšcym na celu zwiększenie dokładno?ci nadmiaru zasad [3]. Choć SBE służy do ilo?ciowej oceny metabolicznych zmian równowagi kwasowo-zasadowej w organizmie, to nie odnosi się do drugiego problemu pojawiajšcego się przy wykorzystaniu równania Hendersona-Hasselbacha: nie mówi o mechanizmie zaburzeń metabolicznych.

Podział przyczyn kwasicy metabolicznej mogłoby ułatwić rozpoznanie i leczenie. W tym celu stworzono pojęcie luki anionowej [14]. Wywodzi się ono z zasady elektroobojętno?ci i wyliczane jest następujšco:

(4)

gdzie AG oznacza lukę anionowš, a stężenia jonów okre?lane sš w mmol l^-1 [15].

Warto?ć luki anionowej jest zwykle dodatnia i odzwierciedla aniony nie ujęte w tym równaniu, takie jak białka, fosforany, siarczany, i inne, nieokre?lone aniony. Podawane sš liczne czynniki, mogšce ograniczać użyteczno?ć luki anionowej. Szczególnie istotne u krytycznie chorych jest stężenie białek osocza, gdyż obniżenie stężenia albumin w surowicy krwi powoduje zmniejszenie luki anionowej [1].

Wykorzystanie luki anionowej w praktyce klinicznej ogranicza fakt, że uwzględnia ona tylko niektóre z anionów i kationów. W przypadkach hipoalbuminemii lub hipofosfatemii luka może być prawidłowa, także w obecno?ci niemierzonych jonów. Dla u?ci?lenia oceny stwierdzanych zaburzeń wprowadzono więc pojęcie skorygowanej luki anionowej [16].

Skorygowana (dla albumin [mmol l^-1]) luka anionowa = obliczona luka anionowa + 0,25 x (prawidłowe stężenie albumin [g dl^-1] – aktualne stężenie albumin [g dl^-1]) [5].

Nieskorygowana luka anionowa ma niewielkš warto?ć w wykrywaniu niezmierzonych jonów. Istnieje jednak ?cisła zależno?ć pomiędzy skorygowanš lukš anionowš a różnicš mocnych jonów (SID; patrz dalej); wykazano, że skorygowana luka anionowa może w praktyce klinicznej zastšpić znacznie trudniejsze do wykonania oznaczenie SID [17].

Bazujšc na pracach Schwartza i Relmana [18], koncepcja ta stanowi alternatywnš metodę ilo?ciowej oceny zaburzeń kwasowo-zasadowych. Bierze ona pod uwagę reakcje zachodzšce w całym organizmie, nie tylko we krwi. Ocena stopnia zaburzeń metabolicznych opiera się na porównaniu aktualnych (zmierzonych) warto?ci HCO₃^- z oczekiwanymi (tab. I). Wykorzystywane sš w tym celu następujšce reguły:

1. Ocena pH:

– odchylenia pH od normy wskazujš na kwasicę lub zasadowicę;

– je?li pH jest prawidłowe, wówczas albo nie ma zaburzeń kwasowo-zasadowych, albo działajš mechanizmy kompensacyjne (w zaburzeniach mieszanych).

2. Ocena stężenia HCO₃^- i PCO₂:

– je?li HCO₃^- i PCO₂ sš obniżone, sugeruje to obecno?ć albo kwasicy metabolicznej albo zasadowicy oddechowej; nie można wykluczyć zaburzeń mieszanych;

– je?li HCO₃^- i PCO₂ sš podwyższone, sugeruje to obecno?ć albo zasadowicy metabolicznej albo kwasicy oddechowej; nie można wykluczyć zaburzeń mieszanych;

– je?li HCO₃^- i PCO₂ zmieniajš się w przeciwnych kierunkach, wówczas musi istnieć zaburzenie mieszane.

3. Ocena odpowiedzi kompensacyjnej (tab. I) polega na wyliczeniu, w oparciu o ustalone wzory, odpowiedzi kompensacyjnej organizmu:

– w ostrej kwasicy oddechowej stężenie HCO₃^- zwiększa się o 1 mmol l^-1 na każde 10 mm Hg (1,33 kPa) wzrostu prężno?ci CO₂;

– w przewlekłej kwasicy oddechowej stężenie HCO₃^- zwiększa się o 4 mmol l^-1 na każde 10 mm Hg (1,33 kPa) wzrostu prężno?ci CO₂ węgla;

– w ostrej zasadowicy oddechowej stężenie HCO₃^- zmniejsza się o 2 mm Hg (0,27 kPa) na każde 10 mm Hg (1,33 kPa) spadku próżno?ci CO₂;

– w przewlekłej zasadowicy oddechowej stężenie HCO₃^- zmniejsza się o 5 mm Hg na każde 10 mm Hg (1,33 kPa) spadku prężno?ci CO₂;

– w kwasicy metabolicznej oczekiwana prężno?ć CO₂ wynosi: 1,5 x [HCO₃^-] + 8;

– w zasadowicy metabolicznej oczekiwana prężno?ć CO₂ wynosi: