LMP301 2014 Lecture 4 and 5.pdf

6 Pages
Unlock Document

University of Toronto St. George
Laboratory Medicine and Pathobiology
Kenneth Yip

    Lecture  4  and  5:  Acid-­‐Base  Disorders   Acid-­‐Base  Concepts     + -­‐ H  is  hydrogen  ion  in  solution   -­‐ Maintained  within  very  tight  limits  35 -­‐45nmol/L   -­‐9 (10^ )   -­‐ pH  =  -­‐log10H ]   -­‐ pH  of  plasma  =  7.4  (range  7.35 -­‐7.45)  à  anything  beyond  is  incompatible  with  life   -­‐ or  10 -­‐7.40mol/L  =  0.00000004  or  40nmol/L   -­‐ pH  7.30-­‐7.50  è  for  each  increase  of  0.1  in  pH  =  decrease  of  1nmol  of  [H ]   + -­‐ Acid  is  a  H  donor  (adds  H  to  the  solution)   -­‐ Base  is  a  H+  acceptor  (takes  H  OUT  of  solution)   -­‐ When  an  acid  dissociates,  you  get  a  proton  and  an  anion  (conjugate  base  of  the  acid)   -­‐ Conjugate  base  (A-­‐)  forms  when  acid  (HA)  loses  H   + + -­‐ -­‐ HA    H  +  A   -­‐ Physiological  buffers  are  “weak”  acids  or  bases  (Resists  pH  change)     -­‐ Maintains  pH  as  close  as  possible  by  accepting  or  donating  excess  protons   à  add  H ,  equation  shifts  to  the  left,  increases  HA  and  decreases  A -­‐     à  when  a  proton  is  added  to  the  solution,  buffer  will  try  to  absorb  it  so  that  the  equilibrium  will  shift  over   to  HA   à  remove  H ,  equations  shifts  to  the  right,  decreases  HA  and  increases  A -­‐     à  if  you  take  away  a  proton,  the  equilibrium  will  shift  the  other  way     Body  Buffers   Body   -­‐ bicarbonate  (HCO )  à  fou3d  in  ECF  and  ICF   -­‐ plasma  proteins  and  hemoglobin   à  minor  role   à  proteins  are  made  of  amino  acids,  and  some  have  a  side  chain  that  can  add  a  proton  or  take  away  a  proton   -­‐ intracellular  proteins  à  major  role   à  buffering  within  the  cell   Urine   -­‐ phosphate  (HPO 4 2-  and  H2PO ) 4 à  both  forms  can  participate  in  buffering  the  urin e  pH   -­‐ ammonium  (NH )   + 4 à  these  2  are  about  equal  proportion     Changes  in  Acid-­‐Base  Status   -­‐ changes  in  [H ]  is  a  sign  of  underlying  disease   à  hypoxia:  lack  of  oxygen  in  cells   à  ketoacidosis  in  Diabetes  and  alcoholism   à  poisoning  (e.g.  methanol,  ASA  -­‐  aspirin)   à  Lung  failure   -­‐ changes  in  pH  affect  normal  cellular  function  (enzyme  function,  protein  structure)   -­‐ proteins  are  machinery  for  metabolism,  synthesis,  structure,  contraction,  etc.  à  proteins  depend  on  pH   -­‐ amino  acids  act  as  acids  or  bases,  and  H  affects  their  charge,  shape,  and  function     Production  and  Elimination   + -­‐ H  production  produced  from  metabolism,  especially   sulfur  containing  amino  acids  (main  contributor)   -­‐ Typical  dietary  protein  would  produce  ~70mmol/day  (huge  amount)   à  >  100,000  X  more  acid  than  normal  (in  the  plasma)   Removal  of  Excess  H   + 1) buffering  by  bicarbonate  and  ICF  proteins   + -­‐ 2) lungs  eliminate  CO  as  a  2y-­‐product  (product  of  H  +  HCO )     3 à  buffering  in  lungs  are  immediate  (adapt  quickly)   + + -­‐   3) Kidneys  eliminate  NH  à  generates4  NH  (generates  new  HCO3as  well)   3 à  kidneys  take  slower  to  buffer   à  as  you’re  losing  bicarbonate,  you’re  regenerating  it  too     Bicarbonate  Buffer  System       Major  Buffering  System  in  Body   -­‐ ECF:  24mmol/L  X  14L  (volume  of  ECF)  =  336mmol   -­‐ ICF:  10mmol/L  X  28L  (volume  of  ICF)  =  280mmol   -­‐ H  +  HCO 3   2 H CO 3   2  H O  + 2 CO   à  reaction  is  catalyzed  by  enzyme  (carbonic  anhydrase);   enzyme  found  in  erythrocytes  and  kidneys   -­‐ Carbon  dioxide  (CO )  present  due  to  cellular  respiration  à  a  gas  that  can  be  measured  in  the  blood   2 -­‐ PCO 2is  the  partial  pressure  of  CO  2n  solution   à  pCO ,  P(a)CO ,  P   2 2 CO2   Henderson  Equation   -­‐ PCO 2=  35-­‐45mmHg  (arterial  blood)  à  closest  to  blood  from  the  lungs  à  want  to  know  how  well  the  lungs   facilitate  gas  exchange   -­‐ PCO 2=  [CO ]/2.03  (constant)  à  thus  40mmHg  =  1.2mmol/L   -­‐ -­‐ Most  of  the  CO i2  present  as  HCO ,  b3t  some  is  present  in  a  dissolved  form  as  CO gas   2   -­‐ Equilibrium:  H  +  HCO    H CO 2    H O 2  +  CO 2  + -­‐ à  [H ][HCO ]/  3H O][CO ]2  =  K 2 (but  we  can  ignore  H O)   2 -­‐ Henderson  Equation  :  H  =  24  x  ( PCO /[HCO2])   3 -­‐ à  concentration  of  protons:  24   à  [H ]  in  mmol/L,  [HCO ]  in  mmol/L,  PCO  in  mmHg   3 2   Role  of  the  Lungs   1) Transfer  of  Oxygen   -­‐ blood  transports  O  to 2  tissues  for  respiration  (aerobic  respiration  à  need  oxygen  to  burn  off  glucose  or  energy   source)   -­‐ energy  produced  from  oxidative-­‐phosphorylation   -­‐ lack  of  2  à  lactic  acidosis     à  instead  of  pyruvate  going  into  Krebs  cycle,  pyruvate  becomes  lactate  and  then  you  have  a  build  up  of  acid   2) Elimination  of  Carbon  dioxide   -­‐ Any  CO 2 that  comes  from  the  tissues  actually  gets  carried  by  the  blood  in  the  form  of   HCO  à  w3ich  then  goes  to   the  lungs,  and  then  changed  back  to  CO   2 -­‐ Any  difficulty  in  breathing  and  getting  rid  of  CO  = 2 build  up,  and  you  get  an  increase  in  protons   -­‐ blood  transports  CO  from  tissues  as  waste  and  any  H  buffered  by  HCO   -­‐ 2 3 -­‐ CO 2  “carried”  as  dissolved  and  as  HCO   3-­‐ -­‐ -­‐ Lungs  can  respond  to  rise  or  fall  in  [ HCO ] 3     + H  Elimination  in  Kidneys   1) Kidneys  reabsorb  filtered  HCO so  buffer  is 3  not  lost  (very  precious)   + a. H  secreted  by  renal  tubular  cells  into  lumen   b. Combines  with  HCO  à  3 CO  à2  H 3  +  2O   2 c. CO 2 diffuses  back  to  renal  tubular  cells   d. Combines  with  H O  an2  forms  H  +  HCO     3 -­‐ e. HCO is 3  returned  to  circulation   2) Kidneys  regenerate  lost  HCO  due  to  buffering   3 a. CO 2 diffuses  from  capillary  into  renal  tubular  cells   b. Combines  with  H O  and  forms  H  +  HCO   -­‐   2 3 c. H  secreted  by  renal  tubular  cells  into  lumen   -­‐   d. HCO is 3  generated  and  returned  to  circulation     -­‐ Renal  Reabsorption  of  HCO   3 -­‐ takes  place  in  tubular  cells  of  kidney   -­‐ there  is  a  capillary  that  feeds  the  tubular  cell  (on  one  side),  on  the  other   side  is  the  tubular  lumen  (eventually  drains  into  urine)   -­‐ when  blood  passes  through  the  kidney,  it  gets  filtered   -­‐ the  ions,  Na  and  HCO , 3 is  very  small  =  very  easy  to  pass  through  into  the   filtrate   à  but  don’t  to  lose  these  à  Needed  by  the  body   -­‐ there  is  a  transporter  on  the  tubular  side   à  reabsorbs  a  Na  for  a  proton   à  proton  goes  into  filtrate       -­‐ carbonic  anhydrase  changes  H O  and  CO 2 2 -­‐ CO 2is  essentially  a  dissolved  gas,  has  no  charge  (easily  can  diffuse  back  into  tubular  cell)   à  In  the  tubular  cell,  there  is  also  carbonic  anhydrase,  which  changes  that  back  into  a  proton  and   HCO     3-­‐ -­‐ essentially  proton  is  regenerated  and  can  repeat  the  cycle   -­‐ HCO  g3ts  transported  back  out  into  the  blood   à  does  this  at  the  same  time  as  Na   + -­‐ + -­‐ HCO  a3d  Na  gets  reabsorbed  by  the  filtrate  and  back  into  the  blood     Renal  Regeneration  of  HCO   -­‐ 3 -­‐ starting  with  a  proton  in  the  tubular  cell,  and  trying  to  get  rid  of  it   -­‐ CO 2is  going  to  diffuse  into  the  cell,  generate  the  HCO  and 3the  proton   -­‐ To  keep  the  proton  in  the  urine,  it  will  join  with  a  buffer  of  the  urine   (phosphate  or  ammonia)   -­‐ Don’t  want  proton  by  itself   à  urine  will  become  very  acidic  (not  good)   -­‐ Regeneration  of  a  new  bicarbonate:  when  you  have  metabolism  of  glutamine   (have  ammonia  group  at  the  end),  the  ammonia  from  the  glutamine   metabolism  actually  diffuses  into  the  tubular  cells  as  well,  and  then  into  the   lumen   -­‐ Ammonium  pass  over  into  lumen  and  join  with  the  proton,  and  essentially  it  will  trap  the  ammonium  into  the   urine   à  then  it  gets  passed  out   -­‐ Generation  of  bicarbonate  in  the  body  happens  in  tubular  cells   -­‐ Essentially,  you  can  drive  this  process  so  you  can  increase  the  rate  of  bicarbonate  synthesis  when  needed   à  but   takes  a  while  for  kidney  (days)     + H  buffering  in  Urine   1) Phosphate   + 2-­‐ -­‐ -­‐  H  combines  with  HPO 4  à 2H PO )4   2) Ammonium   -­‐  NH  from  glutamine  metabolism  diffuses  from  tubular  cell  in  lumen   3 -­‐  H  combines  with  NH  à3  NH   4 +   Assessing  Acid-­‐Base  Status     -­‐ PCO  2s  regulated  mainly  by  the  lungs   -­‐   -­‐ Protons  are  going  to  be  inversely  related  to  the   HCO concentrations3   -­‐ Kidneys  have  an  important  role  in  regulating  the   HCO concentrations   3 -­‐   -­‐ -­‐ acidosis  occurs  if  there  is  an  increase  in   PCO  or 2a  decrease  in  HCO   3 -­‐ alkalosis  occurs  if  there  is  a  decrease  in   PCO  or 2an  increase  in  HCO   3 -­‐ -­‐ if  PCO  goes  in  one  direction,  HCO  is  going  to  try  to  compensate  by  changing  it  to  the  opposite  direction   à   2 3 maintain  pH   -­‐ both  the  lungs  and  kidneys  have  roles  in  maintaining  acid -­‐base  status   -­‐ Metabolic  Disorders :  arise  from  impaired  renal  function  which  alters  the  HCO   3-­‐ -­‐ Lungs  may  provide  respiratory  compensation  and  try  to  return  the  shift  in  [H ]  to  normal   + à  lungs  can  compensate  to  try  to  change  pH  back  to  normal   -­‐ Respiratory  Disorders:  arise  from  impaired  lung  function  which  
More Less

Related notes for LMP299Y1

Log In


Don't have an account?

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.