Bikarbonat Tampon Sistemi

Açılış sahnesi

Cuma, saat onu yirmi geçiyor. Acil servisin arkasındaki küçük odada kan gazı cihazı bakım ekranında bekliyor. Tuna depodan bir karton reaktif kartuşu ile karbon dioksit içeren kalibrasyon gazının tüpünü getirmiş; Seher Hanım tüpün duvara zincirlenmesini denetlemek için yanında. Cihazın yanına iğnelenmiş kalite kontrol çıktısında üç satır okunuyor: pH 7,40, pCO₂ 40 mmHg ve yanında küçük harflerle "hes" yazan bir HCO₃⁻ 24.

Tuna'nın çantasının yan cebinde bir akrabasının hediye ettiği yarım bir pet şişe duruyor; etiketinde "alkali içme suyu, pH 9,5" ve altında "kanınızı alkali tutar" yazıyor. Tuna çıktıyı gösteriyor: "Çarşamba fosfatın pKa'sı 7,2 diye sevinmiştik. Buradaki çiftin pKa'sı altı civarıymış. Üstelik cihaz bikarbonatı ölçmüyor, hesaplıyor. Kanı bu mu tutuyor, bu şişe mi?".

Bu derste ne olacak

Karbon dioksitten bikarbonata uzanan dengeleri tek zincirde yazacak, bağıntıyı kısmi basınç diline çevirip çıktıdaki üç sayının birbirini nasıl belirlediğini hesaplayacağız. Aynı asit yükünü kapalı bir kaba ve karbon dioksitin serbestçe kaçabildiği bir kaba ekleyip iki sonucu karşılaştıracağız. Son olarak bu mekanizmanın alkali diyet ve alkali su iddiasına ne söylediğini bir kanıt kartında tartacağız.

Mekanizma

Gazdan iyona

Karbon dioksit suda çözünür ve suyla birleşerek karbonik asit verir; karbonik asit de bir proton bırakıp bikarbonata dönüşür: CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻. Zincirin ilk halkası kendi başına yavaştır. Asit ile bazın üç tanımını kurduğumuz derste karbonik anhidrazın etkin bölgesindeki çinkonun suyun protonunu gevşettiğini ve geride kalan hidroksitin karbon dioksite yöneldiğini görmüştük; enzim bu yavaş halkayı kanın ve dokuların zaman ölçeğine taşır.

Suda duran karbon dioksitin ancak ufak bir payı gerçekten H₂CO₃ molekülüne dönüşür. Bu yüzden tablolar iki dengeyi tek sabitte toplar ve karbonik asidin kendi pKa'sı yerine çözünmüş gazın tamamını asidik yarı sayan bir değer verir. Karbonik asit molekülü bu değerin düşündürdüğünden daha güçlü bir asittir, ama çoğunluğu gaz hâlinde kaldığı için çift bütün olarak zayıf görünür.

Değerin koşula bağlılığı sayılarda görülür. Wikipedia'nın karbonik asit maddesi ve bir üniversite jeokimya ders notu, saf suda 25 °C için ilk görünür pKa'yı 6,35 verir. Kerry Brandis'in asit-baz fizyolojisi kitabı ise 37 °C'de ve plazmada 6,099 değerini yazar ve pratikte 6,1 alındığını belirtir. Henderson–Hasselbalch dersinde iyon şiddetinin fosfatın pKa'sını aşağı ittiğini görmüştük; plazmanın tuzu ve vücut sıcaklığı burada da aynı yönde çalışır.

Denklemin kan gazı biçimi

Kan gazı cihazı çözünmüş karbon dioksiti derişim olarak değil kısmi basınç olarak ölçtüğü için bağıntının paydası bir dönüştürme katsayısı taşır. Brandis'in kitabı ve Andrew Binks'in açık erişimli solunum fizyolojisi ders kitabı katsayıyı milimetre cıva başına litrede 0,03 milimol verir; Wikipedia'nın Henderson–Hasselbalch maddesi daha ayrıntılı 0,0307 değerini kullanır. Bağıntı böylece pH = 6,1 + log (HCO₃⁻ ÷ (0,03 × pCO₂)) biçimini alır. Çıktıdaki sayılarla çözünmüş karbon dioksit 0,03 × 40 = 1,2 mmol/L eder. Oran 24 ÷ 1,2 = 20, logaritması yaklaşık 1,30 çıkar ve pH 6,1 + 1,30 = 7,40 bulunur. Bu pH, litrede yaklaşık 40 nanomol hidronyuma karşılık gelir.

Tuna'nın fark ettiği "hes" kısaltması tam bu satırın ters kullanımıdır. Cihaz pH ile pCO₂'yi ölçer, bikarbonatı aynı bağıntıdan hesaplar; Wikipedia'nın arteriyel kan gazı maddesi ve Rivkees ile Fine'ın 1988'de Clinical Pediatrics'te yayımladığı çalışma bunu açıkça belirtir. Üç sayıdan biri öteki ikisinden türediği için çıktı üç bağımsız ölçüm taşımaz.

Kapalı kapta zayıf, açık kapta güçlü

Tampon Sistemleri dersinde kapasitenin pH ile pKa çakıştığında doruğa çıktığını ve bir birim uzakta hızla düştüğünü görmüştük. 7,40 ile 6,1 arasında 1,3 birim var ve kurala göre bu çift kanda iyi bir tampon olmamalı.

Bir litrelik kapta litrede 24 milimol bikarbonat ve 1,2 milimol çözünmüş karbon dioksit olsun ve kaba 10 milimol güçlü asit eklensin. Kap kapalıysa her proton bir bikarbonatı karbon dioksite çevirir ve gaz kapta kalır. Bikarbonat 14'e iner, çözünmüş karbon dioksit 11,2'ye çıkar. Oran 14 ÷ 11,2 = 1,25, logaritması yaklaşık 0,10 ve pH 6,20 olur. Başlangıçtaki 7,40'tan 1,2 birimlik bir düşüş, hidronyumda on beş katından fazla bir artış demektir.

Aynı kabın ağzı açık olsun ve üstündeki gaz karbon dioksit basıncını 40 mmHg'de tutsun. Oluşan fazla karbon dioksit gaz fazına geçer, çözünmüş karbon dioksit 1,2'de kalır ve yalnız bikarbonat 14'e iner. Oran 14 ÷ 1,2 ≈ 11,7, logaritması yaklaşık 1,07 ve pH 7,17 olur. Aynı yük bu kez yalnız 0,23 birimlik bir düşüş yaratır. Kıyas için aynı asit bir litre saf suda pH'ı 2,0'a indirirdi.

İkinci bir kıyas kuralın neyi ölçtüğünü gösterir. Aynı toplam 25,2 milimolü taşıyan ve pKa'sı tam 7,40 olan ideal bir çift kapalı kapta her formdan 12,6 milimolle başlar. Aynı yükten sonra oran 2,6 ÷ 22,6 olur ve pH 6,46'ya iner. Açık kaptaki bikarbonat, pKa'sı kusursuz seçilmiş kapalı tampondan daha iyi sonuç verir, çünkü tepkimenin ürünü ortamdan çekilir ve denge hep aynı yöne itilir.

İki kol, iki saat

Denklemin paydasını akciğer, payını böbrek tutar. Soluk alıp vermenin hızı ve derinliği değişince pCO₂ değişir; Wikipedia'nın solunumsal kompanzasyon maddesi bu yanıtın dakikalar içinde başladığını yazar. Brandis de solunumdaki artışın genellikle dakikalar içinde başladığını, ancak tam gelişmesinin 12 ile 24 saati bulabildiğini ekler. Böbrek ise bikarbonatı geri emerek ya da yeniden üreterek ve asidi idrara vererek payı ayarlar. Brandis böbrek yanıtının 6 ile 12 saatte devrede olduğunu ve en büyük etkiye 3 ile 4 günde ulaştığını yazar.

Kanı değil idrarı değiştiren diyet

Mekanizma zincirlerini ele aldığımız derste (L00-P02-M02-D06) bir su cihazının tanıtımında "içilen su kanın asitliğini azaltır" halkasını zayıf halka olarak işaretlemiştik. Artık o halkanın nerede koptuğu sayıyla gösterilebilir. Diyetle gelen asit yükünü ya da baz fazlasını böbrek dışarı verir ve bunun izi idrarda görülür. Remer ile Manz, 1995'te Journal of the American Dietetic Association'da yayımladıkları çalışmada besinlerin potansiyel böbrek asit yükünü (PRAL) hesaplamış ve bu hesaba dayanan net asit atılımının idrar pH'ıyla ilişkisini r = 0,83 olarak bildirmiştir.

Buclin ve arkadaşları 2001'de Osteoporosis International'da, sekiz sağlıklı gönüllünün dört günlük asit yapıcı ve baz yapıcı diyetleri çapraz sırayla uyguladığı bir çalışmayı yayımladı; baz yapıcı diyete bikarbonattan zengin bir maden suyu da dahildi. İki diyet arasında kan pH'ı ortalama 0,014 birim, idrar pH'ı 1,02 birim farklı çıktı. Hidronyum cinsinden idrardaki fark 10^1,02 ≈ 10,5 kattır. Kandaki fark ise 10^0,014 ≈ 1,03 kat, yani 7,40 civarında litrede yaklaşık 1,3 nanomollük bir kaymadır.

Etiketteki sayı da küçük bir miktardır. pH'ı 9,5 olan su, bazlığını yalnız hidroksitten alıyorsa litrede 10^−4,5 mol, yani yaklaşık 0,032 milimol hidroksit taşır. Kanın bir litresindeki bikarbonatla kıyaslanınca 24 ÷ 0,032 ≈ 760 kat küçük bir sayıdır ve bu su kana varmadan önce midenin asidiyle karşılaşır. Maden sularında bazlığı çoğunlukla bikarbonat taşır ve miktarı etiketteki pH'tan okunamaz.

Modelin sınırı

Bağıntı pK′ ile çözünürlük katsayısını sabit sayar. Rivkees ile Fine, elli akut hastanın kanında ölçülen değerlerden pK′'yu ortalama 6,10 bulmuş ve bireyler arasında 6,06 ile 6,15 arasında değiştiğini bildirmiştir. Aynı 20'lik oran bu iki uçta 7,36 ve 7,45 pH verir. Katsayıyı 0,03 yerine 0,0307 almak da sonucu 7,39'a çeker; cihazın hesapladığı bikarbonat bu yuvarlamaları içinde taşır.

Açık kap hesabı karbon dioksit basıncını kusursuz ve anında sabit tuttu. Vücutta basıncı tutan akciğerin yanıtı hızlı ama anlık değildir, böbreğinki günlere yayılır; ayrıca aynı asit yükünü plazma proteinleri, hemoglobin ve hücre içi tamponlar da paylaşır. Hesap yalnız bikarbonat çiftini yalnız bırakıp ne olacağını gösterir, vücudun gerçek pH değişimini değil.

Henderson–Hasselbalch biçimi, bikarbonatı sanki kendi başına ayarlanan bağımsız bir değişkenmiş gibi yazar. Stewart yaklaşımı adıyla bilinen fizikokimyasal model ise pH'ı güçlü iyonların farkına, pCO₂'ye ve zayıf asitlerin toplamına bağlar ve bikarbonatı bu üçünün sonucu sayar. Bu ders yalnız birinci modelin içinde kaldı.

Çıktıdaki sayılar yalnız örneğin alındığı bölmeyi anlatır. Hücre içindeki pH ve karbon dioksit basıncı başka değerlerde durur, idrarınki bambaşka bir aralıkta dolaşır. Alkali su iddiası tam da bir bölmenin sayısını ötekine taşır.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Bir suyun, besinin ya da takviyenin idrar pH'ını değiştirmesi, sağlıkla ilgili bir sonucu değiştirdiğini göstermez; bunu yalnız o sonucu ölçen karşılaştırmalı çalışmalar gösterebilir.

Ders kan gazı değerlerinin nasıl yorumlanacağını göstermiyor. Çıktıdaki üç sayı bir hesap örneğidir, bir referans aralığı ya da tanı sınırı değildir. Solunum ya da böbrek kaynaklı bozuklukların tanısı ve tedavisi bu mekanizmadan çıkarılamaz. Karbon dioksitin kırmızı hücrede taşınması ve proteinlerin tampon payı da burada ele alınmadı.

Kartuş yerine oturunca

Tuna yeni kartuşu yerleştirip kontrol çıktısının arkasına iki satır yazıyor: "HCO₃⁻ ölçülmüyor, 6,1 ve 0,03 ile hesaplanıyor. Çift pKa'dan uzak ama iki ucu açık". Seher Hanım tüp zincirini listede işaretlerken Tuna şişenin etiketinin altına kurşun kalemle ekliyor: "idrar, kan değil".

Kendini sına

1. pCO₂ 40 mmHg ve HCO₃⁻ 20 mmol/L olan bir hesap örneğinde oranı ve pH'ı 6,1 ile 0,03 kullanarak hesapla. Katsayıyı 0,0307 alınca sonuç ne kadar değişir?
2. Bir litrelik kapalı kapta litrede 24 milimol bikarbonat ve 1,2 milimol çözünmüş karbon dioksit var. 5 milimol güçlü asit eklenince pH ne olur? Açık kapta, pCO₂ 40 mmHg'de sabitken sonuç ne olur?
3. Görünür pKa neden karbonik asidin kendi pKa'sından farklıdır ve neden 25 °C'de saf suda başka, plazmada başka bir değer alır?
4. Kan gazı cihazı bikarbonatı hesapladığında, pK′'nun 6,06 ile 6,15 arasında değişmesi sonucu nasıl etkiler?
5. Bir diyetin idrar pH'ını bir birim yükselttiğini gösteren bir çalışma, kan pH'ı hakkında ne söyler? Cevabında böbreğin rolünü ve 0,014'lük farkı kullan.

Bir sonraki derse köprü

Kapalı kap hesabında bikarbonat, pH'ı kurtaramadı; vücutta yükün ilk anlarını karşılayan başka tamponlar olduğunu da not etmiştik. Proteinlerin Tampon Rolü adlı sonraki derste bu tamponların en büyüklerine döneceğiz: hemoglobin ve plazma proteinlerinde protonu alıp veren yan zincirler hangileridir ve pKa'sı nötre yakın düşen histidinin imidazol halkası bu işte neden öne çıkar?