大1 · 第1學期普通生物學（上）生命的化學基礎

碳酸氫鹽緩衝系統

Bicarbonate Buffer System

難度 3 · 進階chemistrybiochemistryphysiology想做成互動版

碳酸氫鹽緩衝系統超越簡單 H-H 公式，涉及多器官、多時間尺度的精緻調控。現代理解整合分子生理學、Stewart 物理化學法、與臨床精準醫學。

精確生化反應

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ HCO₃⁻ + H⁺

Keq1 = [H₂CO₃]/([CO₂][H₂O]) ≈ 1.7 × 10⁻³（25°C）
Ka(H₂CO₃) = [H⁺][HCO₃⁻]/[H₂CO₃] = 1.7 × 10⁻⁴（pKa1 真實 ≈ 3.8）

表觀 Ka' = [H⁺][HCO₃⁻]/([CO₂] + [H₂CO₃]) ≈ 4.3 × 10⁻⁷，pKa' = 6.36（純水 25°C）

體溫 37°C、生理離子強度修正後 pKa' ≈ 6.1。

碳酸酐酶（CA）

14 種 CA 異構體，紅血球中 CA II 是最快酵素之一：

沒有 CA II，CO₂ 水合反應太慢無法跟上代謝速率。CA II 缺乏症候群：骨硬化、腦鈣化、腎小管酸中毒。

Acetazolamide（CA 抑制劑）用於：青光眼、急性山症、利尿。

Stewart 物理化學法

Peter Stewart（1981）改革酸鹼學：

自變數：

應變數：

SID 正常 ~38-44 mEq/L。Stewart 法解釋傳統觀點難解的現象：

生理鹽水酸中毒：大量 0.9% NaCl 輸液後 SID 下降（Cl⁻ 升至 110-120）→ 高氯代謝酸中毒。原本 HCO₃⁻ 法看似「不明原因」。
白蛋白降低相關鹼中毒：肝硬化、燒傷時白蛋白下降 → A_tot ↓ → pH ↑（Atot 偏中性）。傳統法看不出來。
強離子間隙（SIG）：含未測陰離子（如 ketoacids、lactate）的精準分析。

多步緩衝整合

生理 pH 7.4 的緩衝對共同工作：

細胞外液（ECF）緩衝：

細胞內液（ICF）緩衝：

骨骼：長期 H⁺ 緩衝池，慢性酸中毒造成骨流失（CKD-MBD）。

腎臟分子機制

近曲小管（PCT）：

集合管（CD）：

Na⁺-glucose 共轉運機制

SGLT2 抑制劑（如 empagliflozin）：阻斷 Na⁺-glucose → Na⁺ 留管腔 → NHE3 活性下降 → 排酸減少 → ketogenesis 增加 → euglycemic DKA 風險（罕見但嚴重）。糖尿病新藥的 acid-base 副作用。

生理特殊狀態

運動：肌肉產乳酸 + CO₂ → 短暫代謝酸中毒，代償後恢復。極限運動 pH 可降至 7.0。
高海拔急性適應（48 小時內）：
- 第 1 階段：過度換氣 → 呼吸鹼中毒
- 第 2 階段：腎排 HCO₃⁻ → pH 部分恢復
- 第 3 階段：紅血球增生 → 氧運送改善
慢性高碳酸血症（COPD）：
- 腎代償：HCO₃⁻ 升至 30-35
- pH 接近正常（7.32-7.38）
- 但代償極限為 HCO₃⁻ ≈ 45 mEq/L

現代血氣判讀

看 pH（< 7.35 or > 7.45）
看 PCO₂ 與 HCO₃⁻ 改變方向
計算 AG（Na − Cl − HCO₃）
用 albumin 校正 AG：corrected AG = AG + 2.5 × (4 − [Alb])
計算 ΔAG/ΔHCO₃⁻（Δ-gap analysis）
- 1-2：純高 AG 酸中毒
- <1：含正常 AG 成分（如腹瀉 + DKA）
- 2：含代謝鹼中毒（如嘔吐 + DKA）
應用 Winters/Boston 公式判斷代償
Stewart 法輔助分析

前沿主題

重症加護的 acid-base：
- Continuous renal replacement therapy（CRRT）的緩衝設計
- Citrate 抗凝劑代謝改變 SID
- Targeted strong ion difference
海洋酸化：大氣 CO₂ 上升 → pCO₂海水上升 → pH 7.5 至 8.1 → 珊瑚、貝類災難
腦脊液酸鹼：與血液有 BBB 屏障，慢平衡（12-24 小時），影響呼吸驅動
腫瘤微環境：腫瘤產 lactate + H⁺ → pHe 6.5 → 化療藥效降低、免疫細胞功能受抑
新興藥物：
- SGLT2i（糖尿病新一線）：影響酸-鹼
- NHE3 抑制（tenapanor）：高磷、IBS 治療
- V-ATPase 抑制（Bafilomycin 家族）：抗癌