Pomocí chemických pufrů, dýchacího systému a ledvin je pH extracelulární tekutiny, včetně krevní plazmy, normálně přísně regulováno v rozmezí 7,32 až 7,42.
Vodné pufrové roztoky reagují se silnými kyselinami nebo silnými zásadami tak, že absorbují přebytečné vodíkové H+
ionty nebo hydroxidové OH-
ionty a nahradí silné kyseliny a zásady slabými kyselinami a slabými zásadami. To má za následek tlumení účinku změn pH nebo snížení změny pH, ke které by jinak došlo. Pufry však nemohou korigovat abnormální hodnoty pH v roztoku, ať už se jedná o roztok ve zkumavce nebo v mimobuněčné tekutině. Pufry se obvykle skládají z dvojice sloučenin v roztoku, z nichž jedna je slabá kyselina a druhá slabá zásada. Nejrozšířenější pufr v ECF se skládá z roztoku kyseliny uhličité (H2CO3) a hydrogenuhličitanové (HCO-
3) soli, obvykle sodíku (Na+). Pokud je tedy v roztoku nadbytek OH-
iontů, kyselina uhličitá je částečně neutralizuje za vzniku H2O a hydrogenuhličitanových (HCO-
3) iontů. Podobně je přebytek H+ iontů částečně neutralizován hydrogenuhličitanovou složkou pufrového roztoku za vzniku kyseliny uhličité (H2CO3), která, protože je slabou kyselinou, zůstává z velké části v nedisociované formě a uvolňuje do roztoku mnohem méně H+ iontů, než by uvolnila původní silná kyselina.
Ph pufrového roztoku závisí pouze na poměru molárních koncentrací slabé kyseliny a slabé zásady. Čím vyšší je koncentrace slabé kyseliny v roztoku (ve srovnání se slabou zásadou), tím nižší je výsledné pH roztoku. Podobně, pokud převažuje slabá zásada, je výsledné pH vyšší.
Tento princip se využívá k regulaci pH extracelulárních tekutin (spíše než k pouhému pufrování pH). V případě pufru kyseliny uhličité a hydrogenuhličitanu je molární poměr slabé kyseliny a slabé zásady 1:20, což vede k pH 7,4; a naopak – pokud je pH extracelulárních tekutin 7,4, pak je poměr iontů kyseliny uhličité a hydrogenuhličitanu v této tekutině 1:20.
Tento vztah je matematicky popsán Hendersonovou-Hasselbalchovou rovnicí, která při aplikaci na pufrovací systém kyseliny uhličité a bikarbonátu v extracelulárních tekutinách říká, že:
p H = p K a H 2 C O 3 + log 10 ( ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} ~\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}}+\log _{10}\left({\frac {}{}}\right),}
kde:
- pH je záporný logaritmus (nebo kolaritmus) molární koncentrace vodíkových iontů v ECF. Udává kyselost v ECF inverzním způsobem: čím nižší je pH, tím větší je kyselost roztoku.
- pKa H2CO3 je kologaritmus disociační konstanty kyseliny uhličité. Je rovna 6,1.
- je molární koncentrace hydrogenuhličitanu v krevní plazmě
- je molární koncentrace kyseliny uhličité v ECF.
Protože je však koncentrace kyseliny uhličité přímo úměrná parciálnímu tlaku oxidu uhličitého ( P C O 2 {\displaystyle P_{{\mathrm {CO}), je koncentrace kyseliny uhličité přímo úměrná parciálnímu tlaku oxidu uhličitého. }_{2}}}
) v extracelulární tekutině, lze rovnici přepsat takto: p H = 6,1 + log 10 ( 0,0307 × P C O 2 ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+\log _{10}\left({\frac {}{0.0307\times P_{\mathrm {CO} _{2}}}}\right),}
kde:
- pH je záporný logaritmus molární koncentrace vodíkových iontů v ECF, jako dříve.
- je molární koncentrace bikarbonátu v plazmě
- PCO2 je parciální tlak oxidu uhličitého v krevní plazmě.
Regulovat pH extracelulárních tekutin lze tedy odděleně regulací parciálního tlaku oxidu uhličitého (který určuje koncentraci kyseliny uhličité) a koncentrací bikarbonátových iontů v extracelulárních tekutinách.
Existují tedy nejméně dva homeostatické systémy negativní zpětné vazby zodpovědné za regulaci pH plazmy. Prvním je homeostatická regulace parciálního tlaku oxidu uhličitého v krvi, která určuje koncentraci kyseliny uhličité v plazmě a může během několika sekund změnit pH arteriální plazmy. Parciální tlak oxidu uhličitého v arteriální krvi monitorují centrální chemoreceptory prodloužené míchy, a jsou tak součástí centrálního nervového systému. Tyto chemoreceptory jsou citlivé na pH a hladinu oxidu uhličitého v mozkomíšním moku. (Periferní chemoreceptory se nacházejí v aortálních tělískách a karotických tělískách přiléhajících k oblouku aorty, respektive k bifurkaci karotických tepen. Tyto chemoreceptory jsou citlivé především na změny parciálního tlaku kyslíku v arteriální krvi, a proto se přímo nepodílejí na homeostáze pH.
Centrální chemoreceptory vysílají své informace do dýchacích center v prodloužené míše a pons mozkového kmene. Dýchací centra pak určují průměrnou rychlost ventilace plicních sklípků, aby se udržel konstantní parciální tlak oxidu uhličitého v arteriální krvi. Dýchací centrum tak činí prostřednictvím motorických neuronů, které aktivují dýchací svaly (zejména bránici). Zvýšení parciálního tlaku oxidu uhličitého v plazmě arteriální krve nad 5,3 kPa (40 mmHg) reflexně způsobí zvýšení rychlosti a hloubky dýchání. Normální dýchání se obnoví, když se parciální tlak oxidu uhličitého vrátí na hodnotu 5,3 kPa. K opačné situaci dojde, pokud parciální tlak oxidu uhličitého klesne pod normální rozmezí. Dýchání může být dočasně zastaveno nebo zpomaleno, aby se oxid uhličitý mohl opět nahromadit v plicích a arteriální krvi.
Senzor pro plazmatickou koncentraci HCO-
3 není s jistotou znám. Je velmi pravděpodobné, že renální tubulární buňky distálních stočených tubulů jsou samy citlivé na pH plazmy. Při metabolismu těchto buněk vzniká CO2, který se rychle přeměňuje na H+ a HCO-
3 působením karboanhydrázy. Pokud extracelulární tekutiny směřují ke kyselosti, ledvinné tubulární buňky vylučují ionty H+ do tubulární tekutiny, odkud močí opouštějí tělo. Ionty HCO-
3 jsou současně vylučovány do krevní plazmy, čímž se zvyšuje koncentrace hydrogenuhličitanových iontů v plazmě, snižuje se poměr kyseliny uhličité a hydrogenuhličitanových iontů a následně se zvyšuje pH plazmy. Při zvýšení pH plazmy nad normální hodnotu dochází k opačné situaci: hydrogenuhličitanové ionty jsou vylučovány do moči a vodíkové ionty do plazmy. Ty se spojí s hydrogenuhličitanovými ionty v plazmě za vzniku kyseliny uhličité (H+ + HCO-
3 = H2CO3), čímž se zvýší poměr kyseliny uhličité a hydrogenuhličitanu v extracelulární tekutině a její pH se vrátí k normálu.
Všeobecně platí, že při metabolismu vzniká více odpadních kyselin než zásad. Moč je proto obecně kyselá. Tato kyselost moči je do jisté míry neutralizována amoniakem (NH3), který se vylučuje do moči při deaminaci glutamátu a glutaminu (nositelů přebytečných, již nepotřebných aminoskupin) buňkami distálního renálního tubulárního epitelu. Část „kyselého obsahu“ moči tedy spočívá ve výsledném obsahu amonných iontů (NH4+) v moči, i když to nemá žádný vliv na homeostázu pH extracelulárních tekutin.