Az extracelluláris folyadék, beleértve a vérplazmát is, pH-ja általában 7,32 és 7,42 között szorosan szabályozott, a kémiai pufferek, a légzőrendszer és a veserendszer által.
A vizes pufferoldatok erős savakkal vagy erős bázisokkal úgy reagálnak, hogy felesleges hidrogén H+
ionokat vagy hidroxid OH-
ionokat vesznek fel, az erős savakat és bázisokat gyenge savakkal és gyenge bázisokkal helyettesítve. Ennek az a hatása, hogy tompítja a pH-változások hatását, vagy csökkenti az egyébként bekövetkező pH-változást. A pufferek azonban nem tudják korrigálni az oldat abnormális pH-szintjét, legyen az oldat kémcsőben vagy sejten kívüli folyadékban. A pufferek általában egy oldatban lévő vegyületpárból állnak, amelyek közül az egyik egy gyenge sav, a másik pedig egy gyenge bázis. Az ECF-ben leggyakrabban előforduló puffer a szénsav (H2CO3) és a bikarbonát (HCO-
3) só, általában nátrium (Na+) oldatából áll. Így amikor az oldatban túl sok OH-
ion van, a karbonsav részben semlegesíti azokat H2O és bikarbonát (HCO-
3) ionok képződésével. Hasonlóképpen a H+-ionok feleslegét a pufferoldat bikarbonátkomponense részben semlegesíti, szénsavat (H2CO3) képezve, amely, mivel gyenge sav, nagyrészt disszociálatlan formában marad, és sokkal kevesebb H+-iont bocsát ki az oldatba, mint amennyit az eredeti erős sav tett volna.
A pufferoldat pH-ja kizárólag a gyenge sav és a gyenge bázis moláris koncentrációinak arányától függ. Minél nagyobb a gyenge sav koncentrációja az oldatban (a gyenge bázishoz képest), annál alacsonyabb az oldat eredő pH-ja. Hasonlóképpen, ha a gyenge bázis van túlsúlyban, annál magasabb a keletkező pH.
Ezt az elvet használják ki az extracelluláris folyadékok pH-jának szabályozására (ahelyett, hogy csak pufferelnénk a pH-t). A szénsav-bikarbonát puffer esetében a gyenge sav és a gyenge bázis 1:20-as moláris aránya 7,4-es pH-t eredményez; és fordítva – ha az extracelluláris folyadékok pH-ja 7,4, akkor a szénsav és a bikarbonát-ionok aránya az adott folyadékban 1:20-as.
Ezt az összefüggést matematikailag a Henderson-Hasselbalch-egyenlet írja le, amely az extracelluláris folyadékok szénsav-bikarbonát pufferrendszerére alkalmazva a következőt mondja ki:
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),}
ahol:
- A pH az ECF-ben lévő hidrogénionok moláris koncentrációjának negatív logaritmusa (vagy kologaritmusa). Inverz módon jelzi az ECF savasságát: minél alacsonyabb a pH, annál nagyobb az oldat savassága.
- pKa H2CO3 a szénsav savas disszociációs állandójának kologaritmusa. Ez 6,1.
- a bikarbonát moláris koncentrációja a vérplazmában
- a szénsav moláris koncentrációja az ECF-ben.
Mivel azonban a szénsav koncentrációja egyenesen arányos a szén-dioxid parciális nyomásával ( P C O 2 {\displaystyle P_{\mathrm {CO} }_{2}}}
) az extracelluláris folyadékban, az egyenlet a következőképpen írható át: 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),}
ahol:
- A pH az ECF-ben lévő hidrogénionok moláris koncentrációjának negatív logaritmusa, mint korábban.
- a bikarbonát moláris koncentrációja a plazmában
- PCO2 a szén-dioxid parciális nyomása a vérplazmában.
Az extracelluláris folyadékok pH-ját tehát a szén-dioxid parciális nyomásának (amely meghatározza a szénsav koncentrációját) és az extracelluláris folyadékok bikarbonátion-koncentrációjának külön-külön történő szabályozásával lehet szabályozni.
A plazma pH-jának szabályozásáért tehát legalább két homeosztatikus negatív visszacsatolási rendszer felelős. Az első a vér szén-dioxid parciális nyomásának homeosztatikus szabályozása, amely meghatározza a plazma szénsavkoncentrációját, és néhány másodperc alatt képes megváltoztatni az artériás plazma pH-ját. A szén-dioxid parciális nyomását az artériás vérben a medulla oblongata központi kemoreceptorai figyelik, tehát a központi idegrendszer részét képezik. Ezek a kemoreceptorok érzékenyek az agy-gerincvelői folyadék pH-jára és szén-dioxid-szintjére. (A perifériás kemoreceptorok az aorta ívéhez, illetve a nyaki verőerek bifurkációjához közeli aorta- és karotisztestekben találhatók. Ezek a kemoreceptorok elsősorban az artériás vérben lévő oxigén parciális nyomásának változásaira érzékenyek, ezért közvetlenül nem vesznek részt a pH-homeosztázisban.)
A központi kemoreceptorok az agytörzs hosszúkás csigolyájában és a ponsban található légzőközpontokba küldik információikat. A légzőközpontok ezután meghatározzák a tüdő alveolusainak átlagos szellőzési sebességét, hogy az artériás vérben lévő szén-dioxid parciális nyomása állandó maradjon. A légzőközpont ezt motoros neuronokon keresztül teszi, amelyek a légzőizmokat (különösen a rekeszizmot) aktiválják. A szén-dioxid parciális nyomásának 5,3 kPa (40 mmHg) feletti emelkedése az artériás vérplazmában reflexszerűen a légzés sebességének és mélységének növekedését okozza. A normális légzés akkor folytatódik, amikor a szén-dioxid parciális nyomása visszaáll 5,3 kPa értékre. Ez fordítva történik, ha a szén-dioxid parciális nyomása a normál tartomány alá csökken. A légzés időlegesen leállhat, vagy lelassulhat, hogy a szén-dioxid ismét felhalmozódhasson a tüdőben és az artériás vérben.
A plazma HCO-
3 koncentrációjának érzékelője nem ismert biztosan. Nagyon valószínű, hogy a disztális tekervényes tubulusok vesetubuláris sejtjei maguk is érzékenyek a plazma pH-jára. E sejtek anyagcseréje során CO2 keletkezik, amely a karbonátanhidráz hatására gyorsan H+ -ra és HCO-
3 -ra alakul át. Amikor az extracelluláris folyadékok savasság felé tendálnak, a vesetubuláris sejtek a H+ -ionokat a tubuláris folyadékba választják ki, ahonnan azok a vizeleten keresztül távoznak a szervezetből. A HCO-
3 ionok ezzel egyidejűleg a vérplazmába szekretálódnak, így megemelkedik a plazma bikarbonátion-koncentrációja, csökken a szénsav/bikarbonátion arány, és következésképpen emelkedik a plazma pH-ja. A fordítottja történik, amikor a plazma pH-ja a normál érték fölé emelkedik: a bikarbonátionok a vizeletbe, a hidrogénionok pedig a plazmába választódnak ki. Ezek a plazmában lévő bikarbonátionokkal egyesülve szénsavat képeznek (H+ + HCO-
3 = H2CO3), így az extracelluláris folyadékban megemelkedik a szénsav:bikarbonát arány, és a pH visszaáll a normál értékre.
Az anyagcsere során általában több hulladék sav keletkezik, mint bázis. A vizelet ezért általában savas. Ezt a vizelet savasságát bizonyos mértékig semlegesíti az ammónia (NH3), amely a vizeletbe ürül, amikor a glutamát és a glutamin (a felesleges, már nem szükséges aminocsoportok hordozói) deaminálódnak a distalis vese tubuláris hámsejtek által. Így a vizelet “savtartalmának” egy része a vizelet keletkező ammóniumion (NH4+) tartalmában rejlik, bár ez nincs hatással az extracelluláris folyadékok pH-homeosztázisára.