De pH van de extracellulaire vloeistof, met inbegrip van het bloedplasma, wordt normaal strak geregeld tussen 7,32 en 7,42, door de chemische buffers, het ademhalingssysteem, en het niersysteem.
Zwaakse bufferoplossingen zullen reageren met sterke zuren of sterke basen door het absorberen van overtollige waterstof H+
ionen, of hydroxide OH-
ionen, waarbij de sterke zuren en basen worden vervangen door zwakke zuren en zwakke basen. Dit heeft tot gevolg dat het effect van pH-veranderingen wordt gedempt, of dat de pH-verandering die anders zou zijn opgetreden, wordt verminderd. Maar buffers kunnen geen abnormale pH-waarden in een oplossing corrigeren, of die oplossing nu in een reageerbuis of in de extracellulaire vloeistof zit. Buffers bestaan meestal uit een paar verbindingen in oplossing, waarvan de ene een zwak zuur is en de andere een zwakke base. De meest voorkomende buffer in de ECF bestaat uit een oplossing van koolzuur (H2CO3), en het bicarbonaat (HCO-
3) zout van, meestal, natrium (Na+). Wanneer er dus een overmaat aan OH-
ionen in de oplossing is, neutraliseert koolzuur deze gedeeltelijk door H2O en bicarbonaationen (HCO-
3) te vormen. Op dezelfde manier wordt een overmaat aan H+ ionen gedeeltelijk geneutraliseerd door de bicarbonaat-component van de bufferoplossing om koolzuur (H2CO3) te vormen, dat, omdat het een zwak zuur is, grotendeels in de ongedissocieerde vorm blijft, waarbij veel minder H+ ionen aan de oplossing worden afgegeven dan het oorspronkelijke sterke zuur zou hebben gedaan.
De pH van een bufferoplossing hangt uitsluitend af van de verhouding tussen de molaire concentraties van het zwakke zuur en de zwakke base. Hoe hoger de concentratie van het zwakke zuur in de oplossing (vergeleken met de zwakke base), hoe lager de resulterende pH van de oplossing. Evenzo, als de zwakke base overheerst, hoe hoger de resulterende pH.
Dit principe wordt benut om de pH van de extracellulaire vloeistoffen te reguleren (in plaats van alleen de pH te bufferen). Voor de koolzuur-bicarbonaatbuffer levert een molaire verhouding van zwak zuur tot zwakke base van 1:20 een pH van 7,4 op; en omgekeerd – wanneer de pH van de extracellulaire vloeistoffen 7,4 is, dan is de verhouding van koolzuur tot bicarbonaationen in die vloeistof 1:20.
Deze verhouding wordt wiskundig beschreven door de Henderson-Hasselbalch-vergelijking, die bij toepassing op het koolzuur-bicarbonaat-buffersysteem in de extracellulaire vloeistoffen als volgt luidt:
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}]links({\frac {}{}} rechts),}
waar:
- pH is de negatieve logaritme (of cologaritme) van de molaire concentratie van waterstofionen in de ECF. Het geeft de zuurgraad in de ECF omgekeerd aan: hoe lager de pH, des te zuurder de oplossing.
- pKa H2CO3 is de cologaritme van de zuurdissociatieconstante van koolzuur. Deze is gelijk aan 6,1.
- is de molaire concentratie van bicarbonaat in het bloedplasma
- is de molaire concentratie van koolzuur in de ECF.
Aangezien de koolzuurconcentratie echter recht evenredig is met de partiële druk van kooldioxide ( P C O 2 {{{\displaystyle P_{{\mathrm {CO}} }_{2}}}
) in de extracellulaire vloeistof, kan de vergelijking als volgt worden herschreven: p H = 6,1 + log 10 ( 0,0307 × P C O 2 ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+ log _{10}}({\frac {}{0.0307 keer P_{\mathrm {CO} _{2}}}}}rechts),}
waarbij:
- pH de negatieve logaritme is van de molaire concentratie van waterstofionen in de ECF, zoals hierboven.
- is de molaire concentratie van bicarbonaat in het plasma
- PCO2 is de partiële druk van koolstofdioxide in het bloedplasma.
De pH van de extracellulaire vloeistoffen kan dus worden geregeld door de partiële druk van kooldioxide (die de koolzuurconcentratie bepaalt), en de bicarbonaat-ionconcentratie in de extracellulaire vloeistoffen afzonderlijk te regelen.
Er zijn dus ten minste twee homeostatische negatieve terugkoppelingssystemen verantwoordelijk voor de regeling van de plasma-pH. Het eerste is de homeostatische controle van de partiële bloeddruk van kooldioxide, die de koolzuurconcentratie in het plasma bepaalt en de pH van het arteriële plasma binnen enkele seconden kan veranderen. De partiële druk van kooldioxide in het arteriële bloed wordt gecontroleerd door de centrale chemoreceptoren van de medulla oblongata, en maken dus deel uit van het centrale zenuwstelsel. Deze chemoreceptoren zijn gevoelig voor de pH en het kooldioxidegehalte in de cerebrospinale vloeistof. (De perifere chemoreceptoren bevinden zich in de aortalichamen en de carotislichamen, respectievelijk naast de boog van de aorta en bij de bifurcatie van de halsslagaders. Deze chemoreceptoren zijn vooral gevoelig voor veranderingen in de partiële zuurstofdruk in het arteriële bloed en zijn daarom niet direct betrokken bij de pH-homeostase.)
De centrale chemoreceptoren zenden hun informatie naar de ademhalingscentra in het medulla oblongata en het pons van de hersenstam. De ademhalingscentra bepalen vervolgens de gemiddelde snelheid van de ventilatie van de longblaasjes, om de partiële druk kooldioxide in het arteriële bloed constant te houden. Het ademhalingscentrum doet dit via motorneuronen die de ademhalingsspieren activeren (met name het diafragma). Een stijging van de partiële druk van kooldioxide in het arteriële bloedplasma boven 5,3 kPa (40 mmHg) veroorzaakt reflexmatig een toename van de snelheid en diepte van de ademhaling. De normale ademhaling wordt hervat wanneer de partiële druk van kooldioxide is teruggekeerd tot 5,3 kPa. Het omgekeerde gebeurt als de partiële druk van kooldioxide onder het normale bereik daalt. De ademhaling kan tijdelijk worden stopgezet, of worden vertraagd om kooldioxide de gelegenheid te geven zich weer op te hopen in de longen en het arteriële bloed.
De sensor voor de plasma HCO-
3 concentratie is niet met zekerheid bekend. Het is zeer waarschijnlijk dat de renale tubulaire cellen van de distale convoluale tubuli zelf gevoelig zijn voor de pH van het plasma. Het metabolisme van deze cellen produceert CO2, dat snel wordt omgezet in H+ en HCO-
3 door de werking van koolzuuranhydrase. Wanneer de extracellulaire vloeistoffen naar zuurheid neigen, scheiden de niertubulaire cellen de H+ ionen af in de tubulaire vloeistof, van waaruit zij het lichaam via de urine verlaten. De HCO-
3 ionen worden tegelijkertijd uitgescheiden in het bloedplasma, waardoor de bicarbonaat-ionenconcentratie in het plasma stijgt, de koolzuur/bicarbonaat-ionenverhouding daalt, en bijgevolg de pH van het plasma stijgt. Het omgekeerde gebeurt wanneer de pH-waarde van het plasma boven de normale waarde stijgt: bicarbonaationen worden in de urine uitgescheiden, en waterstofionen in het plasma. Deze combineren zich met de bicarbonaationen in het plasma tot koolzuur (H+ + HCO-
3 = H2CO3), waardoor de verhouding koolzuur:bicarbonaat in de extracellulaire vloeistoffen stijgt en de pH-waarde weer normaal wordt.
In het algemeen produceert het metabolisme meer afvalzuren dan basen. De urine is daarom over het algemeen zuur. Deze zuurgraad van de urine wordt tot op zekere hoogte geneutraliseerd door de ammoniak (NH3) die in de urine wordt uitgescheiden wanneer glutamaat en glutamine (dragers van overtollige, niet langer benodigde aminogroepen) worden gedeamineerd door de distale epitheelcellen van de nierbuisjes. Een deel van het “zuurgehalte” van de urine zit dus in het resulterende ammoniumion (NH4+) gehalte van de urine, hoewel dit geen effect heeft op de pH homeostase van de extracellulaire vloeistoffen.