PH-värdet i den extracellulära vätskan, inklusive blodplasma, regleras normalt noggrant mellan 7,32 och 7,42 av de kemiska buffertarna, andningssystemet och njursystemet.
Vattenbuffertlösningar reagerar med starka syror eller starka baser genom att absorbera överskott av väte H+
joner eller hydroxid OH-
joner, vilket ersätter de starka syrorna och baserna med svaga syror och svaga baser. Detta har som effekt att dämpa effekten av pH-ändringar, eller minska den pH-ändring som annars skulle ha inträffat. Buffertar kan dock inte korrigera onormala pH-nivåer i en lösning, oavsett om det är en lösning i ett provrör eller i den extracellulära vätskan. Buffertar består vanligtvis av ett par föreningar i lösning, varav den ena är en svag syra och den andra en svag bas. Den vanligaste bufferten i ECF består av en lösning av kolsyra (H2CO3) och bikarbonatsalt (HCO-
3) av vanligtvis natrium (Na+). När det finns ett överskott av OH-
joner i lösningen neutraliserar kolsyra dem delvis genom att bilda H2O- och bikarbonatjoner (HCO-
3). På samma sätt neutraliseras ett överskott av H+-joner delvis av bikarbonatkomponenten i buffertlösningen för att bilda kolsyra (H2CO3), som, eftersom det är en svag syra, till stor del förblir i odelad form och släpper ut mycket färre H+-joner i lösningen än vad den ursprungliga starka syran skulle ha gjort.
PH-värdet i en buffertlösning beror enbart på förhållandet mellan molkoncentrationerna av den svaga syran och den svaga basen. Ju högre koncentrationen av den svaga syran i lösningen är (jämfört med den svaga basen) desto lägre blir lösningens resulterande pH. På samma sätt, om den svaga basen dominerar desto högre blir det resulterande pH-värdet.
Denna princip utnyttjas för att reglera pH-värdet i extracellulära vätskor (snarare än att bara buffra pH-värdet). För kolsyra-bikarbonatbufferten ger ett molförhållande mellan svag syra och svag bas på 1:20 ett pH-värde på 7,4, och vice versa – när pH-värdet i de extracellulära vätskorna är 7,4 är förhållandet mellan kolsyra- och bikarbonatjoner i den vätskan 1:20.
Detta förhållande beskrivs matematiskt av Henderson-Hasselbalch-ekvationen som, när den tillämpas på kolsyra-bikarbonatbuffersystemet i de extracellulära vätskorna, säger att:
p H = p K a 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),}
där:
- pH är den negativa logaritmen (eller kologaritmen) av den molära koncentrationen av vätejoner i ECF. Det anger surheten i ECF på ett omvänt sätt: ju lägre pH desto större surhet i lösningen.
- pKa H2CO3 är kologaritmen av kolsyrans dissociationskonstant. Den är lika med 6,1.
- är den molära koncentrationen av bikarbonat i blodplasma
- är den molära koncentrationen av kolsyra i ECF.
Men eftersom kolsyrakoncentrationen är direkt proportionell mot koldioxidens partialtryck ( P C O 2 {\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}
) i den extracellulära vätskan kan ekvationen skrivas om enligt följande: 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),}
där:
- pH är den negativa logaritmen av den molära koncentrationen av vätejoner i ECF, som tidigare.
- är den molära koncentrationen av bikarbonat i plasma
- PCO2 är partialtrycket av koldioxid i blodplasma.
Det går alltså att styra pH-värdet i de extracellulära vätskorna genom att separat reglera koldioxidens partialtryck (som bestämmer kolsyrakoncentrationen) och bikarbonatjonkoncentrationen i de extracellulära vätskorna.
Det finns alltså minst två homeostatiska negativa återkopplingssystem som är ansvariga för regleringen av plasma-pH-värdet. Det första är den homeostatiska kontrollen av blodets partialtryck av koldioxid, som bestämmer kolsyrakoncentrationen i plasma och kan ändra pH-värdet i arteriell plasma inom några sekunder. Koldioxidens partialtryck i det arteriella blodet övervakas av de centrala kemoreceptorerna i medulla oblongata och är således en del av det centrala nervsystemet. Dessa kemoreceptorer är känsliga för pH-värdet och koldioxidhalten i cerebrospinalvätskan. (De perifera kemoreceptorerna finns i aortakropparna och karotiskropparna intill aortabågen respektive karotisbifurkationen. Dessa kemoreceptorer är främst känsliga för förändringar i syrepartialtrycket i det arteriella blodet och är därför inte direkt involverade i pH-homeostasen.)
De centrala kemoreceptorerna sänder sin information till andningscentrumen i hjärnstammens medulla oblongata och pons. Andningscentren bestämmer sedan den genomsnittliga ventilationshastigheten i lungornas alveoler för att hålla partialtrycket koldioxid i det arteriella blodet konstant. Andningscentret gör detta via motoriska neuroner som aktiverar andningsmusklerna (särskilt diafragman). En ökning av koldioxidens partialtryck i den arteriella blodplasman över 5,3 kPa (40 mmHg) orsakar reflexmässigt en ökning av andningsfrekvensen och andningsdjupet. Normal andning återupptas när koldioxidens partialtryck har återgått till 5,3 kPa. Det omvända sker om koldioxidens partialtryck sjunker under det normala intervallet. Andningen kan temporärt stoppas, eller bromsas upp så att koldioxiden återigen kan ackumuleras i lungorna och det arteriella blodet.
Sensorn för plasmakoncentrationen av HCO-
3 är inte känd med säkerhet. Det är mycket troligt att de renala tubulära cellerna i de distala konvoluterade tubulerna själva är känsliga för plasmaets pH-värde. Metabolismen i dessa celler producerar koldioxid, som snabbt omvandlas till H+ och HCO-
3 genom verkan av karbonanhydras. När de extracellulära vätskorna tenderar att bli sura utsöndrar de renala tubulära cellerna H+-jonerna till tubulärvätskan, varifrån de lämnar kroppen via urinen. HCO-
3-jonerna utsöndras samtidigt till blodplasman, vilket höjer bikarbonatjonkoncentrationen i plasman, sänker förhållandet kolsyra/bikarbonatjoner och följaktligen höjer plasmans pH-värde. Det omvända sker när plasma pH stiger över det normala: bikarbonatjoner utsöndras i urinen och vätejoner i plasman. Dessa kombineras med bikarbonatjonerna i plasman för att bilda kolsyra (H+ + HCO-
3 = H2CO3), vilket höjer förhållandet mellan kolsyra och bikarbonat i de extracellulära vätskorna och återställer pH-värdet till det normala.
I allmänhet producerar ämnesomsättningen fler avfallssyror än baser. Urinen är därför i allmänhet sur. Denna urinsyra neutraliseras i viss utsträckning av den ammoniak (NH3) som utsöndras i urinen när glutamat och glutamin (bärare av överflödiga, inte längre behövda, aminogrupper) desamineras av de distala renala tubulära epitelcellerna. En del av urinens ”syrainnehåll” finns alltså i den resulterande ammoniumjonen (NH4+) i urinen, även om detta inte har någon effekt på pH-homeostasen i de extracellulära vätskorna.