KESEIMBANGAN ASAM BASA
Ion hidrogen adalah proton tunggal bebas yang dilepaskan dari atom hidrogen.
Molekul yang mengandung atom-atom hidrogen yang dapat melepaskan ion ion hidrogen dalam larutan dikenal sebagai asam. Satu contoh adalah asam hidrochlorida (HCl) yang berionisasi dalam air membentuk ion ion hidrogen (H+) dan ion klorida (Cl-). Demikian juga asam karbonat (H2CO3) berionisasi dalam air membentuk ion H+ dan ion bikarbonat ( HCO3-
).
Basa adalah ion atau molekul yang dapat menerima ion hidrogen. Sebagai contoh, ion bikarbonat, HCO3-
adalah suatu basa karena dia dapat bergabung dengan satu ion hidrogen untuk membentuk H2CO3. Protein protein dalam tubuh juga berfungsi sebagai basa karena beberapa asam amino yang membangun protein dengan muatan akhir negatif siap menerima ion-ion hidrogen.
H+ di CES dalam keadaan normal adalah 4 x 10-8 atau 0,00000004 ekivalen per liter.
Konsep pH telah diciptakan untuk menyatakan [H+] secara lebih sederhana. pH setara dengan logaritma (log) berbasis 10 dari kebalikan konsentrasi ion hidrogen :
pH = log
= - log [H+] pH = - log [0,00000004]
pH = 7,4
Larutan yang memiliki pH kurang dari 7,0 mengandung [H+] yang lebih tinggi daripada H2O murni dan dianggap sebagai asam. Sebaliknya, larutan yang memiliki nilai pH lebih besar daripada 7,0 memiliki [H+] lebih rendah dan dianggap sebagai basa atau alkali.
pH darah arteri dalam keadaan normal adalah 7,45 dan pH darah vena adalah 7,35, untuk pH darah rata-rata adalah 7,4. pH darah vena sedikit lebih rendah karena adanya H+ yang dihasilkan oleh pembentukan H2CO3 dari CO2 yang diserap di
kapiler jaringan. Asidosis terjadi apabila pH darah turun di bawah 7,35 sementara alkalosis terjadi jika pH darah lebih dari 7,45.
Pada keadaan normal, H+ secara terus menerus ditambahkan ke cairan tubuh dari tiga sumber berikut :
1. Pembentukan asam karbonat.
2. Asam anorganik yang dihasilkan selama penguraian nutrien 3. Asam organik yang dihasilkan dari metabolisme perantara
Dengan demikian, pembentukan ion hidrogen dalam keadaan normal berlangsung secara terus menerus akibat adanya berbagai aktivitas metabolik.
Ada 3 sistem utama yang mengatur konsentrasi ion hidrogen dalam cairan tubuh untuk mencegah asidosis atau alkalosis :
1. Sistem penyangga asam basa kimiawi dalam cairan tubuh, yang dengan segera bergabung dengan asam atau basa untuk mencegah perubahan konsentrasi ion hidrogen yang berlebihan.
2. Pusat pernapasan, yang mengatur pembuangan CO2 dari cairan ekstraselular.
3. Ginjal, yang dapat mengeksresikan urin asam atau urin alkalin, sehingga menyesuaikan kembali konsentrasi ion hidrogen cairan ekstraseluler menuju normal selama asidosis atau alkalosis.
Saat terjadi perubahan dalam konsentrasi ion hidrogen, sistem penyangga cairan tubuh bekerja dalam waktu yang singkat untuk meminimalkan perubahan perubahan ini.
Sistem penyangga tidak mengeliminasikan ion-ion hidrogen dari tubuh atau menambahnya ke dalam tubuh tetapi hanya menjaga agar mereka tetap terikat sampai keseimbangan tercapai kembali.Garis pertahanan kedua, sistem pernapasan, juga bekerja dalam beberapa menit untuk mengeliminasikan CO2 dan oleh karena itu H2CO3 dari tubuh. Kedua garis pertahanan pertama ini menjaga konsentrasi ion
hidrogen dari perubahan yang terlalu banyak sampai garis pertahanan ketiga yang bereaksi lebih lambat, ginjal, dapat mengeliminasikan kelebihan asam dan basa dari tubuh. Walaupun ginjal relatif lambat memberi respons, dibandingkan dengan pertahanan-pertahanan lain, ginjal merupakan sistem pengatur asam basa yang paling kuat selama beberapa jam sampai beberapa hari.1
A. SISTEM PENYANGGA BIKARBONAT
Suatu penyangga adalah zat apapun yang secara terbalik dapat mengikat ion-ion hidrogen. Bentuk umum dari reaksi penyangga adalah :
Penyangga + H+ Penyangga H
Bila konsentrasi ion hidrogen meningkat, reaksi dipaksa ke kanan dan lebih banyak ion hidrogen yang bereaksi dengan penyangga. Sebaliknya bila konsentrasi ion hidrogen menurun, reaksi bergeser ke arah kiri, dan ion ion hidrogen dilepaskan dari penyangga.
Sistem penyangga bikarbonat terdiri dari larutan air yang mengandung dua zat : (1) asam lemah, H2CO3 , dan (2) garam bikarbonat, seperti NaHCO3. H2CO3 dibentuk dalam tubuh oleh reaksi CO2 dengan H2O :
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-
Reaksi ini bersifat reversibel karena dapat berlangsung dalam dua arah, bergantung pada konsentrasi zat-zat yang terlibat. Reaksi ini lambat, dan sangat sedikit jumlah H2CO3 yang dibentuk kecuali bila ada enzim karbonik anhidrase. Enzim ini terutama banyak sekali di dinding alveoli paru, dimana CO2 dilepaskan; karbonik anhidrase juga ditemukan di sel epitel tubulus ginjal, dimana CO2 bereaksi dengan H2O untuk membentuk H2CO3.
Karbonik anhidrase
Persamaan Henderson-Hasselbalch
Untuk menyatakan konsentrasi ion hidrogen lebih sering dalam unit pH daripada dalam konsentrasi yang sebenarnya.
pH = 6,1 + log
Dengan persamaan tersebut seseorang dapat menghitung pH suatu larutan bila konsetrasi molar dari ion bikarbonat dan PCO2 diketahui. Dari persamaan Henderson- Hasselbalch, kelihatan bahwa peningkatan konsentrasi ion bikarbonat menyebabkan pH meningkat, menggeser keseimbangan asam-basa menuju alkalosis. Dan peningkatan PCO2 menyebabkan pH menurun menggeser keseimbangan asam basa menuju asidosis. 1
B. SISTEM PENYANGGA HEMOGLOBIN
Hemoglobin menyangga H+ yang dibentuk CO2 hasil dari metabolisme yang singgah dalam perjalanan antara jaringan dan paru. Di tingkat kapiler sistemik, CO2 secara terus menerus berdifusi ke dalam darah dari sel jaringan tempat gas tersebut dihasilkan. Sebagian besar CO2 ini membentuk H2CO3, yang secara parsial terurai menjadi H+ dan HCO3-
. Secara bersamaan, oksihemoglobin (HbO2) mengeluarkan O2
yang berdifusi ke dalam sel. Hb tereduksi (tidak teroksigenasi) memiliki afinitas yang lebih besar terhadap H+ daripada HbO2.
Dengan demikian, sebagian besar H+ yang dihasilkan dari CO2 di tingkat jaringan akan terikat ke Hb dan tidak lagi ikut serta menentukan keasaman cairan tubuh. Di paru reaksinya berbalik. Sewaktu Hb menyerap O2 yang berdifusi dari alveolus ke dalam sel darah merah, afinitas Hb untuk H+ menurun sehingga H+ dilepaskan. Ion H+ yang dibebaskan tersebut berikatan dengan HCO3- untuk menghasilkan H2CO3 yang kemudia menghasilkan CO2 untuk dikeluarkan melalui paru. Apabila tidak terdapat Hb, darah akan menjadi terlalu asam setelah menyerap CO2 di jaringan.
C. MEKANISME KONTROL pH OLEH SISTEM PERNAPASAN
Garis pertahanan kedua terhadap gangguan asam basa adalah pengaturan konsentrasi CO2 cairan ekstraseluler oleh paru-paru. Sistem pernapasan berperan penting dalam keseimbangan asam basa karena kemampuannya mengubah ventilasi paru, dan dengan demikian mengubah kecepatan ekskresi CO2 penghasil H+. Jika [H+] arteri meningkat, pusat pernapasan di batang otak secara refleks terangsang untuk meningkatkan ventilasi paru (kecepatan pertukaran gas antara paru dan atmosfer).
Karena kecepatan dan kedalaman bernapas meningkat, lebih banyak CO2 yang dihembuskan ke luar, sehingga jumlah H2CO3 yang ditambahkan ke dalam cairan tubuh berkurang. Karena CO2 membentuk asam, pengeluaran CO2 pada dasarnya mengeluarkan asam dari tubuh.
Sebaliknya, apabila [H+] arteri turun, ventilasi paru berkurang. Akibat bernapas yang lebih lambat dan lebih dangkal, CO2 hasil metabolisme akan berdifusi dari sel ke dalam darah lebih cepat daripada pengeluaran gas tersebut dari darah oleh paru, sehingga terjadi penimbunan lebih banyak CO2 pembentuk asam di darah, sehingga [H+] dapat dipulihkan ke tingkat normal.
D. MEKANISME KONTROL pH OLEH GINJAL
Ginjal adalah lini pertahanan ketiga terhadap perubahan-perubahan [H+] dalam cairan tubuh; ginjal memerlukan waktu beberapa jam sampai hari untuk mengkompensasi perubahan pH cairan tubuh, dibandingkan dengan respons sistem penyangga yang segera dan respons sistem pernapasan yang memerlukan waktu beberapa menit.
Ginjal mengatur konsentrasi ion hidrogen cairan ekstraseluler melalui tiga mekanisme dasar :
1. Eksresi H+ 2. Ekskresi HCO3-
3. Produksi ion-ion bikarbonat baru
Eksresi ion hidrogen
H+ di sekresi oleh sel di nefron yang diikuti oleh reabsorbsi HCO3-
, penurunan pH urin, titrasi penyangga urin dan menyebabkan eksresi NH4. Pada proses ini, reabsorbsi HCO3-
yang di filtrasi sangat penting, karena jumlah HCO3-
yang di filtrasi sebanyak 4500 mEq/hari, sedangkan jumlah H+ yang dibutuhkan untuk eksresi NH4 hanya sebanyak 100 mEq/hari.
Sekresi H+ (reabsorbsi HCO3-
) terjadi di sepanjang nefron. Tubulus proksimal reabsorbsi 80% dari bikarbonat yang difiltrasi, dan 15% lainnya di filtrasi di bagian tebal lengkung henle asendens. Sekresi H+ terjadi melalui 2 transportasi membran atipikal, melalui transpor imbangan natrium dan H+ ATPase. Transport imbangan natrium merupakan jalur utama sekresi H+. karena itu, faktor-faktor yang mempengaruhi transport natrium akan secara tidak langsung mempengaruhi sekresi H+.
Proses sekresi dimulai ketika CO2 berdifusi ke dalam sel tubulus atau dibentuk melalui metabolisme di sel epitel tubulus. CO2, di bawah pengaruh enzim karbonik anhidrase, bergabung dengan H2O untuk membentuk H2CO3 yang berdisosiasi menjadi HCO3- dan H+. Ion-ion hidrogen disekresikan dari sel masuk ke dalam lumen tubulus melalui transpor-imbangan natrium-hidrogen. Artinya, ketika natrium bergerak dari lumen tubulus ke bagian dalam sel, natrium mula-mula bergabung dengan protein pembawa di batas luminal membran sel; pada waktu yang bersamaan, ion hidrogen di bagian dalam sel bergabung dengan protein pembawa.
Natrium bergerak ke dalam sel melalui gradien konsentrasi yang telah dicapai oleh pompa natrium-kalium ATPase di membran basolateral. Gradien untuk pergerakan natrium ke dalam sel kemudian menyediakan energi untuk menggerakkan ion hidrogen dalam arah yang berlawanan dari dalam sel ke lumen tubulus.
Tubulus distal dan duktus kolektikus reabsorbsi bikarbonat yang lolos dari tubulus proksimal dan lengkung henle asendens bagian tebal ( 5% yang difiltrasi). Bikarbonat direabsorbsi sebagai hasil dari sekresi H+ di sel intercalated, yang disekresi dengan 2 cara, yaitu H+ ATPase dan H+/K+ ATPase. Prosesnya tidak berbeda jauh dengan
transpor imbangan natrium. Seperti di tubulus proksimal dan lengkung henle asendens, karbonik anhidrase mengkatalisasi H2CO3 menjadi H+ dan HCO3-
. Mekanisme predominan bikarbonat menembus membran basolateral melalui Cl2/HCO3-
sama seperti yang ditemukan di sel darah merah.
Dimulai dari bagian akhir tubulus distal dan berlanjut melalui sisa sistem tubular, epitel tubulus menyekresikan ion-ion hidrogen melalui transpor aktif primer.
Sekresi terjadi pada membran luminal sel tubulus, tempat ion-ion hidrogen ditranspor secara langsung oleh suatu protein khusus, yaitu pentranspor-hidrogen ATPase.
Energi yang dibutuhkan untuk memompa ion hidrogen dihasilkan dari pemecahan ATP menjadi ADP.
Untuk setiap ion hidrogen yang disekresikan, satu bikarbonat direabsorbsi, mirip dengan proses di dalam tubulus proksimal. Perbedaan utama adalah bahwa hidrogen bergerak melewati membran luminal melalui pompa aktif H+ dan bukan melalui transpor-imbangan seperti yang terjadi pada awal nefron.
Walaupun sekresi ion hidrogen di tubulus distal bagian akhir dan duktus koligentes hanya merupakan sekitar 5 persen dari ion hidrogen total yang disekresikan, mekanisme ini penting dalam pembentukan urin asam yang maksimal.
Di tubulus proksimal, konsentrasi ion hidrogen dapat ditingkatkan hanya sekitar tiga sampai empat kali lipat, walaupun sejumlah besar ion hidrogen disekresikan melalui nefron ini. Sebaliknya konsentrasi ion hidrogen dapat ditingkatkan sebanyak 900 kali lipat di dalam duktus koligentes.
Eksresi bikarbonat Ginjal mengatur [HCO3-
] plasma melalui dua mekanisme yang saling berkaitan : (1) reabsorbsi HCO3-
yang difiltrasi kembali ke plasma dan (2) penambahan HCO3-
baru ke plasma. Kedua mekanisme tersebut terkait erat dengan sekresi H+ oleh tubulus ginjal. Setiap kali sebuah H+ disekresikan ke dalam cairan tubulus, secara simultan sebuah HCO3-
yang dipindahkan ke dalam plasma kapiler peritubulus. Reabsorbsi ion
bikarbonat ini diawali oleh reaksi di dalam tubulus antara ion-ion bikarbonat yang disaring pada glomerulus dan ion-ion hidrogen yang disekresi oleh sel-sel tubulus.
H2CO3 yang terbentuk kemudian berdisosiasi menjadi CO2 dan H2O. CO2 dapat bergerak dengan mudah melewati membran tubulus.
Oleh karena itu, CO2 segera berdifusi masuk ke dalam sel tubulus, tempat CO2
bergabung dengan H2O, di bawah pengaruh karbonik anhidrase, untuk menghasilkan molekul H2CO3 yang baru. H2CO3 ini kemudian berdisosiasi membentuk ion bikarbonat dan ion hidrogen; ion bikarbonat kemudian berdifusi melalui membran basolateral ke dalam cairan interstitial dan dibawa naik ke darah kapiler peritubular.
Jadi, setiap kali ion hidrogen dibentuk di dalam sel-sel epitel tubular, ion bikarbonat juga dibentuk dan dilepaskan kembali kedalam darah.
Bila terdapat kelebihan ion bikarbonat melebihi ion hidrogen dalam urin, seperti yang terjadi pada alkalosis metabolik, kelebihan ion bikarbonat tidak dapat direabsorbsi;
oleh karena itu, kelebihan ion bikarbonat ditinggalkan di dalam tubulus dan akhirnya dieksresikan ke dalam urin, yang membantu mengoreksi alkalosis metabolik.
Pada asidosis, terdapat kelebihan jumlah ion hidrogen dibandingkan dengan ion bikarbonat, menyebabkan reabsorbsi menyeluruh bikarbonat, dan kelebihan ion hidrogen dikeluarkan ke dalam urin. Jadi, mekanisme dasar dimana ginjal mengoreksi asidosis atau alkalosis merupakan titrasi tidak lengkap dari ion hidrogen terhadap ion bikarbonat, meninggalkan salah satu dari kedua ion ini untuk dikeluarkan ke dalam urin, dan oleh karena itu dihilangkan dari cairan ekstraseluler.
Pembentukan bikarbonat baru SISTEM PENYANGGA FOSFAT Sistem penyangga fosfat terdiri dari HPO4=
dan H2PO4-
. Keduanya menjadi pekat di dalam cairan tubulus akibat reabsorbsinya yang relatif buruk dan akibat reabsorbsi air
dari cairan tubulus. Faktor lain yang membuat fosfat menjadi penting sebagai penyangga tubulus adalah kenyataan bahwa pK sistem ini adalah sekitar 6,8. Selama terdapat kelebihan ion bikarbonat dalam cairan tubulus, kebanyakan ion hidrogen yang disekresikan bergabung dengan ion bikarbonat.
Akan tetapi, sekali semua bikarbonat telah direabsorbsi dan tidak ada lagi yang tersedia untuk berikatan dengan ion hidrogen, setiap kelebihan ion hidrogen dapat bergabung dengan HPO4-
dan penyangga tubulus lainnya. Setelah ion hidrogen bergabung dengan HPO4=
untuk membentuk H2PO4-
, ion hidrogen dapat dieksresikan sebagai garam natrium NaH2PO4, dengan membawa serta kelebihan hidrogen.
Oleh karena itu, kapan pun ion hidrogen yang disekresikan ke dalam lumen tubulus bergabung dengan suatu penyangga selain bikarbonat, hasil akhirnya adalah penambahan ion bikarbonat baru ke dalam darah. Pada kondisi normal, kebanyakan fosfat yang disaring akan direabsorbsi, dan hanya tersedia sekitar 30 sampai 40 mEq/hari untuk menyangga ion hidrogen. Oleh karena itu, sebagian besar penyanggaan untuk kelebihan ion hidrogen dalam cairan tubulus pada keadaan asidosis terjadi melalui sistem penyangga amonia.
SISTEM PENYANGGA AMONIA
Sistem penyangga fosfat terdiri atas amonia (NH3) dan ion amonium (NH4+
). Ion amonium disintesis dari glutamin, yang secara aktif ditranspor ke dalam sel epitel tubulus proksimal, cabang tebal asenden ansa Henle, dan tubulus distal. Sekali berada dalam sel, setiap molekul glutamin dimetabolisme untuk membentuk dua ion NH4+
dan dua ion HCO3-
. NH4+
disekresikan ke dalam lumen tubulus melalui mekanisme transpor-imbangan sebagai pertukaran dengan ion natrium, yang direabsorbsi. HCO3-
bergerak melewati membran basolateral bersama dengan ion natrium (Na+) yang direabsorbsi ke dalam cairan interstitial dan diambil oleh kapiler peritubular. Jadi, untuk setiap molekul glutamin yang dimetabolisme di dalam tubulus proksimal, dua
ion NH4+
disekresikan ke dalam urin dan dua ion HCO3-
direabsorbsi ke dalam darah.
HCO3-
yang dihasilkan oleh proses ini membentuk bikarbonat baru.
Dalam tubulus koligentes, penambahan ion NH4+
ke cairan tubulus terjadi melalui mekanisme yang berbeda. Di sini, ion hidrogen disekresikan oleh membran tubulus ke dalam lumen, termpatnya bergabung dengan amonia (NH3) untuk membentuk NH4+
, yang kemudian dieksresikan. Duktus koligentes bersifat permeabel untuk NH3, yang dengan mudah dapat berdifusi ke dalam lumen tubulus. Akan tetapi, membranluminal bagian tubulus ini kurang permeabel untuk NH4+
, oleh karena itu, sekali ion hidrogen sudah bereaksi dengan NH3 membentuk NH4+
, NH4+
terperangkap di dalam lumen tubulus dan dikeluarkan dalam urin. Untuk setiap NH4+
yang dieksresikan, dihasilkan HCO3- yang baru dan ditambahkan ke dalam darah.
Peningkatan konsentrasi ion hidrogen dalam cairan ekstraseluler merangsang metabolisme glutamin ginjal, sehingga meningkatkan pembentukan NH4+ dan bikarbonat baru untuk digunakan dalam penyanggaan ion hidrogen; penurunan konsentrasi ion hidrogen memiliki efek berlawanan. Pada asidosis kronik, mekanisme utama yang mengeliminasi asam adalah eksresi NH4+. Mekanisme ini juga merupakan mekanisme utama untuk menghasilkan bikarbonat baru selama asidosis kronik.3,4
PENDEKATAN KLINIS KELAINAN ASAM BASA
Setiap harinya tubuh produksi asam melalui metabolisme normal, dan juga melalui makanan yang dikonsumsi. Paru-paru melepaskan atau menguatkan ikatan asam jika dibutuhkan begitu juga dengan ginjal dapat bekerja dengan baik dengan mengeliminasi atau reabsorbsi asam. Jika terjadi penurunan asam, atau kehilangan asam, bikarbonat menyangga H+ untuk meminimalisir perubahan pH.
pH berhubungan dengan konsentrasi H+. pH yang rendah berhubungan dengan tingginya konsentrasi H+ dan dikenal sebagai asidosis, dan sebaliknya tingginya pH berhubungan dengan rendahnya konsentrasi H+ yang dikenal sebagai
