Buku Bahasa Indonesia Guyton And Hall Textbook of Medical Physiology 30-
BAB 31 
Regulasi Asam–Basa
Regulasi keseimbangan ion hidrogen (H+) dalam beberapa hal serupa dengan regulasi ion-ion lain di dalam tubuh. Sebagai contoh, harus terdapat keseimbangan antara asupan atau produksi H+ dan pembuangan bersih H+ dari tubuh untuk mencapai homeostasis. Selain itu, seperti halnya ion lain, ginjal memainkan peran penting dalam mengatur pembuangan H+ dari tubuh. Namun, pengendalian yang tepat terhadap konsentrasi H+ cairan ekstraseluler melibatkan jauh lebih dari sekadar eliminasi H+ oleh ginjal. Berbagai mekanisme penyangga asam–basa yang melibatkan darah, sel, dan paru-paru juga sangat penting dalam mempertahankan konsentrasi H+ yang normal di dalam cairan ekstraseluler dan intraseluler.
Dalam bab ini, akan dibahas mekanisme yang mengatur konsentrasi H+, dengan penekanan khusus pada sekresi H+ oleh ginjal serta reabsorpsi, produksi, dan ekskresi ion bikarbonat (HCO3−), yang merupakan salah satu komponen utama sistem pengendalian asam–basa dalam cairan tubuh.
KONSENTRASI ION HIDROGEN DIATUR SECARA KETAT
Pengaturan H+ yang tepat sangat penting karena aktivitas hampir seluruh sistem enzim dalam tubuh dipengaruhi oleh konsentrasi H+. Oleh karena itu, perubahan konsentrasi H+ akan mengubah hampir seluruh fungsi sel dan fungsi tubuh.
Dibandingkan dengan ion lain, konsentrasi H+ dalam cairan tubuh normalnya dipertahankan pada tingkat yang sangat rendah. Sebagai contoh, konsentrasi natrium dalam cairan ekstraseluler (142 mEq/L) sekitar 3,5 juta kali lebih besar daripada konsentrasi normal H+, yang rata-rata hanya sekitar 0,00004 mEq/L. Yang tidak kalah penting, variasi normal konsentrasi H+ dalam cairan ekstraseluler hanya sekitar sepersejuta dari variasi normal konsentrasi ion natrium (Na+). Dengan demikian, ketepatan regulasi H+ menunjukkan pentingnya ion ini bagi berbagai fungsi sel.
ASAM DAN BASA: DEFINISI DAN MAKNA
Ion hidrogen adalah satu proton bebas yang dilepaskan dari atom hidrogen. Molekul yang mengandung atom hidrogen yang dapat melepaskan ion hidrogen ke dalam suatu larutan disebut asam. Salah satu contohnya adalah asam klorida (HCl), yang terionisasi dalam air membentuk ion hidrogen (H+) dan ion klorida (Cl−). Demikian pula, asam karbonat (H2CO3) terionisasi dalam air membentuk H+ dan ion bikarbonat (HCO3−).
Basa adalah ion atau molekul yang dapat menerima H+. Sebagai contoh, HCO3− merupakan suatu basa karena dapat berikatan dengan H+ membentuk H2CO3. Demikian pula, HPO4= merupakan basa karena dapat menerima H+ membentuk H2PO4−. Protein dalam tubuh juga berfungsi sebagai basa karena beberapa asam amino penyusun protein memiliki muatan negatif bersih yang mudah menerima H+. Protein hemoglobin dalam sel darah merah dan protein dalam sel-sel tubuh lainnya termasuk di antara basa yang paling penting dalam tubuh.
Istilah basa dan alkali sering digunakan secara sinonim. Alkali adalah molekul yang terbentuk dari kombinasi satu atau lebih logam alkali, seperti natrium, kalium, dan litium, dengan ion yang sangat basa seperti ion hidroksil (OH−). Bagian basa dari molekul-molekul ini bereaksi cepat dengan H+ untuk menghilangkannya dari larutan sehingga merupakan basa yang khas. Dengan alasan yang sama, istilah alkalosis mengacu pada pembuangan H+ yang berlebihan dari cairan tubuh, berbeda dengan penambahan H+ yang berlebihan yang disebut asidosis.
Asam dan Basa Kuat serta Lemah
Asam kuat, seperti HCl, terdisosiasi dengan cepat dan melepaskan sejumlah besar H+ ke dalam larutan. Asam lemah seperti H2CO3 memiliki kecenderungan yang lebih kecil untuk mendisosiasi ion-ionnya dan karena itu melepaskan H+ dengan intensitas yang lebih rendah. Basa kuat adalah basa yang bereaksi cepat dan kuat dengan H+, sehingga dengan cepat menghilangkan H+ dari suatu larutan. Contoh khasnya adalah OH−, yang bereaksi dengan H+ membentuk air (H2O). Contoh basa lemah adalah HCO3− karena berikatan dengan H+ jauh lebih lemah dibandingkan OH−. Sebagian besar asam dan basa dalam cairan ekstraseluler yang terlibat dalam regulasi normal asam–basa merupakan asam dan basa lemah. Yang paling penting dan akan dibahas adalah asam karbonat (H2CO3) dan basa bikarbonat (HCO3−).
Konsentrasi H+ dan pH Normal Cairan Tubuh serta Perubahan yang Terjadi pada Asidosis dan Alkalosis
Konsentrasi H+ dalam darah normalnya dipertahankan dalam batas yang sangat sempit di sekitar nilai normal sekitar 0,00004 mEq/L (40 nEq/L). Variasi normalnya hanya sekitar 3 hingga 5 nEq/L, tetapi pada kondisi ekstrem konsentrasi H+ dapat bervariasi dari serendah 10 nEq/L hingga setinggi 160 nEq/L tanpa menyebabkan kematian.
Karena konsentrasi H+ normalnya rendah dan angka-angka ini tidak praktis digunakan, secara konvensional konsentrasi H+ dinyatakan dalam skala logaritmik menggunakan satuan pH. pH berhubungan dengan konsentrasi H+ aktual melalui rumus berikut (konsentrasi H+ [H+] dinyatakan dalam ekuivalen per liter):
Dari rumus ini dapat dilihat bahwa pH berhubungan terbalik dengan konsentrasi H+. Oleh karena itu, pH yang rendah menunjukkan konsentrasi H+ yang tinggi, sedangkan pH yang tinggi menunjukkan konsentrasi H+ yang rendah.
pH normal darah arteri adalah 7,4, sedangkan pH darah vena dan cairan interstisial sekitar 7,35 karena adanya tambahan karbon dioksida (CO2) yang dilepaskan dari jaringan untuk membentuk H2CO3 dalam cairan tersebut (Tabel 31-1). Karena pH normal darah arteri adalah 7,4, seseorang dianggap mengalami asidemia apabila pH turun secara bermakna di bawah nilai ini, dan mengalami alkalemia apabila pH meningkat di atas 7,4. Batas bawah pH yang masih memungkinkan seseorang bertahan hidup lebih dari beberapa jam adalah sekitar 6,8, sedangkan batas atasnya adalah sekitar 8,0.
pH intraseluler biasanya sedikit lebih rendah daripada pH plasma karena metabolisme sel menghasilkan asam, terutama H2CO3. Bergantung pada jenis sel, pH cairan intraseluler diperkirakan berkisar antara 6,0 hingga 7,4. Hipoksia jaringan dan aliran darah yang buruk ke jaringan dapat menyebabkan akumulasi asam dan penurunan pH intraseluler. Istilah asidosis dan alkalosis menggambarkan proses yang masing-masing menyebabkan asidemia dan alkalemia.
pH urin dapat berkisar antara 4,5 hingga 8,0, bergantung pada status asam–basa cairan ekstraseluler. Seperti yang akan dibahas kemudian, ginjal memainkan peran utama dalam memperbaiki kelainan konsentrasi H+ cairan ekstraseluler dengan mengekskresikan asam atau basa pada laju yang bervariasi.
Contoh ekstrem cairan tubuh yang bersifat asam adalah HCl yang disekresikan ke dalam lambung oleh sel oksintik (parietal) mukosa lambung, sebagaimana dibahas pada Bab 65. Konsentrasi H+ dalam sel-sel ini sekitar 4 juta kali lebih besar dibandingkan konsentrasi hidrogen dalam darah, dengan pH 0,8. Pada bagian selanjutnya bab ini akan dibahas regulasi konsentrasi H+ cairan ekstraseluler.
PERTAHANAN TERHADAP PERUBAHAN KONSENTRASI H+: PENYANGGA, PARU-PARU, DAN GINJAL
Tiga sistem utama mengatur konsentrasi H+ dalam cairan tubuh:
- Sistem penyangga asam–basa kimiawi dalam cairan tubuh, yang segera berikatan dengan asam atau basa untuk mencegah perubahan berlebihan konsentrasi H+.
- Pusat respirasi, yang mengatur pembuangan CO2 (dan karena itu H2CO3) dari cairan ekstraseluler.
- Ginjal, yang dapat mengekskresikan urin yang bersifat asam atau basa sehingga menyesuaikan kembali konsentrasi H+ cairan ekstraseluler menuju normal selama asidosis atau alkalosis.
Ketika terjadi perubahan konsentrasi H+, sistem penyangga dalam cairan tubuh bereaksi dalam hitungan detik untuk meminimalkan perubahan tersebut. Sistem penyangga tidak menghilangkan H+ dari tubuh maupun menambahkan H+ ke tubuh, melainkan hanya mengikatnya sampai keseimbangan dapat dipulihkan kembali.
Garis pertahanan kedua, yaitu sistem respirasi, bekerja dalam beberapa menit untuk menghilangkan CO2 dan dengan demikian H2CO3 dari tubuh.
Dua garis pertahanan pertama ini mempertahankan agar konsentrasi H+ tidak berubah terlalu besar sampai garis pertahanan ketiga yang bereaksi lebih lambat, yaitu ginjal, dapat menghilangkan kelebihan asam atau basa dari tubuh. Walaupun ginjal merespons relatif lambat dibandingkan mekanisme pertahanan lainnya, dalam jangka waktu beberapa jam hingga beberapa hari, ginjal merupakan sistem regulasi asam–basa yang paling kuat.
PENYANGGAAN H+ DALAM CAIRAN TUBUH
Penyangga (buffer) adalah setiap zat yang dapat berikatan secara reversibel dengan H+. Bentuk umum reaksi penyanggaan adalah sebagai berikut:
Dalam contoh ini, H+ bebas berikatan dengan buffer membentuk asam lemah (HBuffer), yang dapat tetap sebagai molekul yang tidak terdisosiasi atau terdisosiasi kembali menjadi buffer dan H+. Ketika konsentrasi H+ meningkat, reaksi terdorong ke arah kanan dan lebih banyak H+ berikatan dengan buffer selama buffer masih tersedia. Sebaliknya, ketika konsentrasi H+ menurun, reaksi bergeser ke arah kiri dan H+ dilepaskan dari buffer. Dengan cara ini, perubahan konsentrasi H+ dapat diminimalkan.
Pentingnya buffer cairan tubuh dapat dengan cepat dipahami jika mempertimbangkan rendahnya konsentrasi H+ dalam cairan tubuh dan relatif besarnya jumlah asam yang diproduksi tubuh setiap hari. Sekitar 80 miliekuivalen H+ dikonsumsi atau diproduksi setiap hari melalui metabolisme, sedangkan konsentrasi H+ dalam cairan tubuh normalnya hanya sekitar 0,00004 mEq/L. Tanpa adanya sistem penyangga, produksi dan asupan asam harian akan menyebabkan perubahan konsentrasi H+ cairan tubuh yang mematikan.
Cara kerja buffer asam–basa mungkin paling mudah dijelaskan dengan mempertimbangkan sistem penyangga yang secara kuantitatif paling penting dalam cairan ekstraseluler, yaitu sistem penyangga bikarbonat.
SISTEM PENYANGGA BIKARBONAT
Sistem penyangga bikarbonat terdiri atas suatu larutan air yang mengandung dua komponen: (1) suatu asam lemah, H2CO3; dan (2) suatu garam bikarbonat, seperti natrium bikarbonat (NaHCO3).
H2CO3 terbentuk di dalam tubuh melalui reaksi CO2 dengan H2O:
Reaksi ini berlangsung lambat, dan jumlah H2CO3 yang terbentuk sangat sedikit kecuali jika enzim karbonat anhidrase tersedia. Enzim ini sangat banyak terdapat pada dinding alveolus paru, tempat CO2 dilepaskan; karbonat anhidrase juga terdapat pada sel epitel tubulus ginjal, tempat CO2 bereaksi dengan H2O membentuk H2CO3.
H2CO3 terionisasi secara lemah membentuk sejumlah kecil H+ dan HCO3−:
Komponen kedua sistem ini, yaitu garam bikarbonat, terutama terdapat dalam bentuk NaHCO3 di cairan ekstraseluler. NaHCO3 terionisasi hampir sempurna membentuk HCO3− dan Na+, sebagai berikut:
Jika seluruh sistem digabungkan, maka diperoleh:
Karena disosiasi H2CO3 yang lemah, konsentrasi H+ menjadi sangat rendah.
Ketika suatu asam kuat seperti HCl ditambahkan ke dalam larutan penyangga bikarbonat, peningkatan H+ yang dilepaskan dari asam tersebut (HCl → H+ + Cl−) akan disangga oleh HCO3−:
Akibatnya, lebih banyak H2CO3 terbentuk sehingga meningkatkan produksi CO2 dan H2O. Dari reaksi ini dapat dilihat bahwa H+ dari asam kuat HCl bereaksi dengan HCO3− membentuk asam yang sangat lemah, yaitu H2CO3, yang selanjutnya membentuk CO2 dan H2O. Kelebihan CO2 akan merangsang respirasi secara kuat sehingga CO2 dieliminasi dari cairan ekstraseluler.
Reaksi yang berlawanan terjadi ketika suatu basa kuat, seperti natrium hidroksida (NaOH), ditambahkan ke dalam larutan penyangga bikarbonat.
Dalam hal ini, OH− dari NaOH berikatan dengan H2CO3 membentuk tambahan HCO3−. Dengan demikian, basa lemah NaHCO3 menggantikan basa kuat NaOH. Pada saat yang sama, konsentrasi H2CO3 menurun (karena bereaksi dengan NaOH), sehingga lebih banyak CO2 bergabung dengan H2O untuk menggantikan H2CO3:
Hasil akhirnya adalah kecenderungan penurunan kadar CO2 dalam darah, tetapi penurunan CO2 darah ini menghambat respirasi dan menurunkan laju ekspirasi CO2. Peningkatan konsentrasi HCO3− darah yang terjadi akan dikompensasi oleh peningkatan ekskresi HCO3− oleh ginjal.
Dinamika Kuantitatif Sistem Penyangga Bikarbonat
Semua asam, termasuk H2CO3, terionisasi sampai derajat tertentu. Berdasarkan pertimbangan keseimbangan massa, konsentrasi H+ dan HCO3− berbanding lurus dengan konsentrasi H2CO3:
Untuk setiap asam, konsentrasi asam relatif terhadap ion-ion hasil disosiasinya didefinisikan oleh konstanta disosiasi, K′.
Baca Juga: Lighten PDF Converter OCR 6.1.1 Full Version
Persamaan ini menunjukkan bahwa dalam larutan H2CO3, jumlah H+ bebas adalah:
Konsentrasi H2CO3 yang tidak terdisosiasi tidak dapat diukur dalam larutan karena senyawa ini dengan cepat terdisosiasi menjadi CO2 dan H2O atau menjadi H+ dan HCO3−. Namun, CO2 yang terlarut dalam darah berbanding lurus dengan jumlah H2CO3 yang tidak terdisosiasi. Oleh karena itu, Persamaan 2 dapat ditulis kembali sebagai berikut:
Konstanta disosiasi (K) pada Persamaan 3 hanya sekitar 1/400 dari konstanta disosiasi (K′) pada Persamaan 2 karena rasio proporsionalitas antara H2CO3 dan CO2 adalah 1:400.
Persamaan 3 dituliskan berdasarkan jumlah total CO2 yang terlarut dalam larutan. Namun, sebagian besar laboratorium klinis mengukur tekanan CO2 darah (PCO2), bukan jumlah aktual CO2. Untungnya, jumlah CO2 dalam darah merupakan fungsi linear dari PCO2 yang dikalikan dengan koefisien kelarutan CO2; dalam kondisi fisiologis, koefisien kelarutan CO2 adalah 0,03 mmol/mmHg pada suhu tubuh. Ini berarti bahwa terdapat 0,03 mmol H2CO3 dalam darah untuk setiap mmHg PCO2 yang diukur. Oleh karena itu, Persamaan 3 dapat ditulis kembali menjadi:
Persamaan Henderson-Hasselbalch
Seperti telah dibahas sebelumnya, konsentrasi H+ biasanya dinyatakan dalam satuan pH, bukan dalam konsentrasi aktual. Ingat bahwa:
Konstanta disosiasi (pK) dapat dinyatakan dengan cara yang serupa:
Dengan demikian, konsentrasi H+ pada Persamaan 4 dapat dinyatakan dalam satuan pH dengan mengambil logaritma negatif dari persamaan tersebut, sehingga diperoleh:
Oleh karena itu:
Daripada menggunakan logaritma negatif, tanda logaritma dapat diubah dan pembilang serta penyebut pada suku terakhir dibalik sesuai hukum logaritma sehingga diperoleh:
Untuk sistem penyangga bikarbonat, nilai pK adalah 6,1, sehingga Persamaan 7 dapat dituliskan sebagai:
Persamaan 8 dikenal sebagai persamaan Henderson-Hasselbalch, dan dengan persamaan ini pH suatu larutan dapat dihitung apabila konsentrasi molar HCO3− dan PCO2 diketahui.
Dari persamaan Henderson-Hasselbalch, jelas bahwa peningkatan konsentrasi HCO3− menyebabkan pH meningkat, menggeser keseimbangan asam–basa ke arah alkalosis. Sebaliknya, peningkatan PCO2 menyebabkan pH menurun, menggeser keseimbangan asam–basa ke arah asidosis.
Selain menjelaskan faktor-faktor yang menentukan regulasi pH normal dan keseimbangan asam–basa dalam cairan ekstraseluler, persamaan Henderson-Hasselbalch juga memberikan pemahaman mengenai pengendalian fisiologis komposisi asam dan basa cairan ekstraseluler. Seperti akan dibahas kemudian, konsentrasi HCO3− terutama diatur oleh ginjal, sedangkan PCO2 dalam cairan ekstraseluler dikendalikan oleh laju respirasi. Dengan meningkatkan laju respirasi, paru-paru mengeluarkan CO2 dari plasma, dan dengan menurunkan respirasi, paru-paru meningkatkan PCO2.
Homeostasis asam–basa fisiologis yang normal merupakan hasil kerja terkoordinasi antara paru-paru dan ginjal, sedangkan gangguan asam–basa terjadi apabila salah satu atau kedua mekanisme pengendalian ini mengalami gangguan sehingga mengubah konsentrasi HCO3− atau PCO2 cairan ekstraseluler.
Apabila gangguan keseimbangan asam–basa terjadi akibat perubahan primer konsentrasi HCO3− cairan ekstraseluler, gangguan tersebut disebut gangguan asam–basa metabolik. Oleh karena itu, asidosis yang disebabkan oleh penurunan primer konsentrasi HCO3− disebut asidosis metabolik, sedangkan alkalosis yang disebabkan oleh peningkatan primer konsentrasi HCO3− disebut alkalosis metabolik. Asidosis yang disebabkan oleh peningkatan PCO2 disebut asidosis respiratorik, sedangkan alkalosis yang disebabkan oleh penurunan PCO2 disebut alkalosis respiratorik.
Kurva Titrasi Sistem Penyangga Bikarbonat
Baca Juga: [Buku Bahasa Indonesia] Cosmos - Carl Sagan
Gambar 31-1 menunjukkan perubahan pH cairan ekstraseluler ketika rasio HCO3− terhadap CO2 dalam cairan ekstraseluler berubah. Ketika konsentrasi kedua komponen tersebut sama, bagian kanan Persamaan 8 menjadi logaritma dari 1, yang nilainya sama dengan 0. Oleh karena itu, ketika kedua komponen sistem penyangga sama besar, pH larutan sama dengan pK (6,1) dari sistem penyangga bikarbonat.
Ketika basa ditambahkan ke dalam sistem, sebagian CO2 terlarut diubah menjadi HCO3−, sehingga meningkatkan rasio HCO3− terhadap CO2 dan menaikkan pH, sebagaimana terlihat dari persamaan Henderson-Hasselbalch. Ketika asam ditambahkan, asam tersebut disangga oleh HCO3− yang kemudian diubah menjadi CO2 terlarut, sehingga menurunkan rasio HCO3− terhadap CO2 dan menurunkan pH cairan ekstraseluler.
Kekuatan Penyangga Ditentukan oleh Jumlah dan Konsentrasi Relatif Komponen Penyangga
Dari kurva titrasi pada Gambar 31-1, beberapa hal dapat disimpulkan. Pertama, pH sistem sama dengan pK ketika masing-masing komponen (HCO3− dan CO2) menyumbang 50% dari total konsentrasi sistem penyangga. Kedua, sistem penyangga paling efektif pada bagian tengah kurva, ketika pH mendekati pK sistem.
Fenomena ini berarti bahwa perubahan pH untuk sejumlah tertentu asam atau basa yang ditambahkan ke dalam sistem akan paling kecil ketika pH mendekati pK sistem. Sistem penyangga masih cukup efektif dalam rentang 1,0 satuan pH di kedua sisi pK, yang untuk sistem penyangga bikarbonat mencakup pH sekitar 5,1 hingga 7,1. Di luar batas tersebut, daya penyangga menurun dengan cepat. Selain itu, ketika seluruh CO2 telah diubah menjadi HCO3− atau seluruh HCO3− telah diubah menjadi CO2, sistem tidak lagi memiliki kemampuan penyangga.
Konsentrasi absolut penyangga juga merupakan faktor penting dalam menentukan daya penyangga suatu sistem. Pada konsentrasi penyangga yang rendah, hanya sedikit penambahan asam atau basa ke dalam larutan yang sudah dapat mengubah pH secara bermakna.
Sistem Penyangga Bikarbonat Merupakan Penyangga Ekstraseluler yang Paling Penting
Berdasarkan kurva titrasi pada Gambar 31-1, sistem penyangga bikarbonat tampaknya tidak terlalu kuat karena dua alasan. Pertama, pH cairan ekstraseluler sekitar 7,4, sedangkan pK sistem penyangga bikarbonat adalah 6,1. Hal ini berarti bahwa jumlah sistem penyangga bikarbonat dalam bentuk HCO3− sekitar 20 kali lebih banyak dibandingkan dalam bentuk CO2 terlarut. Oleh karena itu, sistem ini bekerja pada bagian kurva penyangga yang memiliki kemiringan rendah dan daya penyangga yang kurang baik. Kedua, konsentrasi kedua komponen sistem bikarbonat, yaitu CO2 dan HCO3−, tidak terlalu tinggi.
Meskipun memiliki karakteristik tersebut, sistem penyangga bikarbonat merupakan penyangga ekstraseluler yang paling kuat dalam tubuh. Paradoks ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa kedua komponen sistem penyangga, yaitu HCO3− dan CO2, masing-masing diatur oleh ginjal dan paru-paru, sebagaimana akan dibahas kemudian. Sebagai hasil regulasi ini, pH cairan ekstraseluler dapat dikendalikan secara sangat tepat melalui laju relatif pembuangan dan penambahan HCO3− oleh ginjal serta laju pembuangan CO2 oleh paru-paru.
SISTEM PENYANGGA FOSFAT
Meskipun sistem penyangga fosfat bukan merupakan penyangga utama cairan ekstraseluler, sistem ini memainkan peran penting dalam menyangga cairan tubulus ginjal dan cairan intraseluler.
Komponen utama sistem penyangga fosfat adalah H2PO4− dan HPO4=. Ketika suatu asam kuat seperti HCl ditambahkan ke dalam campuran kedua zat tersebut, hidrogen akan diterima oleh basa HPO4= dan diubah menjadi H2PO4−:
Hasil reaksi ini adalah asam kuat HCl digantikan oleh tambahan asam lemah NaH2PO4, sehingga penurunan pH dapat diminimalkan.
Ketika suatu basa kuat, seperti NaOH, ditambahkan ke dalam sistem penyangga, OH− akan disangga oleh H2PO4− untuk membentuk tambahan HPO4= dan H2O:
Dalam hal ini, basa kuat NaOH ditukar dengan basa lemah Na2HPO4 sehingga hanya menyebabkan sedikit peningkatan pH.
Sistem penyangga fosfat memiliki pK sebesar 6,8, yang tidak jauh dari pH normal cairan tubuh sebesar 7,4, sehingga memungkinkan sistem ini bekerja mendekati kapasitas penyangga maksimalnya. Namun, konsentrasinya dalam cairan ekstraseluler rendah, hanya sekitar 8% dari konsentrasi penyangga bikarbonat. Oleh karena itu, daya penyangga total sistem fosfat dalam cairan ekstraseluler jauh lebih kecil dibandingkan sistem penyangga bikarbonat.
Berbeda dengan perannya yang kecil sebagai penyangga ekstraseluler, penyangga fosfat sangat penting dalam cairan tubulus ginjal karena dua alasan: (1) fosfat biasanya menjadi sangat terkonsentrasi di dalam tubulus, sehingga meningkatkan daya penyangga sistem fosfat; dan (2) cairan tubulus biasanya memiliki pH yang jauh lebih rendah daripada cairan ekstraseluler, sehingga rentang kerja penyangga menjadi lebih dekat dengan pK sistem ini (6,8).
Sistem penyangga fosfat juga penting dalam menyangga cairan intraseluler karena konsentrasi fosfat di dalam cairan ini berkali-kali lebih tinggi dibandingkan dalam cairan ekstraseluler. Selain itu, pH cairan intraseluler lebih rendah daripada pH cairan ekstraseluler dan oleh karena itu biasanya lebih dekat dengan pK sistem penyangga fosfat dibandingkan cairan ekstraseluler.
PROTEIN MERUPAKAN PENYANGGA INTRASELULER YANG PENTING
Protein merupakan salah satu penyangga yang paling melimpah dalam tubuh karena konsentrasinya yang tinggi, terutama di dalam sel.
pH sel, meskipun sedikit lebih rendah daripada pH cairan ekstraseluler, tetap berubah secara kurang lebih proporsional terhadap perubahan pH cairan ekstraseluler. Terdapat difusi kecil H+ dan HCO3− melalui membran sel, meskipun ion-ion ini memerlukan waktu beberapa jam untuk mencapai keseimbangan dengan cairan ekstraseluler, kecuali pada eritrosit yang mencapai keseimbangan dengan cepat. Sebaliknya, CO2 dapat berdifusi dengan cepat melalui seluruh membran sel. Difusi komponen sistem penyangga bikarbonat ini menyebabkan pH cairan intraseluler berubah ketika terjadi perubahan pH ekstraseluler. Oleh karena itu, sistem penyangga di dalam sel membantu mencegah perubahan pH cairan ekstraseluler, tetapi mungkin memerlukan beberapa jam untuk mencapai efektivitas maksimal.
Dalam eritrosit, hemoglobin (Hb) merupakan penyangga yang penting, sebagai berikut:
Sekitar 60% hingga 70% dari seluruh penyanggaan kimiawi cairan tubuh terjadi di dalam sel, dan sebagian besar penyanggaan ini berasal dari protein intraseluler. Namun, kecuali pada eritrosit, laju perpindahan H+ dan HCO3− yang lambat melalui membran sel sering kali menunda kemampuan maksimal protein intraseluler dalam menyangga gangguan asam–basa ekstraseluler selama beberapa jam.
Selain tingginya konsentrasi protein di dalam sel, faktor lain yang berkontribusi terhadap daya penyangga protein adalah bahwa nilai pK banyak sistem protein ini cukup dekat dengan pH intraseluler.
Prinsip Isohidrik: Semua Penyangga dalam Suatu Larutan yang Sama Berada dalam Keseimbangan dengan Konsentrasi H+ yang Sama
Kita telah membahas sistem penyangga seolah-olah masing-masing bekerja secara terpisah di dalam cairan tubuh. Namun, semua sistem tersebut bekerja bersama-sama karena H+ merupakan komponen yang sama dalam reaksi seluruh sistem ini. Oleh karena itu, setiap kali terjadi perubahan konsentrasi H+ dalam cairan ekstraseluler, keseimbangan seluruh sistem penyangga berubah secara bersamaan. Fenomena ini disebut prinsip isohidrik dan digambarkan oleh rumus berikut:
K1, K2, dan K3 adalah konstanta disosiasi dari tiga asam yang bersesuaian, yaitu HA1, HA2, dan HA3, sedangkan A1, A2, dan A3 adalah konsentrasi ion negatif bebas yang membentuk basa dari ketiga sistem penyangga tersebut.
Implikasi dari prinsip ini adalah bahwa setiap keadaan yang mengubah keseimbangan salah satu sistem penyangga juga akan mengubah keseimbangan seluruh sistem penyangga lainnya karena sistem-sistem penyangga tersebut sebenarnya saling menyangga satu sama lain dengan memindahkan H+ bolak-balik di antara mereka.
REGULASI RESPIRATORIK KESEIMBANGAN ASAM–BASA
Garis pertahanan kedua terhadap gangguan asam–basa adalah pengendalian konsentrasi CO2 cairan ekstraseluler oleh paru-paru. Peningkatan ventilasi menghilangkan CO2 dari cairan ekstraseluler yang, melalui hukum aksi massa, menurunkan konsentrasi H+. Sebaliknya, penurunan ventilasi meningkatkan konsentrasi CO2 dan H+ dalam cairan ekstraseluler.
EKSPIRASI CO2 OLEH PARU MENYEIMBANGKAN PEMBENTUKAN CO2 METABOLIK
CO2 terus-menerus dibentuk di dalam tubuh melalui proses metabolik intraseluler. Setelah terbentuk, CO2 berdifusi dari sel ke cairan interstisial dan darah, kemudian darah yang mengalir mengangkutnya ke paru-paru, tempat CO2 berdifusi ke alveolus dan selanjutnya dipindahkan ke atmosfer melalui ventilasi paru. Sekitar 1,2 mmol/L CO2 terlarut secara normal terdapat dalam cairan ekstraseluler, yang setara dengan PCO2 sebesar 40 mmHg.
Jika laju pembentukan CO2 metabolik meningkat, PCO2 cairan ekstraseluler juga akan meningkat. Sebaliknya, penurunan laju metabolisme akan menurunkan PCO2. Jika laju ventilasi paru meningkat, CO2 akan lebih banyak dikeluarkan dari paru-paru sehingga PCO2 dalam cairan ekstraseluler menurun. Oleh karena itu, perubahan ventilasi paru atau laju pembentukan CO2 oleh jaringan dapat mengubah PCO2 cairan ekstraseluler.
PENINGKATAN VENTILASI ALVEOLAR MENURUNKAN KONSENTRASI H+ CAIRAN EKSTRASELULER DAN MENINGKATKAN pH
Jika pembentukan CO2 metabolik tetap konstan, satu-satunya faktor lain yang memengaruhi PCO2 cairan ekstraseluler adalah laju ventilasi alveolar. Semakin tinggi ventilasi alveolar, semakin rendah PCO2. Seperti telah dibahas sebelumnya, ketika konsentrasi CO2 meningkat, konsentrasi H2CO3 dan H+ juga meningkat, sehingga menurunkan pH cairan ekstraseluler.
Gambar 31-2 menunjukkan perkiraan perubahan pH darah yang disebabkan oleh peningkatan atau penurunan laju ventilasi alveolar. Perhatikan bahwa peningkatan ventilasi alveolar hingga sekitar dua kali normal meningkatkan pH cairan ekstraseluler sekitar 0,23. Jika pH cairan tubuh adalah 7,40 pada ventilasi alveolar normal, penggandaan laju ventilasi akan meningkatkan pH menjadi sekitar 7,63.
Sebaliknya, penurunan ventilasi alveolar hingga seperempat dari normal menurunkan pH sebesar 0,45. Artinya, jika pH adalah 7,4 pada ventilasi alveolar normal, pengurangan ventilasi menjadi seperempat dari normal akan menurunkan pH menjadi 6,95. Karena laju ventilasi alveolar dapat berubah sangat besar, dari serendah 0 hingga setinggi 15 kali normal, dapat dipahami betapa besarnya perubahan pH cairan tubuh yang dapat dihasilkan oleh sistem respirasi.
PENINGKATAN KONSENTRASI H+ MERANGSANG VENTILASI ALVEOLAR
Tidak hanya laju ventilasi alveolar yang memengaruhi konsentrasi H+ melalui perubahan PCO2 cairan tubuh, tetapi konsentrasi H+ juga memengaruhi laju ventilasi alveolar. Dengan demikian, Gambar 31-3 menunjukkan bahwa laju ventilasi alveolar meningkat menjadi empat hingga lima kali normal ketika pH menurun dari nilai normal 7,4 menjadi nilai yang sangat asam yaitu 7,0.
Sebaliknya, peningkatan pH plasma di atas 7,4 menyebabkan penurunan laju ventilasi. Perubahan laju ventilasi untuk setiap unit perubahan pH jauh lebih besar pada tingkat pH yang rendah (yang berkaitan dengan peningkatan konsentrasi H+) dibandingkan pada tingkat pH yang tinggi.
Alasan untuk hal ini adalah bahwa ketika laju ventilasi alveolar menurun akibat peningkatan pH (penurunan konsentrasi H+), jumlah oksigen yang ditambahkan ke dalam darah juga menurun, dan tekanan parsial oksigen (PO2) dalam darah ikut menurun, yang kemudian merangsang peningkatan laju ventilasi. Oleh karena itu, kompensasi respiratorik terhadap peningkatan pH tidak seefektif respons terhadap penurunan pH yang nyata.
Pengendalian Umpan Balik Konsentrasi H+ oleh Sistem Respirasi
Karena peningkatan konsentrasi H+ merangsang respirasi dan karena peningkatan ventilasi alveolar menurunkan konsentrasi H+, sistem respirasi bertindak sebagai pengendali umpan balik negatif yang khas terhadap konsentrasi H+:
Artinya, setiap kali konsentrasi H+ meningkat di atas normal, sistem respirasi akan dirangsang dan ventilasi alveolar meningkat. Mekanisme ini menurunkan PCO2 dalam cairan ekstraseluler dan mengurangi konsentrasi H+ kembali mendekati normal. Sebaliknya, jika konsentrasi H+ turun di bawah normal, pusat respirasi akan tertekan, ventilasi alveolar menurun, dan konsentrasi H+ meningkat kembali menuju normal.
Meskipun alkalosis cenderung menekan pusat respirasi, respons ini umumnya kurang kuat dan kurang dapat diprediksi dibandingkan respons terhadap asidosis metabolik. Hipoksemia yang berhubungan dengan penurunan ventilasi alveolar pada akhirnya akan mengaktifkan kemoreseptor yang peka terhadap oksigen, yang cenderung merangsang ventilasi dan membatasi kompensasi respiratorik terhadap alkalosis metabolik.
Efektivitas Pengendalian Respiratorik terhadap Konsentrasi H+
Pengendalian respiratorik tidak dapat mengembalikan konsentrasi H+ sepenuhnya ke normal apabila suatu gangguan di luar sistem respirasi telah mengubah pH. Secara umum, mekanisme respirasi dalam mengendalikan konsentrasi H+ memiliki efektivitas sekitar 50% hingga 75%, yang setara dengan gain umpan balik sebesar 1 hingga 3 untuk asidosis metabolik.
Artinya, jika pH tiba-tiba menurun akibat penambahan asam ke dalam cairan ekstraseluler dan pH turun dari 7,4 menjadi 7,0, sistem respirasi dapat mengembalikan pH menjadi sekitar 7,2 hingga 7,3. Respons ini terjadi dalam waktu 3 hingga 12 menit.
Seperti telah dibahas sebelumnya, respons respiratorik terhadap alkalosis metabolik dibatasi oleh hipoksemia yang berkaitan dengan penurunan ventilasi alveolar.
Daya Penyangga Sistem Respirasi
Regulasi respiratorik keseimbangan asam–basa merupakan suatu jenis sistem penyangga fisiologis karena bekerja dengan cepat dan mencegah konsentrasi H+ berubah terlalu besar sampai ginjal yang bereaksi lebih lambat dapat menghilangkan ketidakseimbangan tersebut.
Secara umum, daya penyangga keseluruhan sistem respirasi sekitar satu hingga dua kali lebih besar daripada daya penyangga gabungan seluruh penyangga kimiawi lain dalam cairan ekstraseluler. Artinya, jumlah asam atau basa yang dapat disangga oleh mekanisme ini secara normal adalah satu hingga dua kali lebih besar dibandingkan yang dapat disangga oleh penyangga kimiawi.
Gangguan Fungsi Paru Dapat Menyebabkan Asidosis Respiratorik
Sampai saat ini telah dibahas peran mekanisme respirasi normal sebagai sarana menyangga perubahan konsentrasi H+. Namun, kelainan respirasi juga dapat menyebabkan perubahan konsentrasi H+.
Sebagai contoh, gangguan fungsi paru seperti emfisema berat akan menurunkan kemampuan paru untuk mengeliminasi CO2, sehingga menyebabkan penumpukan CO2 dalam cairan ekstraseluler dan kecenderungan terjadinya asidosis respiratorik. Selain itu, kemampuan untuk merespons asidosis metabolik juga terganggu karena penurunan kompensatorik PCO2 yang normalnya terjadi melalui peningkatan ventilasi menjadi berkurang.
Dalam keadaan ini, ginjal merupakan satu-satunya mekanisme fisiologis yang tersisa untuk mengembalikan pH menuju normal setelah penyanggaan kimiawi awal dalam cairan ekstraseluler terjadi.
Comments (0)