為什麼高血鉀會酸中毒？

在直接解釋這個問題時，得先了解腎臟如何處理身體的氫離子：

 

1.     每日正常的生理運作，是藉由近端腎小管回收被過濾出去的碳酸氫根（HCO3-）來中和身體產生的氫離子（碳酸氫根是血漿組織間液最重要的緩衝物質），因此，正常情況下不會改變血漿的碳酸氫根以及CO2分壓（分壓可以想像成CO2的濃度）

 

2.     當肺臟呼吸受阻，產生呼吸性酸中毒時，將引發腎小管細胞將自身代謝產生的CO2和H2O合成碳酸，再分解為氫離子及碳酸氫根，藉由氫幫浦將氫離子主動運輸到管腔（管腔中為將來的尿液，氫離子與其中的磷酸氫根結合，此時所有的碳酸氫根已經都被100%回收，所以緩衝物質要用到磷酸氫根），這時是將新合成的碳酸氫根加入血漿，所以，腎臟的代償會造成血漿碳酸氫根濃度上升，因此，病人的碳酸氫根（代償），氫離子，CO2濃度均上升（CO2是原發性）。

 

3.     如果尿液中的磷酸鹽都用完了，尿液將無法直接承受氫離子，因為尿液最極端可以容忍的酸度是pH4.4，此時的近端腎小管細胞將使出大絕招：從血漿中汲取麩醯胺（glutamine），代謝成碳酸氫根以及銨離子（NH4+）（銨離子將與鈉離子做次級主動運輸排到管腔）。以此再度增加血漿中的緩衝，以中和氫離子。（此處其實也可以換個角度來想，是把氨NH3加上氫離子，排出體外）

 

 

進入問題回答：

以下是2023年四技2年級的生理學上課時對學生的解釋內容：

 

1.     當腎臟功能正常的病人產生高血鉀時（可能是RAA系統出問題而無法排鉀離子），血漿中高濃度的鉀離子會抑制近端腎小管的轉胺作用，以及集尿管排出銨離子的能力，以至於無法按照計劃在尿液中的磷酸鹽用完時，如期產生新的碳酸氫根離子，因此，無法中和過多的酸，而產生代謝性酸中毒。（當然如果病人能維持低量的氫離子，其實也不一定會有酸中毒）這個機制是由老鼠的實驗證實，發表於傑出的期刊（見Journal of the American Society of Nephrology, 29(5):1411-1425, 2018。https://journals.lww.com/jasn/fulltext/2018/05000/mechanism_of_hyperkalemia_induced_metabolic.12.aspx）

 

2.     發生高血鉀時，身體立即反應就是刺激醛固酮分泌。醛固酮會作用在皮質集尿管上皮細胞底側膜的鈉鉀幫浦，推動鈉鉀幫浦的運作，將更多的鈉離子運回組織間液，而排出更多的鉀離子（因為此處的鉀離子通道設計在頂端膜，所以鉀離子會直接排入管腔，跟著尿液離開）

 

3.     當RAA（腎素血管收縮素醛固酮）系統出現問題，醛固酮分泌過少導致無法適量排鉀離子而造成高血鉀，就有可能連帶出現代謝性酸中毒。此時血漿的碳酸氫根離子濃度下降，因為肺臟代償，而使得CO2濃度上升。

 

關於內外科課本對於高血鉀以致於酸中毒的解釋：

 

提出的說法是「當高血鉀時，因為細胞有H+/K+離子交換的通道（但是此通道尚未經證實）讓細胞內的氫離子外流，以交換細胞外高濃度的鉀離子，所以導致血漿中氫離子濃度上升，以至於造成酸中毒。」

 

這樣的說法有個困難的解釋在於：細胞內的鉀離子濃度有150 mM，細胞外只有5mM。而鉀離子在細胞外只要高於5.5mM，就是高血鉀。所以，該如何讓5.5mM的鉀離子逆轉濃度差進入150mM的細胞內？唯一途徑是主動運輸，所以，根據假說，這要靠氫離子與鉀離子互換的次級主動運輸。這樣的設計，細胞內的氫離子必須要高於細胞外，才可以藉由擴散的力量，交換鉀離子進入細胞內。

 

而根據上述所引用的論文的討論部分提到：

 

「Hyperkalemia may inhibit ammoniagenesis through an intracellular pH-dependent mechanism. Changes in extracellular K⁺ alter basolateral plasma membrane voltage through effects mediated by basolateral K⁺channels.⁴¹ Hyperkalemia-induced depolarization causes intracellular alkalinization through an Na⁺-dependent, disulfonic stilbene–sensitive mechanism,⁴² likely NBCe1, and we observed recently that NBCe1 regulates ammoniagenesis.³¹ Another possibility is that hyperkalemia induces intracellular alkalinization via an as yet unidentified K⁺/H⁺ exchanger.」

 

為何高血鉀會抑制ammoniagenesis？因為高血鉀會改變細胞膜電位（補充：鉀離子透過鉀通道外流而造成細胞的靜止膜電位。當細胞外鉀離子提高，會減少鉀離子外流，進而提高細胞本身的靜止膜電位，將造成心肌去極化收縮，卻無法放鬆。這也是注射高濃度氯化鉀可以自殺的原因）。而高血鉀造成的細胞膜去極化，會引起細胞內的鹼化（alkalinization），他們提出來的鹼化原因是Na⁺-dependent, disulfonic stilbene–sensitive mechanism。而另一個可能的機制是尚未被證實的K⁺/H⁺ exchanger

 

這是我目前為止對內外科課本的解釋，與生理學的解釋，做一個比較，沒有對錯，只是釐清為何目前使用的Vander生理課本不談高血鉀會酸中毒的原因，因為機制還不大明朗（但我會使用上述的論文機制來補充解釋）。也說明在酸鹼平衡時，生理學已經談過的內容，不但是RAA必教，上述腎臟的三大代償功能，均在上課時充分解釋，呼吸性，代謝性酸鹼中毒，氫離子，碳酸氫根，CO2濃度，也是考試必考內容。