第二节 钾代谢紊乱
一、正常钾代谢
(一)钾的分布及钾的正常代谢
正常成人体内含钾量为50~55mmol/kg,其中约98%的钾存在于细胞内,约2%分布于细胞外。细胞内液的钾浓度约为140~160mmol/L,细胞外液的钾浓度约为3.5~5.5mmol/L。钾是细胞内液主要的阳离子,对维持细胞新陈代谢、细胞膜静息电位和调节细胞内外液的渗透压及酸碱平衡均有重要作用。
钾的摄入量和排出量处于动态平衡。天然食物含钾非常丰富,成人每天随饮食摄入的钾量约为2~4g,其中大部分在小肠吸收,吸收的钾首先转移至细胞内,随后主要经肾随尿排出体外。肾脏排钾,具有多吃多排、少吃少排、不吃也排的特点。其余小部分钾由汗液和粪便排出体外。
(二)钾平衡的调节
钾的平衡主要通过钾的跨细胞转移和肾的调节来实现。在一些特殊情况下,结肠也可成为重要的排钾场所。
1.钾的跨细胞转移 机体对快速变动的钾的调节主要依靠细胞内外钾离子的转移来实现。钾离子在细胞内外的转移可迅速、准确地维持细胞外液中钾的浓度。调节钾跨细胞转移的基本机制称为泵-漏机制。泵指Na+-K+-ATP酶,将钾逆浓度差主动转运至细胞内;漏指钾离子顺浓度差通过钾离子通道进入细胞外。
(1)促进细胞外钾进入细胞内的主要因素:胰岛素、β肾上腺素受体的激活、细胞外液钾离子浓度的升高,可刺激Na+-K+-ATP酶,将促进细胞摄钾;血清钾浓度的升高可直接刺激胰岛素的分泌,从而促进细胞摄钾;碱中毒也可促进钾离子进入细胞内。
(2)促进细胞内钾转移到细胞外的主要因素:α促肾上腺素受体的激活、酸中毒、细胞外液渗透压的急剧升高、剧烈运动时肌肉收缩等促进钾离子从细胞内移出。
2.肾对钾排泄的调节 肾排钾的过程可分为三个部分:肾小球的滤过;近曲小管和髓袢的重吸收;远曲小管和集合管对钾的排泄和重吸收。
一般情况下,肾小球的滤过、近曲小管和髓袢的重吸收对钾通常无重要的调节作用。对不断变动的钾摄入量,机体主要通过远曲小管和集合管对钾的排泄和重吸收来调节。
(1)远曲小管和集合管调节钾平衡的机制:根据机体钾的平衡状态,远曲小管和集合管可执行分泌和重吸收的功能,使钾的摄入量与排出量保持平衡,以维持钾浓度的相对恒定。
1)远曲小管和集合管钾的分泌。正常情况下,大约有1/3的尿钾是由远曲小管和集合管分泌的。钾的分泌由该段小管上皮的主细胞完成。主细胞的基底膜侧的Na+-K+-ATP酶将Na+泵入小管间液,而将小管间液的K+泵入主细胞内,提高细胞内的K+浓度;主细胞的管腔面侧对K+具有高度的通透性。因此,影响主细胞基底膜侧的Na+-K+泵活性,影响管腔面侧对K+的通透性,改变细胞内与小管腔内钾的电化学梯度都可影响主细胞对钾的分泌。
2)集合管对钾的重吸收。在摄钾量明显不足的情况下,远曲小管和集合管显示出对钾的净吸收。主要由该段小管上皮的闰细胞完成。闰细胞的管腔面侧有H+-K+-ATP酶,也称质子泵,向小管腔分泌H+而重吸收K+。缺钾时,闰细胞肥大,对K+的重吸收功能加强。
(2)影响远曲小管和集合管排钾的调节因素
1)细胞外液的钾浓度。细胞外液钾浓度升高可刺激Na+-K+泵的活性,增强管腔面侧对K+的通透性,降低肾间质液与小管细胞内液之间钾浓度的差,从而增加远曲小管和集合管的泌钾速率。
2)醛固酮。醛固酮可增强Na+-K+泵的活性,并增加管腔面对K+的通透性,有利于钾排入管腔。
3)远端小管的原尿流速。远端小管原尿流速增大可迅速移去小管细胞泌出的钾,降低小管腔中的钾浓度,使小管上皮细胞与管腔中钾浓度差增大,从而促进钾的分泌。
4)酸碱平衡状态。H+浓度升高可抑制主细胞的Na+-K+泵的活性,使主细胞泌钾功能受阻,因此,急性酸中毒时肾排钾减少;碱中毒时则肾排钾增多。慢性酸中毒患者却常表现出尿钾增多,其与慢性酸中毒可使近端小管的水、钠重吸收抑制,从而使远端小管的原尿流速增大有关。
3.结肠对钾的正常排泄 结肠对钾的排泄正常时,摄入钾的90%由肾排出,10%由肠道排出,结肠排钾量亦受醛固酮的调节。在肾功能衰竭,肾小球滤过率明显下降的情况下,结肠泌钾量平均可达到摄入钾量的1/3。
二、钾代谢紊乱
钾代谢紊乱是临床上常见的电解质代谢异常。根据血钾浓度的高低,钾代谢紊乱可分为低钾血症和高钾血症两大类。测定血钾可取血浆或血清。血清钾浓度的正常范围为3.5~5.5mmol/L,血浆钾浓度通常比血清钾低0.3~0.5mmol/L,这与凝血过程中血小板释放出一定数量的钾有关。
(一)低钾血症和缺钾
血清钾浓度低于3.5mmol/L称为低钾血症(hypokalemia)。缺钾指细胞内钾和机体总钾量缺乏。
1.原因和机制
二维码3-6 低钾血症的病因及其对神经-肌肉兴奋性的影响
(1)钾摄入减少:钾摄入减少见于长期不能进食(如消化道梗阻、昏迷及手术后长期禁食)的患者。
(2)钾丢失过多
1)经肾失钾过多。可见于:①长期使用某些利尿剂如呋塞米、噻嗪类利尿剂。其主要机制是抑制髓袢对Na+和Cl-的重吸收,从而使进入远端小管的钠量增加,导致远曲小管K+-Na+交换增多,促进钾的排出;同时继发血容量减少,醛固酮分泌增加,导致肾排钾过多。②肾小管性酸中毒。Ⅰ型(远曲小管性)酸中毒,远曲小管泌H+障碍,导致K+-Na+交换增加,尿钾排出增多;Ⅱ型(近曲小管性)酸中毒是一种以近曲小管重吸收多种物质障碍为特征的综合征,表现为由尿中丢失、K+和磷而出现代谢性酸中毒、低钾血症和低磷血症。③醛固酮分泌过多。原发性和继发性醛固酮增多症时,肾脏排钾增多。④镁缺失。近曲小管、髓袢升支对钾的重吸收有赖于Na+-K+-ATP酶,而此酶需要Mg2+的激活。缺镁时,Na+-K+-ATP酶活性降低,K+重吸收障碍。
2)经胃肠道失钾。见于严重呕吐、腹泻、胃肠减压、肠瘘等。发生机制是:①因消化液内钾浓度均高于或接近血清钾浓度,故消化液的丧失必然导致大量钾的丢失。②消化液大量丢失伴血容量减少时,可引起醛固酮分泌增加,使肾排钾增多。
3)经皮肤失钾。汗液含钾约为5~10mmol/L,大量出汗可丢失较多的钾。
(3)钾向细胞内转移增多
1)碱中毒。碱中毒时通过细胞内外离子交换进行代偿,H+外移同时K+移入细胞内;肾小管上皮细胞H+-Na+交换减少,K+-Na+交换增加。
2)某些物质中毒时如钡中毒、粗制棉籽油中毒(主要毒素为棉酚)。钾通道被阻滞,使K+外流减少。
3)过量使用胰岛素。一方面可直接激活细胞膜上的Na+-K+-ATP酶,使细胞外钾进入细胞内;另一方面可促进细胞合成糖原增多,使细胞外钾随同葡萄糖进入细胞内。
4)β肾上腺素受体活性增强。如β肾上腺素受体激动剂可激活细胞膜上的Na+-K+-ATP酶,促进钾进入细胞内。
5)低钾性周期性麻痹。这是一种常染色体显性遗传病,发作时出现低钾血症、肌无力、麻痹,但尿钾不高。其导致低钾血症的机制尚不清楚。
案例3-1分析 患者呕吐、腹泻,使含钾的消化液丢失;另外,发生低渗性脱水,使醛固酮分泌增加,肾排钾增多,出现低钾血症。
2.对机体的影响 低钾血症的临床症状和体征与血钾降低的速度和程度有关。一般情况下,血钾浓度越低对机体影响越大。慢性失钾的患者往往症状不明显。
(1)对神经肌肉的影响:主要影响骨骼肌和平滑肌。急性低钾血症时神经肌肉兴奋性降低,表现为肌肉松弛无力或弛缓性麻痹。骨骼肌以下肢肌肉无力最常见,严重时可导致呼吸肌麻痹,是低钾血症的主要死亡原因;胃肠道平滑肌受累则表现为食欲不振,严重者可发生麻痹性肠梗阻。其机制主要是超极化阻滞的发生。急性低钾血症时由于细胞外钾浓度([K+]e)急剧降低,而细胞内钾浓度([K+]i)变化不明显,使[K+]i/[K+]e比值增大,静息电位负值增大,静息电位与阈电位的距离加大,细胞处于超级化阻滞状态,因而兴奋性降低。
慢性低钾血症时,细胞内钾外移进行缓冲,[K+]i和[K+]e均减少,[K+]i/[K+]e比值可正常,因而静息电位变化不明显,神经肌肉兴奋性可维持正常。
严重钾缺乏可使骨骼肌血管收缩,导致供血不足,引起肌肉痉挛、缺血性坏死和横纹肌溶解。
案例3-1分析 患者发生低钾血症,使细胞外液中钾浓度降低,细胞内外钾浓度比值增大,静息电位负值增大,静息电位与阈电位的距离加大,细胞处于超级化阻滞状态,细胞兴奋性降低。所以患者出现厌食、肌肉软弱无力、肠鸣音减弱、腹壁反射消失等现象。
二维码3-7 知识链接
(2)对心脏的影响
1)对心肌电生理特性的影响。①对心肌兴奋性的影响。急性低钾血症时,心肌细胞膜通透性下降,K+外流减少,造成静息电位减少,静息电位与阈电位的距离缩小,因而兴奋性增高。②对心肌传导性的影响。低钾血症时静息电位减少,除极时钠内流速度减慢,0期去极化速度减慢,幅度变小,因而心肌传导性减低。③对心肌自律性的影响。由于低血钾对膜钾通透性的抑制作用,K+外流减慢,自律细胞在4期自动去极化时Na+内流相对加速,自动去极化速度加快,故自律性增高。④对心肌收缩性的影响。急性低钾血症时,血K+浓度降低,对Ca2+内流的抑制作用减弱,2期复极化时Ca2+内流加速,使兴奋-收缩偶联增强,收缩性升高。但在严重缺钾时,心肌细胞代谢障碍,引起心肌变性、坏死,心肌收缩性减弱。
2)对心电图的影响。与心肌细胞在低钾血症时电生理特性变化密切相关,典型表现为ST段压低,T波低平和U波增高,Q-T间期延长。严重低钾血症时还可见P波增宽、P-R间期延长、QRS波增宽。
(3)对中枢神经系统的影响:低钾血症患者常有精神萎靡、表情淡漠、反应迟钝、定向力减弱、嗜睡甚至昏迷症状。其发生机制可能是:①脑细胞静息电位负值增大使细胞兴奋性降低。②脑细胞内缺钾影响糖代谢,使ATP生成减少。③血清钾降低使脑细胞Na+-K+-ATP酶活性降低,细胞内Na+含量增多,引起细胞水肿。
(4)对肾脏的影响:主要损害表现为尿浓缩功能障碍,其发生机制为:①慢性缺钾时,集合管和远曲小管上皮细胞受损,对ADH反应性降低,水重吸收减少,出现多尿。②缺钾时髓袢升支粗段对Na+、Cl-的重吸收减少,髓质渗透梯度形成发生障碍,尿浓缩功能降低,出现多尿和低比重尿。
(5)对酸碱平衡的影响:当血钾浓度降低时(细胞外钾向细胞内转移者除外),细胞内的K+移到细胞外,细胞外液的H+移入细胞内,使细胞外液H+浓度降低,引起代谢性碱中毒。碱中毒时尿液一般呈碱性,但缺钾引起的代谢性碱中毒中,肾小管上皮细胞内钾浓度降低,K+-Na+交换减少而H+-Na+交换增加,导致肾脏排氢增多,尿液呈酸性,故称为反常性酸性尿(paradoxial acidic urine)。
3.防治原则
(1)治疗原发病,尽早恢复正常饮食。
(2)低钾血症较严重或临床表现明显者应及时补钾,并遵循以下原则:①见尿补钾。即尿量每小时大于30mL时才能补钾,每日尿量少于500mL时不宜补钾,以避免发生高钾血症。②尽量口服补钾。一般口服氯化钾每日3~6g,若不能口服或遇到紧急情况,可考虑静脉滴注。③静脉补钾时应控制剂量和速度,终浓度控制在30~40mmol/L,滴注速度控制在10~20mmol/h。快速补钾需在心电图监护下进行。
(二)高钾血症
血清钾浓度高于5.5mmol/L称为高钾血症(hyperkalemia)。
1.原因和机制
(1)肾排钾减少:这是高钾血症发生最主要的原因。常见于:①肾功能衰竭,急性肾功能衰竭的少尿期及慢性肾功能衰竭终末期出现少尿或无尿时,肾小球滤过率减少或肾小管排钾障碍,导致血钾升高。②盐皮质激素缺乏,包括绝对缺乏和相对缺乏。前者见于肾上腺皮质功能减退,后者见于某些肾小管疾病(如间质性肾炎、狼疮肾等),肾小管对醛固酮的反应性降低,两者均可导致钾排出减少,血钾升高。③长期潴钾利尿剂的使用,螺内酯等具有对抗醛固酮保钠排钾的作用,故长期大量使用可导致钾在体内潴留。
(2)细胞内钾外移增多
1)急性酸中毒。酸中毒时细胞外液中H+进入细胞内,同时细胞内K+被释放到细胞外,以维持体液电中性。酸中毒时肾小管上皮细胞内H+浓度增加,H+-Na+交换增加,抑制K+-Na+交换,导致高钾血症。
二维码3-8 高钾血症的病因及其对神经-肌肉兴奋性的影响
2)大量溶血和组织坏死。如在血型不合的输血、严重创伤等情况下,细胞内K+大量释放,若同时伴有肾功能不全,极易发生高钾血症。
3)高血糖合并胰岛素不足。主要见于糖尿病。胰岛素缺乏可抑制Na+-K+-ATP酶活性,抑制K+进入细胞。糖尿病引起的酮症酸中毒和高血糖造成的高渗均可促进细胞内K+外移,使血钾升高。
4)某些药物的使用。β受体阻滞剂、洋地黄类药物中毒等通过干扰Na+-K+-ATP酶活性而妨碍细胞摄钾。肌肉松弛剂氯化琥珀碱可增大骨骼肌膜对K+通透性,使钾从细胞内外溢,导致血钾升高。
5)高钾性周期性麻痹。是一种常染色体显性遗传性疾病,麻痹发作时常伴血钾升高。发生原因可能为肌细胞膜异常,在剧烈运动和应激后发作。发作时K+从细胞内释放,使血钾升高,并引起骨骼肌麻痹,一定时间后可自行恢复。
(3)K+摄入过多,常见于静脉输液补钾过快。
2.对机体的影响
(1)对神经肌肉的影响:轻度高钾血症时,[K+]e浓度升高而[K+]i变化不大,导致[K+]i/[K+]e比值降低,静息电位负值减少,静息电位与阈电位的距离变小,兴奋性增高。临床上可出现肌肉轻度震颤、四肢感觉异常。但重症高钾血症时,[K+]e浓度显著升高,[K+]i/[K+]e比值明显降低,静息电位显著变小以致接近阈电位,导致肌细胞快钠通道失活而处于去极化阻滞状态,不能引起兴奋。临床上可出现四肢软弱无力、腱反射减弱、弛缓性麻痹。
(2)对心肌的影响:高钾血症的主要危险是重症高钾血症可引起心室颤动和心搏骤停。
1)对心肌电生理特性的影响。①心肌兴奋性的变化,与高钾血症对神经肌肉兴奋性的影响相似。轻度高钾血症时,静息电位变小,与阈电位的距离缩小,兴奋性增高。重症高钾血症时,静息电位过小,快钠通道失活,兴奋性反而降低。②心肌传导性降低,即静息电位降低,膜上快钠通道部分失活,以致0期钠内流减慢,导致0期去极化的速度减慢,幅度减小,传导性降低。患者常发生传导延缓或阻滞。③心肌自律性降低,即高钾血症时快反应自律细胞膜对钾通透性增高,在达到最大复极电位后,细胞内K+外流速度加快,而Na+内流相对缓慢,导致快反应自律细胞4期自动去极化减慢,自律性降低。④心肌收缩性减弱,即由于细胞外液K+浓度增高,抑制心肌2期复极化的Ca2+内流,使兴奋-收缩偶联发生障碍,心肌收缩性减弱。
2)对心电图的影响。由于复极3期钾外流加速,复极时间和有效不应期缩短,反映复极3期的T波高尖;由于传导性降低,代表房-室传导的P-R间期延长,代表心室内传导的QRS波增宽;相当于心房去极化的P波和心室去极化的R波降低。
(3)对酸碱平衡的影响:由于细胞外液钾增多,K+移入细胞内,细胞内H+移向细胞外,引起代谢性酸中毒。酸中毒时应排酸性尿,但肾小管内K+浓度升高,促进了K+-Na+交换而减少了H+-Na+交换,从而使排H+减少,尿液呈碱性,故称为反常性碱性尿(paradoxial alkaline urine)。
3.防治原则
(1)治疗原发病,并限制高钾饮食。
(2)重症高钾血症(血K+浓度在7.0mmol/L以上),应迅速采取紧急措施降低血钾,保护心脏:①静脉注射10%葡萄糖酸钙或氯化钠溶液;②静脉注射胰岛素和葡萄糖,促进糖原合成,使K+进入细胞内;③口服阳离子交换树脂,在胃肠道内通过Na+-K+交换,加速排出钾。严重高钾血症可用腹膜透析、血液透析清除体内过多的钾。