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What is Acid-base balance

Acid-base balance is defined by the 
concentration of hydrogen ions.

In order to achieve homeostasis, there 
must be a balance between the intake or 
production of hydrogen ions and the net 
removal of hydrogen ions from the body.

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An Acid

Molecules containing 
hydrogen atoms that 
can release 
hydrogen ions in 
solutions are referred 
to as an acid.

An example of an 
acid is hydrochloric 
acid (HCL)

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A Base

A base is an ion that 
can accept a 
hydrogen ion.

An example of a base 
is is the bicarbonate 
ion.( HCO3

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How is Acid-Base balance 

measured

Hydrogen ion concentration is expressed 
on a logarithm scale using pH units 
(part/percentage hydrogen). 

7.0 being neutral

Body systems carefully control pH of the 
body within the range of 7.35-7.45

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                           pH

A low pH corresponds 
to a high hydrogen 
ion concentration

The term “Acidosis” 
refers to the 
addition of excess 
hydrogen ions and 
the body has a pH 
that falls below 7.35

A high pH corresponds 
to a low hydrogen 
concentration

The term “Alkalosis” 
refers to excess 
removal of hydrogen 
ions from the body 
and has a pH that 
rises above 7.45

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How the Body defends 

against fluctuations in pH

Three Systems in the body: 

1.

Buffers in the blood

2.

Respiration through the lungs

3.

Excretion by the kidneys

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Buffers in the Blood

Buffers are substances that neutralize 
acids or bases

Bicarbonate which is a base and carbonic 
acid in the body fluids protect the body 
against changes in acidity

These buffer systems serve as a first line 
of defense against  changes in the acid-
base balance

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Respiration through the lungs

Carbon Dioxide which is formed during 
cellular metabolism forms carbonic acid 
in the blood decreasing the pH

When the pH drops respiration rate 
increases this hyperventilation increases 
the amount of CO2 exhaled thereby 
lowering the carbonic acid concentration 
and restoring homeostasis

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Excretion by the Kidneys

The kidneys play the primary role in 
maintaining long term control of Acid-
Base balance

The kidney does this by selecting which 
ions to retain and which to excrete

The kidneys adjust the body’s Acid-Base 
balance

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The Importance of the Body’s 

Buffering Systems

Can be quickly realized if one considers the 

low concentration of hydrogen ions in the body 

fluids and the relatively large amounts of acids 

produced by the body each day

Example: 80 milliequvilalants of hydrogen is 

either ingested or produced each day by 

metabolism.

Whereas the hydrogen ion concentration of 

the body fluids normally is only about .

0004meq/L

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There are 4 Types of Acid-

base Imbalances

Respiratory Alkalosis

Respiratory Acidosis

Metabolic Alkalosis

Metabolic Acidosis

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Respiratory Alkalosis

Is a decrease in CO2, decrease in H+
(Hydrogen ions) and in increase in pH

This condition can be caused by severe 
exercise, or anxiety reaction

The body compensates by the lungs 
slowing the respiration rate and kidneys 
excreting more bicarbonate  

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Respiratory Acidosis

Is an increase in CO2, an increase in H+ and 
a decrease in pH

This condition can be caused by emphysema, 
restrictive or obstructive lung diseases

The body compensates by the lungs 
increasing respiration rate and the kidneys 
by conserving bicarbonate ions and 
increasing renal net acid excretions  

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Metabolic Alkalosis

Is a decrease in CO2, a decrease in H+ 
and an increase in pH

This condition can be caused by 
vomiting, diarrhea, increased ingestion of 
alkali

The body compensates by the lungs 
creating a slow respiration rate and the 
kidneys excreting more bicarbonate

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Metabolic Acidosis

Is an increase in CO2, and increase in H+ 
and a decrease in pH

This condition can be caused by diabetes, 
diarrhea, alkaline loss,excess acid 
production or ingestion

The body compensates by the lungs 
increasing respiration rate and the kidneys 
increasing renal net acid excretion

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How does the diet effect Acid-

base balance

After nutrients from 

food are metabolized in 

the cell they may yield 

an excess of mineral 

elements that are 

potentially acid or base

This consideration is 

based on whether the 

food ingested contains 

more cations or anions 

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Food Components

Cations

Have a positive 
charge

Na+

K+

Ca+

Mg+ 

Anions

Have a negative 
charge

Cl-

HCO

3

-

S-

P-

Organic Acids

Proteins

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What happens when we put 

our bodies into acid overload

Frassetto (1998) stated 
“Normal adults eating 
an average American 
diet (as reported in the 
National Health and 
Nutrition Examination 
Survey) 
characteristically have 
chronic, low grade 
metabolic acidosis”.

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“Metabolic Acidosis”

This persisting upsetting of the body’s Acid-Base 
balance occurs because metabolism of the diet 
releases noncarbonic acids into the systems 
circulation (e.g. sulfuric acid from the metabolism 
of proteins) in amounts that exceeds the base 
released (e.g. bicarbonate from the metabolism of 
potassium in vegetables foods 

The size of the difference between acid and base 
production determines the net acid load of the diet 

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Metabolic Acidosis

This condition 
overloads the bodies 
buffering systems 
and they cannot keep 
up with the necessary 
excretions of acids in 
the body.

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Four ways in which to 

measure Acid-base balance in 

the body

1.

Blood pH

2.

Urine pH

3.

Renal net acid 
excretion 

4.

Net acid load

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Studies conducted on Diets 

and Acid-base balance

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Subjects and Methods

141 subjects ranging in ages from 17-73 

20 different whole food diets for a period 
of one week(previously shown to be 
sufficient for establishing a steady state 
of acid-base balance)

Diets: Values for protein, potassium were 
taken for the 20 diets ingested

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        Diets              &      

Results       

Protein content 
ranged from 39-
193g/d

Potassium content 
ranged from 40-
133mEq/d

Renal net acid 
excretion then ranged 
from 12-136 mEq/d

Protein content and 
potassium content 
were independent 
predictors of renal net 
acid excretion 

Renal Net Acid 
Excretion

1.

For protein= 0.94

2.

For potassium = -0.61

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Results

This suggests that increasing protein content 

increases renal net acid excretion and 

increasing potassium content decreases it.

The results here indicate that in normal subjects 

steady state renal net acid excretion is highly 

correlated with the ratio of the dietary content 

of total protein to potassium.

The information for the 2 components, protein 

and potassium used in this diet is widely 

available in standard food composition tables

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Results

Given that steady state Renal net acid 
excretion in normal subjects corresponds 
closely with the diet-dependent rate of 
acid-production. These results provide a 
relatively simple and reliable method for 
determining and controlling the net acid 
load of the diet.

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Subjects and Methods

6 Adults

3 Diets were given that consisted of Low 
protein 49(g/d), Moderate Protein 95(g/d) 
and High Protein 120(g/d)

Diets consisted of foods for which 
nutrient composition was taken and 
analyzed

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Diets

The study was carried out in 4 
consecutive diet periods, was a repeated 
measure design in which all subjects 
received the above diets in the same 
chronological order.

Each diet period lasted 5 days

During each 5 day period the respective 
food diet was kept constant

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Results

During the last 2 days of each diet period 
timed 24 hour urine samples were 
collected

Acid-base status was determined

The mean urinary pH for the low protein 
diet was 6.7, for the moderate protein 
diet it was a pH of 5.4 and the high 
protein diet was a urinary pH of 5.5

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Conclusion

This study then concluded that urine pH 
values confirmed that diet composition 
can significantly influence acid-base 
balance

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What happens in the body 

during Acid-Base imbalances

Researchers Barzel and Massey (1998) 
stated that “The average American diet 
which is high in protein and low in fruits 
and vegetables generates a large amount 
of acid and this type of diet can 
adversely effect bone.”

The key in this statement is “large 
amount of acid” 

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The kidney’s can compensate for only so 
much but when there is too much acid in the 
body the kidney can’t keep up so then other 
body systems move in to help neutralize the 
acid

One of these systems is a release of calcium 
(Ca+) from our bones.This helps to act as a 
buffer to neutralize the excess amount of 
acid in the body 

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Calcium in the urine is directly related to 
net acid excretion

A diet high in acid foods causes excessive 
calcium loss

Overtime it is the balance of dietary acid 
and base that determines calcium 
balance

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Calcium

“Bone and Mineral investigators should 
look at acid-base effects of the diet and 
use appropriate methods to measure 
these affects. The 24-hour urine 
collection as a part of total calcium 
balance measurement is the gold 
standard of acid-base research”

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Study

Todd (2000) stated in her research that hip 
fractures is a major health problem in the 
elderly and is directly related to animal 
protein intake.

They analyzed reported hip fracture 
incidences among different countries in 
women aged 50 years and older in relation to 
their consumption of vegetables and animal 
foods. 

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Study cont.

Hip fracture incidences correlated directly 
with the ratio of vegetable and animal protein 
intake and accounted for 70% of the total 
variation in hip fracture incidences

Conclusion was stated as the finding suggest 
that the critical determinate of hip fracture 
risk in relation to the acid-base effects of diet 
is the net acid load of the diet

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Study

Kerstetter, Brien and Insogna (2003) stated in 
their research that “Almost 30 million Americans 
are affected by Osteoporosis and women are 4x 
more likely to suffer from this disease than men. 

The health problem is reaching near epidemic 
proportions in the United States and world wide. 
 Less than 30-50% of U.S. adults consume 
dietary protein that could be considered 
moderate 

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Study cont.

Given the increasing prevalence of 
osteoporosis and the clear impact dietary 
protein has on calcium metabolism it is 
imperative that we gain a better 
understanding of the complex interplay 
between dietary protein and skeletal 
health”

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Systemic effects of metabolic 

acidosis

Cardiovascular 

1.

Heart: Bradycardia; arrhythmias; 
reduced contractility

2.

Vascular: Arteriolar dilation; increased 
venous tone 

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Systemic effects of metabolic 

acidosis

Gastrointestinal: Gastric distention; 
Intestinal effects

Renal: Sodium/potassium wasting; Uric 
acid retention; Hypercalciuria

Electrolytes: 
Potassium,calcium,magnesium,phosphor
us  

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Systemic effects of Metabolic 

acidosis

Metabolic/Hormonal

1.

Protein wasting 

2.

Organic acid synthesis; 

3.

Aldosterone secretion may be increased; 

4.

Parathyroid hormone;

5.

Action on bone enhanced;

6.

Vitamin D activation may be impaired 

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Standard of Care

Respiratory Alkalosis- slowing down the 
respiration rate and increasing the CO2 
production

Respiratory Acidosis- increasing minute 
ventilation and decreasing CO2 
production

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Standard of Care

Metabolic Alkalosis- replacing potassium 
losses, and trying to restore electrolyte 
imbalances

Metabolic Acidosis- ventilation must be 
increased, less acid production or 
ingestion, and try to increase the 
systemic pH

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Recommended Treatment

Consultation with Patient

Diet History 

Lab Values

pH testing to see if there are in acid-base 
balance

Create an individualized nutritional plan 
for your patient

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Recommended Treatments

Putting patient on a diet that help to maintain 
the acid-base balance in their bodies

We have sources available to us as Dietitians 
one of these is from the USDA Nutrient Data 
Laboratory which has Lists of Food Composition 
Tables

This lists 1000’s of foods and the nutrient 
contents of them 

Webpage is www.nal.usda.gov/fnic/foodcomp/  


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