Acido
Base
La regolazione della concentrazione degli ioni
idrogeno è simile alla regolazione di qualunque
altro ione, dovendo esistere un equilibrio fra intake
ed escrezione. Benché il rene rivesta il ruolo
fondamentale nel controllo di questo equilibrio,
esistono molti sistemi che esercitano uno stretto
controllo sul valore del pH.
* Tutti gli enzimi hanno un pH ideale attorno al
quale lavorano. Questo
la caricaèsui
vari
La concentrazione
degli perché
idrogenioni
strettamente
aa può cambiare e questo a sua volta si riflette in
controllata perché tutti i sistemi enzimatici hanno un
una variazione dei legami all’interno della
meccanismo
di funzionamento
che dipende
al
molecola con
conseguente variazione
della
+ è molto
valorestruttura
del pH*.
La
concentrazione
degli
H
terziaria della proteina. Questo può
ad una
denaturazione
non4 · 10-5
bassaportare
rispetto
a quella
di altridell’enzima
ioni ed èche
circa
riesce più a catalizzare le reazioni
mEq/l.
Considerata la bassa concentrazione di ioni H+ nel
sangue è meglio esprimere questo valore in termini
logaritmici come:
pH= log 1/[H+] = -log [H+]
da cui si ricava che il valore di pH è inversamente
proporzionale alla concentrazione degli
idrogenioni.
Il normale valore del pH arterioso è 7.40, mentre
quello venoso è circa 7.35 per la presenza di
maggiori quantità di CO2 rilasciata dai tessuti.
Questi valori devono essere assolutamente
costanti con possibilità di minime variazioni (7.35 ≤
pH ≤ 7.42). Il pH intracellulare è normalmente più
basso perché il metabolismo cellulare produce
acidi. Il pH delle urine può variare fra 4.5 e 8.0 a
seconda delle necessità. Il pH più basso
nell’organismo si ritrova nello stomaco durante la
digestione, dove si arriva fino a 0.8.
Acido è una sostanza che in soluzione acquosa libera
ioni idrogeno H+ oppure secondo un’altra definizione
una sostanza che è capace di donare protoni. Ad
esempio HCl in acqua si ionizza in ioni H+ e Cl-.
Similmente H2CO3 si dissocia formando H+ e HCO3-
Base è una sostanza che in soluzione acquosa libera
ioni ossidrilici OH- oppure è uno ione o una molecola
che può accettare ioni idrogeno. Per esempio HCO3- è
una base perché accetta ioni H+ per formare acido
carbonico. In genere le proteine funzionano come basi
perché gli aa carichi negativamente tendono ad
attrarre ioni H+. L’emoglobina ed altre proteine
plasmatiche sono fra le basi più importanti
dell’organismo.
Si definisce acido forte un acido che rapidamente
e totalmente si dissocia per formare H+ e X- (HCl),
mentre un acido debole è un acido che si dissocia
lentamente e non completamente (H2CO3).
Similmente si definisce base forte una base che
accetta ioni H+ facilmente (OH- che lega ioni H+
per formare acqua). Una base debole accetta ioni
H+ più difficilmente (HCO3-).
The degree of
dissociation is
described by the
dissociation constant
of the acid which
equals the product
of the concentration
of the dissociated
forms of the acid divided
by the concentration of the free acid. The higher the
dissociation constant the stronger the acid.
La prima linea di difesa è rappresentata dai sistemi
tampone plasmatici e intracellulari. Tutti questi
sistemi contribuiscono sulla base del loro valore di
pK e della loro concentrazione. Particolarmente
importante è il sistema CO2-HCO3- che è il
principale tampone extracellulare. La sua
importanza deriva dal fatto che le due componenti
del sistema possono essere regolate in maniera
indipendente.
Il secondo meccanismo è costituito dal sistema
repiratorio che regola Pco2 plasmatica in
risposta a variazioni di pH, controllando
escrezione o ritenzione della CO2 prodotta
metabolicamente
Il terzo meccanismo è rappresentato dal
sistema renale che gioca un doppio ruolo:
i. regola l’escrezione o la ritenzione di HCO3(la componente basica del sistema tampone
CO2-HCO3-)
ii. regola la formazione ex-novo di HCO3distrutto nel buffer di acidi forti prodotti
metabolicamente. Per ogni HCO3- riassorbito
o rigenerato un H+ è secreto nel fluido
tubulare
HCO3-
I principali meccanismi coinvolti nel controllo acidobase a livello renale sono:
• Riassorbimento e sintesi ex-novo di HCO3• Secrezione di H+ nel lume tubulare
• Produzione e trasporto di ioni ammonio
• Buffer urinari che reagiscono con i protoni
secreti HCO3-/H2CO3, HPO4=/H2PO4- e
NH3/NH4+
più abbondante
più adatto come pK
fondamentali
all’interno della
cellula
Quando c’è una variazione nella concentrazione
degli idrogenioni, i sistemi buffer reagiscono entro
pochi secondi per minimizzare le variazioni di pH.
La seconda linea di difesa è rappresentata dal
sistema respiratorio che elimina CO2 dall’organismo.
Questi due sistemi controllano il valore di pH finché
non interviene il sistema renale che elimina
l’eccesso di acido o base dall’organismo. Questo
sistema, benché sia il più efficace, è però anche il
più lento a rispondere.
Un sistema tampone è
formato da un acido debole
e dal suo sale. La coppia
HA e CA, dove HA è
l’acido debole, C è un
catione e A l’anione, forma
un sistema tampone. In soluzione l’interazione fra
queste forme può essere così rappresentata.
Se la concentrazione di idrogenioni aumenta, la
reazione si sposta a sinistra, mentre a destra se la
concentrazione di idrogenioni diminuisce, in modo
da minimizzare le variazioni di H+.
Questi sistemi buffer sono fondamentali per
tamponare l’eccesso di H+ che deriva
dall’ingestione esterna e dalla produzione
endogena.
Il sistema buffer più diffuso è il sistema bicarbonato che
prevede:
i. un acido debole H2CO3
ii. un sale di bicarbonato NaHCO3
L’acido debole viene formato nell’organismo dalla reazione di
idratazione della CO2
CO2 + H2O ↔ H2CO3
catalizzata dall’enzima anidrasi carbonica che è abbondante
nelle pareti degli alveoli polmonari e nelle cellule dell’epitelio
tubulare.
Il sistema di buffer completo è dato da:
CO2 + H2O ↔ H2CO3
H+ + HCO3AC
eccesso di H+
Quando si aggiunge un acido forte come HCl, l’aumento
degli idrogenioni sposta la reazione verso sinistra formando
acido carbonico che a sua volta forma CO2 e acqua.
L’eccesso di anidride carbonica stimola l’attività respiratoria
per eliminarla (iperventilazione).
Quando si aggiunge una base forte come NaOH questa si
combina con acido carbonico per formare ione bicarbonato.
In questo modo una base forte (NaOH) è sostituita
da una base debole (NaHCO3). L’acido carbonico
diminuisce nel processo di titolazione e quindi la
CO2 a sua volta diminuisce per idratarsi e formare
nuovo H2CO3 . La respirazione viene rallentata
(ipoventilazione) e così l’eliminazione di CO2.
CO2 + H2O ↔ H2CO3
H+ + HCO3con una base forte
con un acido forte
CO2 + H2O
H2CO3 + HCl H2CO3 + NaOH
Stimolazione
dell’attività
respiratoria per
eliminare la CO2
NaHCO3 + H2O
H2CO3 diminuisce nel
processo di titolazione e
nuova CO2 si deve idratare
per formare nuovo acido
carbonico. La respirazione
viene rallentata.
Costante di dissociazione dell’acido carbonico
H2CO3
H+ + HCO3-
K’= (H+ x HCO3-) / H2CO3
H+ = K x (0.03 x PCO2 / HCO3-)
L’equazione sotto riportata rappresenta l’equazione
di Handerson-Hasselbalch per il sistema
bicarbonato. pK vale circa 6.1 e 0.03 · PaCO2 sta ad
indicare che 0.03mM di H2CO3 è presente nel
sangue per ogni mmHg di PCO2
HCO3
pH pK log
0.03 Pa CO 2
La concentrazione (riassorbimento e produzione exnovo) del bicarbonato è regolata principalmente dal
sistema renale, mentre la pressione parziale della CO2
nel fluido extracellulare è controllata dalla rate
respiratoria (iper o ipoventilazione).
Questo tampone ha quindi il vantaggio di essere sotto
il controllo di due sistemi che giocano nella
regolazione del pH.
► Quando un’alterazione dell’equilibrio acido-base
deriva da variazioni del bicarbonato si parla di
disordini acido-base metabolici
► Quando l’alterazione deriva da variazioni della
PCO2 si parla di disordini acido-base di tipo
respiratorio
pH=pK + log HCO3- / 0.03PCO2
Acidosi
•
•
Metabolica
•
•
Respiratoria
Diarrea forte per perdita
di bicarbonato
Esercizio fisico intenso
per accumulo di acido
lattico
Dieta iperproteica per
accumulo di acidi
fosforici e solforici
Ipoventilazione,
patologie respiratorie
che compromettono gli
scambi gassosi
Alcalosi
•
•
•
Vomito violento
per perdita di HCl
Ingestione di
sostanze alcaline
Iperventilazione
Intervallo in cui il
tampone bicarbonato
funziona
A questo valore il pH è
uguale al valore di pK e
la capacità del buffer è
la massima. Il rapporto
fra HCO3- e CO2 è 1
L’acido fosforico si trasforma rapidamente in
diidrogeno fosfato, H2PO4-. H2PO4- è un buffer
eccellente poiché può tanto riprendere un H+
formando acido fosforico, quanto cedere un altro
idrogeno a formare HPO42-. In condizioni estreme
può infine cedere l’ultimo idrogeno.
Se H2PO4- è in una soluzione acida, la reazione si
sposta a sinistra a formare H3PO4, mentre se è in
una soluzione basica la reazione procede verso
destra. Quindi questo sistema può accettare o
donare ioni H+ a seconda della soluzione in cui si
trova.
Il tampone fosfato è meno importante del sistema
bicarbonato perché nei fluidi extracellulari è molto meno
concentrato. Risulta invece un sistema importante a livello
renale perché il fosfato si concentra nel tubulo renale ed
inoltre il pH nel tubulo è inferiore a 7.4 portandosi quindi
molto vicino al pK del sistema fosfato che quindi ha un
ottimo potere tampone.
Il sistema fosfato è un ottimo tampone intracellulare dove
risulta molto concentrato ed inoltre anche qui il pH
intracellulare è molto vicino al pK del sistema rendendolo
quindi molto efficace.
Gli aa possono accettare o donare ioni idrogeno
rendendoli buffer eccellenti. Ogni proteina ha
tipicamente centinaia di aa, cosicché le proteine
sono ottimi buffer. Si trovano nel sangue e
all’interno delle cellule. Al normale pH del sangue
gli aa sono in genere carichi negativamente e
quindi funzionano bene come accettori di protoni,
cioè come basi.
acquista un H
dall’ambiente
cede un H
all’ambiente
CO2 è il prodotto finale del metabolismo cellulare ossidativo:
C6H12O6 + 6 O2 -----> 6 CO2 + 6 H2O + 38ATP
È una molecola piccola e neutra che diffonde attraverso la
membrana cellulare e forma H2CO3 per idratazione catalizzata
dall’anidrasi carbonica (AC), nei globuli rossi e nelle cellule
dell’epitelio tubulare. È detta acido volatile perché è un gas e
come tale è rapidamente eliminata a livello polmonare.
diffusione
Scambio dei cloruri
(elettroneutro)
*
Effetto tampone di Hb
Gli ioni H+ sono bufferati da Hb. Quando la CO2
aumenta troppo la Hb non riesce a neutralizzare
tutti gli idrogenioni che si accumulano
determinando acidosi respiratoria
Gli acidi non-volatili (detti anche fissi o metabolici) sono acidi
prodotti da fonti differenti dalla CO2. Derivano dal
catabolismo incompleto di carboidrati, grassi e proteine. Di
fatto l’unico acido volatile è proprio la CO2. Gli acidi fissi più
comuni sono acido fosforico, acido solforico, acido lattico,
acido acetoacetico e beta-idrossibutirrico. Gli acidi non
volatili sono esceti dai reni fatta eccezione per l’acido lattico
che viene rimetabolizzato dall’organismo e non escreto. Gli
acidi fissi ammontano a circa 70-80mEq/die.
In the ECF most of these
acids are buffered by reaction
of the H+ with HCO3- forming
H2CO3 which dissociates into
CO2 and H2O. The CO2 can
be excreted by the lung and
the H2O by the kidney leaving the sodium salt of the acid in
the ECF. This reaction minimizes the change in pH and in
the process decreases the amount of HCO3- available for
further buffering of nonvolatile acids. The kidney is
responsible for elimination of the acid anions produced in
this way while conserving the Na+ associated with them
and regenerating the HCO3- lost in the buffering reaction.
H2SO4
+ 2NaHCO3
Perso nella
titolazione
Na2SO4 +
2H2CO3
2CO2 + 2H2O
In totale per recuperare il bicarbonato filtrato
(4320mEq/die) e per ripristinare quello perso nella
titolazione di acidi fissi (80mEq/die) devono essere
secreti idrogenioni in questa misura:
4320 + 80 = 4400 mEq H+ secreti dal tubulo
I reni regolano il pH arterioso eliminando urine acide o
basiche, cioè regolando l’escrezione renale di idrogeno
e bicarbonato. L’eliminazione di urina acida consente di
eliminare l’eccesso di acido, mentre l’escrezione di
urine basiche rimuove basi dai fluidi extracellulari.
Il bicarbonato è filtrato a livello glomerulare e i
protoni sono secreti a livello tubulare e quindi
rimossi dal sangue.
Se secrezione H+ > filtrazione HCO3- urine acide
Se secrezione H+ < filtrazione HCO3- urine basiche
Se la concentrazione di ioni idrogeno nel
sangue cresce, i reni ne aumentano la
secrezione, aumentano il riassorbimento di
bicarbonato e la sintesi di nuovo bicarbonato.
Se la concentrazione di ioni idrogeno nel
sangue diminuisce, i reni riducono la secrezione
di ioni idrogeno e il riassorbimento di
bicarbonato
> 90% in
TCP
In distal
nephron
Quindi:
i reni regolano il pH attraverso tre meccanismi:
riassorbimento del bicarbonato filtrato
secrezione di ioni idrogeno
produzione di nuovi ioni bicarbonato
In linea di massima per semplicità possiamo dire
che il riassorbimento di bicarbonato filtrato
avviene praticamente del tutto in TCP (90-95%),
mentre il nefrone distale è coinvolto nella
produzione di NUOVO bicarbonato per ricostituire
quello perso nella titolazione di acidi metabolici
Secrezione di idrogenioni e riassorbimento di
bicarbonato avvengono in ogni parte del nefrone
fatta eccezione per TDs e TAs dell’ansa. Per poter
riassorbire un bicarbonato deve essere secreto un
idrogenione. La secrezione di ioni H+ avviene con
modalità differenti nelle varie parti del nefrone.
A questo livello troviamo un contro-trasporto Na-H
grazie al gradiente stabilito dalla Na-K ATPasi
basolaterale. In questo modo sono secreti
giornalmente 3900mEq di H+. Il pH non varia
perché per ogni idrogenione secreto viene
riassorbito il bicarbonato.
Il fluido tubulare diviene molto acido solo nel
nefrone distale.
Trascurabile rispetto
all’acqua filtrata
Per
l’elettroneutralità
Anidrasi carbonica dell’orletto a spazzola
i.
CO2 nella cellula viene idratata in presenza
dell’anidrasi carbonica
ii.
H2CO3 si dissocia in H+ e HCO3-
iii.
H+ in contro-trasporto con Na+ è secreto nel
lume dove si combina con HCO3- filtrato per
dare acido carbonico che si dissocia in acqua
e anidride carbonica
iv.
HCO3- è riassorbito nel sangue
Va notato che l’antiporto Na-H è un trasporto
che lavora ad alta velocità ma con un gradiente
basso. Questo significa che appena il
bicarbonato è stato riassorbito e il lume inizia
ad acidificare, il trasportatore si blocca.
I protoni, combinandosi con il
bicarbonato filtrato mantengono il
gradiente necessario alla secrezione di
protoni nel lume, fino a quando il
bicarbonato viene riassorbito.
Ogni volta che si forma uno ione idrogeno
nelle cellule dell’epitelio tubulare, si forma
anche ione bicarbonato che viene
riassorbito nel sangue.
In alcalosi metabolica c’è un eccesso di ioni
bicarbonato. Il bicarbonato non viene quindi
totalmente riassorbito perché il sistema di trasporto
satura, ma rimane nelle urine per essere escreto. La
secrezione di protoni non riesce a bilanciare il carico
filtrato di bicarbonato.
In acidosi metabolica (diminuzione di bicarbonato
che verrà totalmente riassorbito) o respiratoria
(aumento di PCO2) viene stimolata la secrezione di
idrogenioni lungo il nefrone. Questi ioni H+ devono
essere titolati da sistemi tampone (fosfato ed
ammonio) ed eliminati come sali per generare
bicarbonato ex-novo
La secrezione di ioni H+ nella parte distale del TCD e
nel DC avviene attraverso un meccanismo di
trasporto attivo. La maggiore differenza con TCP è
proprio che in questa parte del nefrone esiste una
pompa idrogenionica che muove gli ioni H+
dall’interno della cellula, dove si formano a partire
dalla reazione di idratazione della CO2 ad opera
dell’anidrasi carbonica, al lume tubulare.
In questa parte del nefrone la pompa riesce a
stabilire un gradiente idrogenionico altissimo che
porta il pH fino a circa 4.5 che è il limite inferiore
raggiungibile nel rene. Questo avviene ad opera
delle cellule intercalate la cui pompa protonica è
una pompa a bassa velocità ma ad altissimo
gradiente. Per ogni protone pompato un nuovo
bicarbonato passa nel sangue.
Cellule
intercalate
1.
In TCD e
DC gli
ioni H+
sono
secreti
da una
pompa
idrogeno
che usa
ATP
CO2 cellulare
idratata con
formazione di
H2CO3 e quindi
di H+ e HCO3-
In caso di acidosi, quando si presenta la necessità di
eliminare un eccesso di ioni H+, solo una piccola parte di
idrogenioni può rimanere in forma ionica nelle urine,
perché altrimenti il valore di pH scenderebbe troppo
danneggiando il tessuto.
Per fare un esempio, per eliminare 80mEq/die di
idrogenioni derivati da acidi non-volatili, bisognerebbe
eliminare 2667 litri di urina se gli idrogenioni rimanessero
in forma ionica!!!!!
Quando gli ioni H+ sono in eccesso rispetto al
bicarbonato filtrato, gli ioni H+ sono tamponati da
altri sistemi tampone che sono il sistema fosfato e
il tampone ammoniacale.
In questo modo si formano nuovi ioni
bicarbonato che sono riassorbiti: questa quota
costituisce il bicarbonato ex-novo.
Entrambi i componenti del sistema tampone sono
concentrati nelle urine perché sono scarsamente
riassorbiti essendo in forma ionica. Il trasporto tubulare
massimo è inferiore rispetto al filtrato per cui si concentra
nelle urine. Inoltre le urine sono sempre lievemente
acide rispetto al LEC e quindi il tampone lavora ad un pH
vicino al pK, situazione ideale per un sistema tampone.
Escreto come sale di Na+
Quindi, tutte le volte che uno ione idrogeno
secreto nel lume tubulare, si combina con un
buffer che non sia bicarbonato, l’effetto netto è
l’aggiunta di nuovo bicarbonato nel sangue.
Questo avviene tutte le volte che tutto il
bicarbonato è stato riassorbito per la titolazione
degli H+. Quando il tampone bicarbonato è
esaurito nel filtrato, si presenta la necessità di
nuovo bicarbonato e titolazione con un altro buffer.
Il secondo sistema tampone è il sistema formato da
Va detto che questo tampone
ammoniaca (NH3 accettore di idrogenioni) e ione
entra in gioco nei casi di grave
ammonio (NH4+ donatore di idrogenioni). Quest’ultimo è
acidosi promuovendo sintesi di
formato dalla glutammina che è trasportata attivamente
bicarbonato ex-novo già a livello
all’interno del TCP, del TAS, TCD e DC.
del TCP
Il trasporto di ioni ammonio è diverso a seconda che si
parli di TCP o DC.
Nel primo caso (TCP) viene immesso ione ammonio nel
lume tubulare e lo ione bicarbonato è riassorbito.
TCP
In TCP in seguito a
metabolismo
intracellulare dalla
glutammina si
formano 2NH4+ e
2HCO3- . Gli ioni
ammonio sono
secreti nel lume, mentre gli ioni bicarbonato di nuova
sintesi sono riassorbiti nel sangue.
Nel nefrone distale la membrana tubulare non è
permeabile allo ione ammonio e quindi è secreta
ammoniaca che lega idrogenioni formando ioni NH4+
che restano intrappolati nel lume.
DC
Intrappolamento dello ione ammonio
Il rene forma ed estrae dal compartimento
extracellulare un fluido che contiene un eccesso di
alcali o di basi.
La concentrazione del bicarbonato plasmatico
controlla la velocità di filtrazione e quindi il grado
al quale il bicarbonato è riassorbito ed escreto.
La pressione parziale di CO2 nel sangue
influenza la rate di secrezione di protoni
Acidosi: aumento dell’escrezione netta di idrogenioni,
con aumento dell’escrezione di ioni ammonio. Sintesi
ex-novo di bicarbonato riassorbito nel sangue
Alcalosi: escrezione di ioni ammonio a zero, mentre
aumenta l’escrezione di ioni bicarbonato. Quindi
perdita netta di bicarbonato dal sangue (secrezione
acida negativa) e nessuna sintesi ex-novo di
bicarbonato
Respiratory Disturbances
Respiratory disturbances of acid base balance are
caused by changes in pulmonary ventilation which
result in a change in ECF PCO2.
Renal Compensation
The renal compensation for the
increased PCO2 in respiratory
acidosis is to increase ECF HCO3accomplished by maximizing
HCO3- retention and increasing the generation of new
HCO3-. The increase in HCO3- reabsorption is facilitated
by the stimulatory effect of elevated PCO2 and decreased
pH on renal tubular H+ secretion. The increased
generation of new HCO3- is driven by increased formation
of titratable acid and the acidotic stimulus to secretion of
NH4+.
Renal Compensation
The renal compensation
for respiratory alkalosis is
to lower the ECF HCO3concentration. The
decreased ECF PCO2
and increased pH inhibit renal tubular H+ secretion
thereby decreasing reabsorption of HCO3-. Formation
of titratable acid and secretion of NH4+ are also
inhibited by the elevated pH and no new HCO3- is
generated.
Respiratory Compensation
Respiratory compensation for metabolic acidosis is
driven primarily by central chemoreceptors.
Renal Compensation
Renal compensation
for metabolic acidosis
involves maximal
conservation of
filtered HCO3- and
increased generation
of new HCO3-.
Respiratory compensation
In metabolic alkalosis the respiratory response to
the increased pH is hypoventilation.
Renal Compensation
Initially, as the HCO3concentration and filtered
load increases, the kidney
excretes excess HCO3-.
If, however, the addition
of base continues over a
period of time, (several
days or a week or two,
depending on the rate of
base addition or H+ loss)
the renal HCO3reabsorption is reset
with the end result of maintaining the metabolic alkalosis.
Acidos
i
Alcalosi
HCO3
PACO2
metabolica
respiratoria
Diminuzione
del
bicarbonato
Aumento della
CO2 nel plasma
-
HCO3metabolica
Aumento del
bicarbonato nel
plasma
PACO2
respiratoria
Diminuzione
della CO2 per
iperventilazione
