Regolazione dell’equilibrio acido-base 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.

La concentrazione degli idrogenioni è strettamente controllata perché tutti i sistemi enzimatici hanno un meccanismo di funzionamento che dipende al valore del pH. La concentrazione degli H + è molto bassa rispetto a quella di altri ioni ed è circa 4 · mEq/l.

Molecole che rilasciano ioni idrogeno in soluzione sono dette acidi. Ad esempio HCl in acqua si ionizza in ioni H + e Cl -. Similmente H 2 CO 3 si dissocia formando H + e HCO 3 -

Una base è uno ione o una molecola che può accettare ioni idrogeno. Per esempio HCO 3 - 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 (H 2 CO 3 ). 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 (HCO 3 - ).

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 7.4, mentre quello venoso è circa 7.35 per la presenza di maggiori quantità di CO 2 rilasciata dai tessuti.

Questi valori devono essere assolutamente costanti con possibilità di minime variazioni (7.0 ≤ pH ≤ 8.0). 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.

Difese per le variazioni di pH Esistono tre sistemi principali che regolano la concentrazione di idrogenioni nei fluidi corporei per prevenire acidosi ed alcalosi. i.Sistemi buffer acido-base: si combinano immediatamente con H + per evitare variazioni eccessive del pH ii.Centro respiratorio: regola la rimozione di CO 2 e quindi di H 2 CO 3

iii.Sistema renale: elimina urine acide o basiche riportando la concentrazione di idrogenioni ai valori normali.  pH Sistemi buffer rapidi Sistema polmonare per il controllo di CO 2 Sistema renale per il controllo di H +

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 CO 2 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 tampone è una sostanza che si lega reversibilmente a ioni H + secondo la seguente regola: Buffer + H + ↔ H-Buffer (acido debole) Se la concentrazione di idrogenioni aumenta, la reazione si sposta a destra, mentre a sinistra 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. Vediamo quali sono questi sistemi.

Il sistema buffer più diffuso è il sistema bicarbonato che prevede: i.un acido debole H 2 CO 3 ii.un sale di bicarbonato NaHCO 3 L’acido debole viene formato nell’organismo dalla reazione di idratazione della CO 2 CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 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: CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 H + + HCO 3 - 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 CO 2 e acqua. L’eccesso di anidride carbonica stimola l’attività respiratoria per eliminarla. Quando si aggiunge una base forte come NaOH questa si combina con acido carbonico per formare ione bicarbonato. eccesso di H + AC

In questo modo una base forte (NaOH) è sostituita da una base debole (NaHCO 3 ). L’acido carbonico diminuisce nel processo di titolazione e quindi la CO 2 a sua volta diminuisce per idratarsi e formare nuovo H 2 CO 3. La respirazione viene rallentata e così l’eliminazione di CO 2.

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 H + + HCO 3 - CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 + HCl con un acido forte Stimolazione dell’attività respiratoria per eliminare la CO 2 con una base forte H 2 CO 3 + NaOH NaCO 3 + H 2 O H 2 CO 3 diminuisce nel processo di titolazione e nuova CO 2 si deve idratare per formare nuovo acido carbonico. La respirazione viene rallentata.

K’= (H + x HCO 3 - ) / H 2 CO 3 Costante di dissociazione dell’acido carbonico H 2 CO 3 H + + HCO 3 -

L’equazione sotto riportata rappresenta l’equazione di Handerson-Hasselbalch per il sistema bicarbonato. pK vale circa 6.1 e 0.03 · P A CO 2 sta ad indicare che 0.03mM di H 2 CO 3 è presente nel sangue per ogni mmHg di P CO 2 H + = K x (0.03 x P CO 2 / HCO 3 - )

La concentrazione del bicarbonato è regolata principalmente dal sistema renale, mentre la pressione parziale della CO 2 nel fluido extracellulare è controllata dalla rate respiratoria. 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 P CO 2 si parla di disordini acido-base di tipo respiratorio

pH=pK + log HCO 3 - / 0.03P CO 2

A questo valore il pH è uguale al valore di pK e la capacità del buffer è la massima. Il rapporto fra HCO 3 - e CO 2 è 1 Intervallo in cui il tampone bicarbonato funziona

L’acido fosforico si trasforma rapidamente in diidrogeno fosfato, H 2 PO 4 -. H 2 PO 4 - è un buffer eccellente poiché può tanto riprender un H + formando acido fosforico, quanto cedere un altro idrogeno a formare HPO In condizioni estreme può infine ceder l’ultimo idrogeno. Il sistema fosfato

Se H 2 PO 4 - è in una soluzione acida, la reazione si sposta a sinistra a formare H 3 PO 4, 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.

Controllo renale dell’equilibrio acido-base I reni controllano il valore del pH eliminando urine acide o basiche. 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 HCO 3 - urine acide Se secrezione H + < filtrazione HCO 3 - urine basiche

Acidi non-volatili

Giornalmente sono prodotti circa 80 mEq di acidi non-volatili derivati dal metabolismo proteico, quali acido solforico (ox di aa con S come Met e Cys) e acido fosforico dal metabolismo di acidi nucleici e fosfolipidi. Sono non-volatili e quindi non eliminabili attraverso la via polmonare. L’eliminazione è a carico renale. Ogni giorno a livello renale sono filtrati 4320mEq di HCO 3 - (180 l/die x 24 mEq/l) che non devono essere persi con le urine, ma recuperati.

Per recuperare questo bicarbonato si deve formare acido carbonico il che significa che 4320mEq di ioni H + devono essere secreti per riassorbire il bicarbonato. Inoltre 80mEq aggiuntivi devono essere secreti per eliminare il carico acido derivato dal metabolismo sopra citato. Quindi in totale giornalmente abbiamo: = 4400 mEq H + secreti dal tubulo

In condizioni di alcalosi i reni aumentano la quantità di bicarbonato escreto. Gli idrogenioni non devono quindi essere utilizzati per il recupero di bicarbonato e non vengono quindi secreti, il che equivale ad aumentare gli idrogenioni nel liquido extracellulare. In condizioni di acidosi i reni riassorbono tutto il bicarbonato filtrato e ne producono ex-novo che serve a ripristinare quello perso nella titolazione degli acidi.

Quindi: i reni regolano la concentrazione di ioni H + attraverso tre meccanismi: secrezione di ioni idrogeno riassorbimento del bicarbonato filtrato produzione di nuovi ioni bicarbonato

Secrezione di ioni H + e riassorbimento di bicarbonato nel tubulo renale Secrezione di idrogenioni e riassorbimento di bicarbonato avvengono in ogni parte del nefrone fatta eccezione per TDs e TAs dell’ansa. Ricordiamo che per ogni bicarbonato riassorbito deve essere secreto un idrogenione. La secrezione di ioni H + avviene con modalità differenti nelle varie parti del nefrone.

4320mEq/die 3240 mEq/die 648mEq/die Riassorbimento di bicarbonato in varie porzioni del nefrone

Schema generale di secrezione di ioni H + nel lume. Contro-trasporto Na-H grazie al gradiente stabilito dalla Na-K ATPasi. In questo modo sono secreti giornalmente 3900mEq di H +. Il fluido tubulare diviene molto acido solo nel nefrone distale. TCP

Recupero del bicarbonato

Riassorbimento di carbonato nel TCP

i. CO 2 nella cellula viene idratata in presenza dell’anidrasi carbonica ii. H 2 CO 3 si dissocia in H + e HCO 3 - iii. H + in contro-trasporto con Na + è secreto nel lume dove si combina con HCO 3 - filtrato per dare acido carbonico che si dissocia in acqua e anidride carbonica iv. HCO 3 - è riassorbito nel sangue

Quindi, ogni volta che si forma uno ione idrogeno nelle cellule dell’epitelio tubulare, si forma anche uno ione bicarbonato che viene rilasciato nel sangue. Il risultato è il riassorbimento di bicarbonato dal filtrato tubulare.

In alcalosi metabolica c’è un eccesso di ioni bicarbonato rispetto agli idrogenioni. Il bicarbonato non viene totalmente riassorbito, ma rimane nelle urine per essere escreto. In acidosi metabolica c’è un eccesso di ioni H + rispetto al bicarbonato che verrà totalmente riassorbito e quindi saranno gli ioni H + a rimanere nelle urine. Questi ioni H + devono essere titolati da sistemi tampone (fosfato ed ammonio) ed eliminati come sali

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 CO 2 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.

Cellule intercalate CO 2 cellulare idratata con formazione di H 2 CO 3 e quindi di H + e HCO In TCD e DC gli ioni H + sono secreti da una pompa idrogeno che usa ATP

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 due componenti del sistema tampone risultano concentrati nelle urine perché sono scarsamente riassorbiti. Inoltre, siccome le urine sono sempre lievemente acide rispetto ai fluidi extracellulari, questo tampone lavora in un ambiente con un pH molto vicino al pK, che è la 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 ammoniaca (NH 3 ) e ione ammonio (NH 4 + ). Quest’ultimo è formato dalla glutammina che è trasportata attivamente all’interno del TCP, del TAS, TCD e DC. 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.

Nel secondo caso (DC) la membrana tubulare non è permeabile allo ione ammonio e quindi è secreta ammoniaca che legando poi idrogenioni forma ioni NH 4 + che restano intrappolati nel lume.

In TCP dalla glutammina si formano 2NH 4 + e 2HCO 3 -. Gli ioni ammonio sono secreti nel lume, mentre gli ioni bicarbonato di nuova sintesi sono riassorbiti nel sangue. NEW TCPTCP

Intrappolamento dello ione ammonio DCDC

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

Acidosi HCO 3 - metabolicarespiratoria Alcalosi P A CO 2 metabolicarespiratoria Diminuzione del bicarbonato Aumento della CO 2 nel plasma Diminuzione della CO 2 per iperventilazione Aumento del bicarbonato nel plasma