2. 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 · 10-5 mEq/l.
3. Molecole contenenti atomi di idrogeno che possono
rilasciare ioni idrogeno in soluzione sono dette acidi. Ad
esempio HCl in acqua si ionizza in ioni H+ e Cl-.
Similmente H2CO3 si dissocia formando H+ e HCO3-
Una base 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.
4. 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-).
5. 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
CO2 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.
6.
7. Difese per le variazioni di pH
Esistono tre sistemi principali che regolano la concentrazione
di idrogenioni nei fluidi corporei per prevenire acidosi ed
alcalosi.
Sistemi buffer acido-base: si combinano immediatamente con
H+ per evitare variazioni eccessive del pH
Centro respiratorio: regola la rimozione di CO2 e quindi di
H2CO3
Sistema renale: elimina urine acide o basiche riportando i
concentrazione di idrogenioni ai valori normali
9. 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.
10. Un buffer 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.
11. Il sistema di buffer più diffuso è il sistema bicarbonato che
prevede:
Un acido debole H2CO3
Un sale di bicarbonato NaHCO3
L’acido 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.
12. Il sistema di buffer completo è dato da:
CO2 + H2O ↔ H2CO3 H+ + HCO3-
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.
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 e così
l’eliminazione di CO2.
15. H+= K x (0.03 xPCO2 / 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
La concentrazione del bicarbonato è regolata principalmente
dal sistema renale, mentre la pressione parziale della CO2 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.
16. 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
17.
18.
19. 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
20.
21. The phosphate buffer system
Phosphoric acid changes pretty quickly into dihydrogen
phosphate, or H2PO4-. This dihydrogen phosphate is an excellent
buffer, since it can either grab up a hydrogen ion and reform
phosphoric acid, or it can give off another hydrogen ion and
become monohydrogen phosphate, or HPO42-. This figure shows
that in extremely basic conditions, monohydrogen phosphate can
even give up its remaining hydrogen ion
If the H2PO4- is in an acidic solution, the reactions above go to
the left, and it if the H2PO4- is in a basic solution, the reactions
above proceed to the right. Therefore, the phosphate buffer
system can accept or donate hydrogen ions depending on the
solution it is in.
22. 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.
23. Amino acids can accept or donate hydrogen ions, making them
excellent buffers. And any given protein typically has
hundreds of amino acids. So, proteins make superb buffers.
Remember, they are found in very high concentration in
intracellular solutions and in blood.
24. 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 HCO3- urine acide
Se secrezione H+ < filtrazione HCO3- urine basiche
26. 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 HCO3-
(180l/die x 24mEq/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:
4320 + 80 = 4400 mEq H+ secreti dal tubulo
27. 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
28. 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
30. TCP
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.
31. Recupero del
bicarbonato
CO2 nella cellula viene idratata in presenza dell’anidrasi carbonica
H2CO3 si dissocia in H+ e HCO3-
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
HCO3- è riassorbito nel sangue
32.
33. 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
34. 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
35.
36. 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 delle urine fino a
a circa 4.5 che è il limite inferiore raggiungibile nel rene.
37. Cellule
intercalate
CO2 cellulare
idratata con
1.
formazione di
In TCD e
H2CO3 e quindi
DC gli
ioni H+ di H+ e HCO3-
sono
secreti
da una
pompa
idrogeno
che usa
ATP
38. 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 bufferati 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.
39. 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.
41. 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
42. Il secondo sistema tampone è il sistema formato da ammoniaca
(NH3) e ione ammonio (NH4+). 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 viene immesso ione ammonio nel lume
tubulare e lo ione bicarbonato è riassorbito. Nel secondo caso la
membrana tubulare non è permeabile allo ione ammonio e
quindi è secreta ammoniaca che legando poi idrogenioni forma
ioni NH4+ che restano intrappolati nel lume.
43. TCP
NEW
In TCP dalla Glu si formano
2NH4+ e 2HCO3-. Gli ioni
ammonio sono secreti nel
lume, mentre gli ioni
bicarbonato di nuova sintesi
sono riassorbiti nel sangue.
45. 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
46.
47.
48.
49.
50. Acidosi Alcalosi
HCO3- PACO2 HCO3- PACO2
metabolica respiratoria metabolica respiratoria
Diminuzione Aumento del Diminuzione della
Aumento della
della filtrazione bicarbonato nel CO2 per
CO2 nel plasma
di bicarbonato plasma iperventilazione
