FISIOLOGIACdL in Medicina e Chirurgia

Regolazione del pH

Dott.ssa Michela Anna Pia Ciliberti

Regolazione del pH

•regolazione della temperatura corporea;•controllo del pH dell’organismo;•regolazione endocrina del metabolismo di calcio, fosforo e glucosio;

FUNZIONI OMEOSTATICHE INTEGRATE

•regolazione endocrina del metabolismo di calcio, fosforo e glucosio;•regolazione della pressione arteriosa;•regolazione delle funzioni sessuali e riproduttiva.

In una soluzione acquosa una piccola parte delle molecole di acqua : OH- e H+ (protoni).

I protoni,la carica positiva elementare, alterano la distribuzione delle cariche in soluzione e lo stato delle cariche associate a molecole inorganiche e organiche (proteine).e organiche (proteine).

Allora la [protoni] deve essere mantenuta in ambiti molto ristretti di variazione in ogni liquido corporeo grazie a sistemi tampone e a meccanismi di trasporto di protoni.

ACIDI, BASI E PACIDO: ACIDI, BASI E Ph

ACIDO: forma di molecola che può liberare un protone.BASE: forma di molecola che può legare un protone.

SOSTANZA ACIDA: forma non protonata molto più stabile di quella protonata.A- + H+ AH

Base Acidosostanza acida

SOSTANZA BASICA o ALCALINA: forma protonata molto più stabile di quellanon protonatanon protonata

B + H+ BHBase Acido sostanza basica

AH A - + H+ tale sistema è in equilibrio quando k- = k+k+: costante di associazionek-: costante di dissociazione

KA: costante acida = [A- ]* [H +]/ [AH] = k - / k+ = concentrazione di H+ a cui forma acida e basica sono presenti in uguale concentrazione.

ACIDO(HA) FORTE: KA elevata, cioè buona parte della sostanza è all’equilibrio in forma dissociata, cioè il sistema tende a liberare molti protoni.

ACIDO(HA) DEBOLE: KA piccola, la frazione dissociata è bassa, scarsa capacità dell’acido di cedere protoni.Maggiore è la [protoni], tanto più la reazione si sposta verso la forma acida.

La concentrazione dei H+ nei liquidi organici è in generale molto bassa, La concentrazione dei H+ nei liquidi organici è in generale molto bassa, nell’ordine di 10-8 – 10-6 M, perciò si parla di pH, che è il logaritmo decimale negativo della concentrazione di H+.pH= -log10 [H+].

Per ogni sostanza si può definire una pKA = -log KA

Per ogni sostanza le concentrazioni di acido e base sono uguali quando [H+]= KA e quando pH= pKA.

SISTEMA TAMPONE DEL pH :

un acido o una base debole (pKA non lontano da 7, valore neutro di pH),presente in rilevante concentrazione, tende a stabilizzare la [H+] attorno alsuo valore di KA, potendo legare o cedere protoni senza che cambi molto ilrapporto base/acido e compensando così l’immissione o sottrazione di H+

alla soluzione.

Bisogna considerare :•pK del sistema, valore attornoa cui l’efficienza del tamponeè massima,•pKA del sistema, valore attornoa cui l’efficienza del tamponeè massima,cioè al valore di pH uguale al pKa, metà del tampone è presente nelle dueforme, protonata e non, e perciò la situazione compensa sia aumenti siadiminuzioni della [H+];•capacità tampone,per sistema chiuso è tanto più alta quanto più alta è la[tampone].

SISTEMA TAMPONE APERTO, cioè i prodotti finali della/e reazione/i, chesvolge la funzione tampone, non si accumulano o esauriscono.

Protoni + gruppi nucleofili di proteine cambiamento di:- stato conformazionale, - equilibrio tra varie conformazioni,

IMPORTANZA DEL CONTROLLO DEL Ph

- equilibrio tra varie conformazioni, - struttura e funzione delle proteine.

IMPORTANZA DEL CONTROLLO DEL Ph

Assunzione ed eliminazione di acidi e basi con dieta, respirazione e produzione di urina modificazione del pH dei liquidi organici

- PRODUZIONE - METABOLISMO CELLULAREsubstrati metabolici H2O + CO2 H2CO3 HCO3

- (ioni in soluz.

bicarbonato) + H+ (idrogenioni)

CO2 da combustione di substrati energetici= fonte di equivalenti acidi volatili

- ASSORBIMENTO - DIETAfegato

ASSORBIMENTO E PRODUZIONE DI EQUIVALENTI ACIDI

fegato equivalenti acidi non volatili:

- acido solforico (Aa con S, Met, Cys)- acido cloridrico (Aa cationici)- fosfato (direttamente in alimenti)

Aa bicarbossilici anionici e anioni organici in dieta (citrato)bicarbonato (parte di HCO3- contenuto e prodotto da alimenti è perso infeci)

Acidi non volatili sono tamponati dal bicarbonato, che è rigenerato da CO2

con escrezione attiva di H+ in urine.

- PRODUZIONE DI EQUIVALENTI ACIDI NON VOLATILI -METABOLISMO ENERGETICO

Metabolismo energetico no fino a prodotti terminali perché no O2 per ossidare substrati energetici (es. metab. glicolitico anaerobico del muscolo acido piruvico e acido lattico )

POLMONI: eliminazione di CO2 prodotta da metabolismo cellulare, se eccessiva att. respiratoria alcalosi respiratoria (N.B. non tutti gli equiv. acidi non volatili in eccesso vanno neutralizzati, altrimenti si

ELIMINAZIONE DI EQUIVALENTI ACIDI

equiv. acidi non volatili in eccesso vanno neutralizzati, altrimenti si esaurisce la riserva di HCO3

- , princ. tampone dei LEC)

RENI: porz. pross. di tubulo renale

H+ secreti + HCO3- filtrato H2O + CO2 che rientrano nella cellula epiteliale H+ + HCO3

-

HCO3- va nell’interstizio con scambio con Cl- o con cotrasporto con

Na+

Risultato: riassorbimento netto di sodio bicarbonato e preservazione di riserva di HCO3

-

porz. dist. di tubulo renale- in cellula glutamina H+ + NH3 + bicarbonatoporz. dist. di tubulo renale- in cellula glutamina H+ + NH3 + bicarbonato

porz. dist. di tubulo renalein cellula: glutamina H+ + NH3 + bicarbonatocon ATPasi protonica i H+ vanno nel lume + NH3 NH4

+ che non può rientrare passivamentebicarbonato va nell'interstizio e rimpiazza quello consumato nell'organismo per tamponare equivalenti acidi non volatili

RISERVA ALCALINA DELL’ORGANISMO-RA :-Circa 350 mEq di BICARBONATO per un LEC di circa 14 l in un soggetto normale di 70kg;-due processi la consumano: filtrazione renale, combinazione con protoni per neutralizzare gli acidi non volatili;-due processi compensatori:1-riassorbimento,

rene-anidrasi carbonica: in lume H2CO3 H2O + CO2 che rientrano in cellulaH2CO3

Ma servono protoni nel lume tubulare, che sono forniti su membr.apicaleverso lume tubulare da:verso lume tubulare da:

- scambio Na+ - H+

- secrezione attiva di H+

allora riassorbimento di HCO3- in parallelo con riassorbimentodi Na+

2-sintesi de novo, per compensare quantità di bicarbonato perso per neutralizzare acidi non volatili

rene-produzione di bicarbonato con produzione simultanea di H+ o ione ammonio(NH4

+), prodotto dalla glutammina nelle cellule del tubulo contorto prossimalee distale e poi o è estruso al posto dei H+ o si scinde in H+ e ammoniaca (NH3), che diffonde liberamente al lume, dove il basso pH ne favorisce laricombinazione con protoni a generare NH4

+, che é intrappolato nel lume

ALTERAZIONI DELL’EQUILIBRIO ACIDO-BASE

ACIDOSI METABOLICA: riduzione di RA, aumento o meno di Pco2

ALCALOSI METABOLICA: aumento di RA, diminuzione o meno di Pco2ALCALOSI METABOLICA: aumento di RA, diminuzione o meno di Pco2

ACIDOSI RESPIRATORIA: aumento di RA, aumento di Pco2, basso pH

ALCALOSI RESPIRATORIA: diminuzione di RA, diminuzione di Pco2, alto pH

Nella pratica clinica:ACIDOSI/ALCALOSI RESPIRATORIA: solo scostamenti di Pco2

ACIDOSI/ALCALOSI METABOLICA: solo alterazioni RA

ACIDOSI RESPIRATORIA: Pco2 > 45 mmHg a livello arterioso per: - ridotta ventilazione alveolare con ridotta capacità di eliminare CO2

es. patologie bronchiali e polmonari, ostruzioni di vie aeree, respirazione artificiale sotto anestesia, neuropatie;- eccessiva produzione metabolica di CO- eccessiva produzione metabolica di CO2,

es. iperpiressia maligna, iperpiressia, dieta ricca di carboidrati con parziale compromissione della ventilazione.

ALCALOSI RESPIRATORIA: Pco2< 35mmHg per eliminazione eccessiva di CO2, alterazione ventilazione/perfusione (V/Q) con conseguente ipossia e iperventilazione compensatoria e bassa pressione parziale di O2 (PO2).

ACIDOSI METABOLICA: Eccesso di acidi(che consumano bicarbonato) per:- troppa produzione di acidi organici da metabolismo anaerobico per ipoperfusione (es. ipovolemia, shock cardiogeno);- sepsi o intossicazioni (cianuro) che interferiscono con l’utilizzzo di O2;- chetoacidosi diabetica (le cellule per carenza di insulina come fonte energetica usano, invece di glucosio, grassi producendo corpi chetonici);- inadeguata escrezione di protoni per disfunzione tubulare renale.Riduzione di RA(alterazioni renali che compromettono il riassorbimento o la neosintesi renale di bicarbonato- HCO3

-) per:- perdita massiccia di HCO3- per

- perdita di contenuto intestinale ,- perdita di contenuto intestinale ,- diarrea persistente,- uso di farmaci che inibiscono l’anidrasi carbonica (acetazolamide, mal di montagna e glaucoma).

ALCALOSI METABOLICA:- eccessiva perdita di H+ (vomito prolungato con perdita di secreto gastrico ricco di H+);- eccessivo riassorbimento di HCO3

-, riduzione di Cl- per vomito prolungato (secrez.gastrica ha molto Cl-), diuretici che comportano il riassorbimento di Cl-

(es. tiazidici);- eccessiva assunzione di alcali es farmaci antiacidi.

RISPOSTE COMPENSATORIE

1- AZIONE TAMPONE CHIMICARiduce lo scostamento di pH, che un carico acido o basico produce, ma si esaurisce subito tranne quando l’escrezione dei H+ è molto efficiente, altrimenti varia la [HCO3

-] che può dare alcalosi/acidosi metabolica: azione efficace ma limitata.

2- COMPENSAZIONE RESPIRATORIA DELLE ALTERAZIONI DEL pH DI ORIGINE METABOLICA (maggior interesse clinico per ACIDOSI METABOLICA)Risposta dei centri respiratori del tronco encefalico, iperventilazione per ridurre Pco2 e ristabilire il pH, ma non si ha compenso completo perché la Pco2 non può scendere sotto un certo limite e si ha alcalosi respiratoria. ha alcalosi respiratoria.

3- COMPENSAZIONE METABOLICA DELLE ALTERAZIONI DEL pH DI ORIGINE RESPIRATORIA

-ACIDOSI RESPIRATORIA (aumento di Pco2), si produce bicarbonato (HCO3-), si

aumenta la riserva alcalina, si riduce il pH e si determina ALCALOSI METABOLICA.-ALCALOSI RESPIRATORIA (riduzione di Pco2), si consuma bicarbonato, si riduce la riserva alcalina, si aumenta il pH e si determina ACIDOSI METABOLICA.

4- COMPENSAZIONE RENALEModulazione del riassorbimento tubulare di HCO3

- e dell’escrezione di H+ , meccanismo lento (anche giorni) ma unico per ripristinare il valore corretto di RA.

VALUTAZIONE CLINICA DEGLI SQUILIBRI ACIDO-BASE

1- SEMPLICE MISURA DEL pH PLASMATICO

2- MISURAZIONE DI Pco2 e MISURAZIONE DI RAequazione di Henderson-Hesselbach - pH= 6,1+log ([HCO3

-]/0,03*Pco2) ogni alterazione respiratoria, che alteri la Pco2 , oppure metabolica, che alteri i livelli plasmatici di bicarbonato, modifica il pH plasmatico.

3- MISURAZIONE DI GAP ANIONICO(soprattutto per acidosi metabolica): differenza tra [Na+] e [Cl- + HCO3

-], che in condizioni fisiologiche riflette le cariche negative associate alle proteine plasmatiche, perché gli altri cationi (K+, Ca2+, Mg2+) negative associate alle proteine plasmatiche, perché gli altri cationi (K+, Ca2+, Mg2+) sono bilanciati da fosfati, solfato e anioni organici;

gap anionico normale con acidosi per perdita extrarenale di HCO3- (diarrea, vomito

biliare) o per disfunzione renale (nefropatie).

4- MISURAZIONE DI ECCESSO DI BASI-BE (base excess, eccesso di basi): quantità di acido o base da aggiungere in vitro al

sangue intero per riportare il pH a 7,4 mantenendo la Pco2 fissa a 40 mmHg;- nel sangue: vari sistemi tampone (emoglobina, fosfati, albumina) allora

- SBE(standard base excess, eccesso di basi standard);- HID (differenza titolabile di idrogenioni);- CSBE(standard base excess corretto).

CONTROLLO DEL Ph NEL LIC

TAMPONE del Ph:

1- GRUPPI CARICHI DI PROTEINE E AMMINOACIDI

2- FOSFATI PRESENTI IN GRANDE […] NEL CITOSOL(sistemi tampone chiusi, i più importanti del LIC)H3PO4 H2PO4

- + H+ HPO42- + 2 H+

fosfato monobasico fosfato bibasico

CONTROLLO DEL Ph NEI LECIl sistema tampone deve essere aperto, cioè i prodotti finali della/e reazione/i che svolge la funzione tampone non si accumulano o esauriscono.

RUOLO DI TAMPONE DI Ph:1- AZIONE TAMPONE DELLE PROTEINE

2- TAMPONE EMOGLOBINA A LIVELLO PLASMATICOpH basso, < affinità per O2, >affinità per CO2, no accumulo di CO2 nel plasma,sottrazione di CO2 dalla soluzione circostante e tamponamento indiretto della produzione di protoni.produzione di protoni.

3- SISTEMA TAMPONE PRINCIPALE -ANIDRIDE CARBONICA-ACIDO CARBONICO- BICARBONATO

CO2 + H20 H2CO3 H+ + HCO3-

L’organismo produce di continuo CO2, ma l’eccesso è eliminato dai polmoni con attività respiratoria.I protoni non accompagnati da HCO3

- sono escreti dal rene.Sistema aperto e come tale:

- capacità tampone in condiz. fisiologiche è virtualmente illimitata;- la concentr. plasmatica delle due forme del tampone è regolata in modoindipendente, cioè la respirazione regola la Pco2 e il rene mantiene lecorrette [HCO3

- ].

TESTO CONSIGLIATO

FISIOLOGIA MEDICA a cura di Fiorenzo Conti – Volume 2, edi-ermes, Seconda edizione

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