Fisiologia Renale4. Equilibrio acido-base:Fisiologia e fisiopatologia
Fisiologia Generale e dell’EsercizioCarlo Capelli
Facoltà di Scienze Motorie, Università diVerona
Obiettivi• Tamponi fisiologici• Tampone bicarbonato-CO2
• Equazioen di Henderson-Hasselbalch• Sistemi tampone chiusi ed aperti: titolazione del sistema dei bicarbonati con
acidi-basi fissi• Principio isoidrico• Titolazione dei tamponi non carbonici con acido carbonico; linee tampone
del sangue
1.Tamponi fisiologici• pH del sangue arterioso: 7.4 ± 0.02
• I meccanismi di cui dispone l’organismo per tamponarele variazioni di H+ sono:
• Proteine: quasi tutte hanno un punto isoelettrico che si trova sullato acido rispetto al pH dei liquidi organici. Sono perciòdissociate come acidi deboli e si trovano sotto forma di sali.
• Esplicano quindi l’effetto tampone comune a tutti i sali di acidideboli.
• Esse hanno un ruolo importante nel liquido intracellulare,intermedio nel plasma e nullo nello spazio extracellulare
2.Tamponi fisiologici
• I sali inorganici di acidi deboli (fosfati etc. etc.)
• L’emoglobina:i) potere tampone molare (β) dell’Hb = 3 sl.Ciò equivale ad un minimo di 5.2 gruppi dissociabili che sono identificati con i gruppiimidazolici dell’Hb;
ii) 1 litro di gg.rr. contiene 334 g di Hb,ovvero 334/16.7 = 20 mmoli di Hb. Poichél’ematocrito è 45%, abbiamo 9 mmoli di Hb e 0.84 litri di H20. [Hb] è quindi data da9/0.84 = 10.7mM corrispondente ad un β di 32 sl per litro;
iii) l’Hb può mutare il proprio potere tampone in relazione alle sue funzioni ditrasporto gassoso. Per esempio, l’ossigenazione di una soluzione millimolare di Hbprovoca la liberazione di H+ tale da diminuire il pH di 0.2 unità. Poiché β = 3 sl, ciòsignifica che se pH deve essere mantenuto costante, 0.6 mmoli di acido devono essererimosse.
3.Tamponi fisiologici
• L’emoglobina (continua):
iv) l’Hb ridotta è un acido più debole della forma ossigenata. Per ogni mmole di HbO2
che si riduce si possono aggiungere ~0.5 mEq di H+. Per ogni mmole di HbO2 che si
riduce si producono ~0.9 mEq di H+ durante la formazione di composti carbaminici.
Quindi, circa la metà degli H+ provenienti dalla formazione di HCO3- e composti
carbaminici vengono legati all’Hb senza variazioni di pH.
Titolazione dell’emoglobina
1. Tampone bicarbonato-CO2
• E’ il sistema tampone fisiologicopiù importante
• α (coefficiente di solubilità) a 37 °C =0.03 mM per mm Hg
Idratazione a acido carbonico
2. Tampone bicarbonato-CO2
• La reazione di dissociazione causa unacaduta del pH
• La formazione di H+ è accompagnata dallaformazione di HCO3
- in rapportostechiometrico
• Quindi si abbassa pH anche se si formauna base debole (HCO3
-)• La dissociazione dell’acido carbonico è
così veloce che possiamo inglobareidratazione e dissociazione in un’unicareazione e calcolarne una costante diequilibrio apparente
HCO3
!!H++CO32! (seconda dissociazione)
Dissociazione a bicarbonato
Equazione di Henderson-Hasselbalch
Concentrazioni relative CO2
Concentrazioni relative di CO2 nel sangue e dele sue forme a37°C, pH = 7,4, PaCO2 = 40 mm Hg e α = 0,003 mM per mmHg. Concentrazioni come multipli di quelle di H2CO3 fattauguale a 1
54CO3-
12.000HCO3-
1H2CO3
600CO2 (= α PCO2)
• Il 94, 8 % di CO2 totale si trova sotto forma di HCO3-, il 4,7 %
sotto forma di CO2 e solo lo 0,5 % nelle altre due forme
1. Sistemi tampone chiusi ed apertiAncora sul potere tampone molare
Potere tampone dipende da:
1. Concentrazione totale della coppia tampone2. pH della soluzione3. Se il sistema e aperto o chiuso
2. Sistemi tampone chiusi ed aperti
• La maggior parte dei tamponi non-bicarbonato dei liquidi organici sono dei sistemichiusi
• I liquidi organici contengono una miscela di diversi sistemi non-bicarbonato chiusi• Il potere tampone molare totale di questo sistema chiuso è quindi la somma dei singoli
valori del potere tampone molare
1. Sistemi tampone chiusi ed aperti-Titolazione del sistema deibicarbonati con acidi - basi fissi
• Il sistema CO2/HCO3- è un sistema aperto in cui CO2 (ventilazione) e HCO3
- (rene)possono essere variati per mezzo di sistemi di compenso
• Ciò lo rende un sistema molto potente• Esempio: aggiunta di 10 mmoli di HCl
Equilibrio
• ∆[H+] = (10-7.17 - 10-7.40) = 0.068 mM - 0.040 mM = 0.028 mM
2. Sistemi tampone chiusi ed aperti-Titolazione del sistema deibicarbonati con acidi - basi fissi
• Esempio: aggiunta di 10 mmoli di NaOH
Equilibrio
• ∆[H+] = (10-7.40 - 10-7.28) = 0.040 mM - 0.028 mM = 0.028 mM
3. Sistemi tampone chiusi ed aperti-Titolazione del sistema deibicarbonati con acidi - basi fissi
+ 5 mmoli HCl insistema dei bicarbonatichiuso
6,59=6,1+log 19
6,2
Condizione iniziale
7,4=6,1+log 24
1,2
+ 5 mmoli HCl in sistemadei bicarbonati aperto:PCO2 controllata
7,3=6,1+log19
1,2
• Sistema aperto: pH da 7,4 a 7,3• Solo 10 nanomoli di H+ su 5
milioni immesse sono rimaste liberein soluzione (aggiunte al sistema)
4. Sistemi tampone chiusi ed aperti-Titolazione del sistema deibicarbonati con acidi - basi fissi
Compenso finale consottrazione di 5 mmoli diacido (compenso renale)
7,48=6,1+log 29
1,2
• Quindi si è verificata solo unavariazione d 0,18 unità pH afronte di un’aggiunta di 10mmoli di acido
• β = 10/0,18 = 55 invece di 2,3del sistema chiuso
Principi isoidrico
pH = pK + log HCO3
-!
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CO2!
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= pK1 + log A-!
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= pK2 + log A-!
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= ..... = pKi + log A-!
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HA!
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• Se si agisce su il tampone “aperto” modificando ilrapporto tra base ed acido debole, si modificanocontemporanemente il pH e i rapporti di tutte lealtre copie base-acido debole dei tamponi corporei
• L’equazione permette di calcolare le variazioni delleconcentrazioni di queste sostanze quando siconoscono i pK dei tamponi in gioco
1. Sistemi tampone chiusi ed aperti
• βopen = 2.3 [HCO3-]
• βopen non ha un massimo• Nel sangue arterioso normale βopen è circa 55 mM/unità pH• βclosed = 2.6 mM/unità pH• Ischemia: il sistema CO2/ HCO3
- si comporta come un sistema chiuso
1. Titolazione dei tamponi non carbonici
• Nell’esempio si è immaginato che il bicarbonato sia l’unico tampone presente in vivo• In vivo ciò non è vero: una quota degli H+ immessi nell’organismo si lega ad altri tamponi• Problema: come è possibile valutare la quantità di H+ immessa nell’organismo poiché la sua
distribuzione tra i diversi tamponi non è riconoscibile a prima vista?
• La quota di H+ legata ai tamponi noncarbonici può essere stimata eliminando CO2dopo aver raggiunto il punto di equilibrio B
• L’eliminazione di CO2 fa trasformarequantità corrispondenti di HCO3
- in H2CO3sottraendo protoni ai tamponi non carbonici
• In altre parole, si titolano i tamponi noncarbonici sottraendo acido carbonico
• Quando il pH torna a 7,4 (C), i tamponi noncarbonici sono tornati alla condizione dipartenza
• Tutti i protoni immessi sono staticombinati con i bicarbonati e ladiminuzione dei bicarbonati è esattamentecorrispondente all’acido aggiunto
1. Titolazione dei tamponi non carbonici con acidocarbonico-Linee tampone del sangue
• I tamponi non carbonici si possonotitolare separatamente dal tamponebicarbonato utilizzando l’acido carbonicocome donatore-ricevitore di protoni
• Esempi: si fa aumentare PCO2 -->siinduce in primis un parallelo aumento diHCO3
- e H+
• Però, in presenza di tamponi noncarbonici, si assiste alla fine ad unaumento maggiore di HCO3
- che di H+
perché una parte di essi si lega ai tamponiconsentendo alla reazione di idratazionedi decorrere maggiormente verso destra
• Questo non è altro che l’applicazione delprincipio isoidrico
2. Titolazione dei tamponi non carbonici con acidocarbonico-Linee tampone del sangue
• Una parte dei protoni è scomparsa dallasoluzione legandosi ai tamponi noncarbonici
• Alla fine, partendo dal punto a(condizioni fisiologiche) il tutto si èrisolto in uno spostamento verso destra(pH diminuito, ma di poco) e in alto(aumento di HCO3
-)• La differenza tra l’incremento di protoni
(diminuzione di pH) e aumento di HCO3-,
è tanto maggiore quanto più alta è laconcentrazione dei tamponi noncarbonici: linee tampone del sangue e delplasma
• Quella del sangue dipende anche dallostato di ossigenazione della Hb: Hbridotta acido meno forte
• La linea tampone del sangue venosomisto incrocia la iso-PCO2 di 46 mm Hga pH 7,37
1. Altri tamponi dell’organismo• Tamponi intracellulari
Il potenziale di equilibrio elettrochimico degli drogenioni a [H+]i di 100 nM è
EH = 61 log 40/100 = - 25 mV
Quindi, i protoni per uscire dalla cellula devono vincere un gradiente pari alla differenzatra il potenziale di equilibrio di membrana e EH: -90 - (-25) = -65 mVSe [H+]E aumenta (p.e. 50 nM) EH diminuisce (-18 mV). Con ciò aumenta anche ilgradiente elettrochimico (-72 mV)Il flusso di idrogenioni diminuisce e H+ si accumulano nella cellula fintanto che [H+]iraggiunge 125 nM ristabilendo il gradiente originario
EH = 61 log 50/125 = - 25 mV
Tutto questo indica che l’eccesso di acidi non viene a sommarsi alla normale produzionemetabolica, perché una quota di questa ultima è trattenuta nelle cellule dove ètamponata dalle proteine intracellulari. [H+] del sangue aumenta meno del previsto
2. Altri tamponi dell’organismo
• Tampone bicarbonato dell’osso
• La diminuzione del pH è un potente stimolo per lademineralizzazione dell’osso
• Entro poche ore dall’immissione di H+, l’osso rilascia consistentiquantità di Na2CO3 e CaCO3
• Dalla reazione con i protoni si formano acido carbonico e CO2
eliminata con il respiro• L’acidosi cronica, quindi, conduce a demineralizzazione ossea.
Bibliografia
Fisiologia dell’Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo 18: Controllo nervoso ed umorale dl sistema respiratorio edequilibrio acido-base