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