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homeostasis ácido-base

La homeostasis ácido-base es la regulación homeostática del pH del líquido extracelular (LEC) del cuerpo . [ 1 ] El equilibrio adecuado entre ácidos y bases (es decir, el pH) en...

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La homeostasis ácido-base es la regulación homeostática del pH del líquido extracelular (LEC) del cuerpo . [ 1 ] El equilibrio adecuado entre ácidos y bases (es decir, el pH) en el LEC es crucial para la fisiología normal del cuerpo y para el metabolismo celular . [ 1 ] El pH del líquido intracelular y del líquido extracelular debe mantenerse a un nivel constante. [ 2 ]

Las estructuras tridimensionales de muchas proteínas extracelulares, como las proteínas plasmáticas y las proteínas de membrana de las células del cuerpo , son muy sensibles al pH extracelular. [ 3 ] [ 4 ] Por lo tanto, existen mecanismos estrictos para mantener el pH dentro de límites muy estrechos. Fuera del rango aceptable de pH, las proteínas se desnaturalizan (es decir, su estructura 3D se altera), lo que provoca el mal funcionamiento de enzimas y canales iónicos (entre otros).

Un desequilibrio ácido-base se conoce como acidemia cuando el pH es ácido, o alcalemia cuando el pH es alcalino.

Líneas de defensa

En los seres humanos y muchos otros animales, la homeostasis ácido-base se mantiene mediante múltiples mecanismos involucrados en tres líneas de defensa: [ 5 ] [ 6 ]

  1. Químicas: Las primeras líneas de defensa son inmediatas y consisten en diversos amortiguadores químicos que minimizan los cambios de pH que ocurrirían en su ausencia. Estos amortiguadores incluyen el sistema amortiguador de bicarbonato , el sistema amortiguador de fosfato y el sistema amortiguador de proteínas . [ 7 ]
  2. Componente respiratorio: La segunda línea de defensa es rápida y consiste en controlar la concentración de ácido carbónico (H₂CO₃ ) en el líquido extracelular ( LEC ) modificando la frecuencia y la profundidad de la respiración mediante hiperventilación o hipoventilación . Esto elimina o retiene dióxido de carbono (y, por lo tanto, ácido carbónico) en el plasma sanguíneo según sea necesario. [ 5 ] [ 8 ]
  3. Componente metabólico: La tercera línea de defensa es lenta, mejor medida por el exceso de bases , [ 9 ] y depende principalmente del sistema renal que puede agregar o eliminar iones bicarbonato ( HCO − 3 ) al o desde el LEC. [ 5 ] Los iones bicarbonato se derivan del dióxido de carbono metabólico que se convierte enzimáticamente en ácido carbónico en las células tubulares renales . [ 5 ] [ 10 ] [ 11 ] Allí, el ácido carbónico se disocia espontáneamente en iones hidrógeno e iones bicarbonato. [ 5 ] Cuando el pH en el LEC baja, los iones hidrógeno se excretan en la orina, mientras que los iones bicarbonato se secretan en el plasma sanguíneo, lo que hace que el pH plasmático suba. [ 12 ] Lo contrario sucede si el pH en el LEC tiende a subir: los iones bicarbonato se excretan en la orina y los iones hidrógeno en el plasma sanguíneo.

La segunda y tercera línea de defensa operan modificando los tampones, cada uno de los cuales consta de dos componentes: un ácido débil y su base conjugada . [ 5 ] [ 13 ] La relación entre la concentración del ácido débil y su base conjugada determina el pH de la solución. [ 14 ] Así, manipulando primero la concentración del ácido débil y, posteriormente, la de su base conjugada, el pH del líquido extracelular (LEC) puede ajustarse con gran precisión al valor correcto. El tampón de bicarbonato, compuesto por una mezcla de ácido carbónico (H 2 CO 3 ) y una sal de bicarbonato ( HCO − 3 ) en solución, es el tampón más abundante en el líquido extracelular y también es aquel cuya relación ácido-base puede modificarse de forma muy fácil y rápida. [ 15 ]

equilibrio ácido-base

El pH del líquido extracelular, incluido el plasma sanguíneo , normalmente está estrictamente regulado entre 7,32 y 7,42 por los amortiguadores químicos , el sistema respiratorio y el sistema renal . [ 13 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 1 ] El pH normal en el feto difiere del del adulto. En el feto, el pH en la vena umbilical es normalmente de 7,25 a 7,45 y el de la arteria umbilical es normalmente de 7,18 a 7,38. [ 19 ]

Las soluciones tampón acuosas reaccionarán con ácidos fuertes o bases fuertes absorbiendo el exceso de H +.iones, o OH −iones, reemplazando los ácidos y bases fuertes con ácidos y bases débiles . [ 13 ] Esto tiene el efecto de amortiguar el efecto de los cambios de pH, o reducir el cambio de pH que de otro modo habría ocurrido. Pero los tampones no pueden corregir niveles anormales de pH en una solución, ya sea esa solución en un tubo de ensayo o en el líquido extracelular. Los tampones generalmente consisten en un par de compuestos en solución, uno de los cuales es un ácido débil y el otro una base débil. [ 13 ] El tampón más abundante en el LEC consiste en una solución de ácido carbónico (H 2 CO 3 ), y la sal de bicarbonato ( HCO − 3 ) de, generalmente, sodio (Na + ). [ 5 ] Por lo tanto, cuando hay un exceso de OH −Los iones en la solución de ácido carbónico los neutralizan parcialmente mediante la formación de iones H₂O y bicarbonato ( HCO₃⁻ ) . [ 5 ] [ 15 ] De manera similar , un exceso de iones H⁺ es parcialmente neutralizado por el componente de bicarbonato de la solución tampón para formar ácido carbónico (H₂CO₃ ) , que, debido a que es un ácido débil, permanece en gran medida en su forma no disociada, liberando muchos menos iones H⁺ en la solución que los que habría liberado el ácido fuerte original. [ 5 ]

El pH de una solución tampón depende exclusivamente de la proporción de las concentraciones molares del ácido débil y la base débil. Cuanto mayor sea la concentración del ácido débil en la solución (en comparación con la base débil), menor será el pH resultante. Del mismo modo, si predomina la base débil, mayor será el pH resultante.

Este principio se aprovecha para regular el pH de los fluidos extracelulares (en lugar de simplemente amortiguarlo ). Para el tampón de ácido carbónico-bicarbonato , una relación molar de ácido débil a base débil de 1:20 produce un pH de 7,4; y viceversa: cuando el pH de los fluidos extracelulares es 7,4, la relación de iones de ácido carbónico a bicarbonato en ese fluido es de 1:20. [ 14 ]

Ecuación de Henderson-Hasselbalch

La ecuación de Henderson-Hasselbalch , cuando se aplica al sistema tampón de ácido carbónico-bicarbonato en los fluidos extracelulares, establece que: [ 14 ]

pagH=pagKa H2doO3+registro10⁡([HdoO3−][H2doO3]),{\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} ~\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}}+\log _{10}\left({\frac {[\mathrm {HCO} _{3}^{-}]}{[\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}]}}\derecha),}

dónde:

  • El pH es el logaritmo negativo (o cologaritmo ) de la concentración molar de iones de hidrógeno en el líquido extracelular.
  • pKaH₂CO₃ es el cologaritmo de la constante de disociación ácida del ácido carbónico . Es igual a 6,1 .
  • [HCO − 3 ] es la concentración molar de bicarbonato en el plasma sanguíneo.
  • [H 2 CO 3 ] es la concentración molar de ácido carbónico en el fluido extracelular.

Sin embargo, dado que la concentración de ácido carbónico es directamente proporcional a la presión parcial de dióxido de carbono (PAGdoO2{\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}) en el fluido extracelular, la ecuación se puede reescribir de la siguiente manera : [ 5 ] [ 14 ]

pagH=6.1+registro10⁡([HdoO3−]0,0307×PAGdoO2),{\displaystyle \mathrm {pH} =6.1+\log _{10}\left({\frac {[\mathrm {HCO} _{3}^{-}]}{0.0307\times P_{\mathrm {CO} _{2}}}}\right),}

dónde:

  • El pH es el logaritmo negativo de la concentración molar de iones de hidrógeno en el líquido extracelular.
  • [HCO − 3 ] es la concentración molar de bicarbonato en el plasma.
  • La P CO 2 es la presión parcial de dióxido de carbono en el plasma sanguíneo.

El pH de los fluidos extracelulares puede controlarse, por lo tanto, mediante la regulación dePAGdoO2{\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}y los demás ácidos metabólicos.

Mecanismos homeostáticos

El control homeostático puede cambiar la P CO 2 y, por lo tanto, el pH del plasma arterial en cuestión de segundos. [ 5 ] La presión parcial de dióxido de carbono en la sangre arterial es monitoreada por los quimiorreceptores centrales del bulbo raquídeo . [ 5 ] [ 20 ] Estos quimiorreceptores son sensibles a los niveles de dióxido de carbono y pH en el líquido cefalorraquídeo . [ 14 ] [ 12 ] [ 20 ]

Los quimiorreceptores centrales envían su información a los centros respiratorios en el bulbo raquídeo y la protuberancia del tronco encefálico . [ 12 ] Los centros respiratorios determinan entonces la tasa promedio de ventilación de los alvéolos pulmonares , para mantener constante la P CO 2 en la sangre arterial. El centro respiratorio lo hace a través de neuronas motoras que activan los músculos de la respiración ( en particular, el diafragma ). [ 5 ] [ 21 ] Un aumento en la P CO 2 en el plasma sanguíneo arterial por encima de 5,3 kPa (40 mmHg) provoca reflejamente un aumento en la frecuencia y profundidad de la respiración . La respiración normal se reanuda cuando la presión parcial de dióxido de carbono ha vuelto a 5,3 kPa. [ 8 ] Lo contrario ocurre si la presión parcial de dióxido de carbono cae por debajo del rango normal. La respiración puede detenerse temporalmente o ralentizarse para permitir que el dióxido de carbono se acumule una vez más en los pulmones y la sangre arterial.   

No se conoce con certeza el sensor de la concentración plasmática de HCO₃⁻ . Es muy probable que las células tubulares renales de los túbulos contorneados distales sean sensibles al pH del plasma. El metabolismo de estas células produce CO₂ , que se convierte rápidamente en H⁺ y HCO₃⁻ mediante la acción de la anhidrasa carbónica . [ 5 ] [ 10 ] [ 11 ] Cuando los fluidos extracelulares tienden a acidificarse, las células tubulares renales secretan los iones H⁺ al líquido tubular desde donde salen del cuerpo a través de la orina. Los iones HCO₃⁻ se secretan simultáneamente al plasma sanguíneo, elevando así la concentración de iones bicarbonato en el plasma, disminuyendo la relación ácido carbónico/ión bicarbonato y, en consecuencia, elevando el pH del plasma. [ 5 ] [ 12 ] Lo contrario ocurre cuando el pH del plasma sube por encima de lo normal: los iones bicarbonato se excretan en la orina y los iones hidrógeno en el plasma. Estos se combinan con los iones bicarbonato en el plasma para formar ácido carbónico (H + + HCO − 3⇌{\displaystyle \rightleftharpoons }H₂CO₃ ) , elevando así la proporción de ácido carbónico:bicarbonato en los fluidos extracelulares y devolviendo su pH a la normalidad. [ 5 ]

En general, el metabolismo produce más ácidos de desecho que bases. [ 5 ] La orina producida es generalmente ácida y se neutraliza parcialmente por el amoníaco (NH 3 ) que se excreta en la orina cuando el glutamato y la glutamina (transportadores de grupos amino en exceso, que ya no son necesarios) son desaminados por las células epiteliales de los túbulos renales distales . [ 5 ] [ 11 ] Por lo tanto, parte del "contenido ácido" de la orina reside en el contenido de iones amonio (NH 4 + ) resultante de la orina, aunque esto no tiene efecto sobre la homeostasis del pH de los fluidos extracelulares. [ 5 ] [ 22 ]

Desequilibrio

Diagrama ácido-base para plasma humano, que muestra los efectos sobre el pH del plasma cuando la P CO 2 en mmHg o el exceso de base estándar (SBE) se producen en exceso o son deficientes en el plasma [ 23 ].

El desequilibrio ácido-base se produce cuando una agresión significativa provoca que el pH sanguíneo se salga del rango normal (7,32 a 7,42 [ 16 ] ). Un pH anormalmente bajo en el líquido extracelular se denomina acidemia y un pH anormalmente alto se denomina alcalemia .

La acidemia y la alcalemia se refieren inequívocamente al cambio real en el pH del líquido extracelular (LEC). [ 24 ] Otros dos términos de sonido similar son acidosis y alcalosis . Se refieren al efecto habitual de un componente, respiratorio o metabólico. La acidosis causaría una acidemia por sí sola (es decir, si no se compensa con una alcalosis). [ 24 ] De manera similar, una alcalosis causaría una alcalemia por sí sola. [ 24 ] En terminología médica, los términos acidosis y alcalosis siempre deben ir calificados por un adjetivo para indicar la etiología del trastorno: respiratoria (indicando un cambio en la presión parcial de dióxido de carbono), [ 25 ] o metabólica (indicando un cambio en el exceso de bases del LEC). [ 9 ] Por lo tanto, existen cuatro problemas ácido-base diferentes: acidosis metabólica , acidosis respiratoria , alcalosis metabólica y alcalosis respiratoria . [ 5 ] Una o una combinación de estas afecciones pueden ocurrir simultáneamente. Por ejemplo, una acidosis metabólica (como en la diabetes mellitus no controlada ) casi siempre se compensa parcialmente con una alcalosis respiratoria (hiperventilación). De manera similar, una acidosis respiratoria puede corregirse total o parcialmente con una alcalosis metabólica .

Referencias

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  • Texto original de Stewart en acidbase.org
  • Texto en línea en AnaesthesiaMCQ.com
  • Información general en kumc.edu
  • Tutorial sobre el equilibrio ácido-base
  • Texto en línea sobre fisiología ácido-base
  • Diagnósticos en lakesidepress.com
  • Interpretación en nda.ox.ac.uk
  • Ácidos y bases : definiciones