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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 los ácidos y las 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, se altera su estructura tridimensional), lo que provoca un mal funcionamiento de las enzimas y los 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 en muchos otros animales, la homeostasis ácido-base se mantiene mediante múltiples mecanismos implicados en tres líneas de defensa: [5] [6]

  1. Química: Las primeras líneas de defensa son inmediatas y consisten en diversos tampones químicos que minimizan los cambios de pH que de otro modo se producirían en su ausencia. Estos tampones incluyen el sistema tampón de bicarbonato , el sistema tampón de fosfato y el sistema tampón 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 LEC modificando la frecuencia y profundidad de la respiración mediante hiperventilación o hipoventilación . Esto expulsa o retiene el dióxido de carbono (y, por lo tanto, el ácido carbónico) en el plasma sanguíneo según sea necesario. [5] [8]
  3. Componente metabólico: La tercera línea de defensa es lenta, se mide mejor por el exceso de base , [9] y depende principalmente del sistema renal que puede agregar o eliminar iones de bicarbonato ( HCO−
    3    ) hacia o desde el LEC. [5] Los iones de 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 de hidrógeno e iones de bicarbonato. [5] Cuando el pH en el LEC cae, los iones de hidrógeno se excretan en la orina, mientras que los iones de bicarbonato se secretan en el plasma sanguíneo, lo que hace que el pH del plasma aumente. [12] Lo contrario sucede si el pH en el LEC tiende a aumentar: los iones de bicarbonato se excretan en la orina y los iones de hidrógeno en el plasma sanguíneo.

La segunda y tercera líneas de defensa funcionan haciendo cambios en los tampones, cada uno de los cuales consta de dos componentes: un ácido débil y su base conjugada . [5] [13] Es la relación de concentración del ácido débil con su base conjugada la que determina el pH de la solución. [14] Por lo tanto, manipulando en primer lugar la concentración del ácido débil y en segundo lugar la de su base conjugada, el pH del líquido extracelular (LEC) se puede ajustar con mucha precisión al valor correcto. El tampón de bicarbonato, que consiste en una mezcla de ácido carbónico (H 2 CO 3 ) y un bicarbonato ( HCO−
3) la sal en solución es el tampón más abundante en el líquido extracelular y también es el tampón cuya relación ácido-base se puede cambiar muy fácil y rápidamente. [15]

Equilibrio ácido-base

El pH del líquido extracelular, incluido el plasma sanguíneo , normalmente está regulado estrictamente entre 7,32 y 7,42 por los tampones 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 débiles 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 otra manera habría ocurrido. Pero los tampones no pueden corregir niveles anormales de pH en una solución, ya sea una 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 ECF consiste en una solución de ácido carbónico (H 2 CO 3 ), y el bicarbonato ( HCO−
3) sal 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 formando H2O y bicarbonato ( HCO−
3) iones. [5] [15] De manera similar, un exceso de iones H + es neutralizado parcialmente por el componente de bicarbonato de la solución tampón para formar ácido carbónico (H 2 CO 3 ), que, debido a que es un ácido débil, permanece en gran parte en forma no disociada, liberando muchos menos iones H + en la solución de lo que habría hecho el ácido fuerte original. [5]

El pH de una solución tampón depende únicamente de la relación entre 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 de la solución. De manera similar, 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 limitarse a amortiguarlo ). En el caso del 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 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]

dónde:

Sin embargo, dado que la concentración de ácido carbónico es directamente proporcional a la presión parcial de dióxido de carbono ( ) en el líquido extracelular, la ecuación se puede reescribir de la siguiente manera : [5] [14]

dónde:

El pH de los fluidos extracelulares puede así controlarse mediante la regulación de y de otros ácidos metabólicos.

Mecanismos homeostáticos

El control homeostático puede cambiar la PCO2 y , por lo tanto, el pH del plasma arterial en unos pocos 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 luego determinan la tasa promedio de ventilación de los alvéolos de los pulmones , 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 regresado a 5,3 kPa. [8] Lo contrario sucede 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.

El sensor para el plasma HCO−
3No se conoce con certeza la concentración de CO2. 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.−
3a través de la acción de la anhidrasa carbónica . [5] [10] [11] Cuando los fluidos extracelulares tienden a la acidez, las células tubulares renales secretan los iones H + en el líquido tubular desde donde salen del cuerpo a través de la orina. El HCO−
3Los iones de bicarbonato se secretan simultáneamente en el plasma sanguíneo, lo que aumenta la concentración de iones de bicarbonato en el plasma, reduce la relación ácido carbónico/ion bicarbonato y, en consecuencia, aumenta el pH del plasma. [5] [12] Lo contrario ocurre cuando el pH del plasma aumenta por encima de lo normal: los iones de bicarbonato se excretan en la orina y los iones de hidrógeno en el plasma. Estos se combinan con los iones de bicarbonato en el plasma para formar ácido carbónico (H + + HCO−
3 H 2 CO 3 ), aumentando así la relación 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 es parcialmente neutralizada 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 del túbulo renal distal . [5] [11] Por lo tanto, parte del "contenido ácido" de la orina reside en el contenido de iones de 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 del plasma humano, que muestra los efectos sobre el pH del plasma cuando la PCO2 en mmHg o el exceso de base estándar (SBE) se presentan en exceso o son deficientes en el plasma [23]

El desequilibrio ácido-base se produce cuando una lesión importante hace que el pH de la sangre se desplace fuera 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 .

Acidemia y alcalemia se refieren inequívocamente al cambio real en el pH del líquido extracelular (ECF). [24] Otros dos términos que suenan similares 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 se deja "sin compensar" por 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 calificarse con un adjetivo para indicar la etiología de la alteración: respiratoria (que indica un cambio en la presión parcial de dióxido de carbono), [25] o metabólica (que indica un cambio en el exceso de base del ECF). [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 condiciones 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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