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Sistema tampón de bicarbonato

El dióxido de carbono, un subproducto de la respiración celular , se disuelve en la sangre, donde es absorbido por los glóbulos rojos y convertido en ácido carbónico por la anhidrasa carbónica. La mayor parte del ácido carbónico luego se disocia en bicarbonato e iones de hidrógeno.

El sistema tampón de bicarbonato es un mecanismo homeostático ácido-base que implica el equilibrio del ácido carbónico (H 2 CO 3 ), el ion bicarbonato (HCO−
3) y dióxido de carbono (CO 2 ) para mantener el pH en la sangre y el duodeno , entre otros tejidos, para apoyar la función metabólica adecuada . [1] Catalizado por la anhidrasa carbónica , el dióxido de carbono (CO 2 ) reacciona con agua (H 2 O) para formar ácido carbónico (H 2 CO 3 ), que a su vez se disocia rápidamente para formar un ion bicarbonato (HCO−
3) y un ion hidrógeno (H + ) como se muestra en la siguiente reacción: [2] [3] [4]

Como ocurre con cualquier sistema tampón , el pH se equilibra mediante la presencia de un ácido débil (por ejemplo, H 2 CO 3 ) y su base conjugada (por ejemplo, HCO−
3) para neutralizar cualquier exceso de ácido o base introducido en el sistema.

El fallo de este sistema para funcionar correctamente da como resultado un desequilibrio ácido-base, como acidemia (pH < 7,35) y alcalemia (pH > 7,45) en la sangre. [5]

En el equilibrio ácido-base sistémico

En los tejidos, la respiración celular produce dióxido de carbono como producto de desecho; Como una de las funciones principales del sistema cardiovascular , la mayor parte de este CO 2 se elimina rápidamente de los tejidos mediante su hidratación en iones bicarbonato. [6] El ion bicarbonato presente en el plasma sanguíneo se transporta a los pulmones, donde se deshidrata nuevamente en CO 2 y se libera durante la exhalación. Estas conversiones de hidratación y deshidratación de CO 2 y H 2 CO 3 , que normalmente son muy lentas, son facilitadas por la anhidrasa carbónica tanto en la sangre como en el duodeno. [7] Mientras está en la sangre, el ion bicarbonato sirve para neutralizar el ácido introducido en la sangre a través de otros procesos metabólicos (por ejemplo, ácido láctico , cuerpos cetónicos ); Asimismo, cualquier base (p. ej., la urea procedente del catabolismo de las proteínas ) se neutraliza con ácido carbónico (H 2 CO 3 ). [8]

Regulación

Según lo calculado por la ecuación de Henderson-Hasselbalch , para mantener un pH normal de 7,4 en la sangre (donde el pK a del ácido carbónico es 6,1 a temperatura fisiológica), se debe mantener constantemente una proporción de 20:1 entre bicarbonato y ácido carbónico. ; esta homeostasis está mediada principalmente por sensores de pH en el bulbo raquídeo del cerebro y probablemente en los riñones , conectados mediante circuitos de retroalimentación negativa a efectores en los sistemas respiratorio y renal . [9] En la sangre de la mayoría de los animales, el sistema amortiguador de bicarbonato está acoplado a los pulmones mediante compensación respiratoria , el proceso mediante el cual la frecuencia y/o profundidad de la respiración cambia para compensar los cambios en la concentración de CO 2 en la sangre . [10] Según el principio de Le Chatelier , la liberación de CO 2 de los pulmones empuja la reacción de arriba hacia la izquierda, provocando que la anhidrasa carbónica forme CO 2 hasta que se eliminen todos los excesos de protones. La concentración de bicarbonato también está regulada aún más por la compensación renal , el proceso mediante el cual los riñones regulan la concentración de iones de bicarbonato secretando iones H + en la orina mientras, al mismo tiempo, reabsorben HCO.−
3iones al plasma sanguíneo, o viceversa , dependiendo de si el pH del plasma disminuye o aumenta, respectivamente. [11]

Ecuación de Henderson-Hasselbalch

Se puede utilizar una versión modificada de la ecuación de Henderson-Hasselbalch para relacionar el pH de la sangre con los componentes del sistema tampón de bicarbonato: [12]

dónde:

Al describir los gases en sangre arterial , la ecuación de Henderson-Hasselbalch generalmente se cita en términos de pCO 2 , la presión parcial de dióxido de carbono , en lugar de la concentración de H 2 CO 3 . Sin embargo, estas cantidades están relacionadas por la ecuación: [12]

dónde:

La combinación de estas ecuaciones da como resultado la siguiente ecuación que relaciona el pH de la sangre con la concentración de bicarbonato y la presión parcial de dióxido de carbono: [12]

dónde:

Derivación de la aproximación de Kassirer-Bleich

La ecuación de Henderson-Hasselbalch, que se deriva de la ley de acción de masas , se puede modificar con respecto al sistema tampón de bicarbonato para producir una ecuación más simple que proporciona una aproximación rápida de H + o HCO.−
3concentración sin necesidad de calcular logaritmos: [7]

Dado que la presión parcial del dióxido de carbono es mucho más fácil de obtener a partir de la medición que la del ácido carbónico, la constante de solubilidad de la ley de Henry (que relaciona la presión parcial de un gas con su solubilidad) para el CO 2 en plasma se utiliza en lugar de la concentración de ácido carbónico. . Después de resolver para H + y aplicar la ley de Henry, la ecuación queda: [13]

donde K' es la constante de disociación del ácido carbónico, que es igual a 800 nmol/L (ya que K' = 10 −p Ka H 2 CO 3 = 10 −(6.1) ≈ 8.00×10 −7 mol/L = 800 nmol /L).

Después de multiplicar las constantes (800 × 0,03 = 24) y resolver el HCO−
3, la ecuación se simplifica a:

dónde:

En otros tejidos

El sistema tampón de bicarbonato también juega un papel vital en otros tejidos. En el estómago y el duodeno humanos, el sistema tampón de bicarbonato sirve para neutralizar el ácido gástrico y estabilizar el pH intracelular de las células epiteliales mediante la secreción de iones bicarbonato en la mucosa gástrica . [1] En pacientes con úlceras duodenales, la erradicación de Helicobacter pylori puede restaurar la secreción de bicarbonato de la mucosa y reducir el riesgo de recurrencia de la úlcera. [14]

Amortiguación de lágrimas

Las lágrimas son únicas entre los fluidos corporales porque están expuestas al medio ambiente. Al igual que otros fluidos corporales, el líquido lagrimal se mantiene en un rango de pH ajustado mediante el sistema tampón de bicarbonato. [15] El pH de las lágrimas cambia a lo largo del día, aumentando "aproximadamente 0,013 unidades de pH/hora" hasta que un período prolongado de ojos cerrados hace que el pH baje nuevamente. [15] La mayoría de las personas sanas tienen un pH lagrimal en el rango de 7,0 a 7,7, donde el tampón de bicarbonato es el más significativo, pero también están presentes proteínas y otros componentes tampón que están activos fuera de este rango de pH. [15]

Referencias

  1. ^ ab Krieg, Brian J.; Taghavi, Seyed Mohammad; Amidón, Gordon L.; Amidon, Gregory E. (1 de noviembre de 2014). "Disolución predictiva in vivo: análisis de transporte del sistema tampón in vivo de bicarbonato y CO2" (PDF) . Revista de Ciencias Farmacéuticas . 103 (11): 3473–3490. doi :10.1002/jps.24108. hdl : 2027.42/109280 . ISSN  1520-6017. PMID  25212721.
  2. ^ Oxtoby, David W.; Gillis, Pat (2015). "Equilibrios ácido-base". Principios de la química moderna (8 ed.). Boston, MA: Aprendizaje Cengage. págs. 611–753. ISBN 978-1305079113.
  3. ^ Widmaier, Eric; Raff, Hershel; Strang, Kevin (2014). "Los riñones y la regulación del agua y los iones inorgánicos". Fisiología humana de Vander (13 ed.). Nueva York, Nueva York: McGraw-Hill. págs. 446–489. ISBN 978-0073378305.
  4. ^ Meldrum, NU; Roughton, FJW (5 de diciembre de 1933). "Anhidrasa carbónica. Su preparación y propiedades". La Revista de Fisiología . 80 (2): 113-142. doi :10.1113/jphysiol.1933.sp003077. ISSN  0022-3751. PMC 1394121 . PMID  16994489. 
  5. ^ Rhoades, Rodney A.; Bell, David R. (2012). Fisiología médica: principios para la medicina clínica (4ª ed., ed. internacional). Filadelfia, Pensilvania: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 9781451110395.
  6. ^ al.], David Sadava ... [et; Bell, David R. (2014). Vida: la ciencia de la biología (10ª ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 9781429298643.
  7. ^ ab Oso, RA; Dyck, RF (20 de enero de 1979). "Aproximación clínica al diagnóstico de los trastornos ácido-base". Revista de la Asociación Médica Canadiense . 120 (2): 173–182. ISSN  0008-4409. PMC 1818841 . PMID  761145. 
  8. ^ Nelson, David L.; Cox, Michael M.; Lehninger, Albert L. (2008). Principios de bioquímica de Lehninger (5ª ed.). Nueva York: WH Freeman. ISBN 9781429212427.
  9. ^ Johnson, Leonard R., ed. (2003). Fisiología médica esencial (3ª ed.). Ámsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 9780123875846.
  10. ^ Heinemann, Henry O.; Anillo de oro, Roberta M. (1974). "Bicarbonato y regulación de la ventilación". La Revista Estadounidense de Medicina . 57 (3): 361–370. doi :10.1016/0002-9343(74)90131-4. PMID  4606269.
  11. ^ Koeppen, Bruce M. (1 de diciembre de 2009). "El riñón y la regulación ácido-base". Avances en la educación en fisiología . 33 (4): 275–281. doi :10.1152/advan.00054.2009. ISSN  1043-4046. PMID  19948674.
  12. ^ abc página 556, sección "Estimación del pH del plasma" en: Bray, John J. (1999). Apuntes de conferencias sobre fisiología humana . Malden, Massachusetts: Blackwell Science. ISBN 978-0-86542-775-4.
  13. ^ Kamens, Donald R.; viste, Robert L.; Trimble, Cleve (1 de noviembre de 1979). "Eludir la ecuación de Henderson-Hasselbalch". Revista del Colegio Americano de Médicos de Emergencia . 8 (11): 462–466. doi :10.1016/S0361-1124(79)80061-1.
  14. ^ Hogan, DL; Estoque, RC; Dreilinger, A; Koss, MA; Basuk, PM; Weinstein, WM; Nyberg, LM; Isenberg, JI (1996). "Secreción duodenal de bicarbonato: erradicación de Helicobacter pylori y estructura y función duodenal en humanos". Gastroenterología . 110 (3): 705–716. doi :10.1053/gast.1996.v110.pm8608879. PMID  8608879.
  15. ^ abc Condiciones ambientales y química de las lágrimas, Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina. 1991. "Consideraciones sobre el uso de lentes de contacto en condiciones adversas: Actas de un simposio". Washington, DC: Prensa de las Academias Nacionales. https://doi.org/10.17226/1773.

enlaces externos