ECHILIBRUL ACIDO-BAZIC

In cadrul homeostaziei generale a organismului, mentinerea echilibrului acido-bazic este esentiala, deoarece toate reactiile organismului se desfasoara in mediu apos, fiind foarte mult influentate de concentratia H⁺.

Ionii de H⁺ in exces pot accelera sau incetini reactiile biochimice ale organismului prin modificarea incarcaturii electrice si a proprietatilor proteinelor.

In plus, enzimele si sistemul nervos isi desfasoara activitatea in mod optim numai intre anumite limite de pH.

De aceea mentinerea in limite normale a concentratiilor ionilor de H din sange si celelalte lichide ale organismului este indispensabila pentru buna functionare a organismului.

Notiuni generale despre pH-ul unei solutii

Deoarece ionii de H dintr-o solutie au o concentratie foarte mica, de exemplu concentratia H⁺ din sange este de 0.00004 mEq/L, Sorensen a propus ca reactia unei substante sa fie exprimata in scala logaritmica, folosind unitatile de pH (puterea ionilor de hidrogen).

Definitie Logaritmul cu sens invers al concentratiei ionilor de H⁺

Apa pura, la 25^○C disociaza foarte putin, numarul de ioni de H⁺ fiind egal cu cel de OH^-, ceea ce corespunde unei concentratii de 0,000.0001 mEq/L; aceasta inseamna ca apa pura este o solutie neutra, adica are pH =7.

In mod arbitrar se considera ca:

- mediul acid este cel in care concentratia H⁺ > concentratia OH^- , iar pH-ul este < 7;

- mediul alcalin (bazic) este cel in care concentratiaOH^- > concentratia H⁺, iar pH-ul este 7-14.

Un acid este o molecula sau ion care poate elibera, ceda ioni de H⁺. Exemple: HCl (in apa disociaza-cedeaza H⁺ si Cl^-) sau acidul carbonic, H₂CO₃ care disociaza in H⁺ si anionul bicarbonat, HCO₃^-.

O baza este o molecula sau ion care poate accepta ioni de H⁺. Exemple: HCO₃^- este o baza pentru ca se poate combina (accepta) cu H⁺ pentru a forma H₂CO₃; la fel HPO₄^- prin acceptare de H⁺ va forma H₂PO₄.

Taria unui acid sau a unei baze se definesc prin pk_a si pk_b, care este pH-ul mediului la care jumatate din acidul sau baza respectiva sunt disociate. Cu cat pk_a este mai mare, cu atat acidul este mai puternic. De exemplu, acidul lactic are pk_a = 3,8, adica la pH=3,8 jumatate din acid este disociat. La pH-ul organismului, care este 7,4, intrega cantitate de acid lactic este disociata. Deci, acidul lactic este un acid puternic pentru organism, putand induce o acidoza metabolica puternica.

Valori normale:

- sange arterial - 7,40 (valorile sunt determinate in plasma);

- sange venos - 7,35 (mai mult CO₂ si cataboliti)

- limite extreme ale pH-ului sanguin 6,8 - 8.

- intracelular: 6 - 7,4 (6,9 in muschi).

Variatii fiziologice - in functie de:

- varsta: - de obicei la nou nascuti si copii este mai alcalin (7,42) - favorizeaza procesele anabolice, deci cresterea;

- la varstnici - este mai acid deoarece predomina procesele catabolice, dar si      prin inrautatirea conditiilor de hematoza pulmonara si de schimb tisular; acidoza de varsta se adauga la acidoza din somn determinand decese in primele ore ale diminetii, cand organismul este pus in cele mai dificile conditii metabolice.

- fazele digestiei: - in timpul digestiei gastrice, pH-ul sanguin este mai alcalin, datorita eliminarii H⁺ sub forma de HCl

- digestia intestinala - pH-ul sanguin este usor acid, deoarece se foloseste HCO^-₃ pentru generarea sucului intestinal.

- ritmul nictemeral: noaptea si dimineata, pH-ul este mai acid, datorita acumularii nocturne de CO₂, ca urmare a hipoventilatiei, prin scaderea excitabilitatii centrilor nervosi in somn;

- altitudine: pH mai alcalin=alcaloza fiziologica de altitudine. Datorita scaderii pO₂ se produce hiperventilatie si eliminare de CO₂, avand drept consecinta un pH alcalin.

MECANISME DE CONTROL aLE CONCENTRATIEI DE H⁺

I. Sisteme chimice = sistemele tampon

II. Sisteme biologice - organe - plamanii, rinichiul, ficatul, tubul digestiv, tegumentele

Un sistem tampon este un cuplu format din:

- acid slab + sarea lui cu o baza tare. Exemplu H₂CO₃/ NaHCO₃ - se opune agresiunii acide;

- baza slaba + sarea ei cu un acid tare - se opune agresiunii bazice.

In organismul uman, amenintat permanent de acumularea unor cataboliti acizi (principalul catabolit acid care se formeaza este CO₂) se intalneste mai ales primul tip de sisteme tampon.

Sistemele tampon pot neutraliza atat substante acide, cat si bazice si previn cresterea sau scaderea pH-ului, deoarece pot accepta sau pot ceda ioni de H.

Schema generala a actiunii unui sistem tampon: Tampon + H⁺ ↔ H tampon

Tipuri de sisteme tampon:

1. ST plasmatice

- H₂CO₃/ NaHCO₃ (acid carbonic/carbonat acid de Na);

- NaH₂PO₄/Na₂HPO₄ (fosfat monosodic/fosfat disodic);

- proteine libere/proteinat de Na. Proteinele plasmatice se comporta ca sisteme tampon, deoarece atat grupele carboxilice(acide), cat si cele aminice (bazice) disociaza.

2. ST intracelulare

-eritrocitare: - HHb/KHb (Hb redusa/hemoglobinat de potasiu);

- HbHO₂/KhbO₂ (oxiHb/oxihemoglobinat de potasiu);

- KH₂PO₄/K₂HPO₄ (fosfat monopotasic/fosfat dipotasic).

- din alte celule:

- proteine libere/proteinat de K

- KH₂PO₄/K₂HPO₄ (fosfat monopotasic/fosfat dipotasic).

Puterea de tamponare a unui sistem tampon depinde de:

- concentratia componentilor sai in solutie;

- promptitudinea cu care accepta sau cedeaza H⁺, care trebuie de fie de ordinul secundelor.

- conexiunile pe care le are cu sistemele biologice.

Dintre sistemele tampon, cele mai importante sunt: H₂CO₃/ NaHCO₃ si proteinele extra si intraeritrocitare.

Formarea ST bicarbonat - H₂CO₃/ NaHCO_3. Participarea eritrocitului sau fenomenul de membrana Hamburger

Din arderile celulare rezulta CO₂, care difuzeaza in plasma, unde:

- o mica parte (8%) trece spontan in H₂CO₃;

- o mica parte se dizolva;

- cea mai mare parte patrunde in eritrocite (cca 92%).

In eritrocite, cca. 65% din CO₂ se hidrateaza in prezenta anhidrazei carbonice (AC) si formeaza H₂CO₃, care disociaza rapid si spontan in H⁺ si HCO^-₃. AC accelereaza viteza de reactie de 200 ori.

In acelasi timp, tot in eritrocit se produce o alta reactie: Hb care se gaseste in sangele arterial sub forma de oxihemoglobinat de potasiu (KhbO₂) cedeaza O₂ tesuturilor. Fara O₂, oxiHb trece in Hb redusa (HbH), acid de 70 de ori mai slab decat oxiHb.

Hb redusa nu mai poate retine ionul de K pe care il cedeaza si se combina cu Cl ^-→KCl.

Apoi, HbH se combina cu H⁺ rezultat din disocierea H₂CO₃ si se transforma in Hb acida (deci Hb redusa este acceptor de ioni de H).

Ionul de bicarbonat (HCO₃^-) se acumuleaza in interiorul eritrocitelor rezultand un gradient de concentratie intre eritrocit si plasma, ceea ce va determina difuziunea HCO₃^- in plasma, unde intalneste NaCl disociata (Na⁺ si Cl^-) si formeaza NaHCO₃.

La schimb cu gruparile bicarbonat care ies din hematie, Cl^- migreza din plasma in eritrocit, impreuna cu o molecula de apa. Se formeaza in hematie KCl. = fenomenul de membrana Hamburger sau migrarea Cl (figura 1)

Fig. 1. Formarea bicarbonatului, sau fenomenul de membrana Hamburger sau migrarea Cl

La nivelul capilarelor pulmonare fenomenul se inverseasa, adica Cl trece din eritrocit in plasma. De asemenea, CO₂ trece din capilar in alveole si se elimina. Concentratia NaHCO₃ din plasma = 24-28 mEg/l sau 60 volume CO₂.

O parte din CO₂ ajuns in eritrocit se combina cu Hb si formeaza carboHb sau carbamatul de Hb, care, ajuns la plamani se elimina.

Rolul aparatului respirator in mentinerea echilibrului acido-bazic.

Ventilatia contribuie esential la mentinerea pH-ului sanguin, ea adaptandu-se permanent la variatiile pCO₂.

Agresiunea acida (cresterea pCO₂) va determina prin sistemele tampon o productie crescuta de acid carbonic, care disociaza rapid in H₂O si CO₂. Cresterea presiunii CO₂ va determina hiperventilatie prin stimularea centrilor respiratori, care va realiza corectia (neutralizarea) pH-ului intr-un timp de 1-15 min..

Agresiunea alcalina → bicarbonatul sanguin va creste, centrul respirator va fi mai putin excitat→ scade frecventa si amplitudinea miscarilor respiratorii → se retine CO₂, care va genera H₂CO₃ si va tampona excesul de baze.

Rolul rinichiului in mentinerea echilibrului acido-bazic.

Rinichiul are un rol fundamental in reglarea concentratiei ionilor de H pentru ca realizeaza eliminarea H⁺ in exces prin secretie activa a H⁺ la nivelul celulelor tubulare, in acelasi timp recuperand si refacand bicarbonatul. Corectia este lenta (in 1- 3 zile), dar completa.

Secretia activa a H⁺ in celulele tubulare se pare ca are loc prin 2 mecanisme :

- hidratarea CO2

- mecanism redox

Neutralizarea si eliminarea ionilor de H la nivel renal se face prin interventia sistemelor tampon urinare, rinichiul avand 3 ST: bicarbonat, fosfat si sistemul ionilor de amoniu.

Primele doua provin din plasma, iar cel de-al treilea este propriu .

1. ST urinar al bicarbonatului :

Acizii rezultati in urma metabolismului celular se leaga in plasma de bicarbonatul de Na (acid+NaCO₃), rezultand bicarbonat acid de Na care se filtreza. In mod normal, toata cantitatea de ion bicarbonic filtrata este reabsorbita prin schimb ionic intre H⁺ secretat de celulele tubulare si ionii de Na care ajung in urina tubulara.

Bicarbonatul acid de Na care ajunge in lumenul tubular se disociaza in Na⁺ si HCO₃^-. Anionul bicarbonic se leaga de H⁺ secretat de celulele tubulare rezultand H₂CO₃, care sub influenta AC trece in CO₂ (reabsorbit in celulele tubulare si apoi in sange) si H₂O care se elimina.

In schimbul ionilor de H secretati activ, in celula tubulara intra Na⁺, reabsorbit apoi in plasma. De asemenea, anionul bicarbonic rezultat in celula tubulara este reabsorbit in plasma.

Prin urmare, pentru fiecare ion de H eliminat se retine (deci se recupereaza) in sange un ion de Na si unul de bicarbonat.

Concentratia bicarbonatului in filtratul renal este de 24mEq/l, debitul fiind de 3 mmoli/min.

Debitul secretiei de H⁺ = 3,5 mmoli/min., cu 0,5 mmoli mai mare decat cel de bicarbonat. Rezulta un surplus de 0,5 mmoli/min de H⁺ care ramane netamponat in TCP, dar care va fi tamponat in TCD si in tubii colectori de sistemul fosfat si cel al ionilor de amoniu.

Daca concentratia HCO₃ plasmatic creste > 28 mEq/l, atunci debitul de filtrare depaseste 3,5mmol/min (deci depaseste si debitul de secretie al H) ceea ce inseamna ca va exista un exces de bicarbonat netamponat de H, care se va elimina prin urina si aceasta va deveni alcalina.

Deci, prezenta sau absenta HCO₃^- in urina definitiva depinde de concentratia sa plasmatica, dar si de debitul de secretie a H⁺.

2. ST urinar al fosfatului.

Are un rol de tomponare redus in tubul contort proximal, dar iimportant in tubul contort distal si colector, datorita reabsorbtiei apei si sarurilor minerale. Pentru fiecare H⁺ secretat activ se recupereaza in sange un ion de Na si unul carbonic.

Fosfatul monosodic reprezinta aciditatea titrabila a urinii ,adica concentratia de NaOH ce trebuie adaugata in urina pentru ca pH-ul sa ajunga la 7,4

Cand pH-ul urinar scade foarte mult si fosfatul disodic a fost complet folosit, se excreta in exces creatinina, ceea ce determina cresterea eliminarilor de H⁺.

AL TREILEA SISTEM TAMPON URINAR: IONII DE AMONIU

Este singurul sistem controlat direct de rinichi.

Amoniacul, NH₃ este sintetizat in majoritate in tubul contort proximal, dar si in cel distal, colector si ansa Henle din: dezaminarea glutaminei (60% din cazuri), si a altor aa.:alanina, glicina etc. Sinteza depinde de pH-ul sangelui: in alcaloze secretia de NH₃ scade pana la 0, in acidoze creste de 10 ori in 2-4 zile.

NH₃ difuzeaza din celula tubulara in lumenul tubular, unde se combina cu H⁺ liberi, formand ionul amoniu NH₄⁺ care se combina cu anionii acizilor puternici (Cl) formand saruri amoniacale si eliberand un bicarbonat, HCO₃^-.

NH₄^- nu apare in urina alcalina, ci numai in cea acida. Daca H⁺ nu ar fi tamponati de NH₃ urinar, concentratia lor ar creste de 1000 de ori. Celulele parietale tisulare secreta activ in afara de H⁺ si K. Intre cei doi ioni exista o competitie pentru mecanismul de secretie in urina. Pierderile de K din organism fac sa creasca si eliminarile urinare H⁺ ceea ce apare ca o alcaloza metabolica de origine renala.

Hormonii corticosuprarenali stimuleaza secretia activa de H, dar si eliminarea de K. Acizii scad secretia activa de H prin blocarea sintezei de H2CO3.

ROLUL FICATULUI in mentinerea EAB

1. Neutralizeaza produsii de absorbtie intestinala cu reactie acida veniti pe calea venei porte .

2. Transforma AA in glucoza prin gluconeogeneza.

3. Resintetizeaza glicogenul din acidul lactic.

4. Transforma acidul aceto-acetic si beta hidroxibutiric in acetona.

5. Dezamineaza AA si face sinteza de uree.

ROLUL TUBULUI DIGESTIV in mentinerea EAB

1. Alcalinizeaza mediul intern prin prin utilizarea H⁺ in sinteza HCl

2. Acidifica mediul iintern prin producti de bicarbonat de catre pancreas

3. Elimina prin fecale substante de catabolism proteic.

ROLUL TEGUMENTELOR in mentinerea EAB

Participa la eliminarea acidului lactic in cursul efortului fizic prin secretie sudorala.

INVESTIGAREA ECHILIBRULUI ACIDO-BAZIC

In evaluarea perturbarilor balantei acido-bazice este important sa se cunoasca pH-ul si concentratia anionului bicarbonic. Concentratia plasmatica a HCO₃^- nu poate fi masurata direct, dar se poate determina paCO₂ cu ajutorul unui pH-metru si apoi din ecuatia Henderson-Hasselbach sa se calculeze concentratia HCO3. pH = pKa + log HCO₃^-/H₂CO₃.

In aceasta ecuatie, H₂CO₃ este de fapt paCO₂, care in conditii normale are valoarea de 40 mmHg, sau in mEq/l =1,25 mEq/l (se inmultesc mmHg cu 0,03 care este coeficientul de difuzibilitate al acesti gaz). La pH = 7,4 ,aceasta ecuatie devine:

7,4 = 6,1 log 24/1,25 ( (valoarea normala a anionului bicarbonic) = 20/1

Atat timp cat raportul ramane la aceeasi valoare, indiferent de valoarea absoluta a HCO₃^- si CO₂, pH-ul ramane normal.

Concentratia HCO₃⁺: - cand se exprima in mEq/l se numeste bicarbonat standard si are       valoarea normala de 24-28 mEq/l

- cand se exprima in volume de CO2% se numeste rezerva alcalina si are

valoarea normala de 60 volume de CO₂%

Cea mai completa informatie privind echilibrul acido-bazic este furnizata de investigatia Astrup (savant danez), combinata cu utilizarea nomogramei Siggaard-Andersen.

Cei 3 parametri importanti pentru aprecierea echilibrului acido-bazic sunt:

pH-ul = 7,38 - 7,42

concentratia HCO₃^- (bicarbonat standard) = 24-28 mEq/l

paCO₂ = 40 mmHg

PARAMETRII ASTRUP:

- pH actual= pH-ul determinant al sangelui de cercetat normal : 7,38 - 7,42.

- pH standard = 7,38 - 7,42. Indica marimea acestui parametru in conditii standard pCO2=40mmHg, 37 grade C, saturatie in O2 a Hb=100%

- Bicarbonat standard = 24 - 28 mEq/l;

- pCO2 = 40 mmHg sau 1,25 mEq/l;

- Baze tampon = concentratia tuturor bazelor care intervin in captarea H⁺, (Hb, proteine, fosfati): = 46 - 52mEq/l

- Baze exces indica deficitul de baze cand valoarea este negativa sau excesul de baze cand valoarea este pozitiva. Valoarea normala de la -2 la +2.

- Bicarbonatul actual = valoarea HCO₃^- in sangele determinat: 24-28 mEq/l.

TULBURARILE ECHILIBRULUI ACIDO-BAZIC - facultativ in acesta forma.

- Acidoze pH < 7,38      - Alcaloze pH > 7,42

CAUZE: respiratorii/metabolice/ sau mixte

In functie de gradul lor de compensare chimico-biologica sunt: necompensate, partial compensate, compensate.

1. Acidoza respiratorie = consecinta scaderii ventilatiei alveolo-pulmonare prin:

- deprimarea centrilor respiratorii in afectiunile neurologice;

- afectiuni pulmonare cu reducerea parenchimului pulmonar;

- scaderea capacitatii de difuziune alveolo-capilara;

Se caracterizeaza prin acumulare de CO₂ in sangele sistemic si in tesuturi

Paraclinic:

- scaderea pH-ului < 7,38

- cresterea PaCO₂ > 40 mmHg (hipercapnie)

- cresterea HCO₃^- > 28 mEq/l. Initial creste pentru a tampona excesul de H⁺ (1mEq/l pt fiecare 10 mmHg crestere a PCO₂); daca hipercapnia persista, HCO₃^- creste si mai mult pt ca excesul de H⁺ este eliminat renal, ca saruri de amoniu, care se realizeaza cu o crestere a absorbtiei de HCO3 = acidoza respiratorie.

- raportul HCO₃^-/H₂CO₃ scade < 20

Compensarea respiratorie

- cresterea PaCO₂ in sangele arterial determina stimularea centrilor respiratori cu hiperventilatie si eliminare crescuta de CO₂ si H₂O la nivelul pulmonar.

Compensarea renala:

- creste eliminarea de H⁺ cu ajutorul ST renale = urini acide

- ca urmare a eliminarii de H⁺ se reabsoarbe HCO₃^- care este deja crescut in plasma: cresterea reabsorbtiei de HCO₃^- determina o excretie crescuta de Cl^- in urina, deci va scadea Cl-ul in plasma, proportional cu cresterea concentratiei de bicarbonati.

2. Alcaloza respiratorie se caracterizeaza prin scaderea primara a PCO₂ < 40 mmHg (hipocapnie), care induce o crestere a pH-ului > 7,42

- poate fi intalnita in conditii:- fiziologice - altitudine. De ex. La 4900 m, pO₂ este 49 mmHg (N=100). Scaderea ei va determina hiperventilatie cu pierdere de CO₂ si instalarea alcalozei de altitudine.

- patologice - hiperventilatia respiratorie datorata hipoxiei din anemii.

Paraclinic :- pH > 7,42

- scade paCO₂ < 40 mmHg

- scade HCO₃^- < 24 mEg/l

- HCO₃^-/H₂ CO₃ > 20

Compensarea respiratorie: scaderea paCO₂ in sangele arterial scade excitabilitatea centrului respirator, se instaleaza hipoventilatia care va retine CO₂ = corectie.

Compensarea renala: scade secretia de H, scade reabsorbtia de HCO₃^- = urini alcaline.

In paralel apare o crestere a reabsorbtiei renale de Cl^- care trece in plasma pt a compensa pirderile de HCO₃^- .

Mecanismul renal determina o scadere a concentratiei de HCO₃^- in sange, in ciuda faptului ca acesta era deja sub limitele normale.

3. Acidoza metabolica se produce prin 3 mecanisme:

a. - productie crescuta de acizi: uric, sulfuric, fosforic rezultati din catabolismul proteic; ac lactic si succinic din metabolismul glucidic; ac. grasi si corpi cetonici din metabolismul lipidic; in boli ca: DZ exista productie de ac beta-hidroxibutiric, ac aceto-acetic; in stari toxico-septice, inanitie-lipoliza accentuata =corpi cetonici.

- efort fizic exagerat - ac lactic

b. pierderi de baze: diaree, fistule intestinale, pancreatice, inhibitori ai anhidrazei carbonice, stare de soc septic. Se pierde HCO₃^-; se isoteste de hipercloremie.

c. scaderea elimlnarii de acizi.

Paraclinic: - pH < 7,38

- HCO₃^- < 24mEg/l - deoarece este folosit pt compensarea rapida; scaderile HCO₃^- vor duce la scaderea filtrarii renale de bicarbonat, astfel incat numai o parte mica din secretia acida tubulara va fi tamponata; restul secretiei tubulare acide este tamponata de sistemul fosfat si amoniac, rezultand urini acide, cu aciditate titrabila crescuta. Poate avea consecinta grave asupra echilibrului hidro-electrolitic, deoarece se pierd Na, K, Ca,care antreneaza si apa = deshidratare.

- scade paCO2 < 40 mmHg

4. Alcaloza metabolica: acumulare primara de baze sau o pierdere de acizi

Apare in : - eliminare crescuta la nivel renal de H⁺

- productie renala crescuta de HCO₃^- - in tratamente cu diuretice, exces de mineralocorticoizi etc.

Paraclinic: - pH > 7,42

- HCO₃^- > 28 mEg/l

- pCO₂ < 40 mmHg

- urini alcaline

Compensare:

- chimica: bazele vor reactiona cu ac carbonic, cu formare de H₂O si HCO₃^- - eliminat renal

- respiratorie:-pH-ul crescut va inhiba centrul respirator; rezulta hipoventilatie si acumulare de CO₂ in sange care se transforma in acid carbonic

- renala: creste eliminarea de HCO₃^- prin urina. Urina devine alcalina, cu pH maxim alcalin = 8; pt a se mentine neutralitatea electrica, impreuna cu HCO₃^- se elimina si H⁺ si K⁺ a caror concentratie in sange tinde sa scada. Eliminarea unei urini alcaline are drept efect adaugarea de H⁺ in sange, deci pH=ul plasmatic va scadea catre 7,4.