ECHILIBRUL ACIDO-BAZIC

Echilibrul acido-bazic este rezultanta unor procese complexe legate de homeostazia gazelor sanguine si de compozitia electrolitica a organismului.

Concentratia ionilor de hidrogen H reprezinta un parametru fundamental al homeostaziei mediului intern, deoarece structura si functiile proteinelor, in special ale enzimelor, depind strict de o anumita reactie a mediului in care se gasesc.

Limitele fiziologice ale H⁺ sunt de 35-45 nmolar. PH-ul 7,4 0,05.

Mentinerea in limite constante a H necesita mecanisme homeostatice deosebit de eficiente. In procesele metabolice se produc zilnic intre 50-100 mmol de H⁺ si 13.000 mmol CO₂ care trec in cei 15-20 l de lichid extracelular.

Sangele este un lichid de transport care pune in relatie 3 subsisteme: unul perturbator si alte doua reglatoare. Primul dintre subsisteme cel perturbator este reprezentat de celulele organismului care elibereaza la nivelul microcirculatiei produsi de metabolism CO₂ si ioni de H⁺.

Sistemele reglatoare sunt reprezentate de plamani, ce asigura eliminarea CO₂ si de rinichi ce intervin in eliminarea H⁺ si mentinerea constanta a bicarbonatului plasmatic. Aceste organe completeaza interventia sistemelor tampon in mentinerea constanta a izohidriei. Compartimentul arterial constituie sistemul reglat al carui pH este mentinut constant.

Concentratia H⁺ si conceptul de pH

Echilibrul acido-bazic al solutiilor depinde de concentratia in ioni de H si ioni de Cl^-.

In mod curent se accepta definitia propusa de Brsted.

-acid este o substanta care in solutie actioneaza ca un donor de protoni

-baza este o substanta care accepta protoni in solutie.

Dizolvarea unui acid in apa duce la stabilirea unui echilibru

AH + H₂O A^-+ H₃O⁺

AH se mai numeste forma protonata si are caracter acid (poate pierde protoni). A se numeste forma deprotonata si are caracter bazic (poate accepta protoni). Protonul H⁺ nu poate exista liber in solutie ci numai sub forma de H₃O⁺. Cand ne referim la H⁺ este vorba despre H₃O⁺.

In apa pura, la 25⁰C, [OH^-]x[H₃O⁺] numit produs ionic al apei are o valoare extrem de mica, de 1014 mol/l. Se considera ca apa pura este mediu neutru, deoarece concentratiile H₃O⁺ si OH^- sunt egale, fiecare reprezentand 10 mol/l.

Conform legii actiunii maselor atat solutiile acide cat si in cele alcaline, produsul [OH^-]x[H₃O⁺] ramane constant.

Ka se numeste constanta de ionizare sau constanta de disociere a acidului respectiv. Cu cat un acid este mai tare, cu atat mai mare va fi proportia ionilor in raport cu moleculele nedisociate si cu atat mai mare va fi valoarea Ka.

Deoarece valorile Ka ale acizilor slabi sunt foarte mici, acestea sunt de obicei exprimate sub forma logaritmului negativ, utilizandu-se pKa analog modului de exprimare a pH-ului.

PKa = -logKa

Concentratiile ionilor se exprima uzual in mEq/l sau mmol/l. Pentru [H⁺] se utilizeaza exprimarea in nEq/l (1 nEq/l 10^-9 Eq/l = 10^-6 mEq/l).

Deoarece [H⁺] are o valoare foarte mica s-a introdus notiunea de pH exprimata ca fiind logaritmul negativ al [H⁺]:

PH = -log10 [H⁺] [H⁺] = 10^-pH

De ex. scaderea pH-ului de la 7,40 la 7,1 reprezinta dublarea [H⁺] de la 40 nmol/l la 80 nmol/l.

Ecuatia Henderson-Hasselbach

Descrierea clasica a echilibrului acido-bazic se bazeaza pe ecuatia Henderson-Hasselbach

pH = pKa + log [baza] pH = pKa + log [HCO3^-]

[acid] [H₂CO3]

pH-ul unei solutii ce contine un acid cu baza sa conjugata depinde de constanta Ka cat si de raportul baza/acid. Prin baza se intelege sarea acidului slab, care conform definitiei este o baza (poate capta un proton). In aceasta ecuatie CO₂ reprezinta elementul acid, deoarece se combina cu apasi formeaza H₂CO₃, iar ionul bicarbonat reprezinta elementul bazic. Se observa ca pH-ul solutiei se modifica direct proportional cu logaritmul raportului dintre baza si acidul sistemului tampon. Cand raportul este in favoarea bazei, pH-ul creste indicand alcaloza si invers cand raportul scade, pH-ul scade aratand acidoza.

Procese fiziologice care genereaza acizi

Formarea acidului carbonic

CO₂ provenit din metabolismul oxidativ este hidratat la H₂CO₃, care apoi disociaza in H⁺ si HCO₃^-.

Din cauza ca H₂CO₃ poate fi format din CO₂ si H₂O, iar CO₂ este eliminat prin plamani, H₂CO₃ este numit acid volatil.

Formarea acizilor nevolatili

Producerea acestora are loc continuu in organism. Zilnic sunt produsi intre 40-60 mmol/l de acizi organici si anorganici care nu deriva din CO₂.

-lactatul - este produs prin metabolismul anaerobic al glucozei sau glicogenului in caz de efort sau hipoxie.

-acidul acetil acetic si b-hidroxibutiric - rezulta din metabolizarea incompleta a acizilor grasi si a acizilor aminati cetogeni. Producerea de corpi cetonici este crescuta in inanitie.

-acidul fosforic - produs din metabolismul fosfolipidelor, reprezinta o sursa majora de H⁺.

-acidul sulfuric - din catabolismul aminoacizilor ce contin grupari sulfidril: cisteina, cistinasi metionina. O dieta bogata in proteine cu un procent crescut de aminoacizi sulfurati duce la eliminarea unei urini acide.

-acidul uric rezulta din metabolismul nucleoproteinelor.

Dieta vegetariana produce in exces alcali care sunt excretati prin rinichi ca HCO₃^-. Organele care participa la inlaturarea acestora, plamanul pentru CO₂, rinichiul pentru sulfati si fosfati, ficatul pentru acidul lactic sau corpi cetonici, poseda o capacitate functionala mult mai mare decat cea solicitata in conditii obisnuite. Totusi, cand producerea de acizi este mare, ex. in timpul unui efort intens sau in cetogeneza datorata absentei insulinei, pH-ul lichidelor biologice risca sa prezinte modificari mari.

Interventia sistemelor tampon ale organismului reprezinta prima linie de aparare impotriva invaziei acide sau alcaline. Sistemele tampon se gasesc repartizate in toate sectoarele hidroosmolare ale organismului, capacitatea tampon cea mai mare fiind localizata in interiorul celulelor.

Mecanisme care reduc concentratia de H⁺

Mecanisme fizico-chimice - reprezentate de sistemele tampon

Mecanisme biologice - care implica mai multe organe dintre care un rol deosebit il au plamanii si rinichii

Sistemele tampon

Sistemul tampon este format dintr-un acid slab (partial disociat) si o sare a acestuia cu un cation reactiv.

Principalele sisteme tampon din sange sunt:

NaHCO₃ Na₂HPO₄ Proteinat de Na Hb^- HbO₂^-

H₂CO₃ NaH₂PO₄ Proteina acida HHb^- HHbO₂

Procesul de tamponare consta din inlocuirea unui acid puternic de catre un acid slab, avand drept consecinta mentinerea relativ constanta a H⁺. In cazul in care la sistemul acid carbonic/bicarbonat se adauga HCl, acidul puternic este transformat intr-o sare de sodiu, iar H⁺ sunt captati de anionul HCO₃^-, formand acid carbonic.

HCl + NaHCO3 H₂CO₃ + NaCl

Acidul carbonic este un acid slab, deoarece disociaza foarte putin. Disocierea acidului carbonic se realizeaza in mica masura si datorita prezentei anionilor bicarbonat proveniti din disocierea sarii tampon. Cresterea concentratiei de HCO₃^- va deplasa spre stanga sensul reactiei: H₂CO₃ HCO₃ + H⁺

Cand un acid este adaugat unei solutii continand mai multe sisteme tampon, cum este sangele, ionii de H⁺ vor fi tamponati de toate sistemele tampon existente, ponderea fiecaruia fiind proportionala cu concentratia si pKa-ul fiecarui sistem tampon.

Sistemul tampon bicarbonat/acid carbonic

Sistemul tampon bicarbonat/acid carbonic este principalul sistem tampon al organismului, pentru ca se gaseste in concentratie mare in sange si pentru ca acest sistem deriva din CO₂ care rezulta din metabolism:

AC

CO₂ + H₂O H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-

[HCO₃^-] plasmatic depinde de activarea anhidrazei carbonice (AC), prezenta in eritrocite si rinichi.

HCO₃^-

HCO₃^-reprezinta componenta metabolica a sistemului tampon si concentratia sa este relativ fixa, modificarile se realizeaza cu ajutorul rinichilor in timp mai lung.

Siatemul tampon al bicarbonatului este prezent in toate sectoarele hidroosmotice ale organismului. Concentratia mai mare in lichidul interstitial (28 mEq/l), fata de sectorul intravascular (24 mEq/l) se datoreste echilibrului Gibbs-Donnan.

Se apreciaza ca bicarbonatul din organism, a carui cantitate totala este de aproximativ 1000 mEq, permite captarea unei cantitati de [H⁺] mai mare decat toate celelalte sisteme tampon la un loc.

H₂CO₃

H₂CO₃ reprezinta componenta respiratorie a sistemului tampon a carei modificare se face rapid, de ordinul sec, cu ajutorul plamanilor care elimina CO2.

[H₂CO₃] depinde de doi factori: pCO₂, presiunea partiala a CO₂ = 40 mmHg si coeficientul de solubilitate al CO₂ = 0,03.

Parametrii sistemului tampon HCO₃^-/H₂CO₃

1.[CO₂] = [HCO₃^-] + [H₂CO₃] = 24 + 1,2 = 25,2 mEq/l

2.[HCO₃^-] = 24 mEq/l

3.[H₂CO₃] = pCO₂ x 0,03 = 40 x 0,03 = 1,2 mEq/l

4.pCO₂ = 40 2 mmHg

5. HCO₃ = 24 = 20

H₂CO₃ 1,2

6.pH = pKa + [logHCO₃^-] = 6.1 + log 20 = 6,1 + 1,3 = 7,4

H₂CO₃

Valori normale ale pH-ului sanguin arterial = 7,35-7,45.

Actiunea tampon se realizeaza la pH apropiat de pKa si este practic nula la pH-urile care depasesc pKa sistemului tampon cu 1,5 unitati. Desi pKa 6,1 este mai departat de neutralitate, relatiile sale cu fenomenele respiratorii prin H₂CO₃ si cu functia renala pentru restabilirea concentratiei plasmatice a HCO₃^-, ii confera o capacitate de tamponare cu totul exceptionala.

De exemplu, scaderea [HCO₃^-] la 15 mEq/l duce la scaderea raportului si deci reducerea pH-ului, ceea ce va induce stimularea pana la dublarea ventilatiei pulmonare, cu diminuarea pCO2 la aprox. 25 mmHg [H₂CO₃] 25 x 0,03 = 0,75 mmol/l.

pH va fi readus spre normal, datorita restabilirii raportului

[HCO₃^-] = 15 = 20

[H₂CO₃^-]      0,75

Relatia pe care HCO₃^- o are cu functia renala explica ajustarea [HCO₃^-] plasmatic atat in conditii de acidoza cat si in conditii de alcaloza metabolica.

In alcaloza HCO₃^- filtrat nu mai este reabsorbit. In acidoza ritmul eliminarii H⁺ creste si intrucat elimarea fiecarui ion de H⁺ este insotita de reabsorbtia unui ion HCO₃^-, concentratia plasmatica a bicarbonatului va creste.

Reglarea imediata a unei eventuale devieri de pH este realizata prin modificarea eliminarii pulmonare a CO2 in timp ce refacerea [HCO₃^-] plasmatic, consumat in tamponarea acizilor tari neutralizati, va fi indeplinita prin reglarea reabsorbtiei tubulare renale.

Sistemul tampon al fosfatilor Na₂HPO4

NaH₂PO4

Luand in considerare pK₂ =       6,8, fosfatii ar fi mai eficienti in mentinerea pH-ului, dar datorita concentratiei reduse in plasma, de 2 mEq/l, interventia lor in tamponarea ionilor de H⁺ in spatiul extracelular este mica. Au un rol important in celule. De asemenea, fosfatii joaca un rol important in eliminarea H⁺ prin urina, sub forma de acifditate titrabila.

Acidul fosforic, rezultat din catabolismul fosfoproteinelor si fosfolipidelor, transportat in lichidul extracelular sub forma de fosfat predominant dibazic (Na₂HPO₄) este eliminat prin rinichi ca fosfat monobazic (NaH₂PO₄). Astfel se economiseste un cation Na⁺ si in schimb se elimina un ion H⁺.

Sistemul tampon al proteinelor

Proteinele sunt substante tampon puternice, avand un rol tampon important in celule. La valori fiziologice de pH sarcina lor electrica este negativa (pot capta protoni), dar in plasma, datorita concentratiei relativ mici, participarea ca sistem tampon este redusa. In cazul unei incarcari acide acute, priteinele extracelulare tamponeaza 1% din H⁺, fata de 42% tamponati de sistemul tampon al bicarbonatului.

Hemoglobina si sarea ei de potasiu

Reprezinta cel mai puternic sistem tampon al organismului. Din capacitatea tampon a sangelui revine plasmei si eritrocitelor.

Capacitatea tampon a Hb este crescuta in timpul procesului de deoxigenare. Eliberarea O₂ la tesuturi transforma un acid mai tare oxihemoglobina (HbO₂), care elibereaza H⁺, intr-un acid mai slab, hemoglobina redusa (HbH). HbH este un acid mai slab decat HbO₂, pentru ca actioneaza ca o baza si accepta H⁺ formati in eritrocite, din CO₂ in timpul transportului acestuia de la tesuturi la plamani.

Capacitatea tampon a Hb previne schimbari semnificative de pH intre sangele arterial si venos in timpul transportului CO₂. Astfel, se explica de ce pH-ul sangelui venos amestecat nu sufera decat o mica deviere spre aciditate (0,01-0,03), desi CO₂ plasmatic creste de la 1,2 la 3,2 mmol/l. In absenta acestui tampon pH-ul sangelui venos ar ajunge conform ecuatiei Henderson-Hasselbach la 7.

pH = 6,1 + log [HCO₃^-] = 6,1 + log 24 = 6,1 + log 7,5 = 7,0

[H₂CO₃] 3,2

Transportul CO2 la plamani se realizeaza in urmatoarele modalitati:

-1,2 mmol/l dizolvat la pCO₂ = 40 mmHg.

-o anumita proportie se combina cu proteinele plasmatice si in special cu hb eritrocitara, formand compusi carbaminici

-cea mai mare cantitate este ransportata sub forma de bicarbonat.

CO₂ reactioneaza lent cu H₂O chiar in plasma formand H₂CO₃, care disociaza imediat eliberand cantitati reduse de H⁺, tamponate prompt de sistemele tampon plasmatice.

Aceasta reactie are loc cu viteza mult mai mare in eritrocite sub actiunea anhidrazei carbonice (AC).

AC

CO₂ H₂O H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-

Activitatea anhidrazei carbonice este reglata de pCO₂, astfel la nivelul tesuturilor unde pCO₂ este 46 mmHg, reactia se desfasoara spre dreapta, iar in plamani unde pCO₂ este 40 mmHg spre stanga, ducand la eliberarea CO₂ care difuzeaza apoi in alveole.

Eritrocitele au un rol esential in transportul CO₂ si deci in mentinerea constanta a echilibrului acido-bazic datorita:

-prezentei anhidrazei carbonice

-diferentelor de disociere intre HbH si HbO2

-permeabilitatii diferite a membranei eritrocitare, aceasta este permeabila pentru CO₂, HCO₃^-, Cl^-, si H₂O, relativ permeabila pentru H⁺ si practic impermeabila pentru Na⁺ si K⁺.

Rolul permeabilitatii selective a membranei eritrocitare este evidentiat prin fenomenul de membrana, descris de Hamburger, numit si fenomenul migratiei ionilor de Cl^-.

La nivelul tesuturilor, HbO₂ cedeaza oxigenul, iar Hb redusa astfel rezultata, avand o constanta de disociere de 40 ori mai redusa, pierde capacitatea de a fixa K⁺ sub forma de hemoglobinat si devine acceptor al ionilor H⁺, disociati din H₂CO₃. Ionul HCO₃^-, rezultat din disocierea H₂CO₃ va difuza in plasma in schimbul ionilor de Cl^- care patrund in eritrocite, echilibrandu-se cu sarcinile pozitive de K⁺. In urma migrarii ionilor de Cl^- in eritrocite, raman liberi in plasma cationii de Na⁺, care nu pot difuza in eritrocite si se echilibreaza cu HCO₃^-.

Rezultatul final este formarea de bicarbonat de Na in plasma si captarea ionilor de H⁺ de catre Hb redusa.

La nivelul plamanilor, unde pO₂ este crescuta si pCO₂ scazuta, procesele se inverseaza. HbH se oxigeneaza, iar HbO₂ devine un acid puternic care elibereaza H⁺ si fixeaza ionii de K⁺ sub forma de oxihemoglobinat de K. Ionii de Cl^- electronegativi vor migra in plasma, unde vor reactiona cu bicarbonatii fixand Na⁺ si eliberand HCO₃^-. Acesta patrunde in eritrocite si formeaza cu H⁺, rezultat din disocierea HbO₂, H₂CO₃.

pCO₂ fiind mai scazuta, anhidraza carbonica va cataliza decompunerea H₂CO₃ in apa si CO₂, care difuzeaza in aerul alveolar datorita gradientului de concentratie.

Variatii fiziologice si modificari patologice ale echilibrului acido-bazic

Variatii fiziologice ale echilibrului acido-bazic

Echilibrul acido-bazic prezinta o serie de variatii in functie de:

-varsta - la copii pH-ul este mai alcalin (7,42), favorizand procesele anabolice, iar la varstnici este mai acid datorita predominantei proceselor catabolice

-digestie - in timpul digestiei gastrice, pH-ul devine mai alcalin prin eliminarea H⁺ sub forma de HCl, iar in timpul digestiei intestinale pH-ul devine usor acid datorita faptului ca sucurile digstive au un continut bogat de bicarbonat.

-efortul fizic - acidoza de efort - poate apare prin acumulare de acid lactic si CO₂ ca rezultat al activitatii musculare

-variatii nictemerale - noaptea si dimineata pH-ul poate fi mai acid datorita acumularii nocturne de CO₂, prin scaderea excitabilitatii centrilor respiratori in somn.

Modificari patologice ale echilibrului acido-bazic

Variatii patologice ale echilibrului acido-bazic se manifesta prin devieri de la valorile normale ale pH

pCO₂ 40 mmHg, [HCO₃^-] 24 mmol/l, [HCO₃^-]/[H₂CO₃]

Acidoza inseamna scaderea pH <7,40

Alcaloza inseamna cresterea pH >7,40

Orice modificare in H⁺ care rezulta din tulburari primare ale pCO₂ este numita respiratorie, deoarece pCO₂ este reglata prin rata ventilatiei.

Modificarile de pH ce rezulta primar din schimbari in [HCO₃^-] sunt denumite metabolice.

Sunt patru modificari primare ale echilibrului acido-bazic: acidoza/alcaloza respiratorie, acidoza/alcaloza metabolica. In majoritatea cazurilor, modificarea primara este urmata de modificari secundare compensatorii, pentru a readuce pH-ul la valoarea normala.

Sange arterial

PH<7,40      pH>7,40

Acidoza      Alcaloza

[HCO₃^-]<24 mEq/l pCO₂>40 mmHg [HCO₃^-]>24 mEq/l pCO₂<40 mmHg

Acidoza Acidoza Alcaloza Alcaloza

Metabolica respiratorie metabolica respiratorie

pCO₂<40 mmHg [HCO₃^-]>24 mEq/l pCO₂>40 mmHg [HCO₃^-]<24 mEq/l

Compensare Compensare Compensare Compensare

respiratorie renala respiratorie renala

Acidoza respiratorie rezulta din cresterea pCO₂ > 40 mmHg datorita eliminarii scazute a CO₂ in afectiuni respiratorii. Prin cresterea [H₂CO₃], raportul [HCO₃^-]/[H₂CO₃] scade si pH-ul sangelui devine acid.

Pentru compensare la nivel renal va creste reabsorbtia HCO₃^- si eliminarea H⁺. Raportul revine la valoarea normala.

Acidoza respiratorie compensata inseamna pCO₂ crescuta, dar cu pH normal.

Alcaloza respiratorie apare in scaderi ale pCO₂ datorita eliminarii in exces a CO₂ prin hiperventilatie. Exemplu este proba de hiperpnee voluntara, utilizata ca mijloc de activare in electroencefalografie.

Scaderea pCO₂ va induce si scaderi ale [HCO₃^-], dar modificarea pCO₂ este mai mare, astfel incat daca raportul este > 20 si pH este > 7,40.

Compensarea renala se realizeaza prin scaderea secretiei H⁺ si cresterea eliminarii HCO₃^-, ceea ce va reduce valoarea raportului la normal.

Alcaloza respiratorie compensata este indicata prin pH normal, dar cu reducerea rezervei de HCO₃^-.

Acidoza metabolica rezulta dintr-o retentie anormala de acizi, ex. acid lactic in efortul fizic sau corpi cetonici in diabetul zaharat decompensat. Aceasta va duce la scaderea [HCO₃^-], acesta fiind utilizat pentru tamponarea acizilor. Atat raportul cat si pH-ul scade. Va fi stimulat centrul bulbar pentru a elimina CO₂ in exces ce va reduce [H₂CO₃].

De asemenea, se realizeaza si compensarea renala (in afara tulburarilor date de afectiuni renale) prin reabsorbtia crescuta de HCO₃^- si cresterea excretiei H⁺ si a NH₄⁺.

Acidoza metabolica compensata inseamna [HCO₃^-] scazut, cu pH-ul adus la normal.

Alcaloza metabolica rezulta din scaderea [H⁺] cum se intampla in pierderi de HCl in varsaturi grave sau aport excesiv de substante alcaline. Aceasta va duce la cresterea [H₂CO₃], raportul >20 si cresterea pH-ului.

Compensarea consta in reducerea ventilatiei cu retentie de CO₂ si cresterea [H₂CO₃].

Compensarea renala implica scaderea absorbtiei de HCO₃^- si raportul este = 20, iar pH-ul = 7,40. Totusi, CO₂ retinut pentru compensare tinde sa creasca secretia H⁺ si reabsorbtia HCO₃^- si astfel sa limiteze eficacitatea compensarii.

Sistemul      Tulburarile Modificarea Modificarea

afectat echilibrului primara reactiva

acido-bazic

Sistemul      Acidoza hipoventilatie pCO₂ [HCO₃^-]

neuro- respiratorie

ventilator Alcaloza hiperventilatie pCO₂ [HCO₃^-]

respiratorie

Sistemul      Acidoza reabs HCO₃ [HCO₃^-] pCO₂

renal metabolica eliminarea H

Hiperaldo- Alcaloza reabs Na [HCO₃^-] pCO₂

steronism metabolica reabs HCO₃

Productie Acidoza acidoza lactica [HCO₃^-] pCO₂

crescuta de metabolica efort fizic

H⁺      corpi cetonici

Aport de Alcaloza ingestie HCO₃^- [HCO₃^-] pCO₂

HCO₃^- metabolica

Pierdere de varsaturi grave

H⁺

Explorarea echilibrului acido-bazic urmareste determinarea pH-ului plasmatic, determinarea rezervei alcaline, masurarea parametrilor ASTRUP.