FISIOLOGIA CdL in Medicina e Chirurgia. Regolazione del ph. Dott.ssa Michela Anna Pia Ciliberti

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1 FISIOLOGIA CdL in Medicina e Chirurgia Regolazione del ph Dott.ssa Michela Anna Pia Ciliberti

2 FUNZIONI OMEOSTATICHE INTEGRATE regolazione della temperatura corporea; controllo del ph dell organismo; regolazione endocrina del metabolismo di calcio, fosforo e glucosio; regolazione della pressione arteriosa; regolazione delle funzioni sessuali e riproduttiva.

3 In una soluzione acquosa una piccola parte delle molecole di acqua : OH - e H + (protoni). I protoni, la carica positiva elementare, alterano la distribuzione delle cariche in soluzione e lo stato delle cariche associate a molecole inorganiche e organiche (proteine). Allora la [protoni] deve essere mantenuta in ambiti molto ristretti di variazione in ogni liquido corporeo grazie a sistemi tampone e a meccanismi di trasporto di protoni.

4 ACIDI, BASI E P ACIDO: ACIDO: forma di molecola che può liberare un protone. BASE: forma di molecola che può legare un protone. ACIDI, BASI E Ph SOSTANZA ACIDA: forma non protonata molto più stabile di quella protonata. A - + H + AH Base Acido sostanza acida SOSTANZA BASICA o ALCALINA: forma protonata molto più stabile di quella non protonata B + H + BH Base Acido sostanza basica AH A - + H + tale sistema è in equilibrio quando k - = k+ k+: costante di associazione k-: costante di dissociazione K A: costante acida = [A - ]* [H + ]/ [AH] = k - / k+ = concentrazione di H + a cui forma acida e basica sono presenti in uguale concentrazione.

5 ACIDO(HA) FORTE: K A elevata, cioè buona parte della sostanza è all equilibrio in forma dissociata, cioè il sistema tende a liberare molti protoni. ACIDO(HA) DEBOLE: K A piccola, la frazione dissociata è bassa, scarsa capacità dell acido di cedere protoni. Maggiore è la [protoni], tanto più la reazione si sposta verso la forma acida. La concentrazione dei H + nei liquidi organici è in generale molto bassa, nell ordine di M, perciò si parla di ph, che è il logaritmo decimale negativo della concentrazione di H +. ph= -log 10 [H + ]. Per ogni sostanza si può definire una pk A = -log K A Per ogni sostanza le concentrazioni di acido e base sono uguali quando [H + ]= K A e quando ph= pk A.

6 SISTEMA TAMPONE DEL ph: un acido o una base debole (pk A non lontano da 7, valore neutro di ph), presente in rilevante concentrazione, tende a stabilizzare la [H+] attorno al suo valore di K A, potendo legare o cedere protoni senza che cambi molto il rapporto base/acido e compensando così l immissione o sottrazione di H + alla soluzione. Bisogna considerare : pk A del sistema, valore attorno a cui l efficienza del tampone è massima, cioè al valore di ph uguale al pka, metà del tampone è presente nelle due forme, protonata e non, e perciò la situazione compensa sia aumenti sia diminuzioni della [H + ]; capacità tampone, per sistema chiuso è tanto più alta quanto più alta è la [tampone]. SISTEMA TAMPONE APERTO, cioè i prodotti finali della/e reazione/i, che svolge la funzione tampone, non si accumulano o esauriscono.

7 IMPORTANZA DEL CONTROLLO DEL Ph Protoni + gruppi nucleofili di proteine - stato conformazionale, - equilibrio tra varie conformazioni, - struttura e funzione delle proteine. cambiamento di:

8 IMPORTANZA DEL CONTROLLO DEL Ph Assunzione ed eliminazione di acidi e basi con dieta, respirazione e produzione di urina modificazione del ph dei liquidi organici

9 ASSORBIMENTO E PRODUZIONE DI EQUIVALENTI ACIDI - PRODUZIONE - METABOLISMO CELLULARE substrati metabolici H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 HCO 3- (ioni in soluz. bicarbonato) + H + (idrogenioni) CO 2 da combustione di substrati energetici= fonte di equivalenti acidi volatili - ASSORBIMENTO - DIETA fegato equivalenti acidi non volatili: - acido solforico (Aa con S, Met, Cys) - acido cloridrico (Aa cationici) - fosfato (direttamente in alimenti) Aa bicarbossilici anionici e anioni organici in dieta (citrato) bicarbonato (parte di HCO 3- contenuto e prodotto da alimenti è perso in feci) Acidi non volatili sono tamponati dal bicarbonato, che è rigenerato da CO 2 con escrezione attiva di H+ in urine.

10 - PRODUZIONE DI EQUIVALENTI ACIDI NON VOLATILI - METABOLISMO ENERGETICO Metabolismo energetico no fino a prodotti terminali perché no O 2 per ossidare substrati energetici (es. metab. glicolitico anaerobico del muscolo acido piruvico e acido lattico ) ELIMINAZIONE DI EQUIVALENTI ACIDI POLMONI: eliminazione di CO 2 prodotta da metabolismo cellulare, se eccessiva att. respiratoria alcalosi respiratoria (N.B. non tutti gli equiv. acidi non volatili in eccesso vanno neutralizzati, altrimenti si esaurisce la riserva di HCO 3-, princ. tampone dei LEC) RENI: porz. pross. di tubulo renale H + secreti + HCO 3- filtrato H 2 O + CO 2 che rientrano nella cellula epiteliale H + + HCO - 3 HCO 3- va nell interstizio con scambio con Cl - o con cotrasporto con Na + Risultato: riassorbimento netto di sodio bicarbonato e preservazione di riserva di HCO - 3

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12 porz. dist. di tubulo renale- in cellula glutamina H+ H + + NH + bicarbonato 3 porz. dist. di tubulo renale in cellula: glutamina H + + NH 3 + bicarbonato con ATPasi protonica i H + vanno nel lume + NH 3 NH + 4 che non può rientrare passivamente bicarbonato va nell'interstizio e rimpiazza quello consumato nell'organismo per tamponare equivalenti acidi non volatili

13 RISERVA ALCALINA DELL ORGANISMO-RA: -Circa 350 meq di BICARBONATO per un LEC di circa 14 l in un soggetto normale di 70kg; -due processi la consumano: filtrazione renale, combinazione con protoni per neutralizzare gli acidi non volatili; -due processi compensatori: 1-riassorbimento, rene- anidrasi carbonica: in lume H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 che rientrano in cellula H 2 CO 3 Ma servono protoni nel lume tubulare, che sono forniti su membr.apicale verso lume tubulare da: - scambio Na + - H + - secrezione attiva di H + allora riassorbimento di HCO 3- in parallelo con riassorbimento di Na + 2-sintesi de novo, per compensare quantità di bicarbonato perso per neutralizzare acidi non volatili rene- produzione di bicarbonato con produzione simultanea di H + o ione ammonio (NH 4+ ), prodotto dalla glutammina nelle cellule del tubulo contorto prossimale e distale e poi o è estruso al posto dei H + o si scinde in H + e ammoniaca (NH 3 ), che diffonde liberamente al lume, dove il basso ph ne favorisce la ricombinazione con protoni a generare NH 4+, che é intrappolato nel lume

14 ALTERAZIONI DELL EQUILIBRIO ACIDO-BASE ACIDOSI METABOLICA: riduzione di RA, aumento o meno di P co2 ALCALOSI METABOLICA: aumento di RA, diminuzione o meno di P co2 ACIDOSI RESPIRATORIA: aumento di RA, aumento di P co2, basso ph ALCALOSI RESPIRATORIA: diminuzione di RA, diminuzione di P co2, alto ph

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16 Nella pratica clinica: ACIDOSI/ALCALOSI RESPIRATORIA: solo scostamenti di P co2 ACIDOSI/ALCALOSI METABOLICA: solo alterazioni RA ACIDOSI RESPIRATORIA: P co2 > 45 mmhg a livello arterioso per: - ridotta ventilazione alveolare con ridotta capacità di eliminare CO 2 es. patologie bronchiali e polmonari, ostruzioni di vie aeree, respirazione artificiale sotto anestesia, neuropatie; - eccessiva produzione metabolica di CO 2, es. iperpiressia maligna, iperpiressia, dieta ricca di carboidrati con parziale compromissione della ventilazione. ALCALOSI RESPIRATORIA: P co2 < 35mmHg per eliminazione eccessiva di CO 2, alterazione ventilazione/perfusione (V/Q) con conseguente ipossia e iperventilazione compensatoria e bassa pressione parziale di O 2 (P O2 ).

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18 ACIDOSI METABOLICA: Eccesso di acidi (che consumano bicarbonato) per: - troppa produzione di acidi organici da metabolismo anaerobico per ipoperfusione (es. ipovolemia, shock cardiogeno); - sepsi o intossicazioni (cianuro) che interferiscono con l utilizzzo di O 2 ; - chetoacidosi diabetica (le cellule per carenza di insulina come fonte energetica usano, invece di glucosio, grassi producendo corpi chetonici); - inadeguata escrezione di protoni per disfunzione tubulare renale. Riduzione di RA (alterazioni renali che compromettono il riassorbimento o la neosintesi renale di bicarbonato- HCO 3- ) per: - perdita massiccia di HCO 3- per - perdita di contenuto intestinale, - diarrea persistente, - uso di farmaci che inibiscono l anidrasi carbonica (acetazolamide, mal di montagna e glaucoma). ALCALOSI METABOLICA: - eccessiva perdita di H + (vomito prolungato con perdita di secreto gastrico ricco di H + ); - eccessivo riassorbimento di HCO 3-, riduzione di Cl - per vomito prolungato (secrez.gastrica ha molto Cl - ), diuretici che comportano il riassorbimento di Cl - (es. tiazidici); - eccessiva assunzione di alcali es farmaci antiacidi.

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20 RISPOSTE COMPENSATORIE 1- AZIONE TAMPONE CHIMICA Riduce lo scostamento di ph, che un carico acido o basico produce, ma si esaurisce subito tranne quando l escrezione dei H + è molto efficiente, altrimenti varia la [HCO 3- ] che può dare alcalosi/acidosi metabolica: azione efficace ma limitata. 2- COMPENSAZIONE RESPIRATORIA DELLE ALTERAZIONI DEL ph DI ORIGINE METABOLICA (maggior interesse clinico per ACIDOSI METABOLICA) Risposta dei centri respiratori del tronco encefalico, iperventilazione per ridurre P co2 e ristabilire il ph, ma non si ha compenso completo perché la P co2 non può scendere sotto un certo limite e si ha alcalosi respiratoria. 3- COMPENSAZIONE METABOLICA DELLE ALTERAZIONI DEL ph DI ORIGINE RESPIRATORIA -ACIDOSI RESPIRATORIA (aumento di P co2 ), si produce bicarbonato (HCO 3- ), si aumenta la riserva alcalina, si riduce il ph e si determina ALCALOSI METABOLICA. -ALCALOSI RESPIRATORIA (riduzione di P co2 ), si consuma bicarbonato, si riduce la riserva alcalina, si aumenta il ph e si determina ACIDOSI METABOLICA. 4- COMPENSAZIONE RENALE Modulazione del riassorbimento tubulare di HCO 3- e dell escrezione di H +, meccanismo lento (anche giorni) ma unico per ripristinare il valore corretto di RA.

21 VALUTAZIONE CLINICA DEGLI SQUILIBRI ACIDO-BASE 1- SEMPLICE MISURA DEL ph PLASMATICO 2- MISURAZIONE DI P co2 e MISURAZIONE DI RA equazione di Henderson-Hesselbach - ph= 6,1+log ([HCO 3- ]/0,03*P co2 ) ogni alterazione respiratoria, che alteri la P co2, oppure metabolica, che alteri i livelli plasmatici di bicarbonato, modifica il ph plasmatico. 3- MISURAZIONE DI GAP ANIONICO (soprattutto per acidosi metabolica): differenza tra [Na + ] e [Cl - + HCO 3- ], che in condizioni fisiologiche riflette le cariche negative associate alle proteine plasmatiche, perché gli altri cationi (K +, Ca 2+, Mg 2+ ) sono bilanciati da fosfati, solfato e anioni organici; gap anionico normale con acidosi per perdita extrarenale di HCO 3- (diarrea, vomito biliare) o per disfunzione renale (nefropatie). 4- MISURAZIONE DI ECCESSO DI BASI -BE (base excess, eccesso di basi): quantità di acido o base da aggiungere in vitro al sangue intero per riportare il ph a 7,4 mantenendo la P co2 fissa a 40 mmhg; - nel sangue: vari sistemi tampone (emoglobina, fosfati, albumina) allora - SBE (standard base excess, eccesso di basi standard); - HID (differenza titolabile di idrogenioni); - CSBE (standard base excess corretto).

22 CONTROLLO DEL Ph NEL LIC TAMPONE del Ph: 1- GRUPPI CARICHI DI PROTEINE E AMMINOACIDI 2- FOSFATI PRESENTI IN GRANDE [ ] NEL CITOSOL (sistemi tampone chiusi, i più importanti del LIC) H 3 PO 4 H 2 PO 4- + H + HPO H + fosfato monobasico fosfato bibasico

23 CONTROLLO DEL Ph NEI LEC Il sistema tampone deve essere aperto, cioè i prodotti finali della/e reazione/i che svolge la funzione tampone non si accumulano o esauriscono. RUOLO DI TAMPONE DI Ph: 1- AZIONE TAMPONE DELLE PROTEINE 2- TAMPONE EMOGLOBINA A LIVELLO PLASMATICO ph basso, < affinità per O 2, >affinità per CO 2, no accumulo di CO 2 nel plasma, sottrazione di CO 2 dalla soluzione circostante e tamponamento indiretto della produzione di protoni. 3- SISTEMA TAMPONE PRINCIPALE -ANIDRIDE CARBONICA-ACIDO CARBONICO- BICARBONATO CO 2 + H 2 0 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - L organismo produce di continuo CO 2, ma l eccesso è eliminato dai polmoni con attività respiratoria. I protoni non accompagnati da HCO 3- sono escreti dal rene. Sistema aperto e come tale: - capacità tampone in condiz. fisiologiche è virtualmente illimitata; - la concentr. plasmatica delle due forme del tampone è regolata in modo indipendente, cioè la respirazione regola la P co2 e il rene mantiene le corrette [HCO 3- ].

24 TESTO CONSIGLIATO FISIOLOGIA MEDICA a cura di Fiorenzo Conti Volume 2, edi-ermes, Seconda edizione

25 CONTATTI Laboratorio di Fisiologia Dipartimento di Medicina Clinica e Sperimentale Università degli Studi di Foggia Viale L. Pinto, Foggia Tel / Tutorato: lunedì e giovedì

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