Fisiologia Renale 4. Equilibrio acido-base: Fisiologia e fisiopatologia

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1 Fisiologia Renale 4. Equilibrio acido-base: Fisiologia e fisiopatologia Fisiologia Generale e dell Esercizio Carlo Capelli Facoltà di Scienze Motorie, Università di Verona

2 Obiettivi Tamponi fisiologici Tampone bicarbonato-co 2 Equazioen di Henderson-Hasselbalch Sistemi tampone chiusi ed aperti: titolazione del sistema dei bicarbonati con acidi-basi fissi Principio isoidrico Titolazione dei tamponi non carbonici con acido carbonico; linee tampone del sangue

3 1.Tamponi fisiologici ph del sangue arterioso: 7.4 ± 0.02 I meccanismi di cui dispone l organismo per tamponare le variazioni di H + sono: Proteine: quasi tutte hanno un punto isoelettrico che si trova sul lato acido rispetto al ph dei liquidi organici. Sono perciò dissociate come acidi deboli e si trovano sotto forma di sali. Esplicano quindi l effetto tampone comune a tutti i sali di acidi deboli. Esse hanno un ruolo importante nel liquido intracellulare, intermedio nel plasma e nullo nello spazio extracellulare

4 2.Tamponi fisiologici I sali inorganici di acidi deboli (fosfati etc. etc.) L emoglobina: i) potere tampone molare (β) dell Hb = 3 sl. Ciò equivale ad un minimo di 5.2 gruppi dissociabili che sono identificati con i gruppi imidazolici dell Hb; ii) 1 litro di gg.rr. contiene 334 g di Hb,ovvero 334/16.7 = 20 mmoli di Hb. Poiché l ematocrito è 45%, abbiamo 9 mmoli di Hb e 0.84 litri di H 2 0. [Hb] è quindi data da 9/0.84 = 10.7mM corrispondente ad un β di 32 sl per litro; iii) l Hb può mutare il proprio potere tampone in relazione alle sue funzioni di trasporto gassoso. Per esempio, l ossigenazione di una soluzione millimolare di Hb provoca la liberazione di H + tale da diminuire il ph di 0.2 unità. Poiché β = 3 sl, ciò significa che se ph deve essere mantenuto costante, 0.6 mmoli di acido devono essere rimosse.

5 3.Tamponi fisiologici L emoglobina (continua): iv) l Hb ridotta è un acido più debole della forma ossigenata. Per ogni mmole di HbO 2 che si riduce si possono aggiungere ~0.5 meq di H +. Per ogni mmole di HbO 2 che si riduce si producono ~0.9 meq di H + durante la formazione di composti carbaminici. Quindi, circa la metà degli H+ provenienti dalla formazione di HCO - 3 e composti carbaminici vengono legati all Hb senza variazioni di ph.

6 Titolazione dell emoglobina

7 1. Tampone bicarbonato-co 2 E il sistema tampone fisiologico più importante α (coefficiente di solubilità) a 37 C = 0.03 mm per mm Hg Idratazione a acido carbonico

8 Dissociazione a bicarbonato 2. Tampone bicarbonato-co 2 La reazione di dissociazione causa una caduta del ph La formazione di H + è accompagnata dalla formazione di HCO 3 - in rapporto stechiometrico Quindi si abbassa ph anche se si forma una base debole (HCO 3- ) La dissociazione dell acido carbonico è così veloce che possiamo inglobare idratazione e dissociazione in un unica reazione e calcolarne una costante di equilibrio apparente HCO 3!! H + +CO 3 2! (seconda dissociazione)

9 Equazione di Henderson-Hasselbalch

10 Concentrazioni relative CO 2 Il 94, 8 % di CO 2 totale si trova sotto forma di HCO 3-, il 4,7 % sotto forma di CO 2 e solo lo 0,5 % nelle altre due forme Concentrazioni relative di CO 2 nel sangue e dele sue forme a 37 C, ph = 7,4, P a CO 2 = 40 mm Hg e α = 0,003 mm per mm Hg. Concentrazioni come multipli di quelle di H 2 CO 3 fatta uguale a 1 CO 2 (= α PCO 2 ) 600 H 2 CO 3 1 HCO 3 - CO

11 1. Sistemi tampone chiusi ed aperti Ancora sul potere tampone molare Potere tampone dipende da: 1. Concentrazione totale della coppia tampone 2. ph della soluzione 3. Se il sistema e aperto o chiuso

12 2. Sistemi tampone chiusi ed aperti La maggior parte dei tamponi non-bicarbonato dei liquidi organici sono dei sistemi chiusi I liquidi organici contengono una miscela di diversi sistemi non-bicarbonato chiusi Il potere tampone molare totale di questo sistema chiuso è quindi la somma dei singoli valori del potere tampone molare

13 1. Sistemi tampone chiusi ed aperti-titolazione del sistema dei bicarbonati con acidi - basi fissi Il sistema CO 2 /HCO 3 - è un sistema aperto in cui CO 2 (ventilazione) e HCO 3 - (rene) possono essere variati per mezzo di sistemi di compenso Ciò lo rende un sistema molto potente Esempio: aggiunta di 10 mmoli di HCl Equilibrio [H + ] = ( ) = mm mm = mm

14 2. Sistemi tampone chiusi ed aperti-titolazione del sistema dei bicarbonati con acidi - basi fissi Esempio: aggiunta di 10 mmoli di NaOH Equilibrio [H + ] = ( ) = mm mm = mm

15 3. Sistemi tampone chiusi ed aperti-titolazione del sistema dei bicarbonati con acidi - basi fissi Condizione iniziale 7,4=6,1+log 24 1,2 + 5 mmoli HCl in sistema dei bicarbonati chiuso 6,59=6,1+log 19 6,2 + 5 mmoli HCl in sistema dei bicarbonati aperto: PCO 2 controllata 7,3=6,1+log 19 1,2 Sistema aperto: ph da 7,4 a 7,3 Solo 10 nanomoli di H+ su 5 milioni immesse sono rimaste libere in soluzione (aggiunte al sistema)

16 4. Sistemi tampone chiusi ed aperti-titolazione del sistema dei bicarbonati con acidi - basi fissi Compenso finale con sottrazione di 5 mmoli di acido (compenso renale) 7,48=6,1+log 29 1,2 Quindi si è verificata solo una variazione d 0,18 unità ph a fronte di un aggiunta di 10 mmoli di acido β = 10/0,18 = 55 invece di 2,3 del sistema chiuso

17 Principi isoidrico ph = pk + log HCO 3 - "#! $ # CO 2 &! "# %& $ %& = pk 1 + log A- & "# %! # HA "#! $ &1 $ & % &1 = pk 2 + log A- & "# %! # HA "#! $ &2 $ & % &2 =... = pk i + log A- & "# %! # HA "#! $ &i $ & % &i Se si agisce su il tampone aperto modificando il rapporto tra base ed acido debole, si modificano contemporanemente il ph e i rapporti di tutte le altre copie base-acido debole dei tamponi corporei L equazione permette di calcolare le variazioni delle concentrazioni di queste sostanze quando si conoscono i pk dei tamponi in gioco

18 β open = 2.3 [HCO 3- ] β open non ha un massimo 1. Sistemi tampone chiusi ed aperti Nel sangue arterioso normale β open è circa 55 mm/unità ph β closed = 2.6 mm/unità ph Ischemia: il sistema CO 2 / HCO 3 - si comporta come un sistema chiuso

19 1. Titolazione dei tamponi non carbonici Nell esempio si è immaginato che il bicarbonato sia l unico tampone presente in vivo In vivo ciò non è vero: una quota degli H + immessi nell organismo si lega ad altri tamponi Problema: come è possibile valutare la quantità di H + immessa nell organismo poiché la sua distribuzione tra i diversi tamponi non è riconoscibile a prima vista? La quota di H + legata ai tamponi non carbonici può essere stimata eliminando CO 2 dopo aver raggiunto il punto di equilibrio B L eliminazione di CO 2 fa trasformare quantità corrispondenti di HCO 3 - in H 2 CO 3 sottraendo protoni ai tamponi non carbonici In altre parole, si titolano i tamponi non carbonici sottraendo acido carbonico Quando il ph torna a 7,4 (C), i tamponi non carbonici sono tornati alla condizione di partenza Tutti i protoni immessi sono stati combinati con i bicarbonati e la diminuzione dei bicarbonati è esattamente corrispondente all acido aggiunto

20 1. Titolazione dei tamponi non carbonici con acido carbonico-linee tampone del sangue I tamponi non carbonici si possono titolare separatamente dal tampone bicarbonato utilizzando l acido carbonico come donatore-ricevitore di protoni Esempi: si fa aumentare PCO 2 -->si induce in primis un parallelo aumento di HCO 3 - e H + Però, in presenza di tamponi non carbonici, si assiste alla fine ad un aumento maggiore di HCO 3 - che di H + perché una parte di essi si lega ai tamponi consentendo alla reazione di idratazione di decorrere maggiormente verso destra Questo non è altro che l applicazione del principio isoidrico

21 2. Titolazione dei tamponi non carbonici con acido carbonico-linee tampone del sangue Una parte dei protoni è scomparsa dalla soluzione legandosi ai tamponi non carbonici Alla fine, partendo dal punto a (condizioni fisiologiche) il tutto si è risolto in uno spostamento verso destra (ph diminuito, ma di poco) e in alto (aumento di HCO 3- ) La differenza tra l incremento di protoni (diminuzione di ph) e aumento di HCO 3-, è tanto maggiore quanto più alta è la concentrazione dei tamponi non carbonici: linee tampone del sangue e del plasma Quella del sangue dipende anche dallo stato di ossigenazione della Hb: Hb ridotta acido meno forte La linea tampone del sangue venoso misto incrocia la iso-pco 2 di 46 mm Hg a ph 7,37

22 Tamponi intracellulari 1. Altri tamponi dell organismo Il potenziale di equilibrio elettrochimico degli drogenioni a [H + ] i di 100 nm è E H = 61 log 40/100 = - 25 mv Quindi, i protoni per uscire dalla cellula devono vincere un gradiente pari alla differenza tra il potenziale di equilibrio di membrana e E H : (-25) = -65 mv Se [H + ] E aumenta (p.e. 50 nm) E H diminuisce (-18 mv). Con ciò aumenta anche il gradiente elettrochimico (-72 mv) Il flusso di idrogenioni diminuisce e H + si accumulano nella cellula fintanto che [H + ] i raggiunge 125 nm ristabilendo il gradiente originario E H = 61 log 50/125 = - 25 mv Tutto questo indica che l eccesso di acidi non viene a sommarsi alla normale produzione metabolica, perché una quota di questa ultima è trattenuta nelle cellule dove è tamponata dalle proteine intracellulari. [H + ] del sangue aumenta meno del previsto

23 2. Altri tamponi dell organismo Tampone bicarbonato dell osso La diminuzione del ph è un potente stimolo per la demineralizzazione dell osso Entro poche ore dall immissione di H +, l osso rilascia consistenti quantità di Na 2 CO 3 e CaCO 3 Dalla reazione con i protoni si formano acido carbonico e CO 2 eliminata con il respiro L acidosi cronica, quindi, conduce a demineralizzazione ossea.

24 Bibliografia Fisiologia dell Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo 18: Controllo nervoso ed umorale dl sistema respiratorio ed equilibrio acido-base