EQUILIBRIO ACIDO - BASE

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1 EQUILIBRIO ACIDO BASE

2 Le reazioni metaboliche sono molto sensibili a cambiamenti del ph: il ph dei liquidi dell organismo è mantenuto entro un range di valori molto stretto. ph intracellulare è generalmente tra ph extracellulare è generalmente tra Diversi sono i meccanismi che mantengono ph entro questi limiti tamponamento intracellulare trasporto di acidi o basi tamponamento extracellulare aggiustamento della PCO 2 plasmatica tramite modificazioni della ventilazione aggiustamento dell escrezione renale di acidi e basi

3 TAMPONAMENTO La prima difesa all aggiunta di acidi o basi ai liquidi dell organismo è tamponamento Tamponi minimizzano variazioni di [H + ], o ph, quando un acido o una base sono aggiunti in un compartimento. I principali tamponi sono: Hb + H + HHb Prot + H + HProt HPO H + H 2 PO 4 HCO 3 + H + H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O

4 Produciamo ~15,000 mmoli di CO 2 al giorno, eppure pco 2 e ph variano poco. Perchè? CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H+ + HCO 3 H + + HCO 3 H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O

5 SISTEMA TAMPONE CO 2 /HCO 3 HCO 3 è presente ad alta concentrazione ( 24 mm), pertanto quantitativamente è il principale tampone extracellulare. Questo sistema è sotto il duplice controllo dei polmoni e dei reni La reazione è la seguente: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 a.c. La prima tappa è piuttosto lenta e richiede la presenza di un enzima Zn 2+ dipendente: la anidrasi carbonica (a.c.).

6 QUAL E LA VALIDITA DI DIVERSI TAMPONI? Esempio: Aggiungo 0.1 mmol.l 1 di H + a una soluzione a ph = 7.4 No tampone: ph è ridotto di 3.4 unità ph 4.0 Fosfato: ph è ridotto di 0.2 unità ph 7.2 HCO 3 senza ph è ridotto di 0.04 unità ph 7.36 rimozione di CO 2 : HCO 3 con ph è ridotto di unità ph rimozione di CO 2 : Emoglobina : ph è ridotto di unità ph

7 SISTEMA CO 2 /HCO 3 PERCHE E COSI BUONO? Quando aggiungo un acido H + + HCO 3 H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O Se acido è continuamente aggiunto la [CO 2 ], o PCO 2, aumenta progressivamente cosi che la reazione tende a rallentare e fermarsi. Ma se la CO 2 è rimossa H + + HCO 3 H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O La PCO 2 non aumenta così tanto e la reazione può continuare. POLMONI

8 EQUAZIONE DI HENDERSONHASSELBALCH CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 All equilibrio : K = [HCO 3 ] x [H + ] [H 2 CO 2 ] Riarrangiando : [HCO 3 ] ph = pk + log = pk + log [HCO 3 ] [CO 2 ] α PCO 2 Equazione di HendersonHasselbalch A 37 C: pk = 6.1 α = 0.03 mmol.l 1.mm Hg 1

9 Equilibrio acidobase 3 meccanismi per la regolazione: 1. Tamponi (sec) 2. Sistema respiratorio (min) 3. Sistema renale (oregiorni) Escrezione renale di H+ che controlla HCO 3 plasmatico Per ogni HCO 3 riassorbito o formato un H+ è secreto nel tubulo renale Tamponi predominanti: fosfato (HPO4 2 ) & ammoniaca (NH 3 )

10 ESCREZIONE GIORNALIERA DI ACIDITA Acidità volatile: 15,000 mmol/giorno Metabolismo ossidativo di carboidrati, grassi e proteine a CO 2 Acidità non volatile: 1 mmol/kg/giorno Ossidazione dei gruppi sulfidrilici a formare H 2 SO 4 Idrolisi di fosfoproteine, fosfolipidi e acidi nucleici a formare H 3 PO 4 Metabolismo incompleto di carboidrati, grassi e proteine a formare acidi organici

11 Mantenimento equilibrio acidobase Riassorbimento del bicarbonato filtrato 4,500 mmol di HCO 3 filtrati al glomerulo Riassorbimento nel tubulo prossimale Ripristino del bicarbonato perso nel tamponamento di acidità non volatile Secrezione idrogenoioni nel tubulo distale Secrezione di ammonio

12 ph urinario Normalmente tra Più alto in alcalosi, più basso in acidosi Diabete e digiuno ph Infezioni urinarie ph Proteus e pseudomonas degradano urea con formazione di ammonio

13 ph del liquido tubulare è un limite La secrezione tubulare di H+ continua solo in presenza di un gradiente di concentrazione tra cellule e liquido tubulare inferiore a 1000 Se la concentrazione di H + nel liquido tubulare, abbassando il ph fino a 4.5, la secrezione di H + si arresta Ciò è impedito dalla presenza di tamponi nel liquido tubulare Sistema del bicarbonato Sistema del fosfato Na 2 HPO 4 + H + NaH 2 PO 4 + Na + ammoniaca (NH 3 ), dal catabolismo degli aminoacidi NH 3 + H + and Cl NH 4 Cl (cloruro d ammonio)

14 H+ è secreto nel TCP e DCT Lume Sangue H + Na + Na+ antiporto ATPasi protonica H +

15 Riassorbimento di HCO 3 lungo il nefrone Nephron segment % reabsorb. proximal 80 TAL 10 distal 10 from: Giebisch, G. and Windhager, E. Transport of acids and bases. In: Boron, W.F. & Boulpaep, E.L., eds., Medical Physiology, 2003.

16 Riassorbimento tubulare di Bicarbonato Bicarbonato (mm/100 ml GFR) Filtrato Riassorbito Escreto Bicarbonato plasmatico (mmol/l)

17 Riassorbimento di HCO 3 nel tubulo prossimale Fattori stimolanti ipovolemia deplezione di Cloruro acidosi ipokaliemia ipercapnia Fattori inibitori ipervolemia alcalosi iperkaliemia ipocapnia

18 TUBULO PROSSIMALE Reagisce prevalentemente con... HCO 3 H + Na + H + + HCO 3 sangue HCO 3 H 2 CO 3 CO 2 ca H 2 O CO 2 ca H 2 O

19 RIASSORBIMENTO DI HCO 3 80% del HCO 3 è riassorbito nel tubulo prossimale

20 Tubulo prossimale è leaky HCO Na + 3 (1) Na + H + CO 2 + H 2 O H + (3) HCO 3 H + Na + ph min = 6.8

21 RIASSORBIMENTO DEL HCO 3 nel tubulo distale Riassorbimento di HCO 3 è Na + indipendente. H + è secreto dalla H + ATPasi presente sulla membrana apicale HCO + H + 3 ATP Cellula intercalata Anidrasi carbonica è fondamentale per garantire una adeguata velocità HCO 3 attraversa la membrana basolaterale grazie a una controtrasporto HCO 3 Cl H + + HCO 3 H 2 CO 3 H 2 CO CA 3 CA H 2 O + CO 2 CO 2 + H 2 O Cl

22 LA FORMAZIONE DI NUOVO HCO 3 RUOLO DI NH 3 Formazione di nuovo HCO 3 è necessaria per rimpiazzare quello perso nel tamponamento dell acidità non volatile prodotta dal metabolismo. Questo si ottiene grazie ai sistemi tampone presenti nell ultrafiltrato Essi rimuovono H + secreto dal tubulo distale e dotto collettore Il tampone protonato non è riassorbito dal tubulo buffer + H + Hbuffer ATP Cellula intercalata H + + HCO 3 H 2 CO 3 CA CO 2 + H 2 O Cl

23 Tubulo distale.. tampone fosfato Regisce prevalenemente con... sangue HPO 4 H 2 PO 4 H + ATPasi protonica H + + HCO 3 HCO 3 CO 2 ca H 2 O

24 Tubulo distale..ione ammonio Blood NH 3 + NH 4 H + NH 3 Glutamina Glutamato H + + HCO 3 HCO 3 CO 2 ca H 2 O

25 Quando sono secreti idrogeno ioni, HCO 3 passa nel sangue se H+ secreto reagisce con HCO 3 filtrato, HCO 3 è, in effetti, riassorbito se H+ secreto reagisce con un altro tampone nel tubulo, HCO 3 nuovo è aggiunto al sangue.

26 AMMONIOGENESI Apicale Tubulo prossimale Glutamina Basolaterale 2 NH H + αkg = 2 NH H + Glucoso o CO 2 2 NH CO H 2 O 2 HCO 3 2 HCO 3

27 Ricircolo del ammonio

28 Metabolismo di urea e glutamina fegato 1 Formazione di urea nel fegato consuma HCO 3 (1). 5 LEC catabolismo di glutamina nel PT genera NH 4 + (2), secrezione di NH 4 + (3) forma nuovo HCO 3 (4) rene urine Metabolismo di glutamina forma HCO 3 che è andato perso nella sintesi di urea. HCO 3 riassorbito con formazione di acidità titolabile (5). modified from: Schafer, JA. The role of the kidney in acidbase balance. In: Johnson, LR, ed., Essential Medical Physiology, 3 rd Ed., 2004.

29 Riassorbimento di NH + 4 nel tratto spesso dell ansa lumen NH 4 + secreto nel tubulo prossimale è riassorbito nel tratto spesso dell ansa

30 Formazione di HCO 3 nel nefrone ~60% del nuovo bicarbonato formato deriva dalla secrezione di NH 4 + TA, acidità titolabile

31 Ricircolo di NH + 4 nell ansa di Henle NH 4 + riassorbito da ansa è convertito a H + e NH 3 nell interstizio 1) NH 3 diffonde nel tubulo prossimale e lega H +. H + + NH 3 2) NH 3 è secreto anche nel dotto collettore 3) NH 4 + in parte va al fegato per utilizzo NH 4 +

32 Escrezione acidità = NH 4+ urinario + acidità titolabile urinaria (H 2 PO 4, solfati, acidi organici) HCO 3 urinario NH 4 + H 2 PO 4 Acidità titolabile HPO 4 + H + NH HCO 3 Non presente Non titolabile; Necessita misurazione H 2 CO 3

33 RELAZIONE TRA ph, [HCO 3 ] e PCO 2 plasmatici La relazione tra queste variabili è illustrata dal diagramma di Davenport [HCO 3 ], mm mm Hg 40 mm Hg 20 mm Hg plasma buffer line ph

34 EQUILIBRIO ACIDOBASE H + + HCO 3 H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 Sistema respiratorio elimina eccesso di CO 2 e H 2 O Reni eliminano eccesso di H +, H 2 O e Bicarbonato

35 ACIDOSI RESPIRATORIA UnaritenzionediCO 2 può dipendere da problemi respiratori Asthma [HCO 3 ], mm mm Hg 40 mm Hg 20 mm Hg Chest Tightness Cough Wheeze ph PCO 2 è aumentata, ph è ridotto HCO 3 ènormale

36 CACIDOSI RESPIRATORIA COMPENSATA La compensazione cerca di riportare ph a valore normale [HCO 3 ], mm mm Hg 20 mm Hg Rene trattiene basi, i.e. HCO mm Hg 1 Sebbene la PCO 2 rimane elevata il ph torna a valori normali ph ph = pk + log [HCO 3 ] α. PCO 2 PCO 2 èaumentata ph è normalizzato HCO 3 èaumentato

37 Perdita eccessiva di CO 2 causata da iperventilazione ALCALOSI RESPIRATORIA [HCO 3 ], mm mm Hg mm Hg 20 mm Hg ph Eiger: 3970 m PCO 2 è ridotta, ph è aumentato HCO 3 ènormale

38 ALCALOSI RESPIRATORIA COMPENSATA [HCO 3 ], mm mm Hg mm Hg 20 mm Hg ph 2 1 ph = pk + log Rene perde HCO 3 Sebbene PCO 2 rimana basso il ph torna a valori normali PCO 2 è ridotta, ph è normalizzato HCO 3 èridotto [HCO 3 ] α. PCO 2

39 RESPIRATORY ACIDBASE CHANGES using the HendersonHasselbalch equation [HCO ph pk + log 3 ] = α. PCO 2 Respiratory acidosis Respiratory alkalosis e.g. hypoventilation e.g. hyperventilation ph = pk + log [HCO 3 ] ph = pk + log [HCO 3 α. PCO 2 α. PCO 2 ] Compensation retention of base ph = pk + log [HCO 3 ] α. PCO 2 loss of base ph = pk + log [HCO 3 ] α. PCO 2

40 Varie cause : Diabete ACIDOSI METABOLICA Insuf cardiaca [HCO 3 ], mm mm Hg mm Hg 20 mm Hg Insuf renale Diarrea ph PCO 2 è immodificata, ph è ridotto HCO 3 èridotto

41 ACIDOSI METABOLICA COMPENSATA [HCO 3 ], mm mm Hg mm Hg 20 mm Hg Polmoni eliminano più CO 2 con iperventilazione HCO 3 rimane basso ma ph si avvicina a valore normale ph [HCO 3 ] ph = pk + log α. PCO 2 HCO 3 èridotto ph è normalizzato PCO 2 è ridotto

42 Secrezione di H + nel tubulo distale Fattori stimolanti Aumento di sodio nel distale Eccesso di mineralcorticoidi Fattori inibitori Diminuzione sodio nel distale ipoaldosteronismo Deficienza di tamponi urinari

43 Relazione tra escrezione di NH 4 + e ph urinario NH 4 + Excretion Normal Acidosis ph

44 RISPOSTA RENALE ALL ACIDOSI H + è secreto per riassorbire tutto bicarbonato filtrato Altro H + è secreto e si lega agli altri tamponi delle urine HCO 3 si forma e passa nel plasma e rende plasma più alcalino Metabolismo della glutamina e escrezione di ammonio (NH 4 +) aumentano. Ammonio lega H + e HCO 3 passa nel plasma, rendendolo più alcalino

45 NH 4+ undergoes countercurrent m ultiplication1 NH 4 +