I processi metabolici nel corpo umano producono continuamente acidi e, in grado minore, basi. Lo ione idrogeno (H+) è particolarmente reattivo; può legarsi a proteine cariche negativamente e, a concentrazioni elevate, alterare la loro carica totale, la loro conformazione e la loro funzione. Per preservare la funzione cellulare, l'organismo ha elaborato meccanismi che mantengono la concentrazione ematica degli H+ in un intervallo piuttosto ristretto, tipicamente da 37 a 43 nEq/L (da 37 a 43 nmol/L) con un pH di 7,43-7,37, dove pH = −log [H+]. Idealmente, H+ è 40 nEq/L (40 nmol/L) e pH = 7,40. Le alterazioni di questi meccanismi possono avere conseguenze cliniche serie.
L'equilibrio acido-base è strettamente legato al metabolismo dei liquidi e al bilancio idrico, e le alterazioni in uno di questi sistemi spesso influenzano l'altro.
Fisiologia dell'equilibrio acido-base
La maggior parte degli acidi proviene dal metabolismo di
Carboidrati
Lipidi
Il metabolismo di carboidrati e grassi genera 15 000-20 000 mmol di diossido di carbonio (CO2) al giorno. Il CO2 non è un acido, ma in presenza di un membro della famiglia di enzimi dell'anidrasi carbonica, il CO2 si combina con l'acqua (H2O) nel sangue per creare l'acido carbonico (H2CO3), che si dissocia in ione idrogeno (H+) e bicarbonato (HCO3−). L'H+ si unisce con l'emoglobina nei globuli rossi e viene rilasciato con l'ossigenazione a livello alveolare, dove la reazione viene invertita da un'altra forma di anidrasi carbonica, generando acqua (H2O), che viene eliminata a livello renale, e CO2, che è espirata con ogni atto respiratorio.
Quantità minori di acidi organici derivano dalle seguenti fonti:
Metabolismo incompleto del glucosio e degli acidi grassi ad acido lattico e chetoacidi
Metabolismo degli aminoacidi contenenti zolfo (cisteina, metionina) ad acido solforico
Metabolismo degli aminoacidi cationici (arginina, lisina)
Idrolisi dei fosfati alimentari
Questo carico di acidi "fisso" o "metabolico" non può essere eliminato con l'espirazione e, pertanto, deve essere neutralizzato o escreto dai reni.
La maggior parte della base proviene da
Metabolismo degli aminoacidi anionici (glutammato, aspartato)
Ossidazione e consumo di anioni organici come il lattato e il citrato, che producono HCO3−
Equilibrio acido-base
L'equilibrio acido-base è mantenuto da
Sistemi chimici tampone
Attività polmonare
Attività renale
Sistemi chimici tampone
I tamponi chimici sono soluzioni che resistono alle variazioni di pH. I sistemi tampone intracellulari ed extracellulari forniscono una risposta immediata alle alterazioni dell'equilibrio acido-base. Anche l'osso svolge un importante ruolo tampone, specialmente dei carichi di acido.
Un sistema tampone è costituito da un acido debole e dalla sua base coniugata. La base coniugata può accettare H+ e l'acido debole può cederlo, minimizzando così le variazioni della concentrazione di H+ liberi. Un sistema di tampone (buffer) funziona meglio per ridurre al minimo le variazioni di pH vicino alla sua costante di equilibrio (pKa); quindi, anche se ci sono potenzialmente molte coppie tampone nel corpo, solo alcune sono fisiologicamente rilevanti.
La relazione tra il pH di un sistema tampone e la concentrazione dei suoi componenti può essere descritta dall'equazione di Henderson-Hasselbalch:
laddove pKa è la costante di dissociazione dell'acido debole
Il più importante tampone extracellulare è il sistema HCO3−/CO2 descritto dall'equazione:
Un aumento di H+ sposta l'equazione a destra e genera CO2.
Questo sistema tampone importante è altamente regolato; la concentrazione di CO2 può essere controllata finemente dalla ventilazione alveolare, e le concentrazioni di H+e HCO3− possono essere regolate in maniera precisa mediante l'escrezione renale.
La relazione tra pH, HCO3− e CO2 nel sistema come è descritta dall'equazione di Henderson-Hasselbalch è pertanto:
O similarmente, dall'equazione di Kassirer-Bleich, derivata dall'equazione di Henderson-Hasselbalch:
NOTA: per convertire il pH arterioso a [H+] utilizzare:
o
Entrambe le equazioni dimostrano come l'equilibrio acido-base dipende dal rapporto tra Pco2 e HCO3−, e non dal valore assoluto di uno solo. Mediante queste formule, avendo 2 valori qualsiasi si può calcolare il terzo.
Altri importanti tamponi chimici sono i fosfati organici e inorganici intracellulari e le proteine, compresa l'emoglobina nei globuli rossi. Meno importanti sono i fosfati extracellulari e le proteine plasmatiche.
L'osso diventa un importante tampone dopo il consumo di un carico acido. Inizialmente, l'osso rilascia bicarbonato di sodio (NaHCO3) e bicarbonato di potassio (KHCO3) in cambio di H+. Con carichi di acido prolungati, l'osso rilascia carbonato di calcio (CaCO3) e fosfato di calcio (CaPO4). Un'acidosi prolungata, quindi, contribuisce alla demineralizzazione ossea e all'osteoporosi.
Regolazione polmonare del pH
La concentrazione di CO2 è finemente regolata da variazioni del volume corrente e della frequenza respiratoria (ventilazioni al minuto). Una diminuzione del pH è rilevata dai chemorecettori arteriosi e porta all'aumento del volume corrente o della frequenza respiratoria; la CO2 viene espirata e il pH del sangue sale. Al contrario dei tamponi chimici, che agiscono immediatamente, la regolazione polmonare avviene entro minuti o ore. Essa è efficace al 50-75% e non normalizza completamente il pH.
Regolazione renale del pH
Il rene controlla il pH regolando la quantità di HCO3− che viene escreta o riassorbita. Il riassorbimento dell'HCO3− è equivalente all'eliminazione di H+ libero. Cambiamenti nella regolazione acido-base renale avvengono da ore a giorni dopo le modifiche effettive dello stato acido-base.
Tutto il HCO3− nel siero viene passa attraverso il glomerulo. Il riassorbimento di HCO3− avviene soprattutto nel tubulo prossimale e, in grado minore, nel tubulo collettore. L'H2O dentro la cellula tubulare distale si dissocia in H+ e idrossile (OH−); in presenza dell'anidrasi carbonica, l'OH− si combina con la CO2 per formare HCO3−, che viene trasportato indietro verso il capillare peritubulare, mentre l'H+ viene secreto nel lume tubulare e si complessa con l'HCO3− filtrato liberamente per formare CO2 e H2O, che sono a loro volta riassorbite. Quindi, gli ioni HCO3− distalmente riassorbiti sono generati de novo e non sono gli stessi che sono stati filtrati.
Una diminuzione del volume circolante effettivo (come avviene in corso di terapia diuretica) aumenta il riassorbimento di HCO3−, mentre l'aumento del paratormone in risposta a un carico acido riduce il riassorbimento di HCO3−. Inoltre, un aumento di Pco2 porta a un aumento del riassorbimento di HCO3−, mentre una deplezione di ioni cloruro (Cl−) (tipicamente causata da deplezione di volume) porta all'aumento del riassorbimento di ioni di sodio (Na+) e della generazione di HCO3− da parte del tubulo prossimale.
L'acido viene escreto attivamente nel tubulo prossimale e distale, dove si combina con i tamponi urinari, principalmente con il fosfato (HPO4−2) liberamente filtrato, la creatinina, l'acido urico e l'ammonio, per essere trasportato al di fuori del corpo. Il sistema tampone dell'ammonio è particolarmente importante, perché altri tamponi sono filtrati in concentrazioni fisse e possono essere consumati da elevati carichi di acidi; al contrario, le cellule tubulari regolano attivamente la produzione dell'ammonio in risposta ai cambiamenti del carico di acidi. Il pH arterioso è il principale determinante della secrezione acida, ma la secrezione dipende anche dai livelli di potassio (K+), Cl− e aldosterone. La concentrazione intracellulare di K+ e la secrezione di H+ sono strettamente correlate; una deplezione di K+ causa un aumento dell'escrezione di H+ e quindi un'alcalosi metabolica.
