El sistema tampón de bicarbonato es un mecanismo homeostático ácido-base que involucra el equilibrio de ácido carbónico (H 2 CO 3 ), ion bicarbonato (HCO-
3) y dióxido de carbono (CO 2 ) para mantener el pH en la sangre y el duodeno , entre otros tejidos, para mantener una función metabólica adecuada . [1] Catalizado por la anhidrasa carbónica , el dióxido de carbono (CO 2 ) reacciona con el agua (H 2 O) para formar ácido carbónico (H 2 CO 3 ), que a su vez se disocia rápidamente para formar un ion bicarbonato (HCO-
3) y un ion de hidrógeno (H + ) como se muestra en la siguiente reacción: [2] [3] [4]
Al igual que con cualquier sistema tampón , el pH se equilibra con la presencia de un ácido débil (por ejemplo, H 2 CO 3 ) y su base conjugada (por ejemplo, HCO-
3) de modo que se neutralice cualquier exceso de ácido o base introducido en el sistema.
Si este sistema no funciona correctamente, se produce un desequilibrio ácido-base, como acidemia (pH <7,35) y alcalemia (pH> 7,45) en la sangre. [5]
En equilibrio ácido-base sistémico
En los tejidos, la respiración celular produce dióxido de carbono como producto de desecho; como una de las funciones principales del sistema cardiovascular , la mayor parte de este CO 2 se elimina rápidamente de los tejidos mediante su hidratación a iones bicarbonato. [6] El ión bicarbonato presente en el plasma sanguíneo se transporta a los pulmones, donde se deshidrata de nuevo en CO 2 y se libera durante la exhalación. Estas conversiones de hidratación y deshidratación de CO 2 y H 2 CO 3 , que normalmente son muy lentas, son facilitadas por la anhidrasa carbónica tanto en la sangre como en el duodeno. [7] Mientras está en la sangre, el ión bicarbonato sirve para neutralizar el ácido introducido en la sangre a través de otros procesos metabólicos (por ejemplo , ácido láctico , cuerpos cetónicos ); Asimismo, cualquier base (por ejemplo, urea del catabolismo de proteínas ) es neutralizada por ácido carbónico (H 2 CO 3 ). [8]
Regulación
Según lo calculado por la ecuación de Henderson-Hasselbalch , para mantener un pH normal de 7,4 en la sangre (por lo que el pKa del ácido carbónico es 6,1 a temperatura fisiológica), se debe mantener constantemente un bicarbonato a ácido carbónico de 20: 1; esta homeostasis está mediada principalmente por sensores de pH en el bulbo raquídeo del cerebro y probablemente en los riñones , vinculados mediante circuitos de retroalimentación negativa a efectores en los sistemas respiratorio y renal . [9] En la sangre de la mayoría de los animales, el sistema tampón de bicarbonato está acoplado a los pulmones a través de la compensación respiratoria , el proceso mediante el cual la frecuencia y / o profundidad de la respiración cambia para compensar los cambios en la concentración sanguínea de CO 2 . [10] Según el principio de Le Chatelier , la liberación de CO 2 de los pulmones empuja la reacción de arriba hacia la izquierda, provocando que la anhidrasa carbónica forme CO 2 hasta que se elimine todo el exceso de ácido. La concentración de bicarbonato también está regulada adicionalmente por la compensación renal , el proceso por el cual los riñones regulan la concentración de iones bicarbonato al secretar iones H + en la orina y, al mismo tiempo, reabsorber HCO.-
3iones en el plasma sanguíneo, o viceversa , dependiendo de si el pH del plasma está bajando o subiendo, respectivamente. [11]
Ecuación de Henderson-Hasselbalch
Se puede utilizar una versión modificada de la ecuación de Henderson-Hasselbalch para relacionar el pH de la sangre con los componentes del sistema tampón de bicarbonato: [12]
dónde:
- p K a H 2 CO 3 es el logaritmo negativo (base 10) de la constante de disociación ácida del ácido carbónico . Es igual a 6.1.
- [HCO-
3] es la concentración de bicarbonato en la sangre - [H 2 CO 3 ] es la concentración de ácido carbónico en la sangre.
Al describir la gasometría arterial , la ecuación de Henderson-Hasselbalch se suele citar en términos de pCO 2 , la presión parcial de dióxido de carbono , en lugar de H 2 CO 3 . Sin embargo, estas cantidades están relacionadas por la ecuación: [12]
dónde:
- [H 2 CO 3 ] es la concentración de ácido carbónico en la sangre.
- k H CO 2 es una constante que incluye la solubilidad del dióxido de carbono en sangre. k H CO 2 es aproximadamente 0.03 ( mmol / L ) / mmHg
- p CO 2 es la presión parcial de dióxido de carbono en la sangre.
En conjunto, la siguiente ecuación se puede utilizar para relacionar el pH de la sangre con la concentración de bicarbonato y la presión parcial de dióxido de carbono: [12]
dónde:
- El pH es la acidez en la sangre.
- [HCO-
3] es la concentración de bicarbonato en sangre, en mmol / L - p CO 2 es la presión parcial de dióxido de carbono en la sangre, en mmHg
Derivación de la aproximación de Kassirer-Bleich
La ecuación de Henderson-Hasselbalch, que se deriva de la ley de acción de masas , se puede modificar con respecto al sistema tampón de bicarbonato para producir una ecuación más simple que proporcione una aproximación rápida de H + o HCO.-
3concentración sin necesidad de calcular logaritmos: [7]
Dado que la presión parcial del dióxido de carbono es mucho más fácil de obtener de la medición que el ácido carbónico, la constante de solubilidad de la ley de Henry, que relaciona la presión parcial de un gas con su solubilidad, para el CO 2 en plasma se usa en lugar de la concentración de ácido carbónico . Después de reorganizar la ecuación y aplicar la ley de Henry, la ecuación se convierte en: [13]
donde K ' es la constante de disociación del p K a del ácido carbónico, 6.1, que es igual a 800nmol / L (ya que K' = 10 −p Ka = 10 - (6.1) ≈ 8.00X10 −07 mol / L = 800nmol / L).
Multiplicando K ' (expresado como nmol / L) y 0.03 (800 X 0.03 = 24) y reordenando con respecto al HCO-
3, la ecuación se simplifica a:
En otros tejidos
El sistema tampón de bicarbonato también juega un papel vital en otros tejidos. En el estómago y el duodeno humanos, el sistema tampón de bicarbonato sirve tanto para neutralizar el ácido gástrico como para estabilizar el pH intracelular de las células epiteliales mediante la secreción de iones bicarbonato en la mucosa gástrica . [1] En pacientes con úlceras duodenales, la erradicación de Helicobacter pylori puede restaurar la secreción de bicarbonato de la mucosa y reducir el riesgo de recurrencia de la úlcera. [14]
Referencias
- ↑ a b Krieg, Brian J .; Taghavi, Seyed Mohammad; Amidon, Gordon L .; Amidon, Gregory E. (1 de noviembre de 2014). "Disolución predictiva in vivo: análisis de transporte del CO2, sistema tampón de bicarbonato in vivo" (PDF) . Revista de Ciencias Farmacéuticas . 103 (11): 3473–3490. doi : 10.1002 / jps.24108 . hdl : 2027,42 / 109280 . ISSN 1520-6017 . PMID 25212721 .
- ^ Oxtoby, David W .; Gillis, Pat (2015). "Equilibrios ácido-base". Principios de la química moderna (8 ed.). Boston, MA: Aprendizaje Cengage. págs. 611–753. ISBN 978-1305079113.
- ^ Widmaier, Eric; Raff, Hershel; Strang, Kevin (2014). "Los riñones y la regulación del agua y los iones inorgánicos". Fisiología humana de Vander (13 ed.). Nueva York, NY: McGraw-Hill. págs. 446–489. ISBN 978-0073378305.
- ^ Meldrum, NU; Roughton, FJW (5 de diciembre de 1933). "Anhidrasa carbónica. Su preparación y propiedades" . La revista de fisiología . 80 (2): 113-142. doi : 10.1113 / jphysiol.1933.sp003077 . ISSN 0022-3751 . PMC 1394121 . PMID 16994489 .
- ^ Rhoades, Rodney A .; Bell, David R. (2012). Fisiología médica: principios para la medicina clínica (4ª ed., Ed. Internacional). Filadelfia, Pensilvania: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 9781451110395.
- ^ al.], David Sadava ... [et; Bell, David R. (2014). Life: The Science of Biology (10ª ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 9781429298643.
- ^ a b Bear, RA; Dyck, RF (20 de enero de 1979). "Aproximación clínica al diagnóstico de trastornos acidobásicos" . Revista de la Asociación Médica Canadiense . 120 (2): 173–182. ISSN 0008-4409 . PMC 1818841 . PMID 761145 .
- ^ Nelson, David L .; Cox, Michael M .; Lehninger, Albert L. (2008). Principios de bioquímica de Lehninger (5ª ed.). Nueva York: WH Freeman. ISBN 9781429212427.
- ^ Johnson, Leonard R., ed. (2003). Fisiología médica esencial (3ª ed.). Ámsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 9780123875846.
- ^ Heinemann, Henry O .; Goldring, Roberta M. (1974). "Bicarbonato y la regulación de la ventilación". La Revista Estadounidense de Medicina . 57 (3): 361–370. doi : 10.1016 / 0002-9343 (74) 90131-4 . PMID 4606269 .
- ^ Koeppen, Bruce M. (1 de diciembre de 2009). "La regulación renal y ácido-base". Avances en la educación fisiológica . 33 (4): 275-281. doi : 10.1152 / advance.00054.2009 . ISSN 1043-4046 . PMID 19948674 .
- ^ a b c página 556 , sección "Estimación del pH plasmático" en: Bray, John J. (1999). Apuntes de conferencias sobre fisiología humana . Malden, Mass .: Blackwell Science. ISBN 978-0-86542-775-4.
- ^ Kamens, Donald R .; Wears, Robert L .; Trimble, Cleve (1 de noviembre de 1979). "Eludir la ecuación de Henderson-Hasselbalch". Revista del Colegio Americano de Médicos de Emergencia . 8 (11): 462–466. doi : 10.1016 / S0361-1124 (79) 80061-1 .
- ^ Hogan, DL; Rapier, RC; Dreilinger, A; Koss, MA; Basuk, PM; Weinstein, WM; Nyberg, LM; Isenberg, JI (1996). "Secreción de bicarbonato duodenal: erradicación de Helicobacter pylori y estructura y función duodenal en humanos". Gastroenterología . 110 (3): 705–716. doi : 10.1053 / gast.1996.v110.pm8608879 . PMID 8608879 .
enlaces externos
- Nosek, Thomas M. "Sección 7 / 7ch12 / 7ch12p17" . Fundamentos de la fisiología humana . Archivado desde el original el 24 de marzo de 2016.