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Articulo de referencia

Sistema amortiguador de bicarbonato

El dióxido de carbono, un subproducto de la respiración celular , se disuelve en la sangre, donde es absorbido por los glóbulos rojos y convertido en ácido carbónico por la enzi...

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El dióxido de carbono, un subproducto de la respiración celular , se disuelve en la sangre, donde es absorbido por los glóbulos rojos y convertido en ácido carbónico por la enzima anhidrasa carbónica. La mayor parte del ácido carbónico se disocia posteriormente en bicarbonato e iones de hidrógeno.

El sistema tampón de bicarbonato es un mecanismo homeostático ácido-base que implica el equilibrio del ácido carbónico ( H₂CO₃ ) , el ion bicarbonato (HCO₃⁻ ) y el dióxido de carbono (CO₂ ) para mantener el pH en la sangre y el duodeno , entre otros tejidos, para apoyar la función metabólica adecuada . [ 1 ] Catalizado por la anhidrasa carbónica , el dióxido de carbono (CO₂ ) reacciona con el agua (H₂O ) para formar ácido carbónico (H₂CO₃ ) , que a su vez se disocia rápidamente para formar un ion bicarbonato (HCO₃⁻ ) y un ion hidrógeno (H⁺ ) como se muestra en la siguiente reacción: [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

doO2+H2O⇄H2doO3⇄HdoO3−+H+{\displaystyle {\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+H^{+}}}}

Como en cualquier sistema tampón , el pH se equilibra mediante la presencia de un ácido débil ( por ejemplo, H₂CO₃ ) y su base conjugada (por ejemplo, HCO₃⁻ ) , de modo que cualquier exceso de ácido o base introducido en el sistema se neutraliza.

El mal funcionamiento de este sistema produce un desequilibrio ácido-base, como acidemia (pH < 7,35) y alcalemia (pH > 7,45) en la sangre. [ 5 ]

En el 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 CO₂ se elimina rápidamente de los tejidos mediante su hidratación a ion bicarbonato. [ 6 ] El ion bicarbonato presente en el plasma sanguíneo se transporta a los pulmones, donde se deshidrata nuevamente a CO₂ y se libera durante la exhalación. Estas conversiones de hidratación y deshidratación de CO₂ y H₂CO₃ , 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 ion bicarbonato sirve para neutralizar el ácido introducido en la sangre a través de otros procesos metabólicos (por ejemplo, ácido láctico , cuerpos cetónicos ); de igual manera, cualquier base es neutralizada por el ácido carbónico ( H₂CO₃ ) . [ 8 ]

Regulación

Como se calcula mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch , para mantener un pH normal de 7,4 en la sangre (donde el pK a del ácido carbónico es 6,1 a temperatura fisiológica), debe mantenerse constantemente una relación 20:1 de bicarbonato a ácido carbónico; esta homeostasis está mediada principalmente por sensores de pH en la médula oblongada del cerebro y probablemente en los riñones , conectados a través de bucles de retroalimentación negativa a efectores en los sistemas respiratorio y renal . [ 9 ] En la sangre de la mayoría de los animales, el sistema amortiguador de bicarbonato está acoplado a los pulmones a través de la compensación respiratoria , el proceso por 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 anterior hacia la izquierda, haciendo que la anhidrasa carbónica forme CO 2 hasta que se eliminen todos los protones en exceso. La concentración de bicarbonato también está regulada por la compensación renal , proceso mediante el cual los riñones regulan la concentración de iones bicarbonato secretando iones H + en la orina y, al mismo tiempo, reabsorbiendo iones HCO − 3 en el plasma sanguíneo, o viceversa , dependiendo de si el pH del plasma está disminuyendo o aumentando, 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 ]

pH=pagKa H2CO3+registro⁡([HCO3−][H2CO3]),{\displaystyle {\ce {pH}}={\textrm {p}}K_{a~{\ce {H_2CO_3}}}+\log \left({\frac {[{\ce {HCO_3^-}}]}{[{\ce {H_2CO_3}}]}}\right),}

dónde:

  • pKaH₂CO₃ 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.
  • [ H₂CO₃ ] es la concentración de ácido carbónico en la sangre .

Al describir los gases en sangre arterial , la ecuación de Henderson-Hasselbalch se suele citar en términos de pCO₂ , la presión parcial de dióxido de carbono , en lugar de la concentración de H₂CO₃ . Sin embargo, estas cantidades están relacionadas por la ecuación: [ 12 ]

[H2CO3]=kH CO2×pagCO2,{\displaystyle [{\ce {H_{2}CO_{3}}}]=k_{\ce {H~CO_{2}}}\times p_{\ce {CO_{2}}},}

dónde:

La combinación de estas ecuaciones da como resultado la siguiente ecuación que relaciona el pH de la sangre con la concentración de bicarbonato y la presión parcial de dióxido de carbono: [ 12 ]

pH=6.1+registro⁡([HCO3−]0,0307×pagCO2),{\displaystyle {\ce {pH}}=6.1+\log \left({\frac {[{\ce {HCO_3^-}}]}{0.0307\times p_{{\ce {CO_2}}}}}\right),}

dónde:

  • El pH es la acidez de la sangre.
  • [HCO − 3 ] es la concentración de bicarbonato en la 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 , puede modificarse con respecto al sistema tampón de bicarbonato para obtener una ecuación más simple que proporciona una aproximación rápida de la concentración de H + o HCO − 3 sin necesidad de calcular logaritmos: [ 7 ]

Ka,H2CO3=[HCO3−][H+][H2CO3]{\displaystyle K_{a,{\ce {H_2CO_3}}}={\frac {[{\ce {HCO_3^-}}][{\ce {H^+}}]}{[{\ce {H_2CO_3}}]}}}

Dado que la presión parcial del dióxido de carbono es mucho más fácil de obtener mediante medición que la del ácido carbónico, se utiliza la constante de solubilidad de la ley de Henry —que relaciona la presión parcial de un gas con su solubilidad— para el CO₂ en plasma en lugar de la concentración de ácido carbónico. Después de despejar H⁺ y aplicar la ley de Henry, la ecuación se convierte en: [ 13 ]

[H+]=K′⋅0,03pagCO2[HCO3−],{\displaystyle [{\ce {H^+}}]={\frac {K'\cdot 0.03p_{{\ce {CO_2}}}}{[{\ce {HCO_3^-}}]}},}

donde K ' es la constante de disociación del ácido carbónico, que es igual a 800 nmol/L (ya que K ' = 10 −p Ka H 2 CO 3 = 10 −(6.1) ≈ 8.00×10 −7 mol/L = 800 nmol/L).

Después de multiplicar las constantes (800 × 0,03 = 24) y despejar HCO − 3 , la ecuación se simplifica a:

[HCO3−]=24pagCO2[H+]{\displaystyle [{\ce {HCO_3^-}}]=24{\frac {p_{{\ce {CO_2}}}}{[{\ce {H^+}}]}}}

dónde:

  • [H +] es la concentración de iones de hidrógeno en la sangre, en nmol / L
  • [HCO − 3 ] es la concentración de bicarbonato en la sangre, en mmol / L
  • p CO 2 es la presión parcial de dióxido de carbono en la sangre, en mmHg.

En otros tejidos

El sistema tampón de bicarbonato desempeña un papel vital también en otros tejidos. En el estómago y el duodeno humanos, este sistema neutraliza el ácido gástrico y estabiliza 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 restablecer la secreción de bicarbonato en la mucosa y reducir el riesgo de recurrencia de la úlcera. [ 14 ]

Amortiguación de desgarros

Las lágrimas son únicas entre los fluidos corporales, ya que están expuestas al ambiente. Al igual que otros fluidos corporales, el líquido lagrimal se mantiene dentro de un rango de pH estricto gracias al sistema tampón de bicarbonato. [ 15 ] El pH de las lágrimas varía a lo largo del día, aumentando aproximadamente 0,013 unidades de pH por hora hasta que un período prolongado con los ojos cerrados provoca que el pH vuelva a descender. [ 15 ] La mayoría de las personas sanas tienen un pH lagrimal entre 7,0 y 7,7, donde la amortiguación del bicarbonato es más significativa, pero también están presentes proteínas y otros componentes amortiguadores que actúan fuera de este rango de pH. [ 15 ]

Referencias

  1. 1 2 Krieg, Brian J.; Taghavi, Seyed Mohammad; Amidon, Gordon L.; Amidon, Gregory E. (2014-11-01). "Disolución predictiva in vivo: análisis de transporte del sistema tampón in vivo de CO2 y bicarbonato" (PDF) . Journal of Pharmaceutical Sciences . 103 (11): 3473– 3490. doi : 10.1002/jps.24108 . hdl : 2027.42/109280 . ISSN 1520-6017 . PMID 25212721 .  
  2. ↑ Oxtoby, David W.; Gillis, Pat (2015). «Equilibrios ácido-base». Principios de química moderna (8.ª ed.). Boston, MA: Cengage Learning. págs. 611–753 . ISBN   978-1305079113.
  3. ↑ Widmaier, Eric; Raff, Hershel; Strang, Kevin (2014). «Los riñones y la regulación del agua y los iones inorgánicos». Fisiología humana de Vander (13.ª ed.). Nueva York, NY: McGraw-Hill. págs. 446–489 . ISBN   978-0073378305.
  4. ↑ Meldrum, NU; Roughton, FJW (1933-12-05). " Anhidrasa carbónica. Su preparación y propiedades" . The Journal of Physiology . 80 (2): 113– 142. doi : 10.1113/jphysiol.1933.sp003077 . ISSN 0022-3751 . PMC 1394121. PMID 16994489 .   
  5. ↑ Rhoades, Rodney A.; Bell, David R. (2012). Fisiología médica : principios para la medicina clínica (4.ª ed., edición internacional). Filadelfia, Pensilvania: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN   9781451110395.
  6. ↑ et al.], David Sadava ... [et; Bell, David R. (2014). Vida : La ciencia de la biología (10.ª ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN   9781429298643.
  7. 1 2 Bear, RA; Dyck, RF (1979-01-20). "Enfoque clínico para el diagnóstico de trastornos ácido-base" . Revista de la Asociación Médica Canadiense . 120 (2): 173– 182. ISSN 0008-4409 . PMC 1818841. PMID 761145 .   
  8. ↑ Nelson, David L.; Cox, Michael M.; Lehninger, Albert L. (2008). Principios de bioquímica de Lehninger (5.ª ed.). Nueva York: WH Freeman. ISBN  9781429212427.
  9. ↑ Johnson, Leonard R., ed. (2003). Fisiología médica esencial (3.ª ed.). Ámsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN  9780123875846.
  10. ↑ Heinemann, Henry O.; Goldring, Roberta M. (1974). "Bicarbonato y la regulación de la ventilación". The American Journal of Medicine . 57 (3): 361– 370. doi : 10.1016/0002-9343(74)90131-4 . PMID 4606269 . 
  11. ↑ Koeppen, Bruce M. (1 de diciembre de 2009). "El riñón y la regulación ácido-base". Advances in Physiology Education . 33 (4): 275– 281. doi : 10.1152/advan.00054.2009 . ISSN 1043-4046 . PMID 19948674 .  
  12. 1 2 3 página 556 , sección "Estimación del pH plasmático" en: Bray, John J. (1999). Apuntes de clase sobre fisiología humana . Malden, Mass.: Blackwell Science. ISBN 978-0-86542-775-4.
  13. ↑ Kamens, Donald R.; Wears, Robert L.; Trimble, Cleve (1979-11-01). "Evitando la ecuación de Henderson-Hasselbalch". Journal of the American College of Emergency Physicians . 8 (11): 462– 466. doi : 10.1016/S0361-1124(79)80061-1 . PMID 41124 . 
  14. ↑ 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". Gastroenterology . 110 (3): 705– 716. doi : 10.1053/gast.1996.v110.pm8608879 . PMID 8608879 . 
  15. 1 2 3 Condiciones ambientales y química de las lágrimas , Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina. 1991. "Consideraciones sobre el uso de lentes de contacto en condiciones adversas: Actas de un simposio". Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/1773 .
  • Nosek, Thomas M. "Sección 7/7ch12/7ch12p17" . Fundamentos de fisiología humana . Archivado del original el 24 de marzo de 2016.