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REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO HÍDRICO Y SALINO. REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE El concepto de equilibrio ácido base hace referencia a los procesos que mantienen la concentración de iones hidrógeno de los líquidos corporales dentro de sus límites normales. Mantener el pH en los fluidos intra y extracelulares es fundamental puesto que ello influye en la actividad biológica de proteínas; entre ellas enzimas, hormonas, en la distribución de iones a través de membranas, etc… Cuando los iones hidrógeno se han unido o se han separado de una proteína, la carga iónica neta de ésta cambia, y esto altera su función. Esta regulación se logra de dos formas: los iones hidrógeno son amortiguados por otras moléculas en un proceso conocido como neutralización y posteriormente se eliminan por el organismo junto con otros productos ácidos. Comprender estos procesos proporciona la base de una estrategia racional para el tratamiento clínico de las alteraciones del equilibrio ácido-base.

RECORDAR Y CONOCER •

Definición pH

•

Sistemas tampón

•

pH de los compartimentos del cuerpo: –

pH intracelular: 6,9-7,3

–

pH sangre arterial: 7,4

•

pH compatible con la vida: 6,8 - 8,0

•

pH inferior a 7,37: acidemia

•

pH superior a 7,42: alcalemia

La concentración de iones hidrógeno en los líquidos corporales es extremadamente baja. Debido a la dificultad de trabajar con números tan pequeños, la concentración de H+ se expresa habitualmente como una función logarítmica llamada pH. pH= -log10 [H+]. Acordaros que en matemáticas, el logaritmo de un número —en una base determinada— es el exponente al cual hay que elevar la base para obtener dicho número. Por ejemplo, el logaritmo de 1000 en base 10 es 3, porque 1000 es igual a 10 a la potencia 3: 1000 = 103 = 10×10×10.

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Tener en cuenta que aunque la anotación del pH es conveniente para expresar unos límites amplios de concentración, induce cierta confusión, porque una disminución de pH refleja un aumento de la concentración de iones hidrógeno, y viceversa. Un amortiguador o tampón es la mezcla de un ácido débil y su base conjugada, o una base débil y el ácido conjugado Un ácido débil es aquel ácido que no está totalmente disociado en una disolución acuosa. Aporta iones H+ al medio, pero también es capaz de aceptarlos. Si representáramos el ácido con la fórmula general HA, en una disolución acuosa una cantidad significativa de HA permanece sin disociar, mientras que el resto del ácido se disociará en iones positivos H+ y negativos A− , formando un equilibrio ácido-base en la siguiente forma: Las concentraciones en equilibrio de reactivos y productos se relacionan mediante la constante de acidez (Ka), cuya expresión es: 𝐾𝑎 =

[𝐻+][𝐴− ] [𝐻𝐴]

Cuanto mayor es el valor de Ka, más se favorece la formación de iones H+, y más bajo es el pH de la disolución. La Ka de los ácidos débiles varía entre 1,80×10-16 y 55,50. Los ácidos con una constante Ka menor de 1,80×10-16 son ácidos más débiles que el agua. Los ácidos con una constante Ka de más de 55,50 se consideran ácidos fuertes y se disocian casi en su totalidad cuando son disueltos en agua.

BALANCE ÁCIDO- BASE

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Como veis en la imagen el pH corporal es de 7.4. Sin embargo este valor al igual que otros parámetros es susceptible de ser alterado ya que el cuerpo humano es un sistema activo y abierto. Así, a través de la alimentación entran en el organismo hidrogeniones, pero además durante el metabolismo se forma una gran cantidad de CO2 (con mucho la mayor fuente de producción de ácido) como consecuencia de la oxidación de los carbohidratos, grasas y la mayoría de los aa. La actividad respiratoria compensa esta producción de ácido al ser eliminado el CO2 con el aire espirado. Sin embargo el metabolismo también genera ácidos no volátiles que el sistema respiratorio no puede eliminar. Se producen además bases no volátiles que suelen acabar como HCO3-. De forma neta se producen unos 40 mmoles al día de ácidos no volátiles que sumados a la absorción de H+ por parte del intestino y a la pérdida de bases en las heces hacen que tengamos que manejar un exceso de 70 mmoles. La forma de manejar este exceso es en los riñones, se excretan aproximadamente 70 mmoles al día de H+ en la orina al tiempo que se transportan 70 mmoles al día de “nuevo” bicarbonato hacia el plasma. No hemos de olvidar que para que no se altere el balance además el bicarbonato que se filtra en el túbulo renal ha de ser reabsorbido, en situación normal la totalidad del bicarbonato filtrado se reabsorbe. Fijaros que aquí manejamos dos conceptos el bicarbonato ya existente y el bicarbonato formado de nuevo. El concepto de formación de bicarbonato va asociado a la excreción de ácido; es decir, el bicarbonato que se está introduciendo ha dejado atrás un protón con lo que está libre para poder tamponar cualquier nuevo ácido formado. Volviendo al balance, en general el efecto neto de los procesos que alteran el balance es una acidificación progresiva del medio interno debido a la ingesta y la actividad metabólica, que debe ser contrarrestada por una excreción neta de ácido. Si esta excreción se reduce, sobrevendrá una acidosis; si esta excreción se incrementa, se producirá una alcalosis. Los riñones han de recuperar el ácido que se perdió por neutralización

PRODUCCIÓN DE ÁCIDO EN EL ORGANISMO Desde un punto de vista fisiológico se distinguen dos tipos de ácidos: el H2CO3 (ácido carbónico). Ácido volátil H+ + HCO3-. Deriva de la hidratación del CO2 (producto del metabolismo aeróbico). El H+ se tampona temporalmente dentro de los hematíes y así es trasportado a los pulmones, en los pulmones tienen lugar las reacciones reversas y el CO2 es regenerado y espirado. Por ello, el CO2 se denomina ácido volátil. La neutralización el H+ es sólo un problema temporal para la sangre venosa. La actividad respiratoria es responsable de la concentración de H2CO3 en la sangre arterial.  todos los demás ácidos (ácidos no volátiles o ácidos fijos). Proceden del catabolismo de las proteínas y los fosfolípidos Ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido fosfórico. Son amortiguados por el organismo y eliminados por el riñón. TEMA 20 REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO HÍDRICO Y SALINO. REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE 3 

Las proteínas con aminoácidos que contienen azufre (ej. Metionina, cisteína y cistina), producen ácido sulfúrico y son metabolizadas, y los fosfolípidos producen ácido fosfórico. Al contrario que el CO2, que es volátil, y se elimina en los pulmones, el ácido sulfúrico y el fosfórico no son volátiles. Por lo tanto los ácidos fijos deben de ser neutralizados primero en los líquidos del cuerpo hasta que puedan ser excretados por los riñones. La producción excesiva de ácidos fijos produce acidosis metabólica

La neutralización del H+ que procede del CO2 es sólo un problema temporal para la sangre venosa.

SISTEMA TAMPÓN DEL ORGANISMO 



Tampones del líquido extracelular o Bicarbonato. Par: HCO3-/CO2 o Fosfato. Par: HPO4-2/H2PO4Tampones del líquido intracelular o Proteínas o Fosfatos orgánicos (ATP, ADP, AMP, 2,3-DPG) TEMA 20 REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO HÍDRICO Y SALINO. REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE 4

Un amortiguador o tampón es la mezcla de un ácido débil y su base conjugada, o una base débil y el ácido conjugado. El fosfato inorgánico también actúa como tampón. Una sal de fosfato se forma cuando un ion cargado positivamente se une a los átomos con carga negativa del ion, formando un enlace iónico. Muchos fosfatos son insolubles en agua en condiciones normales de presión y temperatura, excepto las sales de metales alcalinos. En disolución acuosa, el fosfato existe en cuatro formas. En condiciones de pH muy básico predomina el ion fosfato (PO43−), mientras que en situaciones de basicidad intermedia se encuentra en ion fosfato de hidrógeno (HPO42−). En condiciones de acidez baja, el ion dihidrógeno fosfato (H2PO4−). A mayor acidez, se presenta en ácido fosfórico (H3PO4).

TAMPÓN HCO3-/CO2     

Se utiliza como primera línea de defensa cuando se añade o elimina H+ del organismo La concentración de HCO3- es alta, 24 mEq/l El pK del tampón es 6,1, próximo al pH del líquido extracelular o Cantidad de ácido y base conjugada son equivalentes Se diferencia de otros sistemas tampón en que se halla regulado tanto por los pulmones como por los riñones El CO2 (la forma ácida del tampón) es volátil y puede ser expulsado por los pulmones

Se dice que un buffer actúa mejor cuando el pH es más cercano al pKa, esto es cierto, imagina si la concentración de la base conjugada y la del ácido fuera la misma, si sustituyes esto en la ecuación el resultado de dividir un numero entre sí mismo es uno, y logaritmo de uno es cero, entonces la ecuación me quedaria pH=pKa + 0..... es decir un buffer es más eficiente a un pH cercano a su pka porque a este pH existe la misma concentración de ácido que de base conjugada esto permite que las variaciones del pH de la solución sean mínimas por eso es que el buffer se hace más eficiente. Cuando el pH es igual al pK existen las mismas concentraciones de HA y A-: la mitad del tampón se encuentra en la forma HA y la otra mitad en la forma A-. El sistema HCO-3/CO2 es un sistema abierto   

El metabolismo es una fuente inagotable de CO2 que puede reemplazar cualquier H2CO3 consumido por adicción de una base al organismo. El sistema respiratorio modifica mediante hipoventilación o hiperventilación la cantidad de CO2 en los líquidos corporales. Los riñones pueden variar el contenido extracelular de HCO3- formando nuevo HCO3cuando se ha añadido un exceso de ácido al organismo o excretando HCO3- tras la adicción de un exceso de base. TEMA 20 REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO HÍDRICO Y SALINO. REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE 5

Fijaros que la importancia de este sistema como tampón es que básicamente es un sistema inagotable y regulable en cuanto que el cuerpo funcione bien ya el CO2 se está formando continuamente. El sistema respiratorio puede modificar la cantidad de CO2 y el sistema renal puede variar la cantidad de bicarbonato. Este tampón es esencial en la regulación del pH corporal. El sistema bicarbonato representa del orden del 53% de la capacidad de tamponamiento.

pH SANGUÍNEO

La ecuación de Henderson-Hasselbalch se utiliza para cuantificar cómo afectan al pH los cambios en el CO2 y el HCO3-

La descripción del grado de acidez en términos de pH tiene la enorme ventaja de evitar operaciones con potencias decimales de exponentes negativos. Dado que las constantes de equilibrio vienen dadas, por lo general, como potencias de diez, es posible extender la idea recogida en la definición de pH al caso de los valores de K. Así, se define el pK, para una reacción en equilibrio, en la forma: pK= -logK La ecuación de H-H se puede usar para calcular el pH de una solución tamponada. Esta ecuación se deriva del comportamiento de los ácidos débiles en solución, descrito por la cinética de las reacciones reversibles. El examen de esta ecuación muestra que el pH del líquido extracelular varía cuando la concentración de bicarbonato o la PCO2 está alterada. Sabiendo que: -

La concentración de H2CO3 es equivalente a la presión parcial de CO2 Que la sangre arterial tiene un PCO2 de aproximadamente 40 mm Hg TEMA 20 REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO HÍDRICO Y SALINO. REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE 6

-

una [HCO3-] de aproximadamente 24 mM, y asumiendo que el pK que gobierna el equilibrio CO2/ HCO3- es 6.1 a 37 ºC

La PCO2 debe de ser convertida en concentración de CO2 para lo que se multiplica por la solubilidad del CO2 en la sangre (0,03 mmol/l/mmHg)

MECANISMOS RENALES EN EL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE 



Reabsorción de HCO3o Filtrado a nivel del glomérulo o Se evita así su pérdida Excreción de H+ fijo o Excreción como ácido titulable o Excreción como NH4+ o Se acompaña de la formación y reabsorción de nuevo HCO3 Se rellenan las reservas empleadas en la neutralización de H+ fijo

Acidez titulable: Es la concentración de moléculas, sin contar el amonio, que se unen a los H+ y permiten su excreción por orina. Los más conocidos son los fosfatos y los sulfatos. La definición teórica de acidez titulable dice que es la cantidad de base que se requiere para llevar la orina a un pH neutro.

REABSORCIÓN DEL HCO3- FILTRADO Casi el 99,9 % del HCO3- filtrado se reabsorbe, con lo que se asegura que el principal tampón extracelular se conserve en vez de excretarse. La mayor parte del bicarbonato filtrado se reabsorbe a nivel del túbulo proximal. Fijaros que no existe secreción neta de H+, este se vuelve a la célula, el cambio de pH del líquido tubular es en consecuencia pequeño.

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o o

o

Efecto de la carga filtrada o Saturación (por alcalosis metabólica), el bicarbonato se excreta Efecto de volumen del líquido extracelular o Expansión de volumen  Disminuye o Disminución de volumen  Aumenta o Angiotensina II  Estimula el intercambio Na+-H+  Alcalosis de contracción Efecto de la pCO2 (varían los niveles de CO2) o Acidosis respiratoria  Aumenta la reabsorción de bicarbonato renal o Alcalosis respiratoria  Se reabsorbe menos bicarbonato

En condiciones normales, dentro de una amplia gamma de cargas filtradas prácticamente todo el bicarbonato es reabsorbido. Cuando la carga filtrada es muy elevada se satura el mecanismo de reabsorción y el bicarbonato se excreta. Por ejemplo, en la alcalosis metabólica, la carga filtrada supera la capacidad de reabsorción, el bicarbonato no reabsorbido se excreta con lo que la concentración sanguínea de HCO3- se reduce hasta normalizarse.

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La expansión de volumen del LEC inhibe la reabsorción isoosmótica en el túbulo proximal y, por tanto, inhibe la reabsorción de HCO3-. En cambio la disminución de volumen del LEC estimula la reabsorción isoosmótica en el túbulo proximal y la reabsorción de HCO3-. Alcalosis de contracción: significa alcalosis metabólica secundaria a la disminución del volumen del líquido extracelular. En la acidosis respiratoria hay un aumento de la PCO2, esto hace que las células renales tengan más CO2 para generar más hidrogeniones para poder reabsorber el bicarbonato. En la alcalosis respiratoria el mecanismo será el contrario, se dispone de menos CO2 y en consecuencia se puede generar menos H+ y se reabsorbe menos bicarbonato. Los cambios crónicos de la PCO2 alteran la reabsorción el bicarbonato filtrado y explican el fenómeno de la compensación renal para los trastornos ácido-base respiratorios crónicos.

EXCRECIÓN DE H+ COMO ÁCIDO TITULABLE Es el excretado junto con los tampones urinarios. El fosfato inorgánico: más importante. El 15% del fosfato filtrado se excreta como ácido titulable. Sobre todo en las células αintercaladas del túbulo distal tardío y túbulos colectores Los riñones no pueden excretar una orina más ácida que un pH de 4 a 4.5. Por tanto, para excretar suficiente ácido, los riñones excretan H+ con tampones urinarios como el fosfato. El ácido titulable es aquella cantidad de H+ unida a buffers filtrados equivalente a la cantidad de base, en forma de NaOH, necesaria para titular la orina al pH normal de la sangre. El fosfato inorgánico es el más importante de esos tampones, debido a su concentración relativamente elevada en la orina y a su pK ideal.

FORMACIÓN DE NUEVO BICARBONATO La reabsorción de bicarbonato por ella misma no recupera la pérdida de bicarbonato durante la neutralización de los ácidos no volátiles producidos durante el metabolismo. Para mantener el equilibrio acido-básico, los riñones deben de reemplazar este HCO3- perdido con nuevo HCO3-. La generación de nuevo HCO3- se alcanza mediante la excreción de ácido titulable y a través de la síntesis y excreción de NH4+. Debido a la reabsorción de HCO3- por el túbulo proximal y el asa de Henle, el líquido que alcanza los túbulos distal y colector suele contener poco bicarbonato. Así cuando se segrega H+, se combina con tampones no bicarbonato principalmente con Pi y se excreta como ácido titulable. Dado que el H+ se produjo dentro de la célula a partir de la hidratación de CO2 TEMA 20 REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO HÍDRICO Y SALINO. REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE 9

también se produce biacarbonato. Este bicarbonato se devuelve al LEC como bicarbonato nuevo. Esta membrana tiene dos mecanismos de trasporte activo para la secreción de H+ El primer mecanismo para la secreción de H+ es la H+ ATPasa y es estimulado por la aldosterona. El otro mecanismo para la secreción es la H+ – K+ ATPasa. Lo que quiero que os fijéis aquí sobre todo es en el hecho de que en este tramo de la nefrona y a diferencia de en el túbulo proximal, en el cual el H+ recirculaba, aquí el H+ se excreta, es decir se marcha con la orina amortiguado por el tampón fosfato, esto hace que el bicarbonato generado en el interior celular quede libre de tamponar el H+, y al reabsorberse se puede considerar que se forma NUEVO bicarbonato libre para amortiguar otros hidrogeniones.

EXCRECIÓN DE H+ COMO NH4+ Participan tres segmentos de la nefrona: -

Túbulo proximal: tienen lugar la formación. Es regulable y parte se excreta Rama ascendente gruesa: parte del NH4+ formado se reabsorbe y se deposita en el intersticio Conducto colector: se secreta

Si el ácido titulable fuese el único mecanismo para la excreción de H+, la excreción de H+ fijo estaría limitada por la cantidad de fosfato de la orina.

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Un mecanismo adicional e importante por el cual los riñones contribuyen al mantenimiento del equilibrio acidobásico es a través de la síntesis y excreción de amonio (NH4+). Es un proceso regulado en respuesta a los requerimientos acidobásicos del cuerpo. En la excreción de H+ como NH4+ participan tres segmentos de la nefrona: túbulo proximal, la rama ascendente gruesa del asa de Henle y las células intercaladas alfa de los túbulos colectores La secreción de hidrogeniones se produce asociada a la secreción de amoníaco, ambos se juntan en la luz tubular para formar ión amonio que es el que se excreta. La producción de amoníaco está ligada al metabolismo de la glutamina (que procede sobre todo del metabolismo de los aa en el hígado) en las células tubulares. El NH3 es un buffer altamente efectivo ya que se produce localmente en las células epiteliales renales. Además, el NH3 es altamente liposoluble. Por el contrario, el NH4+ es altamente polar y cruza con dificultad la membrana celular. La bomba de hidrogeniones no es capaz de trabajar en contra de un gradiente de concentración muy alto de H+ por ello la necesidad de que estos hidrogeniones se acomplejen.

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FACTORES QUE REGULAN LA SECRECIÓN DE H+ 

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Cambio en el equilibrio acidobásico sistémico o Acidosis: estimula la secreción o Alcalosis: reduce la secreción Cambios en la actividad y número de transportadores Gradiente de H+, estimula la secreción Mecanismos hormonales o Aldosterona, Angt II, PTH, endotelina, cortisol Alteraciones en el equilibrio del Na+ Equilibrio del K+

TRASTORNOS DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE 

Definirlos

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Se evalúan determinando: o El pH arterial o La pCO2 o La concentración de bicarbonato, [HCO3-] Cómo se compensan o Mecanismos respiratorios, r...