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Giuseppe Castaldo » 8.Equilibrio acido-base: aspetti biochimici e i compensi d'organo

Presentazione

Negli organismi viventi l’equilibrio acido-base (EAB) rappresenta uno dei meccanismi omeostatici più delicati ed importanti, poiché il pH influenza l’attività degli enzimi e quindi l’intero metabolismo.

Nell’uomo, molte patologie sono collegate a disturbi dell’EAB ed il laboratorio di biochimica clinica può fornire utili contributi per:

Evidenziare alterazioni dell’EAB;
Contribuire a riconoscerne la causa;
Monitorare il paziente durante le terapie correttive.

Questa lezione (dedicata a studenti di corsi di laurea biologici) è una sinopsi sulle basi biologiche dell’EAB nell’uomo, sugli organi che contribuiscono al mantenimento di quest’omeostasi e sui principi biochimici dei test di laboratorio utili nello studio dell’EAB.

Chi desidera approfondire gli aspetti più strettamente medici dell’EAB (poco delineati in questa lezione) può far riferimento ad un testo aggiornato di Medicina Interna.

L’importanza del pH dei fluidi biologici

Negli organismi viventi, è fondamentale che il pH delle cellule e dei fluidi extracellulari venga mantenuto in un range ristretto, poiché l’attività degli enzimi è notevolmente influenzata dal pH.

Infatti, variazioni del pH determinano una modifica della carica elettrica degli aminoacidi che costituiscono il sito attivo, influenzando l’interazione con il substrato e quindi la velocità della reazione.

Nella maggior parte dei distretti corporei il pH è leggermente alcalino (7.4); in alcuni casi, esso può essere diverso. Ad esempio, nello stomaco vi è un pH acido e ciò facilità l’azione di alcuni enzimi digestivi che hanno un optimum di pH acido; analogamente, nel duodeno e nella prima parte del digiuno (dove vengono rilasciati ed agiscono gli enzimi digestivi pancreatici) vi è un pH alcalino, poiché il pH ottimale di questi enzimi è alcalino.

Anche nei diversi distretti subcellulari in alcuni casi il pH è diverso: ad esempio nei lisosomi (dove agiscono le idrolasi acide che hanno un optimum di pH acido) il pH è fortemente acido, e questo può considerarsi un meccanismo di protezione per ridurre l’attività enzimatica delle idrolasi lisosomiali in altri compartimenti subcellulari.

Definizioni del pH

Il pH è uguale al logaritmo negativo della concentrazione idrogenionica; aumenti della concentrazione idrogenionica equivalgono a riduzioni del pH e viceversa: pH = – log[H]⁺
Considerando che il pH è una misura logaritmica, piccole variazioni di pH corrispondono a grosse variazioni nella concentrazione idrogenionica, e questo è da tener presente sia nella standardizzazione delle metodiche per l’analisi del pH, sia nella gestione dei programmi di controllo di qualità, sia infine nell’interpretazione del dato di laboratorio, poiché per la maggior parte dei parametri biochimico clinici piccole variazioni delle concentrazioni plasmatiche in genere non corrispondono a cambiamenti fisiopatologici. Di seguito è mostrato il rapporto tra pH e concentrazione idrogenionica.
pH → concentrazione idrogenionica (nmol/L)
7.70 → 20
7.60 → 26
7.50 → 32
7.40 → 40
7.30 → 50
7.20 → 63
7.10 → 80
7.00 → 100
6.90 → 125
6.80 → 160

Rapporto tra pH e bicarbonato

La misurazione del pH viene in genere effettuata su sangue arterioso come discuteremo in seguito. Il pH arterioso fisiologico è pari a 7.40. Poiché il principale sistema tampone dell’organismo umano è quello del bicarbonato, il pH arterioso può anche essere espresso dal rapporto tra bicarbonati ed anidride carbonica secondo la formula:

pH = 6.1 + log{[HCO₃]^-/CO₂}

Aumenti del rapporto (indipendentemente dai valori assoluti di bicarbonati ed anidride carbonica) corrispondono ad aumento del pH, e quindi ad alcalosi; riduzioni del rapporto corrispondono a riduzioni del pH (acidosi).

Le principali alterazioni del pH arterioso corrispondono a 4 quadri ben definiti: l’acidosi (metabolica o respiratoria) e l’alcalosi (metabolica e respiratoria). In molti casi, 2 o addirittura 3 alterazioni possono coesistere. Tornando all’equazione precedente, possiamo schematizzare i disordini dell’equilibrio acido-base come segue:

[HCO₃]^- CO₂ [HCO₃]^-/CO₂

Acidosi metabolica - – - -

Acidosi respiratoria + ++ -

Alcalosi metabolica ++ + +

Alcalosi respiratoria - – +

I sistemi tampone

L’organismo umano dispone di alcune sostanze chimiche (definite sistemi tampone) che reagiscono tra loro “ammortizzando” i cambiamenti di concentrazione idrogenionica ed evitando che il valore di pH si modifichi. Queste sostanze vengono definiti sistemi tampone.

Nell’organismo umano i tre principali sistemi tampone sono:

Il sistema del bicarbonato. È quello più importante (in particolare a livello extracellulare), ed è quello cui faremo principalmente riferimento in questa lezione.
Il sistema delle proteine; nella lezione faremo riferimento all’emoglobina.
Il sistema del fosfato.

Il sistema del bicarbonato è caratterizzato dalla seguente reazione all’equilibrio:

H⁺ + HCO₃^- ↔ H₂CO₃↔ H₂O + CO₂

Quando si verifica un aumento della concentrazione di H⁺, il sistema reagisce spostando l’equilibrio della reazione a destra (verso la produzione della CO₂); se la concentrazione degli H⁺ si riduce, il sistema si sposta verso sinistra, determinando la produzione di H⁺.

Tampone bicarbonato e compensi d’organo

Il sistema tampone del bicarbonato agisce “in concerto” con alcuni organi.

In particolare, se la reazione è spostata a sinistra, interviene il compenso renale (lento) che tende ad eliminare gli H⁺ in eccesso attraverso una serie di meccanismi descritti successivamente.

Quando la reazione si sposta a destra e vengono prodotte maggiori quantità di CO₂, interviene il polmone che compensa con un aumento della frequenza respiratoria allo scopo di eliminare l’anidride carbonica in eccesso.

Questo compenso è rapido, ed è regolato da chemocettori che registrano la variazione di pH e l’aumento di pressione parziale di CO₂ (pCO₂) e stimolano i centri respiratori.

L'equazione dei tamponi e i compensi d'organo

Il ruolo dei chemocettori nella reglazione della ventilazione polmonare

Il tampone deve essere rifornito di bicarbonato

Il metabolismo di un individuo normale è spostato verso la produzione di acidi, e quindi la reazione del sistema tampone dei bicarbonati è “fisiologicamente” spostata verso destra.

Il polmone reagisce eliminando la CO₂ attraverso la respirazione. Tuttavia, gradualmente, il bicarbonato si consumerebbe, a meno che non intervengano dei meccanismi di rifornimento di bicarbonato alla coppia tampone. Infatti, la produzione metabolica fisiologica di H⁺ in un adulto normale è pari a circa:

50 – 100 mM H⁺ / die (in media 75 mM)

Il potere tampone del sistema del bicarbonato è pari a:

15 mEq / Kg di peso corporeo, quindi in un individuo di 70 Kg è pari a 1000 mEq

Di conseguenza, il bicarbonato del sistema tampone si esaurirebbe in circa 15 giorni (1000 : 75 = 15). Per evitare ciò, esistono alcuni meccanismi per rifornire di bicarbonato il sistema tampone.

Nelle prossime diapositive discuteremo delle vie metaboliche che determinano la produzione di acidi, anche in condizioni fisiologiche, causando lo spostamento a destra della reazione del sistema tampone del bicarbonato.

Produzione fisiologica di acidi: la glicolisi

La glicolisi è la principale via metabolica del glucosio, e ha lo scopo di produrre equivalenti riducenti (NADH e FADH₂) che, attraverso la fosforilazione ossidativa, consentiranno di ottenere ATP.

La glicolisi aerobia (in azzurro) permette la produzione di maggiori quantità di energia rispetto alla glicolisi anaerobia ed è quindi una via metabolica preferenziale. Tuttavia, anche in individui sani, cellule prive di mitocondri (globuli rossi), oppure i muscoli quando sono chiamati ad effettuare uno sforzo improvviso ed intenso, effettuano un metabolismo anaerobio che consente di produrre minor quantità di energia sia pure in breve tempo, e determina la produzione di acido lattico.

In alcune condizioni patologiche si verifica un incremento della glicolisi anaerobia e quindi della produzione di lattato da parte di alcuni tessuti, causando acidosi metabolica.

Schema della glicolisi aerobia (in azzurro) ed anaerobia (in rosso)

Il ciclo di Cori

Una parte di acido lattico prodotta dal metabolismo anaerobico del muscolo, attraverso il circolo sanguigno raggiunge ed è assorbita dalle cellule epatiche; nel fegato l’acido lattico è trasformato in acido piruvico e, attraverso la gloconeogenesi, in glucosio che viene immesso nel sangue ed in parte è utilizzato dal muscolo.

Si realizza quindi il ciclo di Cori in cui il muscolo, in condizioni di anaerobiosi converte il glucosio in acido lattico, ed in fegato riconverte il lattato in glucosio.

Ai fini dell’equilibrio acido-base, il ciclo di Cori contribuisce quindi a ridurre l’acidosi causata dal lattato; nelle malattie epatiche, in cui il ciclo di Cori si riduce, è possibile che si sviluppi acidosi metabolica.

Ciclo di Cori

Beta ossidazione e chetogenesi

Quando la disponibilità di glucosio si riduce (ad esempio nel digiuno prolungato), dal tessuto adiposo vengono immessi in circolo gli acidi grassi. Essi sono metabolizzati attraverso la beta-ossidazione (che produce acetilCoA ed equivalenti riducenti e quindi energia). Muscoli e cuore svolgono un intenso metabolismo b-ossidativo, e sono in grado di produrre energia anche in condizioni di scarsa disponibilità di glucosio.

Viceversa gli acidi grassi non superano la barriera emato-encefalica. Il fegato (che ha scarse necessità di energia) effettua la beta ossidazione, e converte l’acetilCoA in corpi chetonici (acetoacetato e b-idrossibutirrato). Questi composti, immessi in circolo, superano la barriera ematoencefalica e raggiungono le cellule cerebrali, che sono in grado di ritrasformarli in acetil CoA, e quindi rifornirsi di energia attraverso il ciclo di Krebs. Quindi, la produzione di corpi chetonici è un meccanismo di salvaguardia metabolica per le cellule cerebrali. Tuttavia, i corpi chetonici concorrono alla produzione metabolica di acidi. La produzione di corpi chetonici avviene anche in condizioni normali. Tuttavia, aumenta in alcune condizioni patologiche (diabete, assunzione cronica di etanolo) causando acidosi metabolica.

Produzione di corpi chetonici

Altre vie metaboliche che producono acidi

Il catabolismo delle basi puriniche determina la produzione di acido urico, che soltanto in parte viene riutilizzato attraverso una via di recupero. Quindi, in condizioni normali, anche il catabolismo delle basi azotate concorre alla produzione di acidi.

Anche questa via metabolica si intensifica in alcune patologie (come ad esempio nelle neoplasie, dove la rapida duplicazione cellulare richiede la sintesi ed il catabolismo continuo di acidi nucleici e quindi di basi azotate), e può essere causa di acidosi metabolica.

Infine, dal catabolismo degli aminoacidi solforati (metionina, cisteina) si ottiene acido solforico che concorre alla produzione fisiologica di acidi.

Quindi possiamo trarre alcune conclusioni:

In condizioni fisiologiche alcune vie metaboliche contribuiscono a produrre acidi;
La produzione fisiologica di acidi causa lo spostamento a destra della reazione del tampone bicarbonato;
Il sistema tampone consuma bicarbonato;
È necessario attuare delle strategie metaboliche per il rifornimento di bicarbonato al sistema tampone (che descriveremo nelle prossime diapositive);
Molte condizioni patologiche che causano acidosi metabolica sono legate all’aumento dell’attività delle vie metaboliche che fisiologicamente producono acidi.

Recupero di bicarbonato: ruolo dei globuli rossi

Lo spostamento a destra della reazione del sistema tampone del bicarbonato causa la produzione di CO₂. Una parte di CO₂ entra nel globulo rosso dove, in presenza dell’enzima anidrasi carbonica, viene convertita in acido carbonico. Questo si scinde in H⁺ (che lega l’emoglobina) e in ione bicarbonato che viene rilasciato nel sangue e va a rifornire la coppia tampone.

L’entrata della CO₂ nei globuli rossi è favorita dal fatto che queste cellule non svolgono ciclo di Krebs e quindi non producono CO₂ endogena; quindi, sono disponibili ad acquisire CO₂ dal sangue. Ovviamente a livello polmonare il meccanismo si inverte, e la CO₂ viene ceduta in cambio di ossigeno. Naturalmente questo meccanismo è a rapida saturazione, cioè è in grado di “ammortizzare” soltanto una limitata quantità di CO₂, per cui occorrono anche altri meccanismi.

Inoltre, lo ione H⁺ che lega l’emoglobina ha a sua volta un ruolo fisiologico: esso determina una modifica strutturale della molecola, causando una ridotta affinità per l’ossigeno e quindi una maggior cessione di ossigeno proprio a quei tessuti che stanno effettuando un più attivo metabolismo e quindi stanno producendo maggiori quantità di CO₂. Questo meccanismo prende il nome di effetto Bohr.

Ruolo del globulo rosso nel recupero del bicarbonato

Recupero di bicarbonato: ruolo del rene

La cellula del tubulo contorto prossimale del rene contribuisce a recuparare il bicarbonato. Infatti, una parte del bicarbonato (che è una molecola a basso peso molecolare) del sangue viene filtrata a livello del glomerulo e passa nella preurina.

Nel lume del tubulo, l’enzima anidrasi carbonica lega il bicarbonato ad uno ione H⁺ secreto dalla cellula tubulare. Si forma acido carbonico, che si dissocia in H₂O e CO₂; quest’ultima entra nella cellula tubulare, lega una molecola d’acqua e forma nuovamente acido carbonico che si dissocia in H⁺ e ione bicarbonato.

Lo ione bicarbonato viene rilasciato nel sangue (andando a rifornire la coppia tampone) e lo ione H⁺ viene rilasciato nel lume.

Anche questo meccanismo, come quello dei globuli rossi, non è in grado di opporsi a grosse acidosi ma serve soltanto a recuperare una parte del bicarbonato filtrato dai glomeruli. Infatti, anche se la cellula tubulare secerne idrogenioni nel lume, questi non vengono di fatto eliminati dalle urine, ma vengono riassorbiti dalla cellula. Ed infatti questo meccanismo non causa la riduzione del pH urinario.

Recupero di bicarbonato da parte della cellula del tubulo prossimale

Eliminazione di acidi attraverso le urine

Un secondo meccanismo adottato dalle cellule renali per contrastare la produzione metabolica di acidi (che interviene soprattutto nelle forti acidosi metaboliche in cui si producono acidi) consiste nell’eliminazione reale di acidi attraverso le urine.

In questi casi, a livello del glomerulo vengono filtrati e passano in parte nella preurina gli ioni negativi prodotti, grazie al loro basso pm (ione lattato nelle acidosi lattiche, ione acetoacetato nelle chetoacidosi, e così via). Queste sostanze, indicate come B^- nella figura, si accoppiano ad uno ione H⁺ secreto dalla cellula tubulare (prossimale e distale) e vengono eliminati con le urine. All’interno della cellula tubulare, la CO₂ che deriva dal ciclo di Krebs lega una molecola d’acqua, forma acido carbonico che si dissocia in H⁺ (secreto nel lume) e ione bicarbonato (che torna in circolo).

Questo meccanismo è più “potente” del precedente, poiché di fatto consente la reale eliminazione di acidi (il pH urinario scende), e permette di rifornire la coppia tampone nel sangue di nuovo apporto di bicarbonato (non è un semplice recupero del bicarbonato filtrato come avviene nel meccanismo illustrato nella precedente figura).

Ruolo della cellula tubulare prossimale nell'eliminazione di acidi

Il meccanismo della glutamminasi renale

Il meccanismo di eliminazione degli acidi presentato nella precedente figura determina la riduzione del pH renale. Tuttavia, il pH non può scendere oltre il valore soglia di 4.4 – 4.0.

Quindi, quando l’acidosi metabolica è particolarmente intensa, occorre eliminare valenze acide senza determinare l’ulteriore riduzione del pH urinario.

La cellula del tubulo contorto distale produce l’enzima glutamminasi (che viene indotto dall’acidosi cronica), che catalizza la trasformazione di glutammina in acido glutammico, con il distacco di un gruppo NH₃.

Questo viene secreto nel lume tubulare e lega uno ione H⁺ (a sua volta secreto dalla cellula tubulare). Lo ione ammonio che si forma è poco dissociato (pKa=9.3), e ciò consente la reale eliminazione di valenze acide senza provocare ulteriori riduzioni del pH urinario.