Omeostasi acido-base

Il pH del fluido extracellulare, incluso il plasma sanguigno, è normalmente strettamente regolato tra 7,32 e 7,42, dai tamponi chimici, dal sistema respiratorio e dal sistema renale.

Le soluzioni tampone acquose reagiranno con acidi forti o basi forti assorbendo ioni di idrogeno in eccesso H+
o ioni idrossido OH−
, sostituendo gli acidi forti e le basi con acidi deboli e basi deboli. Questo ha l’effetto di smorzare l’effetto dei cambiamenti di pH, o ridurre il cambiamento di pH che altrimenti si sarebbero verificati. Ma i tamponi non possono correggere i livelli anormali di pH in una soluzione, sia quella soluzione in una provetta o nel fluido extracellulare. I buffer sono tipicamente costituiti da una coppia di composti in soluzione, uno dei quali è un acido debole e l’altro una base debole. Il tampone più abbondante nell’ECF è costituito da una soluzione di acido carbonico (H2CO3) e dal sale di bicarbonato (HCO−
3) di, di solito, sodio (Na+). Pertanto, quando c’è un eccesso di ioni OH−
nella soluzione l’acido carbonico li neutralizza parzialmente formando ioni H2O e bicarbonato (HCO−
3). Allo stesso modo un eccesso di ioni H+ viene parzialmente neutralizzato dal componente bicarbonato della soluzione tampone per formare acido carbonico (H2CO3), che, poiché è un acido debole, rimane in gran parte nella forma non associata, rilasciando molti meno ioni H+ nella soluzione di quanto avrebbe fatto l’acido forte originale.

Il pH di una soluzione tampone dipende esclusivamente dal rapporto tra le concentrazioni molari dell’acido debole e la base debole. Maggiore è la concentrazione dell’acido debole nella soluzione (rispetto alla base debole) minore è il pH risultante della soluzione. Allo stesso modo, se la base debole predomina maggiore è il pH risultante.

Questo principio viene sfruttato per regolare il pH dei fluidi extracellulari (piuttosto che limitarsi a tamponare il pH). Per il tampone acido carbonico-bicarbonato, un rapporto molare tra acido debole e base debole di 1: 20 produce un pH di 7,4; e viceversa – quando il pH dei fluidi extracellulari è 7,4, il rapporto tra acido carbonico e ioni bicarbonato in quel fluido è 1:20.

Questo rapporto è descritto matematicamente dalla Henderson–Hasselbalch equazione, la quale, applicata per l’acido carbonico-il sistema tampone bicarbonato in extracellulare, afferma che:

p H = p K a H 2 C O 3 + log 10 ⁡ ( ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} ~\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}}+\log _{10}\left({\frac {}{}}\right),}

dove:

• pH è il logaritmo negativo (o cologaritmo) della concentrazione molare di ioni idrogeno nell’ECF. Indica l’acidità nell’ECF in modo inverso: più basso è il pH maggiore è l’acidità della soluzione.
• pKa H2CO3 è il cologaritmo della costante di dissociazione acida dell’acido carbonico. È uguale a 6.1.
• è la concentrazione molare di bicarbonato nel plasma sanguigno
• è la concentrazione molare di acido carbonico nell’ECF.

Tuttavia, poiché la concentrazione di acido carbonico è direttamente proporzionale alla pressione parziale di anidride carbonica ( P C O 2 {\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}

) nel liquido extracellulare, l’equazione può essere riscritta come segue: p H = 6.1 + log 10 ⁡ ( 0.0307 × P C O 2 ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =6.1+\log _{10}\left({\frac {}{0.0307\times P_{\mathrm {CO} _{2}}}}\right),}

dove:

• pH è il logaritmo negativo della concentrazione molare di ioni idrogeno nell’ECF, come prima.
• è la concentrazione molare di bicarbonato nel plasma
• PCO2 è la pressione parziale dell’anidride carbonica nel plasma sanguigno.

Il pH dei fluidi extracellulari può quindi essere controllato regolando separatamente la pressione parziale dell’anidride carbonica (che determina la concentrazione di acido carbonico) e la concentrazione di ioni bicarbonato nei fluidi extracellulari.

Esistono quindi almeno due sistemi di feedback negativo omeostatico responsabili della regolazione del pH plasmatico. Il primo è il controllo omeostatico della pressione parziale ematica dell’anidride carbonica, che determina la concentrazione di acido carbonico nel plasma e può modificare il pH del plasma arterioso in pochi secondi. La pressione parziale dell’anidride carbonica nel sangue arterioso è monitorata dai chemocettori centrali del midollo allungato, e quindi fanno parte del sistema nervoso centrale. Questi chemocettori sono sensibili al pH e ai livelli di anidride carbonica nel liquido cerebrospinale. (I chemorecettori periferici si trovano nei corpi aortici e nei corpi carotidei adiacenti all’arco dell’aorta e alla biforcazione delle arterie carotidi, rispettivamente. Questi chemocettori sono sensibili principalmente ai cambiamenti nella pressione parziale dell’ossigeno nel sangue arterioso e quindi non sono direttamente coinvolti nell’omeostasi del pH.)

I chemorecettori centrali inviano le loro informazioni ai centri respiratori nel midollo allungato e nei pons del tronco cerebrale. I centri respiratori determinano quindi la velocità media di ventilazione degli alveoli dei polmoni, per mantenere costante la pressione parziale di anidride carbonica nel sangue arterioso. Il centro respiratorio lo fa attraverso i motoneuroni che attivano i muscoli della respirazione (in particolare il diaframma). Un aumento della pressione parziale dell’anidride carbonica nel plasma sanguigno arterioso superiore a 5,3 kPa (40 mmHg) provoca riflessivamente un aumento della velocità e della profondità della respirazione. La respirazione normale viene ripresa quando la pressione parziale dell’anidride carbonica è tornata a 5,3 kPa. Il contrario accade se la pressione parziale dell’anidride carbonica scende al di sotto del range normale. La respirazione può essere temporaneamente interrotta o rallentata per consentire all’anidride carbonica di accumularsi ancora una volta nei polmoni e nel sangue arterioso.

Il sensore per la concentrazione plasmatica di HCO−
3 non è noto con certezza. È molto probabile che le cellule tubulari renali dei tubuli contorti distali siano esse stesse sensibili al pH del plasma. Il metabolismo di queste cellule produce CO2, che viene rapidamente convertito in H + e HCO−
3 attraverso l’azione dell’anidrasi carbonica. Quando i fluidi extracellulari tendono verso l’acidità, le cellule tubulari renali secernono gli ioni H + nel fluido tubulare da dove escono dal corpo attraverso l’urina. Gli ioni HCO−
3 vengono simultaneamente secreti nel plasma sanguigno, aumentando così la concentrazione di ioni bicarbonato nel plasma, abbassando il rapporto acido carbonico/bic bicarbonato e conseguentemente aumentando il pH del plasma. Il contrario avviene quando il pH plasmatico supera il normale: gli ioni bicarbonato vengono escreti nelle urine e gli ioni idrogeno nel plasma. Questi si combinano con gli ioni bicarbonato nel plasma per formare acido carbonico (H+ + HCO−
3 = H2CO3), aumentando così il rapporto acido carbonico:bicarbonato nei fluidi extracellulari e riportando il suo pH alla normalità.

In generale, il metabolismo produce più acidi di scarto rispetto alle basi. L’urina è quindi generalmente acida. Questa acidità urinaria è, in una certa misura, neutralizzata dall’ammoniaca (NH3) che viene escreta nelle urine quando glutammato e glutammina (portatori di gruppi amminici in eccesso, non più necessari) vengono deaminati dalle cellule epiteliali tubulari renali distali. Quindi parte del “contenuto acido” dell’urina risiede nel contenuto risultante di ioni ammonio (NH4+) dell’urina, sebbene ciò non abbia alcun effetto sull’omeostasi del pH dei fluidi extracellulari.