Homeostazia acido-bazică

pH-ul fluidului extracelular, inclusiv plasma sanguină, este în mod normal reglat strâns între 7,32 și 7,42, de tampoanele chimice, sistemul respirator și sistemul renal.

soluțiile tampon apoase vor reacționa cu acizi puternici sau baze puternice prin absorbția excesului de hidrogen H+
ioni sau hidroxid OH−
ioni, înlocuind acizii și bazele puternice cu acizi slabi și baze slabe. Acest lucru are ca efect amortizarea efectului modificărilor pH-ului sau reducerea modificării pH-ului care altfel ar fi avut loc. Dar tampoanele nu pot corecta nivelurile anormale ale pH-ului într-o soluție, fie acea soluție într-o eprubetă sau în lichidul extracelular. Tampoanele constau de obicei dintr-o pereche de compuși în soluție, dintre care unul este un acid slab, iar celălalt o bază slabă. Cel mai abundent tampon din ECF constă dintr−o soluție de acid carbonic (H2CO3) și bicarbonat (HCO –
3) sare de, de obicei, sodiu (Na+). Astfel, atunci când există un exces de ioni OH−
în soluție, acidul carbonic le neutralizează parțial prin formarea de ioni H2O și bicarbonat (HCO−
3). În mod similar, un exces de ioni H+ este parțial neutralizat de componenta bicarbonat a soluției tampon pentru a forma acid carbonic (H2CO3), care, deoarece este un acid slab, rămâne în mare parte în forma nedisociată, eliberând mult mai puțini ioni H+ în soluție decât ar fi făcut acidul puternic original.

pH-ul unei soluții tampon depinde numai de raportul dintre concentrațiile molare ale acidului slab și baza slabă. Cu cât este mai mare concentrația acidului slab în soluție (comparativ cu baza slabă), cu atât pH-ul rezultat al soluției este mai mic. În mod similar, dacă baza slabă predomină cu atât este mai mare pH-ul rezultat.

acest principiu este exploatat pentru a regla pH-ul fluidelor extracelulare (mai degrabă decât doar tamponarea pH-ului). Pentru tamponul acid carbonic-bicarbonat, un raport molar de acid slab la baza slabă de 1:20 produce un pH de 7,4; și invers – când pH-ul fluidelor extracelulare este de 7,4, atunci raportul dintre acidul carbonic și ionii de bicarbonat din acel fluid este de 1: 20.

această relație este descrisă matematic de ecuația Henderson–Hasselbalch, care, atunci când este aplicată sistemului tampon acid carbonic-bicarbonat în fluidele extracelulare, afirmă că:

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}\stânga({\frac {}{}}\dreapta),}

unde:

• pH-ul este logaritmul negativ (sau cologaritmul) al concentrației molare a ionilor de hidrogen în ECF. Indică aciditatea în ECF într-o manieră inversă: cu cât pH-ul este mai mic, cu atât aciditatea soluției este mai mare.
• pKa H2CO3 este cologaritmul constantei de disociere a acidului carbonic. Este egal cu 6.1.
• este concentrația molară de bicarbonat în plasma sanguină
• este concentrația molară a acidului carbonic în ECF.

cu toate acestea, deoarece concentrația acidului carbonic este direct proporțională cu presiunea parțială a dioxidului de carbon (P C O 2 {\displaystyle P_ {{\mathrm {CO} } _ {2}}}

) în fluidul extracelular, ecuația poate fi rescrisă după cum urmează: p H = 6,1 + log 10 ( 0,0307 ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+\log _{10}\left({\frac {}{0,0307\times p_{\mathrm {CO} _{2}}}}\right),}

unde:

• pH-ul este logaritmul negativ al concentrației molare a ionilor de hidrogen în ECF, ca înainte.
• este concentrația molară de bicarbonat în plasmă
• PCO2 este presiunea parțială a dioxidului de carbon din plasma sanguină.

pH-ul fluidelor extracelulare poate fi astfel controlat prin reglarea separată a presiunii parțiale a dioxidului de carbon (care determină concentrația acidului carbonic) și concentrația ionilor bicarbonați în fluidele extracelulare.

există, prin urmare, cel puțin două sisteme de feedback negativ homeostatic responsabile pentru reglarea pH-ului plasmatic. primul este controlul homeostatic al presiunii parțiale din sânge a dioxidului de carbon, care determină concentrația acidului carbonic în plasmă și poate modifica pH-ul plasmei arteriale în câteva secunde. Presiunea parțială a dioxidului de carbon din sângele arterial este monitorizată de chemoreceptorii centrali ai medulla oblongata și, prin urmare, fac parte din sistemul nervos central. Acești chemoreceptori sunt sensibili la pH și nivelurile de dioxid de carbon din lichidul cefalorahidian. (Chemoreceptorii periferici sunt localizați în corpurile aortice și în corpurile carotide adiacente arcului aortei și respectiv bifurcației arterelor carotide. Acești chemoreceptori sunt sensibili în primul rând la modificările presiunii parțiale a oxigenului din sângele arterial și, prin urmare, nu sunt implicați direct în homeostazia pH-ului.)

chemoreceptorii centrali își trimit informațiile către centrele respiratorii din medulla oblongata și pons ale trunchiului cerebral. Centrele respiratorii determină apoi rata medie de ventilație a alveolelor plămânilor, pentru a menține constantă presiunea parțială dioxid de carbon în sângele arterial. Centrul respirator face acest lucru prin intermediul neuronilor motori care activează mușchii respirației (în special diafragma). O creștere a presiunii parțiale a dioxidului de carbon în plasma sanguină arterială de peste 5,3 kPa (40 mmHg) determină reflex o creștere a vitezei și adâncimii respirației. Respirația normală este reluată atunci când presiunea parțială a dioxidului de carbon a revenit la 5,3 kPa. Inversul se întâmplă dacă presiunea parțială a dioxidului de carbon scade sub intervalul normal. Respirația poate fi oprită temporar sau încetinită pentru a permite dioxidului de carbon să se acumuleze încă o dată în plămâni și în sângele arterial.

senzorul pentru concentrația plasmatică de HCO−
3 nu este cunoscut cu certitudine. Este foarte probabil ca celulele tubulare renale ale tubulilor distal convoluți să fie ele însele sensibile la pH-ul plasmei. Metabolismul acestor celule produce CO2, care este transformat rapid în H + și HCO−
3 prin acțiunea anhidrazei carbonice. Când fluidele extracelulare tind spre aciditate, celulele tubulare renale secretă ionii H+ în lichidul tubular de unde ies din corp prin urină. Ionii HCO−
3 sunt secretați simultan în plasma sanguină, crescând astfel concentrația de ioni bicarbonați în plasmă, scăzând raportul acid carbonic/bicarbonat de ioni și, în consecință, crescând pH-ul plasmei. Conversa se întâmplă atunci când pH-ul plasmatic crește peste normal: ionii de bicarbonat sunt excretați în urină și ionii de hidrogen în plasmă. Acestea se combină cu ionii de bicarbonat din plasmă pentru a forma acid carbonic (H+ + HCO−
3 = H2CO3), crescând astfel raportul acid carbonic:bicarbonat în fluidele extracelulare și readucându-i pH-ul la normal.

în general, metabolismul produce mai mulți acizi deșeuri decât baze. Prin urmare, urina este în general acidă. Această aciditate urinară este, într-o anumită măsură, neutralizată de amoniacul (NH3) care este excretat în urină atunci când glutamatul și glutamina (purtători de exces, care nu mai sunt necesari, grupări amino) sunt deaminate de celulele epiteliale tubulare renale distale. Astfel, o parte din” conținutul de acid ” al urinei rezidă în ionul de amoniu rezultat (NH4+) conținutul urinei, deși acest lucru nu are niciun efect asupra homeostaziei pH-ului fluidelor extracelulare.