Equilibrio Ácido-Base

Descripción General de pH

El pH es la medida cuantitativa de la acidez o basicidad de una solución.

• pH = –log₁₀[H⁺]:
  • [H⁺] = concentración de iones de hidrógeno (i.e., protones) en solución
  • Escala logarítmica de 1 a 14
    • 1 = máximamente ácido, 14 = máximamente básico
    • 7 = punto neutro: concentraciones iguales de H⁺ y OH^–
• El pH normal de la sangre arterial es de aproximadamente 7,40.
• El rango normal está estrictamente regulado para permanecer entre 7,35 y 7,45.
  • Acidemia: más iones de hidrógeno (H⁺) en la sangre = pH < 7,35
  • Alcalemia: más iones de hidróxido (OH^–) en la sangre = pH > 7,45
• “-emia” frente a “-osis”
  • “-emia” significa “en la sangre”.
  • “-osis” se refiere a un proceso: La acidosis y alcalosis se refieren a los procesos que causan acidemia y alcalemia.

Ácidos, Bases y Amortiguadores

Las concentraciones relativas de ácidos y bases en la sangre determinan su pH. Los amortiguadores proporcionan una solución a corto plazo para las alteraciones de este equilibrio antes de que los pulmones y los riñones puedan actuar definitivamente para restablecer el equilibrio.

Ácidos

Los ácidos son compuestos que pueden donar protones (H⁺) o aceptar electrones.

• Los H⁺ se liberan cuando los ácidos se disocian en la solución → ↓ pH
• Clasificados por fuerza y volatilidad:
  • Ácidos fuertes:
    • Ionizar completamente en agua
    • Más H⁺ liberado en el agua → mayor efecto sobre el pH
    • Ejemplo: ácido clorhídrico (HCl)
  • Ácidos débiles:
    • Ionizar parcialmente en agua
    • Menos H⁺ liberado en el agua → efecto relativamente menor sobre el pH
    • Ejemplo: ácido carbónico (H₂CO₃)
  • Ácidos volátiles:
    • Puede cambiar de fase a gas → extraíble a través de los pulmones
    • Ejemplo principal: CO₂
    • El cuerpo produce aproximadamente 15 000 mmol de ácido volátil por día a través del metabolismo aeróbico.
  • Ácidos no volátiles (fijos):
    • No se puede cambiar de fase a gas → no se puede eliminar a través de los pulmones
    • Eliminado por los riñones
    • El cuerpo produce aproximadamente 70 mmol de ácidos fijos por día a través del metabolismo anaeróbico y el tracto gastrointestinal.
    • Ejemplos: ácido láctico, ácido úrico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico

Bases

Las bases son compuestos que pueden aceptar protones (H⁺) o donar electrones.

• Los iones hidróxido (OH^–) se liberan cuando las bases se disocian en solución:
  • Los OH^– se combinan con H⁺ libre para formar H₂O.
  • El resultado neto es menos [H⁺] → ↑ pH (se vuelve más básico)
• Clasificado por fuerza:
  • Bases fuertes:
    • Ionizar completamente en agua
    • Más OH^– liberado en el agua → mayor efecto sobre el pH
    • Ejemplo: hidróxido de sodio (NaOH)
  • Bases débiles:
    • Ionizar parcialmente en agua
    • Menos OH^– liberado al agua → relativamente menos efecto sobre el pH
    • Ejemplos: bicarbonato (HCO₃^–), amoníaco (NH₃)

Amortiguadores

Los amortiguadores son sustancias que consumen o liberan iones de hidrógeno (H⁺) para estabilizar el pH.

• La potencia amortiguadora se refiere a la cantidad de H ⁺ que se puede agregar o eliminar.
• Categorizados como amortiguadores de bicarbonato y no bicarbonato:
  • Bicarbonato (HCO₃^–):
    • Tampón fisiológicamente más importante
    • HCO₃^– + H⁺ ⇆ H₂CO₃ ⇆ CO₂ + H₂O
  • Amortiguadores sin bicarbonato:
    • Menos importante fisiológicamente
    • Ejemplos: proteínas (e.g., albúmina, hemoglobina), fosfatos
• pK: pH de un tampón cuando está ionizado al 50%
  • Ejemplo: bicarbonato
    • HCO₃^– + H⁺ ⇆ H₂CO₃
    • El 50% de HCO ₃ y el 50% de H₂CO₃ se produce a pH 6,1.
    • pK de bicarbonato = 6,1
  • Define el rango de pH óptimo para la capacidad tampón de un tampón en particular
  • Los amortiguadores funcionan mejor cuando pK está cerca del pH del fluido que están amortiguando.
• Ecuación de Henderson-Hasselbalch:
  • Fórmula utilizada para determinar el pH de la sangre.
  • El pH de la sangre depende principalmente de la proporción entre las cantidades de HCO₃^– (base) y CO₂ (ácido) en la sangre.
  • Ecuación: pH = 6,1 + log ([HCO₃^–]/[0,03 × PCO₂])
    • 6,1 = pK de HCO₃^– (tampón dominante en la sangre)
    • [HCO₃^–] = concentración de bicarbonato en sangre medida en mEq/L
    • PCO₂ = presión parcial de CO₂ en la sangre medida en mmHg
    • 0,03 = factor de solubilidad para CO₂
  • Se utiliza para generar curvas de titulación.

Manejo del Ácido en los Pulmones

El cuerpo produce aproximadamente 15 000 mmol de ácidos volátiles y 70 mmol de ácidos no volátiles al día. Los pulmones y los riñones trabajan en conjunto para eliminar esta carga ácida diaria, lo que evita que la capacidad amortiguadora de la sangre se sobrepase y le permite mantener un pH normal.

• La carga de ácido primaria producida por el cuerpo está en forma de CO₂ (un ácido volátil) producido a través del metabolismo aeróbico.
• El CO₂ se elimina a través del tracto respiratorio.
• ↑ CO₂ → ↑ respiración

Manejo del Ácido en los Riñones

Los riñones son los principales responsables de la eliminación de los ácidos fijos (no volátiles), aproximadamente 70 mmol al día. Previenen la excreción de bicarbonato y también combinan la excreción de ácido con la nueva generación de bicarbonato para que el sistema tampón de bicarbonato esté siempre disponible a plena capacidad.

Reabsorción de bicarbonato

El bicarbonato se filtra libremente en el glomérulo y luego se reabsorbe el 100% (80% en el túbulo proximal) a través del siguiente proceso:

1. El intercambiador de iones de sodio–hidrógeno 3 (NHE3) absorbe Na⁺ y secreta H⁺.
2. El H⁺ secretado se combina con el HCO₃^– filtrado para formar H₂CO₃ en el lumen tubular.
3. El H₂CO₃ se convierte en H₂O y CO₂ mediante anhidrasa carbónica apical IV.
4. El CO₂ se difunde libremente a través de la membrana apical de regreso a la célula.
5. La anhidrasa carbónica intracelular II convierte CO₂ + H₂O de nuevo en H₂CO₃.
6. Entonces, el H₂CO₃ puede disociarse en H⁺ y HCO₃^–:
   • Los H⁺ se reciclan a través del proceso a través de NHE3.
   • HCO₃: se absorbe a través de la membrana basolateral a través de:
     • Cotransportador de Na⁺-HCO₃^–
     • Intercambiador de HCO₃^–-Cl^–
7. Efectos netos de todo el proceso:
   • Excreción de H⁺
   • Absorción de HCO₃^–
8. Nota: El bicarbonato no es libremente permeable a través de la membrana apical porque es una molécula cargada.
9. Ubicaciones de reabsorción de HCO₃:
   • Túbulo proximal: 80%
   • Extremidad ascendente gruesa: 10%
   • Túbulo contorneado distal: 6%
   • Conducto colector: 4%

Amoníaco (NH₃)

El NH₃ puede ayudar a excretar ácidos fijos.

• Representa el 60% de la excreción de ácido fijo
• Ocurre principalmente en el túbulo proximal
• El NH₃ puede unirse al H⁺, que luego se elimina en la orina:
  • Dentro del túbulo, el NH₃ puede unirse a H⁺ → se convierte en NH₄⁺, que permanece en la orina y se excreta
  • El NH₄⁺ puede generarse dentro de la célula del túbulo proximal y excretarse en el líquido tubular.
• El NH₄⁺ (amonio) y el HCO₃^– se generan a partir del metabolismo de la glutamina en las mitocondrias:
  • Glutamina deshidrogenasa: glutamina → glutamato + NH₄⁺, luego
  • Glutamato deshidrogenasa: glutamato → 𝛼 -cetoglutarato + NH₄⁺, luego
  • El 𝛼-cetoglutarato entra en el ciclo de Krebs → genera 2 moléculas de HCO₃^–
• El NH₄⁺ se secreta en el líquido tubular a través de 2 mecanismos:
  • NHE3 intercambia directamente Na⁺ por NH₄⁺.
  • El NH₃ es permeable a la membrana:
    • Cruza libremente desde el interior de la celda hacia el lumen tubular
    • Se combina con H⁺ libre para formar NH₄⁺
• El HCO₃^–, producido en el ciclo de Krebs, se reabsorbe a través de la membrana basolateral hacia el torrente sanguíneo.
• Este proceso es muy adaptable: se regula al alza en la acidosis crónica.

Ácidos titulables

• Representa el 40% de la excreción de ácido fijo
• Ocurre en el túbulo proximal, el túbulo contorneado distal y el conducto colector
• Los ácidos titulables tamponan a H⁺ y luego se eliminan en la orina:
  • El H₂CO₃ intracelular se disocia en H⁺ y HCO₃^–.
  • Los iones H⁺ se secretan en la luz tubular por:
    • H⁺-ATPasa tipo V
    • NHE3
  • El ácido titulable se une a H⁺.
  • El compuesto unido se excreta en la orina.
  • El HCO₃^– (del primer paso) queda dentro de la célula y se considera “regenerado”.
• Ejemplos de ácidos titulables:
  • pK más cercano al pH de la orina normal → es más útil para unir H⁺ en condiciones normales:
    • Fosfato (pK 6,8)
  • pK más lejos del pH normal de la orina → es menos útil:
    • Urato (pK 5,8)
    • Creatinina (pK 5,0)
  • pK menor que el mínimo pH posible en orina (aproximadamente 4,4) → no es útil:
    • Lactato (pK 3,9)
    • Piruvato (pK 2,5)
• Este sistema no se regula al alza en la acidosis crónica (a diferencia del sistema de amoníaco).

Relevancia Clínica

Cuando un proceso patológico sobrepasa la capacidad normal de regular el pH, se producen los trastornos ácido-base primarios que se enumeran a continuación. También se producen mecanismos compensatorios que ayudan a compensar el cambio de pH.

• Acidosis metabólica: procesos que dan como resultado la acumulación de H⁺ y generalmente causan acidemia (i.e., la disminución del pH sanguíneo): este proceso puede ser el resultado de una pérdida excesiva de amortiguadores (e.g., diarrea) o una mayor producción de ácidos (e.g., cetoacidosis y acidosis láctica).
• Alcalosis metabólica: procesos que resultan en la acumulación de HCO₃^– y generalmente causan alcalemia (i.e, el aumento del pH sanguíneo): este proceso puede ser el resultado de un suministro excesivo de amortiguadores o una mayor excreción de iones de hidrógeno. Las causas comunes son los vómitos y el síndrome de calcio y álcali.
• Acidosis respiratoria: procesos que resultan en la acumulación de CO₂ arterial y generalmente causan acidemia (i.e., la disminución del pH sanguíneo): este proceso puede ser el resultado de una depuración deficiente de CO₂ por los pulmones. Las causas comunes son la enfermedad pulmonar obstructiva crónica y el asma.
• Alcalosis respiratoria: procesos que dan como resultado la disminución del CO₂ arterial y generalmente causan alcalemia (i.e., el aumento del pH sanguíneo): este proceso puede ser el resultado de una eliminación excesiva de CO₂ de la sangre por una mayor ventilación. Las causas comunes incluyen embarazo, ansiedad y sobredosis de aspirina.