Fisiologia do Equilíbrio Ácido-base

Visão Geral do pH

O pH é a medida quantitativa da acidez ou basicidade de uma solução.

• pH = –log ₁₀ [H ⁺ ]:
  • [H ⁺ ] = concentração de iões de hidrogénio (ou seja, protões) em solução
  • Escala logarítmica de 1 a 14
    • 1 = maximamente ácido, 14 = maximamente básico
    • 7 = ponto neutro: concentrações iguais de H ⁺ e OH ^–
• O pH normal do sangue arterial é de aproximadamente 7.40.
• A faixa normal é bem regulada para permanecer entre 7.35 e 7.45.
  • Acidemia: mais iões de hidrogénio (H ⁺ ) no sangue = pH< 7.35
  • Alcalemia: mais iões hidróxido (OH ^– ) no sangue = pH> 7.45
• “-emia” vs. “-ose”
  • “-emia” significa “no sangue”.
  • “-ose” refere-se a um processo: Acidose e alcalose referem-se aos processos que causam acidemia e alcalemia.

Ácidos, Bases e Tampões

As concentrações relativas de ácidos e bases no sangue determinam o seu pH. Os tampões fornecem uma solução de curto prazo para distúrbios neste equilíbrio antes que os pulmões e os rins possam atuar definitivamente para restaurar o equilíbrio.

Ácidos

Os ácidos são compostos que podem doar protões (H ⁺) ou aceitar eletrões.

• H ⁺ são libertados quando os ácidos se dissociam em solução → ↓ pH
• Classificado por força e volatilidade:
  • Ácidos fortes:
    • Totalmente ionizados em água
    • Mais H ⁺ libertado na água → maior efeito no pH
    • Exemplo: ácido clorídrico (HCl)
  • Ácidos fracos:
    • Ionizam parcialmente em água
    • Menos H⁺ libertado na água → efeito relativamente menor no pH
    • Exemplo: ácido carbónico (H₂CO₃)
  • Ácidos voláteis:
    • Podem mudar de estado para um gás → removível pelos pulmões
    • Exemplo primário: CO₂
    • O corpo produz aproximadamente 15.000 mmol de ácido volátil por dia através do metabolismo aeróbico.
  • Ácidos não voláteis (fixos):
    • Não podem mudar de estado para um gás → não removível pelos pulmões
    • Removido pelos rins
    • O corpo produz aproximadamente 70 mmol de ácidos fixos por dia através do metabolismo anaeróbico e do trato GI.
    • Exemplos: ácido lático, ácido úrico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico

Bases

As bases são compostos que podem aceitar protões (H ⁺) ou doar eletrões.

• Os íons hidróxido (OH ^– ) são libertados quando as bases se dissociam em solução:
  • OH ^– combina com H⁺ livre para formar H₂O.
  • O resultado líquido é menor [H⁺ ] → ↑ pH (torna-se mais básico)
• Classificado por força:
  • Bases fortes:
    • Totalmente ionizadas em água
    • Mais OH ^– libertado na água → maior efeito no pH
    • Exemplo: hidróxido de sódio (NaOH)
  • Bases fracas:
    • Ionizam parcialmente em água
    • Menos OH ^– libertado na água → efeito relativamente menor no pH
    • Exemplos: bicarbonato (HCO₃^– ), amónia (NH₃)

Tampões

Tampões são substâncias que consomem ou libertam iões de hidrogénio (H⁺ ) para estabilizar o pH.

• A potência tampão refere-se à quantidade de H⁺ que pode ser adicionada ou removida.
• Categorizados como tampões de bicarbonato e não bicarbonato:
  • Bicarbonato (HCO₃^– ):
    • Tampão mais importante fisiologicamente
    • HCO₃^– + H⁺ ⇆ H₂ CO₃ ⇆ CO₂ + H₂O
  • Tampões não bicarbonato:
    • Menos importante fisiologicamente
    • Exemplos: proteínas (por exemplo, albumina, hemoglobina), fosfatos
• pK: pH de um tampão quando está 50% ionizado
  • Exemplo: bicarbonato
    • HCO₃^– + H⁺ ⇆ H₂ CO₃
    • 50% HCO₃^– e 50% H₂CO₃ ocorre em pH 6.1.
    • pK de bicarbonato = 6.1
  • Define a faixa de pH ideal para capacidade de tampão de um tampão específico
  • Os tampões funcionam melhor quando o pK está próximo do pH do fluido que estão a tamponizar.
• Equação de Henderson-Hasselbalch:
  • Fórmula usada para determinar o pH do sangue
  • O pH do sangue depende principalmente da relação entre as quantidades de HCO₃^– (base) e CO₂ (ácido) no sangue.
  • Equação: pH = 6.1 + log ([HCO₃^– ]/[0,03 × PCO₂ ] )
    • 6.1 = pK de HCO₃^– (tampão dominante no sangue)
    • [HCO₃^– ] = concentração de bicarbonato no sangue medida em mEq/L
    • PCO ₂ = pressão parcial de CO₂ no sangue medida em mm Hg
    • 0,03 = fator de solubilidade para CO₂
  • Usado para gerar curvas de titulação

Abordagem de Ácido nos Pulmões

O corpo produz aproximadamente 15.000 mmol de ácidos voláteis e 70 mmol de ácidos não voláteis diariamente. Os pulmões e os rins trabalham em conjunto para eliminar esta carga ácida diária, o que impede que a capacidade de tamponamento do sangue esteja sobrecarregada, permitindo assim manter um pH normal.

• A carga ácida primária produzida pelo corpo está na forma de CO₂ (um ácido volátil) produzido através do metabolismo aeróbico.
• O CO₂ é eliminado pelo trato respiratório.
• ↑ CO₂ → ↑ respiração

Abordagem de Ácido nos Rins

Os rins são os principais responsáveis pela eliminação dos ácidos fixos (não voláteis), aproximadamente 70 mmol por dia. Evitam a excreção de bicarbonato e também combinam a excreção de ácido com a nova geração de bicarbonato para que o sistema tampão de bicarbonato esteja sempre disponível em plena capacidade.

Reabsorção de bicarbonato

O bicarbonato é filtrado livremente no glomérulo e 100% é então reabsorvido (80% no túbulo proximal) pelo seguinte processo:

1. O trocador de iões sódio-hidrogénio 3 (NHE3, pela sigla em inglês) absorve Na ⁺ e secreta H ⁺ .
2. H ⁺ secretado combinam-se com o HCO₃ filtrado ^– para formar H₂CO₃ no lúmen tubular.
3. H₂CO₃ é convertido em H₂O e CO₂ pela anidrase carbónica apical IV.
4. O CO₂ difunde-se livremente através da membrana apical de volta para a célula.
5. A anidrase carbónica II intracelular converte CO₂ + H₂O novamente em H₂CO₃ .
6. H₂CO₃ pode então dissociar-se em H⁺ e HCO ₃^– :
   • H⁺ são reciclados pelo processo através de NHE3.
   • HCO₃^– é absorvido através da membrana basolateral via:
     • Cotransportador Na⁺ -HCO₃^–
     • Trocador HCO₃^– -Cl ^–
7. Resultados finais de todo o processo:
   • Excreção de H ⁺
   • Absorção _de HCO3 ^–
8. Nota: O bicarbonato não é livremente permeável através da membrana apical porque é uma molécula carregada.
9. Locais de reabsorção HCO₃^– :
   • Túbulo proximal: 80%
   • Ramo ascendente espesso: 10%
   • Túbulo contornado distal: 6%
   • Ducto coletor: 4%

Amónia (NH₃ )

NH₃ é capaz de ajudar a excretar ácidos fixos.

• Representa 60% da excreção fixa de ácido
• Ocorre principalmente no túbulo proximal
• O NH₃ pode-se ligar ao H⁺ , que é então eliminado na urina:
  • Dentro do túbulo, o NH ₃ pode-se ligar ao H⁺ → torna-se NH ₄⁺ , que permanece na urina e é excretado
  • O NH₄⁺ pode ser gerado dentro da célula do túbulo proximal e excretado no líquido tubular.
• NH₄⁺ (amónia) e HCO₃^– são gerados a partir do metabolismo da glutamina na mitocôndria:
  • Glutamina desidrogenase: glutamina → glutamato + NH ₄⁺ , depois
  • Glutamato desidrogenase: glutamato → 𝛼-cetoglutarato + NH ₄⁺ , depois
  • 𝛼-cetoglutarato entra no ciclo de Krebs → 2 moléculas de HCO ₃^–
• O NH ₄⁺ é secretado no fluido tubular através de 2 mecanismos:
  • NHE3 troca diretamente Na ⁺ por NH4 ₊^.
  • NH ₃ é permeável à membrana:
    • Cruza livremente do interior da célula para o lúmen tubular
    • Combina com H ⁺ livre para formar NH ₄⁺
• HCO ₃^– produzido no ciclo de Krebs é reabsorvido através da membrana basolateral para a corrente sanguínea.
• Este processo é altamente adaptável: regula positivamente na acidose crónica.

Ácidos tituláveis

• Representam 40% da excreção fixa de ácido
• Ocorre no túbulo proximal, túbulo contorcido distal e ducto coletor
• Ácidos tituláveis tamponam um H ⁺ e são depois eliminados na urina:
  • O H ₂ CO ₃ intracelular dissocia-se em H ⁺ e HCO ₃^– .
  • Os iões H ⁺ são secretados no lúmen tubular por:
    • ATPase H ⁺ do tipo V
    • NHE3
  • O ácido titulável liga-se ao H ⁺ .
  • O composto ligado é excretado na urina.
  • HCO ₃^– (da primeira etapa) fica dentro da célula e é considerado “regenerado”.
• Exemplos de ácidos tituláveis:
  • pK está mais próximo do pH da urina normal → mais útil para a ligação de H ⁺ em condições normais:
    • Fosfato (pK 6.8)
  • pK mais distante do pH normal da urina → menos útil:
    • Urato (pK 5.8)
    • Creatinina (pK 5.0)
  • pK menor que o pH mínimo possível da urina (aproximadamente 4.4) → não é útil:
    • Lactato (pK 3.9)
    • Piruvato (pK 2.5)
• Este sistema não se regula positivamente na acidose crónica (ao contrário do sistema de amónia).

Relevância Clínica

Quando um processo de doença supera a capacidade normal de regular o pH, ocorrem os principais distúrbios ácido-base listados abaixo. Também ocorrem mecanismos compensatórios, que ajudam a compensar a mudança no pH.

• Acidose metabólica: processos que resultam na acumulação de H ⁺ e geralmente causam acidemia (ou seja, a diminuição do pH do sangue): Este processo pode ser o resultado de perda excessiva de tampões (por exemplo, diarreia) ou aumento da produção de ácidos (por exemplo, cetoacidose e acidose láctica).
• Alcalose metabólica: processos que resultam na acumulação de HCO ₃^– e geralmente causam alcalemia (ou seja, aumento do pH do sangue): Este processo pode ser resultado do fornecimento excessivo de tampões ou aumento da excreção de iões hidrogénio. As causas comuns são vómitos e síndrome cálcio-alkali.
• Acidose respiratória: processos que resultam na acumulação de CO ₂ arterial e geralmente causam acidemia (ou seja, a diminuição do pH do sangue): Este processo pode ser resultado de uma remoção insuficiente de CO ₂ pelos pulmões. As causas comuns são doença pulmonar obstrutiva crónica e asma.
• Alcalose respiratória: processos que resultam na diminuição do CO ₂ arterial e geralmente causam alcalemia (ou seja, aumento do pH do sangue): Este processo pode ser o resultado da remoção excessiva de CO ₂ do sangue pelo aumento da ventilação. As causas comuns incluem gravidez, ansiedade e overdose de aspirina.