Sistema tampone bicarbonato - Bicarbonate buffer system

Il carbonio, un sottoprodotto della respirazione cellulare , viene sciolto nel sangue, dove viene assorbito dai globuli rossi e convertito in acido carbonico dall'anidrasi carbonica. La maggior parte dell'acido carbonico si dissocia quindi in ioni bicarbonato e idrogeno.

Il sistema tampone bicarbonato è un meccanismo omeostatico acido-base che coinvolge l'equilibrio di acido carbonico (H 2 CO 3 ), ione bicarbonato (HCO -
3 ) e anidride carbonica (CO 2 ) per mantenere il pH nel sangue e nel duodeno , tra gli altri tessuti, per supportare una corretta funzione metabolica . Catalizzata dall'anidrasi carbonica , l'anidride carbonica (CO 2 ) reagisce con l'acqua (H 2 O) per formare acido carbonico (H 2 CO 3 ), che a sua volta si dissocia rapidamente per formare uno ione bicarbonato (HCO -
3 ) e uno ione idrogeno (H + ) come mostrato nella seguente reazione:

Come con qualsiasi sistema tampone , il pH è bilanciato dalla presenza sia di un acido debole (ad esempio, H 2 CO 3 ) che della sua base coniugata (ad esempio, HCO -
3 ) in modo da neutralizzare l'eventuale eccesso di acido o base introdotto nel sistema.

Il mancato funzionamento di questo sistema provoca uno squilibrio acido-base, come acidemia (pH <7,35) e alcaliemia (pH> 7,45) nel sangue.

Nell'equilibrio acido-base sistemico

Nei tessuti, la respirazione cellulare produce anidride carbonica come prodotto di scarto; come uno dei ruoli primari del sistema cardiovascolare , la maggior parte di questa CO 2 viene rapidamente rimossa dai tessuti mediante la sua idratazione a ione bicarbonato. Lo ione bicarbonato presente nel plasma sanguigno viene trasportato ai polmoni, dove viene nuovamente disidratato in CO 2 e rilasciato durante l'espirazione. Queste conversioni di idratazione e disidratazione di CO 2 e H 2 CO 3 , normalmente molto lente, sono agevolate dall'anidrasi carbonica sia nel sangue che nel duodeno. Mentre nel sangue, lo ione bicarbonato serve a neutralizzare l'acido introdotto nel sangue attraverso altri processi metabolici (es. Acido lattico , corpi chetonici ); allo stesso modo eventuali basi (es. urea derivante dal catabolismo delle proteine ) vengono neutralizzate dall'acido carbonico (H 2 CO 3 ).

Regolamento

Come calcolato dall'equazione di Henderson – Hasselbalch , per mantenere un pH normale di 7,4 nel sangue (per cui il pKa dell'acido carbonico è 6,1 a temperatura fisiologica), è necessario mantenere costantemente un bicarbonato ad acido carbonico 20: 1; questa omeostasi è mediata principalmente da sensori di pH nel midollo allungato del cervello e probabilmente nei reni , collegati tramite circuiti di feedback negativi agli effettori nei sistemi respiratorio e renale . Nel sangue della maggior parte degli animali, il sistema tampone bicarbonato è accoppiato ai polmoni tramite la compensazione respiratoria , il processo mediante il quale la velocità e / o la profondità della respirazione cambia per compensare le variazioni nella concentrazione ematica di CO 2 . Secondo il principio di Le Chatelier , il rilascio di CO 2 dai polmoni spinge la reazione in alto a sinistra, facendo sì che l'anidrasi carbonica formi CO 2 fino a rimuovere tutto l'acido in eccesso. La concentrazione di bicarbonato è inoltre ulteriormente regolata dalla compensazione renale , il processo mediante il quale i reni regolano la concentrazione di ioni bicarbonato secernendo ioni H + nelle urine e, allo stesso tempo, riassorbono HCO -
3 ioni nel plasma sanguigno o viceversa , a seconda che il pH del plasma stia rispettivamente diminuendo o aumentando.

Equazione di Henderson – Hasselbalch

Una versione modificata dell'equazione di Henderson – Hasselbalch può essere utilizzata per mettere in relazione il pH del sangue con i componenti del sistema tampone bicarbonato:

dove:

Nel descrivere gas del sangue arterioso , l'equazione di Henderson-Hasselbalch è solitamente citato in termini di pCO 2 , la pressione parziale di anidride carbonica , anziché H 2 CO 3 . Tuttavia, queste quantità sono correlate dall'equazione:

dove:

Presa insieme, la seguente equazione può essere utilizzata per mettere in relazione il pH del sangue con la concentrazione di bicarbonato e la pressione parziale di anidride carbonica:

dove:

  • Il pH è l'acidità nel sangue
  • [HCO -
    3     ] è la concentrazione di bicarbonato nel sangue, in mmol / L
  • p CO 2 è la pressione parziale dell'anidride carbonica nel sangue, in mmHg

Derivazione dell'approssimazione di Kassirer-Bleich

L'equazione di Henderson-Hasselbalch, che è derivata dalla legge dell'azione di massa , può essere modificata rispetto al sistema tampone del bicarbonato per produrre un'equazione più semplice che fornisce una rapida approssimazione dell'H + o dell'HCO -
3 concentrazione senza la necessità di calcolare i logaritmi:

Poiché la pressione parziale dell'anidride carbonica è molto più facile da ottenere dalla misurazione rispetto all'acido carbonico, la costante di solubilità della legge di Henry - che mette in relazione la pressione parziale di un gas con la sua solubilità - per la CO 2 nel plasma viene utilizzata al posto della concentrazione di acido carbonico . Dopo aver riorganizzato l'equazione e applicato la legge di Henry, l'equazione diventa:

dove K ' è la costante di dissociazione dalla p K a dell'acido carbonico, 6.1, che è uguale a 800nmol / L (poiché K' = 10 −p Ka = 10 - (6.1) ≈ 8.00X10 −07 mol / L = 800nmol / L).

Moltiplicando K ' (espresso come nmol / L) e 0,03 (800 X 0,03 = 24) e riorganizzando rispetto a HCO -
3 , l'equazione è semplificata in:

In altri tessuti

Il sistema tampone bicarbonato svolge un ruolo fondamentale anche in altri tessuti. Nello stomaco e nel duodeno umani, il sistema tampone bicarbonato serve sia a neutralizzare l'acido gastrico sia a stabilizzare il pH intracellulare delle cellule epiteliali tramite la secrezione di ione bicarbonato nella mucosa gastrica . Nei pazienti con ulcere duodenali, l' eradicazione dell'Helicobacter pylori può ripristinare la secrezione di bicarbonato della mucosa e ridurre il rischio di recidiva dell'ulcera.

Riferimenti

link esterno