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REGULACION DEL EQUILIBRIO ACIDO-BASE

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Contenido
• Mecanismos de regulación del equilibrio ácido-base
• Mecanismo respiratorio de regulación del pH
• Mecanismos renales de regulación del pH
• Alteraciones del equilibrio ácido-base
 
 
Conceptos clave
1 El principal sistema amortiguador del líquido extracelular es el par HCO3-/CO2. En el líquido intracelular los dos sistemas
amortiguadores más importantes son los fosfatos y las proteínas.
2 Aunque el pKa del par HCO3-/CO2 es bajo comparado con el pH del plasma (6.1 7.4), es un sistema amortiguador muy
eficiente debido a que está en contacto con una gran fuente de CO2 –que proviene del metabolismo- y la velocidad a la que se
elimina el CO2 se puede variar con la frecuencia respiratoria.
3 La ecuación de Henderson-Hasselbach describe, para un pKa determinado, la relación que hay entre la concentración de la base
conjugada, el ácido y el pH de la solución.
4 En la acidosis el pH de la sangre está por debajo de 7.35; en la alcalosis, por arriba de 7.45.
5 Las alteraciones ácido-base pueden ser metabólicas o respiratorias. En las alteraciones metabólicas se altera el numerador de la
ecuación de Henderson-Hasselbach, mientras que en las respiratorias es el denominador.
 
 
El sistema de regulación ácido-base protege al organismo contra las modificaciones del
pH, debidas en especial a la continua formación de diversos ácidos producidos en el
metabolismo; de hecho, el pH del líquido extracelular es muy constante, entre 7.35 y
7.45. En los mamíferos, la vida es incompatible con valores de pH en la sangre menores
de 7 o mayores de 8.
 
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Mecanismos de regulación del equilibrio ácido-base
En los mamíferos existen tres procesos que contribuyen a mantener la concentración de
H+ dentro de límites normales en los líquidos orgánicos y a su ajuste por los sistemas
amortiguadores, a saber: el intercambio iónico, los mecanismos respiratorios y los
mecanismos renales.
 
Regulación del pH por los sistemas amortiguadores:
intercambio iónico
El sistema amortiguador más eficaz en los mamíferos es el formado por HCO3-/CO2,
pues el organismo dispone de cantidades casi ilimitadas de CO2 provenientes del
metabolismo aerobio de las células. Muchas de las sustancias degradadas en el organismo
generan una gran cantidad de CO2 como producto final, que se combina con H2O y
forma ácido carbónico, H2CO3. El ácido carbónico tiene la enorme ventaja de eliminarse
en forma de CO2 a través de la respiración, por lo cual se le llama ácido volátil. En el
metabolismo se producen además otros ácidos fijos (no volátiles) como el ácido
sulfúrico, derivado de los aminoácidos cisteína y metionina; los ácidos acetoacético y β-
hidroxibutírico, derivados de la degradación de las grasas; el ácido úrico, proveniente de
las bases púricas; y el ácido fosfórico, originado a partir de diversos compuestos que
contienen grupos fosfato. En tales casos, el H+ del ácido no volátil es neutralizado de
inmediato por el ion bicarbonato, HCO3-, para convertirse en ácido carbónico y después
en CO2 y H2O. De esta manera se evita la acidez, pero baja la cantidad de HCO3-
disponible, y por tanto la capacidad amortiguadora del líquido extracelular. En ocasiones
se usa el término “reserva alcalina” para referirse a la cantidad de bicarbonato disponible.
El sistema HCO3-/CO2 no es el único sistema amortiguador presente en el organismo;
las proteínas plasmáticas y celulares, la hemoglobina del eritrocito y los fosfatos
intracelulares y extracelulares intervienen también en los procesos de neutralización. Las
bases conjugadas de los amortiguadores que se combinan con los H+ son el primer sitio
de defensa contra una alteración producida por exceso de acidez. Como es difícil valorar
la suma de todos los amortiguadores corporales, en la práctica se hacen cálculos basados
en el pH de la sangre, el contenido de CO2 total de la sangre entera o del plasma, y el
hematocrito. La influencia del mecanismo de intercambio de iones para mantener el pH
de los líquidos orgánicos se ejemplifica de manera característica por el intercambio de
aniones entre los glóbulos rojos y el plasma. Así, al aumentar el CO2 en el plasma
difunde al eritrocito, donde se combina con agua para formar ácido carbónico, H2CO3,
en una reacción catalizada por la anhidrasa carbónica (AC)
 
 
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El H2CO3 se disocia en H+ y HCO3-,
 
 
el H+ se capta por las proteínas, en especial la hemoglobina, y el HCO3- se difunde con
facilidad al exterior del eritrocito a cambio de un número igual de Cl- que penetra para
mantener la neutralidad eléctrica. La salida del HCO3- al plasma aumenta su alcalinidad
(ecuación de Henderson-Hasselbalch) y neutraliza la mayor acidez (descenso del pH)
generada por el incremento de CO2 en el plasma.
 
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Mecanismo respiratorio de regulación del pH
En el mecanismo de regulación respiratoria del pH participan los cambios de los
volúmenes respiratorios y la frecuencia del número de respiraciones, pues afectan el
transporte de oxígeno en la sangre, el efecto amortiguador de la hemoglobina y la
eliminación del ácido carbónico (en forma de CO2) a través de los pulmones. La
regulación respiratoria del pH está ligada de manera estrecha al funcionamiento del
sistema amortiguador HCO3-/CO2 en el plasma y los eritrocitos. Debido al valor de las
constantes de equilibrio que describen las reacciones entre el CO2, el H2CO3 y el HCO3-,
la concentración de HCO3- es mucho más grande que la de H2CO3, la cual varía, de
acuerdo con la primera reacción, con la concentración de CO2 en el plasma, que a su vez
está relacionada con la producción de CO2 en el metabolismo y la eliminación de este gas
por los pulmones. La cantidad de CO2 liberado del plasma al exterior en los pulmones
aumenta con la velocidad y la profundidad de las respiraciones. A su vez, el pH y la
concentración de CO2 en la sangre influyen en los movimientos respiratorios a través del
sistema nervioso central, en donde estimulan la amplitud y la frecuencia de los
movimientos respiratorios y así se elimina más CO2 y se recibe más O2 a través de los
pulmones; con ello disminuye de manera progresiva la concentración de CO2 en la
sangre, aumenta el pH y desaparece el estímulo de los movimientos respiratorios; éstos
ajustan su frecuencia y amplitud y, en una nueva etapa, se expulsa menos CO2. Así se
restablece la relación [HCO3-]/[CO2] de 20 a 1, y se mantiene el pH sanguíneo; éste
puede calcularse aplicando la ecuación de Henderson-Hasselbalch para el par
amortiguador [HCO3-]/[CO2], que se obtiene de la suma de las dos reacciones anteriores
 
y cuyo pK es de 6.1. Para un pH de 7.4, la relación [HCO3-]/[CO2] es de 20 a 1:
 
 
Debido al equilibrio que existe entre el CO2, H2CO3 y HCO3-, en la ecuación de
Henderson-Hasselbalch se coloca la concentración de HCO3- en el numerador, que
corresponde a la base conjugada y la de CO2 en el denominador, que equivale al ácido.
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Tanto la pCO2 en mmHg, como la concentración de CO2 en mM, se pueden utilizar sin
problema en la ecuación de Henderson-Hasselbalch, ya que pCO2 y CO2 están
relacionadas por la siguiente ecuación:
 
 
Si disminuye a la mitad la concentración de bicarbonato [HCO3-], se presenta la situación
siguiente:
La baja de [HCO3-] ocasiona un decremento de la relación del par amortiguador y un
descenso del pH hasta 7.1. La compensación respiratoria consiste en el estímulo de la
respiración debido a la baja del pH, con lo cual se expele con mayor facilidad el CO2 y
disminuye así la pCO2 y, por lo tanto, la concentración de CO2, tal como se muestra
enseguida:
 
 
Se vuelve a la relación 20 a 1 del par [HCO3-]/[CO2] y se obtiene un pH normal de 7.4 a
costa de una disminución tanto del HCO3- como del CO2, pues lo más importante es la
relación entre los dos miembros del par y no sus cantidades absolutas (figura 4-1). Por el
contrario, si se incrementa el pH plasmático por aumento del HCO3- se tendría, por
ejemplo, lo siguiente:
 
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https://booksmedicos.orgFigura 4-1. Relaciones entre CO2 y HCO3– en diversas alteraciones. Se señalan con líneas punteadas
horizontales los valores normales para ambas sustancias. Nótese que la escala para la concentración del CO2 es
diferente a la del HCO3-.
 
 
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El ajuste respiratorio para contender con la alcalosis consiste en la disminución de la
intensidad y frecuencia respiratorias para impedir la salida de CO2, la cual conduce a un
aumento en la pCO2 en el plasma; de esta manera, aumenta la concentración de CO2:
 
 
Se restablece así el pH original de la sangre, al aumentar la concentración de CO2 sin
disminuir la concentración de HCO3-; sin embargo, este arreglo es transitorio y depende
de la mayor disponibilidad de CO2. El mecanismo respiratorio de regulación del pH
(figura 4-1) ajusta la relación HCO3-/CO2, aun cuando persistan las modificaciones en la
concentración fisiológica de ambos miembros del par; para volver a las concentraciones
normales ([HCO3- = 24 mM y [CO2] = 1.2 mM]), es necesario que participen los
riñones.
 
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Mecanismos renales de regulación del pH
Los riñones son reguladores eficaces del equilibrio ácido-base por su capacidad de
eliminar los ácidos fijos, o sea los iones H+, pues cuando éstos se producen, al principio
se combinan con HCO3-, impidiendo así cambios importantes en el pH, pero esto
disminuye la reserva alcalina del plasma. Los ácidos fijos producidos en el metabolismo
constituyen cerca de 100 mEq diarios; el riñón los elimina al mismo tiempo que recobra
la reserva alcalina (HCO3-) para que el organismo siga contando con su capacidad
amortiguadora. El filtrado glomerular, en condiciones normales, tiene pH de 7.4; el pH de
la orina varía de 4 a 8, según las necesidades del organismo. El ajuste del pH urinario
depende de la disponibilidad de ácidos fijos, H+, necesarios para acidificar la orina, o la
de HCO3-, necesario para alcalinizarla.
 
Producción de orina ácida
La excreción de orina ácida resulta de la adición de H+ por los túbulos renales. Por
ejemplo, en estado normal en el plasma y en el filtrado glomerular a pH de 7.4, la
relación entre el fosfato divalente, HPO42-, y el fosfato monovalente, H2PO4-, es de 4 a
1. En caso de acidez la relación cambia: a pH de 5.4 es de 4 a 108, y a pH de 4.8, la
relación es de 4 a 400. Para sostener la neutralidad eléctrica, por cada H+ que sale entra
un Na+; cuando se excreta un H2PO4- sólo se pierde un Na+ y no dos, como cuando se
excreta HPO42- (figura 4-2). De este modo, se elimina H+ sin pérdidas excesivas de sodio
extracelular y con recuperación del HCO3- del plasma. Lo mismo ocurre con otros
aniones con capacidad de captar hidrogeniones y excretarse, como el acetoacetato
presente en la cetosis (capítulo 19): a pH bajo existe en forma de ácido completo, no
disociado; a pH alto se disocia en acetoacetato y H+, y para eliminar un acetoacetato se
debe perder un Na+. Al pH fisiológico más ácido de la orina, la mitad del ácido
acetoacético está en forma de acetoacetato y la otra mitad como ácido no disociado, o
sea, se pierde sólo un Na+ por cada dos moléculas de acetoacetato eliminadas. Cuando el
pH del plasma tiende a la alcalinidad, la excreción tubular de H+ disminuye a nivel renal y
se excreta el fosfato en forma de HPO42-, con lo cual es necesario perder dos Na+; lo
mismo sucede con los ácidos orgánicos presentes eliminados a pH elevado y en equilibrio
con más Na+. Cada H+ retenido, a cambio del Na+ eliminado, se combina con el HCO3-
y genera H2CO3, el cual se transforma en H2O + CO2; por lo tanto, disminuye la reserva
alcalina (HCO3-) del plasma.
 
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Figura 4-2. Mecanismo de producción de orina ácida. El resultado neto es la ganancia de un Na+ a cambio de la
expulsión de un H+.
 
Excreción de amoniaco
El riñón también excreta H+ en forma de ion amonio, NH4+, uniéndolo al NH3 cedido
por la glutamina y, en menor proporción, por otros aminoácidos. El H+ proviene del
H2CO3 (H+ + HCO3-), aunque al principio se originó en un ácido fijo neutralizado en el
plasma por HCO3-. El NH3 excretado como ion amonio NH4+ conserva la neutralidad
eléctrica al eliminarse con el anión Cl-; en estas condiciones, la acidez de la orina
disminuye y el NH4+ se intercambia por Na+, que se absorbe por el túbulo renal y pasa a
la circulación para equilibrarse con el HCO3-, proveniente del H2CO3; de esta manera, se
reconstituye el valor original de Na+ de la “base fija” alcalina del organismo (figura 4-3).
Aunque los efectos más importantes son los de la retención de HCO3- y la reabsorción de
Na+ a cambio de la salida de H+, parte del Na+ se reabsorbe a cambio de K+, el cual sale
por la orina.
 
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Figura 4-3. Conservación del Na+ por medio de la excreción de NH3. El Na+ ingresa a favor de la salida de un
H+, el cual, con el NH3 proveniente de la desaminación de la glutamina, se excreta como NH4+.
 
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Alteraciones del equilibrio ácido-base
En clínica, las alteraciones del equilibrio ácido-base están ligadas de manera estrecha a la
relación [HCO3-]/[CO2] en la sangre, índice fiel del estado del pH; conforme a la
ecuación de Henderson-Hasselbalch:
 
 
Las alteraciones aludidas se dividen en dos grandes grupos: las acidosis y las alcalosis,
subdivididas a su vez en las respiratorias y las metabólicas, es decir, acidosis respiratoria
y metabólica y alcalosis respiratoria y metabólica. Los trastornos de tipo respiratorio
modifican al inicio el pH por cambios en la velocidad y profundidad de las respiraciones,
que alteran el contenido de CO2; en las formas metabólicas, el pH sanguíneo se modifica
por la presencia de ácidos “fijos” (o no volátiles) o de bases “fijas” (figura 4-4).
 
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Figura 4-4. Relación entre el pH y la concentración de HCO3– en los principales cuadros anormales.
 
 
Acidosis respiratoria
La hipoventilación crónica de cualquier naturaleza (como en enfisema, fibrosis pulmonar
y enfermedades cardiopulmonares) o la hipoventilación aguda (por intoxicación con
medicamentos o agentes tóxicos que afectan el sistema nervioso, trastornos
neuromusculares, entre otros) causan una eliminación defectuosa de CO2 condicionante
del cuadro de acidosis respiratoria. La retención de CO2 induce un aumento de su tensión
parcial (pCO2). Si aumenta la [CO2], la relación [HCO3-]/ [CO2] disminuye y, en
consecuencia, el pH también se reduce. El mecanismo renal de regulación interviene en
el aumento en la excreción de K+, NH4+ y Cl-; se elimina por la orina el exceso de H+ y
se retiene HCO3-, a expensas del Cl- eliminado, con lo que al final se logra un aumento
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en la concentración de HCO3- (o sea del numerador de la ecuación de Henderson-
Hasselbalch), para restablecer la relación normal 20 a 1. Por otro lado, el aumento de
pCO2 y el descenso del pH estimulan la ventilación pulmonar al tratar de impedir la
acumulación de CO2. Los pacientes con acidosis respiratoria, antes de los ajustes por la
compensación renal, tienen un pH sérico bajo, 7.3, y cifras sensiblemente normales (26
mEq/L) de CO2 total (CO2 + HCO3-), así como de Na+ y K+. Una vez establecida la
compensación, aumenta en grado notable el HCO3-, manifestado por el incremento del
CO2 total en la sangre; no son raras las cifras de 40 a 50 mEq/L. El aumento de CO2
total podría prestarse a confusiones con un cuadro de alcalosis metabólica, de no ser por
las cifras del pH, que caen dentro de la acidosis. Al no haber modificaciones en Na+, K+
y Cl-, se descarta un cuadro metabólico.
 
Alcalosis respiratoria
La alcalosis respiratoria suele deberse a hiperventilación, fenómeno causal del aumento
de la salida de CO2 por vía pulmonar. Al bajar la pCO2, se reduce el denominador de la
ecuación de Henderson-Hasselbalch y aumenta la relación [HCO3-]/[CO2]; se incrementa
así el pH. El cuadro se observa en los comienzos de las enfermedades pulmonares y
cardiopulmonares, cuando existe oxigenacióndeficiente y, por lo tanto, se produce una
hiperventilación; también aparece en casos de excitación del sistema nervioso, como en la
meningitis, o como manifestación de estrés y ansiedad. Al principio, en estos cuadros no
entran en juego mecanismos de ajuste renales; si el problema perdura, la compensación
renal causa el aumento de la excreción de K+ y Na+ y el decremento de la secreción de
H+, los cuales se unen al HCO3-, con lo que baja la concentración de HCO3- en los
líquidos del organismo; la relación alterada de la ecuación de Henderson vuelve a sus
proporciones habituales de 20 a 1. En la alcalosis respiratoria, una manera sencilla de
modificar el trastorno –sobre todo si se debe a hiperventilación por ansiedad– es respirar
dentro de una bolsa, ya que al hacer nuevas inspiraciones de CO2 se impide su salida del
organismo.
 
Acidosis metabólica
En la acidosis metabólica hay acumulación de algún ácido “fijo” no volátil, como el ácido
láctico; el exceso de H+ se combina con HCO3- para formar H2CO3. El efecto neto es el
de reducir el HCO3- y cambiar la ecuación de Henderson hacia la baja del pH; son
comunes las cifras de 10 y hasta 5 mEq/L de HCO3- con pH de 7.2 y 7.1. Los
fenómenos de compensación comprenden el aumento de la ventilación pulmonar para
acelerar la excreción de CO2, con lo cual se recupera la relación 20 a 1 y el pH casi no
disminuye. El mecanismo renal tiende a la conservación máxima del HCO3-,
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absorbiéndolo del filtrado, y al aumento de la excreción urinaria de H+, con los aniones
“fijos” correspondientes (H2PO4-, NH4+ y otros ácidos como el láctico, acetoacético). En
el esquema iónico del plasma se observa una disminución del HCO3- como consecuencia
del incremento de los aniones de los ácidos “fijos”, como los cuerpos cetónicos
(acetoacetato y β-hidroxibutirato) en el caso de la diabetes (figura 4-5). Otro caso común
de acidosis metabólica se debe a la pérdida de HCO3- por un defecto de absorción,
debido a insuficiencia renal. En los líquidos, la compensación aumenta los niveles de Cl-,
que suelen llegar hasta 115 mEq/L. El mecanismo respiratorio de compensación consiste
en promover la salida de CO2 y, por lo tanto, la tendencia a volver a la relación 20 a 1 y
el ajuste del pH a las cifras normales. En el riñón se genera un aumento de la salida de
H+ así como de K+, el cual se intercambia por el Na+. El trastorno puede corregirse
administrando bicarbonato de sodio, NaHCO3, que aumenta el HCO3- en los líquidos y
permite que el cociente en la ecuación de Henderson-Hasselbalch regrese a lo normal.
 
 
Figura 4-5. Diagramas electrolíticos del plasma en diversos estados patológicos. En el plasma normal se señalan
los datos de Na+, CI− y HCO3− y en los estados patológicos se incluyen, en ciertos casos, la barra verde, CC,
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que representa los cuerpos cetónicos, y la barra café, que constituye la suma de los aniones restantes; como la
cantidad de proteína es fija, los aumentos en R se hacen a expensas de las fracciones de HPO42− y de SO42−,
principalmente.
 
Alcalosis metabólica
En caso de alcalosis metabólica se observa un aumento en la concentración de HCO3-,
debido a la administración de bicarbonato de sodio o de sales sódicas de ácidos
orgánicos, o a la pérdida de ácido clorhídrico –con pérdida de Cl--, como sucede en el
vómito o cuando se hacen lavados gástricos, o bien a excreción excesiva de ácido por la
orina o a pérdida de H+ del líquido extracelular, que pasa hacia las células en casos de
déficit de K+. El aumento de pH sanguíneo observado en la alcalosis metabólica, sea por
ingestión de bicarbonato de sodio o por pérdida de líquidos –digestivos o sudor–, deprime
la respiración y disminuye la ventilación. Debido a la compensación respiratoria aumenta
la pCO2 en la sangre y, por lo tanto, la concentración de CO2; con ello, tiende a disminuir
el pH sanguíneo. La compensación renal es más eficaz e incluye la eliminación del
exceso del HCO3- presente en el plasma. A medida que sale el HCO3-, es reemplazado
por el Cl-. La salida del HCO3- por la orina debe acompañarse de la eliminación de una
cantidad equivalente de un catión; el catión más abundante en el plasma, acompañante
habitual del HCO3-, es el Na+. En la figura 4-5 se encuentran las modificaciones más
importantes en las alteraciones del equilibrio ácido-base en cuadros clínicos como
vómito, diarrea y acidosis diabética, entre otros; se representan sólo las concentraciones
de HCO3-, Cl- y Na+ para obtener una idea concisa del trastorno.
 
Preguntas de reforzamiento
1 A pesar de que el pKa del sistema amortiguador HCO3-/CO2 es de 6.1, es un excelente amortiguador al pH de la sangre (7.4).
Explique por qué.
2 De acuerdo con la ecuación de Henderson-Hasselbalch, describe lo que ocurre en el numerador o denominador del cociente
HCO3
-/CO2 en:
 
a) Una acidosis metabólica
b) Una alcalosis metabólica
c) Una acidosis respiratoria
d) Una alcalosis respiratoria
3 Menciona tres causas para cada una de las alteraciones ácido-base que se mencionaron en la pregunta anterior.
4 El análisis de gases en sangre muestra una concentración de HCO3- de 25 mM y una presión parcial de CO2 de 60 mm Hg.
¿Cuál es el pH de la sangre?
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5 Calcula la concentración de bicarbonato en sangre para una presión parcial de CO2 de 40 mm Hg y un pH de 7.2
6 Explica los dos mecanismos por medio de los cuales el riñón excreta el exceso de hidrogeniones.
Respuestas: 4. 6.88, 5. 15.1 mM.
 
Referencias
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Contenido
• Solución de gases en agua
• Movimiento de los gases en el organismo
• Transporte de oxígeno
• Transporte de dióxido de carbono
 
 
Conceptos clave
1 La capacidad de la sangre de transportar grandes cantidades de CO2 y O2 se debe a que la hemoglobina une al CO2 y al O2, y a
que el CO2 se puede transformar en el anión soluble HCO3
-. Cada molécula de HCO3
- corresponde a una de CO2.
2 La cooperatividad positiva de la hemoglobina le permite saturarse en más de un 90% con O2 cuando los eritrocitos pasan por los
pulmones y liberar hasta un 70% del oxígeno en los tejidos periféricos, cuando la presión parcial de oxígeno es de 40 mm Hg. Si loseritrocitos tuvieran a la mioglobina, se liberaría solamente 2% del oxígeno en los tejidos periféricos.
3 El 2,3-bisfosfoglicerato disminuye la afinidad de la hemo​globina por el oxígeno. Se produce a partir de 1,3-bisfosfoglicerato, que
es un intermediario de la glucólisis.
4 La anhidrasa carbónica cataliza la reacción reversible de hidratación del CO2 para producir el ácido carbónico (H2CO3). Éste se
desprotona para dar lugar al bicarbonato (HCO3
-).
5 Al unir iones hidrógeno (H+), la hemoglobina funciona como un amortiguador del pH intracelular.
6 La desviación de cloruros (Cl-) se debe a que el transporte del bicarbonato a través de la membrana plasmática del eritrocito se
acopla al flujo de cloruro, vía un antiportador.
 
 
La respiración comprende el acceso del O2 a las células, su empleo en los procesos
oxidativos y su eliminación en forma de CO2. En los organismos unicelulares, el O2 pasa
por difusión al interior de las células, donde se combina con el hidrógeno o el carbono de
los metabolitos y forma H2O y CO2. En los animales multicelulares, el mecanismo es
más complejo y consta de tres etapas: a) la respiración externa, o sea, la introducción
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del aire a los pulmones y su difusión a los alvéolos; b) el transporte del oxígeno desde
los pulmones hasta las células y el del CO2 producido en éstas, por el camino inverso, a
los pulmones para su expulsión, y c) la respiración interna, es decir, la difusión del
oxígeno al interior de las células y la oxidación de los metabolitos para formar H2O y
CO2.
 
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Solución de gases en agua
La disolución de un gas en un líquido depende de su coeficiente de solubilidad,
específico para cada gas en un solvente determinado y a una temperatura dada, y
constante en estas condiciones. En fisiología, el interés por estudiar la disolución de un
gas en un líquido se concreta al caso de O2, CO2 y N2, en soluciones acuosas a 37 °C,
cuya concentración depende, en mayor medida, de la presión ejercida por el gas en un
volumen determinado. En el equilibrio entre una fase gaseosa y una fase líquida, es
posible observar que el mismo número de moléculas pasa de una fase a otra por unidad
de tiempo; la tendencia del gas a salir del líquido se denomina presión parcial o tensión
del gas y está representada por la presión de éste en la fase gaseosa, en equilibrio con la
fase líquida. En una mezcla de gases, cada uno ejerce presión sobre el líquido o sobre las
paredes del recipiente. La presión total consiste en la suma de las presiones parciales p de
la mezcla de gases. Por lo tanto, la cantidad de un gas disuelto en un líquido es
directamente proporcional a su presión parcial en la mezcla. La presión parcial de un gas
en una mezcla de gases es fácil de calcular; por ejemplo, en las condiciones de presión
atmosférica a nivel del mar, de 760 mmHg, el nitrógeno (que constituye 79% del aire)
ejerce una presión de 79/100 de 760, o sea que su p es de 600 mmHg. El cuadro 5-1
muestra, con el agua como solvente, la disolución de O2, CO2 y N2 en condiciones de
presión parcial del aire alveolar; además, se observan los datos de disolución de los tres
gases en la sangre arterial y la sangre venosa. Como puede verse, la sangre contiene
cantidades de O2 y CO2 mayores de las correspondientes a una simple disolución, hecho
indicativo de la presencia de mecanismos de combinación del O2 y CO2 con algunos
compuestos de la sangre. El contraste con el nitrógeno es notable, pues el N2 existe en las
mismas cantidades en la sangre y en el agua: se trata de un caso de simple disolución.
 
Cuadro 5-1. Contenido de oxígeno, bióxido de carbono y nitrógeno en la sangre arterial y
venosa, en comparación con la cantidad disuelta en el agua, expresado en volúmenes por
ciento
 O2 CO2 N2
Sangre arterial 19 50 0.9
Sangre venosa 13 56 0.9
Agua con aire alveolar 0.3 2.6 0.9
 
 
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Movimiento de los gases en el organismo
El paso de gases de un lado a otro de las membranas pulmonares o celulares se debe de
manera primordial a dos factores: a) las diferencias de la presión del gas entre un lado y
el otro de la membrana, y b) las diferencias en la capacidad de combinación de los
componentes sanguíneos con el O2 y el CO2, debidas al cambio del pH. Por razones de
presentación, los dos factores se analizan por separado; en primer lugar, se estudian los
cambios en las presiones parciales de los gases y, en segundo, la capacidad de
combinación del O2 y del CO2 con los componentes sanguíneos. En el cuerpo los dos
mecanismos operan de manera simultánea y sinérgica. Así, la pO2 en el aire alveolar a
nivel del mar es de 101 mmHg, y en la sangre venosa de la arteria pulmonar es de 40
mmHg; la diferencia a favor de la pO2 en el aire alveolar fuerza el paso del O2 del aire a
la sangre; la situación inversa se presenta entre la pCO2 de la sangre venosa que llega de
los tejidos (46 mmHg) y la del aire alveolar, de 40 mmHg, por lo que el CO2 pasa de la
sangre al aire. Como el nitrógeno, N2, no se consume ni se produce en el organismo,
guarda las mismas proporciones en la sangre venosa y en el aire alveolar. En el cuadro 5-2
se muestra la composición de los gases respiratorios en tres tipos de muestras: a) el aire
inspirado, o sea el aire atmosférico; b) el aire espirado, más rico en CO2 y menos en O2,
que además contiene el agua eliminada por los pulmones, y c) el aire alveolar en una
situación intermedia entre el contenido de gases de la sangre venosa y el del aire
espirado. En rigor, el aire alveolar está equilibrado con la sangre arterial, por lo que su
composición de gases es igual a la de esta última; los valores del aire alveolar son
estables, pues la entrada de O2 y CO2 en los alvéolos se equilibra con su pérdida en la
serie ininterrumpida de inspiraciones y espiraciones.
 
Cuadro 5-2. Composición del aire alveolar, del aire espirado y del aire inspirado en mmHg (a
nivel del mar)
 Aire inspirado Aire espirado Aire alveolar
Oxígeno 158 116 101
Bióxido de carbono 0.3 28 40
Nitrógeno 596 598 571
Vapor de agua 5 47 47
 
 
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Transporte de oxígeno
El componente transportador del oxígeno es la hemoglobina, cuya capacidad de
combinarse con el oxígeno para formar oxihemoglobina depende de diversos factores,
entre los cuales destacan pO2, pCO2, pH y concentración de 2,3-bisfosfoglicerato,
componente aniónico del glóbulo rojo; entre ellos, el que guarda relación más estrecha
con la saturación de la hemoglobina con el oxígeno es la pO2. Al estudiar la saturación de
la hemoglobina con O2, a distintas pO2, se obtienen curvas como las de la figura 5-1.
Cuando se usa hemoglobina pura sin sales y diluida (o también si se emplea mioglobina),
se obtiene una curva hiperbólica rectangular (línea discontinua), debido a la reacción
entre el oxígeno y la hemoglobina, por simple ley de acción de masas:
 
La hemoglobina sin oxígeno, Hb, es la desoxihemoglobina; la hemoglobina con oxígeno,
HbO2, es la oxihemoglobina. Cuando el estudio se hace con la hemoglobina tal como se
encuentra en la sangre, la curva obtenida tiene la forma de “S” o sigmoidea (línea
continua). Esto se explica por el comportamiento cooperativo de algunas proteínas
oligoméricas, como la hemoglobina, la cual está integrada por cuatro monómeros. Esto
reviste gran interés fisiológico; por ejemplo, a la pO2 de 80 mmHg se obtiene una
saturación casi completa de la hemoglobina en la sangre total, y aun a 20 mmHg se
obtienen saturaciones de 35 a 40%. En caso de que lo que existiera en la sangre fuera
hemoglobina constituida por un monómero, a presiones de 20 mmHg estaría todavía tan
saturada que se dificultaría el paso de oxígeno desde la hemoglobina hacia los tejidos
(figura 5-1).
 
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Figura 5-1. Curva de saturación de la hemoglobina. En la curva discontinua se muestra el comportamiento de la
hemoglobina en la cual se ha disociado en los monómeros que la integran y ha perdido su comportamiento
cooperativo.La curva continua, en “S” o sigmoidea, se obtiene con la sangre total, donde la hemoglobina está
integrada por cuatro monómeros y mantiene su comportamiento cooperativo.
 
Papel de la pCO2 y el pH
La curva obtenida, expresada como porcentaje de saturación contra la pO2, se modifica
con la pCO2, tal como se observa en las curvas de la figura 5-2. El efecto del CO2,
consistente en desviar hacia la derecha la curva al aumentar su presión parcial, se
denomina efecto Böhr y se debe al aumento de la concentración de H+; la unión del H+ a
la hemoglobina favorece la disociación del O2 de la oxihemoglobina, desplazando el
equilibrio de la ecuación hacia la izquierda:
 
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Figura 5-2. Curvas de saturación de la hemoglobina a distintas presiones parciales de CO2. El aumento de pCO2
desplaza la curva hacia la derecha.
 
La modificación de la curva en función de la pCO2 tiene importancia fisiológica; en los
pulmones, donde la pCO2 es baja, la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno es más
alta y capta oxígeno con mayor facilidad; por el contrario, en los tejidos, donde la pCO2
es muy alta y la pO2 es muy baja, la hemoglobina libera el oxígeno con gran facilidad.
 
Efecto del 2,3-bisfosfoglicerato
La afinidad del oxígeno por la hemoglobina es mayor cuando la proteína se extrae del
glóbulo rojo, hecho que sugiere la presencia de una sustancia capaz de modificar la
afinidad del oxígeno por la hemoglobina.
 
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El 2,3-bisfosfoglicerato presente en el glóbulo rojo reduce 26 veces la afinidad de la
hemoglobina por el oxígeno. Al perder la oxihemoglobina su O2 y convertirse en
desoxihemoglobina, al tiempo que sale el oxígeno, la proteína se combina con el 2,3-
bisfosfoglicerato, lo que impide la recaptura del O2 a nivel tisular. En el pulmón, el
exceso de oxígeno desplaza el 2,3-bisfosfoglicerato, y la desoxihemoglobina se convierte
en oxihemoglobina. El 2,3-bisfosfoglicerato es importante desde los puntos de vista
fisiológico y clínico. En parte, la adaptación del ser humano a las grandes alturas se debe
a un aumento del 2,3-bisfosfoglicerato; así, se libera más oxígeno en los tejidos para su
consumo, aun cuando sea menor la saturación de la hemoglobina con el oxígeno, en vista
de su menor disponibilidad por la mayor altitud. Algo semejante ocurre en los pacientes
con insuficiencia pulmonar crónica, como la presente en el enfisema con baja saturación
de la hemoglobina con oxígeno; cuando aumenta la concentración del 2,3-
bisfosfoglicerato, la oxihemoglobina libera el oxígeno con mayor facilidad.
 
Capacidad de transporte de la hemoglobina
En estado de reposo, un varón normal utiliza 10 mmol de oxígeno por minuto; el
ejercicio suele aumentar el requerimiento hasta 100 mmol por minuto. Un gramo de
hemo-globina se combina con 0.055 mmol de O2; por lo tanto, con un promedio de 15 g
de hemoglobina por 100 mL de sangre, se captan unos 0.82 mmol de O2. En los
capilares se encuentra la siguiente situación: la pO2 en el interior del vaso es de 100
mmHg y en las células de 20 mmHg; por el contrario, la pCO2 en las células es de 46
mmHg y en la sangre arterial de 40 mmHg. Se favorece, por lo tanto, la difusión del O2
de la sangre hacia las células y del CO2 de las células hacia la sangre; una vez pasado el
capilar, en la sangre venosa, la pO2 es de 40 mmHg y la pCO2 de 46 mmHg; aunque la
diferencia de presiones para el CO2 es de sólo 6 mmHg, debido a su mayor difusibilidad,
sale con facilidad de las células. En la gráfica de disociación de la hemoglobina (figura 5-
2), a una pO2 de 25 mmHg y a una pCO2 de 46 mmHg, condiciones de la sangre venosa,
la saturación de la hemoglobina con oxígeno es cercana a 56% (34% menor a la sangre
arterial); es decir, se liberaron 0.36 mmol de oxígeno por cada 100 mL de sangre
distribuida en los capilares.
 
Mioglobina y hemoglobina fetal
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Los músculos utilizan gran cantidad de oxígeno, lo cual es facilitado por la proteína
mioglobina. La curva de saturación de la mioglobina a distintas pO2 da una hipérbola
rectangular, como ocurre con las soluciones diluidas de hemoglobina (figura 5-1). Esto
permite que la mioglobina actúe como reserva de oxígeno; en efecto, a una pO2 baja, la
hemoglobina pierde buena parte de su oxígeno y la mioglobina lo conserva. Además, la
hemoglobina, en presencia del CO2, desvía su curva de disociación hacia la derecha,
libera con mayor facilidad el oxígeno y disminuye su saturación. La hemoglobina fetal
funciona como la mioglobina; es decir, para cualquier valor de la pO2, la sangre fetal
tiene más oxígeno que la sangre materna. Esto es muy conveniente para el feto, pues
cuenta con un adecuado suministro de oxígeno al transferirse el gas de la hemoglobina
materna a la fetal y de ésta a sus células.
 
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Transporte de dióxido de carbono
Un varón normal produce cada día 500 L de CO2, transportados en la sangre en especial
como HCO3-. En el agua a 37 °C, y a una presión del gas de 40 mmHg, se disuelven 0.1
mmol de CO2 por 100 mL. En cambio, en la sangre arterial se disuelven 2 mmol por 100
mL, y en la venosa 2.5 mmol por 100 mL. El CO2 suele encontrarse en la sangre como
bicarbonato, HCO3-; en el cuadro 5-3 se presentan las proporciones relativas de las
distintas formas en que existe en la sangre arterial y en la sangre venosa. El CO2 de la
sangre proveniente de los tejidos es transportado, en muy pequeña proporción (3% del
total), en forma de solución verdadera de CO2 (cuadro 5-3). Al pasar la sangre por los
pulmones en condiciones de pCO2 baja, el H2CO3 se deshidrata por medio de la
anhidrasa carbónica y puede liberarse todo el CO2. Por el contrario, en los tejidos
donde hay una pCO2 alta, el gas pasa al plasma y a los eritrocitos, donde se forma, con
gran velocidad, H2CO3 por hidratación del CO2.
 
 
Cuadro 5-3. Distribución del bióxido de carbono en la sangre arterial y en la sangre venosa
por litro de sangre
 Sangre arterial Sangre venosa Diferencia
 mmol/L mmol/L mmol/L
Total 21.5 23.2 1.7
Total en glóbulos rojos
(16.4 mmol en 1 L de sangre)
5.6 6.2 0.6
CO2 disuelto 0.3 0.4 0.1
HCO3
- 4.3 4.4 0.1
Carbamino 1 1.4 0.4
Total en plasma
(24.6 mmol en 1 L de sangre)
15.9 17.0 1.1
CO2 disuelto 0.7 0.8 0.1
HCO3
- 15.2 16.2 1.0
 
 
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La mayor cantidad de HCO3- se encuentra en el plasma y domina, en proporción de 3 a
1, sobre la cantidad presente en los glóbulos rojos.
 
Formación de grupos carbamino
Además de estar en solución o como H2CO3 o HCO3-, el CO2 puede estar en la sangre
en forma de compuestos carbamino, a partir de su unión con grupos amino:
 
 
como es el caso de los cuatro grupos amino terminales de cada una de las cuatro cadenas
polipeptídicas de la hemoglobina; así se transporta 2 a 3% del CO2 (cuadro 5-3).
 
Efecto amortiguador de la hemoglobina con el ácido
carbónico
La hemoglobina tiene capacidad amortiguadora porque puede captar H+ al perder
oxígeno. Del mismo modo, cuando la hemoglobina se une al oxígeno libera los H+. La
hemoglobina oxigenada es un ácido más fuerte que la hemoglobina no oxigenada, por
tener más facilidad para liberar los H+. En rigor, existe competencia entre el oxígeno y los
protones. En el pulmón, la mayor disponibilidad del oxígeno y la baja concentración de
protones coinciden para oxigenar la hemoglobina y liberar sus protones. En los tejidos, la
menor disponibilidad de oxígeno y la producción de protones fuerzan a la hemoglobina a
perder su oxígeno y captar protones.
 
Desviación isohídrica
Se denomina desviación isohídrica a un movimiento de iones que favorece la captación
de CO2 sin modificaciones importantes del pH (figura 5-3). El CO2 pasa de los tejidos al
plasma y del plasma a los eritrocitos por medio de simple difusión; es hidratado por la
anhidrasa carbónica y se convierte en H2CO3, que se ioniza en HCO3- + H+. Como se
describió antes, la hemoglobina capta los H+ y, de manera simultánea, el grupo hemo
libera el oxígeno, formando desoxihemoglobina.Al ser captado el H+, queda en libertad
el HCO3-, el cual pasa hacia el plasma en intercambio con cloruro. El pH cambia muy
poco porque los H+ son captados por la hemoglobina. Desde el punto de vista
cuantitativo, la desviación isohídrica implica la formación de 0.7 mEq de HCO3- por cada
milimol de O2 separado de la oxihemoglobina y, de modo simultáneo, la captación de 0.7
mEq de protones por la hemoglobina. Con la desviación isohídrica ocurre la desviación
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de cloruros a través del siguiente mecanismo: la formación de H2CO3 en los glóbulos
produce HCO3-, que al pasar al plasma se intercambia con el Cl- (figura 5-3). Los mismos
fenómenos, pero en orden inverso, ocurren en los eritrocitos, en el plasma y en los
alvéolos, cuando la sangre venosa llega a los capilares pulmonares. En este caso, se
pierde CO2 del plasma hacia el aire alveolar y fluye O2 del aire hacia el plasma y los
glóbulos rojos; la desoxihemoglobina se transforma en oxihemoglobina y de esta manera
tiende a perder el protón H+; éste se combina con HCO3-, formando H2CO3, el cual por
medio de la anhidrasa carbónica se convierte en CO2 y H2O; el CO2 difunde a favor de
la diferencia de presión con respecto del aire alveolar. La baja de HCO3- en los glóbulos
rojos, por combinarse con el H+, es compensada por la entrada de HCO3- del plasma;
por cada molécula de HCO3- que entra a los glóbulos rojos, sale un Cl- hacia el plasma.
Este HCO3- sigue aceptando los H+ provenientes de la hemoglobina para repetir el ciclo.
Al mismo tiempo, el CO2, presente en forma de compuestos de carbamino, se libera por
la baja pCO2 y por la conversión de hemoglobina a oxihemoglobina. Por lo tanto, la
hemoglobina, además de transportar oxígeno, también transporta CO2 y tiene un
cometido primordial en el mantenimiento del pH sanguíneo.
 
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Figura 5-3. Procesos que ocurren en el paso del CO2 de los tejidos hacia la sangre. La hemoglobina, de manera
esquemática, muestra sólo los anillos imidazólicos de la histidina y los grupos terminales NH2 de diversos
aminoácidos. A nivel pulmonar sucede el fenómeno totalmente inverso.
 
Regulación de la respiración
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La profundidad y la velocidad de los movimientos respiratorios son regidas por el centro
respiratorio del bulbo raquídeo, cuya actividad se modifica por las presiones de CO2 y de
O2 de la sangre, e indirectamente por el pH, cuando cambia la cantidad de CO2. El alza
de la pCO2, como en la asfixia, con disminución de O2 y exceso de CO2, provoca
hiperpnea, o aumento en la profundidad de las respiraciones; si el CO2 se incrementa
demasiado, se deprimen las funciones respiratorias y cardiacas, y puede sobrevenir la
muerte.
Otro factor regulador es la pO2 a través del cuerpo carotideo y del seno aórtico; el
aumento de la pO2 deprime el centro respiratorio, aunque este sistema es más sensible al
exceso de CO2 que a la falta de oxígeno. La relación entre la pCO2 y la pO2 se
ejemplifica con la respiración en las grandes alturas. La presión barométrica, y por lo
tanto la pO2 en las grandes alturas, disminuye de manera progresiva; a 10 000 m de
altitud la pO2 es de 40 mmHg, o sea, una cuarta parte de su valor al nivel del mar. La
sangre arterial en estas condiciones está menos saturada de oxígeno. Si el cambio del
nivel del mar a las grandes alturas ocurre con rapidez, como en un vuelo, es necesario
administrar oxígeno a presión para evitar síntomas de anoxia, en particular cerebral. Sin
embargo, si el traslado se hace con lentitud, o se trata de personas aclimatadas, el ajuste
se logra a través del aumento de la cantidad de hemoglobina, que puede alcanzar cifras
de 20 y 25 g por 100 mL. Además, aumenta la concentración del 2,3-bisfosfoglicerato en
el glóbulo rojo, lo que resulta en una disminución de la afinidad del oxígeno por la
hemoglobina, la cual lo libera con mayor facilidad a nivel tisular.
 
Preguntas de reforzamiento
1 La solubilidad del oxígeno y del dióxido de carbono en el agua es pequeña. Sin embargo, la sangre tiene la capacidad de
transportar aproximadamente 60 veces más O2 y 22 veces más CO2 que el agua. Describa los mecanismos subyacentes de esta
gran capacidad de la sangre para transportar estos gases.
2 Explique el efecto del pH y el 2,3-bisfosfoglicerato sobre la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.
3 ¿De qué depende la capacidad amortiguadora de la hemoglobina?
4 ¿En qué consiste la desviación isohídrica?
5 Describa los mecanismos que se utilizan para la adaptación de un individuo a grandes altitudes.
 
Referencias
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