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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. 125 https://booksmedicos.org 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) 126 https://booksmedicos.org 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. 127 https://booksmedicos.org 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. 128 https://booksmedicos.org 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: 129 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-. 130 https://booksmedicos.org 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. 131 https://booksmedicos.org 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. 132 https://booksmedicos.org 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. 133 https://booksmedicos.org 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+. 134 https://booksmedicos.org 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). 135 https://booksmedicos.org 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 136 https://booksmedicos.org 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-, 137 https://booksmedicos.org 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, 138 https://booksmedicos.org 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? 139 https://booksmedicos.org 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 Constanzo LS: Physiology, 5a ed. Philadelphia, Saunders Elsevier, 2014. 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Baltimore: The Williams & Wilkins Co., 1979. 140 https://booksmedicos.org 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 hemoglobina 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 141 https://booksmedicos.org 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. 142 https://booksmedicos.org 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 0.9 143 https://booksmedicos.org 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 47 144 https://booksmedicos.org 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). 145 https://booksmedicos.org 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: 146 https://booksmedicos.org 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. 147 https://booksmedicos.org 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 148 https://booksmedicos.org 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. 149 https://booksmedicos.org 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 1.0 150 https://booksmedicos.org 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 151 https://booksmedicos.org 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. 152 https://booksmedicos.org 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 153 https://booksmedicos.org 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 Constanzo LS: Physiology, 5a ed. Philadelphia, Saunders Elsevier, 2014. Davenport HW: The ABC of Acid-Base Chemistry: The Elements of Physiological Blood-Gas Chemistry for Medical Students and Physicians, 6a ed. Chicago: The University of Chicago Press, 1974. 154 https://booksmedicos.org Devlin TM: Bioquímica. Libro de texto con aplicaciones clínicas, 5a ed. Barcelona: Editorial Reverté, 2004. Frauenfelder H, McMahon BH, Fenimore PW: Myoglobin: The hydrogen atom of biology and a paradigm of complexity. Proc Natl Acad Sci. USA 2003;100:8615. 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