pH buffers

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Ácidos, bases y pH: pH biológico Bioquímica
1. Introducción 
El mantenimiento del pH del medio interno debe permanecer constante dentro de unos límites muy estrechos. 
 El pH sanguíneo está comprendido entre 7,35-7,45. Valores superiores a 7,45 indican alcalosis e inferiores a 7,35 acidosis; ambas son alteraciones patológicas para el organismo. 
 El pH se mantiene entre los límites normales a pesar de los residuos orgánicos y los productos ingeridos con la dieta que tienden a modificarlos; pero existen unos sistemas reguladores que evitan variaciones. Los niveles de pH deben ser constantes, ya que las enzimas del organismo tienen su punto máximo de funcionamiento o pH máximo de acción a estos valores, y si estos varían las enzimas no pueden activar y las funciones biológicas se alteran o no se producen. 
 En el metabolismo normal de un individuo se produce de forma habitual ácidos ya que al catabolizarse todos los compuestos inmediatos ingeridos con la dieta se produce CO2 y agua, que al combinarse producen ac. Carbónico (CO2H2), que es el ácido más frecuente en el organismo. 
 El catabolismo de los hidratos de Carbono da lugar a ácidos volátiles como CO2H2, y ácidos no volátiles o fijos como son ác. Láctico y ác. pirúvico. En el catabolismo de lípidos obtenemos CO3H2 y cuerpos cetónicos. En el catabolismo de proteínas sólo se obtiene CO3H2. Todas las sustancias catabolizadas son de carácter ácido volátil o fijo, que tienden a modificar el pH del medio; por lo que, el individuo debe estar preparado para contrarrestar dichas acciones. 
  
2. Mecanismos de defensa frente a los cambios de pH 
El organismo ante los cambios de pH reacciona: 
a) Teniendo un buffer que sea capaz de amortiguar el pH sanguíneo. Los buffer sanguíneos son mezcla del ácido débil y base asociada. Actúan amortiguando los cambios de acidificación/alcalinización que sufre el organismo. El buffer más frecuente del organismo es el formado por ácido carbónico (CO3H2) y bicarbonato sódico (CO3HNa). En la sangre hay una mezcla de dichas sustancias en una proporción determinada. Dicho buffer actúa como:
Si añadimos un ácido: se libera H+; el buffer amortigua o capta H+ por el ión CO3H-, hasta que se sature. El pH tendería a bajar, es decir, el pH se acidificaría, pero esto no es así. El buffer va amortiguando el cambio hasta que se forma ac. Carbónico (CO3H2); el cual es eliminado por el pulmón en forma de CO2. En sangre la [CO3H-] baja, por lo que, el organismo intenta recuperarlo primero por pulmón y luego por riñón (tarda unas horas)
Si añadimos bicarbonato a una base fuerte: este amortigua o coge OH- por el ión H+. El pH tendería a subir, es decir, se alcalinizaría, pero no ocurre así. El buffer lo amortigua haciendo que los OH- se unan al H+ formando agua, lo que hace que se elimine H+ y el ác. Carbónico se disocie más, para que su constante de disociación (K) permanezca equilibrado. Así se consigue que el pH que había aumentado vuelva al valor normal y no se modifique el pH del medio.
 Como es un buffer, se le puede aplicar la fórmula de Hendersson-Hasselbach, pudiendo conocer las concentraciones de estos en sangre:
                                                                   
 Como el ácido carbónico se puede determinar en sangre y procede del CO2 se puede determinar la proporción de CO3H2/CO2 que hay en el organismo por una fórmula que consiste en medir la presión de CO2 en sangre y multiplicarla por la constante de solubilidad (α). La α mide la PCO2 que pasa al agua para ser disuelto. Por cada 1mmHg de CO2 que pase se determina la cantidad de CO2 que pasa al agua, en la cual se puede disolver. La α tiene un valor de 0,03 
                                                                      CO2+H2O ↔CO3H2 
 Una vez que el CO2 pasa al agua y se disuelve con él se forma H2CO3, por lo que, en 1L de agua al pasar 0,03 mmol de CO2 al aumentar 1 mmHg tenemos: CO3H2= α·PCO2
 De esta forma podemos sustituir en la fórmula de Hendersson-Hasselbach la [Co3H2], quedando una sola incógnita y obteniendo:
                                                                   
 Aunque podemos encontrar otros buffer en el organismo como son ácido fosfórico, sales de fosfato, proteínas, hemoglobina…Las dos últimas aunque no se asocien con otros, también actúan como primera defensa ante los cambios de pH, amortiguando el pH de la sangre principalmente.
b) La segunda línea de defensa la realizan el pulmón y el riñón, previa actuación del buffer ac. Carbónico-bicarbonato sódico.
                                                      CO2 + H2O ↔CO3H2 ↔ CO3H- + H+ 
                                                      CO3HNa ↔ CO3H- + Na+ 
 Ambos órganos se encargan de recoger los ácidos y el buffer, para su posterior eliminación, tras agotamiento del buffer al realizar su acción.
 Estos órganos liberan H que satura el buffer, para que los iones que los captaron no se agoten y puedan permanecer en el organismo formando el buffer.
 El buffer al aumentar la [H+] produce aumento de CO3H2 en el medio, que provoca descenso de pH, pero se corrige, ya que el CO2 que produce el ac. Carbónico es eliminado por el pulmón a través de la respiración por excitación del centro respiratorio. El aparato respiratorio tiene quimiorreceptores sensibles a la concentración de H+ ubicados en el bulbo raquídeo, en la aorta y en la bifurcación de las carótidas. La estimulación de estos receptores por acidemia determina un aumento de la actividad ventilatoria, lo que produce una mayor eliminación de CO2, causando una caída en la concentración de H2CO3 y, por lo tanto, un aumento del pH que tiende a corregir la acidemia. Por el contrario, la alcalemia induce una menor ventilación que tiene el efecto opuesto al ejemplo anterior. 
 El aparato respiratorio puede compensar eficientemente y en forma bastante rápida cambios en la concentración de hidrogeniones debidos a variaciones metabólicas en su producción, pero su capacidad máxima de compensar estas alteraciones es limitada. Obviamente, cuando el trastorno del equilibrio ácido base es de causa respiratoria, este aparato no puede servir para compensar la alteración.
 El riñón actúa variando la [CO3H-] que se pierde en él por la producción de orina. En este órgano por una anhidrasa carbónica se produce por aumento de CO2, aumento de CO3H-. Mediante sucesivos procesos se produce CO3H- que pasa a sangre para restituir el buffer sanguíneo ac. Carbónico-bicarbonato sódico y eliminar un exceso de agua por orina. Cuando aumenta la [CO2] en sangre, aumenta la [CO3H-] que recupera el riñón manteniendo constante la cantidad de buffer sanguíneo. El CO2 que usa el riñón permanece constante ya que este órgano no es capaz de eliminarlo y necesita al pulmón para ello.
 En este proceso debido a una molécula de CO2 tiene lugar la perdida de una molécula de H+ y la ganancia de una molécula de CO3H- (así sucesivamente)
                     
 La acidemia estimula la excreción de H+ y la retención de bicarbonato a nivel renal, lo que tiende a compensar el desequilibrio. La alcalemia tiene el efecto contrario. Estas funciones compensatorias son lentas, pues demoran 12 a 72 horas en alcanzar su máxima eficiencia. Por lo tanto, el riñón participa en la manutención a largo plazo del equilibrio ácido base, ya que es incapaz de reaccionar ante cambios bruscos en la concentración de hidrogeniones.
c) Hb: esta amortigua el pH por la regulación del transporte de CO2 y O2 por la sangre. Para determinar el pH sanguíneo se hace una gasometría, con la que obtenemos datos relacionados con pH, PaCO2, PaO2, [Hb] en sangre, [CO3H-] en sangre…
 El CO2 es un gas procedente del metabolismo de los principios inmediatos. Este gas viaja de cualquier célula del organismo al pulmón por donde es eliminado. El CO2 es trasportado por la sangre de 2 maneras.
Combinadocon Hb: El CO2 se ve con la Hb en los grupos aminos de su molécula, no interfiriendo con el posible transporte de Hb con O2 de este hematíe. Al combinarse Hb y CO2 se forma carboxihemoglobina (Hb). La unión de CO2 con H interfiere en la función buffer de la Hb, ya que los grupos aminos de la Hb pierden H+ por sustitución del CO2, lo que hace que se pierda su acción buffer, actuando peor. No interfiere con O2, porque este gas se une a la fracción férrica de la Hb, por el contrario, el CO si interfiere con el O2 ya que ocupa el mismo lugar.
                                  
 La unión de CO2 con Hb es muy lenta, porque no hay enzimas específicas que actúen sobre esta. Sólo un 25% del CO2 que produce la célula se une con la Hb, debido a la reacción espontánea, que es lenta. En la célula la PaCO2 es alta, pero n el pulmón es muy baja, por lo que, cuando el CO2 viaja en sangre, puede romper el enlace con la Hb, pasando de sangre a pulmón para ser eliminado.
En forma de bicarbonato (CO3H-): El 75% de CO2 pasa a la sangre y se transforma en CH3H-, que se disuelve en plasma. En este caso el CO2 sale de la célula y pasa a sangre, donde se combina con agua formando CO3H2. El CO3H2 reacciona quedando de nuevo CO3H- y H+. La reacción que produce CO3H2 está regulada por una enzima llamada anhidrasa carbónica. Todos estos procesos tienen lugar en el hematíe; pero hay que tener un buffer que evite la acidificación del hematíe y evitando la parada de la reacción. El buffer que actúa es la Hb; primero en forma oxidada (HbO) aportando O2 a la célula y transformándose en su Hb reducida (HbH) que capta H+ procedente de la disociación del ac. Carbónico. El CO3H- producido sale de la célula y se cambia con Cl- para mantener estable la concentración del hematíe. 
 La Hb en este caso aporta O2 a la célula, y capta H+, que hace que no varíe el pH del hematíe y no pare la reacción de CO2 a CO3H2; por lo que, la Hb es el principal buffer de la sangre, ya que elimina el CO2 celular, aunque no actúe exactamente igual que el buffer ac.carbónico-bicarbonato. 
 La Hb es una proteína, que además de actuar como buffer en el hematíe, tiene acción buffer en sangre, debido a los grupos aminos que contiene en su molécula, puede coger/ceder H+. Esta acción es muy importante ya que la [Hb] en sangre es de 13-15g/dl y su pK es de 6-7, ya que contiene mucha histidina (aa’) en su composición, lo que hace que su pH sea muy parecido al de la sangre, por lo que, amortigua muy bien los cambios de pH en esos valores. El O2 es un gas procedente de la respiración del aire ambiental. Su transporte se lleva a cabo por la Hb en forma de oxihemoglobina (HbO). La Hb es un pigmento de color rojo, que contiene Fe en su molécula, que es con el elemento con el que se une el O2 para ser transportado. La Hb y O2 se unen de forma laxa, lo que permite la libre difusión de O2 por variación de presión entre la célula y el pulmón. El O2 es usado en el ciclo de Krebs para obtener energía en forma de ATP. 
 Dentro del transporte de O2 por sangre, debemos diferenciar varios términos: 
           o Capacidad de oxigenación de la sangre: es la máxima cantidad de O2 que la Hb puede transportar por la sangre. Su valor normal es de 1g/dl, dependiendo de la [Hb] que tenga el individuo. Se calcula que cada 1gr de Hb puede transportar 1,34 ml de O2 cuando está saturada. Normalmente en un individuo con 15g/dl de Hb tiene una capacidad de oxigenación de 20 ml de O2 por cada 100 ml de sangre.
           o Saturación de Hb: cantidad de Hb que se une con O2 para ser saturada. Se expresa en % del total de Hb. En sangre arterial de pulmón la saturación es del 100%. Viene determinada pro PO2 existente y por la afinidad que tenga la Hb por el O2
           o Coeficiente de utilización del O2: es el % de carga total de O2 que la sangre arterial cede a los tejidos. Este % varía dependiendo de la cantidad de O2 que necesita cada tejido; siendo mayor cuando se realice un ejercicio y menor cuando se está en reposo. La saturación arterial es del 100% y la venosa del 75%, esto quiere decir, que la relación de O2 que se cede a los tejidos, suele ser del 25%.
 Por ejemplo en fumadores la saturación arterial y venosa son menores, pero la cantidad cedida a los tejidos es igual; es decir, cede la misma cantidad de O2, pero la Hb queda con menor reserva frente al ejercicio.
La curva de saturación de la Hb relaciona la cantidad de O2 que satura la Hb dependiendo de la presión que haya. Esto se hace de forma experimental haciendo que en un recipiente que contiene Hb se añada O2 y se observe su comportamiento. Al aumentar/disminuir la PO2 se ven las variaciones del nivel de saturación de Hb, los cuales se representan en una gráfica.
 En esta gráfica la principal variable es la afinidad que tiene la Hb por el O2, que es la capacidad que tiene la Hb de captar O2 y no soltarlo. Cuanto tiene mucha afinidad, la Hb capta fácilmente O2 y lo cede con dificultad; pero cuando la afinidad disminuye, capta mal O2 y lo cede rápidamente. La afinidad de la Hb por el O2 puede variar dependiendo de muchos factores.
 Cuanta mayor PO2 hay mayor saturación de Hb y según disminuye la PO2, la Hb puede seguir manteniendo elevada su saturación, por lo que nos permite vivir en medios con muy diferente PO2 (alta montaña-costa). 
 El coeficiente de O2 de los músculos esqueléticos en ejercicio es mayor que en los demás tejidos, ya que al realizar una determinada acción el aporte de O2 necesario es mayor. El difosfoglicerato es una enzima de los hematíes que modifica la afinidad de la Hb por el O2. Este coeficiente está alterado en anemias, altas alturas, neonatos…
- Proteínas plasmáticas: su pK es más similar al pK intracelular y su principal función la de liberar o captar OH- y H+
3. Desequilibro ácido-base 
Se diferencian acidosis, cuando pH disminuye de 7,35; de alcalosis, cuando el pH aumenta por encima de 7,45. Cuando el pH varía por arriba/debajo de cifras normales se da lugar a patologías graves para el organismo del individuo. 
 Cuando aumenta pCO2, el pH se vuelve ácido y hay acidosis descompensada. Si disminuye PCO2 hay alcalosis descompensada. Si aumentan/disminuyen a la vez PCO2 y [CO3H-], la relación de pH es constante, es decir, no varía, pero en el individuo si hay cambios, por lo que aparece acidosis/alcalosis compensada. 
 Si el problema atañe el órgano de regulación diferenciamos: 
- Acidosis metabólica: Se puede deber a cuatro mecanismos diferentes:
           o Aumento de la producción de  ácidos, como ocurre por ejemplo en enfermos con mayor metabolismo anaeróbico (acidosis láctica) en casos de shock, o mayor producción de ketoácidos en el ayuno o en la diabetes mellitus descompensada (ketoacidosis).
           o Disminución de la eliminación normal de  ácidos, en casos de insuficiencia renal.
           o Pérdidas patológicas de bicarbonato, en enfermos con diarrea o trastornos renales.
           o Intoxicación con sustancias que generen  ácidos, como ácido acetilsalicílico o metanol.
La compensación, generalmente parcial, es respiratoria inicialmente (descenso de PaCO2 por hiperventilación) y renal después, en los casos en que este órgano no está  comprometido. 
            * Acidosis metabólica no compensada
                        pH = ↓ 7,23
                        PaCO2 = 35mm Hg
                        HCO3 = ↓ 19,2mEq/l
             * Acidosis metabólica compensada
                         pH = 7,35
                         PaCO2 = ↓27mm Hg
                         HCO3 = ↓13mEq/l
- Acidosis respiratoria: Se produce en cualquiera enfermedad que disminuya la ventilación alveolar, con lo cual se retiene CO2 (PaCO2 >45 mm Hg), lo que aumenta la concentración de H2CO3 y, por lo tanto, la de hidrogeniones. Las enfermedades que producen hipoventilación alveolar, siendo aquellas que pueden afectar el control de la ventilación, las vías nerviosas, los músculosrespiratorios, la caja torácica, las vías aéreas o el pulmón. La compensación renal, con aumento del bicarbonato plasmático, es generalmente parcial y ocurre en los casos de evolución mayor a dos o tres días. Esto se puede apreciar mejor en los siguientes ejemplos:
             * Acidosis respiratoria no compensada
                           pH =↓ 7,22
                           PaCO2 = ↑ 70 mm Hg
                           HCO3 = ↑ 27,4 mEq/l
             * Acidosis respiratoria compensada
                           pH = 7,36
                           PaCO2 = ↑ 70 mm Hg
                           HCO3 = ↑ 35 mEq/l
En este último caso el aumento de CO2 es igual al anterior, pero como hay compensación renal, con aumento del bicarbonato, el pH es mayor.
- Alcalosis respiratoria: Es el trastorno opuesto al anterior, ya que se debe a hiperventilación alveolar que determina una caída de la cantidad de CO2 (PaCO2 < 35 mm Hg) y por lo tanto, una disminución de la concentración de hidrogeniones. Se produce por una mayor estimulación de los centros respiratorios por fiebre, condiciones que cursan con hipoxemia como altura o enfermedades pulmonares, progesterona exógena o su aumento fisiológico en el embarazo, hipotensión arterial, dolor, ansiedad, etcétera. La compensación renal en los casos crónicos es muy eficiente, ya que la disminución del bicarbonato puede llevar el pH a valores normales.
             
   * Alcalosis respiratoria no compensada
                           pH = ↑ 7,53
                           PaCO2 = ↓ 23 mm Hg
                           HCO3 = ↓ 18,7 mEq/l
               * Alcalosis respiratoria compensada
                           pH = 7,38
                           PaCO2 = ↓ 23 mm Hg
                           HCO3 = ↓ 14,2 mEq/l
- Alcalosis metabólica: Se puede deber, entre otros mecanismos, a:
                o Pérdidas patológicas de ácido, como se observa en algunos casos de vómitos profusos.
                o Uso exagerado de diuréticos, que determina un exceso de retención de bicarbonato y aumento de las pérdidas de potasio. La hipokalemia, que también puede deberse a otros mecanismos, promueve una mayor pérdida de hidrogeniones por el riñón.
                o Aumento de mineralocorticoides (aldosterona, desoxicorticosterona) que incrementan la excreción de hidrogeniones.
                o Ingesta exagerada de álcali.
Generalmente, los enfermos con alcalosis metabólica presentan varios de los mecanismos mencionados en forma simultánea. La compensación respiratoria, con retención de CO2, es generalmente muy insuficiente, debido a que ésta tiende a causar hipoxemia, lo que limita este mecanismo.
                * Ejemplo: 
                         pH = ↑ 7,50
                         PaCO2 = ↑50mmHg
                         HCO3 = ↑ 57,5 mEq/l 
 
4. Gasometría
Es una determinación de laboratorio en la que se estudian parámetros relacionados como pH, PO2, PCO2, [Hb] en sangre… se realiza mediante un gasómetro, que es un aparato automático que determina principalmente OH-, PCO2, y PO2, aunque los parámetros que determina pueden variar según el aparato que usemos. En sangre los gases están disueltos, por lo que se define presión parcial de CO2 y O2 es la presión que hay en una cámara para que esté en equilibrio con un líquido, es decir, es la cantidad de gas que difunde en un líquido para se iguale a la presión ejercida. Es el mismo término para CO2 y O2, pero sus valores son diferentes. Se puede aplicar para cualquier gas que vaya disuelto en sangre. 
 Los datos obtenidos en una gasometría completa son pH, PCO2, PO2, [CO3H-], CO2 total, [Hb], saturación de Hb y [O2]. 
 La gasometría no es una técnica de rutina, sino que es una prueba de urgencias que se debe analizar rápidamente, ya que se les hace a pacientes muy graves. Para esta técnica, se extrae sangre arterial de la arteria cubital o radial (en la radial del pulso es mayor), y en niños en el talón (se hace de sangre capilar). Es importante comprobar el pulso radial para no causar lesiones en el riego de la mano; además es una técnica dolorosa que puede afectar a la respiración del paciente por aumento de la respiración, dando resultados alterados. Una vez que se extrae la sangre, no puede estar en contacto con el aire, por lo que, hay que llevarla al laboratorio tapada bien con un tapón o en una cámara anaerobia. Una vez que llega al laboratorio debe analizarse rápidamente, sino se puede refrigerar, pero no es la más frecuente. 
 Al llegar al laboratorio la determinación la hace el aparato, pero esto sólo determina prácticamente pH, PCO2, y PO2; mientras que los otros datos los da por cálculos teóricos. La determinación de Ph, PCO2 y PO2 las realiza por electrodos sensibles con membrana permeable para H+, O2 y CO2, al entrar estos y reaccionar con el líquido del electrodo se produce modificación en su composición, que se determina por comparación del líquido entre el electrodo de referencia y el electrodo libre; variando el voltaje que se aplica de corriente ya que cambia la carga del líquido del electrodo libre. 
Las demás determinaciones se calculan de forma teórica a partir de las siguientes fórmulas, así tenemos: 
- [CO3H-]: se calcula con la fórmula de Hendersson- Hasselbach
                       
                                    [CO3H-] = [antilg (pH-pK)]·α·PCO2 
- CO2 total: el CO2 está disuelto en sangre, formando CO3H2, que se disocia dando CO3H- y H+, por lo que, el CO2 total es la suma del CO2 disuelto, el ácido carbónico y el bicarbonato.
                           CO2 total= α·PCO2 + CO3H-
- [Hb] en sangre: la determinación se hace por espectrofotometría
- Saturación de Hb: se determina por curvas de disociación de Hb. Actualmente se incorporan técnicas espectrofotométricas para HbO.
- Anión restante: se determina cuando no se conoce si la acidosis del paciente es metabólica o no. Como la relación entre condiciones y aniones orgánicos es igual y constante, si determinamos la resta de ambas conocemos el grado de ácidos. Teóricamente lo calculamos:
                                (Na+ + K+) – (Cl- + CO3H-) = anión restante 
 Cuando aumenta el número de ácidos no volátiles en el organismo está en relación está alterada, apareciendo valores superiores a los normales. Este dato se expresa en miliequivalentes/litro (meq/L) 
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