Sistema tampó de carbonat
El sistema tampó de carbonat és un mecanisme homeostàtic àcid-base que involucra l'equilibri de l'àcid carbònic (H₂CO₃), ió hidrogenicarbonat HCO−₃), i diòxid de carboni (CO₂) per mantenir el pH en la sang i el duodè, entre altres teixits, per donar suport a la funció metabòlica adequada.[1] Catalitzat per l'anhidrasa carbònica, el diòxid de carboni (CO₂) reacciona amb l'aigua (H₂O) per formar àcid carbònic (H₂CO₃), que al seu torn es dissocia ràpidament per formar un ió hidrogencarbonat (HCO₃-) i un ió hidrogen (H+) com es mostra en la següent reacció:[2][3][4]
De la mateixa manera que amb qualsevol sistema tampó, el pH s'equilibra per la presència d'un àcid feble (per exemple, H₂CO₃) i la seva base conjugada (per exemple, HCO−₃) perquè qualsevol excés d'àcid o base introduït en el sistema sigui neutralitzat.
Si aquest sistema no funciona correctament, es produeix un desequilibri àcid-base, com l'acidosi (pH <7.35) i l'alcalosi (pH> 7.45) en la sang.[5]
En l'equilibri sistèmic àcid-base
modificaEn els teixits, la respiració cel·lular produeix diòxid de carboni com a producte de deixalla, una de les funcions principals del sistema circulatori és l'eliminació de la major part d'aquest CO₂ per la seva hidratació a l'ió hidrogencarbonat.[6] L'ió hidrogencarbonat present en el plasma sanguini es transporta als pulmons, on es deshidrata novament a CO₂ i s'allibera durant l'espiració. Aquestes conversions d'hidratació i deshidratació de CO₂ i H₂CO₃, que normalment són molt lentes, són facilitades per l'anhidrasa carbònica tant en la sang com en el duodè.[7] Mentre està en la sang, l'ió hidrogencarbonat serveix per neutralitzar l'àcid introduït en la sang a través d'altres processos metabòlics (per exemple l'àcid làctic, els cossos cetònics); de la mateixa manera, qualsevol base (per exemple, la urea del catabolisme de les proteïnes) es neutralitza amb àcid carbònic (H₂CO₃).[8]
Regulació
modificaSegons el calculat per l'equació de Henderson-Hasselbalch, per mantenir un pH normal de 7.4 a la sang (pel que el pKa de l'àcid carbònic és 6.1 a temperatura fisiològica), s'ha de mantenir constantment una proporció d'hidrogencarbonat de 20:1 a àcid carbònic; aquesta homeòstasi està principalment intervinguda per sensors de pH en el bulb raquidi del cervell i probablement en els ronyons, vinculats a través de circuits de retroalimentació negativa a efectors en els sistemes respiratori i renal.[9] En la sang de la majoria dels animals, el sistema de tampó de carbonat s'acobla als pulmons a través de la compensació respiratòria, el procés mitjançant el qual la freqüència de la respiració canvia per compensar els canvis en la concentració de CO₂ a la sang.[10] Segons el principi de Le Châtelier, l'alliberament de CO₂ dels pulmons empeny la reacció cap a l'esquerra, causant que l'anhidrasa carbònica formi CO₂ fins que s'elimini tot l'excés d'àcid. La concentració d'hidrogencarbonat també està regulada encara més per la compensació renal, el procés pel qual els ronyons regulen la concentració d'ions hidrogencarbonat mitjançant la secreció d'ions H+ en l'orina mentre, al mateix temps, reabsorbeix ions HCO−₃ al plasma sanguini, o a l'inrevés, depenent de si el pH del plasma està augmentant o disminuint, respectivament.[11]
Equació de Henderson-Hasselbalch
modificaEs pot usar una versió modificada de l'equació de Henderson-Hasselbalch per relacionar el pH de la sang amb els constituents del sistema de tampó carbonat:[12]
![{\displaystyle {\ce {pH}}={\textrm {p}}K_{a~{\ce {H_2CO_3}}}+\log \left({\frac {[{\ce {HCO_3^-}}]}{[{\ce {H_2CO_3}}]}}\right),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8d0d76a69fc4332bf44bd14066a83363fe5eb378)
on:
- pKa H2CO3 és el logaritme negatiu (base 10) de la constant d'acidesa de l'àcid carbònic. És igual a 6.1.
- [HCO−₃ ] és la concentració d'hidrogencarbonat a la sang
- [H₂CO₃] és la concentració d'àcid carbònic a la sang
En descriure els gasos en sang arterial, l'equació de Henderson-Hasselbalch generalment se cita en termes de pCO₂, la pressió parcial de diòxid de carboni, en lloc d'H₂CO₃. Tot i això, aquestes quantitats estan relacionades per l'equació:[12]
![{\displaystyle [{\ce {H_{2}CO_{3}}}]=k_{\ce {H~CO_{2}}}\times p_{\ce {CO_{2}}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3867b9d18e0a498291a72ae6558b573977ed89fc)
on:
- [H₂CO₃] és la concentració d'àcid carbònic a la sang
- kH CO2 és una constant que inclou la solubilitat del diòxid de carboni ala sang. kH CO 2 és aproximadament 0.03 (mmol/L)/mmHg
- pCO2 és la pressió parcial del diòxid de carboni a la sang.
En conjunt, es pot usar la següent equació per relacionar el pH de la sang amb la concentració d'hidrogencarbonat i la pressió parcial de diòxid de carboni:[12]
![{\displaystyle {\ce {pH}}=6.1+\log \left({\frac {[{\ce {HCO_3^-}}]}{0.0307\times p_{{\ce {CO_2}}}}}\right),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a6c05269b01dc092837e1d72838677aabcdffd78)
on:
- El pH és l'acidesa a la sang.
- [HCO −₃ ] és la concentració de bicarbonat en la sang, en mmol/L
- <i id="mwAQI">p</i> CO2 és la pressió parcial del diòxid de carboni ala sang, en mmHg
Derivació de l'aproximació de Kassirer-Bleich
modificaL'equació de Henderson-Hasselbalch, que es deriva de la llei d'acció de masses, pot modificar-se pel que fa al sistema tampó de carbonat per obtenir una equació més simple que proporciona una aproximació ràpida de les concentracions de H+ o HCO−₃ sense necessitat de calcular logaritmes:[7]
![{\displaystyle K_{a,{\ce {H_2CO_3}}}={\frac {[{\ce {HCO_3^-}}][{\ce {H_3O^+}}]}{[{\ce {H_2CO_3}}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0fccb8ddd210e42ab16393212212abd1ff266956)
Atès que la pressió parcial de diòxid de carboni és molt més fàcil d'obtenir a partir de mesurar d'àcid carbònic, la constant de solubilitat de la llei d'Henry (que relaciona la pressió parcial d'un gas a la seva solubilitat) per a CO₂ al plasma s'utilitza en lloc de la concentració d'àcid carbònic. Després de reorganitzar l'equació i aplicar la llei d'Henry, l'equació es converteix en:[13]
![{\displaystyle [{\ce {H^+}}]={\frac {K'\cdot 0.03p_{{\ce {CO_2}}}}{[{\ce {HCO_3^-}}]}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b850d7cf03ccba82d2a57f45df26d3a64d459b2e)
on K' és la constant de dissociació de la pKa de l'àcid carbònic, 6.1, que és igual a 800 nmol / L (donat que K' = 10−pKa = 10-(6.1) ≈ 8.00X10−07 mol/L = 800nmol/L). Multiplicant K ' (expressat com nmol / L) i 0.03 (800 X 0.03 = 24) i reorganitzar pel que fa a HCO−₃, l'equació se simplifica:
![{\displaystyle [{\ce {HCO_3^-}}]=24{\frac {p_{{\ce {CO_2}}}}{[{\ce {H^+}}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/86cd85a71a21d9de0a673c7e3e1fda1c904b0a5e)
En altres teixits
modificaEl sistema tampó de carbonat també exerceix un paper vital en altres teixits. En l'estómac i el duodè humans, el sistema tampó de carbonat serveix tant per neutralitzar l'àcid gàstric com per estabilitzar el pH intracel·lular de les cèl·lules epitelials a través de la secreció de l'ió hidrogencarbonat a la mucosa gàstrica.[1] En pacients amb úlceres duodenals, l'erradicació de Helicobacter pylori pot restaurar la secreció de carbonat de la mucosa i reduir el risc de recurrència de l'úlcera.[14]
Referències
modifica- ↑ 1,0 1,1 Krieg, Brian J.; Taghavi, Seyed Mohammad; Amidon, Gordon L.; Amidon, Gregory E. «In Vivo Predictive Dissolution: Transport Analysis of the CO2, Bicarbonate In Vivo Buffer System». Journal of Pharmaceutical Sciences, 103, 11, 01-11-2014, pàg. 3473–3490. DOI: 10.1002/jps.24108. ISSN: 1520-6017. PMID: 25212721.
- ↑ Oxtoby, David W.; Gillis «Acid-base equilibria». A: Principles of Modern Chemistry. 8. Boston, MA: Cengage Learning, 2015, p. 611–753. ISBN 978-1305079113.
- ↑ Widmaier, Eric; Raff; Strang. «The kidneys and regulation of water and inorganic ions». A: Vander's Human Physiology. 13. Nova York, NY: McGraw-Hill, 2014, p. 446–489. ISBN 978-0073378305.
- ↑ Meldrum, N. U.; Roughton, F. J. W. «Carbonic anhydrase. Its preparation and properties». The Journal of Physiology, 80, 2, 05-12-1933, pàg. 113–142. DOI: 10.1113/jphysiol.1933.sp003077. ISSN: 0022-3751. PMC: 1394121. PMID: 16994489.
- ↑ Rhoades, Rodney A.; Bell Medical physiology : principles for clinical medicine. 4th ed., International. Philadelphia, Pa.: Lippincott Williams & Wilkins, 2012. ISBN 9781451110395.
- ↑ al.], David Sadava ... [et; Bell. Life : The Science of Biology. 10th. Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2014. ISBN 9781429298643.
- ↑ 7,0 7,1 Bear, R. A.; Dyck, R. F. «Clinical approach to the diagnosis of acid-base disorders.». Canadian Medical Association Journal, 120, 2, 20-01-1979, pàg. 173–182. ISSN: 0008-4409. PMC: 1818841. PMID: 761145.
- ↑ Nelson, David L.; Cox; Lehninger Lehninger Principles of Biochemistry. 5th. Nova York: W.H. Freeman, 2008. ISBN 9781429212427.
- ↑ Johnson. Essential medical physiology. 3rd. Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2003. ISBN 9780123875846.
- ↑ Heinemann, Henry O.; Goldring, Roberta M. «Bicarbonate and the regulation of ventilation». The American Journal of Medicine, 57, 3, 1974, pàg. 361–370. DOI: 10.1016/0002-9343(74)90131-4.
- ↑ Koeppen, Bruce M. «The kidney and acid-base regulation». Advances in Physiology Education, 33, 4, 01-12-2009, pàg. 275–281. DOI: 10.1152/advan.00054.2009. ISSN: 1043-4046. PMID: 19948674.[Enllaç no actiu]
- ↑ 12,0 12,1 12,2 page 556, section "Estimating plasma pH" in: Bray, John J. Lecture notes on human physiology. Malden, Mass.: Blackwell Science, 1999. ISBN 978-0-86542-775-4.
- ↑ Kamens, Donald R.; Wears, Robert L.; Trimble, Cleve «Circumventing the Henderson-Hasselbalch equation». Journal of the American College of Emergency Physicians, 8, 11, 01-11-1979, pàg. 462–466. DOI: 10.1016/S0361-1124(79)80061-1.
- ↑ Hogan, DL; Rapier, RC; Dreilinger, A; Isenberg, JI; Basuk, PM «Duodenal bicarbonate secretion: Eradication of Helicobacter pylori and duodenal structure and function in humans». Gastroenterology, 110, 3, 1996, pàg. 705–716. DOI: 10.1053/gast.1996.v110.pm8608879.