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Sistemi Tampone
 

Sistemi Tampone

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    Sistemi Tampone Sistemi Tampone Presentation Transcript

    • Sistema renale Regolazione dell’equilibrio acido-base
    • La regolazione della concentrazione degli ioni idrogeno è simile alla regolazione di qualunque altro ione, dovendo esistere un equilibrio fra intake ed escrezione. Benché il rene rivesta il ruolo fondamentale nel controllo di questo equilibrio, esistono molti sistemi che esercitano uno stretto controllo sul valore del pH. La concentrazione degli idrogenioni è strettamente controllata perché tutti i sistemi enzimatici hanno un meccanismo di funzionamento che dipende al valore del pH. La concentrazione degli H+ è molto bassa rispetto a quella di altri ioni ed è circa 4 · 10-5 mEq/l.
    • Molecole contenenti atomi di idrogeno che possono rilasciare ioni idrogeno in soluzione sono dette acidi. Ad esempio HCl in acqua si ionizza in ioni H+ e Cl-. Similmente H2CO3 si dissocia formando H+ e HCO3- Una base è uno ione o una molecola che può accettare ioni idrogeno. Per esempio HCO3- è una base perché accetta ioni H+ per formare acido carbonico. In genere le proteine funzionano come basi perché gli aa carichi negativamente tendono ad attrarre ioni H+. L’emoglobina ed altre proteine plasmatiche sono fra le basi più importanti dell’organismo.
    • Si definisce acido forte un acido che rapidamente e totalmente si dissocia per formare H+ e X- (HCl), mentre un acido debole è un acido che si dissocia lentamente e non completamente (H2CO3). Similmente si definisce base forte una base che accetta ioni H+ facilmente (OH- che lega ioni H+ per formare acqua). Una base debole accetta ioni H+ più difficilmente (HCO3-).
    • Considerata la bassa concentrazione di ioni H+ nel sangue è meglio esprimere questo valore in termini logaritmici come: pH= log 1/[H+]=-log [H+] Da cui si ricava che il valore di pH è inversamente proporzionale alla concentrazione degli idrogenioni. Il normale valore del pH arterioso è 7.4, mentre quello venoso è circa 7.35 per la presenza di maggiori quantità di CO2 rilasciata dai tessuti. Questi valori devono essere assolutamente costanti con possibilità di minime variazioni (7.0 ≤ pH ≤ 8.0). Il pH intracellulare è normalmente più basso perché il metabolismo cellulare produce acidi. Il pH delle urine può variare fra 4.5 e 8.0 a seconda delle necessità. Il pH più basso nell’organismo si ritrova nello stomaco durante la digestione, dove si arriva fino a 0.8.
    • Difese per le variazioni di pH Esistono tre sistemi principali che regolano la concentrazione di idrogenioni nei fluidi corporei per prevenire acidosi ed alcalosi. Sistemi buffer acido-base: si combinano immediatamente con H+ per evitare variazioni eccessive del pH Centro respiratorio: regola la rimozione di CO2 e quindi di H2CO3 Sistema renale: elimina urine acide o basiche riportando i concentrazione di idrogenioni ai valori normali
    • più abbondante più adatto come pK fondamentali all’interno della cellula
    • Quando c’è una variazione nella concentrazione degli idrogenioni, i sistemi buffer reagiscono entro pochi secondi per minimizzare le variazioni di pH. La seconda linea di difesa è rappresentata dal sistema respiratorio che elimina CO2 dall’organismo. Questi due sistemi controllano il valore di pH finché non interviene il sistema renale che elimina l’eccesso di acido o base dall’organismo. Questo sistema, benché sia il più efficace, è però anche il più lento a rispondere.
    • Un buffer è una sostanza che si lega reversibilmente a ioni H+ secondo la seguente regola: Buffer + H+ ↔ H-Buffer (acido debole) Se la concentrazione di idrogenioni aumenta, la reazione si sposta a destra, mentre a sinistra se la concentrazione di idrogenioni diminuisce, in modo da minimizzare le variazioni di H+. Questi sistemi buffer sono fondamentali per tamponare l’eccesso di H+ che deriva dall’ingestione esterna e dalla produzione endogena. Vediamo quali sono questi sistemi.
    • Il sistema di buffer più diffuso è il sistema bicarbonato che prevede: Un acido debole H2CO3 Un sale di bicarbonato NaHCO3 L’acido viene formato nell’organismo dalla reazione di idratazione della CO2 CO2 + H2O ↔ H2CO3 catalizzata dall’enzima anidrasi carbonica che è abbondante nelle pareti degli alveoli polmonari e nelle cellule dell’epitelio tubulare.
    • Il sistema di buffer completo è dato da: CO2 + H2O ↔ H2CO3 H+ + HCO3- Quando si aggiunge un acido forte come HCl , l’aumento degli idrogenioni sposta la reazione verso sinistra formando acido carbonico che a sua volta forma CO2 e acqua. L’eccesso di anidride carbonica stimola l’attività respiratoria per eliminarla. Quando si aggiunge una base forte come NaOH questa si combina con acido carbonico per formare ione bicarbonato. In questo modo una base forte (NaOH) è sostituita da una base debole (NaHCO3). L’acido carbonico diminuisce nel processo di titolazione e quindi la CO2 a sua volta diminuisce per idratarsi e formare nuovo H2CO3 . La respirazione viene rallentata e così l’eliminazione di CO2.
    • Costante di dissociazione dell’acido carbonico H2CO3 H+ + HCO3- K’= (H+ x HCO3-)/ H2CO3
    • H+= K x (0.03 xPCO2 / HCO3-) L’equazione sotto riportata rappresenta l’equazione di Handerson-Hasselbalch per il sistema bicarbonato. pK vale circa 6.1 e 0.03 · PACO2 sta ad indicare che 0.03mM di H2CO3 è presente nel sangue per ogni mmHg di PCO2 La concentrazione del bicarbonato è regolata principalmente dal sistema renale, mentre la pressione parziale della CO2 nel fluido extracellulare è controllata dalla rate respiratoria. Questo tampone ha quindi il vantaggio di essere sotto il controllo di due sistemi che giocano nella regolazione del pH.
    • Quando un’alterazione dell’equilibrio acido-base deriva da variazioni del bicarbonato si parla di disordini acido-base metabolici. Quando l’alterazione deriva da variazioni della PCO2 si parla di disordini acido-base di tipo respiratorio
    • Intervallo in cui il tampone bicarbonato funziona A questo valore il pH è uguale al valore di pK e la capacità del buffer è la massima. Il rapporto fra HCO3- e CO2 è 1
    • The phosphate buffer system Phosphoric acid changes pretty quickly into dihydrogen phosphate, or H2PO4-. This dihydrogen phosphate is an excellent buffer, since it can either grab up a hydrogen ion and reform phosphoric acid, or it can give off another hydrogen ion and become monohydrogen phosphate, or HPO42-. This figure shows that in extremely basic conditions, monohydrogen phosphate can even give up its remaining hydrogen ion If the H2PO4- is in an acidic solution, the reactions above go to the left, and it if the H2PO4- is in a basic solution, the reactions above proceed to the right. Therefore, the phosphate buffer system can accept or donate hydrogen ions depending on the solution it is in.
    • Il tampone fosfato è meno importante del sistema bicarbonato perché nei fluidi extracellulari è molto meno concentrato. Risulta invece un sistema importante a livello renale perché il fosfato si concentra nel tubulo renale ed inoltre il pH nel tubulo è inferiore a 7.4 portandosi quindi molto vicino al pK del sistema fosfato che quindi ha un ottimo potere tampone. Il sistema fosfato è un ottimo tampone intracellulare dove risulta molto concentrato ed inoltre anche qui il pH intracellulare è molto vicino al pK del sistema rendendolo quindi molto efficace.
    • Amino acids can accept or donate hydrogen ions, making them excellent buffers. And any given protein typically has hundreds of amino acids. So, proteins make superb buffers. Remember, they are found in very high concentration in intracellular solutions and in blood.
    • Controllo renale dell’equilibrio acido-base I reni controllano il valore del pH eliminando urine acide o basiche. L’eliminazione di urina acida consente di eliminare l’eccesso di acido, mentre l’escrezione di urine basiche rimuove basi dai fluidi extracellulari. Il bicarbonato è filtrato a livello glomerulare e i protoni sono secreti a livello tubulare e quindi rimossi dal sangue. Se secrezione H+ > filtrazione HCO3- urine acide Se secrezione H+ < filtrazione HCO3- urine basiche
    • Acidi non-volatili
    • Giornalmente sono prodotti circa 80 mEq di acidi non-volatili derivati dal metabolismo proteico, quali acido solforico (ox di aa con S come Met e Cys) e acido fosforico dal metabolismo di acidi nucleici e fosfolipidi. Sono non-volatili e quindi non eliminabili attraverso la via polmonare. L’eliminazione è a carico renale. Ogni giorno a livello renale sono filtrati 4320mEq di HCO3- (180l/die x 24mEq/l) che non devono essere persi con le urine, ma recuperati. Per recuperare questo bicarbonato si deve formare acido carbonico il che significa che 4320mEq di ioni H+ devono essere secreti per riassorbire il bicarbonato. Inoltre 80mEq aggiuntivi devono essere secreti per eliminare il carico acido derivato dal metabolismo sopra citato. Quindi in totale giornalmente abbiamo: 4320 + 80 = 4400 mEq H+ secreti dal tubulo
    • In condizioni di alcalosi i reni aumentano la quantità di bicarbonato escreto. Gli idrogenioni non devono quindi essere utilizzati per il recupero di bicarbonato e non vengono quindi secreti, il che equivale ad aumentare gli idrogenioni nel liquido extracellulare. In condizioni di acidosi i reni riassorbono tutto il bicarbonato filtrato e ne producono ex-novo che serve a ripristinare quello perso nella titolazione degli acidi. Quindi: i reni regolano la concentrazione di ioni H+ attraverso tre meccanismi Secrezione di ioni idrogeno Riassorbimento del bicarbonato filtrato Produzione di nuovi ioni bicarbonato
    • Secrezione di ioni H+ e riassorbimento di bicarbonato nel tubulo renale Secrezione di idrogenioni e riassorbimento di bicarbonato avvengono in ogni parte del nefrone fatta eccezione per TDs e TAs dell’ansa. Ricordiamo che per ogni bicarbonato riassorbito deve essere secreto un idrogenione. La secrezione di ioni H+ avviene con modalità differenti nelle varie parti del nefrone
    • 3240 mEq/die 4320mEq/die 648mEq/die Riassorbimento di bicarbonato in varie porzioni del nefrone
    • TCP Schema generale di secrezione di ioni H+ nel lume. Contro- trasporto Na-H grazie al gradiente stabilito dalla Na-K ATPasi. In questo modo sono secreti giornalmente 3900mEq di H+. Il fluido tubulare diviene molto acido solo nel nefrone distale.
    • Recupero del bicarbonato CO2 nella cellula viene idratata in presenza dell’anidrasi carbonica H2CO3 si dissocia in H+ e HCO3- H+ in contro-trasporto con Na+ è secreto nel lume dove si combina con HCO3- filtrato per dare acido carbonico che si dissocia in acqua e anidride carbonica HCO3- è riassorbito nel sangue
    • Quindi, ogni volta che si forma uno ione idrogeno nelle cellule dell’epitelio tubulare, si forma anche uno ione bicarbonato che viene rilasciato nel sangue. Il risultato è il riassorbimento di bicarbonato dal filtrato tubulare
    • In alcalosi metabolica c’è un eccesso di ioni bicarbonato rispetto agli idrogenioni. Il bicarbonato non viene totalmente riassorbito, ma rimane nelle urine per essere escreto. In acidosi metabolica c’è un eccesso di ioni H+ rispetto al bicarbonato che verrà totalmente riassorbito e quindi saranno gli ioni H+ a rimanere nelle urine. Questi ioni H+ devono essere titolati da sistemi tampone (fosfato ed ammonio) ed eliminati come sali
    • La secrezione di ioni H+ nella parte distale del TCD e nel DC avviene attraverso un meccanismo di trasporto attivo. La maggiore differenza con TCP è proprio che in questa parte del nefrone esiste una pompa idrogenionica che muove gli ioni H+ dall’interno della cellula, dove si formano a partire dalla reazione di idratazione della CO2 ad opera dell’anidrasi carbonica, al lume tubulare. In questa parte del nefrone la pompa riesce a stabilire un gradiente idrogenionico altissimo che porta il pH delle urine fino a a circa 4.5 che è il limite inferiore raggiungibile nel rene.
    • Cellule intercalate CO2 cellulare idratata con 1. formazione di In TCD e H2CO3 e quindi DC gli ioni H+ di H+ e HCO3- sono secreti da una pompa idrogeno che usa ATP
    • In caso di acidosi, quando si presenta la necessità di eliminare un eccesso di ioni H+, solo una piccola parte di idrogenioni può rimanere in forma ionica nelle urine, perché altrimenti il valore di pH scenderebbe troppo danneggiando il tessuto. Per fare un esempio, per eliminare 80mEq/die di idrogenioni derivati da acidi non-volatili, bisognerebbe eliminare 2667 litri di urina se gli idrogenioni rimanessero in forma ionica!!!!! Quando gli ioni H+ sono in eccesso rispetto al bicarbonato filtrato, gli ioni H+ sono bufferati da altri sistemi tampone che sono il sistema fosfato e il tampone ammoniacale. In questo modo si formano nuovi ioni bicarbonato che sono riassorbiti: questa quota costituisce il bicarbonato ex- novo.
    • Entrambi i due componenti del sistema tampone risultano concentrati nelle urine perché sono scarsamente riassorbiti. Inoltre siccome le urine sono sempre lievemente acide rispetto ai fluidi extracellulari, questo tampone lavora in un ambiente con un pH molto vicino al pK, che è la situazione ideale per un sistema tampone.
    • Escreto come sale di Na+
    • Quindi, tutte le volte che uno ione idrogeno secreto nel lume tubulare, si combina con un buffer che non sia bicarbonato, l’effetto netto è l’aggiunta di nuovo bicarbonato nel sangue. Questo avviene tutte le volte che tutto il bicarbonato è stato riassorbito per la titolazione degli H+. Quando il tampone bicarbonato è esaurito nel filtrato, si presenta la necessità di nuovo bicarbonato e titolazione con un altro buffer
    • Il secondo sistema tampone è il sistema formato da ammoniaca (NH3) e ione ammonio (NH4+). Quest’ultimo è formato dalla glutammina che è trasportata attivamente all’interno del TCP, del TAS, TCD e DC. Il trasporto di ioni ammonio è diverso a seconda che si parli di TCP o DC. Nel primo caso viene immesso ione ammonio nel lume tubulare e lo ione bicarbonato è riassorbito. Nel secondo caso la membrana tubulare non è permeabile allo ione ammonio e quindi è secreta ammoniaca che legando poi idrogenioni forma ioni NH4+ che restano intrappolati nel lume.
    • TCP NEW In TCP dalla Glu si formano 2NH4+ e 2HCO3-. Gli ioni ammonio sono secreti nel lume, mentre gli ioni bicarbonato di nuova sintesi sono riassorbiti nel sangue.
    • Intrappolamento dello ione ammonio
    • Acidosi: aumento dell’escrezione netta di idrogenioni, con aumento dell’escrezione di ioni ammonio. Sintesi ex-novo di bicarbonato riassorbito nel sangue Alcalosi: escrezione di ioni ammonio a zero, mentre aumenta l’escrezione di ioni bicarbonato. Quindi perdita netta di bicarbonato dal sangue (secrezione acida negativa) e nessuna sintesi ex-novo di bicarbonato
    • Acidosi Alcalosi HCO3- PACO2 HCO3- PACO2 metabolica respiratoria metabolica respiratoria Diminuzione Aumento del Diminuzione della Aumento della della filtrazione bicarbonato nel CO2 per CO2 nel plasma di bicarbonato plasma iperventilazione