1.6: Hipótesis Alphastat

1.6.1 Más allá de Davis: la hipótesis de Alphastat

Reeves ¹ y Rahn ² ampliaron las conclusiones alcanzadas por Davis ³ considerando las constantes de disociación (pK) para estos intermedios metabólicos. Encontraron que el pK para todos los intermedios ácidos fue menor de 4.6 y el pK de todos los intermedios básicos fue mayor a 9.2. El grado de disociación de todos estos compuestos a un pH alrededor de la neutralidad fue de 1.0 (es decir, completamente ionizado). Los intermedios están todos cargados y atrapados dentro de la membrana celular lipídica.

Sugirieron mirar la fisiología ácido-base desde el punto de vista del ambiente intracelular en lugar del abordaje clínico extracelular habitual. Primero plantearon la siguiente pregunta:

¿Cuál es el pH intracelular ideal?

El trabajo de Davis y los hallazgos relativos a los valores de pK sugieren que el estado ideal para el metabolismo intermedio es el estado de neutralidad debido a que la ionización máxima con el consiguiente atrapamiento intracelular de los intermedios metabólicos ocurre a este pH.

Primera hipótesis: pH (ICF) = pN

Si teóricamente, es claro que el pH ideal de ICF debe ser el pH de neutralidad (pN) ^{ver 4}, entonces el siguiente paso es hacer la pregunta:

¿Es el pH intracelular real como se predijo?

Según Rahn, las mediciones confirmaron que el pH intracelular medio del hombre es de 6.8 a 37°C, ¡que es de hecho el pH de neutralidad (pN) a esa temperatura!

Antes de ir más allá necesitamos entender:

¿Qué se entiende por 'neutralidad'?

La neutralidad se define, para los sistemas acuosos, como el estado cuando [H ⁺] = [OH ^-]. (Esta definición deriva de la teoría ácido-base de Arrhenius y se observa de pasada que una crítica a la teoría de Bronsted-Lowry es que no tiene definición de neutralidad).

Por la Ley de Acción de Masas aplicada a la disociación del agua (ver Sección 10.4), entonces:

\(pN = 0.05 \times pKw\)donde pkW es el producto iónico para el agua ⁴

La consideración de esta ecuación es importante ya que nos proporciona una manera de probar la hipótesis de Davis, Reeves y Rahn de que el pH intracelular es igual a pN (con la consiguiente ventaja biológica del atrapamiento intracelular de intermedios metabólicos. La pista es que PKW'es muy dependiente de la temperatura.

Entonces pN es dependiente de la temperatura y si la hipótesis (ICF pH = pN) es correcta entonces el pH intracelular debería cambiar con cambio de temperatura para mantener la relación predicha.

Un pH intracelular a aproximadamente pN debe aplicarse seguramente a otros animales (con temperaturas corporales distintas a 37°C) ya que no hay razón para creer que los humanos a 37°C solos deben estar en una posición única. Si se produce este cambio predicho con la temperatura, daría un apoyo muy fuerte a la teoría. Entonces, la siguiente pregunta es:

¿El pH intracelular cambia con la temperatura para permanecer igual a pN en cada temperatura? (Y si es así: ¿Cómo sucede esto?)

Se han realizado mediciones del pH intracelular en músculos esqueléticos en varios animales ectotérmicos que han sido aclimatados a temperaturas que van de 5°C a 31°C, todos ellos muestran el cambio de pH esperado: el pH intracelular se mantiene a aproximadamente pN con cambio de temperatura!!

Se ha calculado que para que el cuerpo tenga esta relación temperatura-pH requiere ciertas cosas. Debe haber un sistema tampón con un pK que sea aproximadamente la mitad del agua (porque un tampón es más efectivo cerca de su pK) y que cambie su pK para que mantenga esta relación a medida que cambia la temperatura. El tampón debe estar presente en concentración suficiente y tener ciertas propiedades químicas (eg ΔH = 7 kcals por mol). Para que este sistema funcione de manera óptima, también requiere un contenido constante de CO ₂.

El trabajo experimental ha demostrado que el amortiguamiento de proteínas, en gran parte debido al grupo imidazol de la histidina, es responsable de mantener esta relación temperatura-pH (ayudado por el amortiguamiento de fosfato y bicarbonato). De todos los grupos disociables de proteínas que están disponibles, es solo el imidazol de histidina el que tiene el pK correcto y cuyo pK cambia con la temperatura de la manera apropiada.

El imidazol tiene un grado de disociación (denominado alfa) de 0.55 en el compartimento intracelular y este permanece constante a pesar de los cambios de temperatura (es decir, el pK está cambiando con el cambio de temperatura). Esta teoría sobre la constancia del valor de imidazol alfa propuesta por Reeves y Rahn se ha denominado la hipótesis del imidazol alfastato.

Hipótesis Alphastat El grado de ionización (alfa) de los grupos imidazol de las proteínas intracelulares permanece constante a pesar del cambio de temperatura.

La otra condición necesaria para mantener constante el imidazol alfa es que el contenido de CO ₂ en sangre debe mantenerse constante a diferentes temperaturas corporales. Esto significa que se debe regular la ventilación para mantener el imidazol alfa en la sangre. Se ha encontrado experimentalmente que esta regulación para mantener constante el imidazol alfa en la sangre dará como resultado que el imidazol alfa se mantenga también en otros compartimentos (por ejemplo, fluido intracelular). El control respiratorio que ajusta la ventilación probablemente involucra proteínas cuya actividad se ve alterada en una dirección apropiada por un mecanismo alfstático. El ajuste de ECF PCo ₂ es necesario ya que esto mantiene una alcalinidad relativa constante de la ECF en relación con el ICF, por lo que hay constancia del gradiente para H ⁺ a través de la membrana celular. En realidad esto no quiere decir que la ventilación tenga que aumentar notablemente con la disminución de la temperatura debido a que la tasa metabólica reducida dará como resultado automáticamente una disminución de la producción de CO ₂.

¿El pH neutro no debería ser 7.0? Muchas personas creen que un pH de 7.0 es el 'pH neutral' y en consecuencia tienen problemas para entender cómo puede ser posible el cambio en pN con la temperatura. Por definición, la neutralidad es cuando la solución tiene [H ^+] = [OH ^-]. A una temperatura de 25°C, esta condición efectivamente ocurre en agua pura cuando el pH es 7.0 y esta es la base de la enseñanza común de la escuela secundaria. Pero, como se indica en los cálculos de la Sección 10.4, esta condición de [H ^+] = [OH ^-] se basa en la cantidad que el agua disocia y ocurre cuando pH = 0.5 x PkW. Este pH (el pN) depende únicamente del producto iónico del agua pKW' (lo que indica cuánta agua se disocia); el valor de este término es muy dependiente de la temperatura. A una temperatura más alta, el agua aún se disocia para producir cantidades iguales de H ^+ y OH ^- (la condición neutra) pero hay más disociación por lo que el [H ^+] es mayor (es decir, el pH es menor). A 37°C, pN es 6.8

Alfa-estadística versus pH-estadística

La teoría alternativa es la hipótesis de pH-stat: esto argumenta que el pH debe mantenerse constante a pesar de los cambios de temperatura. Esto es lo mismo que decir que el pH ECF debe mantenerse en 7.4 ya sea que la temperatura sea de 20°C o 25°C o lo que sea.

Resultados de gases en sangre: ¿A la temperatura correcta o no? El enfoque de pH-stat también es implícitamente el enfoque utilizado por cualquier persona que la temperatura corrija los resultados de los gases en sangre a la temperatura del paciente pero interprete los valores contra el rango de referencia relevante a 37 °C; no hay rango de referencia disponible para temperaturas distintas a 37 °C, pero el pH-stat enfoque es que el rango de referencia para 37°C es válido a todas las temperaturas. El enfoque alfa-stat es nunca corregir la temperatura de los resultados de los gases en sangre. No reportar la temperatura del paciente en el formulario de solicitud, o si hace los gases usted mismo, solo ingrese la temperatura como 37°C sin importar cuál sea la temperatura real del paciente. Los resultados de la máquina de gas en sangre deben ser entonces aquellos medidos en la máquina a 37°C. El rango de referencia para 37°C es obviamente el correcto para aplicar al evaluar estos resultados. Debe tener cuidado porque si usted o un colega indican la temperatura real del paciente en el formulario de solicitud de gases en sangre, el técnico de laboratorio ingresará esta temperatura en la máquina de gases en sangre y el informe impreso tendrá los valores calculados para esta temperatura del paciente (es decir, los valores 'corregidos'). Tenga en cuenta que cualquiera que sea la temperatura real del paciente, la máquina siempre está termostatada a 37°C y todas las mediciones se realizan en consecuencia a 37°C.Para otras temperaturas del paciente, la computadora en la máquina utiliza diversas fórmulas de corrección para calcular cuáles serían los valores para los parámetros en el temperatura real del paciente. La corrección de pH utilizada en la mayoría de las máquinas es el factor de corrección Rosenthal. El manual para la máquina de gas en sangre tiene una lista completa de las fórmulas que utiliza para todos los valores calculados.

Esta controversia sobre si la teoría del alfa-stat o el pH-stat es correcta, tiene relevancia anestésica práctica en pacientes que se vuelven hipotérmicos (por ejemplo, mientras están en bypass cardiopulmonar). ¿Cuál es el nivel de pH a apuntar en estos pacientes? Parece que la teoría del alfa-stat es ahora ampliamente aceptada. Esto probablemente esté relacionado con la atracción intelectual de los argumentos teóricos debido a que las diferencias importantes en el resultado entre grupos de pacientes manejados por la técnica de pH-stat o la técnica de alfa-stat no han sido claras. Las células son capaces de funcionar a pesar de la presencia de cierto nivel de perturbación. Los estudios clínicos se han concentrado en qué abordaje es mejor para el corazón (resultado miocárdico) y/o cuál es el mejor enfoque para el cerebro (resultado neurológico). El pH-stat tiene como objetivo mantener un pH de 7.4 a las temperaturas más bajas de bypass cardiaco hipotérmico se logra al tener un nivel de PCo ₂ que es superior al requerido para el manejo de alfa-stat. Esto significa que desde el punto de vista alfstático, el manejo del pH-stat da como resultado una acidosis respiratoria a la temperatura más baja. Un efecto es que el flujo sanguíneo cerebral es mayor a una temperatura dada con manejo de pH-stat que con el manejo alfstático. (Ver sección 1.6.3)

La hipótesis alfástica consiste en mantener alfa, lo que significa que la carga neta en todas las proteínas se mantiene constante a pesar de los cambios de temperatura. Esto asegura que todas las proteínas puedan funcionar de manera óptima a pesar de los cambios de temperatura. La importancia del pH no se trata solo de la captura intracelular de los intermedios metabólicos (efecto de molécula pequeña) sino también de la función de la proteína (efecto de molécula grande). Esto afecta a todas las proteínas, aunque las enzimas suelen figurar de manera destacada como ejemplos. Entonces, para responder a la pregunta sobre por qué el pH es tan importante en el metabolismo implica estas dos razones.

Resumen: Las dos razones por las que el pH es tan importante para el metabolismo Efecto sobre moléculas pequeñas: atrapamiento intracelular de metabolitos intermedios (es decir, la hipótesis de Davis) Efecto sobre moléculas grandes (proteínas): Mantener una función proteica óptima tanto intracelularmente como extracelularmente. En consecuencia, el cuerpo regula el pH muy fuertemente

Un punto final: Según los químicos, la situación relativa al pH y la temperatura es en realidad bastante compleja: por ejemplo, la base termodinámica de la medición del pH incluye un término para el potencial del estado fundamental que debe definirse arbitrariamente a cada temperatura. Esto significa que no se puede determinar con precisión el valor absoluto del potencial medido a ninguna temperatura en particular y, por lo tanto, no se pueden comparar los valores de pH obtenidos a diferentes temperaturas, estrictamente hablando. Esto realmente no es una preocupación para el clínico.

Ejemplo: Manejo Alfstático durante Hipotermia Inducida

Como ejemplo, considere el manejo de un paciente que se enfría durante una cirugía a corazón abierto.

Un paciente se enfría a 20°C para cirugía cardíaca mientras está en bypass cardíaco. Imagínese que se extrajo una muestra arterial y se analizó a 20°C y mostró pH 7.65 y pCo ₂ 18 mmHg. Ahora bien, si esta misma muestra se analizara a 37°C entonces a esa temperatura, los valores serían pH 7.4 y pCo ₂ 40 mmHg. Entonces, ¿qué valor quieres que te reporten?

Los valores para 37°C pueden interpretarse frente a los valores de referencia conocidos para 37°C y se considerarían normales. Este es el enfoque alfstat y equivale a evaluar los resultados contra el rango de referencia apropiado para 20°C pero sin tener que saber de qué se trata.

Los valores para 20°C también podrían interpretarse frente a los valores de referencia para 37°C. [En realidad, la máquina de gas en sangre mide a 37°C luego aplica las fórmulas de corrección e informa cuáles serían los valores si se midieran a 20°C]. Este es el enfoque pH-stat (es decir, la idea es que el pH debe mantenerse en el valor semi-mágico 7.4 a cada temperatura).

Por el enfoque pH-stat entonces, se decidiría que este paciente presentaba una alcalosis respiratoria significativa y se tomarían medidas para corregirla.

Claramente, los dos enfoques pueden resultar en la aplicación de terapias bastante diferentes.

Resumen de aspectos importantes del Capítulo Uno

• El enfoque discutido en la mayoría de este libro es el enfoque tradicional de la fisiología ácido-base, ya que este es todavía casi el único enfoque discutido en los textos de fisiología. Un enfoque alternativo es el enfoque cuantitativo Stewart que se deriva de principios fisicoquímicos básicos, aunque ahora bien respaldado por la evidencia, este enfoque es más difícil de usar en la práctica clínica cotidiana, este enfoque se discute en el Capítulo 10.
• La teoría ácido-base de Bronsted-Lowry se utiliza normalmente en biología.
  Definiciones: - Un ácido es un donante de protones y una base es un aceptor de protones
• Los iones de hidrógeno (es decir, protones) no existen libres en solución sino que están unidos a moléculas de agua adyacentes por enlaces de hidrógeno. Debido a esta interacción es la actividad (o concentración efectiva) de los iones de hidrógeno más que la concentración real lo que es importante para los efectos biológicos
• El pH es la cantidad utilizada para evaluar la acidez o alcalinidad de una solución. Se define como el log negativo de la actividad del ión hidrógeno. Se mide usando un electrodo de vidrio selectivo de iones
• El pH es típicamente 7.4 en plasma ([H ⁺] aproximadamente 40 nmol/l) pero valores menores de pH se encuentran intracelularmente.
• [H ⁺] en el cuerpo está fuertemente regulado. Las ventajas fisiológicas implican principalmente proporcionar condiciones para una función intracelular óptima, particularmente:
  - el atrapamiento intracelular de los intermedios de metabolitos se maximiza a un pH intracelular de neutralidad
  - la actividad de todas las proteínas (incluyendo enzimas) es optimizado porque su carga neta se mantiene constante
• En el cuerpo, el pH intracelular cambia con la temperatura de tal manera que el pH intracelular permanece en o cerca del pH de neutralidad. Esto se logra mediante cambios apropiados inducidos por la temperatura en el pK del grupo imidazol de histidina. La idea de que el grado de disociación (conocido como alfa) del imidazol se mantiene constante a pesar de los cambios de temperatura se conoce como hipótesis alfa-stat. Esto tiene implicaciones para la práctica clínica (por ejemplo, el manejo de la hipotermia durante el bypass cardiopulmonar; y no los valores de corrección de temperatura en los informes de ABG).

Referencias

• Reeves R. Una hipótesis de imidazol alfastato para la regulación ácido-base de vertebrados: contenido de dióxido de carbono tisular y temperatura corporal en ranas toro. Respir. Fisiol. 14,219 -236.
• Rahn H Temperatura corporal y regulación ácido-base Pneumonologie. 1974; 151 (2) :87-94
• Davis B Sobre la importancia de ser ionizado Arch Biochem Biophys 1958; 78:497-509
• Austin J y Cullen G Concentración de iones de hidrógeno de la sangre en salud y enfermedad Medicina 1925; 4:275-343. (NB: En este artículo estos autores introdujeron el símbolo pN para representar 'pH de neutralidad' - ver página 299)