2.6: Regulación de la concentración intracelular de iones de hidrógeno

Importancia de Intracelular [H ⁺]

El [H ⁺] más importante para el cuerpo es el intracelular [H ⁺]

¿Por qué? Debido a sus profundos efectos sobre el metabolismo y otros procesos celulares que ocurren debido a los efectos de [H ⁺] sobre el grado de ionización de compuestos intracelulares. Específicamente:

• Efecto de molécula pequeña: Función de atrapamiento intracelular, debido a la ionización de intermedios metabólicos.
• Efecto de moléculas grandes: Efectos sobre la función proteica: La función de muchas proteínas intracelulares (especialmente las actividades de las enzimas) se ve alterada por los efectos sobre la ionización de residuos de aminoácidos (especialmente residuos de histidina)

En la evaluación de los trastornos ácido-base, el clínico siempre está mirando desde afuera hacia adentro.

¿Por qué? Por 2 razones:

• Facilidad de toma de muestras: La sangre arterial es fácil de muestrear. Es mucho más difícil obtener una muestra intracelular
• La sangre arterial da resultados que pueden considerarse una especie de 'valor promedio'. Sería más difícil encontrar una muestra intracelular que pudiera considerarse 'representativa' de todos los ICF.

La base del abordaje clínico es utilizar los resultados extracelulares para hacer inferencias sobre condiciones intracelulares.

Tanto el dióxido de carbono como los ácidos fijos se producen intracelularmente y bajan los gradientes de concentración a la ECF. El dióxido de carbono cruza las membranas celulares muy fácilmente y es importante darse cuenta de que el CO ₂ puede entrar o salir dependiendo del gradiente a través de la membrana celular.

En la cetoacidosis diabética (DKA), los cetoácidos se producen en el hígado y no en todas las células del cuerpo. Sin embargo, el efecto alcalinizante intracelular de la hipocapnia compensatoria que se produce afectará a todas las células y no solo a los hepatocitos. ¿Significa esto que la DKA produce un aumento extracelular en [H ⁺] pero el cambio opuesto en la mayoría de los tejidos (excluyendo el hígado) donde el efecto neto es una caída en [H ⁺] intracelular debido a la hipocapnia compensatoria? Los cetoácidos pueden ingresar a la mayoría de las células y ser utilizados como sustrato energético y esto inicialmente provocaría una caída en [H ⁺] intracelular. Es posible que el pH intracelular no se altere mucho una vez que se haya logrado la compensación respiratoria máxima debido a estos efectos opuestos. Es posible que aunque la compensación respiratoria máxima no corrija completamente la acidemia extracelular, puede ser suficiente para evitar muchos cambios en el pH intracelular. Esta discusión es especulativa y no ha sido investigada a fondo. El propósito aquí es simplemente mostrar que mirar los trastornos ácido-base desde el punto de vista intracelular puede conducir a ideas que son diferentes de las del punto de vista extracelular convencional.

La hipótesis de Rahn y sus compañeros de trabajo (ver sección 1.6) es que el pH intracelular se mantiene aproximadamente al pH de neutralidad (pN) porque este es el pH al que los intermedios de metabolitos se cargan y atrapan dentro de la célula. El pH extracelular es mayor en 0.5 a 0.6 unidades de pH y esto representa aproximadamente un gradiente cuádruple favoreciendo la salida del ion hidrógeno de la célula. Las mediciones del pH intracelular en una variedad de preparaciones de músculo esquelético de mamíferos han encontrado valores de pH principalmente en el rango de 6.8 a 7.1. Los valores encontrados en otros tejidos a veces han sido mayores dependiendo de los arreglos experimentales. Este valor es un poco mayor que el pN (6.8 a 37°C) pero aún es capaz de atrapar eficazmente los intermedios dentro de la célula. Otra complicación es que el pH intracelular no es uniforme y las mediciones han sido capaces de dar solo valores medios de pH para todo el compartimento intracelular. Estos valores medios pueden ser engañosos ya que puede haber áreas ácidas y básicas dentro de diferentes áreas celulares u orgánulos y es este pH local el que es importante.

Debido a los poderosos efectos del [H ⁺] intracelular sobre el metabolismo, es útil considerar los procesos que intentan mantenerlo en un valor estable. Esto nos ayuda a hacer inferencias sobre eventos intracelulares a partir de una muestra ácido-base extracelular.

Los procesos encargados de mantener un pH intracelular estable son:

• Almacenamiento en búfer intracelular
• Ajuste de PCo arterial ₂
• Pérdida de ácidos fijos de la célula al líquido extracelular

Almacenamiento en búfer intracelular

Este término se refiere a aquellos procesos reversibles rápidos que ocurren dentro del fluido intracelular que minimizan los cambios en el pH en respuesta a un estrés ácido o alcalino. El término tamponamiento se usa aquí en un sentido mucho más amplio que el discutido en la sección 2.2 donde se utilizó para referirse al proceso de tamponamiento fisicoquímico solo. Intracelularmente, existen otros procesos rápidos y reversibles que actúan minimizando los cambios agudos en [H ⁺] intracelular y que pueden considerarse útilmente una forma de tamponamiento. El almacenamiento en búfer intracelular incluye los siguientes procesos:

• Almacenamiento en búfer fisicoquímico
• Almacenamiento en búfer metabólico
• Almacenamiento en búfer organelar

Los experimentos han demostrado que estos tres procesos pueden neutralizar más del 99.99% de cualquier ácido o álcali agregado agudamente al fluido intracelular. Estos procesos proporcionan un alivio rápido pero temporal de los cambios ácido-base intracelulares agudos.

Almacenamiento en búfer fisicoquímico

En términos cuantitativos este es el proceso más importante que resiste el cambio en [H ⁺] intracelular. (El amortiguamiento fisicoquímico se discute en la sección 2.2.)

En el ambiente intracelular, las proteínas (particularmente imidazol de histidina) y los fosfatos (orgánicos e inorgánicos) son los tampones más importantes porque tienen un pK cercano al pH intracelular normal y están presentes en las concentraciones más altas. El ICF es responsable de 97 a 99% de la amortiguación total del cuerpo de los trastornos ácido-base respiratorios. La contribución intracelular al tamponamiento es menor con los trastornos metabólicos (60% para la acidosis metabólica; 30% para la alcalosis metabólica) pero aún es sustancial. El sistema de bicarbonato está presente intracelularmente y participa en el amortiguamiento de la acidosis metabólica. Los aminoácidos intracelulares proporcionan una pequeña cantidad del buffering. La histidina libre tiene un pKa de aproximadamente 6.0 el cual es menor que el valor promedio de 6.8 cuando se incorpora a las proteínas. Una pequeña cantidad de H ⁺ se utiliza para producir alanina y glutamina.

Almacenamiento en búfer metabólico

El tamponamiento metabólico (o bioquímico) se refiere a cambios en el metabolismo de los ácidos dentro de la célula que tienden a oponerse a los cambios en [H ⁺].

Los cambios en el pH intracelular afectan la actividad de las enzimas. El efecto neto de los cambios diferenciales en la actividad enzimática en diversas vías (incluyendo la vía glicolítica principal) es una alteración en los niveles de metabolitos ácidos de tal manera que se minimizan los cambios en [H ⁺]. Por ejemplo, el metabolismo del lactato a glucosa o al agua y CO ₂ (que puede salir fácilmente de la célula) eliminará efectivamente H ⁺ del fluido intracelular. Esto claramente no es simplemente un amortiguamiento fisicoquímico. Considera otro ejemplo: Si el PCo ₂ intracelular disminuye debido a la hiperventilación aguda, esto produce una alcalosis intracelular relativa. Los cambios en las actividades enzimáticas dan como resultado un aumento de los niveles de lactato, piruvato y otros intermedios ácidos. Esto ocurre rápidamente, es reversible y tiende a minimizar el cambio en el pH intracelular. El tamponamiento metabólico puede representar un consumo de iones de hidrógeno hasta la mitad de ese debido al proceso de tamponamiento fisicoquímico dentro de la célula.

Almacenamiento en búfer organelar

Esto se refiere al secuestro agudo o liberación de H ⁺ de orgánulos intracelulares en una dirección que se opone al cambio del pH intracelular.

La contribución global de este proceso al amortiguamiento intracelular no está clara.

La energía liberada durante las transferencias de electrones en la cadena respiratoria en las mitocondrias se utiliza para extruir iones de hidrógeno. La energía se almacena como un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Cuando los iones de hidrógeno vuelven a entrar a través de la ATPasa unida a la membrana, la energía se libera y se utiliza para producir ATP a partir de ADP. Las mitocondrias extruyen un total de seis protones por cada átomo de oxígeno que se reduce a agua. Un aumento en el citoplasmático [H ⁺] proporciona H ⁺ adicional que puede ingresar a las mitocondrias. Esto contribuirá a la formación de ATP a través del gradiente de protones de la membrana interna y amortiguará los cambios en el pH citoplásmico.

Los lisosomas contienen enzimas que tienen máxima actividad a pH ácido. En algunos experimentos, el pH interno de los lisosomas aumenta cuando aumenta el pH extracelular. Esto puede interpretarse como un mecanismo que ayuda a amortiguar los cambios en el pH citoplásmico. No se establece la significación general de este proceso.

Ajuste de PCo Arterial ₂

El dióxido de carbono es producido en grandes cantidades por las células: típicamente 12,000 (basalmente) hasta tanto como 15,000 a 20,000 mmoles/día con niveles típicos de actividad. Existe un sistema eficiente para su remoción. El PCo ₂ arterial es de importancia crítica para el equilibrio ácido-base intracelular tanto por su potencial para cambiar rápidamente como por su efectividad en la alteración intracelular [H ⁺].

El dióxido de carbono cruza las membranas celulares fácilmente. Un cambio en la ventilación afecta el nivel arterial de PCo ₂ y el PCo ₂ intracelular en todo el cuerpo. La respuesta compensatoria a un trastorno metabólico ácido-base es aumentar la ventilación alveolar y así disminuir los niveles arteriales de PCo ₂. Este cambio de PCo ₂ afectará el pH intracelular y este efecto es rápido. Por ejemplo, una acidosis metabólica aguda será compensada por una caída en el PCo ₂ que minimizará los efectos intracelulares de la acidosis.

Extrusión de ácido fijo de celdas

El metabolismo (un evento intracelular) produce un exceso de ácido. A largo plazo, el equilibrio de iones hidrógeno dentro de la célula depende de la pérdida de estos ácidos de la célula. Los diversos procesos de tamponamiento discutidos anteriormente son solo medidas a corto plazo ya que el ácido no se elimina de la célula.

Los experimentos muestran que las células responden a una carga ácida aguda (por ejemplo, hipercapnia) por una caída inicial en el pH (minimizada por el tamponamiento intracelular discutido anteriormente) pero que el pH posteriormente regresa lentamente hacia la normalidad a pesar de la presencia continua del estrés ácido. Esto se debe a la extrusión neta de ácido de la célula a través de la membrana celular. Este proceso implica un intercambio acoplado de iones (H ⁺, HCO ₃ ^-, Na ⁺ y Cl ^-) a través de la membrana. El proceso no afecta el potencial de membrana por lo que debe ser electroneutral. Se han propuesto diversos modelos pero la importancia relativa de estos en vertebrados no se ha establecido del todo. La respuesta de las células a una carga alcalina está mucho menos desarrollada y mucho menos estudiada que la respuesta a una carga ácida.

El movimiento de H ⁺ o HCO ₃ ^- a través de la membrana no es importante para cambiar [H ⁺] (ver discusión en la sección 10.6) pero el movimiento de electrolitos fuertes (como Na ⁺, Cl ^-, lactato) alterará intracelular [H ⁺]. El punto importante es que es el movimiento del anión ácido fuera de la célula (en lugar de iones hidrógeno per se) lo que da como resultado una pérdida neta de ácido fijo de la célula. Una situación similar se aplica en el riñón: el énfasis debe estar en la pérdida urinaria de los aniones ácidos (con el H ⁺ tamponado sobre fosfato de amonio) más que en el ion hidrógeno mismo. El uso tradicional del ion hidrógeno en las explicaciones debe ser cuantitativamente equivalente pero sirve para disimular la verdadera naturaleza del proceso.

En resumen:

En experimentos donde las células son sometidas a una carga ácida, responden por un incremento en la velocidad de extrusión ácida de la célula. Esto devuelve intracelular [H ⁺] hacia la normalidad. La respuesta no es tan rápida como los mecanismos involucrados en el buffering intracelular.