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26.4: Equilibrio Ácido-Base

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    Objetivos de aprendizaje

    • Identificar el sistema de amortiguación más potente del cuerpo
    • Explicar la forma en que el sistema respiratorio afecta el pH de la sangre

    El correcto funcionamiento fisiológico depende de un equilibrio muy estrecho entre las concentraciones de ácidos y bases en la sangre. El equilibrio ácido-balance se mide usando la escala de pH, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Una variedad de sistemas de tamponamiento permite que la sangre y otros fluidos corporales mantengan un rango de pH estrecho, incluso ante perturbaciones. Un tampón es un sistema químico que evita un cambio radical en el pH del fluido al amortiguar el cambio en las concentraciones de iones hidrógeno en el caso de exceso de ácido o base. Más comúnmente, la sustancia que absorbe los iones es un ácido débil, que absorbe los iones hidroxilo, o una base débil, que absorbe los iones de hidrógeno.

    Figura\(\PageIndex{1}\): La Escala de pH. Este gráfico muestra dónde caen muchas sustancias comunes en la escala de pH.

    Sistemas Buffer en el Cuerpo

    Los sistemas de amortiguación en el cuerpo humano son extremadamente eficientes, y diferentes sistemas funcionan a diferentes velocidades. Los tampones químicos en la sangre tardan solo unos segundos en hacer ajustes al pH. El tracto respiratorio puede ajustar el pH de la sangre hacia arriba en minutos exhalando CO 2 del cuerpo. El sistema renal también puede ajustar el pH de la sangre a través de la excreción de iones de hidrógeno (H +) y la conservación del bicarbonato, pero este proceso tarda horas a días en tener un efecto.

    Los sistemas tampón que funcionan en el plasma sanguíneo incluyen proteínas plasmáticas, fosfato y bicarbonato y tampones de ácido carbónico. Los riñones ayudan a controlar el equilibrio ácido-base al excretar iones de hidrógeno y generar bicarbonato que ayuda a mantener el pH del plasma sanguíneo dentro de un rango normal. Los sistemas de tampón proteico funcionan predominantemente dentro de las células.

    Buffers proteicos en plasma sanguíneo y células

    Casi todas las proteínas pueden funcionar como tampones. Las proteínas están compuestas por aminoácidos, los cuales contienen grupos amino cargados positivamente y grupos carboxilo cargados negativamente. Las regiones cargadas de estas moléculas pueden unirse a hidrógeno e iones hidroxilo, y así funcionar como tampones. El tamponamiento por proteínas representa dos tercios del poder de tamponamiento de la sangre y la mayor parte del tamponamiento dentro de las células.

    Hemoglobina como tampón

    La hemoglobina es la principal proteína dentro de los glóbulos rojos y representa un tercio de la masa celular. Durante la conversión de CO 2 en bicarbonato, los iones hidrógeno liberados en la reacción son tamponados por la hemoglobina, la cual se reduce por la disociación del oxígeno. Este amortiguamiento ayuda a mantener el pH normal. El proceso se invierte en los capilares pulmonares para volver a formar CO 2, que luego puede difundirse en los sacos de aire para ser exhalado a la atmósfera. Este proceso se discute en detalle en el capítulo sobre el sistema respiratorio.

    Buffer Fosfato

    Los fosfatos se encuentran en la sangre en dos formas: dihidrogenofosfato de sodio (Na 2 H 2 PO 4 -), que es un ácido débil, y monohidrogenofosfato de sodio (Na 2 HPO 4 2-), que es una base débil. Cuando Na 2 HPO 4 2- entra en contacto con un ácido fuerte, como HCl, la base recoge un segundo ion hidrógeno para formar el ácido débil Na 2 H 2 PO 4 - y cloruro de sodio, NaCl. Cuando Na 2 HPO 4 2- (el ácido débil) entra en contacto con una base fuerte, como el hidróxido de sodio (NaOH), el ácido débil vuelve a la base débil y produce agua. Los ácidos y bases aún están presentes, pero se aferren a los iones.

    HCl + Na 2 HPO 4 → NaH 2 PO 4 + NaCl

    (Ácido Fuerte) + (Base Débil) → (Ácido Débil) + (Sal)

    NaOH + NaH 2 PO 4 → Na 2 HPO 4 + H 2 O

    (Base Fuerte) + (Ácido Débil) → (Base Débil) + (Agua)

    Buffer Bicarbonato-Ácido Carbónico

    El tampón bicarbonato-ácido carbónico funciona de manera similar a los tampones fosfato. El bicarbonato está regulado en la sangre por el sodio, al igual que los iones fosfato. Cuando el bicarbonato de sodio (NaHCO 3), entra en contacto con un ácido fuerte, como HCl, ácido carbónico (H 2 CO 3), que es un ácido débil, y se forman NaCl. Cuando el ácido carbónico entra en contacto con una base fuerte, como NaOH, se forman bicarbonato y agua.

    NaHCO 3 + HCl → H 2 CO 3 + NaCl

    (Bicarbonato de Sodio) + (Ácido Fuerte) → (Ácido Débil) + (Sal)

    H 2 CO 3 + NaOH → HCO 3- + H 2 O

    (Ácido Débil) + (Base Fuerte) → (Bicarbonato) + (Agua)

    Al igual que con el tampón fosfato, un ácido débil o una base débil captura los iones libres, y se evita un cambio significativo en el pH. Los iones bicarbonato y el ácido carbónico están presentes en la sangre en una proporción de 20:1 si el pH de la sangre está dentro del rango normal. Con 20 veces más bicarbonato que ácido carbónico, este sistema de captura es más eficiente para amortiguar los cambios que harían que la sangre fuera más ácida. Esto es útil porque la mayoría de los desechos metabólicos del cuerpo, como el ácido láctico y las cetonas, son ácidos. Los niveles de ácido carbónico en la sangre son controlados por la espiración de CO 2 a través de los pulmones. En los glóbulos rojos, la anhidrasa carbónica fuerza la disociación del ácido, haciendo que la sangre sea menos ácida. Debido a esta disociación ácida, se exhala CO 2 (ver ecuaciones anteriores). El nivel de bicarbonato en la sangre se controla a través del sistema renal, donde los iones bicarbonato en el filtrado renal se conservan y se vuelven a pasar a la sangre. Sin embargo, el tampón bicarbonato es el sistema de tamponamiento primario del IF que rodea las células en los tejidos de todo el cuerpo.

    Regulación respiratoria del equilibrio ácido-base

    El sistema respiratorio contribuye al equilibrio de ácidos y bases en el organismo regulando los niveles sanguíneos de ácido carbónico (Figura\(\PageIndex{2}\)). El CO 2 en la sangre reacciona fácilmente con el agua para formar ácido carbónico, y los niveles de CO 2 y ácido carbónico en la sangre están en equilibrio. Cuando el nivel de CO 2 en la sangre sube (como lo hace cuando contienes la respiración), el exceso de CO 2 reacciona con el agua para formar ácido carbónico adicional, disminuyendo el pH de la sangre. Aumentar la frecuencia y/o profundidad de la respiración (lo que podría sentir el “impulso” de hacer después de contener la respiración) le permite exhalar más CO 2. La pérdida de CO 2 del cuerpo reduce los niveles sanguíneos de ácido carbónico y con ello ajusta el pH hacia arriba, hacia niveles normales. Como habrás supuesto, este proceso también funciona en la dirección opuesta. La respiración excesiva profunda y rápida (como en la hiperventilación) elimina la sangre de CO 2 y reduce el nivel de ácido carbónico, haciendo que la sangre sea demasiado alcalina. Esta breve alcalosis se puede remediar rerespirando el aire que ha sido exhalado en una bolsa de papel. La rerespiración del aire exhalado reducirá rápidamente el pH de la sangre hacia la normalidad.

    Figura\(\PageIndex{2}\): Regulación respiratoria del pH de la sangre. El sistema respiratorio puede reducir el pH de la sangre al eliminar CO 2 de la sangre.

    Las reacciones químicas que regulan los niveles de CO 2 y ácido carbónico ocurren en los pulmones cuando la sangre viaja a través de los capilares pulmonares del pulmón. Los ajustes menores en la respiración suelen ser suficientes para ajustar el pH de la sangre cambiando la cantidad de CO 2 que se exhala. De hecho, duplicar la frecuencia respiratoria por menos de 1 minuto, eliminar CO 2 “extra”, aumentaría el pH de la sangre en 0.2. Esta situación es común si estás haciendo ejercicio extenuante durante un periodo de tiempo. Para mantener la producción de energía necesaria, producirías exceso de CO 2 (y ácido láctico si haces ejercicio más allá de tu umbral aeróbico). Para equilibrar el aumento de la producción de ácido, la tasa de respiración sube para eliminar el CO 2. Esto ayuda a evitar que desarrolle acidosis.

    El organismo regula la frecuencia respiratoria mediante el uso de quimiorreceptores, los cuales utilizan principalmente CO 2 como señal. Los sensores de sangre periférica se encuentran en las paredes de la aorta y las arterias carótidas. Estos sensores señalan al cerebro para proporcionar ajustes inmediatos a la frecuencia respiratoria si los niveles de CO 2 suben o bajan. Sin embargo, otros sensores se encuentran en el cerebro mismo. Los cambios en el pH del LCR afectan el centro respiratorio en el bulbo raquídeo, lo que puede modular directamente la frecuencia respiratoria para devolver el pH al rango normal.

    La hipercapnia, o niveles sanguíneos anormalmente elevados de CO 2, se presenta en cualquier situación que perjudique las funciones respiratorias, incluyendo neumonía e insuficiencia cardíaca congestiva. La reducción de la respiración (hipoventilación) debido a medicamentos como la morfina, los barbitúricos o el etanol (o incluso simplemente contener la respiración) también puede resultar en hipercapnia. La hipocapnia, o niveles anormalmente bajos de CO 2 en la sangre, ocurre con cualquier causa de hiperventilación que ahuyenta el CO 2, como toxicidad por salicilato, temperatura ambiente elevada, fiebre o histeria.

    Regulación renal del equilibrio ácido-base

    La regulación renal del equilibrio ácido-base del cuerpo aborda el componente metabólico del sistema de amortiguación. Mientras que el sistema respiratorio (junto con los centros respiratorios en el cerebro) controla los niveles sanguíneos de ácido carbónico controlando la exhalación de CO 2, el sistema renal controla los niveles sanguíneos de bicarbonato. Una disminución del bicarbonato en sangre puede resultar de la inhibición de la anhidrasa carbónica por ciertos diuréticos o de la pérdida excesiva de bicarbonato por diarrea. Los niveles de bicarbonato en sangre también suelen ser más bajos en las personas que tienen la enfermedad de Addison (insuficiencia suprarrenal crónica), en la que se reducen los niveles de aldosterona, y en las personas que tienen daño renal, como la nefritis crónica. Finalmente, los niveles bajos de bicarbonato en sangre pueden ser el resultado de niveles elevados de cetonas (comunes en la diabetes mellitus no controlada), que unen el bicarbonato en el filtrado y evitan su conservación.

    Los iones bicarbonato, HCO 3 -, que se encuentran en el filtrado, son esenciales para el sistema de tampón de bicarbonato, sin embargo las células del túbulo no son permeables a los iones bicarbonato. Los pasos involucrados en el suministro de iones bicarbonato al sistema se ven en la Figura\(\PageIndex{3}\) y se resumen a continuación:

    • Paso 1: Los iones sodio son reabsorbidos del filtrado a cambio de H + por un mecanismo antipuerto en las membranas apicales de las células que recubren el túbulo renal.
    • Paso 2: Las células producen iones bicarbonato que pueden derivarse a capilares peritubulares.
    • Paso 3: Cuando el CO 2 está disponible, la reacción es conducida a la formación de ácido carbónico, el cual se disocia para formar un ion bicarbonato y un ión hidrógeno.
    • Paso 4: El ion bicarbonato pasa a los capilares peritubulares y regresa a la sangre. El ion hidrógeno se secreta al filtrado, donde puede formar parte de nuevas moléculas de agua y ser reabsorbido como tal, o eliminado en la orina.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Conservación del Bicarbonato en el Riñón. Las células tubulares no son permeables al bicarbonato; por lo tanto, el bicarbonato se conserva en lugar de reabsorberse. Se indican los pasos 1 y 2 de conservación del bicarbonato.

    También es posible que las sales en el filtrado, como sulfatos, fosfatos o amoníaco, capturen iones de hidrógeno. Si esto ocurre, los iones hidrógeno no estarán disponibles para combinarse con iones bicarbonato y producir CO 2. En tales casos, los iones bicarbonato no se conservan del filtrado a la sangre, lo que también contribuirá a un desequilibrio de pH y acidosis.

    Los iones hidrógeno también compiten con el potasio para intercambiar con el sodio en los túbulos renales. Si hay más potasio presente de lo normal, se intercambiará potasio, en lugar de los iones hidrógeno, y el aumento de potasio ingresa al filtrado. Cuando esto ocurre, menos iones hidrógeno en el filtrado participan en la conversión de bicarbonato en CO 2 y se conserva menos bicarbonato. Si hay menos potasio, más iones hidrógeno ingresan al filtrado para ser intercambiados con sodio y se conserva más bicarbonato.

    Los iones cloruro son importantes para neutralizar las cargas de iones positivos en el cuerpo. Si se pierde cloruro, el cuerpo utiliza iones bicarbonato en lugar de los iones cloruro perdidos. Así, la pérdida de cloruro resulta en una mayor reabsorción de bicarbonato por el sistema renal.

    TRASTORNOS DE LA...

    Equilibrio Ácido-Base: Cetoacidosis

    La acidosis diabética, o cetoacidosis, ocurre con mayor frecuencia en personas con diabetes mellitus mal controlada. Cuando ciertos tejidos del cuerpo no pueden obtener cantidades adecuadas de glucosa, dependen de la descomposición de los ácidos grasos para obtener energía. Cuando los grupos acetilo rompen las cadenas de ácidos grasos, los grupos acetilo se combinan no enzimáticamente para formar cuerpos cetónicos, ácido acetoacético, ácido beta-hidroxibutírico y acetona, todos los cuales aumentan la acidez de la sangre. En esta condición, al cerebro no se le suministra suficiente combustible, glucosa, para producir todo el ATP que requiere para funcionar.

    La cetoacidosis puede ser grave y, si no se detecta y se trata adecuadamente, puede llevar al coma diabético, que puede ser fatal. Un síntoma temprano común de la cetoacidosis es la respiración profunda y rápida a medida que el cuerpo intenta eliminar el CO2 y compensar la acidosis. Otro síntoma común es el aliento afrutado, debido a la exhalación de acetona. Otros síntomas incluyen sequedad de piel y boca, cara enrojecida, náuseas, vómitos y dolor de estómago. El tratamiento para el coma diabético es la ingestión o inyección de azúcar; su prevención es la correcta administración diaria de insulina.

    Una persona que es diabética y usa insulina puede iniciar la cetoacidosis si se olvida una dosis de insulina. Entre las personas con diabetes tipo 2, las de ascendencia hispana y afroamericana tienen más probabilidades de entrar en cetoacidosis que las de otros orígenes étnicos, aunque se desconoce la razón de ello.

    Revisión del Capítulo

    Existe una variedad de sistemas de tamponamiento en el cuerpo que ayudan a mantener el pH de la sangre y otros fluidos dentro de un rango estrecho, entre pH 7.35 y 7.45. Un tampón es una sustancia que evita un cambio radical en el pH del fluido al absorber el exceso de hidrógeno o iones hidroxilo. Más comúnmente, la sustancia que absorbe el ion es un ácido débil, que absorbe un ion hidroxilo (OH -), o una base débil, que absorbe un ion hidrógeno (H +). Varias sustancias sirven como tampones en el cuerpo, incluyendo proteínas celulares y plasmáticas, hemoglobina, fosfatos, iones bicarbonato y ácido carbónico. El tampón bicarbonato es el principal sistema de amortiguación del IF que rodea las células en los tejidos de todo el cuerpo. Los sistemas respiratorio y renal también juegan un papel importante en la homeostasis ácido-base al eliminar CO 2 e iones de hidrógeno, respectivamente, del cuerpo.

    Preguntas de revisión

    P. ¿Cuál de los siguientes es el tampón más importante dentro de los glóbulos rojos?

    A. proteínas plasmáticas

    B. hemoglobina

    C. tampones de fosfato

    D. bicarbonato: tampón de ácido carbónico

    Respuesta: B

    P: ¿Qué explicación describe mejor por qué las proteínas plasmáticas pueden funcionar como tampones?

    A. Las proteínas plasmáticas se combinan con bicarbonato para formar un tampón más fuerte.

    B. Las proteínas plasmáticas son inmunes al daño de los ácidos.

    C. Las proteínas tienen cargas positivas y negativas en su superficie.

    D. Las proteínas son alcalinas.

    Respuesta: C

    P. El tampón que se ajusta para controlar el equilibrio ácido-base es ________.

    A. proteína plasmática

    B. hemoglobina

    C. tampón fosfato

    D. bicarbonato: tampón de ácido carbónico

    Respuesta: D
    P. Los niveles de ácido carbónico se controlan a través del ________.

    A. sistema respiratorio

    B. sistema renal

    C. sistema digestivo

    D. tasa metabólica de las células

    Respuesta: A

    P. Las concentraciones de iones bicarbonato en la sangre se controlan a través del ________.

    A. sistema respiratorio

    B. sistema renal

    C. sistema digestivo

    D. tasa metabólica de las células

    Respuesta: B

    P. ¿Qué reacción es catalizada por la anhidrasa carbónica?

    A. HPO 4 2- + H + ⇔ H 2 PO 4-

    B. CO 2 + H 2 O ⇔ H 2 CO 3

    C. H 2 PO 4- + OH - ⇔ HPO 4 2- + H 2 O

    D. H 2 CO 3 ⇔ HCO 3- + H +

    Respuesta: B

    Preguntas de Pensamiento Crítico

    P. Describir la conservación de iones bicarbonato en el sistema renal.

    A. Los iones bicarbonato se filtran libremente a través del glomérulo. No pueden pasar libremente a las células tubulares renales y deben convertirse en CO 2 en el filtrado, que puede pasar a través de la membrana celular. Los iones de sodio se reabsorben en la membrana y los iones de hidrógeno se expulsan al filtrado. Los iones hidrógeno se combinan con bicarbonato, formando ácido carbónico, que se disocia en gas CO 2 y agua. El gas se difunde hacia las células renales donde la anhidrasa carbónica cataliza su conversión de nuevo en un ion bicarbonato, que ingresa a la sangre.

    P. Describir el control de los niveles de ácido carbónico en sangre a través del sistema respiratorio.

    A. Los niveles sanguíneos de ácido carbónico se controlan a través del sistema respiratorio mediante la expulsión de CO 2 de los pulmones. La fórmula para la producción de iones bicarbonato es reversible si disminuye la concentración de CO 2. A medida que esto sucede en los pulmones, el ácido carbónico se convierte en un gas, y la concentración del ácido disminuye. La tasa de respiración determina la cantidad de CO 2 exhalado. Si la tasa aumenta, hay menos ácido en la sangre; si la tasa disminuye, la sangre puede volverse más ácida.

    Glosario

    hipercapnia
    niveles sanguíneos anormalmente elevados de CO 2
    hipocapnia
    niveles anormalmente bajos de CO 2 en la sangre

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