Los procesos metabólicos en el cuerpo humano producen ácidos continuamente y también generan bases, aunque en menor medida. El ion hidrógeno (H+) es muy reactivo; puede unirse con proteínas con carga negativa y, cuando se encuentra en concentraciones elevadas, puede alterar su carga, su configuración y su función. Para mantener la función celular, el cuerpo tiene mecanismos elaborados que conservan las concentraciones sanguíneas de H+ dentro de un rango estrecho–típicamente entre 37 a 43 nEq/L (37 a 43 nmol/L) con un pH de 7,43 a 7,37, donde el pH = −log [H+]. Idealmente, H+ es de 40 nEq/L (40 nmol/L) y pH = 7,40. Las alteraciones de estos mecanismos pueden provocar consecuencias clínicas graves.
El equilibrio ácido base está relacionado estrechamente con el metabolismo hídrico y el balance electrolítico, y la alteración de uno de estos sistemas a menudo afecta al otro.
Fisiología del equilibrio ácido base
La mayor parte del ácido proviene del metabolismo de
Hidratos de carbono
Grasas
El metabolismo de los hidratos de carbono y los lípidos que genera entre 15.000 y 20.000 mmol de dióxido de carbono (CO2) por día. El CO2 no es un ácido en sí mismo, pero en presencia de un miembro de la familia de enzimas de la anhidrasa carbónica, el CO2 se combina con agua (H2O) en la sangre para crear ácido carbónico (H2CO3), que se disocia en ion hidrógeno (H+) y bicarbonato (HCO3−). El H+ se une a la hemoglobina en los eritrocitos y se libera durante la oxigenación en los alvéolos, momento en el cual la reacción es revertida por otra forma de la anhidrasa carbónica y se genera agua (H2O), que se excreta por vía renal, y CO2, exhalado durante cada espiración.
Una proporción menor de los ácidos orgánicos procede de las siguientes fuentes:
Metabolismo incompleto de la glucosa y los ácidos grasos en ácido láctico y cetoácidos
Metabolismo de aminoácidos con azufre (cisteína, metionina) en ácido sulfúrico
Metabolismo de aminoácidos catiónicos (arginina, lisina)
Hidrólisis del fosfato de la dieta
Esta carga “fija” o “metabólica” de ácido no puede exhalarse y, en consecuencia, debe neutralizarse o excretarse por vía renal.
La mayor parte de las bases provienen de
Metabolismo de los aminoácidos aniónicos (glutamato, aspartato)
Oxidación y el consumo de los aniones orgánicos como lactato y citrato, que producen HCO3−.
Equilibrio ácido base
El equilibrio ácido-base es mantenido por
Amortiguadores químicos
Actividad pulmonar
Actividad renal
Amortiguadores químicos
Los amortiguadores químicos son soluciones que resisten los cambios del pH. Los amortiguadores intracelulares y extracelulares responden de inmediato a los desequilibrios del estado ácido base. El hueso también cumple una función amortiguadora importante, especialmente de las cargas ácidas.
Un amortiguador está compuesto por un ácido débil y su base conjugada. La base conjugada puede aceptar H+ y el ácido débil puede liberarlo, de manera que permite reducir al mínimo los cambios en la concentración de H+ libres. El sistema amortiguador sirve sobre todo para minimizar los cambios en el pH cerca de su constante de equilibrio (pKa); así, aunque potencialmente hay muchos pares de amortiguadores en el cuerpo, sólo algunos son fisiológicamente relevantes.
La relación entre el pH de un sistema amortiguador y la concentración de sus componentes se describe por la ecuación de Henderson-Hasselbalch:
donde pKa es la constante de disociación del ácido débil
El amortiguador extracelular más importante es el sistema HCO3−/CO2, que se describe con la siguiente ecuación:
Un aumento en la concentración de H+ desvía la ecuación hacia la derecha y genera CO2.
Este importante sistema amortiguador está estrictamente regulado; cuando aumentan las concentraciones de CO2, se ponen en marcha ajustes finos a cargo de la ventilación alveolar, y la excreción renal se encarga de controlar rigurosamente las concentraciones de H+ y HCO3−.
La relación entre pH, HCO3− y CO2 en el sistema como se la describe en la ecuación de Henderson-Hasselbalch es así:
O de igual manera, por la ecuación de Kassirer-Bleich, derivada de la ecuación de Henderson-Hasselbalch:
Nota: para convertir el pH arterial a [H+] usar:
o
Ambas ecuaciones ilustran que el equilibrio ácido-base depende de la relación entre la presión parcial de dióxido de carbono (Pco2) y el HCO3−, no del valor absoluto de uno solo. Con estas fórmulas, puede usarse cualquiera de las dos variables para calcular la tercera.
Otros amortiguadores químicos importantes son los fosfatos orgánicos e inorgánicos intracelulares y las proteínas intracelulares, como la hemoglobina en los eritrocitos. El fosfato extracelular y las proteínas plasmáticas son menos relevantes.
El hueso se convierte en un amortiguador importante después del consumo de una carga ácida. En un principio, el hueso libera bicarbonato de sodio (NaHCO3) y bicarbonato de potasio (KHCO3) a cambio de H+. Cuando se acumulan cargas de ácidos durante un período prolongado, el hueso libera carbonato de calcio (CaCO3) y fosfato de calcio (CaPO4). En consecuencia, la acidemia de larga data contribuye a la desmineralización y al desarrollo de osteoporosis.
Regulación pulmonar del pH
La concentración de CO2 está estrechamente regulada por las modificaciones en el volumen corriente y la frecuencia respiratoria (ventilación minuto). Los quimiorreceptores arteriales registran la disminución del pH y, en respuesta, aumentan el volumen corriente o la frecuencia respiratoria, con incremento de la espiración de CO2 y del pH de la sangre. A diferencia de la amortigación química, que es inmediata, la regulación pulmonar tarda varios minutos u horas. Este sistema tiene una eficacia de entre 50 y 75% y no normaliza completamente el pH.
Regulación renal del pH
Los riñones controlan el pH mediante el ajuste de la cantidad de HCO3− que se excreta o es reabsorbido. La reabsorción de HCO3− es equivalente a la excreción de H+ libre. Las respuestas para manejar los trastornos del equilibrio ácido base se desarrollan entre horas y días después de que sucedieron los cambios en este equilibrio.
Toda el HCO3− en el suero se filtra a medida que pasa a través del glomérulo. La reabsorción de HCO3− se produce sobre todo en el túbulo proximal y, en menor medida, en el túbulo colector. El H2O dentro de la célula tubular distal se disocia en H+ e hidroxilo (OH−); en presencia de anhidrasa carbónica, el OH− se combina con CO2 formando HCO3−, que regresa al capilar peritubular, mientras que el H+ se secreta hacia la luz tubular y se une con el HCO3− filtrado libremente formando CO2 y H2O, que también se reabsorben. En consecuencia, los iones de HCO3− reabsorbidos distalmente vuelven a sintetizarse y no son los mismos que se filtraron.
La disminución del volumen circulante efectivo (como durante la terapia con diuréticos) aumenta la reabsorción de HCO3−, mientras que la elevación de la concentración de hormona paratiroidea en respuesta a una carga de ácido disminuye la reabsorción de HCO3−. Asimismo, el aumento de la Pco2 incrementa la reabsorción de HCO3−, mientras que la depleción de ion cloruro (Cl−) (típicamente, debido a la depleción de volumen) estimula la reabsorción de ion de sodio (Na+) y la generación de HCO3− en el túbulo proximal.
En los túbulos proximales y distales se secretan ácidos activamente, donde se combinan con amortiguadores urinarios, en particular fosfato (HPO4−2) (que se filtra libremente), creatinina, ácido úrico y amoníaco, para de esta manera excretarse del organismo. La mayor importancia del sistema amortiguador de amoníaco es que los demás amortiguadores se filtran en concentraciones fijas y pueden agotarse frente a cargas elevadas de ácido, mientras que las células tubulares regulan activamente la producción de amoníaco en respuesta a los cambios en la carga de ácido. El pH arterial es el principal factor determinante de la secreción de ácido, pero la excreción también depende de las concentraciones de potasio (K+), Cl− y aldosterona. La concentración intracelular de K+ y la secreción de H+ están relacionadas en forma recíproca: la depleción de K+ aumenta la secreción de H+ y, en consecuencia, agrava la alcalosis metabólica.
