Fisiología del equilibrio Ácido-Base

_{Imagen original: Potencial de hidrógenos, editada por el autor en canva}

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Introducción al equilibrio del organismo

La homeostasis involucra, una red complicada de eventos que procura mantener principalmente la concentración de electrolitos, el volumen de agua intra y extracelular, y el equilibrio de los ácidos y las bases en el plasma, de manera tal que las células estén provistas del medio ambiente idóneo para su funcionamiento.

_{Autor Mohamed Hassan, imagen de dominio público}

Las ganancias y pérdidas de estas sustancias forman parte importante de la relación con el medio externo.

Antes de iniciar con el complejo tema del equilibrio ácido-base del organismo, debemos repasar algunos conceptos elementales para comprender los términos que van a ser utilizados en el transcurso de la publicación, como lo son:

Ácido fuerte y débil, base fuerte y débil y pH

Para simplificar podemos decir que:

Ácido Fuerte ⟹

HCl + H₂O ➡ H₃O⁺ + Cl^-

⟸ Ácido Débil

CH₃COOH + H₂O ➡ H₃O⁺ + CH₃COO^-

_{Autor Benjah-bmm27, imagen de dominio público}

Base Fuerte ⟹

NaOH ➡ Na⁺ + OH ^-

⟸ Base Débil

NH₃ + H₂O ➡ NH₄⁺ + OH^-

pH

Sus siglas significan Potencial de Hidrogeniones, es una medida de acidez o basicidad de una solución mediante la indicación de la concentración de protones (H⁺).

Se expresa como el logaritmo negativo de base 10 en la actividad de iones de hidrógeno. Su fórmula se expresa de la siguiente manera:

pH= -log [H⁺] o [H⁺]= 10 ^-pH

Cuando se obtiene mediante una determinación de pH que una sustancia es ácida, quiere decir que posee una alta cantidad de iones de hidrógeno.

_{Autor PatríciaR/ Chris828, imagen CC BY-SA 2.5}

En contra parte, que la medición arroje que una sustancia es alcalina o básica, significa que a medida que el pH aumenta disminuye la concentración de iones de hidrógeno.

La importancia del equilibrio ácido-base

Radica en el pH óptimo que el organismo debe tener para desarrollar sus procesos de manera normal, es decir, existe un rango constante de pH que es alrededor de 7,4, un rango óptimo que va desde 7,38 a 7,42 y uno aceptable desde 7,35 a 7,45.

Este rango de pH es muy importante, puesto que ante desviaciones grandes de los valores normales se producen trastornos en el metabolismo, en la permeabilidad de la membrana y en la distribución de electrolitos.

Estás alteraciones del pH reciben un nombre que va a depender de lo enfocada o extendida que se encuentre la alteración.

Acidosis, acidemia, alcalosis y alcalemia

Se le llama Acidosis cuando hay un exceso de protones en los tejidos y la sangre, de manera generalizada en el organismo. Se conoce como Acidemia cuando la alteración en la concentración de hidrogeniones se encuentra localizada de momento solo a nivel del pH sanguíneo.

_{Imagen realizada por el autor}

Por el contrario, la Alcalosis va a estar dada por un aumento en la basicidad de los fluidos corporales, bien sea por una disminución en la concentración de H⁺ o un aumento excesivo en la concentración de bases en el organismo. Y, la Alcalemia se refiere de igual manera a un aumento en la basicidad pero enfocado específicamente en el pH sanguíneo.

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_{Tanto la acidosis como la alcalosis van a causar patologías específicas, ya que interfieren con el desarrollo normal de los procesos biológicos, en está primera parte vamos a hablar sobre los sistemas reguladores, en la segunda parte ahondaremos con más profundidad en la clínica, pero por el momento es muy importante destacar, sus efectos en algunas funciones a nivel del Sistema nervioso:}

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Aumento en la concentración de protones sobre el Sistema Nervioso

_{Autor Medium69/ Jmarchn, imagen CC BY-SA 4.0}

Durante una acidosis, el sistema nervioso se encuentra deprimido debido a una acumulación de protones que causan una disminución del pH. A nivel celular, se conoce que el compartimiento Intracelular tiene una carga parcialmente negativa y el Extracelular positiva, hecho que le permite reaccionar ante un potencial de acción.

Pero, durante un aumento de la concentración de hidrogeniones, la carga positiva del Extracelular será mucho mayor en comparación con el Intracelular y por ende la carga Intracelular va a ser aun más negativa y por ello el umbral de la célula será mayor, así que va a costar mucho más generar potenciales de acción que puedan ejercer un estímulo efectivo en la célula.

Disminución en la concentración de protones sobre el Sistema Nervioso

Durante una alcalosis, el sistema nervioso está sobrexcitado. La concentración de H⁺ en los compartimientos se encuentra disminuido y por ello el Extracelular va a tener una carga muy cercana a la del Intracelular, por lo que el umbral será muy bajo y podrá generar potenciales de acción con demasiada facilidad.

Pero por supuesto, estos estados de alteración no afectan únicamente al sistema nervioso, sino que causan grandes complicaciones alrededor de todo el organismo.

_{Autor Benjah-bmm27, imagen de dominio público}

Uno de los principales problemas durante una acidosis es que se va a ver afectada fuertemente la actividad enzimática, esto debido a su misma composición estructural. Las enzimas son largas cadenas de aminoácidos que tienen la capacidad de aceptar muchos elementos de carga positiva, entonces, durante una acidosis, en donde se encuentra aumentada la concentración de protones estos se van a unir a la cadena, cambiar drásticamente su estructura y con ello, su función debido a que no pueden reaccionar con el sustrato correspondiente.

En una Alcalosis, el problema con la actividad enzimática no es tan grave, puesto que simplemente cede las pocas cargas positivas que la cadena posee sin afectar fuertemente la estructura y mucho menos la actividad.

Sistemas primarios de regulación

Los compuestos responsables de generar variaciones en el pH del organismo —tanto ácidos como bases— provienen una buena parte de la ingesta, como por ejemplo, los aminoácidos esenciales consumidos en los elementos proteicos, los ácidos grasos, entre otros. Así como también los ácidos provenientes del metabolismo celular, como lo son protones, H⁺. El dióxido de carbono, CO₂, entre otros, siendo mayor la ganancia de H⁺ a través de dichos mecanismos de ingreso. Para contrarrestar los efectos que el aumento o la disminución de ácidos y bases pueda generar en el organismo, este dispone de varios mecanismos de control que funcionan a diferentes escalas de complejidad.

_{Autor ar130405, imagen de dominio público}

Los tres mayores componentes del equilibrio ácido-base en la clínica son:

• El pH, determinado por la concentración de H⁺
• La pCO₂, regulada por la ventilación pulmonar
• La concentración de Bicarbonato en plasma, inicialmente un buffer extracelular, regulado por la función renal

Sistemas Buffer

Un buffer es una sustancia que evita que haya un cambio brusco de pH, son utilizadas para mantener el nivel de acidez o basicidad de un elemento expuesto a reacciones químicas, evitando de esa manera que se generen reacciones indeseadas.

Los amortiguadores del pH participan rápidamente en el mantenimiento del valor de pH del organismo, siendo la primera línea de defensa ante cambios de la concentración de protones (H⁺). Su acción es de mayor relevancia en el intracelular y en el sistema tubular renal, y por si mismos no son suficientes para mantener el equilibrio ácido-base corporal.

En estados patológicos, o cuando se generan alteraciones abruptas de pH, los sistemas buffers no son capaces de mantener un pH normal en sangre por períodos prolongados, y su acción debe ser complementada por cambios compensatorios de otros sistemas corporales. Se ve dirigido por dos sistemas:

• Sistema Amortiguador Cerrado
• Sistema Amortiguador Abierto

En el interior celular, donde se ve afectado primero el equilibrio ácido base por el metabolismo celular, los sistemas tampones más importantes son los del Sistema amortiguador cerrado, también conocido como el sistema buffer diferente al bicarbonato. Compuesto por las proteínas, especialmente la hemoglobina, y el fosfato, tanto orgánico como inorgánico.

_{Autor Ayacop, imagen de dominio público}

La hemoglobina oxigenada tiene menor afinidad por los iones H⁺ que la hemoglobina desoxigenada, lo que favorece que los protones se unan a esta proteína en los tejidos, y se liberen a nivel pulmonar, favoreciendo con ello el desplazamiento de la fórmula del ácido carbónico hacía la formación de agua y CO₂, con lo cual se facilita la espiración de este gas a nivel alveolar.

_{Otro buffer intracelular importante es el 2,3-DPG. Conocido como 2,3 DiFosfoGlicerato desplaza esta reacción a la derecha. Cuando se llega a los tejidos, en donde la concentración de O2 es menor, la Hemoglobina gana afinidad por el 2,3-DPG para liberar rápidamente al O2.}

En el sistema tubular renal, la acción amortiguadora más importante corre por cuenta del fosfato, el cual va a tamponar los protones secretados hacía la luz tubular para evitar la laceración del sistema tubular. El fosfato es químicamente más potente que el bicarbonato, por su mayor capacidad de aceptar H⁺, teniendo la capacidad de aceptar 2 H⁺ por cada fosfato.

En el sistema abierto, el amortiguador más importante del extracelular es el sistema bicarbonato-ácido carbónico, debido a la mayor concentración de bicarbonato en el plasma, bien sea libre o unido a sodio, potasio o magnesio. Su importancia radica en que no sólo es capaz de amortiguar H⁺ uniéndose a HCO₃^- en presencia de anhidrasa carbónica para formar ácido carbónico, que a su vez se disociará en H₂O y CO₂, sino que también es capaz de modificar las concentraciones de los dos componentes amortiguadores, de forma independiente entre sí.

Esta reacción se da de la siguiente manera:

H₂O + CO₂ ⇄ H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃^-

Está reacción, tal como lo indican las flechas, es reversible, lo que quiere decir que está continuamente sucediendo en ambos sentidos de la ecuación:

H⁺ + HCO₃^- ⇄ H₂CO₃ ⇄ H₂O + CO₂

Sistema respiratorio

A través de la frecuencia ventilatoria (respiración externa) el organismo puede modificar la presión parcial de CO₂, es decir, su concentración, y por lo tanto modificar la producción de H⁺ + HCO₃^- . Como el bicarbonato está en equilibrio con el dióxido de carbono disuelto, la medición de la presión parcial de CO₂ puede usarse como estimación clínica de la concentración de ácido carbónico.

_{Autor Peter Forster/ v. Varenna 75/ CH-6600 Locarno, imagen CC BY 2.5}

El pH no depende de los niveles absolutos de bicarbonato y CO₂, sino de la relación entre ambos. Es decir, el cambio de la concentración de bicarbonato no modifica el pH si el CO₂ se modifica en la misma proporción. Ahora bien, si se altera la velocidad de eliminación de CO₂ se controla indirectamente el pH, puesto que el cambio en la producción metabólica de bicarbonato (renal) no responderá con la misma rapidez.

Por tanto, ante una producción exagerada de H⁺, que acidifican el plasma, la respuesta secundaria del organismo será generar un aumento en la frecuencia ventilatoria (hiperventilación) con el fin de eliminar grandes cantidades de CO₂ y producir menos H⁺ . Como la tasa de producción metabólica del bicarbonato se mantuvo igual, este termina funcionando como amortiguador.

Por el contrario, ante una disminución de H⁺ libres, el pH sanguíneo se alcaliniza y la respuesta respiratoria será generar una hipoventilación para eliminar una menor cantidad de CO₂ y favorecer la producción de ácido carbónico, cuya disociación generará un aumento en la concentración de protones y bicarbonato.

_{Es importante destacar que aunque el sistema respiratorio es capaz de modificar el pH, no lo hace por perdida ni por ganancia de H⁺, ni tampoco puede regenerar el bicarbonato que los amortigua.}

Cuando la sangre oxigenada comienza el intercambio de los capilares tisulares, el CO₂ por diferencia de presión difunde hacia el plasma y hacia el interior del glóbulo rojo, allí pueden pasar dos cosas; la primera es que de manera menos frecuente el grupo carboxiterminal de la Hemoglobina recibe al CO₂ y se forma un compuesto transitorio denominado Carbamino. La mayor parte del CO₂ se combina con el agua del I.C para formar ácido carbónico que se disocia rápidamente en H⁺ y HCO₃^-. El H⁺ es tamponado por las proteínas del IC, especialmente por la Hb, mientras que el bicarbonato difunde hacia el plasma, intercambiándose por Cl^-.

_{[Autor biotecnofil, imagen CC0](https://www.flickr.com/photos/67235095@N0}