MECANISMOS AMORTIGUADORES. DESEQUILIBRIO ACIDOBÁSICO: ACIDOSIS Y ALCALOSIS RESPIRATORIA Y METABÓLICA.

Mecanismos amortiguadores de los iones hidrógeno en los líquidos orgánicos

Se llama amortiguador a toda sustancia capaz de unirse de manera reversible a los iones H+. La fórmula general de la reacción de amortiguamiento es:

Amortiguador + H+ HAmortiguador En este ejemplo, un H+ libre se combina con el amortiguador para formar un ácido débil

(HAmotiguador) que puede permanecer como una molécula no disociada o volver a disociarse en amortiguador y H+. Cuando aumenta la concentración de iones H+, la reacción se desplaza hacia la derecha, con lo que se incrementa la cantidad de iones de H+ que son captados por el amortiguador, en tanto existan cantidades disponibles de este. Por el contrario, cuando la concentración de iones H+ disminuye, la reacción se desvía hacia la izquierda, liberando los iones de H+ del amortiguador. De esta forma se consiguen contrarrestar los cambios de la concentración de iones H+.

La importancia de los amortiguadores de los líquidos orgánicos se nota, si consideramos la baja concentración de iones de H+ presentes en los líquidos orgánicos y la cantidad relativamente grande de ácidos que el organismo produce cada día.

La mayor parte de los pares de amortiguadores de los líquidos corporales consisten en un ácido débil y la sal del mismo. Los principales pares de amortiguadores que se presentan en los líquidos corporales son los siguientes:

NaHCO3 KHCO3 1) Pares de bicarbonato , , etc. H2CO3 H2CO3

Proteinato .Na 2) Par de proteínas plasmáticas Proteínas (ácidos débiles) K . Hb K . HbO2 (Sales potásicas de Hb) 3) Pares de hemoglobina y Hb HbO2 (Acidos débiles) Na2HPO4 (fosfato básico)

4) Par de fosfato NaH2PO4 (fosfato ácido)

El sistema amortiguador cuantitativamente más importante del LEC es el amortiguador de bicarbonato.

El sistema amortiguador del bicarbonato Consiste en una solución acuosa con dos componentes:

1

1)un ácido débil, el H2CO3, y2)una sal bicarbonato, por ejemplo NaHCO3

El H CO2 Anhidrasa

3, se forma en el organismo mediante la reacción: carbónica

CO2 + H2 H2CO3

Esta reacción es lenta y las cantidades de H2CO3 que se forman son pequeñísimas a menos que tenga lugar en presencia de la enzima anhidrasa carbónica. Esta enzima es especialmente abundante en las paredes de los alvéolos pulmonares, desde se libera el CO2; también se encuentra en las células epiteliales de los túbulos renales, donde el CO2 reacciones con el H2O para formar el H2CO3.

El H2CO3 se ioniza débilmente para formar pequeñísimas cantidades de H+ y de HCO3-

H2CO3 H+ + HCO3-

El segundo componente del sistema, el bicarbonato, se encuentra principalmente en forma de sal sódica (NaHCO3) y predomina en el LEC. El NaHCO3 se ioniza casi por completo, formando iones de bicarbonato (HCO3

-) y de sodio (Na+): NaHCO3 Na+ + HCO3

-

Si se considera la totalidad del sistema, obtenemos la ecuación siguiente: CO + H H CO H+ + HCO -

2 2 2 3 3 Na +

Gracias a la débil disociación del H2CO3, la concentración de H+ es extraordinariamente pequeña. Cuando se añade un ácido fuerte como el HCl a la solución amortiguadora de bicarbonato, el ión

carbonato amortigua los iones de H+ liberados a partir del ácido. (HCl H+ + Cl-)

H+ + HCO3- H2CO3 CO2 + H2

De esta manera se forma más H2CO3 , con el consiguiente aumento de la producción de CO2 y de agua. Puede observarse que mediante estas reacciones, los iones de H+ procedentes del ácido fuerte HCl se unen al bicarbonato, el que a su vez se transforma en CO2 y agua. El exceso de CO2 estimula la respiración, que elimina el CO2 del LEC. Cuando a la solución amortiguadora de bicarbonato se añade una base fuerte (NaOH), las reacciones que se producen son las opuestas: NaOH + H2CO3 NaHCO3 + H2O

En este caso, el ión hidroxilo (OH-) procedente del NaOH se combina con H2CO3 formándose más HCO3

-. Así, la base débil NaHCO3 sustituye a la base fuerte NaOH. Al mismo tiempo disminuye la concentración de H2CO3 (ya que reacciona con NaOH), lo que favorece la combinación de CO2 con H2O para sustituir al H2CO3: CO2 + H2 H2CO3 HCO3

- + H+

+ + NaOH Na

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Por lo tanto, el efecto neto es una tendencia a la disminución de los niveles sanguíneos de CO2 y la consiguiente inhibición de la respiración y reducción de la eliminación de CO2. La elevación de HCO3

- en la sangre se compensa aumentando su excreción renal. El sistema del bicarbonato es el amortiguador extracelular más potente del organismo, ya que los dos elementos del sistema amortiguador, HCO3

- y CO2 se encuentran regulados, respectivamente, por los riñones y los pulmones. En consecuencia, el pH del LEC está sometido a un estricto control que depende de las proporciones relativas de eliminación y adición de HCO3

- por los riñones y del índice de eliminación de CO2 por los pulmones.

El sistema amortiguador de fosfato

Aunque el sistema amortiguador de fosfato no es muy importante en relación con el LEC; sí interviene en el amortiguamiento del líquido de los túbulos renales y de los LIC.

Los elementos principales de este sistema son H2PO4- y HPO4

=. Cuando se añade a una mezcla de estas sustancias, un ácido fuerte se produce lo siguiente: HCl + Na2HPO4 NaH2PO4 + NaCl Cuando se añade una base fuerte, ocurre que: NaOH + NaH2PO4 Na2HPO4 + H2O El sistema amortiguador del fosfato es especialmente importante en los líquidos tubulares de los riñones porque el fósforo suele concentrarse mucho en esos túbulos. Además es importante para el amortiguamiento de los LIC, ya que la concentración de fosfato en estos líquidos es muy superior a la que existe en los LEC. El sistema amortiguador de las proteínas. Gracias a sus elevadas concentraciones, sobre todo en el interior de las células, las proteínas son uno de los amortiguadores más importantes del organismo. Constituye el amortiguador más abundante en el LIC y en el plasma. La hemoglobina es una proteína que resulta especialmente eficaz como amortiguador dentro de los eritrocitos, en tanto que la albúmina constituye la principal proteína amortiguadora en el plasma. Las proteínas se componen de aminoácidos, es decir, moléculas orgánicas que contienen al menos un grupo carboxilo (-COOH) y al menos un grupo amino (-NH2); estos grupos son los elementos funcionales del sistema amortiguador proteínico. El grupo carboxilo libre en un extremo de la proteína actúa como ácido al liberar H+ cuando se eleva el pH y se puede descomponer de la siguiente manera: R R NH2 C COOH NH2 C COO- + H+

H H En esta forma el H+ puede reaccionar con cualquier exceso de OH- que hay en la solución para formar agua.

El grupo amino libre que se encuentra en el otro extremo de la proteína puede actuar como base y combinarse con H+ cuando disminuye el pH, de la manera siguiente:

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R R NH2 C COOH + H+ +NH3 C COOH H H Por consiguiente, las proteínas pueden amortiguar tanto los ácidos como las bases. Además de los grupos terminales carboxilo y amino, siete de los 20 aminoácidos tienen cadenas laterales que pueden amortiguar el H+.

La hemoglobina amortigua de manera eficaz el H+ en los eritrocitos de la siguiente manera: cuando la sangre fluye a través de los capilares sistémicos, hay paso de dióxido de carbono de las células tisulares hacia los glóbulos rojos, donde se combina con agua, para formar ácido carbónico, que luego se disocia en iones hidrógeno y bicarbonato. Al mismo tiempo que el CO2 entra en los eritrocitos, la oxihemoglobina (Hb-O2) cede su oxígeno a las células de los tejidos. La Hb reducida (desoxihemoglobina) es un excelente amortiguador de H+, ya que capta la mayoría de estos iones. Por esta razón, es común que se represente la Hb reducida con la fórmula Hb-H.

CO2 + H2O H2CO3 H2CO3 H+ + HCO3

-

Hb-O2 + H+ Hb-H + O2 Estudios experimentales han demostrado que de un 60% a un 70 % del amortiguamiento

químico total de los líquidos orgánicos, se produce en el interior de las células y que en su mayor parte depende de las proteínas intracelulares. Sin embargo, salvo en el caso de los hematíes, la lentitud del movimiento de los iones de hidrógeno y de bicarbonato a través de las membranas celulares suele retrasar varias horas el momento en que las proteínas intracelulares alcanzan su máxima capacidad de amortiguamiento de las anomalías ácido-base extracelulares.

Regulación respiratoria del equilibrio ácido-base La segunda línea de defensa frente a los trastornos del equilibrio ácido-base es el control que

ejercen los pulmones sobre el CO2 del LEC. Los procesos metabólicos intracelulares dan lugar a una producción continua de CO2. Una vez formado, este se difunde desde las células hacia los líquidos intersticiales y a la sangre, la cual lo transporta hasta los pulmones donde se difunde a los alvéolos para pasar a la atmósfera mediante la ventilación pulmonar.

Los aumentos en la concentración de CO2 en los líquidos corporales hace aumentar el nivel de H+ y en consecuencia, disminuye el pH (los vuelve más ácidos). A la inversa, si disminuye la concentración de CO2 en los líquidos corporales se eleva el pH (se vuelven más alcalinos).

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3

-

El pH de los líquidos corporales se puede ajustar, por lo regular en 1 a 3 minutos, al cambiar la

velocidad y la profundidad de la respiración. Con mayor ventilación, se exhala más con CO2, de modo que la reacción anterior se realiza hacia la izquierda y la concentración de H+ disminuye y el pH sanguíneo se eleva. Al duplicarse la ventilación el aumento de acidez es de aproximadamente 0,23 unidades, de 7,4 a 7,63. Cuando se ventila con mayor lentitud, se exhala menos dióxido de carbono y el pH sanguíneo disminuye. Al reducirse la ventilación a una cuarta parte de lo normal el pH baja 0,4 unidades, de 7,4 a 7,0. Estos ejemplos demuestran el potente efecto que tienen las alteraciones respiratorias en el pH de los líquidos corporales.

La rapidez y profundidad de la respiración interactúan con la acidez de los líquidos corporales mediante un asa de retroalimentación negativa. Por ejemplo, al aumentar la acidez de la sangre, los

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quimiorreceptores centrales de la médula oblonga y los periféricos de la aorta, así como los cuerpos carotídeos detectan la disminución del pH (aumento de la concentración de H+) y estimulan el área inspiratoria de la médula. Esto hace que el diafragma y otros músculos que controlan la ventilación se contraigan con mayor fuerza y frecuencia, con lo que se exhala más cantidad de CO2. Al disminuir la formación de ácido carbónico y la concentración de iones H+, el pH de la sangre se eleva. Gracias a esta respuesta la acidez sanguínea se normaliza de nuevo, se restablece la homeostasis. Esta misma asa de retroalimentación negativa actúa cuando se incrementa la concentración sanguínea de CO2. La ventilación aumenta, con lo que se elimina más CO2 de la sangre y reduce el nivel de H+ y así se eleva el pH sanguíneo.

En contraste, si el pH de la sangre aumenta, se inhibe el centro respiratorio, y la ventilación disminuye. Las reducciones de la concentración de CO2 en la sangre tienen el mismo efecto. Al bajar la ventilación, el CO2 se acumula en la sangre y aumenta la concentración de H+. Este mecanismo de la respiración es un potente eliminador de ácido, pero sólo puede equilibrar los niveles del único ácido volátil, el carbónico.

La regulación respiratoria del equilibrio ácido-base es un sistema de amortiguación de tipo fisiológico, ya que actúa rápidamente y evita que la concentración de iones de H+ cambie demasiado. En general, la potencia de amortiguamiento global del aparato respiratorio es una o dos veces mayor que la de todos los demás amortiguadores químicos combinados del LEC.

Control renal del equilibrio ácido-base.

Los riñones controlan el equilibrio ácido-base excretando un orina ácida o básica.

El mecanismo global por el que los riñones excretan orina ácida o básica es el siguiente: hacia los túbulos se filtran continuamente grandes cantidades de iones bicarbonato; su paso a la orina causa una pérdida de bases en la sangre. Por otro lado, las células epiteliales de los túbulos también secretan hacia las luces tubulares, grandes cantidades de iones de hidrógeno, lo que supone una extracción del ácido de la sangre. Si se filtran más iones de H+ que de bicarbonato, se produce una pérdida neta de ácidos en los LEC. Por el contrario, si la cantidad de bicarbonato filtrada es mayor que la de H+, la pérdida neta será de base.

El organismo produce ácidos no volátiles que proceden fundamentalmente del metabolismo de las proteínas. Estos ácidos reciben el nombre de no volátiles porque no son ácido carbónico y por lo tanto, no pueden ser excretados por los pulmones. Entonces deben ser eliminados por los riñones. Los riñones también evitan la pérdida de bicarbonato por la orina, reabsorbiéndolo. Por esto es que la insuficiencia renal puede provocar la muerte en poco tiempo.

Desequilibrios acidobásicos

Todos los pares amortiguadores presentes en los líquidos corporales desempeñan una función muy importante en el equilibrio acidobásico. Sin embargo, sólo mediante el sistema de bicarbonato puede el cuerpo regular con rapidez y precisión las composiciones de ambos componentes químicos en el par amortiguador. El sistema respiratorio puede regular las concentraciones de ácido carbónico y el riñón las del ión bicarbonato. Desde el punto de vista clínico, se puede decir que los trastornos del equilibrio acidobásico dependen de las cantidades relativas de ácido carbónico y base bicarbonato presentes en el LEC. La proporción adecuada de estos componentes puede alterarse por dos tipos de trastornos: metabólicos y respiratorios. Los metabólicos afectan al bicarbonato; los respiratorios al ácido carbónico del par amortiguador.

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Acidosis metabólica (deficiencia de bicarbonato) Se debe a varias causas generales: 1) fracaso de los riñones en la excreción de los ácidos metabólicos que normalmente produce

el organismo; 2) formación de cantidades excesivas de ácidos metabólicos en el organismo; 3) adición de ácidos metabólicos al organismo por ingestión o infusión; 4) pérdida de bases de los líquidos orgánicos cuyo efecto es idéntico al de la adición de ácidos

a dichos líquidos. Estos cuadros pueden producirse en la diarrea grave, vómitos de contenido no gástrico, sino

procedente de contenido intestinal distal, diabetes mellitus (falta de secreción de insulina por el páncreas) en la que se degradan grasas y se forman ácidos como residuos de su metabolismo, ingestión de ácidos (aspirina, alcohol metílico), insuficiencia renal crónica (se acumulan ácidos débiles que no pueden ser excretados).

Alcalosis metabólica (exceso de bicarbonato) Se produce cuando hay gran retención de bicarbonato o pérdida de iones H+ excesiva. Puede

deberse a: 1) ingestión inadecuada de antiácidos; 2) vómitos de contenido gástrico.

Acidosis respiratoria (exceso de ácido carbónico) Las enfermedades como neumonía o enfisema tienden a producir retención de dióxido de

carbono en la sangre. También la ingesta de fármacos que deprimen la respiración. Hay aumento de los niveles de ácido carbónico.

Se produce cuando hay lesión del centro respiratorio del bulbo raquídeo, obstrucción de las vías del aparato respiratorio, o cuando cualquier factor interfiere en el intercambio de gases entre la sangre y el aire alveolar.

Se compensa mediante los amortiguadores de los líquidos orgánicos; los riñones necesitan varios días para compensar.

Alcalosis respiratoria (déficit de ácido carbónico) La hiperventilación por fiebre o enfermedad mental, puede provocar la pérdida excesiva de ácido

carbónico. También cuando la persona asciende a grandes alturas. El bajo contenido en oxígeno del aire estimula la respiración, lo que lleva a la pérdida excesiva de CO2, y al desarrollo de una alcalosis respiratoria leve. Se compensa por medio de los amortiguadores químicos de los líquidos orgánicos y aumentando la capacidad de los riñones par excretar el bicarbonato.

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Cuadro de los desequilibrios ácido-básico.

Cuadro con las características de los trastornos primarios del equilibrio ácido base (La flecha doble indica acontecimiento primario)

Trastorno Alteración del LEC

Consecuencia Compensación Causa Respuesta Compensadora

Acidosis metabólica

Disminución de la concentración de bicarbonato

Aumento de la concentración de iones H+ y disminución del pH

Disminución de la PCO2 por hiperventilación

Fracaso de los riñones en la excreción de ácidos metabólicos. Formación excesiva de ácidos metabólicos. Adición de ácidos metabólicos por ingestión o infusión. Perdida de bases.

Administración de bicarbonato

Alcalosis metabólica

Aumento de la concentración de bicarbonato

Disminución de la concentración de iones H+ y aumento del pH

Hipoventilación (disminución de la PCO2) y aumento de la excreción renal de bicarbonatos

Retención de bicarbonatos o pérdida de H+. Administración de diuréticos.Exceso de aldosterona. Vómitos de contenido gástrico. Ingestión de fármacos alcalinos.

Cloruro de amonio por vía oral porque se libera HCl

Acidosis respiratoria

Aumento de PCO2

Aumento de la concentración de iones H+ y disminución del Ph

Aumento de la concentración de bicarbonato por mayor absorción renal

Cuadros respiratorios que disminuyen la capacidad para eliminar CO2

Amortiguadores. Riñones (necesitan varios días)

Alcalosis respiratoria

Disminución de la PCO2 (secundaria a hiperventilación)

Disminución de la concentración de iones H+ y aumento del pH

Reducción de bicarbonatos por mayor excreción renal

Ventilación pulmonar excesiva (psiconeurosis)

Amortiguadores. Riñones (necesitan varios días)

pH H+ PCO2 HCO3-

Normal 7.4 40 nEq/L

40 mmHg

24 mEq/L

Acidosis respiratoria

↓ ↑ ↑↑ ↑

Alcalosis respiratoria

↑ ↓ ↓↓ ↓

Acidosis metabólica

↓ ↑ ↓ ↓↓

Alcalosis metabólica

↑ ↓ ↑ ↑↑

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SISTEMAS DE RETROALIMENTACIÓN El cuerpo regula su ambiente interno mediante diversos sistemas de retroalimentación. Un S de R consiste en un ciclo de sucesos por medio de loso cuales se monitorea, evalúa,

cambia, remonitorea, reevalúa, etc., el estado del cuerpo. Cada variable monitoreada se denomina condición controlada. Cualquier alteración que cambia una condición controlada es un estímulo. El S de R está formado por tres componentes básicos:

1- un receptor: es la estructura corporal que monitorea los cambios y envía información en forma de impulsos nerviosos o señales químicas a un centro de control

2- un centro de control: establece los valores límites entre los cuales se ha de mantener un condición controlada, evalúa la información que recibe de los receptores, y genera y envía órdenes en forma de impulsos nerviosos, hormonas u otras señales químicas

3- un efector: es una estructura corporal que recibe las órdenes del centro de control y produce una respuesta o efecto que modifica la condición controlada. En un ciclo de retroalimentación, la respuesta “retroalimenta” con el objeto de cambiar en

alguna forma la condición controlada. Estos sistemas pueden proceder de manera positiva o negativa. Si la respuesta invierte el

estímulo original, es un S de R negativa. Si la respuesta mejora o intensifica el estímulo original, el sistema es de retroalimentación positiva.

Sistemas de retroalimentación negativa Es el que invierte un cambio en la condición controlada. Un estímulo altera la homeostasis, los receptores detectan el cambio y envían información

de entrada a un centro de control, que la evalúa, y en caso de ser necesario, emite órdenes a un efector, el cual produce una respuesta fisiológica que puede hacer regresar la condición controlada a su estado normal.

Por ejemplo: una alteración que aumenta la PA Sistemas de retroalimentación positiva Tiende a fortalecer o reforzar un cambio en las condiciones controladas del cuerpo. Por ejemplo: una disminución en la concentración de O2 en la sangre.

Un estímulo altera la homeostasia

Aumenta o disminuye una

Condición controlada que es monitoreada por RECEPTORES

que envían

Información Impulsos nerviosos o señales químicas a un

CENTRO DE CONTROL

que recibe información y manda una

Se restablece la homeostasis cuando la respuesta hace que la condición recupere la normalidad

Orden Impulsos nerviosos o

señales químicas a un EFECTORES

que producen un cambio o RESPUESTA que altera la condición controlada

Retroalimentación negativa.

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Un estímulo altera la homeostasia al

Disminuir

El O2 de la sangre arterial

RECEPTORES Hipoxia en quimiorreceptores del bulbo raquídeo

Estímulo Menos impulsos nerviosos

CENTRO DE CONTROL La retroalimentación positiva

agrava la hipoxia porque reduce la PO2

Hipoxia del área inspiratoria del bulbo raquídeo

Respuesta Menos impulsos nerviosos EFECTORES

Se contraen con menos fuerza los músculos respiratorios (hipoventilación)

Disminución de la presión del O2 en la sangre arterial

Retroalimentación positiva.

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Un estímulo altera la homeostasia

Aumenta la

Presión arterial RECEPTORES Barorreceptores en ciertos vasos sanguíneos

Información Impulsos nerviosos CENTRO DE CONTROL

Cerebro Se restablece la homeostasis cuando la respuesta empieza a restituir la presión arterial normal

Orden Impulsos nerviosos EFECTOR Corazón Al disminuir el ritmo cardíaco baja la presión arterial

Retroalimentación negativa.

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