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FISIOLOGIA. / URINARIO / REGULACIÓN RENAL DEL pH
REGULACIÓN RENAL DEL pH
REGULACIÓN RENAL DEL pH
EL pH DEL MEDIO INTERNO ESTÁ SOMETIDO A CONTINUOS CAMBIOS DEBIDO AL METABOLISMO CELULAR. COMO ES UN PARÁMETRO ESENCIAL PARA LA VIDA, EN SU CONTROL INTERVIENEN VARIOS MECANISMOS HOMEOSTÁTICOS. EL RIÓN ES UNO DE ELLOS.
OBJETIVOS
- Identificar el rango normal de valores de pH en los líquidos corporales, y los límites superior e inferior compatibles con la vida. Definir acidosis y alcalosis a partir de este rango.
- Explicar qué es un amortiguador (tampón) químico, y su respuesta ante un aumento de la producción de ácidos y bases.
- Enumerar los principales tampones en sangre, líquido intersticial y líquido intracelular. Describir el sistema amortiguador del bicarbonato. Describir la regulación renal y respiratoria del sistema tampón CO2/HCO3- y su importancia fisiológica en el mantenimiento del pH plasmático normal.
- Explicar la capacidad del sistema respiratorio para amortiguar los cambios de pH.
- Enumerar los procesos implicados en la secreción tubular de H+, exponiendo la importancia de estos procesos en la regulación aguda y prolongada del equilibrio ácido-básico.
- Calcular la carga filtrada de HCO3-, e identificar los principales lugares de reabsorción a lo largo de la nefrona, poniendo énfasis en la importancia de los mecanismos secretores de H+ en este proceso.
- Describir los mecanismos celulares responsables del movimiento transepitelial neto de HCO3-.
- Describir los ajustes en la carga filtrada y en la reabsorción de HCO3- (secreción de H+) causados por alteraciones en el balance ácido-base sistémico, diferenciándolos de los factores que alteran este proceso (volumen extracelular, aldosterona, angiotensina II).
- Describir la excreción ácida neta por los riñones, la importancia de los tampones urinarios, y la producción y excreción de amonio. Distinguir entre la reabsorción del bicarbonato filtrado y la formación de nuevo bicarbonato.
- Identificar la magnitud y el curso temporal de las compensaciones que se ponen en marcha, tras un aumento o disminución repentino del pH, para minimizar los cambios en el pH de los líquidos corporales, incluyendo: a) tampones, b) ajustes respiratorios c) ajustes renales.
- Describir los efectos de los inhibidores de la anhidrasa carbónica y de otros diuréticos sobre el equilibrio ácido-base y la reabsorción de HCO3- por la nefrona.
- Describir las cuatro alteraciones simples del equilibrio ácido-básico, indicando causas, los procesos de amortiguación química y las compensaciones renales y respiratorias.
- A partir de los valores sanguíneos, identificar las alteraciones metabólicas y respiratorias del equilibrio ácido-base. Diferenciar entre acidosis metabólica con hiato aniónico normal y aumentado, alcalosis metabólica resistente o sensible al cloruro, y alteraciones respiratorias agudas y crónicas.
- Explicar los cambios en la distribución de potasio intra y extracelular cuando se producen variaciones del pH y su importancia funcional.
Animación 1: Amortiguadores del pH del MEDIO INTERNO.
INTRODUCCIÓN
El pH mide la concentración de hidrogeniones en disolución, y esta concentración depende de la disociación en disolución de los compuestos biológicos, y el continuo aporte y desaparición de H+ provocado por la dieta y el metabolismo celular. (pH es el menos logaritmo decimal de la concentración de hidrogeniones en disolución) (Animación 2)
Animación 2: El pH del MEDIO INTERNO.
Los compuestos biológicos han alcanzado un equilibrio funcional a un pH de aprox. 7,4. El valor normal del pH en el plasma arterial es de 7,4±0,02 y de 7,38±0,02 para el plasma venoso (rango de concentración de H+ es de unos 40 nmoles/l). Valor de pH normal de tipo alcalino.
Para mantener este compromiso funcional es necesario por tanto, controlar el pH del medio interno para fijarlo en su valor óptimo. Para ello, el sistema vivo utiliza la capacidad amortiguadora sobre el pH que tienen algunos compuestos químicos con poca capacidad disociativa en disolución, denominados ácidos y bases débiles. La concentración de algunos de estos amortiguadores químicos, presentes en el medio interno, será controlada por la actividad de órganos como los pulmones y los riñones, y de esta forma el organismo podrá ejercer un control fino de su pH.
De esta forma se consideran tres frentes de actuación en la regulación del pH:
1. El primer frente son los amortiguadores químicos presentes en el organismo.
2. El segundo frente viene representado por el sistema pulmonar, que regula el CO2 plasmático, modificando la frecuencia respiratoria.
3. El tercer frente viene representado por la función renal. Los riñones son imprescindibles en la regulación del pH plasmático, dado que eliminan los ácidos no volátiles o el CO3H– si hay exceso de bases o álcalis. Además de fabricar de novo el bicarbonato consumido en el plasma en las reacciones de amortiguación química.
Se considera acidosis cuando el pH < de 7,38. Y alcalosis cuando el pH > 7,42.
FACTORES QUE MODIFICAN EL pH DEL MEDIO INTERNO
Normalmente el pH del medio interno es modificado como consecuencia de la dieta del sujeto. Las reacciones metabólicas derivadas del tipo de nutrientes producen ácidos y bases cuyo balance neto altera la concentración de H+ del medio y esa alteración es la que debe ser amortiguada por los mecanismos reguladores del pH.
Los ácidos producidos pueden clasificarse en:
Ácidos volátiles: El CO2, que se produce en el metabolismo normal de los HC, grasas y aminoácidos, a una razón de 300 litros por día (entre 15 y 20 moles), para un QR de 0,82, lo que supone de 20 a 40 moles de H+, es eliminado por el pulmón.
Este CO2 se hidrata para formar CO3H2 el cual pasa rápidamente a CO3H– y H+.
La hidratación se acelera en presencia de una enzima, la anhidrasa carbónica (AC).
Consecuentemente, la producción de CO2 supone producción de H+, la ventaja es que en los pulmones, el CO3H– y el H+ reaccionan dando lugar a CO3H2 que se convierte nuevamente en H2O y CO2 que es eliminado en la ventilación alveolar.
Consecuentemente este CO2 no altera el pH del medio interno, mientras los pulmones funcionen de forma adecuada.
Ácidos no volátiles o fijos: Llamados así porque no pueden ser eliminados por el pulmón. Proceden fundamentalmente del metabolismo de las proteínas, y del metabolismo intermediario, y son eliminados por los riñones.
Hay dos tipos:
Ácidos orgánicos:
El metabolismo incompleto de la glucosa y glucógeno produce ácido láctico y en las grasas, ácido acetoacético y ácido ß-OH butírico. Normalmente su efecto en el pH es transitorio ya que son catabolizados a CO2 y agua (situaciones de hipoxia, ejercicio intenso, hemorragia, shock cardíaco, shock hipovolémico, etc.). Sin embargo cuando las condiciones que llevan a este metabolismo incompleto se cronifican (diabetes mellitus, etc.), su incremento lleva a una acidosis metabólica.
Otros ácidos orgánicos son:
– Ácido úrico procedente del metabolismo de las nucleoproteínas
– Ácido acético que en humanos se convierte rápidamente en CO2 y H2O.
Ácidos fuertes:
Generados en el metabolismo de algunos aminoácidos del catabolismo proteico.
Así en el metabolismo de la metionina y cisteína y cistina se produce SO4H2
Del metabolismo de los aa catiónicos (arginina, lisina y restos de histidina) se produce ClH.
La oxidación de proteínas fosforadas y de los fosfoésteres, produce PO4H3.
Por otra parte, la digestión elimina por las heces de 20 a 40 mmoles de bicarbonato, lo que supone una adición de la misma cantidad de ácido no volátil al plasma.
Álcalis:
El metabolismo de ácidos orgánicos como el lactato, citrato, isocitrato, etc cuyo contenido aumenta en la dieta vegetariana, genera bicarbonato por tanto alcalinidad en el MI.
El metabolismo de aa aniónicos (glutamato, aspartato) genera bicarbonato, lo mismo que ocurre en el hígado con la metabolización de aniones dietéticos.
Aproximadamente la mitad de la producción diaria de ácidos no volátiles es amortiguada por la producción metabólica de álcalis.
Balance final:
Para una dieta mixta, la producción total de ácidos es de 200 a 220 mmoles/día y la producción de álcalis de unos 150 mmoles/día, luego el balance neto es de 50 a 70 mmoles de ácidos/día, es decir: producción neta de H+ es de 1 mEq de H+ /kg de peso / día.
Esta producción diaria de ácido no volátil es a su vez, desaparición neta de bicarbonato en el medio interno, ya que se utiliza este compuesto como amortiguador principal. Esta deficiencia de bicarbonato es compensada por los riñones, capaces de producir este déficit y eliminar por la orina el exceso de ácidos volátiles.
AMORTIGUADORES QUÍMICOS
Se considera amortiguador a todo aquel compuesto que en disolución tenga poca tendencia a disociarse es decir, que tenga una constante de disociación (Ka) baja.
AH = A– + H+
La Ka = [H+][A–] / [AH]
[H+] = Ka [AH]/[A–]
Animación 3: Amortiguadores químicos del pH del MEDIO INTERNO.
En este tipo de disociación, cuando aparecen en el medio H+ procedente de la disociación de un ácido fuerte, reaccionan rápidamente con la forma aniónica (A–) para formar AH.
Dado que se trabaja con valores de moles y nanomoles se aplica el logaritmo a la ecuación anterior obteniendo la siguiente relación:
-log[H+] = -logKa + log([A–] / [AH])
pH = pKa + log ([A–] / [AH]) (ecuación de Henderson-Hasselbalch)
La capacidad amortiguadora de un sistema es mayor cuando la cantidad de A– libre es igual a la cantidad de AH o sea, si [A–] = [AH] la relación [A–] / [AH] = 1 y su logaritmo es 0, por lo que pH = pKa.
Para que un sistema sea considerado un buen amortiguador deberá cumplir los siguientes requisitos:
1. Que su pKa sea igual o muy próximo al pH que deseamos obtener (± 1).
2. Que las concentraciones de las dos formas sean altas o haya sistemas capaces de regularlas.
TIPOS DE AMORTIGUADORES QUÍMICOS
1. Bicarbonatados.
2. No bicarbonatados.
SISTEMAS BICARBONATADOS
El par HCO3– / CO2 tiene un pKa de 6,1 y una buena concentración (HCO3– extracelular es de 24 mmol/l y el CO2 es de 1,2 mmol/l aunque su suministro es ilimitado). El pKa está alejado del pH deseado pero en contrapartida es un sistema abierto, es decir, las concentraciones plasmáticas de ambos están bajo el control de los pulmones y los riñones, con lo cual se pueden manejar ambos extremos de la reacción con un ajuste más efectivo según las necesidades metabólicas.
Se utiliza el par HCO3– / CO2 en vez del par HCO3– / CO3H2, porque este último está en muy baja concentración ya que prácticamente todo el CO3H2 formado se transforma en HCO3– y H+; o en CO2 y H2O.
Si utilizamos la ecuación de Henderson [1]
Henderson (1908): Descubrió el poder tampón del CO2 y aplicó la ley de acción de masas: K = [H+] [HCO3-] / [dCO2] donde dCO2 = CO2disuelto.
Sorensen (1909) : Sugirió la teminología pH. También desarrolló el electrodo de hidrógeno para uso biológico.
Hasselbach (1916): Usó la terminología de Sorensen para la ecuación de Henderson de forma logarítmica: pH = pK + log(HCO3-/dCO2)
– Hasselbalch que relaciona el pH con el pKa del par amortiguador tenemos:
pH = 3,5 + log [HCO3–] / [CO3H2]
como la relación [CO3H2]/ [CO2]d es de 1:400 entonces
pH = 3,5 + log [HCO3–] / ([CO2]d /400)
pH = 3,5 + log400 + log [HCO3–] / [CO2]d = 6,1 + log [HCO3–] / [CO2]d
Dado que la [CO2]d es proporcional al producto de su solubilidad por la PCO2 la ecuación anterior quedaría:
pH = 6,1 + log [HCO3–] / 0,03xPCO2
Esto es verdad mientras el CO2 y el CO3H2 estén en equilibrio.
El par PO4H2– (fosfato dihidrogenado) / PO4H2- (fosfato monohidrogenado); tiene un pKa de 6,8 pero su concentración no es demasiado óptima en el líquido extracelular (1 mmol/l), aunque sí en el intracelular, por lo que es un buen tampón intracelular, donde además el pH es algo inferior por lo que se aproxima a su pKa.
Este par también es efectivo en los túbulos renales por concentrarse en ellos y tener un pH más ácido.
El par NH4+ / NH3, con un pKa de 9,3 útil en el túbulo.
El sistema formado por las proteínas, dada la ionización de éstas en algunos de sus grupos, puede actuar como ácidos débiles, presentando un pKa próximo al pH del plasma, además de estar en alta concentración. Además los diferentes pKa para los diferentes tipos de proteínas permite un mayor rango de pH.
Un caso especial es la Hb de los eritrocitos, ésta además de estar a una gran concentración, tiene una alta proporción de grupos histidinas (38). La Hb desoxigenada presenta grupos imidazol con un alto pKa. Así la Hb desoxigenada en los capilares tisulares incrementa su capacidad amortiguadora del H+ producido en la hidratación del CO2 metabólico.
DISTRIBUCIÓN DE LOS SISTEMAS AMORTIGUADORES EN LOS DISTINTOS COMPARTIMENTOS ORGÁNICOS
La participación de los sistemas amortiguadores es diferente en los distintos compartimentos líquidos del organismo.
Así misma, la participación de cada compartimento en el pH final es diferente.
COMPARTIMENTO EXTRACELULAR (LEC)
1. Sangre (excelente amortiguador para los ácidos no volátiles)
Figura 1: Amortiguadores químicos y compartimentos.
a) En plasma: el HCO3– es el principal con una [] de 20 a 30 mEq/l. Seguido de las proteínas plasmáticas(un 7% en forma polianiónica al pH del plasma, lo que permite amortiguar unos 1,5 mmol de H+ /l). Responsables del amortiguamiento de los ácidos no volátiles (más del 75% para el HCO3– y el resto por las proteínas plasmáticas).
b) En células sanguíneas (los más importantes los GR): la Hb reducida (Hb–/HHb), responsable de más del 90% de la amortiguación de los ácidos volátiles.
Todos ellos juntos suponen una concentración de aproximadamente 48 mEq/l, lo que para 5 litros de sangre supone una capacidad amortiguadora de casi 150 mmoles de H+, o lo que es lo mismo, 150 ml de una solución 1N de ClH.
2. Líquido intersticial (incluida linfa) (LIT):
El sistema bicarbonatado es el principal amortiguador de ácidos no volátiles con una [HCO3–] = 27 mmol/l de LIT. En humanos el volumen de LIT es tres veces el del plasma, por lo que su capacidad amortiguadora es mucho mayor.
Los sistemas no bicarbonatados tiene poca capacidad amortiguadora. El principal es el par fosfato dihidrogenado/monohidrogenado a una [] de 0,7 mmol/l de LIT.
COMPARTIMENTO INTRACELULAR (LIC)
La principal capacidad amortiguadora del organismo se encuentra en los tejidos, principalmente en los músculos y huesos, los cuales pueden amortiguar 5 veces más ácido que la sangre.
La [HCO3–] corporal media es de unos 13 mEq/Kg de peso. Las células musculares contienen alrededor de 12 mEq/l, y cada compartimento (LIC y LEC) contienen cada uno el 50% del total de HCO3–.
El hueso es una importante fuente de amortiguador dada su alta concentración en carbonatos, necesarios para amortiguar los excesos de ácido no volátil. Así la acidosis metabólica crónica genera disolución ósea por pérdida de CO3Ca. El hueso contiene el 80% del CO2 total del organismo.
El sistema no bicarbonatado está representado por las proteínas celulares y fosfatos orgánicos que debido a su alta concentración intracelular son los principales amortiguadores celulares de ácidos volátiles y no volátiles.
IMPORTANCIA DE CADA COMPARTIMENTO EN EL pH FINAL DEL MEDIO INTERNO
El primero y principal es el compartimento intracelular, porque en éste se produce la mayoría de los H+ metabólicos, donde por los mecanismos amortiguadores intracelulares y el mayor volumen de LIC se amortigua el 75% del total.
Las células también son capaces de amortiguar los cambios de pH del LEC, aunque este proceso es más lento por la dificultad que tiene el H+ en pasar las membranas.
El segundo es el sistema bicarbonatado del espacio intersticial (LIT), por tener un volumen tres veces mayor que el del plasma y una concentración de bicarbonato mayor.
El tercero es la sangre, donde se realizan los ajustes finos, siendo por orden de importancia amortiguadora, primero los GR y dentro de éstos la Hb como sistema amortiguador de los CO2 e H+ plasmáticos, ya que estos últimos pasan bien la membrana eritrocitaria. Le sigue el sistema bicarbonatado del plasma y el de las proteínas plasmáticas.
PRINCIPIO ISOHÍDRICO
Para una misma [H+] todos los sistemas amortiguadores están en equilibrio, de forma que cualquier cambio en dicha concentración supone un nuevo estado de equilibrio para cada uno de los pares amortiguadores, esto se conoce como principio isohídrico. Todos participan por tanto, en el control del pH, cada uno en función de su importancia relativa.
PAR CARBÓNICO/BICARBONATO
Figura 3: Par carbónico-bicarbonato.
Aunque el pKa (6,1) de este par amortiguador está algo alejado del pH del medio interno (7,4), la posibilidad de que tanto los riñones como los pulmones puedan controlar las concentraciones de los componentes de este par (24 mEq HCO3–/L y 1,2 mmol CO2/L), lo convierte en el principal amortiguador regulador del pH plasmático.
El CO2 producido en las reacciones metabólicas de los nutrientes procedentes de la dieta, es eliminado por la actividad pulmonar, por lo que no altera el pH del medio.
Sin embargo, los ácidos no volátiles producidos en el metabolismo de ciertos aminoácidos, también procedentes de la dieta, consumen bicarbonato del medio, bicarbonato que debe ser repuesto para mantener la capacidad amortiguadora de este par.
De su restauración se encarga el riñón, el cual además de reabsorber todo el filtrado, fabrica el bicarbonato consumido, excretando el exceso de hidrogeniones en su mayor parte amortiguado por amortiguadores tubulares, por lo que la acidez de dicha excreción no daña al túbulo.
CONTROL RESPIRATORIO DEL pH
El segundo frente en la amortiguación del pH, viene representado por el sistema respiratorio.
El sistema respiratorio puede modificar su ventilación en función de la [H+] existentes en el plasma y más exactamente en el LCR. En el bulbo hay sensores para el CO2 plasmático capaces de activarse cuando éste aumenta, lo que supone una activación de la ventilación, con mayor eliminación del CO2 existente en los pulmones.
Animación 4: Control respiratorio del pH.
Esta eliminación supone, en los capilares pulmonares, una polarización de la reacción CO3H2 hacia CO2 + H2O, y por tanto eliminación de ácido.
Esta respuesta refleja del sistema respiratorio evita que este sistema amortiguador se sature frente a la alta producción metabólica de ácido.
Por el contrario, cuando aumenta el pH, disminuye la actividad respiratoria con objeto de aumentar el CO2 y por tanto la acidez compensatoria.
CONTROL RENAL DEL pH
El tercer frente en la amortiguación de los cambios del pH en el medio interno viene representado por la función renal.
Figura 4: Control renal del pH.
Los riñones son imprescindibles en la regulación del pH plasmático, dado que eliminan los ácidos no volátiles producidos, o el HCO3– si hay exceso de bases o álcalis. Además de recuperar el bicarbonato consumido.
Cuando el sistema amortiguador del bicarbonato amortigua los ácidos no volátiles producidos en el metabolismo diario (del orden de 70 mmol/día), el riñón debe reponer la disminución consecuente de CO3H– y eliminar el H+ producido, ya que el bicarbonato utilizado para amortiguar los ácidos no volátiles es eliminado en forma de CO2 por el sistema respiratorio.
Además de restaurar el bicarbonato perdido, recupera todo el bicarbonato filtrado (24 mmol/l x 125 ml/min = 3 mmol/min (4320 mmol/día).
Es decir, el riñón no solo recupera todo el CO3H– filtrado sino que además añade el consumido en la amortiguación de los ácidos no volátiles.
La producción renal del bicarbonato consumido en el tamponamiento de los ácidos no volátiles, supone la secreción de una cantidad igual de hidrogeniones. Esta cantidad de hidrogeniones significa acidificación de la orina a valores de pH de 1, siendo lo máximo soportable por el túbulo de 4. Esta acidificación de la orina no se da, debido a que parte de estos hidrogeniones se tamponan con compuestos amortiguadores de la orina previamente filtrados, como los fosfatos y en menor medida la creatinina. El resto y debido al agotamiento de estos amortiguadores, se excreta en forma de amonio, producido por las células tubulares.
En realidad, el riñón secreta en un día alrededor de unos 4390 mEq de hidrogeniones, de los cuales solo se excretan de 50 a 100 mEq, que son los procedentes de los ácidos no volátiles. El resto son utilizados para la reabsorción del bicarbonato filtrado.
MECANISMO DE ACCIÓN RENAL SOBRE EL BICARBONATO FILTRADO
1. El bicarbonato filtrado (24 mmol/l x 125 ml/min = 3 mmol/min (4320 mmol/día) es totalmente reabsorbido en el túbulo. El 80% en el TP; un 15% en el AHAG y el resto (5%) en el TD y CC. (Animación 5)
La fracción de excreción es < de 0,01. Siempre y cuando no se alcance su umbral renal UCO3H– cifrado en 26 mEq/L. A partir de este valor se excreta todo el exceso.
Animación 5: Mecanismo de acción renal sobre el bicarbonato filtrado.
El mecanismo utilizado en el TP, puede verse en la figura y ya ha sido estudiado en la topografía funcional del túbulo.
Depende de la actividad de la anhidrasa carbónica (AC) tanto intracelular como de la que se encuentra en el borde en cepillo de las células tubulares; así como de la secreción de H+ por antitransporte con el Na+. El bicarbonato producido dentro de la célula sale al plasma y el hidrogenión correspondiente sale al túbulo para combinarse con el bicarbonato filtrado, para dar anhídrido carbónico y agua.
En el asa ascendente gruesa de Henle, el mecanismo de reabsorción del bicarbonato filtrado es similar al indicado en el TP, con una diferencia, la falta de anhidrasa carbónica (AC) en la región luminal de sus células epiteliales.
En TD y CC son las células intercaladas las responsables de la secreción de hidrogeniones (Tipo A) o secreción de bicarbonato (tipo B). Las tipo A secretan el hidrogenión mediante una bomba ATPasa de H+ y una bomba ATPasa de K+/H+. En la cara basolateral el bicarbonato sale intercambiado por cloruro, que a su vez sale por dicha cara mediante conductancias para dicho anión.
Las células tipo B secretan el exceso de bicarbonato intercambiándolo por cloruro, el cual sale por la membrana basolateral mediante una conductancia. El hidrogenión sale por el espacio basolateral gracias a una bomba ATPasa de H+.
Por cada CO3H– reabsorbido se necesita un H+ (por tanto al día se producen unos 4320 mmol de H+ tubular, solo para permitir la reabsorción de todo el bicarbonato filtrado.) (equivale a 4320 ml de una solución 1N de ClH). Además hay que sumar los H+ secretados en la producción de los aproximadamente 70 mmoles de bicarbonato consumidos en la amortiguación de los ácidos no volátiles.
AMORTIGUACIÓN DEL pH TUBULAR
El bicarbonato utilizado en la amortiguación de los ácidos no volátiles es regenerado en el riñón mediante la excreción renal de ácido titulable y amonio. (Ver animación 6)
El bicarbonato retirado diariamente por el sistema respiratorio en forma de CO2 es del orden de unos 70 mmoles, como consecuencia de la amortiguación de los ácidos no volátiles producidos. Esta misma cantidad es la que repone el riñón, secretando una cantidad similar de H+.
Animación 6: Amortiguación del pH tubular.
Esta secreción tubular de H+ supone acidificación del líquido tubular que debe ser amortiguada por tampones tubulares para evitar cambios drásticos del pH que modifiquen la función tubular, dado que en el TP el pH aceptable es de 6,9 y en el distal de 4,5.
Esta amortiguación hace que por la orina se elimine H+ libre en el orden de 0,03 mmoles/L en vez de los 70 mEq/L que serían necesarios para compensar la pérdida de bicarbonato. Y su necesaria eliminación por la orina. La eliminación por la orina se hace por tanto en forma de H+ libre y en forma de ácido titulable y como NH4+.
Excreción de ácido titulable:
Se mide el ácido titulable urinario a partir de la cantidad de base fuerte (NaOH) que es necesario añadir a la orina para llevar su pH al valor del pH plasmático. La mayor parte del ácido titulable de la orina es fosfato (PO4H2–), aunque hay otros tampones tubulares de menor importancia (creatinina).
El par PO4H2– /PO4H2- es un amortiguador renal importante al nivel del TC, donde su concentración sube considerablemente por concentración del líquido tubular. No ocurre así en el TP donde se reabsorbe prácticamente el 85% del filtrado.
Sin embargo, la disponibilidad de este amortiguador depende de la cantidad filtrada (que depende de la VFG y de su concentración en plasma) y de la acción de la PTH (parathormona).
El H+ secretado procede de la reacción intracelular del CO3H2 en CO3H– y H+. El bicarbonato sale al espacio peritubular, por lo que por cada mol de PO4H2– producido se introduce en sangre un mol de bicarbonato.
Por este sistema se excretan de 12 a 40 mmol de H+ /L/día.
Al ser un sistema limitado o cerrado (dado que no se puede incrementar la concentración de fosfato), si se necesita excretar más H+ el riñón utiliza otro sistema de eliminación consistente en la excreción de amonio.
Excreción de amonio: (Ver animación 6)
El incremento amortiguador del túbulo se basa en la producción de amonio realizada en el TP.
El NH4+ se disocia en NH3 y H+ con un pKa de 9,3. A pH de 7,4 o menor, la forma predominante es el amonio que es muy poco permeable por lo que se excreta.
El TP es capaz de sintetizar amonio de novo. En esta región las células desaminan la glutamina hasta obtener alfa-cetoglutarato2- con la producción de 2 NH4+ mediante glutaminasa primero y después la glutamato deshidrogenasa. La actividad de la glutaminasa depende del pH y hormonas, aumentando cuando éste es ácido.
El amonio producido es intercambiado por sodio en la membrana luminal (utiliza el intercambiador Na+/ H+). El alfa-cetoglutarato2- se metaboliza a 2 bicarbonatos que son reabsorbidos intercambiados por Cl–. También puede pasar al túbulo en forma de amoniaco, que unido al hidrogenión intercambiado por el sodio vuelve a formar en el túbulo amonio.
El NH4+ tubular se concentra en el AHDD por pérdida de agua, a la vez que se alcaliniza el fluido tubular por ésta pérdida de agua. En el AHAG se reabsorbe en sustitución del potasio en el cotransportador Na+, K+, 2Cl–, y queda en el intersticio en equilibrio con el amoníaco. En CC el amoníaco difundirá hacia la luz tubular mediante varios mecanismos: 1. por difusión no iónica; 2.) por difusión por atrapamiento, donde el amoniaco en el túbulo se une a un hidrogenión tubular formándose amonio que no es reabsorbible debido a la baja permeabilidad de este segmento al mismo; y 3. por un intercambio luminal y basolateral de amonio por hidrogenión. También le es favorable el potencial transepitelial.
La formación y excreción de NH4+ dependerá de la [H+] tubular, y por tanto de la secreción de H+ por parte de las células intercaladas tipo A. Cada hidrogenión secretado y amortiguado por el amoniaco tubular, se produce en la célula un bicarbonato que pasa a la sangre.
La producción celular de NH3 depende del pH intracelular reflejo del pH plasmático.
La acidosis sistémica estimula a las enzimas que catabolizan la glutamina incrementándose la producción de NH3 y bicarbonato.
Los cambios en la concentración de potasio plasmático también modifican la amoniogénesis, aunque aún no se conocen bien los mecanismos. En hiperpotasemia la amoniogénesis se inhibe, y se activa en hipopotasemia.
La angiotensina II y la PTH también aumentan la amoniogénesis.
Por este sistema se eliminan unos 48 mEq de H+ / día.
La excreción renal de ácido = ácido titulable + amonio + H+ libre – bicarbonato excretado
70 mEq/día = 24 mEq/día + 48 mEq/día + 0,03 mEq (libre)/día– 2 mEq/día.
La acidez titulable es 1/3 del total y al NH4+ los 2/3 restantes.
FACTORES QUE MODIFICAN LA EXCRECIÓN RENAL DE H+ (Figura 6)
Figura 6; Factores que modifican la excreción renal de hidrogeniones.
1. pH plasmático
Es el principal regulador de la secreción y excreción renal de H+. Hemos dicho que la capacidad tubular generadora de H+ depende de su pH intracelular, de forma que si éste disminuye se produce un incremento y viceversa.
El pH intracelular es un reflejo del pH plasmático, aunque normalmente es ligeramente menos ácido que el plasmático, lo que refleja mecanismos celulares activos responsables de esta asimetría. También es un reflejo de la [K+] plasmática (como se verá más adelante).
Los sistemas amortiguadores intracelulares y los sistemas de bombeo activo de H+ son responsables del mantenimiento del pH intracelular modificado por el propio metabolismo celular y el pH plasmático.
Sin embargo, un incremento en la acidez plasmática se refleja en un incremento de H+ intracelular, debido a la fácil entrada del CO2 plasmático consecuente y su transformación intracelular en CO3H– y H+ (si la célula dispone de la enzima AC necesaria para dicho fin y el intercambiador Cl– /CO3H–), así como la tendencia a entrar del propio H+ a favor de gradiente electroquímico. Este H+ es eliminado gracias al intercambiador electroneutro Na+ / H+ en TP, cuya actividad está regulada por el pH intracelular, por hormonas y factores de crecimiento.
Hay evidencias de que los cambios en el pH intracelular, modifican tanto la actividad como la expresión de los anti transportadores Na+/H+; de la bomba ATPasa de H+; y del cotransportador Na+/HCO3H–. Transportadores que seguramente disminuirán en condiciones de alcalosis.
También existen orgánulos capaces de secuestrar H+.
2. PCO2 plasmático.
Cuando aumenta la acidez del plasma se produce más CO2 que penetra en la célula tubular y por la AC produce H+ y el CO3H–. Este H+ es secretado al líquido tubular.
Si disminuye la PCO2 plasmática disminuye la entrada de CO2 a la célula tubular y se secreta menos H+ al líquido tubular, por lo que se reabsorbe menos bicarbonato tubular, excretándose.
3. Actividad de la anhidrasa carbónica.
Si inhibimos farmacológicamente la AC (con acetazolamida) provocamos una alta excreción de bicarbonato con la consecuente acidificación del pH plasmático.
4. Reabsorción de Na+
En el TP la reabsorción de Na+ está acoplada a la secreción de H+.
En CC no existe este acople, pero el incremento en la reabsorción de Na+ negativiza el lumen y favorece la secreción de H+.
El aumento de la VFG supone aumento de la FF del Na+ y por tanto aumento en su reabsorción y aumento en la secreción de H+.
Los cambios en el volumen del líquido corporal también afectan a la reabsorción del Na+ y secreción del H+. Así, ante una disminución de volumen líquido (con depleción de Na+), se produce la activación del eje renina-angiotensina-aldosterona. La angiotensina II actúa en las células del TP estimulando el antitransporte Na+/H+. La aldosterona en CC estimula la reabsorción de Na+, lo que hace más negativo el lumen y así se favorece la secreción de H+, pero además estimula la secreción de H+ en las células intercaladas. No olvidemos, que la disminución del flujo plasmático peritubular, favorece por las fuerzas de Starling la reabsorción tubular.
Figura 7: Amoniogénesis.
5. Concentración plasmática de K+
Dado que el potasio tiende a salir por gradiente químico, si disminuye la [K+] plasmático se favorece su salida y la entrada compensatoria de H+. En las células tubulares este fenómeno favorece la secreción de H+. Además se estimula la síntesis de amonio (amoniogénesis) (Figura 7). Consecuentemente se reabsorbe todo el bicarbonato filtrado y la producción de bicarbonato nuevo con la consecuente alcalinización del plasma.
La hipopotasemia (hipocalemia) favorece la secreción tubular de H+ y conduce por tanto, a un aumento en la alcalinidad del plasma (alcalosis metabólica).
La hiperpotasemia (hipercalemia) disminuye la secreción tubular de H+ y conduce a una acidificación del plasma y por tanto a una acidosis metabólica.
6. Aldosterona
La aldosterona incrementa la secreción de H+ en CC por estímulo directo de la bomba de H+, por aumento de la secreción de K+ y por aumento de la reabsorción de Na+.
El aumento de la secreción de K+ provoca hipopotasemia lo que aumenta aún más la secreción de H+ y una alcalosis metabólica, situación característica del hiperaldosteronismo.
7. Paratohormona
Aunque el papel de la parathormona es regular la reabsorción del calcio y el fosfato, también tiene un efecto sobre el antitransporte Na+/H+ en TP, disminuyendo su actividad. También inhibe la reabsorción del HCO3– en TP.
8. Cortisol, que aumenta en caso de acidosis, incrementa la acción de la glutaminasa y por tanto la amoniogénesis.
9. La angiotensina II también aumenta la amoniogénesis.
10. Inhiben la amoniogénesis las prostaglandinas y y el incremento del potasio plasmático.
11. Masa renal funcional.
La disminución de la masa renal funcionante supone la aparición de acidosis metabólica, provocada por la disminución en la secreción de H+.
12. Diuréticos.
Los diuréticos producen concentración del líquido tubular y por tanto incremento en la [Na+] tubular en el CC. Hemos visto que cuando ocurre esto se produce un incremento en la secreción de H+ y su excreción. Se produce así una alcalosis metabólica.
ALTERACIONES DEL EQUILIBRIO ÁCIDO BÁSICO
El intervalo de pH compatible con la vida es de 6,8 a 7,8 (160 a 16 nmol/l de H+).
Se produce acidemia cuando el pH plasmático es < de 7,35 (45 nmol/l de H+).
Figura 8: Alteraciones del equilibrio ácido-base.
Se produce alcalemia cuando el pH plasmático es > de 7,45 (35 nmol/l de H+).
Valores normales: para el pH consideramos 7,40 aunque el rango va de 7,35 a 7,45.
Para la PCO2 se considera 40 mm Hg aunque el rango es de 35 a 45 mm Hg.
Para la concentración de bicarbonato se considera 24 mEq/L aunque el rango va de 22 a 28.
Para el estudio en un paciente de la alteración ácido base, es necesario conocer la gasometría del mismo (PO2; PCO2, pH).
Una forma de predecir el efecto sobre el pH de un cambio en la PCO2, es mediante esta ecuación: pH = 7,4 + [(PCO2 normal – PCO2 hallado) x 0,008]
Si el valor predicho coincide con el pH medido la alteración es de tipo respiratorio puro. De lo contrario, sería un trastorno metabólico.
Las alteraciones, denominadas primarias, son de dos tipos según su origen:
Trastornos acido básicos respiratorios: cambios en la presión parcial del anhídrido carbónico plasmático: acidosis respiratoria y alcalosis respiratoria. La amortiguación de estas alteraciones se realizan prácticamente en el interior de las células, dada la facilidad conque se mueve el CO2.
Trastornos acido básicos metabólicos: cambios en la concentración plasmática del bicarbonato: acidosis metabólica y alcalosis metabólica. Se genera cuando se adicionan ácidos no volátiles (consumo de bicarbonato plasmático) o se adicionan bases no volátiles (consumo de hidrogeniones y adición de bicarbonato al plasma).
Acidosis = proceso anormal que tiende a producir acidemia.
Alcalosis = proceso anormal que tiende a producir alcalemia.
DIAGRAMA DE DAVENPORT: [HCO3–]/pH
Figura 7: Diagrama de Davenport
Ante una alteración acido básica rápidamente se ponen en funcionamiento los mecanismos compensadores del organismo. Estos mecanismos no corrigen el trastorno, solamente intenta minimizar su efecto en el pH. Como se ha dicho anteriormente, cuando se presenta una alteración de este tipo el organismo actúa en sus tres frentes:
1) utiliza los amortiguadores químicos del medio interno; 2) luego modifica la ventilación para regular los niveles de la PCO2 y 3) el riñón corrige la excreción renal de ácidos.
En el diagrama [HCO3–]/pH (diagrama de Davemport) se representan los cambios provocados por la alteración acido básica y la compensación correspondiente.
ACIDOSIS RESPIRATORIA
Figura 8: Acidosis respiratoria. Fase aguda.
La hipoventilación causada por barbitúricos o patologías respiratorias de tipo obstructivas, o edema pulmonar, etc., suponen un incremento de la PCO2 y por tanto una acidificación del plasma. (Desplazamiento del punto A en las curvas de Davenport hacia la izquierda)
El 95% de su amortiguación ocurre en las células gracias a sus proteínas y fosfatos orgánicos, produciéndose bicarbonato que pasa a la sangre. En una acidosis respiratoria aguda el incremento de bicarbonato plasmático consecuente es de 1 mEq/l por cada 10 mmHg de incremento en la PCO2.
FIgura 9: Acidosis respiratoria. Fase crónica.
Cuando se mantiene por diversos causas el problema respiratorio y se hace crónica la acidosis respiratoria, son los riñones los encargados de minimizar los efectos sobre el pH.
Para ello el riñón aumenta la secreción y excreción de H+ a cambio de la producción hacia el plasma de bicarbonato. De esta forma se producen 4 mEq/l de bicarbonato por cada 10 mm Hg de aumento de la PCO2.
Teniendo en cuenta las curvas de Davenport (pH frente a [CO3H–]p). (Figura) en la fase aguda tenemos el punto B y en la fase crónica el punto C determinado por la acción renal.
El punto A es el punto de equilibrio.
ALCALÓSIS RESPIRATORIA
Figura 10: Alcalosis respiratoria. Fase aguda.
La hiperventilación provocada por situaciones hipóxicas o alteraciones nerviosas centrales (ansiedad, enfermedades) determinan disminución de la PCO2. (Desplazamiento del punto A en las curvas de Davenport hacia la derecha).
El incremento de bicarbonato plasmático consecuente es tamponado en su 95% por las propias células, las cuales liberan H+ al medio. En el caso agudo la [CO3H–]p disminuye unos 2 mEq/l por cada 10 mm Hg de caída de PCO2.
Figura 11: Alcalosis respiratoria. Fase crónica.
Los riñones compensan eliminando el bicarbonato filtrado excedente. La alcalinización de la orina disminuye la producción de ácidos titulables y la producción de amonio.
Cuando la alcalosis se hace crónica la [CO3H–] cae en 4 mEq/l por cada 10 mmHg de disminución de la PCO2.
En las curvas de Davenpor se producen los puntos D en la aguda y E en la crónica.
ACIDOSIS METABÓLICA
Figura 12: Acidosis metabólica. Fase aguda.
La acidosis metabólica supone una disminución en la concentración del bicarbonato plasmático, provocada por:
– Un shock hipovolémico que supone un incremento del ácido láctico plasmático.
– Una cetoacidósis diabética determinada por una diabetes mellitus no controlada.
– La diarrea.
– Por una insuficiencia renal grave, incapaz de producir los bicarbonatos necesarios para compensar la pérdida del mismo en plasma.
Consecuentemente: el incremento de ácidos procedentes del metabolismo y/o la pérdida de bicarbonato son la causa final de la acidosis metabólica.
Casi el 50% de la amortiguación de este tipo de acidosis se realiza por las células y los huesos.
Compensación respiratoria: Aparece en pocos minutos y es máxima en 24 horas.
Figura 13: Acidosis metabólica. Fase crónica.
El aumento de hidrogeniones en sangre estimula al sistema respiratorio, lo cual disminuye la PCO2 del plasma (1,3 mmHg por cada mEq/l de disminución de bicarbonato en sangre.
Compensación renal: La respuesta es efectiva en varios días.
El riñón responde de la siguiente forma:
1. Al disminuir la carga filtrada de bicarbonato, éste es totalmente reabsorbido.
2. El exceso de ácido es secretado al túbulo en forma de ácidos titulables y NH4+. Aumentando sobre todo este último.
De acuerdo con las curvas de Davenport, si la acidosis fuera brusca se pasaría al punto F, sin cambios en la función respiratoria. Con la compensación respiratoria se pasaría al punto G (acidosis metabólica crónica o acidosis leve).
ALCALOSIS METABÓLICA
Aparece por ganancia de base fuerte o bicarbonato en plasma o pérdida de ácido no volátil.
Figura 14: Alcalosis metabólica. Fase aguda.
Causas:
1. pérdida de líquido orgánico como los vómitos, succión nasogástrica (pérdida de líquido rico en H+).
2. Diuréticos o patologías (hiperaldosteronismo, hipocalcemia, etc.) que favorecen la pérdida de volúmenes de orina ricos en H+
Un tercio de la amortiguación de este fenómeno se produce por los amortiguadores químicos.
Compensación respiratoria: No es suficiente porque produce hipoxia.
El sistema respiratoria responde reflejamente mediante una hipoventilación con un aumento de la PCO2 de 0,7 mmHg por cada mEq de aumento del bicarbonato.
El límite a la hipoventilación lo pone la hipoxia.
Figura 15: Alcalosis metabólica. Fase crónica.
Compensación renal:
El incremento del bicarbonato en plasma hace que aumente la carga tubular del mismo y consecuentemente se alcance su umbral renal con la consiguiente excreción del exceso.
Por otra parte en el túbulo colector hemos visto que cuando hay exceso de bicarbonato, se produce una secreción del mismo por parte de las células intercalares B, con reabsorción de H+.
Respecto a las curvas de Davenport, se alcanza el punto H sin compensación respiratoria. Cuando ésta aparece se alcanza el punto I (alcalosis metabólica crónica).
La variación de la isobara con respecto a la normal se debe a un cambio en la capacidad tamponadora de la sangre frente al incremento de bicarbonato.
Como una de las causas de la alcalosis metabólica es la pérdida de líquido orgánico, se produce un incremento regulatorio de la reabsorción renal de Na+ (mediada por la aldosterona) lo que supone un incremento de la secreción renal de H+ y aumento paralelo de la producción renal de bicarbonato. Este comportamiento renal supone que cuando se mantienen estos dos factores (alcalosis metabólica y contracción del volumen del LEC) la respuesta compensadora renal perpetua la alcalosis, si no se corrige el volumen líquido.
TODOS JUNTOS
Figura 16: Acidosis y alcalosis juntas.
Figura 17: Cambios de los parámetros diagnósticos en los trastornos primarios ácido básicos.
ENLACES DEL TEMA EN LA WEB
Diagrama de Davenport. (Wikipedia)
VIDEOS EN YOUTUBE
Como entender el equilibrio ácido-base
Acid-Base Regulation. The Davenport Diagram
PATOLOGÍA
FISIOLOGIA. / URINARIO / REGULACIÓN RENAL DEL pH
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