Il bilancio degli H+: pH e regolazione (Fisiologia 107)

L'equilibrio degli ioni idrogeno (H+) è fondamentale per il corretto funzionamento del corpo umano.

Le proteine e gli amminoacidi contengono gruppi acidi che aumentano il livello di H+ nel corpo. Gli acidi grassi sono un'altra fonte di questi ioni durante il loro metabolismo.

La CO2, prodotta dal metabolismo, viene trasportata nel sangue come bicarbonato (HCO3-). L'acido lattico è prodotto dal metabolismo muscolare, soprattutto durante l'esercizio fisico intenso. I chetoacidi sono prodotti quando i grassi non vengono bruciati completamente dai carboidrati, causando un abbassamento del pH.

Il corpo mantiene un pH leggermente basico, nonostante l'apporto costante di acidi. Il pH del plasma arterioso è tra 7,35 e 7,40, mentre il pH venoso è leggermente più acido a causa del carico metabolico.

I sistemi tampone aiutano a mantenere il pH del corpo stabile. Il bicarbonato (HCO3-) è il principale sistema extracellulare, mentre le proteine, l'emoglobina e i fosfati intervengono all'interno delle cellule. Il sistema urinario, tramite i fosfati e l'ammoniaca, tampona l'acidità dell'urina.

Gli H+ prodotti o assunti devono essere eliminati. La ventilazione elimina la CO2, che contribuisce alla formazione degli acidi volatili. I reni eliminano l'acidità non volatile, come gli acidi fissi.

La produzione di CO2 porta alla formazione di H+ (più di 10 moli al giorno a riposo). Tuttavia, in condizioni normali, la CO2 viene eliminata dai polmoni, quindi non contribuisce all'acidità del corpo.

La probabilità di reazione di una sostanza, espressa come valore adimensionale tra 0 e 1.

La velocità di una reazione in condizioni standard di temperatura e pressione.

La velocità di una reazione in condizioni standard di temperatura e pressione, misurata in direzione inversa.

La costante di equilibrio di una reazione chimica, che indica la relazione tra le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti all'equilibrio.

La dissociazione dell'acqua in ioni idrogeno (H+) e ioni idrossido (OH-), in cui la costante di equilibrio è K = ([H+] * [OH-]) / [H2O].

Misura dell'acidità o alcalinità di una soluzione, definito come il meno logaritmo in base 10 della concentrazione di ioni idrogeno (H+).

La costante di dissociazione dell'acqua, che indica il rapporto delle concentrazioni di ioni idrogeno e idrossido all'equilibrio.

Misura dell'alcalinità di una soluzione, definito come il meno logaritmo in base 10 della concentrazione di ioni idrossido (OH-).

Il pH di neutralità varia in base alla temperatura, es: a 25°C è 7, a 37°C è circa 6.75.

La quantità di CO2 eliminata dai polmoni è direttamente proporzionale alla pressione parziale di CO2 nel plasma (pCO2). Un aumento della pCO2 stimola la ventilazione, mentre una diminuzione della pCO2 la riduce.

L'esercizio fisico aumenta la produzione di CO2. Per mantenere la pCO2 nel range fisiologico, il corpo aumenta la ventilazione per eliminare la CO2 in eccesso.

Un pH elevato (alcalosi) riduce la ventilazione, mentre un pH basso (acidosi) la aumenta. Questo perché il corpo cerca di mantenere un equilibrio acido-base.

I reni riassorbono la maggior parte del bicarbonato (HCO3-) filtrato dal glomerulo, attraverso un processo che coinvolge l'antiporto Na+/H+ e l'anidrasi carbonica.

Il sistema tampone fosfato nel rene tampona circa 30-50 mM/die di H+ nell'urina, legando gli ioni H+ al fosfato (HPO42-), formando H2PO4-. Per ogni fosfato protonato, un HCO3- viene riassorbito.

Il fosfato è presente in basse concentrazioni nel plasma (1-2 mM/L) rispetto al bicarbonato.

La forma acida del fosfato (H2PO4-) non può essere eliminata dal corpo con la stessa facilità della CO2.

Il fosfato svolge un ruolo fondamentale nel rene, dove viene concentrato nelle urine, contribuendo al tamponamento del pH acido dell'urina.

Il sistema tampone bicarbonato è il più importante nel plasma grazie alla sua alta concentrazione e al collegamento con il sistema respiratorio.

Il bicarbonato è presente in elevate concentrazioni nel plasma, rendendolo un tampone efficace.

La componente acida del sistema tampone bicarbonato (CO2) è regolata dalla respirazione polmonare.

La reazione principale del sistema tampone bicarbonato è la seguente: CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

La costante di equilibrio della reazione del sistema tampone bicarbonato è K = [H+][HCO3-] / [CO2].

L'equazione di Henderson-Hasselbalch, modificata per il sistema tampone bicarbonato, è pH = pKd + log [HCO3-] / [CO2].

La concentrazione di CO2 è legata alla pressione parziale di CO2 alveolare (pCO2) dalla legge di Henry: [CO2] = 0,03 x pCO2.

Una piccola variazione nella concentrazione di ioni idrogeno (H+) può portare a un grande cambiamento nel pH. Ad esempio, un aumento di 1mM di H+ può far scendere il pH di 3 unità. Questa sensibilità dimostra la necessità di una precisa regolazione del pH per il corretto funzionamento dei processi biologici.

Il processo di mantenere il pH di un sistema all'interno di un intervallo ristretto. È essenziale per la vita, poiché molte reazioni biochimiche sono sensibili al pH.

Una molecola che può rilasciare ioni H+ (protoni) in soluzione. In un sistema tampone, l'acido debole agisce come donatore di protoni.

L'anione che si forma quando un acido debole perde un protone (H+). In un sistema tampone, la base coniugata lega gli ioni H+ per stabilizzare il pH.

Quando si aggiunge un acido a un sistema tampone, la base coniugata reagisce legando gli ioni H+, spostando l'equilibrio verso la forma dell'acido debole e riducendo la variazione di pH.

Quando si aggiunge una base a un sistema tampone, gli ioni OH- reagiscono con gli ioni H+ formando acqua. Questo sposta l'equilibrio verso la dissociazione dell'acido debole, rilasciando H+ per compensare la perdita e mantenere il pH stabile.

L'efficacia di un sistema tampone è massima quando le concentrazioni dell'acido debole e della base coniugata sono uguali. In queste condizioni, il pH della soluzione è uguale al pK dell'acido debole.

Un amminoacido presente in molte proteine che contiene un anello imidazolico con un pK di circa 7. Questo lo rende un tampone efficace a pH fisiologici, poiché il suo pK è vicino al pH del sangue.