PDF: Ácidos, Bases y pH: El escenario bioquímico

03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 34 34 | El escenario bioquímico 3.3 ÁCIDOS, BASES Y pH Estos valores de concentración son los correspondientes a...

03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 34 34 | El escenario bioquímico 3.3 ÁCIDOS, BASES Y pH Estos valores de concentración son los correspondientes a una disolución neutra. Si al agua pura se añade un ácido, la Los electrólitos (sustancias cuya disociación iónica en solu- concentración de protones aumenta con respecto a la de + ción hace que puedan conducir la corriente eléctrica) se cla- hidroxilos, de forma que para una disolución ácida [H ] > – sifican en ácidos, bases y sales. Las sales, a su vez, pueden 10–7 y [OH ] < 10–7, aunque el producto de ambas concentra- ser ácidas, básicas o neutras. ciones sigue siendo 10–14. De forma análoga, la adición de + – Svante Arrhenius denominó ácidos a las sustancias que al una base determina [H ] < 10–7 y [OH ] > 10–7, condiciones + disociarse dan lugar a protones libres (H ) (p. ej., el HCl); que se dan en el caso de una disolución básica. – bases, a las que al disociarse originan iones hidroxilo (OH ) Así, por ejemplo, una disolución 1 M de NaOH, total- (p. ej., el NaOH); y sales neutras, a los compuestos que ori- mente disociada, como corresponde a una base fuerte (véase – + ginan iones distintos al ion hidrógeno y al ion hidroxilo (p. más adelante), presenta un valor de [OH ] = 1 M y de [H ] = ej., el NaCl). 10–14 M. Por el contrario, una disolución 1 M de HCl total- Sales ácidas serían aquéllas en las que existe una sustitu- mente disociada, como corresponde a un ácido fuerte, tendría – + ción parcial de los protones por cationes (HKSO4, sulfato un valor de [OH ] = 10–14 M y de [H ] = 1 M. ácido de potasio), mientras que sales básicas serían aquéllas Los valores ínfimos de concentración de protones e en las que se da una sustitución parcial de los hidroxilos por hidroxilos son incómodos para el trabajo habitual. Por ello, aniones (Mg(OH)I, yoduro básico de magnesio). en 1909, Söreh Peter Sörensen, bioquímico danés, estableció Otra de las teorías históricas es la que se debe a Brönsted la denominada escala de pH (abreviatura de potencial de y Lowry. En ella se propone que ácido es toda sustancia que hidrógeno, ya que el pH varía proporcionalmente al potencial puede ceder protones, mientras que base es toda sustancia de un electrodo de hidrógeno introducido en la disolución). capaz de aceptar protones. El pH se define como el logaritmo decimal de la concen- Con posterioridad, Lewis extendió la teoría de acidez y tración molar de iones hidrógeno, hidrogeniones o iones basicidad a consideraciones electrónicas. Así, ácido sería toda hidronio, con el signo cambiado: sustancia que puede aceptar un par de electrones y base + pH = –log [H ] toda sustancia capaz de ceder un par de electrones. Análogamente, se define el pOH como el logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidroxilo, con el signo 3.3.1 Ionización del agua. Escala de pH cambiado. Lógicamente, a partir de la constante del produc- Como se indicaba anteriormente, el agua es un electrólito débil to iónico del agua se deduce que en una disolución cualquie- cuyas moléculas se disocian en muy pequeña cantidad (tan sólo ra, la suma de los valores de pH y de pOH es 14. 1 molécula de cada 5.53 · 108, a 25 °C). Aunque ya se señaló En función del pH, las disoluciones pueden clasificarse que lo que verdaderamente ocurre es un equilibrio en el que en: está implicado el ion hidronio, esa disociación puede expresar- se en forma del siguiente equilibrio químico equivalente: — Neutras: si el valor del pH es igual a 7. + – — Ácidas: si el valor del pH es inferior a 7. H2O O H + OH — Básicas: si el valor del pH es superior a 7. Tal equilibrio de disociación hace que el agua, de acuerdo con las teorías de acidez y basicidad expuestas, se comporte Así, por ejemplo, una disolución de HCl de concentración – como una sustancia anfótera o anfiprótica, ya que actúa al 10 3 M presentará una concentración de iones hidrógeno – – mismo tiempo como ácido y como base. igual a 10 3 y su pH será igual a –log 10 3, es decir, su pH De acuerdo con el equilibrio de disociación del agua que será 3. Por tanto, se tratará de una disolución de carácter se acaba de formular, y teniendo en cuenta que a 25 °C la ácido. constante de este equilibrio es 1.8 · 10-16 M y que la concen- tración molar del agua es 55.5 M , se cumple que: 3.3.2 Ácidos y bases débiles + – –14 2 Kw = [H ] · [OH ] = 10 M Los ácidos y las bases que hemos mencionado hasta el que es la expresión de la denominada constante del producto momento, forman parte del grupo de los denominados ácidos iónico del agua. Como es lógico, en el agua pura las concen- y bases fuertes. Se denominan así los ácidos o bases que en traciones molares de iones hidrógeno e hidroxilo son iguales: disolución se encuentran totalmente disociados, coincidien- do, por tanto, la concentración del ácido o la base con la de + – [H ] = [OH ] = 10–7 iones hidrógeno o iones hidroxilo, respectivamente. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 35 Un protagonista excepcional: el agua | 35 – + Así, por ejemplo, una disolución de HCl de concentra- Por otra parte, dado un equilibrio AH I A + H , el par –5 ción 10 M origina una [H+] = 10–5 M, teniendo en cuenta – AH/A puede ser considerado como un sistema ácido-base – que se produce la siguiente disociación completa: conjugado. Así, AH sería el ácido, mientras que A sería su HCl j H + Cl + – base conjugada. Es evidente que a mayor fuerza del ácido, más débil es su base conjugada, y viceversa. Para un sistema Sin embargo, en su mayor parte, los ácidos y las bases que ácido-base conjugado se puede deducir con facilidad que regulan el pH del cuerpo humano, que mantienen los poten- pKa + pKb = pKw = 14. ciales de acidez en las estructuras correspondientes y el del medio extracelular en un valor próximo a 7.4, y los que 3.3.3 Disoluciones reguladoras desempeñan funciones importantes en el metabolismo son ácidos o bases débiles, es decir, se encuentran poco diso- Como hemos mencionado anteriormente, los valores de pH en ciados. Según el grado de disociación, los ácidos o las bases el organismo deben permanecer casi constantes (en torno a serán más o menos fuertes; así, serán más fuertes cuanto 7.4 en el medio extracelular) (Tabla 3.1). Por debajo de 7.0 o mayor sea su disociación. Esta disociación viene regida por por encima de 7.8, puede sobrevenir la muerte del individuo. la denominada constante de disociación o ionización del Por esta razón, el mantenimiento de la homeostasis ácido-base ácido o de la base, representadas por lo general como Ka o fisiológica es fundamental. Para lograr esta constancia de pH, Kb. el cuerpo humano utiliza tres estrategias diferentes: Veamos un caso particular, por ejemplo, el del ácido acé- a) Amortiguadores fisiológicos (disoluciones reguladoras). tico. Se trata de un ácido débil en el que lógicamente, al no b) Ventilación pulmonar. estar completamente disociado, la concentración de hidroge- c) Filtración renal. niones que libera es menor que la concentración del ácido. El equilibrio del ácido acético viene expresado como: Podemos definir disolución reguladora, disolución amorti- Acético (AcH) O Acetato (Ac ) + H – + guadora, tampón, o buffer como la disolucion formada: aunque en realidad el equilibrio que se establece es: a) Por un ácido débil y la sal de su base conjugada; por – + ejemplo, ácido acético/acetato sódico. AcH + H2O O Ac + H3O b) Por una base débil y la sal de su ácido conjugado; Aplicando la ley de acción de masas a este equilibrio, que- por ejemplo, amoníaco/cloruro amónico. daría: – + [Ac ] · [H3O ] Tabla 3-1. Valores de pH de los líquidos corporales K = ——————— [AcH] · [H2O] Sangre arterial 7.40 y, ya que la concentración de agua se puede considerar cons- Sangre venosa 7.35 tante, la englobamos en el valor de K y obtenemos la expre- sión: Líquido intersticial 7.35 – + [Ac ] · [H3O ] 6.0 a 7.4 (6.9 a 7.2, Ka = —————— Líquido intracelular rango más habitual) [AcH] Jugo gástrico 1.0 a 3.5 Estas constantes de disociación de ácidos o bases débiles suelen tener valores bajos, de orden exponencial negativo. Jugo pancreático 8.0 a 8.3 Así, para el ácido acético a 25 °C es de 1.76 · 10–5. Por ello, Bilis 7.8 se utiliza una forma de expresión análoga a la escala de pH, Jugo intestinal 7.5 a 8.0 definiendo el pKa como el logaritmo decimal de la constan- te de disociación del ácido, con el signo cambiado. De igual Orina 4.5 a 8.0 forma, se define el valor del pKb. Sudor 3.8 a 5.6 pKa = –log Ka; pKb = –log Kb Leche materna 7.4 Así, para el ácido acético el valor del pKa es de 4.75. Saliva 6.0 a 7.0 Es fácilmente deducible que el pKa de un ácido puede Semen 7.5 definirse como el valor del pH para el que el 50% del ácido se encuentra disociado. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 36 36 | El escenario bioquímico En ambos casos, se trata de disoluciones que admiten la o lo que es igual: adición de ácido o base sin que se modifique apreciablemen- [Sal] te el pH de la disolución. Se define capacidad amortiguado- pH = pKa + log ——— ra de una disolución reguladora la cantidad de ácido o base [Ácido] que, añadida a dicha disolución, produce una variación máxi- expresión final de la ecuación de Henderson-Hasselbalch. ma de una unidad en el pH. Siguiendo con los ejemplos ante- De forma análoga, para una disolución básica, se puede riores, una buena disolución reguladora contendría, en pro- deducir la expresión de Henderson-Hasselbalch como: porciones análogas un ácido débil y su forma disociada (su base conjugada) procedente de la sal correspondiente. [Base] pH = pKa + log ——— El equilibrio, como ya se ha expresado anteriormente [Sal] sería: De la expresión de Henderson-Hasselbalch se puede deducir – + AH I A + H [3.1] una serie de hechos: De acuerdo con el principio de Le Chatelier-Braun, la 1. El valor de pH de una disolución reguladora depende adición de ácido desplazaría el equilibrio hacia la izquierda, de la proporción relativa de ácido/sal o base/sal; no mientras que la adición de base lo haría hacia la derecha, al depende de sus concentraciones absolutas. consumirse los iones hidrógeno para formar agua. En ambos 2. Sin embargo, estas concentraciones absolutas sí que casos, al final del proceso, la concentración de iones hidró- influyen en la capacidad de amortiguación. Al aumen- geno libres tenderá a ser igual a la inicial. tar la concentración de la disolución reguladora, Aplicando la ley de acción de masas al equilibrio anterior, aumenta la capacidad para amortiguar los cambios de podemos obtener la ecuación de Henderson-Hasselbalch, uti- pH. lizada para el estudio y cálculo de los equilibrios ácido-base de 3. La amortiguación es máxima cuando el pH del medio las disoluciones reguladoras. En efecto, si consideramos un coincide con el pKa de la disolución. Esto sucede ácido débil AH, la mayor parte del mismo se encuentra en – cuando las concentraciones de ácido y sal o de base y forma no disociada, con una fracción muy pequeña de iones A + sal son iguales. Generalmente, las disoluciones regu- y H. Por ello, al añadir la sal correspondiente, casi todos los ladoras tamponan bien hasta valores de pH una unidad aniones en disolución proceden de la misma. Por tanto, en por encima o por debajo del valor de su pKa, es decir, disoluciones amortiguadoras diluidas, se puede considerar que cuando la proporción sal/ácido o base/sal no es infe- la concentración del ácido no disociado (AH) es igual a la con- rior a 1:10 o superior a 10:1. Fuera de este intervalo, centración total del ácido, y la concentración del anión o base – la capacidad de amortiguación disminuye considera- conjugada (A ) es igual a la concentración total de sal. blemente. Consideradas estas premisas y aplicando la ley de acción de masas al equilibrio [3.1], obtendríamos: Disoluciones reguladoras fisiológicas – + [A ] · [H ] Los principales sistemas amortiguadores de pH en el orga- Ka = ———— [AH] nismo, que contribuyen al mantenimiento del mismo en el + margen adecuado, son los siguientes: Despejando H , se obtiene: 1. Amortiguador fosfato. La disociación del ácido fos- Ka · [AH] [H+] = ———— – fórico, ácido triprótico, se desarrolla con la pérdida de un [A ] protón en cada equilibrio establecido, al que corresponde Al aplicar logaritmos: un valor de pKa determinado. Estos equilibrios son los siguientes: + [AH] log [H ] = log Ka + log —— – H3PO4 O H2PO – 4 O HPO42 – O PO43 – [A ] pKa1 = 2.21 pKa2 = 6.80 pKa3 = 12.70 Considerando las definiciones de pKa y pH, y cambiando de signo, se obtiene: A efectos de regulación fisiológica, el equilibrio que más interesa es el segundo, ya que el pKa2 que lo gobierna se – [A ] encuentra próximo al pH del medio extracelular (7.4). Suele pH = pKa + log —— [AH] ser buen amortiguador, aunque su concentración en plasma 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 37 Un protagonista excepcional: el agua | 37 es baja. Es más importante en los líquidos tubulares de los ciones de la sal (bicarbonato) y del ácido (carbónico), tam- riñones y en el medio intracelular, ya que en ellos el pH es bién se mantiene invariable su cociente, de lo que se deriva algo menor y el fosfato se encuentra más concentrado. El su capacidad reguladora, aunque las concentraciones relati- fosfato puede encontrarse en forma libre (sal inorgánica) o vas de ambos difieran en un factor próximo a 20. asociado con otras moléculas orgánicas (lípidos, azúcares, Este sistema carbónico/bicarbonato es el principal tam- etc.). pón extracelular, tanto en la sangre como en los líquidos intersticiales. Permite que el pH de la sangre arterial sea de 2. Amortiguador bicarbonato. En este caso, hay que 7.40 y el de la sangre venosa lo sea de 7.35 (ésta presenta tener en cuenta varios equilibrios. En primer lugar, el CO2 mayor concentración de anhídrido carbónico). gaseoso puede disolverse en el agua. Este CO2 disuelto puede reaccionar con el agua produciendo ácido carbónico 3. Proteínas. Las proteínas constituyen otro sistema que, por ionizaciones sucesivas, da lugar al ion bicarbonato y regulador del pH sanguíneo, junto a los aminoácidos, pero al ion carbonato. En resumen: donde adquieren verdadera importancia es en el interior de la célula. El poder amortiguador de las proteínas se basa en su CO2 (g)+H2O O CO2 (l)+H2O O H2CO3 O H+ +HCO3– O H+ +CO32– composición aminoacídica. Varios de los distintos aminoáci- K1 K2 K3 =2.7 K4= 10.2 [3.2] dos proteicos poseen una cadena lateral ionizable, con su correspondiente pKa, lo que permite que la proteína sea un [CO2 (l)] buen amortiguador a diferentes valores de pH. K1 = ———— pCO2 4. Hemoglobina. Dentro de las proteínas, debe destacar- se la hemoglobina por su importancia en la respiración y su [H2CO3] abundancia en la sangre (eritrocitos). El sistema global regu- K2 = ———— [CO2 (l)] lador es el constituido por las dos formas individuales, hemoglobina y oxihemoglobinato/oxihemoglobina. + [HCO3–] · [H ] [3.3] Lo más característico de este sistema doble es que, K3 = ——————— [H2CO3] dependiendo de que la hemoglobina se encuentre oxigenada o no, el pKa del equilibrio correspondiente cambia, lo que le por lo que: permite una mayor versatilidad a la hora de regular el pH. Así, los equilibrios de disociación son: + [HCO3–] [H ] K1 · K2 · K3 = Ka = —————— Oxihemoglobina: HHbO2 P HbO2 + H – + pCO2 pKa = 6.7 y, – Desoxihemoglobina: HHb P Hb + H+ – [HCO ] 3 pKa = 7.9 pH = pKa + log ———— con un valor de pKa = 6.1 [3.4] pCO2 Por otra parte, ambos sistemas están relacionados ya que: – + A efectos prácticos, las ecuaciones anteriores se pueden sim- HbO2 + H P HHb + O2 plificar en: De los valores de pKa, se puede deducir que la desoxihemo- – + globina es un ácido más débil que la oxihemoglobina. CO2 (g) + H2O P H2CO3 P HCO3 + H [3.5] En condiciones de producción de anhídrido carbónico Aunque el valor de pKa (6.1) se encuentra alejado del pH (respiración celular), formación de ácido carbónico y la fisiológico, el sistema bicarbonato actúa eficazmente, ya que correspondiente acidificación, los protones convierten el oxi- existen mecanismos que tienden a mantener constante el hemoglobinato en desoxihemoglobina, y con ello, se amorti- – cociente [HCO3 ]/pCO2. Efectivamente, la concentración de gua el efecto acidificante y se libera el oxígeno. Por otra bicarbonato puede regularse a través de su mayor o menor parte, en los pulmones el efecto es el contrario. Lógicamente, eliminación renal. En cuanto a la pCO2, se regula a través de el lugar de regulación del sistema hemoglobina es allí donde la ventilación pulmonar. (Obsérvese que la concentración se encuentra, es decir, en el interior del eritrocito. de ácido carbónico es proporcional a la pCO2; cuanto menor Alcalosis y acidosis sea la eliminación de anhídrido carbónico, mayor será la con- centración de ácido.) Por tanto, al existir mecanismos que Cuando se produce una alteración en los valores del pH del tienden a conservar relativamente constantes las concentra- organismo, las disoluciones fisiológicas reguladoras que se 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 38 38 | El escenario bioquímico acaban de comentar constituyen la primera opción para tratar Tratamiento. El tratamiento clínico más sencillo consiste de subsanar el problema; posteriormente, se recurre a la regu- en la administración oral de bicarbonato sódico. También se lación de la ventilación pulmonar y, finalmente, a la regulación utiliza la infusión al enfermo por vía intravenosa de disolu- de la filtración renal. La acción coordinada de estos sistemas ciones isotónicas de naturaleza ligeramente alcalina: por para evitar los efectos negativos del aumento o la disminución ejemplo, infusiones de tampón Tris, [tris-(hidroximetil)ami- protónica se suele denominar principio isohídrico de manteni- nometano], también llamado trometamina. miento del pH. La alcalosis y la acidosis son alteraciones patológicas del b) Acidosis respiratoria pH del organismo. Se pueden clasificar en metabólicas (pro- Causas. Se origina por insuficiencia en la ventilación ducidas por disfunciones o anomalías del metabolismo o pulmonar, lo que determina que el equilibrio [3.5] se des- renales) y respiratorias (producidas por alteraciones o pro- place hacia la derecha, liberándose iones hidrógeno. blemas originados en las vías respiratorias, que afectan a la Esta hipoventilación puede deberse a: pCO2). 1) Lesiones pulmonares (edema pulmonar, enfisema, neumonía, bronquitis). Acidosis 2) Ingestión de drogas depresoras del centro respiratorio La acidosis o disminución del pH en el organismo puede cla- (barbitúricos). sificarse, según lo anteriormente expuesto, en acidosis meta- 3) Respiración de aire con elevado porcentaje de CO2. bólica y acidosis respiratoria. Compensación. Se produce en el riñón un aumento de la reabsorción de bicarbonato y de la excreción de protones, a) Acidosis metabólica con lo que el pH del medio interno aumenta. Causas. Puede deberse a: Tratamiento. El mejor tratamiento consiste en el aumen- 1) Defecto renal en la excreción de protones o reabsor- to del volumen de ventilación o respiración pulmonar, ción de bicarbonato (insuficiencia renal; acidosis utilizando aparatos de respiración asistida que faciliten al tubular renal). enfermo la ventilación. Asimismo, se pueden utilizar los 2) Pérdidas de bicarbonato (diarreas alcalinas; fístulas tratamientos empleados para la acidosis metabólica. intestinales; vómitos de contenido intestinal). 3) Aumento en el aporte de ácidos (producción metabó- Alcalosis lica excesiva, como en la diabetes mellitus, en el La alcalosis o incremento del pH en el medio interno tam- ayuno o en el ejercicio anaerobio; ingesta de tóxicos bién se puede clasificar como alcalosis metabólica o respira- como metanol o salicililatos). toria, según sus causas: 4) Hipoaldosteronismo (Enfermedad de Addison). Compensación. El organismo tiende a compensar cual- a) Alcalosis metabólica quier alteración con los medios de que dispone. En este Causas. Puede deberse a: caso, puede recurrir a: 1) Aumento de las pérdidas de ácidos (vómitos conti- 1. Hiperpnea o taquipnea (ventilación pulmonar profun- nuos de origen gástrico, con pérdida de HCl). da y rápida) para eliminar cantidades elevadas de 2) Administración de diuréticos (aumento de la reabsor- anhídrido carbónico. Recordemos los equilibrios: ción de Na+ y excreción de H+). CO2 (g) + H2O P H2CO3 P HCO3 + H – + [3.5] 3) Ingestión de compuestos alcalinos (fármacos alcali- nos para tratamiento, p. ej., de gastritis o úlceras gas- Al aumentar la ventilación, se elimina anhídrido car- troduodenales). bónico, por lo que el equilibrio se desplaza hacia la 4) Hiperaldosteronismo (síndrome de Conn). izquierda, lo que hace que disminuya la concentra- Compensación: ción de protones y aumente el pH. 1. Bradipnea o hipopnea (disminución de la ventilación 2. Si la acidosis no tiene un origen renal, se produce pulmonar). Esta hipoventilación supone un aumento retención de bicarbonato o eliminación de protones, o en la concentración de anhídrido carbónico en el orga- ambos mecanismos, por el riñón. Disminuye así el pH nismo, el subsiguiente desplazamiento del equilibrio de la orina, aumentando consecuentemente el pH del [3.5] hacia la derecha y la liberación de protones al organismo. medio, disminuyendo el pH. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 39 Un protagonista excepcional: el agua | 39 2. Aumentando la excreción de bicarbonato o reteniendo Tratamiento. Aumento del espacio no oxigenado. El protones. Sube así la basicidad de la orina y disminu- paciente inspira el propio anhídrido carbónico que espira, ye el pH en el organismo. lo que aumenta la concentración de CO2 en el organismo y desplaza el equilibrio [3.5] hacia la derecha, con la consi- Tratamiento. En este caso, el tratamiento consiste en la guiente liberación de protones y disminución de la basici- administración de cloruro amónico por vía oral. También dad. En la práctica, ello se consigue colocando una bolsa se ha utilizado el monoclorhidrato de lisina y de arginina. de plástico o papel que cubra las vías respiratorias externas Estos compuestos también se pueden infundir al pacien- (fosas nasales y boca) y obligando al paciente a respirar te por vía intravenosa. aire enriquecido en CO2. En el Recuadro 3-2 se resumen algunos trastornos b) Alcalosis respiratoria del equilibrio ácido-base. Causas. Este tipo de alcalosis se produce por hiperventi- lación pulmonar. En este caso, el equilibrio [3.5] se des- plaza hacia la izquierda, ya que se elimina anhídrido car- 3.4 IONES bónico, con lo que disminuye la concentración de 3.4.1 Disoluciones iónicas protones y aumenta el pH. La hiperventilación puede ser originada por: Anteriormente hemos aludido a los electrólitos y a los diferen- 1) Estímulo del centro respiratorio (trastornos de ansie- tes tipos que pueden existir (ácidos, básicos y salinos). La Real dad, neurosis, crisis nerviosas). Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales define elec- 2) Hipoxia (respiración en altitud, anemia, insuficiencia trólito como «sustancia que en estado líquido o en disolución cardíaca). conduce la corriente eléctrica por contener iones libres». A partir de este término, se puede establecer una nueva Compensación. Tiene lugar en el riñón, aumentando la clasificación de las disoluciones, según la naturaleza del eliminación del anión bicarbonato y la retención de pro- soluto que contienen y su capacidad de conducción de la tones para reducir el pH del medio interno. También exis- corriente eléctrica. Según estos criterios, pueden existir diso- te compensación por una producción metabólica elevada luciones moleculares y disoluciones iónicas. de ácido láctico y pirúvico, como respuesta a la baja Las disoluciones moleculares son aquéllas en las que el pCO2 y al pH elevado. soluto se disuelve en forma de moléculas sin disociar, por lo Recuadro 3-2. Acidosis metabólica y alcalosis respi- zadas, en las que a la hipocapnia TRASTORNOS MIXTOS DEL ratoria: en pacientes con sepsis, ya característica de ese estado (que pro- EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE que la insuficiencia cardiovascular voca alcalosis respiratoria) se añade produce acidosis láctica, mientras que la alcalosis metabólica de los vómi- En ciertas ocasiones, pueden coexistir la fiebre y la endotoxemia estimulan tos. dos, o incluso tres, de las alteraciones el centro respiratorio y originan hipo- Alcalosis metabólica y acidosis respi- típicas del equilibrio ácido-base (alca- capnia. En estados de embriaguez se ratoria: en aquellos pacientes con losis metabólica, acidosis metabólica, origina cetoacidosis y, al mismo tiem- enfermedad pulmonar crónica (acido- alcalosis respiratoria y acidosis respi- po, alcalosis respiratoria por hiper- sis respiratoria) que sufren vómitos, o ratoria). Los cinco trastornos mixtos ventilación, como consecuencia del están sometidos a tratamiento con más habituales son los siguientes: delirium tremens. diuréticos (alcalosis metabólica). Acidosis metabólica y alcalosis meta- Acidosis metabólica y acidosis respi- bólica: en pacientes en los que concu- Un ejemplo de trastorno mixto con ratoria: típicas del paciente con para- rren vómitos de contenido gástrico tres alteraciones es el que suele aparecer da cardiopulmonar grave. La insufi- (que dan lugar a alcalosis metabólica) en los estados de embriaguez en los que ciencia circulatoria origina acidosis y acidosis, como la cetoacidosis dia- existen vómitos frecuentes. A la acido- láctica; la insuficiencia respiratoria bética o alcohólica, o la determinada sis metabólica, debida a la cetoacidosis, determina el aumento de la concen- por insuficiencia renal. se unen la alcalosis respiratoria por tración de CO2 en sangre (hipercap- Alcalosis metabólica y alcalosis res- hiperventilación y la alcalosis metabóli- nia). piratoria: típica en mujeres embara- ca por los vómitos.  CAPÍTULO Regulación de la concentración de iones 25 hidrógeno (equilibrio ácido-básico) M arek H. Dom iniczak y Miroslawa Szczepañska-Konkel el intercambio de dióxido de carbono y de oxígeno entre la sangre y OBJETIVOS DE APREN DIZAJE la atmósfera: los eritrocitos transportan gases entre los pulmones y los tejidos, y los riñones controlan la síntesis de bicarbonato en Tras leer este capítulo, el lector debe ser capaz de: el plasma y la excreción del ion hidrógeno. Relevancia clínica Explicar la naturaleza del tampón bicarbonato. Describir el intercambio gaseoso que tiene lugar Clínicamente, es importante comprender a fondo el equilibrio en los pulmones. ácido-básico en numerosas subespecialidades de la medicina y la Describir los componentes respiratorio y metabólico cirugía, y muy especialmente en anestesiología y la medicina de del equilibrio ácido-básico. cuidados intensivos. Definir y clasificar la acidosis y la alcalosis. Comentar las diferentes afecciones clínicas asociadas con los trastornos del equilibrio ácido-básico. SISTEMAS TAMPÓN DEL ORGANISMO: COMPONENTES RESPIRATORIO Y METABÓLICO DEL INTRODUCCIÓN EQUILIBRIO ÁCIDO-BÁSICO Los ácidos se producen en el transcurso del metabolismo La sangre y los tejidos contienen sistemas tampón que m inim izan los cambios en la concentración El metabolismo genera dióxido de carbono en el interior de las de iones hidrógeno células. El CO2 se disuelve en H20, formando ácido carbónico, que a su vez se disocia liberando iones hidrógeno. Los ácidos procedentes El principal amortiguador que neutraliza los iones hidrógeno de fuentes diferentes al C02 se conocen como ácidos no volátiles; liberados de las células es el tam pón bicarbonato. Otro tampón por definición, no pueden eliminarse por los pulmones y deben importante es la hemoglobina, que desempeña también un co­ excretarse por vía renal. La producción neta de ácidos no volátiles metido importante en la amortiguación de los iones hidrógeno está en torno a 50 mmol/día. generados en la reacción de la anhidrasa carbónica. En el interior El ácido láctico se genera durante la glucólisis anaerobia y su de la célula, el ion hidrógeno es neutralizado por tampones intrace- concentración en plasma es el sello que distingue a la hipoxia. Los lulares, principalmente proteínas y fosfatos (tabla 2 5.1 y cap. 2 ). cetoácidos (ácido acetoacético y p-hidroxibutírico) son importan­ El tampón bicarbonato es un sistema abierto tes en la diabetes (cap. 21). El metabolismo de los aminoácidos que perm anece en equilibrio con el aire atmosférico que contienen azufre y de los compuestos que contienen fósforo La capacidad de amortiguación del bicarbonato es superior a la de también genera ácidos inorgánicos. cualquiera de los sistemas de amortiguación «cerrados». El dióxido A pesar de la cantidad de hidrogeniones producida, su concen­ de carbono producido en el metabolismo difunde a través de las tración en sangre (o su logaritmo negativo, el pH) es sorprendente­ membranas celulares y se disuelve en el plasma. El coeficiente mente constante: permanece entre 3 5 y 45 nmol/1 (pH, 7,3 5-7,45). de solubilidad del C02 en el plasma es de 0 ,2 3 si la pC02 se mide El mantenimiento de la estabilidad del pH resulta esencial, ya que en kPa (o de 0,03 si la pC02 se mide en mmHg; 1 kPa = 7 ,5 mmHg afecta a la ionización de las proteínas (cap. 2 ) y, en consecuencia, a o 1 mmHg = 0 ,1 3 3 kPa). Así, a una pC02 normal de 5,3 kPa la actividad de numerosas enzimas y otras moléculas biológicamente (40 mmHg), la concentración de C02 disuelto (dC02) es: activas, como los canales iónicos. Los cambios en el pH, junto con la presión parcial de dióxido de carbono (pC02), alteran la forma de la curva de saturación de la hemoglobina y, por tanto, la oxigenación dC02 (mmol/l) = 5 ,3 k P a x 0 ,2 3 = l,2 mmol/l hística (cap. 5). Además, una disminución en el pH incrementa el tono simpático y puede conducir a la aparición de arritmias cardíacas. El C02 se equilibra con el H2C03 en el plasma en el transcurso de una reacción lenta no enzimática. Normalmente, la concentración Los pulm ones, los eritrocitos y los riñones contribuyen plasmática de H2C03 es muy baja, de alrededor de 0 ,0 0 1 7 mmol/l. a m antener el equilibrio ácido-básico Sin embargo, dado el equilibrio entre el H2C03 y el C02 disuelto Para mantener el equilibrio ácido-básico son necesarios los pulmo­ (teóricamente todo el C02 disuelto finalmente acabaría convirtién­ nes , los eritrocitos y los riñones (fig. 25.1). Los pulmones controlan dose en H2C03), este componente del tampón bicarbonato es igual 2 0 1 5. Elsevier España, S.L.U. Reservados todos los derechos ERRNVPHGLFRVRUJ  CAPÍTULO 25 Regulación de la concentración de iones hidrógeno (equilibrio ácido-básico) 333 Fig. 25.1 Equilibrio ácido-básico. Los pulmo­ Orina Aire nes, los riñones y los eritrocitos contribuyen a espirado mantener el equilibrio ácido-básico. Los pul­ mones controlan el intercambio gaseoso con el aire atmosférico. El dióxido de carbono que se genera en los tejidos se transporta en el plasma Excreción como bicarbonato; la hemoglobina del eritrocito urinaria contribuye también al transporte del C 0 2. La he­ de H+ Pulmón moglobina amortigua el ion hidrógeno derivado del ácido carbónico. Los riñones reabsorben el bicarbonato filtrado en los túbulos proximales y generan nuevo bicarbonato en los túbulos distales, donde hay una secreción neta del ion hidrógeno. Hb, hemoglobina. « Riñón Esta ecuación demuestra que el pH sanguíneo está determinado Tabla 25.1 Principales tampones en el cuerpo humano por el cociente entre las concentraciones de bicarbonato en plasma (el com ponente «básico» del tampón) y el C 02 disuel­ Base Lugar de acción Tampón Ácido conjugada tampón principal to (el co m p o n en te «ácid o»). Normalmente, a una pC02 de 5,3 kPa y una concentración de dC02 de 1,2 mmol/1 (v. antes), Hemoglobina HHb Hb- Eritrocitos la concentración de bicarbonato plasmático es de ~ 2 4 mmol/1. Proteínas HProt Prot“ Líquido intracelular El pK del tampón bicarbonato es de 6 ,1. Si introducimos las concentraciones de los componentes del tampón en la ecuación Tampón fosfato H2P04" HP042“ Líquido intracelular anterior: Bicarbonato co 2 -> h 2co 3 HC03“ Líquido extracelular © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. pH = 6 ,1 + log(24 /1,2) = 7,40 Véase el capítulo 2 para los principios de la acción tampón. Según la definición de Bronsted-Lowry, un ácido es «una especie molecular Así pues, la concentración normal de bicarbonato y la presión par­ que tiene tendencia a perder un ion hidrógeno, formando una base cial normal de C02 se corresponden con el pH 7,40 (concentración conjugada». del ion hidrógeno, 4 0 nmol/l). El tampón bicarbonato minimiza los cambios en la concentración del ion hidrógeno cuando se añade a la suma del H2C03 y del C 02 disuelto. La ecuación fundamental ácido a la sangre. que describe el comportamiento del tampón bicarbonato es la Cuando aum enta la concentración de H+en el sistema, el ecuación de Henderson-Hasselbalch (cap. 2). Dicha ecuación bicarbonato acepta hidrogeniones, formando ácido carbónico, expresa la relación entre el pH y los componentes del tampón el cual se transforma posteriormente en C02 y H20 en una reacción bicarbonato: catalizada por la anhidrasa carbónica: pH = pK+log([bicarbonato]/ pC02 x 0,23) h + + h c o 3_ ^ H 2C0 3 ^ C 0 2 + h 2o ERRNVPHGLFRVRUJ 334 CAPÍTULO 25 Regulación de la concentración de iones hidrógeno (equilibrio ácido-básico) El C 02 se elimina a través de los pulmones. El exceso de ion bicarbonato, y los eritrocitos ajustan su concentración como res­ hidrógeno ha sido neutralizado y el cociente [bicarbonato]/pC02 puesta a los cambios en la pC02. vuelve a la normalidad. Por o tra parte, cuando disminuye la concentración de H+, Los componentes respiratorio y metabólico del equilibrio el ácido carbónico del tampón se disociará para proporcionar H+ ácido-básico están interrelacionados para una reacción en la que se producirá agua e ion bicarbonato Los componentes respiratorio y metabólico del equilibrio ácido- (en esta etapa, el incremento de bicarbonato plasmático es mínimo): básico son interdependientes: uno de ellos tiende a compensar los cambios en el otro. Cuando el trastorno primario es respiratorio H2C03 ->H ++HCO¡ (p. ej., una enfermedad pulmonar obstructiva crónica [EPOC] grave) y provoca acumulación de C 02, se produce un incremen­ to compensador en la reabsorción renal de bicarbonato. Por el Posteriormente, disminuirá la frecuencia respiratoria, reteniendo contrario, la disminución de la pC02 (como sucede durante la C02 para tratar de normalizar el cociente [bicarbonato]/pC02: hiperventilación en una crisis asmática) provocaría una respuesta renal, disminuyendo la reabsorción de bicarbonato. C02+H20 -> H 2C03 Por otra parte, cuando el problema primario es metabólico (p. ej., cetoacidosis diabética), la disminución en la concentración Así pues, el denominador en la ecuación de Henderson-Hasselbalch de bicarbonato y el descenso consiguiente del pH estimularán al (la pC02) está controlado por los pulmones. Por este motivo, se centro respiratorio para aumentar la frecuencia respiratoria. El denomina «com ponente respiratorio del equilibrio ácido- C02 se elimina y la pC02 plasmática disminuye. Éste es el motivo de básico». Por otra parte, la concentración plasmática de bicarbo­ que los pacientes con acidosis metabólica hiperventilen. Por el con­ nato está controlada por los riñones y los eritrocitos, y se deno­ trario, un aumento en la concentración plasmática de bicarbonato mina «componente metabólico del equilibrio ácido-básico» (que ocasiona un aumento del pH) producirá una disminución de (fig. 25.2). la frecuencia respiratoria, con la consiguiente retención de C02. Así pues, el cambio compensador siempre tiende a normalizar La anhidrasa carbónica convierte el C 0 2 disuelto en ácido el cociente [bicarbonato]/pC02, ayudando a llevar el pH hacia carbónico valores normales (fig. 25.3). Los eritrocitos y las células tubulares renales contienen una enzi­ ma que contiene zinc, la anhidrasa carbónica (AC), que convierte el C02 disuelto en ácido carbónico. El ácido carbónico se disocia generando iones hidrógeno y bicarbonato: c o 2+ h 2o ^ = ^ h 2c o 3^ h ++ h c o ; Así es como las células tubulares renales y los eritrocitos producen bicarbonato. Los riñones regulan la reabsorción y la síntesis de Riñón Fig. 25.3 Trastornos del equilibrio ácido-básico. Un aumento primario Fig. 25.2 Componentes del tampón bicarbonato. El pH de la sangre en la pC0 2 o una disminución en la concentración plasmática de bicarbo­ es proporcional al cociente entre el bicarbonato en plasma y la presión nato originan acidosis. Una disminución en la pC0 2 o un aumento en el parcial del dióxido de carbono (pC02). El dióxido de carbono y el bicar­ bicarbonato en plasma provocan alcalosis. Si el cambio primario es en bonato son los componentes del tampón bicarbonato. La pC0 2 es el la p C 02, el trastorno recibe la denominación de respiratorio, y si el «componente respiratorio del equilibrio ácido-básico» y el bicarbonato, cambio primario es en el bicarbonato en plasma, recibe la denominación el «componente metabólico». de metabólico. ERRNVPHGLFRVRUJ  CAPÍTULO 25 Regulación de la concentración de iones hidrógeno (equilibrio ácido-básico) 335 Tamponamiento intracelular Determinación de la gasometría Los tampones intracelulares son principalm ente proteínas La «gasometría» es una prueba analítica de especial importancia. En y fosfatos la insuficiencia respiratoria, los resultados de esta prueba también son Los dos tampones intracelulares más importantes son las proteínas esenciales como guía de la oxigenoterapia y la respiración asistida. y los fosfatos, y la amortiguación está gobernada por los cocientes Las determinaciones se efectúan en una muestra de sangre ar­ HP042- /H2P 04- y [proteína]/proteína-H. La hemoglobina es una terial, tomada por lo general de la arteria radial en el antebrazo. El proteína de amortiguación extracelular importante. término técnico «gasometría» hace referencia a las determinacio­ Obsérvese que cuando la concentración de hidrogeniones en nes de la p 0 2, la p C 02 y el pH (o concentración del ion hidrógeno), el plasma es excesiva entran en la célula intercambiándose por a partir de las cuales se calcula la concentración del bicarbonato potasio, de modo que aumenta la concentración de potasio en empleando la ecuación de Henderson-Hasselbalch. También se plasma. Por el contrario, la reducción de los iones hidróge­ computan otros índices: la cantidad total de amortiguadores en no plasmáticos o un exceso de bicarbonato sería tamponado por los la sangre (denominada base de am ortiguación) y la diferencia iones hidrógeno derivados de las células. Los iones hidrógeno en­ entre la cantidad deseada (normal) de amortiguadores en la sangre trarían en el plasma intercambiándose por potasio, lo que reduce y la cantidad real (exceso de base). En la tabla 2 5.2 se muestran la concentración plasmática de potasio. Así, la acidemia (pH plas­ los valores de referencia del pH, la pC02 y el 0 2. mático bajo) puede asociarse con hiperpotasemia y la alcalemia (pH plasmático elevado), con hipopotasemia (fig. 25.4). PULM ONES: EL INTERCAM BIO G ASEO SO Amortiguación intracelular en la acidosis Los pulm ones proporcionan el oxígeno necesario Plasma para el metabolismo tisular y elim inan el COz generado Eritrocito Cada día pasan aproximadamente 10.0 0 0 litros de aire a través de los pulmones de una persona normal. Los pulmones se encuentran Tabla 25.2 Intervalos de referencia para los resultados de la gasometría A. Intervalos de referencia* Arterial Venoso [H+] 35-45 mmol/l pH 7,35-7,45 Amortiguación intracelular en la alcalosis pC02 4,6-6,0 kPa 4,8-6 ,7 kPa (36-50 mmHg) (35-45 mmHg) p02 10,5-13,5 kPa 4,0-6,7 kPa (30-50 mmHg) (79-101 mmHg Bicarbonato 23-30 mmol/l 22-29 mmol/l B. Comparación entre unidades convencionales y del SI para la concentración de iones hidrógeno Unidades convencionales: pH Unidades del SI: [H+] nmol/l 6,8 160 7,1 80 7,4 40 Fig. 25.4 Tampones intracelulares: proteínas, fosfatos e inter­ 7,7 20 cambio de potasio por hidrógeno. Los tampones intracelulares son principalmente proteínas y fosfatos. Sin embargo, el ion hidrógeno del plasma penetra en las células intercambiándose por potasio. Así, *Los principales valores de la gasometría son el pH, la pCO? y la p02; una acumulación del ion hidrógeno en el plasma (acidemia) y la pos­ la concentración de bicarbonato se calcula a partir de los valores del pH y la terior entrada de grandes cantidades de ion hidrógeno en las células pC02; un pH por debajo de 7,0 o por encima de 7,7 es potencialmente mortal. incrementan la concentración de potasio en el plasma. Por el contrario, (Adaptado con autorización de Hutchinson AS. En Dominiczak MH, editor. una deficiencia del ion hidrógeno en el plasma (alcalemia) puede llevar Seminars in clinical biochemistry, Glasgow, 1997, Glasgow University Press.) a una baja concentración de potasio en plasma. Prot, proteína. ERRNVPHGLFRVRUJ 336 CAPÍTULO 25 Regulación de la concentración de iones hidrógeno (equilibrio ácido-básico) en la cavidad torácica rodeados por el saco pleural, una delgada La ventilación y la perfusión p ulm onar determ inan «bolsa» de tejido que tapiza la caja torácica por una parte y se conjuntam ente el intercam bio gaseoso pega a la superficie externa de los pulmones por la otra. Cuando La irrigación sanguínea a los alvéolos pulmonares la proporcionan se expande la caja torácica durante la inspiración, la presión nega­ las arterias pulmonares, que llevan sangre desoxigenada desde la pe­ tiva creada en el saco pleural en expansión hincha los pulmones. riferia a través del ventrículo derecho. Después de la oxigenación en Las vías respiratorias son «tubos» de un tamaño progresi­ los pulmones, la sangre fluye a través de las venas pulmonares hasta vamente decreciente. Están formadas por la tráquea, los bron­ la aurícula izquierda. En los capilares alveolares de los pulmones, la quios principales y secundarios, y los bronquiolos, de menor sangre acepta oxígeno, que difunde a través de la pared alveolar pro­ tam año todavía (fig. 2 5.5 ). Al final de los bronquiolos están cedente del aire inspirado; al mismo tiempo, el C02 difunde desde la los alvéolos pulmonares, que son unas estructuras tapizadas sangre a los alvéolos (v. fig. 2 5.5) y es eliminado con el aire espirado. por endotelio y recubiertas por una película de surfactante La tasa de difusión de los gases hacia la sangre y desde ella está (sustancia tensoactiva), cuyo principal componente es la dipal- determinada por la diferencia en las presiones parciales entre el mitoilfosfatidilcolina (cap. 26). El surfactante reduce la tensión aire alveolar y la sangre arterial. La tabla 25.3 muestra las presiones superficial de los alvéolos. El intercambio gaseoso tiene lugar en los alvéolos. CO2 O2 La frecuencia respiratoria está controlada p or el centro respiratorio localizado en el tronco encefálico Tanto las presiones parciales de oxígeno (p02) como de dióxido de carbono (pC02) afectan a la frecuencia respiratoria: el cen­ tro respiratorio tiene quimiorreceptores sensibles a la pC02 y al pH. En circunstancias normales, no es la p02 la que estimula la ventilación, sino un incremento de la pC02 o una disminución del pH. Sin embargo, cuando la p02 disminuye y se desarrolla hipoxia, en este momento empieza el control de la ventilación a través de una serie de receptores localizados en los cuerpos carotídeos en el arco aórtico. Cuando la p 0 2 arterial se reduce a menos de 8 kPa (60 mmHg), este «estím ulo hipóxico» se convierte en el prin­ cipal controlador de la frecuencia respiratoria. Las personas que padecen hipoxia debido a enfermedad pulmonar crónica dependen del estímulo hipóxico para mantener su frecuencia respiratoria (v. cuadro “Conceptos clínicos”, en esta página). CONCEPTOS CLINICOS EN LAS ENFERMEDADES PULMONARES CRÓNICAS SE Fig. 25.5 Regulación de la frecuencia respiratoria por la pC0 2 y la PRODUCE ACIDOSIS RESPIRATORIA p0 2. La ventilación y la perfusión pulmonares son los principales factores que controlan el intercambio gaseoso. La pC0 2 regula la frecuencia respira­ Una mujer de 56 años ingresó en un hospital con disnea progresiva. toria por medio de los quimiorreceptores centrales en el tronco encefálico. Había sido fumadora de 20 cigarrillos diarios durante los últimos Cuando disminuye la p02, este control cambia a los receptores periféricos 25 años y refería crisis frecuentes de «bronquitis invernal». Las determi­ sensibles a la p0 2 situados en los cuerpos carotídeos del arco aórtico. naciones de la gasometría revelaron una p0 2 de 6 kPa (45 mmHg), una pC0 2 de 8,4 kPa (53 mmHg) y un pH de 7,35 (concentración de iones hidrógeno, 51 nmol/l); la concentración de bicarbonato era Tabla 25.3 Presiones parciales de oxígeno y dióxido de 35 mmol/l (v. los valores de referencia en la tabla 25.2). de carbono en el aire atmosférico, los alvéolos pulmonares y la sangre (kPa [mmHg]) Comentario. Esta paciente padecía una exacerbación de una enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y acidosis Aire seco Alvéolos Arterias sistémicas Tejido respiratoria. Su pC0 2 era alta y su ventilación probablemente de­ p0 2 21,2(39) 13,7 (98) 12 (90) 5,3 (40) pendía del estímulo hipóxico. También se observó un aumento del bicarbonato como consecuencia de la compensación metabólica pC02