Biochimica clinica

Trasformazione della CO2 in ione bicarbonato e protone

Bilancio acido-base legato al mantenimento di una concentrazione costante del protone, H⁺, nei fluidi organici. Indicatore dello stato acido-base e della concentrazione di questi protoni è il pH, ovvero il logaritmo negativo della concentrazione di H⁺.

La CO2 è un gas e ha un basso prodotto di solubilità in acqua; questo primo equilibrio è molto lento, e viene completamente spostato verso la produzione di acido carbonico che a sua volta viene completamente spostato verso la produzione di bicarbonato, soprattutto per la presenza di un enzima, l’anidrasi carbonica, che accelera questa trasformazione.

Bisogna sottolineare principalmente due punti:

• L’impatto del pH sulla funzionalità delle proteine e sui sistemi enzimatici in particolare.
• Trattandosi di una specie chimica con carica positiva, tutti i processi che dipendono da gradienti elettrochimici sono fortemente impattati da un’alterazione della normale concentrazione di H⁺.

Gli equilibri chimici sono equilibri che possono essere spinti naturalmente in una direzione o nell’altra se togliamo o aggiungiamo da uno dei due lati dell’equilibrio chimico dei reagenti o dei prodotti.

Questa trasformazione è favorita verso la completa produzione di ione bicarbonato sia dall’azione dell’anidrasi carbonica sia dalla veloce dissociazione dell’acido carbonico in ione bicarbonato e protone.

Sistemi che contrastano la deviazione della concentrazione dei protoni

Sistemi che contrastano la deviazione della concentrazione dei protoni al di fuori di un range molto stretto di normalità, 7,35-7,45 è l’intervallo di riferimento.

Il trasporto di CO2 dai siti di produzione al sito di eliminazione avviene principalmente trasformando la CO2 in HCO3^-. Ciò si inverte a livello polmonare dove il protone, per esempio legato all’Hb, viene perso dall’Hb perché questa lega l’O2 e inverte tale equilibrio verso la produzione di CO2 che viene eliminata.

Il nostro metabolismo è spinto verso la produzione di acidi; quindi, il pericolo più costante e più pressante è che, anche in condizioni fisiologiche, il nostro metabolismo influenzi il bilancio acido-base, facendolo tendere verso l’acidità.

Basti pensare al metabolismo ossidativo e a tutte le vie metaboliche finalizzate alla produzione di energia e che catabolizzano le sostanze organiche al massimo del grado di ossidazione, cioè fino alla produzione di anidride carbonica e acqua; la CO2, in soluzioni acquose, diventa acido carbonico, che è un acido debole, ma pur sempre un acido, e tende ad acidificare il mezzo in cui si trova.

Sistemi tampone fisiologici

Sistemi tampone fisiologici. Possono essere distinti in sistemi chimici e proteine.

Le proteine possono legare dei protoni, con dei limiti relativi al mantenimento della struttura e funzionalità della proteina stessa. Rilevante è la presenza dell’aa. istidina, che ha un pKa di 6.0 e nell’anello imidazolico presenta un azoto che può accettare o cedere protoni; ciò in un intervallo di pH vicino al pH fisiologico.

Tutte le proteine che hanno un residuo accessibile di istidina possono tamponare un eccesso o un difetto di H⁺, quindi possono accettare protoni nel momento siano prodotti in eccesso e possono liberarli nel momento in cui vi è un deficit.

In riferimento all’Hb eritrocitaria e proteine plasmatiche, sono quantitativamente dei sistemi tampone importanti perché molto abbondanti. Il vantaggio è l’essere molto abbondanti; riescono, per esempio, a tamponare in maniera immediata un improvviso aumento della concentrazione degli ioni H⁺.

Nel momento in cui vengono saturate tutte le possibilità di tamponamento, non si può fare altro, per cui i protoni non possono più occupare proteine e il pH si abbassa bruscamente. Dunque, il vantaggio è quantitativo, cioè riescono a contrastare un aumento immediato. Il limite è che si raggiunge la saturazione e non si può fare più niente.

Altre sostanze acide: acidi organici, acidi tricarbossilici, l’acido lattico, i chetoacidi, la cui produzione giornaliera è limitata rispetto alla CO2.

Questi acidi organici pongono una sfida nel momento in cui non possono essere completamente catabolizzati; acidi carbossilici, acido lattico e chetoacidi sono delle molecole organiche che l’organismo è in grado di catabolizzare completamente e ossidare a CO2 e acqua.

L’acido lattico, per esempio, può essere utilizzato per riprodurre l’acido piruvico e l’acido piruvico può essere trasformato in Acetil-CoA, ciclo di Krebs e massima ossidazione. Quindi, queste sostanze possono essere ossidate e rappresentano un problema nel momento in cui il loro completo catabolismo non può essere realizzato.

Altri acidi organici e non solo, come l’acido urico, prodotto del catabolismo delle purine, l’acido ossalico, glucuronico, ippuronico, non possono essere degradati e ossidati completamente ma devono essere eliminati; l’eliminazione di questi acidi non metabolizzabili è a carico del rene.

I sistemi chimici sono delle soluzioni in cui è presente un acido debole in soluzione e la sua base coniugata. Questi sono il tampone bicarbonato o il tampone fosfato, ICF e urinario.

Tampone fosfato

Tampone fosfato.

Si riferisce alla coppia formata da due forme di dissociazione dell’acido ortofosforico che è H3PO4 e che si può dissociare e perdere 3 protoni.

A pH fisiologico, le due dissociazioni più importanti sono l’H2PO4^-, che rappresenta l’acido che può perdere un ulteriore protone e formare l’HPO4^2-; questa coppia di fosfato monoprotonico e diprotonico, quindi l’acido e la sua base coniugata, rappresentano il più importante sistema tampone intracellulare e anche un sistema tampone importante nelle urine. Anch’esso, tuttavia, ha il problema della saturazione.

Tampone bicarbonato

Tampone bicarbonato.

Sistema tampone più importante perché rispetto agli altri è un sistema aperto, cioè un sistema che può continuamente rigenerarsi. La rigenerazione passa per l’attività di due apparati: l’apparato respiratorio e renale.

Il primo gestisce l’acido della coppia del sistema tampone acido-base coniugata, quindi la CO2, l’acido volatile, mentre la funzionalità renale gestisce lo ione bicarbonato, quindi trattenendo o eliminando più HCO3^-.

La CO2 è un gas, quindi viene sciolta, e ha un coefficiente di solubilità abbastanza basso. Questo può essere utilizzato in presenza di una misura che è la pCO2, ovvero il modo con cui normalmente si esprime la concentrazione di un gas, in termini di una misura di pressione, mmHg.

È possibile trasformare una pressione in millimoli, e cioè la quantità in millimoli di CO2 presente nel sangue. Ricordiamo che solo una piccola parte, 8% circa di CO2, rimane sciolta nel sangue; l’altra, 80%, invece, viene velocemente trasformata in HCO3^- ed è così che si muove nell’organismo. In forma di bicarbonato, infatti, è possibile poi realizzare lo scambio di CO2 a livello del polmone.

Equazione di Henderson-Hasselbalch

Equazione di Henderson-Hasselbalch.

Equazione chimica che mette in relazione il pH di una soluzione con le concentrazioni delle due specie del sistema tampone.

Il rapporto tra lo ione bicarbonato e l’acido carbonico è espresso nei parametri che possiamo misurare. Infatti, non è possibile misurare direttamente l’acido carbonico, ma la pressione parziale di CO2.

[HCO3^-] = 6.1 + log [CO2]

6.1 è una costante, pKa, costante di dissociazione dell’acido carbonico. Se il pH aumenta più del dovuto, dipende non dalla costante, ma dall’aumento di questo rapporto.

Normalmente, questo rapporto è di circa 20. Il logaritmo di 20 è 1,30. Per cui 6,1 + 1,30 fa proprio 7,4 e cioè il valore medio dell’intervallo di riferimento del pH.

Questo rapporto può aumentare per due motivi: può aumentare il numeratore oppure può diminuire il denominatore.

• Un aumento del pH può essere dovuto ad un aumento del bicarbonato oppure a una diminuzione della pCO2.
• Una diminuzione di pH, quindi un’acidemia, il reperto di laboratorio, relativamente al pH del sangue, acidemico appunto o alcalinemico, deve essere giustificata da un processo in atto: l’acidosi. L’evidenza di laboratorio, quindi, l’acidemia, deve essere giustificata da un processo, che è appunto un’acidosi. Questa acidosi può essere dovuta alla diminuzione di questo rapporto: diminuisce lo ione bicarbonato oppure aumenta l’acido carbonico e in particolare, la pCO2.

Disturbi acido-base

Sono quattro i disturbi principali acido-base. Alcalosi e acidosi sono i processi che comportano rispettivamente un aumento ed una riduzione del pH.

L’alcalosi può essere dovuta a un aumento dello ione bicarbonato, alcalosi metabolica, oppure a una riduzione della pCO2, quindi alcalosi respiratoria.

L’acidosi è una diminuzione di pH che può essere determinata da una riduzione dello ione bicarbonato, acidosi metabolica, oppure da un aumento della CO2, e si parla perciò di acidosi respiratoria.

Riassumiamo:

• Metabolici: lo ione bicarbonato si muove nella stessa direzione del movimento del pH; se aumenta si parla, quindi, di alcalosi metabolica, se diminuisce di acidosi metabolica, se diminuisce la base, si ha una situazione di acidità.
• Respiratori: un aumento dell’acido volatile dovrebbe determinare un pH acido, quindi diminuito, se l’acido aumenta, il pH dovrebbe essere diminuito. Se ciò si verifica, siamo davanti ad un’acidosi respiratoria. Una riduzione di CO2 determina, invece, una situazione di alcalosi. Se si ha pH aumentato e bassa pCO2, si parla di alcalosi respiratoria.

In realtà, nei disturbi acido-base, tutti e tre i parametri si muovono, cioè vanno al di fuori del loro intervallo di riferimento.

Occorre, quindi, guardare innanzitutto il pH: pH basso acidosi, pH alto alcalosi. Gli altri due valori, invece, bicarbonato e CO2, deviano dai valori di riferimento; bisogna vedere quale dei due va in accordo con il movimento del pH.

Nel momento in cui si instaura un disturbo, si attivano i meccanismi di compenso, atti a contrastare questo processo che porta ad aumento o riduzione del pH. I meccanismi di compenso sono legati ai due apparati che regolano il tampone bicarbonato e cioè l’attività respiratoria e renale.

Compenso nei disturbi metabolici e respiratori

Nei disturbi metabolici caratterizzati da deviazione dello ione bicarbonato, il compenso respiratorio è di natura respiratoria.

Quando diminuisce una base, acidosi metabolica, per contrastare bisogna alcalinizzare il sangue. Trattandosi di un disturbo metabolico, utilizzo l’apparato che sembra non essere coinvolto nel mantenimento di questo disturbo, e cioè il sistema respiratorio. Determino, quindi, iperventilazione; elimino più CO2, per cui la pCO2 del sangue diminuisce.

Nell’alcalosi metabolica, il pH sarà aumentato, lo ione bicarbonato, base, è aumentato, per cui è in accordo con il pH. Osservo anche un aumento della CO2, che è l’aumento compensatorio, quindi l’attività respiratoria, ipoventilazione, trattiene più CO2 nel sangue e ne fa aumentare l’acidità.

I disturbi respiratori vedono il compenso legato all’attività del rene: quindi, ione bicarbonato che aumenta nel caso di un’acidosi respiratoria, e quindi una base che viene trattenuta di più dal rene, mentre nell’alcalosi respiratoria abbiamo una riduzione dello ione bicarbonato che si associa alla riduzione dell’acido volatile, della CO2, che è in accordo con l’aumento del pH, quindi alcalosi respiratoria.

Dobbiamo anche valutare il grado del compenso, cioè capire, guardando i valori di riferimento e osservando la deviazione del compenso rispetto ai valori di riferimento, se questo è appropriato oppure non è appropriato.

Se il compenso è appropriato, cioè quello atteso, quello che la nostra esperienza ci dice sia necessario per contrastare il processo di acidosi o alcalosi, allora siamo davanti soltanto a un disturbo primario, semplice.

Se invece il compenso non è appropriato, allora questa è l’evidenza di essere davanti a dei disturbi misti, una coesistenza di disturbi che possono essere due acidosi, una respiratoria e una metabolica, un’alcalosi respiratoria e un’acidosi metabolica, o anche la coesistenza di tre disturbi.

In presenza di un pH normale non è escluso che ci sia un disturbo acido-base. Possiamo avere delle situazioni con pH normale e i due parametri bicarbonato e CO2 andare in due versi opposti perché c’è la concomitante presenza di un’alcalosi di un tipo e un’acidosi di un altro tipo.

Meccanismi di regolazione acido-base

I meccanismi di regolazione acido-base.

Quelli che coinvolgono il sistema polmonare; attraverso l’ipo- o iper-ventilazione si va a regolare la pCO2.

Quelli che coinvolgono il sistema renale. Il rene si occupa di gestire lo ione bicarbonato principalmente, che viene riassorbito a livello del tubulo contorto prossimale.

Il compenso respiratorio, in presenza di un disturbo metabolico in atto, è immediato; il compenso renale è più lento ed è meno efficiente all’inizio, situazioni acute, ma diventa più efficiente nelle condizioni croniche.

L’altra funzione tamponante effettuata dal rene è quella di eliminare l’eccesso di sostanze acide, ovvero gli ioni H⁺, e questa funzione è svolta dal tubulo contorto distale.

In acidosi, il rene risponde con una maggiore escrezione di ioni H⁺, eliminazione acidi, e un maggior recupero di ioni bicarbonato, per trattenere basi. In alcalosi, il rene risponde con una massiva ritenzione di ioni H⁺, e con una maggiore eliminazione di ioni bicarbonato.

Compenso non significa che il pH ritorna sempre nel range di valori di riferimento; il processo di compenso tende a modificare il valore di pH agendo a livello dei sistemi renale e polmonare ma non sempre questo si riflette in un aumento o diminuzione del pH. Il pH ritorna ai livelli normali quando il disturbo primario viene risolto.

Riassorbimento dello ione bicarbonato a livello prossimale

A livello prossimale, lo ione bicarbonato è recuperato utilizzando l’anidrasi carbonica, che agisce sia a livello della superficie apicale dell’epitelio tubulare, lato intra-luminale, sia a livello della cellula tubulare stessa.

L’anidrasi carbonica utilizzando un protone che viene eliminato dall’antiporto sodio-protone, permette la formazione di CO2 e acqua. Il protone fuoriesce dalla cellula tramite il gradiente di concentrazione del sodio, che è alimentato dalla pompa sodio-potassio. Lo ione H⁺ si lega allo ione bicarbonato, formando l’acido carbonico. L’acido carbonico è metabolizzato dall’anidrasi carbonica in CO2 e H2O.

La CO2 gassosa entra per diffusione all’interno della cellula tubulare dove l’altra anidrasi carbonica, intra-cellulare, ripromuove la produzione di HCO3^- che viene trasportato attraverso il gradiente di concentrazione nei fluidi interstiziali e nel plasma.

Il protone perso, ovvero il primo, viene riformato dall’azione dell’anidrasi carbonica intra-cellulare. Quindi a livello prossimale, il riassorbimento dello ione bicarbonato non è accompagnato dalla perdita di protoni.

Se questo sistema non funziona non si determina un recupero di HCO3^-. Nel caso di patologie renali al tubulo contorto prossimale, non avviene questo processo e può svilupparsi acidosi metabolica quindi una acidosi tubulare prossimale o di tipo 2.

Esiste anche un’acidosi tubulare distale o di tipo 1 dovuta dal deficit di eliminazione urinaria di protoni.

Eliminazione di protoni nel tubulo contorto distale

A livello del tubulo contorto distale abbiamo la secrezione netta di un protone. Il protone eliminato dall’antiporto sodio-protone si lega ad una base ovvero l’ammoniaca formando lo ione ammonio, che poi viene eliminato con la pre-urina.

L’ammoniaca deriva dalla deaminazione della glutammina e serve a legare il protone che viene eliminato dall’antiporto andando a tamponare le urine.

Se non ci fosse lo ione ammonio, in pochissimo tempo le urine si acidificherebbe e il gradiente di protoni nelle urine renderebbe inefficiente questo antiporto. Nel senso che l’eccesso di protoni nelle urine impedirebbe una ulteriore eliminazione di protoni, perché aumenterebbe il gradiente elettrochimico di protoni nelle urine che contrasta il gradiente di protoni intracellulare.

A questo livello agisce anche il tampone fosfato, quindi sia il fosfato che lo ione ammonio agiscono nel tamponamento del pH delle urine garantendo una maggiore eliminazione dei protoni a livello del tubulo contorto distale.

Nel dotto collettore avviene il riassorbimento di acqua per contrastare eventi di ipotensione e ipovolemia. Infatti grazie al sistema RAA si contrastano questi eventi.

Grazie all’aldosterone, viene recuperato lo ione sodio a livello del tubulo distale e del dotto collettore. Il movimento dello ione sodio si accompagna quasi sempre al movimento dell&rs

Cause di alcalosi

Tra le principali cause di alcalosi abbiamo quelle respiratorie: le ipocapnie date dalla diminuita produzione e/o ritenzione di CO2. Le cause principali sono: iper-stimolazione dei centri cardio-respiratori, ansia e alcune patologie polmonari.

Tra le cause di alcalosi metaboliche abbiamo:

• Perdita gastrica di H⁺ ad esempio nel vomito o nella suzione naso gastrica.
• Perdita renale di ioni H⁺ ad esempio nell’eccesso somministrativo di mineralcorticoidi in cui l’eccessivo recupero di sodio è accompagnato da una maggiore perdita di protoni; diuretici dell’ansa e tiazidici.
• Eccesso di HCO3^-, es. infusione di HCO3^-, trasfusioni massive, milk-alcali syndrome.
• Shift intra-cellulare, ipopotassemia.

La causa principale di alcalosi metabolica nei pazienti ospedalizzati è legata all’insorgenza dell’ipovolemia che determina soprattutto l’attivazione del sistema RAA.