Biochimica

Programma Biochimica Odontoiatria II Anno

Equilibrio idrosalino

L'equilibrio idro-salino (o equilibrio idro-elettrolitico) è il principio per il quale la concentrazione di soluti nell'ambiente acquoso di un organismo vivente viene mantenuta costante nel tempo.

• Pressione osmotica
• Pressione oncotica (o colloidosmotica)
• Ipotesi di Starling: genesi dell’edema in base alla pressione oncotica
• Albumina e ipoalbuminemia
• Genesi dell’edema
• LIC e LEC e relative concentrazioni di cationi, anioni e proteine
• Cationi: Na, K, Ca, Mg (con concentrazioni)
• Anioni: Cl, HCO₃^-, SO₄^2-, PO₄^3-, ioni delle proteine plasmatiche e ioni degli acidi organici

LIC: Na⁺ 25-35 mEq/L ; K⁺ 112-115 mEq/L ; Ca⁺⁺ 15-20 mEq/L ; Mg⁺⁺ 35 mEq/L ; Proteine plasmatiche 64-80 mEq/L ; SO₄^2- 4-5 mEq/L ; Cl^- 10-15 mEq/L ; PO₄^3- 80 mEq/L ; HCO₃^- 8 mEq/L

LEC: Na⁺ 140-145 mEq/L ; K⁺ 3-5 mEq/L ; Ca⁺⁺ 5 mEq/L ; Mg⁺⁺ 2-3 mEq/L ; Proteine plasmatiche 16 mEq/L ; SO₄^2- 1 mEq/L ; Cl^- 103 mEq/L ; HCO₃^- 27 mEq/L ; PO₄^3- 2 mEq/L

Sodio

Ione idrofilo con alta capacità di solvatazione.

• Più importante catione extracellulare
• Connesso al Cl e al bicarbonato
• Partecipa alla regolazione dell’equilibrio acido base
• Pressione osmotica e protezione contro eccessive perdite idriche
• Eccitabilità neuromuscolare e permeabilità cellulare
• Equilibrio regolato dal rene

• 10-15 g/die

• Urine: 5-35 mg
• Feci: 10-125 mg
• Sudore: 25 mg (eccessiva sudorazione = 350 mEq/L in 24h)

• Influenzato dai corticosteroidi o mineralcorticoidi (aldosterone, cortexone e cortexolone)
• Influenzato dalla pompa Na⁺ - K⁺
• Influenzato dallo spironolattone
• Influenzato dall’attinomicina (perdita di sodio, contemporanea perdita di potassio)

• Ipernatremia: collegata a ipokaliemia, iperfunzionalità corteccia surrenale, iperaldosteronismo primario (morbo di Conn e morbo di Cushing), eccessiva disidratazione che si accompagna al diabete insipido, glicosuria e corpi chetonici.
• Iponatremia: collegata a iperkaliemia, ipofunzionalità corteccia surrenale, ipoaldosteronismo, eccessiva diluizione sangue (morbo di Addison o “bronzino”).

Potassio

Ione idrofobo con bassa capacità di solvatazione.

• Più importante catione intracellulare
• Partecipa al mantenimento dell’equilibrio acido-base
• Partecipa alla regolazione della pressione osmotica
• Indispensabile per l’attività di enzimi (chinasi)
• Indispensabile per l’automatismo cardiaco e la conduzione dell’eccitazione dei nervi

• 2-4 mg/die

• Influenzato dai mineralcorticoidi
• Influenzato dalla pompa Na⁺ - K⁺
• Influenzato dallo spironolattone

• Iperkaliemia: correlata a iponatremia, ipofunzionalità corteccia surrenale, ipoaldosteronismo, insufficienza renale, disidratazione, shock. Morbo di Addison.
• Ipokaliemia: correlata a ipernatremia, iperfunzionalità corteccia surrenale, iperaldosteronismo, provoca turbe neuromuscolari, tachicardia, astenia, ipotonia, debolezza muscolare, paralisi degli arti inferiori.

Cloro

Anione presente sotto forma di cloruro in NaCl.

• Regolazione idrosalina
• Regolazione pressione osmotica
• Regolazione equilibrio acido-base
• Partecipa allo scambio dei cloruri nel plasma
• Effetto Hamburger (scambio di cloroione con bicarbonato ione)
• Forma l’HCl

• 1-5 g/die

• Influenzato dalla natremia

• Il difetto genico che interessa l'insorgenza della fibrosi cistica impedisce direttamente il trasporto del Cl^- e indirettamente interferisce con il trasporto del Na⁺ e dell'acqua.

Bicarbonato

Anione derivato dall’acido carbonico (acido volatile).

• L’effetto Hamburger (scambiatore bicarbonato e cloro)
• Può trasformarsi in CO₂ ed essere eliminato con l’espirazione
• Riserva alcalina di basi fisse

Magnesio

Catione bivalente combinato con il calcio e il fosfato nei sali complessi dell’osso.

• Indispensabile per il funzionamento della pompa Na⁺-K⁺
• Coinvolto nel metabolismo glucidico e proteico
• Partecipa al mantenimento della struttura dei ribosomi
• Si trova nella struttura della clorofilla (magnesio porfirina)

• 350 mg/die

• Simile al calcio e al fosfato
• Assorbimento nel tenue e in minima parte nel colon
• L’aldosterone provoca l’escrezione renale di magnesio e potassio

• La carenza provoca disfunzioni neuromuscolari con ipereccitabilità, tremori e convulsioni.

Calcio

Catione bivalente responsabile di numerose funzioni.

• Eccitabilità cellule cardiache, neurali, muscolari
• Legato allo scambiatore sodio-calcio
• Viene considerato secondo messaggero e a volte terzo messaggero
• Viene accumulato all’interno del SERCA
• Viene rilasciato dal SERCA in seguito all’impulso nervoso
• Attiva l’adenilato ciclasi di membrana
• Coinvolto nei processi coagulativi
• Mineralizzazione ossa e denti
• Contrazione muscolare
• Modulazione dell’attività di enzimi

• 800-1000 mg/die

• È influenzato dalla calcitonina e dal paratormone

• Un’ipocalcemia, spesso accompagnata da ipomagnesemia e da alcalosi respiratoria, determina la tetania, cioè una contrattura muscolare.

Metabolismo del rene

• Potassiemia e sodiemia e azotemia
• Soglia renale: concentrazione limite di una sostanza oltre la quale non viene riassorbita integralmente livello dei tubuli renali
• Clearance (volume di plasma o sangue che contiene sostanza di cui il rene si deve liberare in un minuto)
• Urea clearance 70-75 ml ; Creatinina clearance 95-105 ml (24h) ; inulina 120ml (volume minuto)
• Volume di urine giornaliere 1,6 - 1,8 L (1% di tutto l’ultrafiltrato prodotto lungo le 24h)
• Freddo = vasocostrizione = ipertensione = maggiore minzione
• Caldo = vasodilatazione = ipotensione = minore minzione
• Riassorbimento: Bicarbonato e Glucosio 100% ; Na⁺ e K⁺ 90%
• Glicosuria (140-170 mg/100 ml ultrafiltrati contro i 70-90 mg/100ml fisiologici)
• Amminocidurie

Filtrazione glomerulare

• L’ultrafiltrazione del plasma e la formazione di pre-urina (o fluido endoluminale o liquido peritubulare o plasma deproteinizzato o ultrafiltrato glomerulare) avviene a livello del nefrone (ca. 1 mln per rene).
• Il nefrone è costituito da glomerulo del Malpighi (“gomitolo di arteriole afferenti ed efferenti, rete mirabile arteriosa) e capsula di Bowmann (sacco epiteliale a doppia parete)
• La pre-urina passa attraverso il sistema di tubuli renali (tubulo contorto prossimale, ansa di Henle, tubulo contorto distale) per diventare urina. Il pH passerà da 7,4 (Plasma deproteinizzato) a 5,6-6 (urina) per mezzo del PBS
• Fattore fondamentale affinché avvenga la filtrazione è la pressione netta di filtrazione (25mmHg) che corrisponde alla differenza tra la pressione idrostatica a livello dell’arteriola afferente (pressione lorda di filtrazione, 75 mmHg) e le forze opponenti (pressione oncotica, 30 mmHg; pressione renale interstiziale, 10 mmHg; pressione intratubulare, 10mmHg)
• Il filtrato glomerulare è privato solo delle proteine a livello del nefrone (pertanto isosmotico)
• Tubulo prossimale: nel tubulo prossimale vi è un riassorbimento obbligatorio di acqua (99%) secondario al riassorbimento attivo dei soluti (75-90%). La pre-urina è ancora isosmotica
• Tratto discendente ansa di Henle: permeabile all’acqua ma non ai soluti, liquido iperosmotico
• Tratto ascendente ansa di Henle: impermeabile all’acqua ma non al trasporto attivo di NaCl (pompa del cloro), liquido iposmotico
• Tubulo distale e dotto collettore: secrezione di potassio nel lume tubulare, influenzata da aldosterone e spironolattone). Zona d’azione dell’ADH, che attiva le acquaporine e permette il riassorbimento facoltativo di acqua. Zona d’azione dell’aldosterone. Il liquido sarà ipotonico per urine ipotoniche (no ADH) e ipertonico per urine ipertoniche (ADH)

Meccanismo di moltiplicazione e di scambio controcorrente

• Il segmento sottile discendente per natura anatomo-istologica dell'Ansa di Henle è permeabile all'acqua e poco permeabile al cloruro di sodio
• Il segmento ascendente è impermeabile all’acqua e molto permeabile al cloruro di sodio
• Il liquido interstiziale è povero in cloruro di sodio rispetto al liquido intratubulare
• La forma anatomica dell’ansa
• È contro corrente perché il liquido è iperosmotico nella branca discendente e iposmotico nella branca ascendente

Sistema renina-angiotensina-aldosterone (RAS)

Il sistema renina-angiotensina-aldosterone (RAS) è un meccanismo ormonale che regola la pressione sanguigna, il volume plasmatico circolante (volemia) e il tono della muscolatura arteriosa attraverso diversi meccanismi.

• Dipende da vari fattori come iper/ipotensione, iper/ipoconcentrazione di NaCl, volemia maggiore/minore. Questi generano un feedback che va a stimolare o inibire tutto il sistema.
• In risposta ad una diminuzione della pressione dovuta a riduzione del volume plasmatico e/o [Na⁺], le cellule della macula densa della corticale renale stimolano le cellule dell’apparato iuxta-glomerulare a produrre renina
• La renina agisce come enzima proteolitico sull’angiotensinogeno (prodotto dal fegato) idrolizzando due leucine. Si forma un decapeptide, l’Angiotensina I.
• Quest’ultima ha una leggera azione ipertensivante, ecco perché viene idrolizzata dall’ACE in Angiotensina II (octapeptide)
• L’ACE (Angiotensine converting enzyme) è un enzima prodotto a livello polmonare, in minima parte anche plasma e rene. I farmaci Ace-inibitori sono ipotensivanti proprio perché inibendo l’ACE non si permette la formazione di Angiotensina II.
• L’Angiotensina II (azione ipertensivante 200 volte maggiore della noradrenalina) agisce sulle arteriole sistemiche provocando vasocostrizione, aumenta la forza di contrazione del cuore, ha un effetto miotropico (provoca contrazione muscolare) e aumenta la secrezione di aldosterone.
• Quest’ultimo può fungere anche da inibitore del rilascio di renina (feedback negativo) bloccando il SRAA.
• L’angiotensina II viene idrolizzata da angiotensinasi tissutali.

Equilibrio acido-base

• Per evitare significative variazioni di pH (7,38-7,42) l’organismo dispone di tre tipi di intervento: sistemi tampone, ventilazione polmonare e regolazione renale di bicarbonato e protoni
• Tra i sistemi tampone più importanti ricordiamo quello del HCO₃^-/H₂CO₃ che è ubiquitario e può rapidamente agire in situazioni di emergenza; inoltre è l’unico che può trasformare la propria componente acida in un metabolita volatile (CO₂). Il processo garantisce il mantenimento della “riserva alcalina” di basi fisse (27 mEq/L).
• L’iperventilazione polmonare ha effetto alcalinizzante in quanto riduce la pCO₂ (eliminazione CO₂ e quindi H₂CO₃) incrementando l’eliminazione di protoni.
• L’ipoventilazione ha effetto acidificante in quanto aumenta la pCO₂ e la persistenza di protoni
• Il rene richiede alcune ore per entrare in azione ma è molto efficace: esso rinnova continuamente il sistema tampone dei bicarbonati e agisce indirettamente di conseguenza modificando il riassorbimento o l’escrezione del tampone bicarbonato in base al pH; può anche agire direttamente per escrezione o riassorbimento di protoni.
• Riassorbimento di bicarbonato ed escrezione di protoni: le cellule del tubulo contorto prossimale riassorbono circa l’80/90% del bicarbonato ultrafiltrato. Nel lume tubulare il bicarbonato si combina con i protoni andando a formare l’acido carbonico che grazie all’anidrasi carbonica IV si dissocia in H₂O e CO₂. La CO₂ diffonde nella cellula e in presenza dell’anidrasi carbonica II si combina con l’H₂O e forma acido carbonico. Quest’ultimo si dissocia in HCO₃^- che fuoriesce nel plasma grazie al trasportatore sodio bicarbonato e H⁺ che va nel lume tubulare grazie allo scambiatore Na⁺/H⁺ che sfrutta il gradiente sodico generato dalla sodio potassio ATPasi. Tutto questo porta a rimozione del bicarbonato filtrato e sostituzione da parte di un altro bicarbonato nel plasma; mentre il processo è comunque neutro in quanto il protone escreto nel lume è utilizzato per riassorbire bicarbonato. N.B. In stadio di acidosi cronica le cellule possono produrre una quota di bicarbonato che viene riassorbito nel sangue e possono secernere NH₄⁺ nel lume.
• Escrezione dei protoni in forma di H₂PO₄^-: nelle cellule del tubulo contorto distale la CO₂ reagisce con acqua per formare acido carbonico (anidrasi carbonica). Quest’ultimo si dissocia e il bicarbonato torna nel plasma (effetto Hamburger) mentre il protone fuoriesce nel lume grazie allo scambiatore sodio/H⁺ (sodio potassio ATPasi). Il protone nel lume si associa con HPO₄^2- formando H₂PO₄^-. Questo meccanismo porta all’acidificazione delle urine e quando il pH raggiunge il valore minimo di 4,5 tutto il fosfato è in forma di H₂PO₄^-. NB. In caso di acidosi metabolica diversi ioni negativi vengono filtrati e si accoppiano ad un protone secreto dalle cellule tubulari per venire eliminati con le urine.
• Escrezione dei protoni in forma di NH₄⁺: nella cellula tubulare distale l’enzima glutamminasi catalizza la deaminazione della glutammina in acido glutammico con distacco di NH₃. L’NH₃ prodotto può essere protonato nella cellula stessa a NH₄⁺ e essere rilasciato nel lume con lo scambiatore Na⁺/NH₄⁺. Una parte di ammoniaca diffonde spontaneamente nel lume e qui lega un protone derivante dalla cellula tubulare (acido carbonico) formando nuovamente NH₄⁺ escreto con le urine. NB. Lo ione ammonio non provoca ulteriori riduzioni del pH urinario poiché poco dissociato. In acidosi cronica la produzione di ammoniaca aumenta di 3-4 volte per l’induzione della sintesi di glutamminasi renale.

Acidosi

Valori di pH inferiori a 7,35. Può essere di 3 tipi: metabolica, respiratoria e renale i quali possono essere compensati fisiologicamente (no variazioni di pH significative) e non compensati (variazioni di pH).

• Acidosi metabolica: causata da aumentata produzione di metaboliti acidi come i corpi chetonici o in gestione di sostanze acide o perdita eccessiva di secreti alcalini (HCO₃^-) in seguito a diarrea. Per compensare interviene il polmone tramite iperventilazione che provoca eliminazione rapida di CO₂ e conseguente diminuzione della concentrazione plasmatica di HCO₃^-. Il rene invece aumenta la secrezione di protoni producendo urine più acide e aumenta il recupero di bicarbonato eliminando anche maggiori quantità di anioni accompagnati da cationi e H₂O.
• Acidosi respiratoria: ipoventilazione di natura nervosa o patologica. Aumento della pCO₂ plasmatica e unica risposta di tipo renale: aumentato riassorbimento e produzione di bicarbonato, aumento dell’escrezione di protoni, aumento del riassorbimento di sodio e maggiore eliminazione di potassio e cloro.
• Acidosi renale: si instaura nell’insufficienza renale acuta. Unico meccanismo di compensazione è l’iperventilazione.

Alcalosi

Valori di pH superiori a 7,45. Può essere di 3 tipi: metabolica, respiratoria e renale i quali possono essere compensati fisiologicamente (no variazioni di pH significative) e non compensati (variazioni di pH).

• Alcalosi metabolica: eccessiva introduzione di lattato o bicarbonato di sodio o abbondante eliminazione di HCl presente nel succo gastrico in seguito a vomito. Ipoventilazione polmonare e diminuita escrezione urinaria di protoni e sostanze protonate sono i meccanismi di compensazione.
• Alcalosi respiratoria: iperventilazione di origine traumatica o tossica con forte diminuzione della pCO₂ plasmatica. Il rene riduce il riassorbimento di bicarbonato e sodio al fine di compensare l’eventuale variazione di pH.

Sistemi tampone

Sono sistemi fisiologici di regolazione dell’equilibrio acido base contenenti un acido debole e la sua base coniugata sotto forma di sale; impediscono significative variazioni di pH per aggiunta di moderate quantità di acidi e basi forti.

• Emoglobina svolge il 60% del lavoro
• Bicarbonato: H₂CO₃ - HCO₃^- + NaOH. Il bicarbonato è un acido volatile ovvero diventa CO₂ eliminata con la respirazione (anidrasi carbonica).