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equilibrio acido-base

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L’organismo umano è composto in massima parte (65%) da acqua e quindi l’equilibrio acido-base è fondamentale per lo svolgimento delle principali funzioni metaboliche che non possono essere espletate al di fuori di valori di pH compresi fra 7.0 e 7.5 (1).
Il grado di acidità/basicità di una soluzione acquosa è espressione della concentrazione di H+ e OH ivi disciolti ed è espresso come valore di pH mediante l’equazione di  Handerson-Hasselbach:  pH = 6.1 + log ([ HCO3]/ [ s x pCO2 ] ) (2)  dove il pH è quello plasmatico, HCO3– è la  concentrazione degli ioni bicarbonato nel plasma, (s x pCO2) è la  concentrazione della CO2 disciolta nel plasma, che è espressione sia  della pressione parziale di CO2 (pCO2), sia del  coefficiente di solubilità (s) della CO2 nel plasma stesso. L’equazione di Handerson-Hasselbach consente di riassumere lo  stato di equilibrio metabolico acido-base plasmatico mediante un solo valore, il  pH, in modo che la sua valutazione sia applicabile alla pratica clinica. Il pH (dal latino pondus hydrogenii) è ricavato calcolando  il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione di ioni idrogeno (pH = -log10[H+]) su una scala che va da 0 a 14 moli/litro
Il pH del sangue è normalmente mantenuto su valori compresi tra 7,35 e 7,45; valori superiori o inferiori sono espressione rispettivamente di alcalosi e acidosi. Nell’acqua pura la quantità di cationi H+ è perfettamente pari e a quella degli anioni OH di segno opposto; per entrambi gli ioni la concentrazione è di 10−7 moli/litro, per cui il pH dell’acqua pura corrisponde a 7 [–log (10-7)]. La reazione del plasma è normalmente alcalina con un pH di 7,41. L’urina ha una reazione debolmente acida intorno a pH 6 e può variare da 4,4 (acidità) a 8 (basicità debole) in ragione delle sostanze escrete.
Il metabolismo del corpo umano è di  tipo aerobico, caratterizzato dall’apporto di O2 ai tessuti dove avviene la completa ossidazione  dei carboidrati con produzione di: energia + CO2 + H2O. La CO2 è rapidamente idratata dall’anidrasi carbonica, contenuta all’interno dei  globuli rossi, con  conseguente formazione di acido carbonico (H2CO3) che a  sua volta si dissocia in H+ e ioni bicarbonato (HCO3) secondo la formula di equazione dell’anidrasi carbonica: [ CO2 + H2 H2CO3 H+ +  HCO3 ] (1).
Il pH del plasma dipende dal rapporto tra le concentrazioni  plasmatiche dei bicarbonati e della CO2 ed è espresso mediante la equazione di  Handerson-Hasselbach.
Una severa acidosi può causare il coma e la morte, così come  una severa alcalosi può essere letale causando convulsioni e morte.
Dato che la concentrazione degli H+ gioca un ruolo  così importante nell’omeostasi, il corpo reagisce fisiologicamente contro queste  variazioni mediante la regolazione respiratoria, la regolazione renale e i  sistemi tampone dei liquidi organici (1).
I. Regolazione respiratoria: Un aumento della concentrazione di CO2 nei liquidi  corporei abbassa il pH verso l’acidità, mentre una sua diminuzione sposta il pH  verso l’alcalinità.  Gli  H+ in eccesso agiscono sul centro respiratorio bulbare stimolando la frequenza respiratoria  polmonare fino a 4-5 volte il valore normale, mentre  l’alcalosi riduce la ventilazione polmonare fino al 50-75 % del  normale. Nella parete alveolare (povera di CO2)  si catalizza la reazione opposta a quella verificatasi nei tessuti periferici, ovvero la ritrasformazione di HCO3 + H+ in H2CO3 (ac. carbonico) che a sua volta si trasforma in  H2CO3 → CO2 + H2O, con liberazione della CO2 nell’aria. Questa reazione avviene in realtà nei due sensi, esiste infatti un equilibrio dinamico tra l’acido carbonico H2CO3 e l’anidride carbonica CO2 da una parte (insieme all’H2O) e gli ioni bicarbonato HCO3 e H+ dall’altra. Ogni variazione degli ioni di idrogeno e bicarbonato o dell’anidride carbonica determinano una alterazione di questo equilibrio con spostamenti a sinistra o a destra, che dovranno essere corretti dall’apparato respiratorio (che con un aumento della ventilazione smaltirà la quantità eccedente di CO2) e dall’apparato renale (che aumenterà o ridurrà l’escrezione degli ioni H+ e HCO3).
Il potere tampone complessivo del sistema respiratorio è una o  due volte superiore a quello di tutti i tamponi chimici dell’organismo e  impiega 1-3 minuti per poter riportare alla normalità  una brusca variazione di concentrazione idrogenionica (1).
II. Regolazione renale: la regolazione renale dell’equilibrio acido-base è più potente della regolazione respiratoria ma richiede un tempo molto più lungo rispetto a quest’ultima: da  diverse ore ad alcuni giorni per riequilibrare la concentrazione  idrogenionica. Le cellule distali del nefrone idratano l’anidride carbonica, la scindono in H+ e HCO3, secondo la formula di equazione dell’anidrasi carbonica: [ CO2 + H2 H2CO3 H+ +  HCO3 ]. Quindi variano l’escrezione degli H+, insieme a fosfati ed ammoniaca, nelle urine e  il riassorbimento di HCO3 in funzione del mantenimanto dell’equilibrio acido-base (1).
III. I sistemi tampone: I sistemi tampone acido-base possono immediatamente combinarsi  con qualsiasi radicale acido o basico per impedire dannose variazioni della  concentrazione idrogenionica. I tamponi sono divisi in tamponi bicarbonato e in tamponi non  bicarbonato, responsabili per il 53% e il 47% della capacità  tamponante totale rispettivamente (1). Il tampone bicarbonato  principale è l’anidrasi carbonica contenuta nei globuli rosi e agisce seguendo la formula precedentemente descritta (3). I tamponi non bicarbonato  comprendono l’emoglobina, i fosfati  organici e inorganici e le proteine plasmatiche. Tra, questi, l’emoglobina è  responsabile della maggior parte dell’azione tamponante secondo la seguente  equazione: H+ + HbO2 Hb  + HO2 (4).
Dizionario dei termini e Valori di riferimento (9-12):
  • Gli acidi (secondo la definizione di Arrhenius) sono sostanze che liberano ioni H+ quando sono in soluzione acquosa. Si suddividono in acidi forti o deboli, a seconda della facilità, regolata dalla legge di azione di massa, che ha la sostanza   di legare rispettivamente più o meno ioni idrogeno (H+).
  • Le basi sono sostanze capaci di legare gli ioni idrogeno (H+) secondo la legge di azione di massa. La reazione si svolge secondo  secondo la formula: B + H2O = BH+ + OH
  • Il grado di acidità si misura tramite il pH, su una scala che va da 0 a 14
  • H+ (ione idrogeno): l’idrogeno è l’elemento più diffuso in natura derivando direttamente dai processi seguenti al famoso Big Bang, dal quale ha avuto origine il nostro universo. Nei sistemi biologici, l’idrogeno è presente principalmente in forma legata al carbonio (legami C-H), all’ossigeno (legami O-H) e all’azoto (legami N-H) che, nel loro insieme, formano i gruppi funzionali costituenti i metaboliti ai quali sono deputate le funzioni vitali.
  • Soluzioni tampone:  soluzioni di acidi (o basi) deboli e il loro ione coniugato. (una base coniugata deriva dalla dissociazione dell’acido debole). Queste soluzioni sono in grado di “tamponare” (ovvero resistere) a piccole variazioni di pH facendo in modo che la concentrazione di ioni idrogeno rimanga costante.
  • equazione dell’anidrasi carbonica: [ CO2 + H2O  → H2CO3 → H+ +  HCO3 ].
  • equazione tamponante dell’emoglobina: H+ + HbO2 Hb  + HO2
  • equazione di  Handerson-Hasselbach:  pH = 6.1 + log ([ HCO3]/ [ s x pCO2 ] )
  • pH è il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione di ioni idrogeno (pH = -log10[H+]) su una scala che va da 0 a 14 moli/litro (v.n. del sangue: 7,4)
  • PaCO2 o pCO2: pressione parziale arteriosa di anidride carbonica (v.n.:35-45 mmHg)
  • BE (base excess):  rappresentano la differenza tra il potere tampone di un determinato  campione di sangue e il suo potere tampone teorico normale. Il BE si calcola con la seguente formula:  BE= BB attuale – BB normale ed è misurato in mmoli/l. IL BE é negativo in caso di acidosi metabolica e positivo in caso  di alcalosi metabolica (1).
  • Nomogramma o abaco: è un dispositivo per il calcolo grafico del BE dai valori di pCO2 e di pH misurati. Nella sua forma più semplice e comune, è costituito da tre linee opportunamente graduate, dette scale. Due scale servono per il pH e la PaCO2, sulla terza scala si trovano i valori di BE. La retta che unisce i valori di pCO2 e di pH misurati, taglia la scala a destra in corrispondenza del valore di BE cercato.
  • HCO3 = è la  concentrazione degli ioni bicarbonato nel plasma (v.n. 22-26 mEq/l)
  • Gap anionico: calcolato sottraendo la somma delle concentrazioni del Cl e del HCO3alla concentrazione plasmatica del Na (v.n. 5-11 mEq/l); un aumento del gap anionico rivela la presenza di un eccesso di equivalenti acidi, acidosi metabolica.
  • Cl sierico = 95-105 mEq/l
  • Na+ sierico = 135-145 mEq/l
  • K+ sierico = 3,3-4,9 mEq/l
References
  1. Stanfield, Germann – Fisiologia – Terza edizione EdiSES 2011, pp. 556-64
  2. Caroline, Nancy (2013). Nancy Caroline’s Emergency care in the streets (7th ed.). Buffer systems: Jones & Bartlett Learning. pp. 347–349
  3. Robert M. Berne, et al., Fisiologia, Milano, Ambrosiana, 2000, ISBN 978-88-08-18274-6.
  4. Goldman L e Claude Bennet J, Cecil, Textbook of medicine, 21ª ed., W. B. Saunders Company, 2000
  5. Carbone E, Cicirata F e Aicardi G, Fisiologia: dalle molecole ai sistemi integrati, Napoli, EdiSES, 2008, ISBN 978-88-7959-341-0.
  6. Moroder W, Taddei F. Valutazione del benessere neonatale con determinazione routinaria del pH sul cordone ombelicale dopo il parto. AOGOI, 4° Corso di Aggiornamento in Medicina Perinatale. Bormio 20-26 febbraio 1994; pagg .113-45.
  7. Moroder W, de Bellis I. Il ruolo della misurazione del pH del sangue dell’arteria ombelicale, quale indicatore dello stato del neonato. Atti 79° congresso SIGO Catania 2003.
  8. Chauhan SP, Cowan BD, Meydrech EF et al. Determination of fetal acidemia at birth from a remote umbilical arterial blood gas analysis. Am J Obstet Gynecol 1999; 171: 1705-12.
  9. DuerbecK NB, Chaffin DG, Seeds JW . A practical approach to umbilical artery pH and blood gas determination. Obstet Gynecol 1992; 79: 959.
  10. Stato I, Saling E. Changes of pH values during storage of fetal blood samples. J Perinat Med 1975; 3 : 11.
  11. Westgate J, Garibaldi JM, Green KR. Umbilical cord blood gas analysis at  delivery: a time for quality data. Br J Obstet Gynaecol 1994; 101: 1054.
  12. Yeomans, ER; Hauth, JC; Gilstrap, LC III; Strickland DM (1985). “Umbilical cord pH, PCO2, and bicarbonate following uncomplicated term vaginal deliveries (146 infants)”. Am J Obstet Gynecol 151: 798–800
  13. Guyton Arthur C., Trattato di fisiologia medica, 4ª ed., Padova, Piccin-Nuova Libraria, 1995, ISBN non esistente.


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