AGUA Y PH

El agua se puede considerar como un ácido debido a su capacidad para ionizarse dando un protón y como una base por dar un anión hidróxido:

H-O-H H+ + OH-

La frecuencia con la que esto ocurre en el agua pura es muy baja. De hecho, en el agua pura sólo se ioniza una molécula de agua por cada 500 millones. Esto significa que las concentraciones molares de H+ y OH- en el agua pura son aproximadamente 10-7 cada una.

La concentración de iones hidrógeno en las disoluciones acuosas está comprendida entre valores superiores a 1 M y menores a 10-14 M. Por conveniencia, las concentraciones de H+ se expresan en una escala logarítmica, como pH. El pH de una disolución es el logaritmo negativo de su concentración de H+, o:

pH = -log [H+]

Por tanto, una concentración de H+ de 10-7 M tiene un pH de 7,0. En el agua pura, hay siempre el mismo número de H+

y de OH-, y el pH se define como neutro. (Nótese que el pH neutro no es siempre exactamente igual a 7,00; si se eleva la temperatura, se disocia más H2O y el pH será más bajo). Los ácidos son una fuente de H+ y hacen que el pH disminuya desde la neutralidad. Por el contrario, las bases captan H+ de la disolución y esto hace que el pH sea superior al neutro.

El ion bicarbonato

El tampón sencillo más importante en la sangre humana es el ion bicarbonato.

El bicarbonato, HCO3-, está en equilibrio con el CO2 y el H2CO3 (ácido carbónico) como sigue:

CO2 +H2O [H2CO3] H+ +HCO3-

del metabolismo (volátil)

siempre disponible

intermediario inestable

el término del pH

especie mayoritaria en sangre

La especie central en estas reacciones (H2CO3) es un ácido débil con un valor de pKa de 6,14. Sin embargo, el H2CO3

es inestable, o se rompe a CO2 y H2O a valores de pH por debajo de su pKa, o (lo más normal) a HCO3- y H+ en

condiciones de pH por encima de su pKa. De esta manera, sólo CO2, HCO3- y H+ se pueden medir efectivamente.

Anhidrasa carbónica

La tasa de formación de H2CO3 a partir de CO2 y H2O, normalmente baja, aumenta mucho mediante la enzima anhidrasa carbónica, que se encuentra en los glóbulos rojos sanguíneos.

Tampones biológicos

La capacidad de tamponamiento es una propiedad importante para los sistemas biológicos, donde un rápido cambio

de pH puede tener consecuencias desastrosas. Un tampón biológico eficaz debe ayudar a mantener la sangre en el intervalo "seguro" de pH = 7,35 a 7,45 evitando los cambios de pH en cualquier sentido fuera de este intervalo. Los cambios hacia pH ácido (es decir, por debajo de 7,35) son particularmente indeseables dadas las variaciones en la producción de ácidos, como láctico, pirúvico, acético, etc., en el metabolismo. La producción de dichos ácidos en el ejercicio extremo puede bajar el pH de la sangre periférica incluso por debajo de 7,0.

El sistema del tampón bicarbonato es clave en la regulación del pH en la sangre humana y puede responder a los cambios de pH de varias formas:

1. El ion bicarbonato es realmente la base conjugada del ácido carbónico:

H+ + HCO3- [H2CO3] ; pKa = 6,14

[Reacción ácido-base no enzimática, prácticamene instantánea]

2. El ácido carbónico, sin embargo, es rápidamente convertido en CO2 y agua por la anhidrasa carbónica, lo que hace de él una especie transitoria:

[H2CO3] CO2 + H2O ; pKa = 6,14 [Reacción enzimática con muy alta velocidad]

3. En relación a los dos productos de la reacción de la anhidrasa carbónica, el agua es fácilmente absorbida por el sistema, mientras que el CO2 se puede eliminar mediante la respiración. Además, la tasa de eliminación del CO2 en la respiración está controlada a través de mecanismos neurológicos.

4. La [HCO3-] y la [H+] pueden ser controladas (lenta e incompletamente) por mecanismos fisiológicos a nivel

renal.

Todas estos aspectos se pueden resumir como sigue:CO2 +H2O [H2CO3] H+ +HCO3

-

producido en el metabolismo

Siempre disponible

en equilibrio con las especies de cada lado

producido en el metabolismo

tampón sanguíneo preexistente

eliminado directamente en los pulmones

controlada en el riñón vía mecanismos fisiológicos no relacionados con el pH

convertido en los productos de la izquierda por la anhidrasa carbónica (glóbulos rojos)

control en el riñón o reacción con el bicarbonato para dar los productos de la izquierda

control en el riñón o reacción con los H+ para dar los productos de la izquierda

El sistema tampón bicarbonato y la acidosis metabólica leve

La respuesta a una acidosis leve es un proceso muy complejo que implica el control neural de la presión sanguínea y de la tasa de respiración. Sin embargo, el componente más eficaz de esta respuesta, el único que realmente corrige esta situación, es la expulsión de CO2 por los pulmones. El sistema tampón bicarbonato es el más adecuado para contrarrestar la acidosis, en parte porque la respiración elimina el CO2 y, en consecuencia, disminuye los H+.

En los tejidos metabólicamente activos, como el músculo durante el ejercicio intenso, la producción de CO2 (y ácido en forma de ácido láctico) puede producir una caída transitoria del pH local.

El sistema tampón bicarbonato de la sangre puede responder rápidamente a la acidosis leve (pH entre 7,15 y 7,35) mediante el control de la tasa de eliminación de CO2por los pulmones. Este ajuste puede ser muy rápido, como sabe cualquiera que haya subido un empinado tramo de escaleras.

Acción tamponante del H2CO3

Una acidosis leve produce, por la ley de acción de masas, un desplazamiento en el equilibrio del bicarbonato hacia la producción de CO2 que es expelido de los pulmones para elevar el pH sanguíneo. Si la acidosis continuara a pesar de

esto, otro mecanismo que actúa por debajo del pH 7,14 es la acción tamponante del H2CO3.

Sistema tampón bicarbonatoCO2 +H2O [H2CO3] H+ +HCO3

-

del metabolismo (volátil)

siempre disponible

intermediario inestable

el término del pH

especie mayoritaria en sangre

Incluso aunque el H2CO3 sea un intermediario inestable (mira la reacción superior), puede servir como conducto para la conversión de HCO3

- y del exceso de H+ a CO2 y agua, un proceso que se acelera cuando el pH sanguíneo se acerca a su pKa de 6,14.

Cuanto más cerca esté el pH del pKade 6,14, con más fuerza serán amortiguados los cambios de pH por la capacidad tamponante del sistema bicarbonato. Así, el pKa del ácido carbónico puede por sí mismo oponer clara resistencia a bajadas del pH sanguíneo por debajo de 7.

El problema es que, a diferencia de la acidosis leve, el consumo de HCO3- en la acidosis metabólica aguda puede

superar la disponibilidad metabólica corporal de este tampón sanguíneo vital, de manera que, si la situación acidótica se mantiene, la capacidad tamponante de la sangre se puede agotar. Por eso, en la acidosis metabólica grave (por ejemplo, por ingestión de grandes cantidades de ácido) puede ser necesaria la infusión de bicarbonato.

Valores normales

Intervalo normal de los valores de bicarbonato en sangre

pH 7,35-7,45

pCO2

(sangre arterial)35-45 mm Hg (=1,05-1,35 mM)

[HCO3-] 24-28 mmol/l (= mM, = mEq/l)

relación HCO3-/CO2 aproximadamente 20 (relacionado con el pH por la ecuación de Henderson/Hasselbach)

Contenido totalde CO2

[HCO3-] + (pCO2 x 0,0301) = 25-29 mM

Compensación

A menudo se encuentran pacientes con desviaciones significativas de los valores normales de bicarbonato en sangre, no obstante todavía mantienen el pH sanguíneo dentro de un intervalo compatible con la vida. Dichos pacientes han compensado circunstancias que normalmente producirían acidosis o alcalosis.

La tabla inferior recoge algunos de los cambios observables en estas diferentes situaciones.

= aumento

= disminución

=sin cambios destacados

N = no compensadoC = compensado

= las flechas rojas indican el defecto primario.

= las flechas verdes indican los mecanismos de compensación.

respiratoria metabólica

acidosis alcalosis acidosis alcalosis

N C N C N C N C

pH

relación HCO3

-/CO2

[HCO3-]

pCO2

CO2 total Nótese que el pH es casi normal en los casos compensados. La tabla superior destaca en rojo el indicador "primario" de los problemas respiratorios, que es pCO2, y el indicador "primario" para los problemas metabólicos, que es [HCO3

-].

Como la respiración es la principal vía de eliminación de CO2, el hecho de que la pCO2 sea el indicador primario de un problema respiratorio no debería sorprender. Sin embargo, que la [HCO3

-] sea el indicador "primario" de los problemas metabólicos quizás requiera de alguna explicación.

Supón que tu paciente ha ingerido un ácido. La [H+] aumentará, obviamente, desplazando el equilibrio de la reacción a la izquierda:

CO2+ H2O [H2CO3] H++ HCO3-

Observa que, como el equilibrio va a la izquierda, los niveles de HCO3-también se ven afectados (se consume, en este

caso). Se podría pensar que el pH (ya que se relaciona directamente con la [H+]) es el defecto "primario", pero el pH se puede ajustar mediante los mecanismos de compensación y, por tanto, no es por lo general la medida más fiable. El HCO3

-, debido a su variación en respuesta a alteraciones metabólicas (o exógenas), es realmente quien nos da el indicador más seguro de un problema "metabólico".

Los diversos mecanismos de compensación (alguno de los cuales se muestran en verde arriba) son el objeto de las cuatro últimas preguntas en esta serie de problemas.

Compensación de la alcalosis metabólica crónica

Una disminución en la tasa de respiración compensa la alcalosis metabólica crónica permitiendo que el CO2

sanguíneo aumente. Por la ley de acción de masas, este aumento del CO2 produce un incremento en el intermediario H2CO3, que, a su vez, se disocia en bicarbonato y H+, bajando así el pH.Como se podría esperar, el pH está próximo al normal en los casos de alcalosis metabólica compensados. El defecto causal de la alcalosis metabólica, aumento de la [HCO3

-], se mantiene, y la pCO2 aumenta como compensación.

Como se puede ver en la tabla superior, la alcalosis metabólica siempre produce un aumento en el pH sanguíneo que va acompañado por el correspondiente aumento en el HCO3

-sanguíneo. Dado que la compensación puede ocurrir o no (aunque normalmente lo hace), el pH por sí mismo no es la indicación "primaria" de una alcalosis metabólica, más bien la mejor indicación de lo que está sucediendo es la elevación del HCO3

-.

Para explicar por qué esto es así, se deben considerar dos consecuencias de la alcalosis:

1. En el caso más simple, la ingestión de álcali modificará el pH de forma instantánea al consumir H+. Lo mismo se puede conseguir, sin embargo, eliminando ácido del organismo, como puede ocurrir en una situación de vómitos prolongados.

2. Una disminución en la [H+] llevará la reacción a la derecha, elevando así la [HCO3-]:

CO2+ H2O [H2CO3] H++ HCO3-

La principal respuesta compensatoria a esto es la respiratoria (indicada como una flecha verde en la tabla), y quizás sea algo confuso que el organismo trate de llevar la reacción a la derecha (¡a la misma dirección hacia la que ya está siendo dirigida por la pérdida de H+!). Sin embargo, recuerda que lo que el organismo está tratando de hacer en este caso es corregir el pH, de manera que llevando la reacción hacia la derecha mediante la retención de CO2 en los pulmones, aumenta la [H+], bajando por ello el pH a sus valores normales.

Compensación adicional

Una compensación adicional (no mostrada en la tabla) puede darse de forma más lenta mediante el ajuste de H+ y

HCO3- (se trata de normalizar cada uno de ellos reteniendo H+y excretando HCO3

-), pero esto generalmente es muy incompleto.

Compensación de la acidosis respiratoriaUn paciente con un pulmón colapsado que no puede eliminar CO2 a un ritmo normal sufrirá una acidosis respiratoria. Esto sucede porque el aumento correspondiente en el CO2 sanguíneo produce un aumento en el intermediario H2CO3

que, a su vez, se disocia en bicarbonato y H+, bajando así el pH.

CO2+ H2O [H2CO3] H++ HCO3-

Puesto que el principal problema en la acidosis respiratoria afecta al pulmón, el único órgano que puede compensarla realmente es el riñón. Como se puede predecir por la reacción superior, el riñón retiene HCO3

-(mira la flecha verde en la tabla inferior) para conducir la reacción de nuevo hacia la izquierda y reducir así los H+. (El riñón tiene también una capacidad limitada para excretar los H+ directamente.)

Acidosis metabólica compensada

La acidosis metabólica compensada se manifestaría por una desviación de los valores sanguíneos normales, como destaca la tabla inferior. Nótese que el defecto primario está indicado por una disminución en la concentración del ion bicarbonato. La compensación está indicada por un descenso en la pCO2 que se debe al aumento de la eliminación de CO2por los pulmones, que es la compensación más eficaz para este problema metabólico. Merece la pena recordar que cualquier alteración del pH no respiratoria (es decir, metabólica) se compensa mejor en los pulmones.

Alcalosis respiratoria

La alcalosis respiratoria no es un caso común y, en esta situación, fue debida a un acto deliberado (¡y mal orientado!) de hiperventilación prolongada. Esto es realmente bastante peligroso puesto que el cerebro es sensible al pH elevado y también porque el sistema tampón bicarbonato es menos útil a pH > 7,4.

Al ser un problema respiratorio, el defecto primario se manifiesta en los niveles de la pCO2 (véase la tabla superior). La baja pCO2 desplaza el equilibrio de la reacción a la izquierda, reduciendo la [H+] y elevando así el pH:

CO2+ H2O [H2CO3] H++ HCO3-

Compensación y tratamiento

La forma de compensar un problema respiratorio en el organismo es mediante la acción renal (en este caso, excretando HCO3

-), como indica la flecha verde arriba. Esto dirige el equilibrio otra vez a la derecha, llevando la [H+] nuevamente a su intervalo normal. El riñón también tiene una capacidad limitada para retener H+, pero todo esto requiere tiempo.

EVALUACIÓN DE pH

Problema 1: ¿qué es el bicarbonato sanguíneo?

El bicarbonato sanguíneo se puede ver como:A. la forma ionizada (desprotonada) del ácido carbónico, que deriva de CO2 y agua. B. la forma protonada del dióxido de carbono. C. una especie transitoria que no se puede medir en los fluidos biológicos. D. formado a partir del peróxido de hidrógeno por acción de la catalasa.

Problema 2: el bicarbonato como tampón biológico

¿Qué características del bicarbonato sódico contribuyen a su eficacia como tampón biológico?A. El ion bicarbonato (HCO3

-) se puede combinar con un protón (H+) para formar ácido carbónico (H2CO3), absorbiendo así protones de la disolución y elevando el pH sanguíneo. B. El ácido carbónico, que se puede formar a partir de CO2 y agua, puede disociarse en H+ y HCO3

- para proporcionar H+ y bajar el pH sanguíneo. C. El ácido carbónico, que se puede formar a partir del bicarbonato, se convierte en CO2 y agua mediante una reacción enzimática muy rápida. D. El CO2, por ser volátil, puede ser rápidamente eliminado del organismo en cantidades variables mediante la respiración.

Problema 3: respuesta rápida a una acidosis leve

El sistema tampón bicarbonato de la sangre puede responder rápidamente a una acidosis metabólica leve (entre pH 7,15 y 7,35) mediante: A. la eliminación de CO2 por los pulmones. B. la retención de HCO3- en el riñón. C. la excreción de H+ por el riñón. D. la acción tamponante directa del intermediario central H2CO3. E. la retención de CO2 en los pulmones.

Problema 4: respuesta rápida adicional a la acidosis

Continuando con la cuestión anterior, una respuesta rápida adicional a la acidosis metabólica actúa a pH 7,14 o inferior, y es: A. la retención de OH- en el riñón. B. la retención de HCO3- en el riñón. C. la excreción de H+ por el riñón. D. la acción tamponante directa del intermediario central H2CO3. E. la retención de CO2 en el pulmón.

Problema 5: diagnóstico de acidosis y alcalosis

El intervalo normal para el pH sanguíneo es 7,35-7,45. Los pacientes con acidosis o alcalosis tendrán valores de pH fuera de este intervalo. A. Verdadero B. Falso

Problema 6: compensación de la alcalosis metabólica crónica

En la alcalosis metabólica crónica, la compensación eficaz por parte del organismo implica: A. excretar H+ por el riñón. B. retener CO2 en los pulmones. C. excretar HCO3- por el riñón. D. retener NH4+Cl- en el riñón. E. excretar OH- por el riñón.

Problema 7: compensación crónica de un pulmón colapsado

Supón que un paciente tiene un pulmón colapsado y que no puede eliminar el CO2 a un ritmo normal. La compensación crónica implicaría:

A. aumento en la actividad de la anhidrasa carbónica.B. retención de H+ en el riñón.C. retención de HCO3

- en el riñón.D. excreción renal de HCO3

-.E. cambio al metabolismo anaerobio.

Problema 8: compensación crónica de una dieta rica en ácidos

Tu paciente presenta los siguientes parámetros sanguíneos. Cuando se le pregunta sobre su dieta, admite haberse excedido en el consumo de cítricos en las últimas semanas y que sus bebidas favoritas son los zumos de pomelo y tomate.

Valores delpaciente

Valoresnormales

pH 7,32 7,35-7,45

pCO2 25 mm Hg 35-45 mm Hg

[HCO3-] 15 mmol/l 24-28 mmol/l

¿En qué situación parece estar este paciente?

A. acidosis respiratoria compensadaB. acidosis metabólica compensadaC. acidosis respiratoria no compensadaD. acidosis metabólica no compensada

Problema 9: compensación de la hiperventilación

Un hombre de 19 años acude a urgencias con los siguientes parámetros sanguíneos:

Valores delpaciente

Valoresnormales

pH 7,55 7,35-7,45

pCO2 25 mm Hg 35-45 mm Hg

[HCO3-] 22 mmol/l 24-28 mmol/l

Sus compañeros informan de que estaba "tratando de establecer el récord mundial de contener la respiración bajo el agua", pero que se había desmayado tras hiperventilar durante 15 minutos.

¿En qué situación parece estar este paciente?