ADE: il pH del sangue: aspetti chimici e fisiopatologici
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ALCUNE PREMESSE FONDAMENTALI
1)
Mantenere costante il pH dei liquidi corporei e' necessario per la sopravvivenza
. Le funzioni dell'organismo dipendono fortemente dal pH dei liquidi biologici: fenomeni come la catalisi enzimatica, il riconoscimento molecolare, il trasporto cellulare, etc. presentano tutti un pH ottimale e diventano progressivamente meno efficienti quando il pH si allontana da questo valore.
2)
Il metabolismo produce acidi
. Il metabolismo degli animali (quindi dell'uomo) e' ossidativo. gli alimenti (macronutrienti) sono composti principalmente da
carbonio in uno stato ridotto
, che viene ossidato a CO
2
grazie all'ossigeno ottenuto con la respirazione. Ad esempio il glucosio e' un nutriente che fornisce energia grazie alla reazione complessiva:
C
6
H
12
O
6
+ 6 O
2
--> 6 CO
2
+ 6 H
2
O + energia
Poiche' il carbonio e' un non-metallo, i suoi ossidi sono acidi
; e' infatti un acido la CO
2
, che reagisce con l'acqua per formare l'acido carbonico e sono acidi anche altri prodotti del metabolismo come l'acido lattico o l'acido acetoacetico.
Anidride carbonica e acido carbonico:
CO
2
+ H
2
O <==> H
2
CO
3
Acido lattico:
CH
3
-CHOH-COOH
Acido acetoacetico:
CH
3
-CO-CH
2
-COOH
Il metabolismo di un adulto di peso medio che non faccia attivita' fisica intensa, produce circa 2000 kcal/die. Poiche' l'equivalente calorico dell'ossigeno e' pari a circa 117 kcal/mole e' facile calcolare che in un giorno un adulto di peso medio che faccia attività fisica moderata consuma tra 16 e 20 moli di O
2
al giorno (circa 9-12 mmoli/min.) e produce tra 14 e 19 moli di CO
2
(circa 7-9 mmoli/min.), con un rapporto CO
2
/O
2
(
quoziente respiratorio
) compreso tra 0,7 e 1.
Dai valori sopra indicati si ricava che il sangue scambia circa 12 mmoli di O
2
e circa 10 mmoli di CO
2
al minuto. Poiche' la portata circolatoria e' di circa 5 L/minuto, ogni litro di sangue assorbe nel polmone circa 2,5 mmoli di ossigeno e rilascia circa 2 moli di CO
2
.
Questa quantita' e' superiore al contenuto di CO
2
(circa 1,3 mM)
ed e' ottenuta grazie alla conversione di bicarbonato in CO
2
, catalizzata dall'anidrasi carbonica.
3) Aggiungiamo che il metabolismo degli animali essenzialmente non produce composti basici. La principale base prodotta dal metabolismo e' l'ammoniaca che deriva dalla deaminazione degli aminoacidi ottenuti con l'alimentazione; questa viene pero' convertita rapidamente in urea, un composto che non da apprezzabile reazione basica.
4) L'enorme carico di acidi prodotto giornalmente dall'organismo e' eliminato dal polmone e dal rene; inoltre sostanze acide ancora utilizzabili dal metabolismo devono essere trasportate ali organi in grado di utilizzarle (principalmente il fegato); questo richiede il trasporto ematico della CO
2
e degli altri metaboliti acidi nel sangue. Il sangue mantene costante il valore del suo pH grazie alla presenza di numerose
sostanze tampone
. I principali tamponi del sangue e in generale dei liquidi biologici sono:
a)
i residui aminoacidici titolabili sulla superficie delle proteine
. Le proteine raggiungono concentrazioni molto elevate nei liquidi biologici e ciascuna di esse presenta numerosi aminacidi capaci di agire come tamponi. A titolo di riferimento si consideri che il contenuto totale di proteine nel plasma di sangue e' 7g/dL, mentre il contenuto di emoglobina nel sangue intero e' 14 g/dL (e nel citoplasma dell'eritrocita piu' del doppio).
b)
La coppia anidride carbonica - bicarbonato
che nel plasma di sangue raggiunge la concentrazione complessiva di circa 28 mmoli/L. Poiche' l'anidride carbonica e' il principale prodotto del nostro metabolismo,
il metabolismo ha effetti, oltre che sulla produzione dell'energia e sul pH dei liquidi biologici, anche sulla concentrazione di uno tra i principali tamponi
.
c)
Il fosfato
, che ha una concentrazione plasmatica di circa 2 mmoli/L, ma del quale e' presente una enorme riserva nella matrice minerale dell'osso.
L'EQUAZIONE DI HENDERSON-HASSELBALCH
Una soluzione tampone e' costituita da un acido debole o una base debole in presenza del proprio sale; il pH della soluzione è determinato dal rapporto tra le concentrazioni delle specie dissociata e indissociata, secondo la legge di azione delle masse, o, dall'equazione di Hemderson e Hasselbalch, che si ottiene trasformando quest'ultima nella sua forma logaritmica. Ad esempio per il tampone acetato si ha:
[H
3
O
+
] = Ka x [CH
3
-COOH] / [CH
3
-COO
-
]
pH = pKa + log ([CH
3
-COO
-
] / [CH
3
-COOH])
Il sangue pero' e' un sistema troppo complesso per applicare queste formule
: infatti il tampone presente alla massima concentrazione e' dato dagli aminoacidi titolabili sulla superficie delle proteine, ciascuno dei quali ha la sua concentrazione e il suo pKa, entrambi noti solo approssimativamente. In pratica
l'equazione di Henderson e Hasselbalch viene applicata al solo tampone bicarbonato
, come segue:
- le reazioni di questo sistema tampone sono le seguenti:
CO
2, gas
<==> CO
2, aq
CO
2, aq
+ H
2
O <==> H
2
CO
3
H
2
CO
3
+ H
2
O <==> HCO
3
-
+ H
3
O
+
HCO
3
-
+ H
2
O <==> CO
3
=
+ H
3
O
+
- Questo sistema puo' essere semplificato considerando che le concentrazioni di H
2
CO
3
e CO
3
=
sono molto basse e quindi queste sostanze possono essere ignorate; inoltre la concentrazione di CO
2
in acqua (CO
2, aq
) e' correlata alla pressione parziale del gas dal relativo coefficiente di solubilita' che vale 0,031 mM/mmHg.
- Applicando queste semplificazioni il sistema si riduce a:
CO
2, gas
<==> CO
2, aq
CO
2, aq
+ 2 H
2
O <==> HCO
3
-
+ H
3
O
+
a cui corrisponde l'equazione di Henderson e Hasselbalch:
pH = 6,1 + log ([HCO
3
-
] / 0,031xPCO
2
)
- In questa equazione 6,1 rappresenta il pKa apparente dell'anidride carbonica e corrisponde al logaritmo cambiato di segno del prodotto delle costanti di equilibrio della reazione di idratazione della CO
2
e della prima dissociazione dell'acido carbonico.
- Questo tampone non lavora nelle sue condizioni ottimali (che corrispondono ad un pH compreso tra pK-1 e pK+1, e ad un rapporto [sale]/[acido] compreso tra 0,1 e 10); infatti pH=pKa+1,3 e [sale]/[acido]=20.
Il sangue arterioso contiene approssimativamente 9 mmoli/L di O
2
; 1,3 mmoli/L di CO
2
e 26 mmoli/L di bicarbonato (valore del plasma; nel globulo rosso circa 20 mmoli/L). L'anidride carbonica totale e' data dalla somma di CO
2
come tale; bicarbonato; CO
2
legata ai gruppi aminici delle proteine, sotto forma di carbamati:
L'anidride carbonica nel sangue
CO
2
come tale
1,3 mM (P CO
2
=40 mmHg)
circa 5%
HCO
3
-
22 mM (nel plasma 26 mM)
circa 90%
CO
2
come carbamati
circa 1,5 mM
circa 5%
CO
2
totale
circa 24 mM
100%
IL POTERE TAMPONE DEL SANGUE
Il concetto di
potere tampone
fu introdotto nella chimica e nella chimica clinica da
D.D. Van Slyke nel 1922
. E' definito come la quantita' di acido o di base forte necessaria per cambiare il pH della soluzione di una unita'. Il potere tampone dipende dalla concentrazione del tampone (intesa come somma C
tot
=C
a
+C
s
) e dalla relazione che intercorre tra il pH al quale viene effettuata la misura e il pK del tampone. Il potere tampone cosi' definito corrisponde al reciproco della tangente della curva di titolazione per il valore di pH considerato, ed e' massimo quando il pH e' uguale al pKa (o il pOH e' uguale al pKb nel caso di tamponi di base debole). Poiche' la funzione C
s
/C
tot
=f (pH) e' una sigmoide simmetrica possiamo facilmente calcolare il potere tampone in un piccolo intervallo di pH avente al centro il valore del pKa. Ad esempio per un tampone di acido debole con C
tot
=10 mM e' facile calcolare:
pH = pKa - 0,5 comporta C
s
/C
a
= 0,316; C
s
= 2,4 mM; C
a
= 7,6 mM;
pH = pKa + 0,5 comporta C
s
/C
a
= 3,16; C
s
= 7,6 mM; C
a
= 2,4 mM
Questo semplice calcolo ci dice che per cambiare il pH da pH=PKa+0,5 a pH=pKa-0,5 dobbiamo convertire 7,6-2,4=5,2 mMoli/L di sale in acido, e questo si ottiene aggiungendo al tampone 5,2 mMoli/L di acido forte. Pertanto
il massimo potere tampone e' pari a circa 0,52 mMoli/L di acido per mMole/L di tampone
(il valore limite della funzione e' in realta' 0,57 mMoli/L di acido per mMole/L di tampone).
Il calcolo del potere tampone diventa piu' complesso quando sono presenti contemporaneamente piu' sistemi tampone nella stessa soluzione, e sostanzialmente impossibile quando di non tutti questi sistemi tampone e' nota la concentrazione, come avviene per il sangue. In questo caso e' preferibile misurare direttamente il potere tampone, titolando il liquido con un acido o una base debole.
Titolando il sangue con acido o base forti si ottengono i seguenti
valori medi di potere tampone
:
sangue intero: 38 mEq/L; plasma 16 mEq/L
Si osserva che:
1) il
potere tampone del plasma
al pH fisiologico di 7,4 corrisponde a quello massimo di un tampone con C
tot
=31 mM. In realta' la concentrazione di tamponi del plasma e' maggiore di questo valore perche' questo valore di pH non corrisponde al pKa di tutte le sostanze che agiscono come tamponi. Quando la stessa soluzione contiene piu' tamponi, ciascuno col suo potere tampone, il potere tampone complessivo e' dato dalla loro somma. Il potere tampone esercitato dal bicarbonato nel sangue e' relativamente modesto perche' il pH fisiologico e' piuttosto lontano dal pKa e puo' essere stimato in circa 5 mEq/L, ovvero attorno al 15% del potere tampone complessivo del sangue intero e un terzo del potere tampone del plasma.
2) Il
potere tampone del sangue
intero e' molto piu' alto di quello del plasma perche' i globuli rossi contengono una concentrazione molto piu' elevata di proteine (l'emoglobina da sola corrisponde a circa 30 g/dL nel globulo rosso e 14 g/dL nel sangue intero), il cui pKa e' piu' prossimo al pH fisiologico.
TAMPONI DINAMICI E TAMPONI STATICI
La descrizione dei tamponi del sangue data finora e' statica, e risponde alla domanda: "quali sistemi tampone sono presenti in un campione di sangue prelevato dal paziente e sottoposto all'emogas analisi?" Si deve pero' considerare che
in vivo
le proteine e il fosfato hanno ricambio piuttosto lento mentre la CO
2
viene prodotta ed eliminata ad un ritmo molto elevato; il sistema CO
2
-bicarbonato è quindi molto dinamico e risulta molto informativa dal punto di vista dell'analisi clinica. Dai dati sulla produzione giornaliera di CO
2
riportati all'inizio di questo documento si ricava che un adulto in un'ora produce oltre 0,5 moli di CO
2
, una quantita' di molto superiore al potere tampone di tutto il sangue dell'organismo, e prossima al potere tampone di tutto il liquido extracellulare!
La via principale per la produzione della CO
2
e' il metabolismo;
la via principale per la sua eliminazione e' la respirazione
. In ogni minuto 5 L di sangue attraversano i capillari polmonari e assorbono circa 10 mmoli di O
2
(cioe' 2 mmoli/L), mentre rilasciano nell'aria espirata circa 8-9 mmoli di CO
2
(cioe' 1,8 mmoli/L). Si nota che:
-
l'ossigeno viene scambiato soltanto per circa il 25% del suo contenuto
(cioe' il sangue venoso ha ancora un contenuto di O
2
di 7 mmoli/L); il gradiente artero-venoso della PO
2
e' piuttosto grande (PO
2 arteriosa
= 100-110 mmHg; PO
2 venosa
= 25-40 mmHg; gradiente 60-85 mmHg).
-
La CO
2
viene scambiata per circa il 6,5% del suo contenuto totale
(dato dalla somma della CO
2
e del bicarbonato); il gradiente artero-venoso della PCO
2
e' molto piccolo (PCO
2 arteriosa
= 38-40 mmHg; PO
2 venosa
= 45 mmHg; gradiente 5-7 mmHg).
-
La quantita' di CO
2
scambiata (1,8 mmoli/L) eccede il contenuto di CO
2
come tale del sangue (1,2 mmoli/L)
. Questo e' possibile grazie alla reazione di conversione del bicarbonato in anidride carbonica e' catalizzata dall'anidrasi carbonica, richiede un acido (fornito dai tamponi proteici), e comporta che il polmone elimina sia CO
2
che bicarbonato, quasi nello stesso rapporto in cui si trovano nel sangue:
HCO
3
-
+ HX
+
<==> CO
2
+ H
2
O + X
si noti che il secondo tampone (X / HX
+
) e' indicato come quello di una base debole perche' il contributo principale e' dato dalla reazione basica dei residui di istidina delle proteine ematiche.
- se non fossero presenti nel sangue altri tamponi, attivi anche a pH diversi da quello fisiologico, l'alcalinizzazione del sangue nel polmone sarebbe molto marcata perche' l'acido del tampone bicarbonato (la CO
2
) e' eliminato in misura addirittura maggiore del suo contenuto! Ma noi sappiamo che il potere tampone del sangue al pH fisiologico e' di circa 38 mEq/L, molto superiore alla CO
2
totale.
- La descrizione dei sistemi tampone del sangue puo' essere semplificata approssimandola all'esistenza di due soli tamponi: uno costituito dalle proteine (e in particolare dall'emoglobina), che esercita la gran parte del potere tampone, e uno costituito dalla CO
2
. In questo sistema complesso risulta costante la somma delle concentrazioni dei componenti deprotonati dei due tamponi: [HCO
3
-
] + [X].
Questo consente di scrivere un modello della reazione complessiva dei tamponi del sangue che utilizzando tre variabili e tre costanti e' in grado di dare una descrizione qualitativa di tutti gli equilibri chimici. Il sistema e' cosi' costituito:
CO
2
+ 2 H
2
O <=> HCO
3
-
+ H
3
O
+
HX
+
+ H
2
O <=> X + H
3
O
+
[HX
+
] + [X] = [X
tot
] (costante)
[HCO
3
-
] + [X] = S
dp
(costante)
Le variabili indipendenti del sistema sono: la PCO
2
; la concentrazione totale del tampone ([X
tot
]); e la somma delle concentrazioni delle specie deprotonate dei due tamponi (S
dp
). Le costanti necessarie alla descrizione del sistema sono: il coefficiente di solubilita' della CO
2
(S
CO2
= 0,03 mM/mmHg), laKa della CO
2
(K
a, CO2
), la Ki di idrolisi della base debole X.
L'equazione che descrive il sistema e':
[H
3
O
+
] = K
a, CO2
0,03 PCO
2
/ [HCO
3
-
] = Ki [HX
+
] / [X]
In questa equazione si possono sostituire: [HCO
3
-
] = S
dp
- [X] e [HX
+
] = [X
tot
] - [X]; si ottiene:
K
a, CO2
0,03 PCO
2
/ (S
dp
- [X]) = Ki ([X
tot
] - [X]) / [X]
L'equazione precedente ha una sola incognita e puo' essere trasformata nella seguente equazione di secondo grado:
[X]
2
- [X] (S
dp
+ [X
tot
] + 0,03 PCO
2
K
a, CO2
/ Ki) + S
dp
[X
tot
] = 0
Una volta trovato il valore di [X] si possono calcolare il pH e tutte le altre variabili del sistema.
-
Il polmone elimina soltanto acidi
: infatti elimina CO
2
(l'acido del tampone bicarbonato) e per poter eliminare il bicarbonato (la base del tampone) deve convertirlo in CO
2
a spese del tampone proteico, (cioe' convertendo HX
+
in X).
Sebbene il polmone elimini oltre il 95% della CO
2
prodotta dal metabolismo, la sua funzione e' regolata soprattutto dal fabbisogno dell'ossigeno e pertanto non è finemente regolata dalla CO
2
. La regolazione fine della CO
2
totale e' effettuata dal rene che elimina bicarbonato. Il rene puo' sia riassorbire bicarbonato che secernerlo nell'urina, sempre scambiandolo con ione cloruro. Per questo il pH dell'urina e' variabile tra 4,5 e 8,0. Siccome il rene non e' vincolato, come il polmone, a richieste fisiologiche diverse e concomitanti (il fabbisogno di ossigeno), la sua capacita' di eliminare il bicarbonato e' determinata esclusivamente dallo stato dell'equilibrio acido-base del sangue. Al contrario del polmone
il rene puo' eliminare sia acidi che basi
; infatti il pH dell'urina puo' variare tra 4,5 e 8. Il rene filtra dal sangue bicarbonato e cloruro e poi riassorbe l'uno a spese dell'altro a seconda delle necessita' dell'organismo. Riassorbire bicarbonato a spese del cloruro equivale a scambiare uno ione inerte ai fini del pH con uno che da idrolisi basica, cioe' riassorbire basi; eliminare bicarbonato nell'urina, riassorbendo cloruro significa eliminare basi. Il riassorbimento renale del bicarbonato e' completamente indipendente dalla CO
2
. Inoltre il rene elimina con l'urina molte sostanze acide o basiche che possono trovarsi nel sangue: ammoniaca, acido lattico, acido acetoacetico, etc.
PATOLOGIE CHE ALTERANO IL pH DEL SANGUE
Fin qui abbiamo considerato la fisiologia del pH del sangue; bisogna ora considerarne le patologie. Molte malattie possono causare alterazioni del pH del sangue, sia nel senso dell'acidita' (
acidosi
) che nel senso opposto (
alcalosi
). Ricordiamo che l'analisi del pH del sangue si chiama emogas analisi e misura il pH, la PO
2
, la PCO
2
e la concentrazione del bicarbonato; gli strumenti moderni misurano in aggiunta molti altri parametri. Le malattie che possono alterare il pH del sangue si dividono in due gruppi: malattie dell'apparato respiratorio e malattie di altri organi ed apparati (gruppo cosiddetto "metabolico").
1)
Malattie dell'apparato respiratorio
possono compromettere gli scambi respiratori, causando
una diminuzione della PO
2
e un aumento della PCO
2
. Poiche' la CO
2
e' l'acido del tampone bicarbonato, queste malattie causano una
acidosi respiratoria
. Se la malattia insorge acutamente (ad es. polmonite virale; overdose da oppiacei; trauma toracico; etc.) il bicarbonato aumenta soltanto di poco e la variazione del pH ematico è severa. Se la malattia ha decorso cronico (ad es. enfisema; broncopneumopatia cronica ostruttiva del fumatore; etc.) il rene corregge il pH aumentando il riassorbimento tubulare del bicarbonato (azione detta
compenso
) e la variazione del pH risulta contenuta, a spese pero' di un significativo aumento del bicarbonato.
La condizione opposta (
alcalosi respiratoria
, di aumento degli scambi respiratori, e' relativamente rara (le malattie riducono la funzionalita' d'organo, non la aumentano). Si verifica se il paziente iperventila; ad esempio in corso di una escursione in alta montagna (l'iperventilazione in questo caso e' dovuta alla ridotta PO
2
; "fame di ossigeno"), oppure come conseguenza di una lesione neurologica che sovrastimola i centri respiratori (respiro di Kussmaul).
Un sommario di queste condizioni e' riportato nella tabella seguente:
condizione normale o patologica
effetto sulla PCO
2
effetto sul bicarbonato
effetto sul pH
parametri clinici esemplificativi
stato di salute
normale
normale
normale
PO
2
=96 mmHg; PCO
2
=40 mmHg; [HCO
3
-
]=25 mM; pH=7,40
acidosi respiratoria acuta; scambi gassosi compromessi; compenso renale assente
significativo aumento
aumento moderato
grave diminuzione
PO
2
=70 mmHg; PCO
2
=60 mmHg; [HCO
3
-
]=28 mM; pH=7,28
acidosi respiratoria cronica; scambi gassosi compromessi; compenso renale presente
significativo aumento
significativo aumento
diminuzione modesta
PO
2
=70 mmHg; PCO
2
=70 mmHg; [HCO
3
-
]=40 mM; pH=7,36
alcalosi respiratoria acuta; iperventilazione; compenso renale assente
significativa diminuzione
diminuzione modesta
aumento significativo
PO
2
=98 mmHg; PCO
2
=28 mmHg; [HCO
3
-
]=22 mM; pH=7,50
alcalosi respiratoria cronica; iperventilazione; compenso renale presente
significativa diminuzione
significativo diminuzione
aumento modesto
PO
2
=98 mmHg; PCO
2
=23 mmHg; [HCO
3
-
]=16 mM; pH=7,45
2)
Malattie "metaboliche"
Nel contesto delle alterazioni del pH del sangue, il termine "metabolico" va inteso in senso lato e raggruppa tutti quei disturbi che non originano dalla compromissione degli scambi gassosi nel polmone. Il polmone puo', entro certi limiti, compensare le variazioni del pH del sangue aumentando (iperpnea) o diminuendo la frequenza e l'ampiezza degli atti respiratori. L'aumento della ventilazione causa diminuzione della PCO
2
e fa aumentare il pH del sangue; la diminuzion della ventilazione causa effetti opposti. Poiche' il compenso respiratorio e' rapido, in questo tipo di disturbi non e' necessario distinguere condizioni acute e croniche. I disturbi metabolici del pH del sangue sono molto numerosi e vari. Possibili cause di acidosi metaboliche sono: produzione di acidi diversi dalla CO
2
(ad es. chetoacidosi diabetica; acidosi lattica in corso di ipossia o sepsi; intossicazioni; etc.); malattie tubulari del rene con perdita di bicarbonato; etc. Possibili cause di alcalosi metaboliche sono tutte le perdite di acidi (ad es. vomito prolungato; acidurie; etc.). La seguente tabella riassume i principali parametri clinici di queste condizioni:
condizione normale o patologica
effetto sulla PCO
2
effetto sul bicarbonato
effetto sul pH
parametri clinici esemplificativi
stato di salute
normale
normale
normale
PO
2
=96 mmHg; PCO
2
=40 mmHg; [HCO
3
-
]=25 mM; pH=7,40
acidosi metabolica
diminuzione
diminuzione (compenso polmonare)
diminuzione
PO
2
=96 mmHg; PCO
2
=23 mmHg; [HCO
3
-
]=6.5 mM; pH=7,06
alcalosi metabolica
normale
aumento
aumento
PO
2
=90 mmHg; PCO
2
=44 mmHg; [HCO
3
-
]=40 mM; pH=7,56
3)
Condizioni miste
. Soprattutto nel paziente anziano e' possibile osservare la compresenza di due malattie distinte che alterano il pH del sangue nella stessa direzione o in direzioni opposte. La diagnosi in questi casi e' difficile. Esempi tipici di condizioni miste sono: vomito prolungato (acuto) in un paziente che soffre di enfisema o di BPCO (cronici); insufficienza renale con acidosi tubulare renale (cronica) in un paziente con polmonite virale (acuta); etc.
L'EMOGAS ANALISI E LA SUA INTERPRETAZIONE
Poiche' il tampone clinicamente piu' informativo ha un componente gassoso (CO
2
), l'analisi del pH del sangue implica anche l'analisi dei gas respiratori. L'emogas analisi si effettua su sangue arterioso e si interpreta secondo i seguenti principi:
1) il pH ci informa sul fatto che la condizione principale sia una acidosi o una alcalosi.
2)
La PCO
2
rappresenta il gradiente che e' necessario al polmone per eliminare la CO
2
prodotta dal metabolismo
e ci informa sulla funzionalita' del polmone; se aumentata e' indice di patologia polmonare. Una diminuzione della PCO
2
puo' essere causata soltanto dall'iperventilazione di un polmone sano (o almeno non gravemente malato) e puo' essere compensatoria nei confronti di una acidosi metabolica. L'iperventilazione ha sempre maggiore effetto sulla PCO
2
che sulla PO
2
per due ragioni: perche' avvicina la pressione del gas nel sangue a quella esterna (meno di 1 mmHg per la CO
2
, 150 mmHg per l'O
2
), e perche' il contenuto di O
2
del sangue e' saturabile, a causa del legame con l'emoglobina.
3)
Il bicarbonato e' controllato sia dal polmone che dal rene
, sia per ragioni di malattia che di compenso.
Un significativo aumento del bicarbonato e' certamente dovuto al rene
e non può essere prodotto dal polmone ne' in condizioni patologiche ne' per ragioni compensatorie. Per contro una diminuzione del bicarbonato puo' essere dovuta sia al rene che al polmone: il rene lo elimina scambiandolo col cloruro, il polmone convertendolo in CO
2
Sono disponibili molti grafici e nomogrammi che aiutano l'interpretazione degli squilibri acido-base del sangue. Uno tra i piu' semplici da usare e' il nomogramma di Arbus che grafica il bicarbonato e l'anidride carbonica:
Si noti in particolare che:
- i massimi aumenti della PCO
2
si osservano nelle malattie del polmone; il compenso polmonare dell'alcalosi metabolica produce solo un modesto aumento della PCO
2
;
- i massimi aumenti del bicarbonato dipendono dal rene, e si osservano nell'alcalosi metabolica e nel compenso dell'acidosi respiratoria cronica. Nell'acidosi respiratoria acuta (prima cioe' che si instauri il compenso renale) l'aumento del bicarbonato e' minimo.
L'ANION GAP (DIFETTO DI ANIONI)
I principali elettroliti del plasma, con le relative concentrazioni (valori medi per la popolazione sana) sono i seguenti:
Na
+
135 mEq/L
K
+
5 mEq/L
Cl
-
100 mEq/L
HCO
3
-
26 mmoli/L
Si osserva che la somma delle cariche positive eccede quella delle cariche negative; la differenza tra le due si chiama
anion gap
(difetto di anioni):
anion gap = ([Na
+
] + [K
+
]) - ([Cl
-
] + [HCO
3
-
]) = 14 mEq/L
Ovviamente il plasma, come qualsiasi altro liquido corporeo o altra soluzione e' elettricamente neutro; quindi l'
anion gap e' la stima delle cariche negative non misurate
. Gran parte del difetto di anioni, in condizioni fisiologiche, e' dovuto alle cariche negative delle proteine (principalmente dell'albumina che ha un punto isoelettrico di circa 4,7 ed e' quindi carica negativamente al pH fisiologico di 7,4).
In alcune acidosi metaboliche, pero', si puo' osservare un significativo aumento dell'anion gap, dovuto alla presenza nel plasma di altri anioni non misurati: acido lattico, acido acetoacetico, etc.
Quindi l'anion gap e' un importante indice diagnostico. Tutti gli strumenti moderni per l'emogas analisi misurano anche gli elettroliti principali e l'anion gap.
I PARAMETRI STANDARD
Soprattutto nel paziente anziano, si possono verificare disturbi piu' complessi dell'equilibrio acido-base, a causa della coesistenza di due o piu' patologie; ad esempio un paziente potrebbe soffrire di broncopneumopatica cronica ostruttiva (che causa una acidosi respiratoria cronica) e di una infezione intestinale con vomito prolungato (che causa una alcalosi metabolica). Per interpretare i disturbi complessi, ma anche per valutare in modo quantitativo la severita' dei disturbi semplici, la scuola di fisiologia di Copenhagen introdusse nell'uso clinico il concetto dei
parametri standard
. In pratica si procede come segue: il campione di sangue del paziente viene prima sottoposto all'analisi di routine dei parametri fisiologici. Successivamente, lo stesso campione viene equilibrato nelle
condizioni standard: PO
2
=100 mmHg, PCO
2
=40 mmHg, T=37
o
C
e tutti i parametri vengono nuovamente misurati. La logica (teorica) di questa procedura e' quella di eliminare la componente polmonare del disturbo (sia essa patologica o compensatoria) e isolare la componente metabolica. In realta' questa separazione dele due componenti respiratoria e metabolica e' incompleta e l'interpretazione dei parametri standard richiede molta esperienza. Il primo parametro standard, dal punto di vista cronologico, fu il
pH standard
introdotto nell'uso clinico da Hasselbalch nel 1916. Seguirono il
bicarbonato standard
, e il
base deficit (o excess)
entrambi dovuti a Astrup e Siggaard Andersen.
Suggerimenti per l'approfondimento:
1) P.K. Hamilton, N.A. Morgan, G.M. Connolly and A.P. Maxwell
Understanding Acid-Base Disorders
Ulster Med J 2017;86(3):161-166.
2) JW Severinghaus
The invention and development of the blood gas analysis apparatus
Anesthesiology 2002; 97: 253-56.
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