ADE: il pH del sangue: aspetti chimici e fisiopatologici

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      Il metabolismo degli animali (quindi dell'uomo) e' ossidativo. L'uomo ingerisce cibi per circa 2000 kcal/die; gli alimenti (macronutrienti) sono composti principalmente da carbonio in uno stato ridotto, che viene ossidato a CO2 grazie all'ossigeno ottenuto con la respirazione. In un giorno un adulto di peso medio che faccia attività fisica moderata consuma tra 16 e 20 moli di O2 e produce tra 14 e 19 moli di CO2, con un rapporto CO2/O2 (quoziente respiratorio) compreso tra 0,7 e 1. Poiche' la CO2 e' l'acido del principale tampone del sangue (il tampone bicarbonato-anidride carbonica), il metabolismo ha effetti, oltre che sulla produzione dell'energia anche sul pH dei liquidi biologici.
      Il sangue arterioso contiene approssimativamente 9 mmoli/L di O2; 1,3 mmoli/L di CO2 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 CO2 come tale; bicarbonato; CO2 legata ai gruppi aminici delle proteine, sotto forma di carbamati:
L'anidride carbonica nel sangue
CO2 come tale1,3 mM (P CO2=40 mmHg)circa 5%
HCO3-22 mM (nel plasma 26 mM)circa 90%
CO2 come carbamaticirca 1,5 mM circa 5%
CO2 totalecirca 24 mM100%

      La via principale per la produzione della CO2 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 O2 (cioe' 2 mmoli/L), mentre rilasciano nell'aria espirata circa 8-9 mmoli di CO2 (cioe' 1,8 mmoli/L). Si nota che: 1) l'ossigeno viene scambiato soltanto per circa il 25% del suo contenuto (cioe' il sangue venoso ha ancora un contenuto di O2 di 7 mmoli/L); 2) la CO2 viene scambiata per circa il 6,5% del suo contenuto totale (dato dalla somma della CO2 e del bicarbonato); 3) la quantita' di CO2 scambiata eccede il contenuto di CO2 come tale e questo comporta che il polmone elimina anche bicarbonato. Una considerazione aggiuntiva e' la seguente: 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 principale (la CO2) e' eliminata in misura addirittura maggiore del suo contenuto! Infatti il potere tampone del sangue al pH fisiologico e' di circa 38 mEq/L, alquanto superiore alla CO2 totale.
      Sebbene il polmone elimini oltre il 95% della CO2 prodotta dal metabolismo, la sua funzione e' regolata soprattutto dal fabbisogno dell'ossigeno e pertanto non è finemente regolata dalla CO2. La regolazione fine della CO2 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.

IL POTERE TAMPONE DEL SANGUE
      Il potere tampone 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 Ctot=Ca+Cs) 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 Cs/Ctot=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 Ctot=10 mM e' facile calcolare:
pH = pKa - 0,5 comporta Cs/Ca = 0,316; Cs = 2,4 mM; Ca = 7,6 mM;
pH = pKa + 0,5 comporta Cs/Ca = 3,16; Cs = 7,6 mM; Ca = 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 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 direttamente 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 Ctot=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 agisono come tamponi (la principale, data dalla coppia CO2/HCO3- ha pKa=6,1). Ad ogni modo questo valore e' ragionevolmente vicino alla somma delle concentrazioni totali della CO2 e del fosfato, rispettivamente 28 e 2 mM. Tra le altre sostanze che agiscono come tamponi sono importanti le proteine che hanno concentrazione molto elevata (7 g/dL).
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.



















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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