Περί ρυθμιστικών διαλυμάτων Τουλκερίδης Γεώργιος Ειδικευόμενος Νεφρολογίας

Οξύ  H+ + Βάση Brønsted και Lowry (1923) Οξύ είναι κάθε ουσία που είναι δότης πρωτονίων Βάση είναι κάθε ουσία που είναι δέκτης πρωτονίων Οξύ  H+ + Βάση

Στον ανθρώπινο οργανισμό παράγονται συνεχώς οξέα (H+) μέσω του κυτταρικού μεταβολισμού (και κάπως μικρότερες ποσότητες βάσης)

Μεταβολισμός υδατανθράκων και λιπών Πτητικά οξέα: CO2 (διοξείδιο του άνθρακα) Η αποβολή εξαρτάται από τον κυψελιδικό αερισμό των πνευμόνων Ανθρακικό οξύ Μη ανθρακικά οξέα Μεταβολισμός πρωτεϊνών Ρυθμίζεται από την αποβολή κατιόντων υδρογόνου από το νεφρό

Καθημερινά παράγονται περίπου 200 ml CO2 ανά λεπτό ή 288 L/24ωρο, που αποβάλλονται με την αναπνοή Καθημερινά παράγονται περίπου 70 mEq H+ (μη πτητικά οξέα), τα οποία πρέπει να αποβληθούν από τους νεφρούς

Η παραγωγή των οξέων δε μεταβάλλει τo pH του οργανισμού Η εξουδετέρωση γίνεται με 3 διαφορετικούς τρόπους Τα ρυθμιστικά διαλύματα, τα οποία δρουν άμεσα (1η γραμμή προστασίας του οργανισμού) Το αναπνευστικό σύστημα, το οποίο δρα διαμέσου της αποβολής του CO2 και αρχίζει τη δράση του μέσα σε min Οι νεφροί (ο ισχυρότερος ρυθμιστής), οι οποίοι δρουν μέσα σε ώρες έως και ημέρες

Η ταχεία εξουδετέρωση των H+ (και των βάσεων), ενδοκυττάρια και εξωκυττάρια (Buffering) γίνεται με 4 μηχανισμούς Ο φυσικοχημικός Ο βιοχημικός Η απόδοση ή κατανάλωση από τα ενδοκυττάρια οργανύλλια Η διαμεμβρανική ροή των οξεοβασικών ισοδυνάμων

Ρυθμιστικά διαλύματα Δρουν άμεσα (σε κλάσματα sec) και περιορίζουν τις μεταβολές του pH Αποτελούνται από 2 ή περισσότερα συστατικά (ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση [ή το άλας της] ή μία ασθενής βάση και το συζυγές της οξύ [ή το άλας της]) Τα ισχυρά οξέα (για παράδειγμα HCl), δεν είναι δυνατό να λειτουργήσουν ως ρυθμιστικά διαλύματα, αφού στο pH των υγρών του οργανισμού, βρίσκονται σχεδόν πλήρως στην ιονισμένη τους μορφή και δεν μπορούν να συνδεθούν με Η+

Ρυθμιστικά διαλύματα Το ρυθμιστικό διάλυμα συνδέεται αντιστρεπτά με Η+ ή ΟΗ- και τα εξουδετερώνει, τουλάχιστον προσωρινά, εκτός κι αν η προστιθέμενη ποσότητα οξέος ή βάσεως είναι υπερβολική και ξεπεραστεί η προστατευτική συμβολή του -Ρυθμιστικό διάλυμα + Η+  Η+-Ρυθμιστικό διάλυμα

Ρυθμιστικά διαλύματα Η προσθήκη H+ στο διάλυμα εξουδετερώνεται διατηρώντας σταθερό το pH Το σύνολο του ρυθμιστικού συστήματος δεν μειώνεται και δεν καταναλώνεται (διατηρείται)

Ρυθμιστικά διαλύματα 3 απαιτούμενα για κάθε ρυθμιστικό διάλυμα Να είναι μίγμα αδύνατου οξέος με το άλας ή την αδύνατη συζυγή βάση του Να περιέχει σχετικά μεγάλη ποσότητα του οξέος και παρόμοια συγκέντρωση της συζυγούς βάσης Το οξύ και η βάση του μίγματος να μη καταναλώνονται το ένα από το άλλο, διαμέσου μιας εξουδετερωτικής αντίδρασης Χαρακτηριστικό των ρυθμιστικών συστημάτων είναι ότι εξουδετερώνουν τα οξέα και τις βάσεις εκτός από το οξύ και τη βάση από τα οποία αποτελούνται

Ρυθμιστικά διαλύματα Η pk του ρυθμιστικού συστήματος υποδηλώνει το pH του διαλύματος στο οποίο το σύστημα είναι αποτελεσματικότερο pH = pk + log[A-]/[HA] Η μέγιστη ρυθμιστική ικανότητα ενός διαλύματος συμβαίνει όταν το pH του ισούται με την pk του οξέος που το αποτελεί Αποτελεσματικότερα είναι αυτά που έχουν pk που κυμαίνεται μεταξύ 6,4 και 8,4 (ή όταν pH=pk±1)

Ρυθμιστικά διαλύματα Η εξουδετέρωση των H+ είναι προτιμότερο να γίνεται από το σύστημα των διττανθρακικών και όχι από αυτό των πρωτεϊνών Οι αναπνευστικές διαταραχές εξουδετερώνονται κυρίως από τα ενδοκυττάρια ρυθμιστικά συστήματα (99% για την αναπνευστική οξέωση και 97% για την αναπνευστική αλκάλωση) Οι μεταβολικές διαταραχές εξουδετερώνονται από τα εξωκυττάρια (τα ενδοκυττάρια εξουδετερώνουν το 40% των μη πτητικών οξέων και το 70% των αλκάλεων)

Ρυθμιστικά διαλύματα Η ολική ρυθμιστική ικανότητα των υγρών του οργανισμού είναι περίπου 15 mEq/kgΣΒ ή 45 mEq/L ή 1.200 mEq και είναι αρκετή να αντιρροπήσει την ολική παραγωγή των μη πτητικών οξέων

Ρυθμιστικό σύστημα του ανθρακικού οξέος H2CO3 [οξύ] / NaHCO3 [βάση] CO2 + H2O  H2CO3 Καρβονική ανυδράση Τοίχωμα πνευμονικών κυψελίδων Επιθηλιακά κύτταρα των νεφρικών σωληνάριων

Ρυθμιστικό σύστημα του ανθρακικού οξέος 998 μόρια CO2 στο διάλυμα για κάθε μόριο H2CO3 CO2 + H2O H2CO3 Η αύξηση της PaCO2, αυξάνει το διαλυμένο CO2 και άρα και τη συγκέντρωση του H2CO3, δηλαδή η συγκέντρωση του H2CO3 είναι ανάλογη της μερικής πίεσης του CO2

Ρυθμιστικό σύστημα του ανθρακικού οξέος CO2 + H2O  H2CO3 NaHCO3  HCO3- + Na+ { CO2 + H2O  H2CO3 HCO3- + H+ + Na+

Ρυθμιστικό σύστημα του ανθρακικού οξέος HCl  H+ + Cl- HCO3- + H+  H2CO3  Η2O + CO2 Το CO2 απομακρύνεται δια των πνευμόνων, με αποτέλεσμα να απαλλάσσεται ο οργανισμός από ένα ισχυρό οξύ με δαπάνη βάσης του ρυθμιστικού διαλύματος

Ρυθμιστικό σύστημα του ανθρακικού οξέος NaOH + H2CO3  NaHCO3 + H2O Μείωση των επιπέδων του H2CO3 CO2 + Η2Ο  H2CO3 Μειώνονται τα επίπεδα της PaCO2 στο αίμα και η μείωση αυτή δρα κατασταλτικά στην αναπνοή, οπότε μειώνεται ο ρυθμός αποβολής του CO2

Ρυθμιστικό σύστημα του ανθρακικού οξέος

Ρυθμιστικό σύστημα του ανθρακικού οξέος Αποτελεί το σημαντικότερο ρυθμιστικό σύστημα Έχει pk=6,1 Βρίσκεται σε αφθονία (ενδοκυττάρια και εξωκυττάρια) Λειτουργεί ως ανοιχτό σύστημα

Ρυθμιστικό σύστημα του ανθρακικού οξέος CO2 40 mmHg CO2 40 mmHg  Ανοικτό σύστημα Εξισορρόπηση CO2 40 mmHg pH=7,17 HCO3-=14  +HCl ΗCI + NaHCO3- NaCI + H2O + CO2 pH=7,4 CO2 40 mmHg CO2 >40 mmHg HCO3-=24 Έλλειψη εξισορρόπησης pH=6,9 Κλειστό σύστημα HCO3-<24

Ρυθμιστικό σύστημα των φωσφορικών NaH2PO4 [οξύ] / Na2HPO4 [βάση] HCl + Na2HPO4  NaCl + NaH2PO4 NaOH + NaH2PO4  Na2HPO4+ H2O

Ρυθμιστικό σύστημα των φωσφορικών Έχει pk=6,8 Χαμηλή συγκέντρωση στον εξωκυττάριο χώρο (8% της συγκέντρωσης των HCO3-) Μικρή καθημερινή παραγωγή Σημαντικά ρυθμιστικά συστήματα στον ενδοκυττάριο χώρο (2,3-DPG, ATP, ADP, AMP)

Ρυθμιστικό σύστημα των φωσφορικών Σπειραματικό διήθημα Μεγάλη συγκέντρωση H2PO4-/HPO42- (περίπου 50 Eq/L) Μεταβολή του Na2HPO4 σε NaH2PO4 στο πρόουρο αποβολή τιτλοποιήσιμης οξύτητας Στα ούρα το φωσφορικό ανιόν βρίσκεται κυρίως με τη μορφή H2PO4-

Ρυθμιστικό σύστημα των πρωτεϊνών

Ρυθμιστικό σύστημα των πρωτεϊνών Συμπεριφέρονται άλλοτε ως βάσεις και άλλοτε ως οξέα (αμφολύτες) Ισοηλεκτρικό σημείο είναι το pH του διαλύματος, στο οποίο ο αμφολύτης συμπεριφέρεται ως διπολικό ιόν

Ρυθμιστικό σύστημα των πρωτεϊνών Σε περιβάλλον με pH πάνω από το ισοηλεκτρικό της σημείο, συμπεριφέρεται ως οξύ (αποδίδει H+), ενώ σε περιβάλλον με pH κατώτερο από το ισοηλεκτρικό της σημείο συμπεριφέρεται ως βάση (προσλαμβάνει H+) Μετά την αντίδρασή τους με ιόντα μπορεί να υπάρχουν υπό διπολική μορφή ως ηλεκτρικά μη φορτισμένα μόρια (οι περισσότερες από αυτές στα υδατικά διαλύματα)

Ρυθμιστικό σύστημα των πρωτεϊνών Έχει pk=5,4 έως 9,4 Σημαντικότατο ρυθμιστικό σύστημα του οργανισμού Καλύπτει τα ¾ της ρυθμιστικής ικανότητας του οργανισμού, εξαιτίας της μεγάλης του συγκέντρωση Βρίσκονται κυρίως ενδοκυττάρια (-Hb, ενδοκυττάρια λευκώματα), αλλά και εξωκυττάρια (κυρίως η λευκωματίνη)

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων Τα ερυθρά αιμοσφαίρια διαθέτουν 3 ρυθμιστικά συστήματα Αιμοσφαιρίνη (-Hb) Διττανθρακικά (HCO3-) Φωσφορικά

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων Σημαντικότερο ρυθμιστικό σύστημα η αναχθείσα αιμοσφαιρίνη (-Hb) και η οξυαιμοσφαιρίνη (-HbO2) H+ + -Hb  HHb H+ + -Hb-  HHbO2 Έχει pk=5,4 έως 9,4 Έχει 2 φορές μεγαλύτερη συγκέντρωση από τις πρωτεΐνες του πλάσματος και 3 φορές μεγαλύτερη ρυθμιστική ικανότητα

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων Η οξυγονωθείσα και αναχθείσα -Hb στο φυσιολογικό pH του αίματος συμπεριφέρονται ως οξέα H -HbO2 είναι ισχυρότερο οξύ από την -Hb, με αποτέλεσμα η -Hb να δεσμεύει περισσότερα Η+ Στο αρτηριακό αίμα το 95% της -Hb βρίσκεται υπό την οξυγονωθείσα της μορφή και το 5% υπό την αναχθείσα

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων 540 αμινοξέα, από τα οποία τα 36 είναι μόρια ιστιδίνης (pk=7,0) Η -Hb δεσμεύει ένα H+ για κάθε δύο O2 που απελευθερώνει Η -HbO2 απελευθερώνει ένα H+ για κάθε δύο O2 που δεσμεύονται

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων 2 O2 +2 O2 Αμοιβαία σύζευξη H+ και O2 (φαινόμενο Bohr)

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων Το CO2 συνδέεται με την αμινομάδα των αμινοξέων και σχηματίζονται καρβαμυλικές ενώσεις R−NH2 + CO2  R−NH−COO- + H+ Η -Hb συνδέεται 3 φορές περισσότερο με το CO2 συγκριτικά με την -HbO2 (Haldane effect) Όταν η συγκέντρωση του CO2 είναι υψηλή (τριχοειδή αγγεία), οι καρβαμυλικές ενώσεις (απελευθερώνουν H+), προάγουν περαιτέρω απελευθέρωση O2

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων Πνεύμονες Είσοδος O2, διάχυση διαμέσου της κυψελοτριχοειδικής μεμβράνης Διάλυση στο πλάσμα Μικρό ποσοστό διαλελυμένο Μεγαλύτερο ποσοστό περνά στα ερυθρά αιμοσφαίρια (65 φορές μεγαλύτερη ποσότητα)

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων Πνεύμονες HHb + O2  H+ + HbO2 HCO3- + H+ → H2CO3 → Η2O + CO2 HbCO2 + Η2O → H2CO3 HCO3- + H+ ← H2CO3 → Η2O + CO2 Απομάκρυνση H+ 15-20 mEq

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων Ιστοί Είσοδος CO2 στα ερυθρά αιμοσφαίρια Η2O + CO2 → H2CO3 → HCO3- + H+ Καρβονική ανυδράση Cl- (πλάσμα) Διατήρηση ενδοκυττάριου pH ↓ CO2 στο αίμα

Ρυθμιστικό σύστημα των ερυθρών αιμοσφαιρίων 81% του CO2 εισέρχεται στα ερυθροκύτταρα και μεταφέρεται στους πνεύμονες 11% συνδέεται με την -Hb και σχηματίζει καρβαμυλαιμοσφαιρίνη 7,9% μεταφέρεται διαλυμένο μέσα στα ερυθρά αιμοσφαίρια 0,1% μεταφέρεται ως H2CO3

Ρυθμιστικό σύστημα των οστών Κυτταρικά συστατικά Οστεοβλάστες Οστεοκλάστες Οστεοκύτταρα Μη κυτταρικά συστατικά Οργανική θεμέλια ουσία (95% κολλαγόνο τύπου 1) Ανόργανη θεμέλια ουσία (κυρίως κρύσταλλοι αλκαλικού υδροξυαπατίτη-Ca10[PO4]6[OH]2)

Ρυθμιστικό σύστημα των οστών Υδροξυαπατίτης 10[Ca2+] + 6[HPO42-] + 2H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 8H+ Σε οξέωση κατεύθυνση από δεξιά προς τ’ αριστερά 10[Ca2+] + 6[HPO42-] + 2H2O ← Ca10(PO4)6(OH)2 + 8H+ Σε αλκάλωση κατεύθυνση από αριστερά προς τα δεξιά 10[Ca2+] + 6[HPO42-] + 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 8H+

Ρυθμιστικό σύστημα των οστών Ιοντική ανταλλαγή (φυσικοχημική διαδικασία) Απορρόφηση Η+ σε ανταλλαγή με Ca2+, Na+ και Κ+ ή με απελευθέρωση HCO3-, CO32- ή PO43- (γίνεται με αναστολή δράσης των οστεοβλαστών και διέγερση των οστεοκλαστών) Λύση των κρυστάλλων με οστεοκλαστική απορρόφηση των οστών (ανεξάρτητη από τη δράση της PTH) Διέγερση από την οξέωση της απελευθέρωσης PG από τους οστεοβλάστες αναστολή οστεοβλαστικής δραστηριότητα και διέγερση οστεοκλαστικής λειτουργίας

Ρυθμιστικό σύστημα των οστών Μεταβολική οξέωση → μείωση περιεκτικότητας των οστών σε HCO3- Οξεία Ιοντική ανταλλαγή (ανταλλάσσουν Η+ με Ca2+, Na+, K+ απελευθερώνοντας HCO3-) Πάνω από το 40% της εξουδετέρωσης των H+ επιτυγχάνεται από το CaCO3 των οστών

Ρυθμιστικό σύστημα των οστών Μεταβολική οξέωση Χρόνια Λήψη Η+ και απόδωση Ca2+, Na+, K+ (ιοντική ανταλλαγή) ή απελευθέρωση HCO3-, CO32-, HPO42- λύση των οστών Η CO32- των οστών (υπό τη μορφή του CaCO3), διαλύεται κατά την εξουδετέρωση Η+ και ταυτόχρονα απελευθερώνεται Ca2+ Τα Η+ επιδρούν στους οστεοκλάστες και έτσι απορροφώνται τόσο το μεταλλικό τμήμα (υδροξυαπατίτης), όσο και το οργανικό (κολλαγόνο τύπου 1) Οι οστεοκλάστες σε pH=7,4 είναι σχεδόν αδρανείς και η απορρόφηση του οστού αρχίζει να αυξάνει σταδιακά και φθάνει σε πλατό όταν το pH=6,8

Ρυθμιστικά διαλύματα Αθροιστική δράση των ρυθμιστικών διαλυμάτων Κατάσταση ισορροπίας μεταξύ τους Η αλλαγή στη [Η+] στο εξωκυττάριο υγρό, αλλάζει ταυτόχρονα την ισορροπία όλων των ρυθμιστικών διαλυμάτων (ισοϋδρική αρχή) Στην πράξη μόνο το ρυθμιστικό σύστημα των διττανθρακικών ([HCO3-] και PaCO2) προσμετρείται

Συμπεράσματα Τα ρυθμιστικά διαλύματα αρχίζουν τη δράση τους μέσα σε κλάσματα του sec(πρώτη γραμμή προστασίας) Ρυθμιστικό σύστημα είναι ένα διάλυμα που περιέχει ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση ή μία ασθενής βάση και το συζυγές της οξύ Δύο είναι τα κύρια ρυθμιστικά συστήματα: α) των HCO3- και β) των μη HCO3- Το σύστημα των HCO3- βρίσκεται κυρίως εξωκυττάρια, είναι ανοιχτό και είναι αυτό που απαντά ταχύτερα στις μεταβολές του pH

Συμπεράσματα Η ολική ρυθμιστική ικανότητα των υγρών του οργανισμού είναι περίπου 15 mEq/kgΣΒ ή 45 mEq/L ή 1.200 mEq και είναι αρκετή να αντιρροπήσει την ολική παραγωγή των μη πτητικών οξέων Η αποτελεσματικότητα του συστήματος των HCO3- είναι ιδιαίτερα αυξημένη εξαιτίας της αποβολής δια των πνευμόνων του CΟ2 Παρότι στο αίμα το ρυθμιστικό σύστημα των φωσφορικών είναι ασθενές, στο διήθημα των νεφρικών σωληναρίων είναι πολύ ισχυρό Οι πρωτεΐνες είναι σημαντικότατο ρυθμιστικό σύστημα του οργανισμού εξαιτίας της μεγάλης τους συγκέντρωσης

Συμπεράσματα Η -Ηb είναι το σπουδαιότερο ρυθμιστικό σύστημα του αίματος, επειδή προσλαμβάνει Η+, όταν βρίσκεται στην αναχθείσα της μορφή και τα αποδίδει, όταν βρίσκεται στην οξυγονωθείσα μορφή Το σύστημα της -Ηb θεωρείται το δεύτερο σε σημασία μετά το σύστημα H2CO3 στη ρύθμιση της οξεοβασικής ισορροπίας Τα οστά λειτουργούν ως ρυθμιστικά συστήματα διαμέσου της ιοντικής ανταλλαγής κατά την οποία απορροφούν Η+ σε ανταλλαγή με Ca2+, Na+ και Κ+ ή με απελευθέρωση HCO3-, CO32- ή PO43- και με τη λύση των κρυστάλλων τους Τα οστά ως ρυθμιστικό σύστημα παίζουν σημαντικό ρόλο στις βραδείας εμφάνισης μεταβολικές οξεώσεις

Σας ευχαριστώ