Fisiologia de ácidos e bases Fisiologia do Próton Objetivo: Manutenção do pH sistêmico na faixa de normalidade. pH arterial entre 7,37 e 7,43 pH = 7,4 --> [H+] 40 nanomoles/L (10-9 M) pH = - log10 [H+] (mol/L) nmol/L Variação de 10 vezes mudança de 1 U pH Variação de 2 vezes mudança de ~ 0,3 U pH Há uma grande diferença entre a concentração de H+ e a concentração dos demais íons dos fluidos corporais pH = 7.4 [H+] = 40 10-9 mol/L [HCO3-] = 24 10-3 mol/L [Na+] = 140 10-3 mol/L O metabolismo diário: produção de excesso de ácidos em relação a bases. • O ácido gerado de forma mais abundante é o ácido carbônico, proveniente da oxidação completa de ácidos orgânicos: 15.000 a 20.000 mmol de CO2/ dia O CO2 não se acumula no organismo, é eliminado pelos pulmões Durante a oxidação de substratos orgânicos, há geração de intermediários e metabólitos que são ácidos orgânicos relativamente fortes: - Ácido lático - Ácidos tricarboxílicos - Ceto-ácidos Os ânions desses ácidos, igualmente não se acumulam, a não ser temporariamente, se produzidos em excesso. São metabolizados a CO2 e H2O ou são eliminados na urina. Alguns ácidos produzidos durante o metabolismo não podem ser oxidados a CO2: Ácidos orgânicos: - ácido úrico - ácidos glicurônico - ácido oxálico Ácidos inorgânicos: - H2SO4 - H3PO4 - HCl A manutenção do pH na faixa de normalidade requer a atuação de três mecanismos fisiológicos fundamentais: - Tamponamento intra e extracelular, o que amortece as variações no pH - O funcionamento dos pulmões, que determinam a taxa de eliminação de CO2 - O funcionamento dos rins, que controlam o conteúdo de HCO3no organismo • Tamponamento intra e extracelular: • amortece as variações no pH Bronsted: Ácido é qualquer substância química que pode doar um próton Base é qualquer substância química que pode receber um H+ TAMPÃO Ácido fraco HA base conjugada A- NH4+ NH3 + H+ pK = 9,2 H2C03 HCO3- + H+ pK = 3,6 H2PO4 HPO42- + H+ pK = 6,8 R - NH3+ R – NH2 + H+ pK = 9,1 R – COOH R – COO- + H+ pK = 1,0 Concentração total do tampão: [TT] [TT] = [HA + A-] no equilíbrio: K = [A-] . [H+] / [HA] K = [A-] . [H+] / [HA] pH = - log [H+] e pK = - log K pH = pK + log ([A-] / [HA]) Equação de Henderson Hasselbalch pH 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 18 16 14 12 10 8 6 Ácido adicionado, m m ol 4 2 0 pH 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 18 16 14 12 10 8 6 Ácido adicionado, m m ol 4 2 0 HCl H+ + Cl- + A- HA + Cl- pH = pK + log AHA A- + HA constante NaOH pH = pK + log Na+ + OH- + HA A- + H20 + Na+ AHA A- + HA constante Capacidade tamponante: quanto (em mmoles) de base forte pode ser adicionada à solução até que o pH se eleve de 1 U Capacidade tamponante de um par-tampão específico depende: . Da concentração total do tampão . Do pK do tampão . Do pH da solução (capacidade tamponante é maior para pH próximo ao pK) 12 A 11 B 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 18 16 14 12 10 8 6 Ácido adicionado, mmol 4 2 0 12 A 11 B 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 18 16 14 12 10 8 6 Ácido adicionado, mmol 4 2 0 12 A 11 B 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 18 16 14 12 10 8 6 Ácido adicionado, mmol 4 2 0 12 A 11 B 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 18 16 14 12 10 8 6 Ácido adicionado, mmol 4 2 0 Tampões importantes nos fluidos biológicos: CO2/HCO3Proteínas: Albumina e globulinas no plasma: capacidade tamponante 3,9 mmol/L Hemoglobina (Ht = 45%): capacidade tamponante 25 mmol/L Fosfato inorgânico: Conc. plasma = 1 mmol/L H2PO4- HPO42- + H+ (pK = 6,8) Mais importante como tampão urinário, contribuindo para a acidez titulável. Tampões intracelulares: proteínas, CO2/bicarbonato, fosfato inorgânico, e fosfato orgânico. TAMPÃO HCO3- / CO2 Equilíbrio químico para o sistema CO2 / HCO3O CO2 se dissolve na água, mas além disso reage com esta. A quantidade de CO2 dissolvido na água é proporcional à pressão parcial de CO2, PaCO2, que é definida pelo ar alveolar: Lei de Henry: [CO2]dis = αCO2 . PaCO2 Coeficiente de solubilidade do CO2 em água 0,03 mmol/L . mmHg CO2 dissolvido em água forma ácido carbônico: [CO2]dis + H2O a.c. H2CO3 Na ausência da enzima anidrase carbônica (a.c.) essa reação é lenta. Com anidrase carbônica é muito rápida (no equilíbrio a relação [CO2]dis/H2CO3 = 340) H2CO3 é um ácido forte (pK = 3,6 a 37oC): H2CO3 H+ + HCO3- Podemos combinar as reações: [CO2]dis + H2O H2CO3 H+ + HCO3- [CO2]dis + H2O H+ + HCO3- pH = pK + log10 { [HCO3-] / αCO2 . PaCO2} pH = 6,1 + log10 { [HCO3-] / 0,03 . PaCO2 } Equação de Henderson Hasselbalch A LINHA DE DISSOCIAÇÃO DO HCO37.8 pH Para PCO2 = 40 mmHg pH = 6,1 + log (HCO3-/0,03 . PCO2) pH HCO3mM 7.6 PCO2 = 40 mmHg Queda da pCO2 7.4 7.2 Elevaçã o da pCO2 7.0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 7,1 12 7,2 15 7,3 19 7,4 24 7,5 30 7,6 38 7,7 48 7,8 60 HCl HCO3- + H+ + Cl- pH = 6,1 + log H2CO3 Cl- + H2O + CO2 [HCO3-] 0,03 . pCO2 CO2 constante A LINHA DE DISSOCIAÇÃO DO HCO37.8 pH pH = 6,1 + log (HCO3-/0,03 . PCO2) 7.6 Queda da pCO2 7.4 Aumento de ácido fixo 7.2 Elevação da pCO2 7.0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 Sistema fechado PCO2 = 40 mmHg Sistema fechado 5 mmol de HCl PCO2 = 206 mmHg HCO3- = 24 mM HCO3- = 19 mM CO2dis = 1,2 mM CO2dis = 6,2 mM H2CO3 = 0,0036 mM H2CO3 = 0,018 mM H+ = 40 nM H+ = 257 nM pH = 7,4 pH = 6,59 Sistema aberto Sistema aberto CO2 CO2 40 mmHg 40 mmHg PCO2 = 40 mmHg 5 mmol de HCl PCO2 = 40 mmHg HCO3- = 24 Mm HCO3- = 19 Mm CO2dis = 1,2 mM CO2dis = 1,2 mM H2CO3 = 0,0036 mM H2CO3 = 0,0036 mM H+ = 40 nM H+ = 50 nM pH = 7,4 pH = 7,3 Na+ OH- Fonte inesgotável de CO2 (pulmões) CO2 + H2O H2CO3 pH = 6,1 + log H+ + HCO3- [HCO3-] 0,03 . pCO2 CO2 constante A LINHA DE DISSOCIAÇÃO DO HCO37.8 pH pH = 6,1 + log (HCO3-/0,03 . PCO2) 7.6 Queda da pCO2 Aumento de base fixa 7.4 7.2 Elevação da pCO2 7.0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 Sistema fechado PCO2 = 40 mmHg Sistema fechado 1 mmol de NaOH PCO2 = 7 mmHg HCO3- = 24 mM HCO3- = 25 mmol/L CO2dis = 1,2 mM CO2dis = 0,2 mmol/L H2CO3 = 0,0036 mM H2CO3 = 0,00006 mM H+ = 40 nM H+ = 6,3 nM pH = 7,4 pH = 8,2 Sistema aberto Sistema aberto CO2 CO2 40 mmHg 40 mmHg 1 mmol de NaOH PCO2 = 40 mmHg PCO2 = 40 mmHg HCO3- = 24 mmol/L HCO3- = 25 mmol/L H2CO3 = 1,2 mmol/L H2CO3 = 1,2 mmol/L H+ = 40 nEq/L H+ = 38 nEq/L pH = 7,4 pH = 7,42 No organismo o tampão HCO3-/CO2 está presente concomitantemente com tampões fixos TITULAÇÃO DE HCO3- E UM TAMPÃO FIXO 9,0 HCO38,0 Tampão Fixo 7,0 6,0 5,0 O sistema HCO3-/CO2 é muito mais eficiente do que os tampões fixos 4,0 3,0 2,0 1,0 25 20 15 10 5 Ácido adicionado, mmol 0 Numa solução com vários tampões, todos os tampões contribuirão para o tamponamento. A contribuição de cada tampão dependerá da sua concentração e do seu pK H+ Cl- H+ + HCO3- CO2 + H2O H+ + Albumina- Albumina.H H+ + Hemoglobina- Hemoglobina.H H+ + HPO42- H2PO4- H+ + A - HA Princípio iso-hídrico pH = 6,1 + log [HCO3-] 0,03. PCO2 = pKalb + log [Alb-] = pKhem + [Hem-] = 6,8 + log [HPO42-] = pKA + log [A-] [Alb] [Hem] [H2PO4-] [A] Tamponamento de CO2 Distúrbios respiratórios 40 mmHg Normal 1,2 mM 24 mM CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ 80 mmHg CO2 + H2O 2,4 mM H2CO3 0,000040 mM (pH = 7,4) 24,000040 mM HCO3- + H+ Equilíbrio 0,000080 mM (pH = 7,1) Se houver apenas tampão HCO3-, o pH muda muito, mas a mudança no HCO3- não é significativa Tamponamento de CO2 Distúrbios respiratórios 40 mmHg Normal 1,2 mM 24 mM CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ 20 mmHg CO2 + H2O 0,6 mM H2CO3 0,000040 mM (pH = 7,4) 23,999980 mM HCO3- + H+ Equilíbrio 0,000020 mM (pH = 7,7) O pH varia significativamente, mas a variação na concentração de HCO3- é imperceptível Tamponamento de CO2 em presença de bicarbonato e outros tampões CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ H+ vai se ligando a outros tampões não-bicarbonato, que estão em concentração na ordem de mM 80 mmHg CO2 + H2O H2CO3 Equilíbrio HCO3- + H+ A- HA Outros tampões (fixos) Neste caso, a concentração de HCO3- se eleva significativamente CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ H+ vai sendo fornecido de outros tampões não-bicarbonato, que estão em concentração na ordem de mM 20 mmHg CO2 + H2O H2CO3 Equilíbrio HCO3- + H+ A- HA Outros tampões (fixos) Neste caso, a concentração de HCO3- se reduz significativamente A inclinação dessa reta depende dos tampões nãobicarbonato presentes no meio ELEVANDO A PCO2 7,8 pH Isóbara de 40 mmHg 7,6 7,4 7,2 7,0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 ELEVANDO A PCO2 7,8 pH 7,6 7,4 7,2 7,0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 ELEVANDO A PCO2 7,8 pH 7,6 7,4 7,2 7,0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 ELEVANDO A PCO2 7,8 pH 7,6 7,4 7,2 7,0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 BAIXANDO A PCO2 7,8 pH 7,6 7,4 7,2 7,0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 A LINHA DE TAMPONAMENTO DO CO2 7.8 pH 7.6 Queda da pCO2 7.4 Elevação da pCO2 7.2 7.0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 ADICIONANDO ÁCIDO FIXO 7,8 pH 7,6 7,4 7,2 7,0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 ADICIONANDO BASE FIXA JUNTANDO TUDO Nomograma de Davenport 7,8 pH 7,6 7,4 7,2 7,0 0 10 20 30 [HCO3-], mmol/L 40 50 PARECE FAMILIAR... inverte .... pH 7.8 pH 7.6 7.4 7.2 7.0 0 10 20 30 - [HCO3 ], mmol/L [HCO3-] 40 50 Controlado pelos rins [HCO3-] pH = 6,1 x log 0,03 x pCO2 Controlado pelos pulmões O pH do sangue é determinado pela razão entre [HCO3-] e pCO2