El pH del líquido extracelular, incluyendo el plasma sanguíneo, está normalmente regulado de forma estricta entre 7,32 y 7,42, por los tampones químicos, el sistema respiratorio y el sistema renal.
Las soluciones tampón acuosas reaccionarán con ácidos fuertes o bases fuertes absorbiendo el exceso de iones de hidrógeno H+
, o de hidróxido OH-
, sustituyendo los ácidos y las bases fuertes por ácidos débiles y bases débiles. Esto tiene el efecto de amortiguar el efecto de los cambios de pH, o de reducir el cambio de pH que de otro modo se habría producido. Pero los tampones no pueden corregir los niveles anormales de pH en una solución, ya sea en un tubo de ensayo o en el líquido extracelular. Los tampones suelen consistir en un par de compuestos en solución, uno de los cuales es un ácido débil y el otro una base débil. El tampón más abundante en el LEC consiste en una solución de ácido carbónico (H2CO3), y la sal de bicarbonato (HCO-
3) de, normalmente, sodio (Na+). Así, cuando hay un exceso de iones OH-
en la solución, el ácido carbónico los neutraliza parcialmente formando H2O e iones de bicarbonato (HCO-
3). Del mismo modo, un exceso de iones H+ es parcialmente neutralizado por el componente de bicarbonato de la solución tampón para formar ácido carbónico (H2CO3), que, al ser un ácido débil, permanece en gran medida en la forma no disociada, liberando muchos menos iones H+ en la solución de lo que habría hecho el ácido fuerte original.
El pH de una solución tampón depende únicamente de la relación de las concentraciones molares del ácido débil y la base débil. Cuanto mayor sea la concentración del ácido débil en la solución (en comparación con la base débil), menor será el pH resultante de la solución. Del mismo modo, si predomina la base débil, mayor será el pH resultante.
Este principio se aprovecha para regular el pH de los fluidos extracelulares (en lugar de limitarse a amortiguar el pH). Para el tampón ácido carbónico-bicarbonato, una relación molar de ácido débil a base débil de 1:20 produce un pH de 7,4; y viceversa – cuando el pH de los fluidos extracelulares es de 7,4 entonces la relación de ácido carbónico a iones de bicarbonato en ese fluido es de 1:20.
Esta relación se describe matemáticamente mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch, que, cuando se aplica al sistema tampón ácido carbónico-bicarbonato en los fluidos extracelulares, establece que:
p H = p K a H 2 C O 3 + log 10 ( ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{mathrm {a} ~\mathrm {H} 2. {{3}}+log _{10}}({\frac{}}}derecha),
donde:
- El pH es el logaritmo negativo (o cologaritmo) de la concentración molar de iones de hidrógeno en el ECF. Indica la acidez en el ECF de forma inversa: cuanto menor sea el pH, mayor será la acidez de la solución.
- PKa H2CO3 es el cologaritmo de la constante de disociación del ácido carbónico. Es igual a 6,1.
- es la concentración molar de bicarbonato en el plasma sanguíneo
- es la concentración molar de ácido carbónico en el ECF.
Sin embargo, como la concentración de ácido carbónico es directamente proporcional a la presión parcial de dióxido de carbono ( P C O 2 {\displaystyle P_{{mathrm {CO} }_{2}}}
) en el líquido extracelular, la ecuación puede reescribirse como sigue: p H = 6,1 + log 10 ( 0,0307 × P C O 2 ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+\log _{10}left({\frac {}{0.0307 veces P_{mathrm {CO} _{2}}}}\\\\\}derecho),}
donde:
- El pH es el logaritmo negativo de la concentración molar de iones de hidrógeno en el ECF, como antes.
- es la concentración molar de bicarbonato en el plasma
- PCO2 es la presión parcial de dióxido de carbono en el plasma sanguíneo.
Así pues, el pH de los fluidos extracelulares puede controlarse regulando por separado la presión parcial de dióxido de carbono (que determina la concentración de ácido carbónico), y la concentración de iones de bicarbonato en los fluidos extracelulares.
Existen, por tanto, al menos dos sistemas homeostáticos de retroalimentación negativa responsables de la regulación del pH plasmático. El primero es el control homeostático de la presión parcial de dióxido de carbono en la sangre, que determina la concentración de ácido carbónico en el plasma, y puede cambiar el pH del plasma arterial en pocos segundos. La presión parcial de dióxido de carbono en la sangre arterial es controlada por los quimiorreceptores centrales de la médula oblonga, por lo que forman parte del sistema nervioso central. Estos quimiorreceptores son sensibles al pH y a los niveles de dióxido de carbono en el líquido cefalorraquídeo. (Los quimiorreceptores periféricos están situados en los cuerpos aórticos y carotídeos adyacentes al arco de la aorta y a la bifurcación de las arterias carótidas, respectivamente. Estos quimiorreceptores son sensibles principalmente a los cambios en la presión parcial de oxígeno en la sangre arterial y, por tanto, no están directamente implicados en la homeostasis del pH.)
Los quimiorreceptores centrales envían su información a los centros respiratorios del bulbo raquídeo y la protuberancia del tronco cerebral. Los centros respiratorios determinan entonces la tasa media de ventilación de los alvéolos pulmonares, para mantener constante la presión parcial de dióxido de carbono en la sangre arterial. El centro respiratorio lo hace a través de neuronas motoras que activan los músculos de la respiración (en particular el diafragma). Un aumento de la presión parcial de dióxido de carbono en el plasma sanguíneo arterial por encima de 5,3 kPa (40 mmHg) provoca de forma refleja un aumento de la frecuencia y la profundidad de la respiración. La respiración normal se reanuda cuando la presión parcial de dióxido de carbono vuelve a ser de 5,3 kPa. Lo contrario ocurre si la presión parcial de dióxido de carbono cae por debajo del rango normal. La respiración puede detenerse temporalmente o ralentizarse para permitir que el dióxido de carbono se acumule de nuevo en los pulmones y en la sangre arterial.
El sensor de la concentración plasmática de HCO-
3 no se conoce con certeza. Es muy probable que las células tubulares renales de los túbulos contorneados distales sean a su vez sensibles al pH del plasma. El metabolismo de estas células produce CO2, que se convierte rápidamente en H+ y HCO-
3 mediante la acción de la anhidrasa carbónica. Cuando los líquidos extracelulares tienden a la acidez, las células tubulares renales secretan los iones H+ en el líquido tubular, desde donde salen del organismo a través de la orina. Los iones HCO-
3 se secretan simultáneamente en el plasma sanguíneo, aumentando así la concentración de iones de bicarbonato en el plasma, disminuyendo la relación ácido carbónico/iones de bicarbonato y, en consecuencia, aumentando el pH del plasma. Lo contrario ocurre cuando el pH del plasma se eleva por encima de lo normal: los iones de bicarbonato se excretan en la orina y los iones de hidrógeno en el plasma. Estos se combinan con los iones de bicarbonato en el plasma para formar ácido carbónico (H+ + HCO-
3 = H2CO3), elevando así la relación ácido carbónico:bicarbonato en los fluidos extracelulares, y devolviendo su pH a la normalidad.
En general, el metabolismo produce más ácidos de desecho que bases. Por lo tanto, la orina es generalmente ácida. Esta acidez urinaria es, hasta cierto punto, neutralizada por el amoníaco (NH3) que se excreta en la orina cuando el glutamato y la glutamina (portadores del exceso de grupos aminos que ya no se necesitan) son desaminados por las células epiteliales tubulares renales distales. Así, parte del «contenido ácido» de la orina reside en el contenido resultante de iones de amonio (NH4+) de la orina, aunque esto no tiene ningún efecto sobre la homeostasis del pH de los fluidos extracelulares.