Il pH del fluido extracellulare, compreso il plasma sanguigno, è normalmente strettamente regolato tra 7,32 e 7,42, dai tamponi chimici, dal sistema respiratorio e dal sistema renale.
Le soluzioni acquose tampone reagiscono con acidi forti o basi forti assorbendo l’eccesso di idrogeno H+
ioni, o idrossido OH-
ioni, sostituendo gli acidi e le basi forti con acidi deboli e basi deboli. Questo ha l’effetto di smorzare l’effetto dei cambiamenti di pH, o di ridurre il cambiamento di pH che altrimenti si sarebbe verificato. Ma i tamponi non possono correggere i livelli anormali di pH in una soluzione, sia quella soluzione in una provetta o nel fluido extracellulare. I tamponi consistono tipicamente in una coppia di composti in soluzione, uno dei quali è un acido debole e l’altro una base debole. Il tampone più abbondante nell’ECF consiste in una soluzione di acido carbonico (H2CO3), e il bicarbonato (HCO-
3) sale di, solitamente, sodio (Na+). Così, quando c’è un eccesso di OH-
ioni nella soluzione l’acido carbonico li neutralizza parzialmente formando H2O e ioni bicarbonato (HCO-
3). Allo stesso modo un eccesso di ioni H+ è parzialmente neutralizzato dal componente bicarbonato della soluzione tampone per formare acido carbonico (H2CO3), che, poiché è un acido debole, rimane in gran parte nella forma non dissociata, rilasciando molti meno ioni H+ nella soluzione di quanto avrebbe fatto l’acido forte originale.
Il pH di una soluzione tampone dipende esclusivamente dal rapporto delle concentrazioni molari dell’acido debole e della base debole. Più alta è la concentrazione dell’acido debole nella soluzione (rispetto alla base debole) più basso è il pH risultante della soluzione. Allo stesso modo, se predomina la base debole, più alto è il pH risultante.
Questo principio è sfruttato per regolare il pH dei fluidi extracellulari (piuttosto che limitarsi a tamponare il pH). Per il tampone acido carbonico-bicarbonato, un rapporto molare tra acido debole e base debole di 1:20 produce un pH di 7,4; e viceversa – quando il pH dei fluidi extracellulari è 7,4 allora il rapporto tra ioni acido carbonico e bicarbonato in quel fluido è 1:20.
Questa relazione è descritta matematicamente dall’equazione di Henderson-Hasselbalch, che, quando applicata al sistema tampone acido carbonico-bicarbonato nei fluidi extracellulari, afferma che:
p H = p K a H 2 C O 3 + log 10 ( ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{mathrm {a} ~mathrm {H} _{2} {\mathrm {CO} _{3}}+log _{10} a sinistra({\frac {}{}} a destra),}
dove:
- il pH è il logaritmo negativo (o cologaritmo) della concentrazione molare degli ioni idrogeno nella ECF. Indica l’acidità nell’ECF in modo inverso: più basso è il pH maggiore è l’acidità della soluzione.
- pKa H2CO3 è il cologaritmo della costante di dissociazione dell’acido carbonico. È uguale a 6,1.
- è la concentrazione molare del bicarbonato nel plasma sanguigno
- è la concentrazione molare dell’acido carbonico nell’ECF.
Tuttavia, poiché la concentrazione di acido carbonico è direttamente proporzionale alla pressione parziale dell’anidride carbonica ( P C O 2 {\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}
) nel fluido extracellulare, l’equazione può essere riscritta come segue: p H = 6,1 + log 10 ( 0,0307 × P C O 2 ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+\log _{10} {\frac {}{0.0307\tempo P_{mathrm {CO} _{2}}}}\destra),}
dove:
- il pH è il logaritmo negativo della concentrazione molare di ioni idrogeno nella ECF, come prima.
- è la concentrazione molare di bicarbonato nel plasma
- PCO2 è la pressione parziale di anidride carbonica nel plasma sanguigno.
Il pH dei fluidi extracellulari può quindi essere controllato regolando separatamente la pressione parziale dell’anidride carbonica (che determina la concentrazione di acido carbonico), e la concentrazione dello ione bicarbonato nei fluidi extracellulari.
Ci sono quindi almeno due sistemi omeostatici a feedback negativo responsabili della regolazione del pH plasmatico. Il primo è il controllo omeostatico della pressione parziale dell’anidride carbonica nel sangue, che determina la concentrazione di acido carbonico nel plasma e può cambiare il pH del plasma arterioso in pochi secondi. La pressione parziale dell’anidride carbonica nel sangue arterioso è controllata dai chemorecettori centrali del midollo allungato, e quindi fanno parte del sistema nervoso centrale. Questi chemorecettori sono sensibili al pH e ai livelli di anidride carbonica nel liquido cerebrospinale. (I chemorecettori periferici si trovano nei corpi aortici e carotidei adiacenti all’arco dell’aorta e alla biforcazione delle arterie carotidi, rispettivamente. Questi chemorecettori sono sensibili principalmente ai cambiamenti della pressione parziale dell’ossigeno nel sangue arterioso e non sono quindi direttamente coinvolti nell’omeostasi del pH)
I chemorecettori centrali inviano le loro informazioni ai centri respiratori nel midollo allungato e nel ponte del tronco encefalico. I centri respiratori determinano poi il tasso medio di ventilazione degli alveoli dei polmoni, per mantenere costante la pressione parziale dell’anidride carbonica nel sangue arterioso. Il centro respiratorio lo fa tramite neuroni motori che attivano i muscoli della respirazione (in particolare il diaframma). Un aumento della pressione parziale dell’anidride carbonica nel plasma arterioso superiore a 5,3 kPa (40 mmHg) provoca di riflesso un aumento della frequenza e della profondità della respirazione. La respirazione normale viene ripresa quando la pressione parziale dell’anidride carbonica è tornata a 5,3 kPa. L’inverso avviene se la pressione parziale dell’anidride carbonica scende al di sotto dell’intervallo normale. La respirazione può essere temporaneamente interrotta o rallentata per permettere all’anidride carbonica di accumularsi nuovamente nei polmoni e nel sangue arterioso.
Il sensore della concentrazione plasmatica di HCO-
3 non è noto con certezza. È molto probabile che le cellule tubulari renali dei tubuli convoluti distali siano esse stesse sensibili al pH del plasma. Il metabolismo di queste cellule produce CO2, che viene rapidamente convertito in H+ e HCO-
3 attraverso l’azione dell’anidrasi carbonica. Quando i fluidi extracellulari tendono all’acidità, le cellule tubulari renali secernono gli ioni H+ nel fluido tubulare da dove escono dal corpo attraverso l’urina. Gli ioni HCO-
3 vengono contemporaneamente secreti nel plasma sanguigno, aumentando così la concentrazione di ioni bicarbonato nel plasma, abbassando il rapporto acido carbonico/ioni bicarbonato e, di conseguenza, aumentando il pH del plasma. L’inverso avviene quando il pH del plasma sale oltre il normale: gli ioni bicarbonato vengono espulsi nelle urine e gli ioni idrogeno nel plasma. Questi si combinano con gli ioni bicarbonato nel plasma per formare acido carbonico (H+ + HCO-
3 = H2CO3), aumentando così il rapporto acido carbonico:bicarbonato nei fluidi extracellulari, e riportando il pH alla normalità.
In generale, il metabolismo produce più acidi di scarto che basi. L’urina è quindi generalmente acida. Questa acidità urinaria è, in una certa misura, neutralizzata dall’ammoniaca (NH3) che viene escreta nelle urine quando il glutammato e la glutammina (portatori di gruppi amminici in eccesso, non più necessari) vengono deaminati dalle cellule epiteliali tubulari renali distali. Così una parte del “contenuto acido” delle urine risiede nel contenuto di ioni ammonio (NH4+) che ne risulta, anche se questo non ha alcun effetto sull’omeostasi del pH dei fluidi extracellulari.