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La tradición que envuelve al tema del equilibrio acidobásico hace necesario señalar que el problema central no es “la base amortiguadora” o “el catión fijado” o algo parecido, sino simplemente conservar la concentración de los hidrogeniones del líquido extracelular. Los mecanismos reguladores de la composición del líquido extracelular son muy importantes respecto de este ion específico, ya que el aparato celular es muy sensible a los cambios en la concentración de hidrogeniones. Esta última, que puede medirse con el uso de microelectrodos, colorantes fluorescentes sensibles al pH y resonancia magnética con fósforo, es diferente del pH extracelular y, al parecer, es controlada por diversos procesos intracelulares. Sin embargo, es sensible a los cambios en la concentración de hidrogeniones en el líquido extracelular.
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RECUADRO CLÍNICO 39-1 Implicaciones de los cambios del pH urinario
Según sean las tasas de los procesos interrelacionados de secreción de ácido, la producción de amonio (NH4+) y la excreción de bicarbonato (HCO3–), el pH urinario en el ser humano varía entre 4.5 y 8.0. La excreción de la orina que se encuentra a un pH diferente de los líquidos corporales tiene implicaciones importantes para el equilibrio electrolítico y acidobásico del organismo. Los ácidos son amortiguados en el plasma y en las células, y la reacción global es HA + NaHCO3 → NaA + H2CO3. El ácido carbónico (H2CO3) forma dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), y el CO2 es exhalado, en tanto el NaA aparece en el filtrado glomerular. En la medida que el ion de sodio (Na+) es sustituido por hidrogenión en la orina, se conserva el Na+ en el organismo. Asimismo, por cada hidrogenión excretado con fosfato o como amonio, hay una ganancia neta de un ion de bicarbonato en la sangre, que restituye el suministro de este anión amortiguador importante. Por lo contrario, cuando se añade base a los líquidos corporales, los iones OH– son amortiguados, con aumento del bicarbonato plasmático. Cuando la concentración plasmática sobrepasa 28 mEq/L, la orina se torna alcalina y el bicarbonato adicional se excreta en la orina. Como la velocidad de secreción máxima de los hidrogeniones por los túbulos varía directamente con la PCO2 arterial, la reabsorción de bicarbonato también se afecta por la PCO2. Esta relación se describió con más detalle en el texto.
AVANCES TERAPÉUTICOS Las sulfonamidas inhiben la anhidrasa carbónica y los derivados de sulfonamidas se han utilizado en la clínica como diuréticos por sus efectos inhibidores en la anhidrasa carbónica en el riñón (véase cap. 37).
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La notación del pH es un medio útil para expresar las concentraciones de hidrogeniones en el organismo, porque estas son bajas en comparación con las de otros cationes. Por consiguiente, el valor normal de iones sodio en plasma arterial que se ha equilibrado con eritrocitos es de casi 140 mEq/L, en tanto la concentración de hidrogeniones es de 0.00004 mEq/L (cuadro 39-1). Así, el pH, es decir, el logaritmo negativo de 0.00004, es 7.4. Desde luego, una disminución de una unidad en el pH, por ejemplo, de 7.0 a 6.0, representa un aumento de 10 tantos en la concentración del hidrogenión. Es importante recordar que el pH sanguíneo corresponde al pH del plasma verdadero (plasma que ha estado en equilibrio con los eritrocitos) ya que los eritrocitos contienen hemoglobina, la cual desde el punto de vista cuantitativo es uno de los amortiguadores sanguíneos más importantes (véase cap. 36).
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EQUILIBRIO DEL HIDROGENIÓN
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El pH del plasma arterial normalmente es de 7.40 y el del plasma venoso es ligeramente más bajo. Técnicamente, se presenta una acidosis siempre que el pH arterial es menor de 7.40, y una alcalosis cuando se encuentra por encima de 7.40, aunque ocurren variaciones de hasta 0.05 unidades de pH sin la aparición de efectos adversos. Las concentraciones hidrogeniones en el líquido extracelular compatibles con la vida abarcan un intervalo de alrededor de cinco tantos, desde 0.00002 mEq/L (pH 7.70) hasta 0.0001 mEq/L (pH de 7.00).
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Los aminoácidos son utilizados en el hígado para la gluconeogénesis, dejando el amonio y bicarbonato como productos de sus grupos amino y carboxilo (fig. 39-5). El NH4+ se incorpora en la urea (véase cap. 28) y los protones formados son amortiguados dentro de la célula por el bicarbonato, de manera que escasas cantidades de amonio y bicarbonato escapan hacia la circulación sanguínea. Sin embargo, el metabolismo de los aminoácidos que contienen sulfuro produce ácido sulfúrico (H2SO4) y el metabolismo de los aminoácidos fosforilados, como la fosfoserina, produce ácido fosfórico (H3PO4). Estos ácidos potentes entran a la circulación y presentan una carga importante de hidrogeniones a los amortiguadores en el líquido extracelular. Dicha carga derivada del metabolismo de los aminoácidos normalmente es de casi 50 mEq/L. El dióxido de carbono formado por el metabolismo en los tejidos en gran parte es hidratado a ácido carbónico (véase cap. 36) y la carga total de hidrogeniones de esta fuente es mayor de 12 500 mEq/día. Sin embargo, la mayor parte del dióxido de carbono se excreta en los pulmones y solo pequeñas cantidades de hidrogeniones se conservan para eliminarse por los riñones. Las fuentes comunes de cargas adicionales de ácido son el ejercicio vigoroso (ácido láctico), la cetosis diabética (ácido acetoacético y ácido hidroxibutírico β), así como el consumo de sales acidificantes, como el cloruro de amonio (NH4Cl) y cloruro de calcio (CaCl2), que en efecto añaden ácido clorhídrico al organismo. La deficiencia de los riñones enfermos para excretar cantidades normales de ácido también es una causa de acidosis. Las frutas constituyen la principal fuente alimentaria de álcalis. Contienen sales de sodio y potasio de ácidos orgánicos débiles y los aniones de estas sales se metabolizan a dióxido de carbono, dejando bicarbonato de sodio (NaHCO3) y bicarbonato de potasio (KHCO3) en el cuerpo. El bicarbonato de sodio y otras sales alcalinizantes a veces son ingeridas en grandes cantidades, pero una causa más frecuente de alcalosis es la pérdida de ácido del cuerpo como consecuencia del vómito del jugo gástrico rico en ácido clorhídrico (HCl). Esto desde luego, equivale a añadir álcali al organismo.
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La amortiguación es de importancia decisiva para mantener la homeostasis del hidrogenión. En el capítulo 1 se define dicha homeostasis, misma que se describe en el capítulo 36 en el contexto del transporte de gases, con énfasis en las funciones para las proteínas, la hemoglobina y el sistema de la anhidrasa carbónica en la sangre. La anhidrasa carbónica también se encuentra en altas concentraciones en las células gástricas secretoras de ácido (véase cap. 25) y en las células tubulares renales (véase cap. 39). La anhidrasa carbónica es una proteína con un peso molecular de 30 000, que contiene un átomo de cinc en cada molécula; es inhibida por cianuro, ácido y sulfuro. La amortiguación in vivo, por supuesto, no está limitada a la sangre. En el cuadro 39-2 se enumeran los principales amortiguadores presentes en esta última, así como el líquido intersticial y el líquido intracelular. Los principales amortiguadores hallados en el líquido cefalorraquídeo (LCR) y en la orina son los sistemas de bicarbonato y de fosfato. En la acidosis metabólica, solo 15 a 20% de la carga de ácido es amortiguada por el sistema ácido carbónico-bicarbonato (H2CO3–HCO3–) en el líquido extracelular y la mayor parte restante es amortiguada en las células. En la alcalosis metabólica, alrededor de 30 a 35% de la carga de hidróxido (OH–) es amortiguada en las células, mientras en la acidosis y la alcalosis respiratorias, casi toda la amortiguación es intracelular.
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En las células de animales, los principales reguladores del pH intracelular son los transportadores de bicarbonato. Los caracterizados hasta el momento son el intercambiador de Cl–HCO3– AE1, tres cotransportadores de Na+-HCO3– y un cotransportador de potasio-bicarbonato (K+-HCO3–).
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Cuando se añade un ácido potente a la sangre, las principales reacciones amortiguadoras son impulsadas a la izquierda. Como consecuencia, descienden las concentraciones sanguíneas de los tres “aniones amortiguadores”: Hb- (hemoglobina), Prot- (proteína) y HCO3– (bicarbonato). Los aniones del ácido añadido son filtrados hacia los túbulos renales. Asimismo, son acompañados (“cubiertos”) por cationes, sobre todo sodio, en virtud de la conservación de la neutralidad electroquímica. Mediante los procesos descritos antes, los túbulos sustituyen el sodio con hidrogeniones y, al hacerlo, reabsorben cantidades equimolares de iones de sodio y bicarbonato; con ello conservan los cationes, eliminan el ácido y normalizan el aporte de aniones amortiguadores. Cuando se añade dióxido de carbono a la sangre, ocurren reacciones similares, excepto que al formarse ácido carbónico, el bicarbonato plasmático aumenta en vez de descender.
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COMPENSACIÓN RENAL DE LA ACIDOSIS Y LA ALCALOSIS RESPIRATORIAS
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Como se mencionó en el capítulo 36, una elevación de la PCO2 arterial a causa de disminución en la ventilación produce acidosis respiratoria y, por el contrario, una disminución de la PCO2 genera alcalosis respiratoria. Los cambios iniciales, mostrados en la figura 35-7, ocurren de manera independiente de cualquier mecanismo compensador; es decir, corresponden a los de la acidosis o la alcalosis respiratoria descompensada. En cualquiera de las dos situaciones, los cambios surgen en los riñones, los cuales luego tienden a compensar la acidosis o la alcalosis, al ajustar el pH hacia lo normal.
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La reabsorción de bicarbonato en los túbulos renales depende no solo de la carga filtrada de esta sustancia, que es el producto de la tasa de filtración glomerular (GFR) por la concentración plasmática de bicarbonato, sino también de la velocidad de secreción de hidrogeniones por las células de los túbulos renales, ya que el bicarbonato es reabsorbido en intercambio por hidrogeniones. La tasa de secreción de estos últimos (y, por tanto, la rapidez de la reabsorción de bicarbonato) es proporcional a la PCO2 arterial, probablemente porque a mayor dióxido de carbono disponible para formar ácido carbónico en las células, más hidrogeniones pueden secretarse. Asimismo cuando la PCO2 se encuentra elevada, el interior de la mayor parte de las células se vuelve más ácido. Por tanto, en la acidosis respiratoria, la secreción de hidrogeniones en los túbulos renales está aumentada, retirando hidrogeniones del cuerpo; y aun cuando se eleve el bicarbonato plasmático, aumenta la reabsorción de bicarbonato, lo cual incrementa más el primero. Esta compensación renal de la acidosis respiratoria se muestra en forma gráfica en la figura 35-7 por el cambio de la acidosis respiratoria aguda a crónica. Aumenta la excreción de cloruros y desciende el cloro plasmático a medida que se incrementa el bicarbonato del plasma. En cambio, en la alcalosis respiratoria, la PCO2 baja dificulta la secreción renal de hidrogeniones, la reabsorción de bicarbonato se deprime y este es excretado, reduciendo más el bicarbonato plasmático ya bajo y disminuyendo el pH hacia lo normal.
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Cuando se añaden a la sangre ácidos más potentes que Hb (hidrogeniones y hemoglobina) y los otros ácidos amortiguadores, se produce acidosis metabólica; además, cuando la concentración de hidrogeniones libre desciende como resultado de añadir álcalis o eliminar ácido, sobreviene una alcalosis metabólica. Siguiendo el ejemplo del capítulo 35, si se añade ácido sulfúrico, se amortigua el hidrogenión y descienden las concentraciones plasmáticas de hemoglobina, proteína y bicarbonato. El ácido carbónico que se forma es convertido en agua y dióxido de carbono y este último rápidamente se excreta a través de los pulmones. Esta situación ocurre en la acidosis metabólica no compensada. De hecho, el incremento del hidrogenión plasmático estimula la respiración, de manera que la PCO2, en vez de aumentar o mantenerse constante, se reduce. Dicha compensación respiratoria eleva aún más el pH. Los mecanismos compensadores renales normalizan luego la excreción del hidrogenión adicional y los sistemas amortiguadores.
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Los aniones que remplazan bicarbonato en el plasma en la acidosis metabólica son filtrados, cada uno con un catión (principalmente sodio), manteniendo así la neutralidad eléctrica. Las células tubulares renales secretan hidrogeniones hacia el líquido tubular en intercambio por iones de sodio; así, por cada hidrogenión secretado, se añaden a la sangre un ion de sodio y un bicarbonato. El pH urinario limitante de 4.5 se alcanzaría rápidamente y la cantidad total de hidrogeniones secretada sería pequeña si no hubieran amortiguadores en la orina para “ajustar” el hidrogenión. Sin embargo, el hidrogenión secretado reacciona con bicarbonato para formar dióxido de carbono y agua (reabsorción de bicarbonato); con fosfato dibásico para constituir fosfato monobásico; y con amoniaco para formar amonio. De esta manera, se pueden secretar grandes cantidades de hidrogeniones, lo cual hace posible de manera correspondiente el retorno de grandes cantidades de bicarbonato (en el caso de la reabsorción de bicarbonato) o la adición a las reservas corporales agotadas y gran cantidad de cationes para que se reabsorban. Solo cuando la carga de ácido es muy grande, se pierden los cationes con los aniones y se produce diuresis y agotamiento de las reservas de cationes del organismo. En la acidosis crónica, aumenta la síntesis hepática de glutamina, con la utilización de parte del amonio que suele convertirse en urea (fig. 39-5); asimismo, la glutamina proporciona a los riñones una fuente adicional de amonio. La secreción de amoniaco aumenta durante un periodo de días (adaptación de la secreción de amoniaco), lo cual mejora más la compensación renal de la acidosis. Además, el metabolismo de la glutamina en los riñones produce cetoglutarato α y este, a su vez, es descarboxilado, generando bicarbonato, que entra en la circulación sanguínea y ayuda a amortiguar la carga de ácido (fig. 39-5).
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La reacción global en la sangre cuando se añade un ácido potente como el ácido sulfúrico es la siguiente:
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Por cada mol de hidrogenión que se añade, se pierde 1 mol de bicarbonato de sodio (NaHCO3). El riñón en efecto revierte la reacción:
+
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y son excretados el hidrogenión (H+) y el sulfato (SO42–). Desde luego, el ácido sulfúrico (H2SO4) no es excretado como tal y el hidrogenión (H+) que aparece en la orina corresponde a acidez cuantificable y amonio (NH4+).
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En la acidosis metabólica, la compensación respiratoria tiende a inhibir la respuesta renal en el sentido de que un descenso provocado en la Pco2 dificulta la secreción de ácido, pero también disminuye la carga filtrada del bicarbonato y de esta manera su efecto inhibidor neto no es considerable.
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En la alcalosis metabólica, aumentan las concentraciones plasmáticas de bicarbonato, así como el pH (fig. 39-6). La compensación respiratoria es una disminución de la respiración originada por la declinación de la concentración de hidrogeniones, lo que incrementa la Pco2. Tal situación vuelve a normalizar el pH al tiempo que eleva aún más la concentración plasmática de bicarbonato. La magnitud de esta compensación es limitada por los mecanismos de los quimiorreceptores carotídeo y aórtico, que estimulan el centro respiratorio si ocurre algún descenso perceptible en la PO2 arterial. En la alcalosis metabólica, se consume más secreción renal de hidrogeniones para reabsorber la mayor carga filtrada de bicarbonato; y si la concentración de este en plasma supera los 26 a 28 mEq/L, entonces el mismo aparece en la orina. La elevación de la Pco2 inhibe la compensación renal al facilitar la secreción de ácido, pero su efecto es relativamente leve.
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NOMOGRAMA DE LA CURVA DE SIGGAARD-ANDERSEN
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El uso del nomograma de la curva de Siggaard-Andersen (fig. 39-6) para tratar las características acidobásicas de la sangre arterial es útil en situaciones clínicas. Este nomograma tiene la Pco2 representada en una escala logarítmica en el eje vertical y el pH en el eje horizontal. Por tanto, cualquier punto a la izquierda de una línea vertical trazado a través del pH de 7.40 indica acidosis, en tanto cualquier punto a la derecha indica alcalosis. La posición del punto por arriba o por debajo de la línea horizontal a través de una Pco2 de 40 mmHg define el grado eficaz de hipoventilación o hiperventilación.
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Si una solución contiene bicarbonato de sodio (NaHCO3) y ningún amortiguador se equilibra con mezclas de gas que contienen diversas cantidades de dióxido de carbono, los valores de pH y Pco2 en equilibrio descenderían sobre la línea de rayas del lado izquierdo de la figura 39-6 o en una línea paralela a la misma. Si hubiera amortiguadores, el declive de la línea sería mayor, y cuanto mayor sea la capacidad de amortiguación de la solución, tanto más escarpada es la línea. Para la sangre normal que contiene 15 g de hemoglobina por 100 ml, la línea de cuantificación del dióxido de carbono pasa a través de la marca de los 15 g/100 ml en la escala de la hemoglobina (en el lado inferior de la escala curvada superior) y del punto donde se intersecan las líneas de la Pco2 = 40 mmHg y pH = 7.40, según se muestra en la figura 39-6. Cuando el contenido de hemoglobina de la sangre es bajo, hay una pérdida importante de la capacidad de amortiguación y disminuye el declive de la línea de cuantificación del dióxido de carbono. Sin embargo, la sangre contiene desde luego amortiguadores además de la hemoglobina, de manera que incluso la línea trazada desde el punto cero en la escala de la hemoglobina a través de la intersección de Pco2-pH normal, es más escarpada que la curva para una solución que no contenga amortiguadores.
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Para uso clínico, se retira en condiciones anaeróbicas la sangre arterial o la sangre capilar arterializada y se mide su pH. También se valoran los pH de la misma sangre luego del equilibrio con cada una de las dos mezclas de gases que contienen diferentes cantidades conocidas de dióxido de carbono. Los valores de pH en los niveles de Pco2 conocidos se trazan y conectan para obtener la línea de cuantificación del dióxido de carbono para la muestra de sangre. El pH de dicha muestra antes del equilibrio se traza sobre esa línea y se lee la Pco2 de la muestra en la escala vertical. El contenido de bicarbonato estándar de la muestra está indicado por el punto en el que la línea de cuantificación del dióxido de carbono se interseca con la escala de bicarbonato en la línea de la Pco2 = 40 mmHg. El bicarbonato estándar no es la concentración de bicarbonato real (efectivo) de la muestra, sino más bien, lo que sería la concentración de bicarbonato después de eliminar cualquier componente respiratorio. Esta es una medida de la reserva de álcalis de la sangre, excepto que se mide al determinar el pH más que el contenido de dióxido de carbono total de la muestra después del equilibrio. Al igual que la reserva de álcalis, constituye un índice del grado de acidosis metabólica o alcalosis presente.
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Se proporcionan graduaciones adicionales en la escala de la curva superior del nomograma (fig. 39-6) para medir el contenido de la base amortiguadora; el punto donde la línea de calibración del dióxido de carbono de la muestra de sangre arterial interseca esta escala, muestra los mEq/L de la base amortiguadora en la muestra. Dicha base es igual al número total de aniones amortiguadores (principalmente proteínas, bicarbonato y hemoglobina) que pueden aceptar los iones hidrógeno en la sangre. El valor normal en un individuo con 15 g de hemoglobina por decilitro (100 ml) de sangre es de 48 mEq/L.
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El punto en el que la línea de calibración del dióxido de carbono interseca la escala curvada inferior en el nomograma indica el exceso de base. Este valor, que es positivo en la alcalosis y negativo en la acidosis, es la cantidad de ácido o base que restablecería 1 L de sangre a la composición acidobásica normal a una Pco2 de 40 mmHg. Cabe observar que una deficiencia de base no se puede corregir por completo con el simple cálculo de la diferencia entre el bicarbonato estándar normal (24 mEq/L) y el bicarbonato estándar efectivo, así como con el suministro de esta cantidad de bicarbonato de sodio por litro de sangre; parte del bicarbonato añadido se convierte en dióxido de carbono y agua, y se pierde el dióxido de carbono en los pulmones. La cantidad efectiva que debe añadirse es aproximadamente de 1.2 tantos el déficit de bicarbonato estándar, pero la escala curvada inferior en el nomograma, que se ha ideado empíricamente al analizar muchas muestras de sangre, es más precisa.
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En el tratamiento de los trastornos acidobásicos, desde luego, se debe considerar no solo la sangre sino también todos los compartimientos del líquido corporal. Los otros compartimientos de líquido tienen concentraciones muy diferentes de amortiguadores. Se ha determinado de manera empírica que la administración de una cantidad de ácido (en la alcalosis) o de base (en la acidosis) equivalente a 50% del peso corporal en kilogramos, multiplicado por el exceso de base en la sangre por litro, corregirá el trastorno acidobásico en todo el organismo. Sin embargo, por lo menos cuando la anomalía es grave, no es prudente llevar a cabo tal corrección considerable en un solo paso. Más bien, debe proporcionarse casi la mitad de la cantidad indicada y definir de nuevo las concentraciones acidobásicas de la sangre arterial. De esta manera, puede entonces calcularse y proporcionarse la cantidad necesaria para la corrección final. También conviene hacer notar que, por lo menos en la acidosis láctica, el bicarbonato de sodio disminuye el gasto cardiaco y la presión arterial, de modo que debe utilizarse con precaución.