Visualizza wikitesto di Sistema tampone bicarbonato

[[File:2325_Carbon_Dioxide_Transport.jpg|miniatura| L'anidride carbonica, un sottoprodotto della [[respirazione cellulare]], viene sciolta nel sangue, dove viene assorbita dai globuli rossi e convertita in acido carbonico dall'anidrasi carbonica. La maggior parte dell'acido carbonico si dissocia quindi in ioni bicarbonato e idrogeno.]]

Il '''sistema tampone bicarbonato''' è un meccanismo [[Equilibrio acido base|omeostatico acido-base]] che coinvolge l'equilibrio di [[acido carbonico]] (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>), [[Idrogenocarbonato|ione bicarbonato]] (HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>) e [[anidride carbonica]] (CO<sub>2</sub>) per mantenere il [[pH]] nel [[sangue]] e nel [[duodeno]], oltre che in altri tessuti, per supportare una corretta funzione [[Metabolismo|metabolica]] .<ref name=":0" />

Catalizzata dall'[[anidrasi carbonica]], l'anidride carbonica (CO<sub>2</sub>) reagisce con l'acqua (H<sub>2</sub>O) per formare acido carbonico (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>), che a sua volta si dissocia rapidamente per formare uno ione bicarbonato (HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>)  e uno ione idrogeno (H<sup>+</sup>) come mostrato nella seguente reazione:<ref name="Oxtoby 2015">{{Cita libro|autore=Oxtoby|nome=David W.|autore2=Gillis|nome2=Pat|titolo=Principles of Modern Chemistry|anno=2016|url=https://archive.org/details/principlesofmode0000oxto|ed=8|data=2015|editore=Cengage Learning|città=Boston, MA|pp=[https://archive.org/details/principlesofmode0000oxto/page/611 611]–753|capitolo=Acid-base equilibria|ISBN=978-1305079113}}</ref><ref name="Widmaier 2013">{{Cita libro|autore=Widmaier|nome=Eric|autore2=Raff|nome2=Hershel|nome3=Kevin|autore3=Strang|titolo=Vander's Human Physiology|anno=2014|url=https://archive.org/details/vandershumanphys0000widm_g3a0|ed=13|data=2014|editore=McGraw-Hill|città=New York, NY|pp=[https://archive.org/details/vandershumanphys0000widm_g3a0/page/446 446]–489|capitolo=The kidneys and regulation of water and inorganic ions|ISBN=978-0073378305}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|autore=Meldrum|nome=N. U.|autore2=Roughton|nome2=F. J. W.|data=5 dicembre 1933|titolo=Carbonic anhydrase. Its preparation and properties|rivista=The Journal of Physiology|volume=80|numero=2|pp=113-142|doi=10.1113/jphysiol.1933.sp003077|PMID=16994489|issn=0022-3751}}</ref><div align="center"><math>\rm CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3 \rightleftarrows HCO_3^- + H^+</math></div>Come in qualsiasi sistema [[Soluzione tampone|tampone]], il pH è bilanciato dalla presenza sia di un [[acido debole]] (ad esempio, H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>) che della sua [[Acido coniugato|base coniugata]] (ad esempio, HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>), in modo da neutralizzare l'eventuale eccesso di acido o base introdotto nel sistema.

Il mancato funzionamento di questo sistema provoca uno squilibrio acido-base, come [[Acidosi|acidemia]] <math>(\mathrm{pH} <7,35)</math> e [[Alcalosi|alcaliemia]] <math>(\mathrm{pH}> 7,45)</math> nel sangue.<ref>{{Cita libro|autore=Rhoades|nome=Rodney A.|autore2=Bell|nome2=David R.|titolo=Medical physiology : principles for clinical medicine|url=https://archive.org/details/medicalphysiolog0000unse_a2j7|ed=4th ed., International|data=2012|editore=Lippincott Williams & Wilkins|città=Philadelphia, Pa.|ISBN=9781451110395}}</ref>

== Equilibrio acido-base ==
Nei tessuti, [[Respirazione cellulare|la respirazione cellulare]] produce anidride carbonica come prodotto di scarto; come uno dei ruoli primari del [[Apparato circolatorio|sistema cardiovascolare]], la maggior parte di questa CO<sub>2</sub> viene rapidamente rimossa dai tessuti mediante la sua idratazione a ione bicarbonato.<ref>{{Cita libro|autore=al.]|nome=David Sadava ... [et|autore2=Bell|nome2=David R.|titolo=Life : The Science of Biology|anno=1994|url=https://archive.org/details/lifescienceofbio00purv_0|ed=10th|data=2014|editore=Sinauer Associates|città=Sunderland, MA|ISBN=9781429298643}}</ref> Lo ione bicarbonato presente nel plasma sanguigno viene trasportato ai polmoni, dove viene nuovamente disidratato in CO<sub>2</sub> e rilasciato durante l'espirazione. Queste conversioni di idratazione e disidratazione di CO <sub>2</sub> e H<sub>2</sub>CO <sub>3</sub>, normalmente molto lente, sono facilitate [[Carbonato deidratasi|dall'anidrasi carbonica]] sia nel sangue che nel duodeno.<ref name=":1">{{Cita pubblicazione|autore=Bear|nome=R. A.|autore2=Dyck|nome2=R. F.|data=20 gennaio 1979|titolo=Clinical approach to the diagnosis of acid-base disorders.|rivista=Canadian Medical Association Journal|volume=120|numero=2|pp=173-182|PMID=761145|issn=0008-4409}}</ref>

Nel sangue, lo ione bicarbonato serve a neutralizzare l'acido introdotto nel sangue attraverso altri processi metabolici (per esempio l'[[acido lattico]] o i [[corpi chetonici]]); allo stesso modo eventuali basi (come l'[[Azoto ureico|urea dal catabolismo delle proteine]]) vengono neutralizzate dall'acido carbonico (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>).<ref>{{Cita libro|autore=Nelson|nome=David L.|autore2=Cox|nome2=Michael M.|nome3=Albert L|autore3=Lehninger|titolo=Lehninger Principles of Biochemistry|url=https://archive.org/details/lehningerprincip00lehn_1|ed=5th|data=2008|editore=W.H. Freeman|città=New York|ISBN=9781429212427}}</ref>

=== Regolazione ===
Come calcolato [[Equazione di Henderson-Hasselbalch|dall'equazione di Henderson – Hasselbach]], al fine di mantenere un pH normale di 7,4 nel sangue (dove il [[Costante di dissociazione acida|pKa]] dell'acido carbonico è 6,1 a temperatura fisiologica), è necessario mantenere costantemente un rapporto bicarbonato-acido carbonico di '''20 a 1'''. Questa [[omeostasi]] è mediata principalmente da sensori di pH nel [[Bulbo (encefalo)|midollo allungato]] del cervello e probabilmente nei [[Rene|reni]], collegati tramite circuiti di feedback negativi agli effettori nei sistemi [[Apparato respiratorio|respiratorio]] e [[Rene|renale]] .<ref>{{Cita libro|curatore=Johnson|titolo=Essential medical physiology|ed=3rd|data=2003|editore=Elsevier Academic Press|città=Amsterdam|ISBN=9780123875846}}</ref> Nel sangue della maggior parte degli animali, il sistema tampone di bicarbonato è accoppiato ai [[Polmone|polmoni]] tramite [[compensazione respiratoria]], il processo mediante il quale la velocità e/o la profondità della respirazione cambia per compensare le variazioni della concentrazione ematica di CO<sub>2</sub>.<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Heinemann|nome=Henry O.|autore2=Goldring|nome2=Roberta M.|anno=1974|titolo=Bicarbonate and the regulation of ventilation|rivista=The American Journal of Medicine|volume=57|numero=3|pp=361-370|doi=10.1016/0002-9343(74)90131-4|PMID=4606269}}</ref> Secondo [[Principio di Le Châtelier|il principio di Le Chatelier]], il rilascio di CO <sub>2</sub> dai polmoni spinge la reazione a sinistra, facendo sì che l'[[anidrasi carbonica]] formi CO<sub>2</sub> fino a rimuovere tutto l'acido in eccesso.

La concentrazione di bicarbonato è inoltre ulteriormente regolata dalla [[compensazione renale]], il processo mediante il quale i reni regolano la concentrazione di ioni bicarbonato secernendo ioni H <sup>+</sup> nelle urine e, allo stesso tempo, riassorbendo HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>  nel plasma sanguigno o ''viceversa'', a seconda che il pH del plasma stia diminuendo o aumentando, rispettivamente.<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Koeppen|nome=Bruce M.|data=1º dicembre 2009|titolo=The kidney and acid-base regulation|rivista=Advances in Physiology Education|volume=33|numero=4|pp=275-281|doi=10.1152/advan.00054.2009|PMID=19948674|issn=1043-4046}}</ref>

=== Equazione di Henderson – Hasselbach ===
Una versione modificata [[Equazione di Henderson-Hasselbalch|dell'equazione di Henderson – Hasselbach]] può essere utilizzata per mettere in relazione il pH del [[sangue]] con i componenti del sistema tampone bicarbonato:<ref name="Bray1999" />

: <math chem=""> \ce{pH} = \textrm{p}K_{a~\ce{H_2CO_3}}+ \log \left ( \frac{[\ce{HCO_3^-}]}{[\ce{H_2CO_3}]} \right ),</math>

dove:

* <math>\mathrm{p}K_{a, \mathrm{\mathrm{H_2CO_3}}}</math> è il [[logaritmo]] negativo (base 10) della [[costante di dissociazione acida]] [[Acido carbonico|dell'acido carbonico]]. A 37 °C è uguale a 6,1
* <math>\left[ \mathrm{HCO_3^-} \right]</math> è la concentrazione di [[Idrogenocarbonato|bicarbonato]] nel sangue
* <math>\left [\mathrm{H_2CO_3} \right]</math> è la concentrazione di acido carbonico nel sangue.

Quando si descrive l'[[Emogasanalisi|emogasanalisi arteriosa]], l'equazione di Henderson-Hasselbalch viene usata in termini di [[Capnia|pCO <sub>2</sub>]], la [[pressione parziale]] [[Anidride carbonica|dell'anidride carbonica]], piuttosto che di H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> . Tuttavia, queste quantità sono correlate dall'equazione:<ref name="Bray1999" />

: <math chem=""> [\ce{H_2CO_3}] = k_{\ce{H~CO_2}} \times p_\ce{CO_2}, </math>

dove:

* <math>\left [\mathrm{H_2CO_3} \right]</math> è la concentrazione di acido carbonico nel sangue
* <math>k_{\mathrm{HCO}_2}</math> è una costante che include la [[solubilità]] dell'anidride carbonica nel sangue. <math>k_{\mathrm{HCO}_2}</math> è circa 0,03 ([[Mole|mmol]]/[[Litro|L]]) / mmHg
* <math>p_{\mathrm{CO}_2}</math> è la pressione parziale [[Anidride carbonica|dell'anidride carbonica]] nel sangue.

Combinando il tutto, la seguente equazione può essere utilizzata per mettere in relazione il pH del sangue con la concentrazione di bicarbonato e la pressione parziale di anidride carbonica:<ref name="Bray1999">[https://books.google.com/books?id=qyHu0Iu-XOUC&pg=PA556 page 556], section "Estimating plasma pH" in: {{Cita libro|autore=Bray|nome=John J.|titolo=Lecture notes on human physiology|url=https://archive.org/details/lecturenotesonhu0000unse|anno=1999|editore=Blackwell Science|città=Malden, Mass.|ISBN=978-0-86542-775-4}}</ref>

: <math chem=""> \ce{pH} = 6.1 + \log \left ( \frac{[\ce{HCO_3^-}]}{0.0307 \times p_\ce{CO_2}} \right ),</math>

dove:

* il <math>\mathrm{pH}</math> è l'acidità nel sangue
* <math>\left [\mathrm{HCO}_3^- \right]</math> è la concentrazione di bicarbonato nel sangue, in mmol/L
* <math>p_{\mathrm{CO}_2}</math> è la pressione parziale dell'anidride carbonica nel sangue, in mmHg.

===Derivazione dell'approssimazione di Kassirer-Bleich===
L'equazione di Henderson-Hasselbalch, che deriva dalla [[legge di azione di massa]], può essere modificata rispetto al sistema tampone bicarbonato per ottenere un'equazione più semplice che fornisca una rapida approssimazione della concentrazione di <chem>H+</chem> o <chem>HCO3^{-}</chem> senza la necessità di calcolare i logaritmi<ref>{{Cita pubblicazione|autore1=R.A. Bear|autore2=R.F. Dyck|titolo=Clinical approach to the diagnosis of acid-base disorders|rivista=Canadian Medical Association Journal|data=20 gennaio 1979|pp=173-182|volume = 120|numero=2|lingua=en}}</ref>:

:<math>K_{a,\mathrm{H_2CO_3}}=\mathrm{\frac{\left[HCO_3^- \right] \left[H_3O^+ \right]}{\left [H_2CO_3 \right]}}</math>.

Poiché la pressione parziale dell'anidride carbonica è molto più facile da ottenere dalla misurazione rispetto all'acido carbonico, al posto della concentrazione di acido carbonico viene utilizzata la costante di solubilità della legge di Henry - che mette in relazione la pressione parziale di un gas con la sua solubilità - per la CO2 nel plasma. Dopo aver riorganizzato l'equazione e applicato la legge di Henry, l'equazione diventa<ref>{{Cita pubblicazione|autore1=Donald Kamens|autore2=Robert L. Wears|autore3=Cleve Trimble|titolo=Circumventing the Henderson-Hasselbalch equation|rivista=Journal of the American College of Emergency Physicians|data=1º novembre 1979|pp=462-466|volume = 8|numero=11|doi=10.1016/S0361-1124(79)80061-1|lingua=en}}</ref>:

:<math> \left[\mathrm{H^+} \right]=\frac{K' \cdot 0,03p_{\mathrm{CO_2}}}{\left [\mathrm{HCO_3^-} \right]}</math>

dove <math>K'</math> è la [[costante di dissociazione]] dal <math>pKa</math> dell'acido carbonico, 6.1, che è uguale a 800nmol/L (poiché <math>K' = 10^{-pKa} = 10^{-(6.1)} \approx 8,00 \cdot 10^{-7} \mathrm{mol/L} = 800\mathrm{nmol/L}</math>).

Moltiplicando <math>K'</math> (espresso come nmol/L) e <math>0,03</math> <math>(800 \cdot  0,03 = 24)</math> e riordinando rispetto a <chem>HCO3^-</chem>, l'equazione viene semplificata in:

:<math>\left [\mathrm{HCO_3^-} \right]=24 \frac{p_\mathrm{CO_2}}{\left [\mathrm{H^+} \right]}</math>.

== In altri tessuti ==
Il sistema tampone bicarbonato svolge un ruolo fondamentale anche in altri tessuti. Per esempio, nello stomaco e nel duodeno, il sistema tampone bicarbonato serve sia a neutralizzare [[Succo gastrico|l'acido gastrico]] sia a stabilizzare il pH intracellulare delle cellule epiteliali attraverso la secrezione di ione bicarbonato nella mucosa gastrica.<ref name=":0">{{Cita pubblicazione|autore=Krieg|nome=Brian J.|autore2=Taghavi|autore3=Amidon|nome2=Seyed Mohammad|nome3=Gordon L.|data=1º novembre 2014|titolo=In Vivo Predictive Dissolution: Transport Analysis of the CO2, Bicarbonate In Vivo Buffer System|rivista=Journal of Pharmaceutical Sciences|volume=103|numero=11|pp=3473-3490|doi=10.1002/jps.24108|url=https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/109280/1/jps24108.pdf|PMID=25212721|issn=1520-6017}}</ref> Nei pazienti con ulcere duodenali, l'eradicazione ''[[Helicobacter pylori|dell'Helicobacter pylori]]'' può ripristinare la secrezione di bicarbonato della mucosa e ridurre il rischio di recidiva dell'ulcera.<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Hogan|nome=DL|autore2=Rapier|autore3=Dreilinger|nome2=RC|nome3=A|anno=1996|titolo=Duodenal bicarbonate secretion: Eradication of Helicobacter pylori and duodenal structure and function in humans|url=https://archive.org/details/sim_gastroenterology_1996-03_110_3/page/705|rivista=Gastroenterology|volume=110|numero=3|pp=705-716|doi=10.1053/gast.1996.v110.pm8608879|PMID=8608879}}</ref>

== Note ==
<references/>

== Collegamenti esterni ==
* {{Cita libro|autore=Nosek|nome=Thomas M.|titolo=Essentials of Human Physiology|capitolo=Section 7/7ch12/7ch12p17|url=http://humanphysiology.tuars.com/program/section7/7ch12/7ch12p17.htm|accesso=3 gennaio 2021|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20160324124828/http://humanphysiology.tuars.com/program/section7/7ch12/7ch12p17.htm|urlmorto=sì}}

{{Portale|chimica}}

[[Categoria:Equilibrio acido-base]]
[[Categoria:Carbonio]]