Equilibrios iónicos

Anfolitos, Polianfolitos, pI y Zwitterion

Muchas sustancias en la naturaleza contienen tantos grupos acídicos como básicos así como también varios diferentes tipos de estos grupos en la misma molécula (e.g. proteínas). A estas se las llama anfolitos (un grupo acídico y uno básico) o polianfolitos (muchos grupos acídicos y básico). Las proteínas contienen muchos aminoácidos diferentes muchos de los cuales contienen grupos ionizables, tanto ácidos como básicos. Por tanto, un termino útil para tratar con la titulación de los anfolitos y polianfolitos (e.g. proteínas) es el punto isoeléctrico, pI. Este se describe como el pH en el cual la carga neta efectiva en la molécula es cero.

Para el caso de un anfolito simple como el aminoácido glicina el pI, cuando se calcula a partir de la ecuación de Henderson-Hasselbalch, se ha demostrado que es el promedio para la pK para el grupo α–COOH y la pK para el grupo α–NH₂:

Para moléculas más complejas como los polianfolitos el pI es el promedio de los valores pK_a que representan los limites de las formas zwitterionicas de la molécula. El valor del pI, como de la pK, es muy informativo en relación a la naturaleza de diferentes moléculas. Una molécula con un pI bajo tendrá predominantemente grupos acídicos, mientras que un pI alto indica predominancia de grupos básicos.

Solubilidad y Escudos de Hidratación

Dependiendo del pH de la solución, las macromoléculas como las proteínas que contienen muchos grupos cargados, tendrán una carga neta sustancial, positiva o negativa. Las células del cuerpo y la sangre contienen muchos polielectrolitos (moléculas que contienen cargas múltiples iguales, e.g. DNA, RNA) y polianfolitos que están próximos unos de otros. Esta asociación cercana permite que estas moléculas interactúen por medio de cargas opuestas. La presencia, en las células y en la sangre, de varios iones pequeños con carga (e.g. Na⁺, Cl^–, Mg²⁺, Mn²⁺, K⁺) lleva a la interacción de muchos iones pequeños con iones-macro más grandes. Esta interacción puede resultar en un escudamiento de las cargas electrostáticas de moléculas-cargadas en forma similar. Este escudamiento electroestático permite que iones-macro se encuentren asociados mas cercanamente de lo que se pudiera predecir basados en sus cargas de repulsión unos de otros. El efecto neto de la presencia de iones pequeños es la de mantener la solubilidad de macromoléculas en rangos de pH cercanos a su pI. Esta interacción entre el soluto (e.g. proteínas, DNA, RNA, etc.) y el solvente (e.g. sangre) se denomina solubilidad o hidratación. El efecto opuesto a la solubilidad ocurre cuando la concentración de la sal (ión pequeño) se incrementa a tal nivel como para interferir con la solubilidad de las proteínas por el H₂O. Esto resulta por la formación de escudos de hidratación por el H₂O alrededor de los iones pequeños.

Papel de los Riñones en el Balance Ácido-Básico

Los riñones sirven para filtrar el plasma que pasa por las nefronas. La filtración del plasma se da en los capilares glomerulares de la nefrona. Estos capilares permiten el paso de agua y de solutos de bajo peso molecular (menos de 70 kDa) al espacio capsular. El filtrado entonces pasa a través de los túbulos contorneados proximales y distales en donde se produce la reabsorción de agua y de muchos solutos. Durante el filtrado glomerular y la reabsorción tubular la composición del plasma cambia generándose la composición típica de la orina. Desde un punto de vista bioquímico los riñones tienen funciones importantes en la regulación del balance ácido-básico y en la eliminación de desperdicios nitrogenados.

Reabsorción del Bicarbonato de Sodio

Regulación del equilibrio ácido-base del plasma es principalmente efectuadas en el riñón a través de control de HCO₃^– reabsorción y secreción de H⁺. La secreción de H⁺, en el exceso de su capacidad para reaccionar con HCO₃^– en el tubular fluido luminal, requiere la presencia de otros tampones (ver más abajo). La generación de HCO₃^– y H⁺ se produce por disociación del ácido carbónico (H₂CO₃), formado en el extremo proximal (siglas en Inglés: PCT) células túbulo contorneado de H₂O y CO₂, a través de la acción de la anhidrasa carbónica (CA). Como se indicó anteriormente, hay 12 isoformas de CA y al menos seis de ellos se encuentran en los riñones, incluyendo citosólica, unidas a la membrana, y mitocondrial versiones. Unido a la membrana CA en las funciones del PCT para evitar el rápido desarrollo de los limitando gradientes de pH en este segmento y contribuye a las altas tasas de reabsorción de bicarbonato.

La secreción de H⁺ en el lumen de los el túbulo va acompañado de un cambio de Na⁺. Esta reabsorción de Na⁺ se produce por un mecanismo antiport durante el cambio de H⁺. Reducción de la concentración intracelular de Na⁺ se produce por una proceso de transporte activo que implica un bomba de Na⁺/K⁺-ATPasa que bombea el exceso de Na⁺ en el líquido intersticial. la intracelular HCO₃^– se difunde o se transporta desde la celda PCT en el fluido intersticial.

Los seres humanos expresan varios genes transportadores de bicarbonato, no todos los cuales están expresado en el riñón. Varios de estos genes transportadores de bicarbonato pertenecen a familia portador de soluto de los transportistas, específicamente la familia SLC4A. Los transportadores de bicarbonato renales mejor caracterizados son los genes SLC4A4 y SLC4A7. SLC4A4 codifica una electrogénico Na⁺,HCO₃^–-cotransportador (también llamado NBCe1) encontraron en las membranas basolateral de las células del PCT. Este transportador es responsable de aproximadamente el 80% de la reabsorción de bicarbonato renal. SLC4A7 códigos para transportador presentan hacia la membrana basolateral en la rama gruesa ascendente y la parte distal de la conductos colectores. SLC4A8 y SLC4A10 codifican sodio-dependiente de sodio Cl^–,HCO₃^–intercambiadores.

La capacidad del riñón de secretar H⁺ está regulada por la máxima H⁺ degradado que se forma entre la túbulo y la luz y todavía permiten que los mecanismos de transporte para operar. Este gradiente está determinado por el pH de la orina, que en los seres humanos es cerca de 4,5. La capacidad para secretar H⁺ se alcanzaría rápidamente si no fuera por el presencia de tampones dentro del fluido intersticial. El H⁺ secretada en el lumen tubular puede someterse a tres destinos diferentes dependiendo de la concentración de las tres memorias intermedias principales del fluido intersticial. estos tampones son HCO₃^–, HPO₄^2– y NH₃. La reacción del H⁺ con HCO₃^– formas H₂O y CO₂, que difunde de nuevo en la célula tubular. El resultado neto de este proceso es la regeneración de HCO₃^– en el células túbulo. Este es el mecanismo de bicarbonato de la reabsorción de sodio. Como se ha indicado, la mayoría de la reabsorción de bicarbonato se produce en el PCT. El resto de la reabsorción de bicarbonato se produce en el bucle de Henle y el túbulo colector medular.

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Excreción de Ácido

Mientras la concentración de HCO₃^– en el lumen tubular cae, el pH del fluido también cae debido a una concentración creciente de H⁺. El pH del fluido tubular gradualmente se aproxima a la pK_a del sistema amortiguador fosfato dibásico/monobásico (pK_a =6,8). El exceso de H⁺ reacciona con el fosfato dibásico (HPO₄^2–) para formar fosfato monobásico (H₂PO₄^–). El H₂PO₄^– así formado no se reabsorbe y su excreción resulta en la perdida neta de H⁺. La mayor formación de H₂PO₄^– se da en el túbulo contorneado distal y en los conductos colectores.

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Secreción de Amoniaco

La amortiguación de H⁺ también se logra con la reacción con el amoniaco, NH₃, para formar el radical amonio, NH₄⁺. La eliminación de NH₄⁺ es el factor más importante que contribuye a la habilidad del organismo de excretar ácido. Debido a que la pK_a del NH₄⁺ es 9,3, la excreción de ácido de esta manera puede lograrse sin disminuir el pH de la orina. Una cosa adicional importante es el hecho de que la excreción de ácido en la forma de NH₄⁺ ocurre sin la disminución de Na⁺ o K⁺.

Dos reacciones importantes en las células tubulares resultan en la generación de NH₃, la conversión de glutamina a glutamato y la conversión de glutamato a 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato). Estas reacciones son catalizadas por la glutaminasa y la glutamato deshidrogenasa, respectivamente en los siguientes dos ecuaciones:

Ambas enzimas son abundantes en las células tubulares. El amoniaco es soluble en lípidos y se difundirá siguiendo su gradiente de concentración fuera de las células tubulares dentro del fluido tubular. Allí este reacciona con el H⁺ para producir NH₄⁺que es excretado en la orina.

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Neuro-toxicicidad del Amoníaco

El exceso de amoníaco está muy neurotóxico. Marcado del cerebro daño se observa en los casos en que no se hacen a través de la urea ciclo de la urea o para eliminar la urea a través de los riñones. El resultado de cualquiera de estos eventos es una acumulación de los niveles circulantes de ion amonio. Aparte de su efecto en la sangre de pH, amoníaco atraviesa fácilmente la barrera sangre cerebro y en el cerebro se convierte a glutamato a través de la glutamato deshidrogenasa, que agotan el cerebro de 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato). A medida que el 2-oxoglutarato se agota, oxaloacetato cae en consecuencia, y en última instancia la actividad del ciclo del TCA se detiene. En el ausencia de fosforilación oxidativa aeróbica y la actividad del ciclo del TCA, el daño celular irreparable y la muerte de células nerviosas sobrevienen.

Además, el glutamato aumentado conduce a la formación de glutamina. Esto agota las reservas de glutamato que se necesitan en los nervios tejido desde el glutamato es tanto un neurotransmisor y un precursor para el síntesis de la γ-aminobutirato: GABA, otro neurotransmisor. Por lo tanto, reducciones en el glutamato del cerebro afectan a la producción de energía, así como neurotransmisión. Para obtener información detallada sobre el papel del ciclo de glutamato-glutamina en el cerebro y su papel en la regulación de los niveles de amoníaco células neuronales visite el página Metabolismo del Nitrógeno.

Otras consecuencias adversas de la hiperamonemia se han atribuido a una aumentar la concentración de glutamina neuronal. Volumen celular astrocito es controlado por el metabolismo intracelular osmolito orgánica. Una osmolito orgánica importante en estas células es glutamina. Como aumentar los niveles de glutamina en el cerebro, concomitante con el aumento de amoniaco absorción es la hipótesis de que el volumen de fluido dentro las células gliales se aumento resultante en el edema cerebral visto en niños con hiperamonemia causada por defectos del ciclo de la urea. Sin embargo, existen algunos problemas con este modelo en particular. En primer lugar, las cuentas de glutamina para no más de 1,5% de la suma de todos los osmolitos dentro de la en el cerebro. En segundo lugar, una significativa proporción de la glutamina recién sintetizado puede salir rápidamente debido a los astrocitos tanto difusión y mediante la acción de los transportadores específicos de glutamina. La glutamina astrocito primaria transportador es el sodio acoplado aminoácido neutro (sistema N / A) transportador 3 (SNAT3: un miembro de la familia de transportadores de solutos de los transportadores también identificado como SLC38A3). El resultado de la difusión y el transporte es un reducción de la sobrecarga de glutamina dentro de los astrocitos. Adicionalmente, un aumento de la glutamina cerebro durante otras causas de hiperamonemia, tales como encefalopatía hepática, se ha demostrado ser acompañada por la pérdida de diferentes osmolitos MW bajas, incluyendo mio-inositol, taurina y betaína.

Un concepto actual de la función de la concentración de glutamina en el cerebro de la neurotoxicidad asociada con hiperamonemia se refiere a sus efectos adversos sobre la función mitocondrial. En el laboratorio animales se ha demostrado que la inhibición de la síntesis de glutamina por metionina sulfoximina (MSO) resulta en la supresión de amoníaco-inducida por la formación de oxígeno reactivo las especies (siglas en Inglés: ROS). Además, cuando la glutamina se añade directamente a los cultivos celulares de astrocitos hay una la inducción resultante de transición de permeabilidad mitocondrial (siglas en Inglés: mPT) y la hinchazón de las mitocondrias. Este efecto de la glutamina puede ser bloqueada por la adición de la ciclosporina A (CsA), que es un conocido inhibidor de mPT, así como por la inhibición de la captación de glutamina mitocondrial por histidina. De la nota es el hecho de que la administración de histidina puede prevenir el edema cerebral durante inducida por fármacos insuficiencia hepática en los roedores. Además, los estudios han demostrado que cuando se administra glutamina en ausencia de exceso de amoníaco se produce un aumento dependiente de la dosis en la producción de ROS por los astrocitos. Este último efecto puede ser bloqueada por la administración de CsA. A la inversa, se amoníaco no induce inflamación mPT o mitocondrial lo que indica que su entrada directa en la mitocondria puede no ser lo suficientemente eficaz para ejercer un efecto deletéreo sobre la función mitocondrial. Sin embargo, la elevación en amoníaco intracelular conduce a una mayor captación mitocondrial de la glutamina. Dentro de la mitocondria de la glutamina se degrada con el glutamato y amoníaco por una glutaminasa fosfato-activado (siglas en Inglés: PAG) dando lugar a nuevos aumentos en los niveles de amoníaco intramitocondriales. Que la acción PAG es significativo para la glutamina-inducida hinchazón astrocitos se demuestra por el hecho de que la inhibición de PAG previene la inflamación de las mitocondrias bajo hiperamonémica condiciones. Estos resultados sugieren un modelo en el cual, bajo condiciones de hiperamonemia, la acumulación de amoniaco en las células del cerebro (en particular, los astrocitos) potencia glutamina la toxicidad, facilitando su absorción dentro de la mitocondria. El aumento de la captación mitocondrial de glutamina conduce a aumento de la producción de amoníaco mitocondrial provocando deterioro mitocondrial, y una cadena subsiguiente de eventos perjudiciales que llevan a disfunción de los astrocitos, edema hinchazón y el cerebro.

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Ácidosis y Alcalosis

Los riñones tienen un papel importante en el control de la ácidosis al responder con un incremento en la excreción de H⁺. Cuando el H⁺ se excreta como un ácido titulable como el H₂PO₄^– o cuando los aniones de ácidos fuertes como el acetoacetato se excretan existe un requerimiento para la secreción simultanea de cationes para mantener la neutralidad eléctrica. El principal catión que se excreta es el Na⁺. Mientras el nivel de Na⁺ excretable se disminuye la excreción de K⁺ se incrementa. En condiciones de ácidosis los riñones incrementaran la producción de NH₃ a partir de los aminoácidos tubulares o de aminoácidos absorbidos del plasma. Como se indico el NH₃ puede difundirse a través de las membranas de las células tubulares en donde reaccionara con el H⁺ para formar el radical amonio que se puede excretar sin el requerimiento concomitante de la excreción de cationes. Esto demuestra que la inhabilidad de los riñones de generar NH₃ rápidamente conduciría a una ácidosis fatal.

Cuando los riñones fallan en el control de la excreción de HCO₃^– , se desarrolla alcalosis metabólica. La alcalosis es normalmente controlada muy efectivamente por los riñones permitiendo que el HCO₃^– escape libremente. En general la alcalosis solamente se hace problemática si los riñones son restringidos en su habilidad de secretar HCO₃^–. Esta situación puede ocurrir en pacientes que toman diuréticos debido a que varios tipos de estos fármacos causan una disminución en la habilidad de los riñones para reabsorber un anión (e.g. Cl^–) concomitantemente con la reabsorción de Na⁺.