Tampões biológicos

Iuri Marques de Oliveira & Renato Moreira Rosa

A função normal das células do organismo depende de uma série de processos enzimáticos e metabólicos. Sendo assim, diversos fatores devem ser mantidos dentro de estreitos limites para preservar a função celular tais como temperatura, osmolaridade, os

eletrólitos, as quantidades de nutrientes, de oxigênio, de dióxido de carbono e de íon hidrogênio, o qual é expresso sob forma do pH.

O pH dos fluidos biológicos é mantido sempre constante e dentro de uma faixa estreita por algumas razões fundamentais: Alterações na concentração de prótons, íons H

+ (que é expressa por alterações no pH)

podem causar modificações na estrutura das proteínas e assim impedir, temporariamente ou definitivamente, o funcionamento normal das atividades celulares, como por exemplo a inativação de diversas enzimas atuantes na geração de energia para célula.

Muitos processos de absorção e excreção são dependentes de grau de ionização de certos compostos, o qual por sua vez é dependente do pH do meio, de forma que as mudanças de pH podem bloquear processos absortivos. Além disso, um grande número desses processos são mediados por proteínas, que são sensíveis a alterações no pH do meio.

Alterações no pH podem induzir a degradação de vários componentes celulares, como por exemplo, no ácido ribonucléico (RNA),que degrada em pH acima de 8,0.

Enfim, todas reações químicas do organismo ocorrem em condições controladas de pH e um grande número de reações metabólicas conduz à formação de ácidos ou bases no organismo.

O organismo produz naturalmente uma série de ácidos e bases. Os principais ácidos produzidos pelo organismo são:

Gás carbônico: formado como produto final das oxidações biológicas, dissolve-se no plasma e reage com a água formando ácido carbônico, por ação da enzima anidrase carbônica, o qual é capaz de dissociar, liberando um próton e um íon bicarbonato.

Todavia, a capacidade que um próton H+ possui em alterar o pH é muito maior

que a do íon bicarbonato (HCO3- espécie alcalina), e por esse motivo o gás carbônico é

considerado um ácido. Uma vez que o gás carbônico pode ser eliminado pela ventilação pulmonar, esse ácido é classificado como um ácido volátil. Além disso, o gás carbônico pode reagir com o grupamento amino dos aminoácidos das proteínas e formar compostos que liberam prótons, reforçando assim o seu caráter ácido.

Os demais ácidos produzidos pelo organismo são considerados ácidos fixos pois não podem ser eliminados no ar expirado. Exemplificando,

ácido betahidroxibutírico e acetoacético: denominados corpos cetônicos e produzidos pelo

metabolismo de lipídios. Esses ácidos são produzidos em grande quantidade em

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Tampões biológicos

pacientes com diabete tipo I (dependente de insulina) não controlado, durante um quadro clínico grave conhecido como cetoacidose diabética.

ácido sulfúrico: formado a partir do metabolismo de aminoácidos que contém grupamentos sulfidrila tais como cisteína e metionina.

ácido fosfórico: formado pela hidrólise de fosfoésteres de proteínas e ácidos nucléicos.

ácido clorídrico: resultante do metabolismo de aminoácidos catiônicos como lisina, arginina e alguns resíduos de histidina.

ácido láctico: formado na gliconeogênese durante o exercício muscular intenso.

ácido cítrico: utilizado no ciclo de Krebs e na biossíntese de ácidos graxos.

ácido úrico: como produto de excreção do nitrogênio protéico.

íons amônio: formados durante a degradação de aminoácidos e na conversão de glutamina em glutamato por uma enzima chamada glutaminase. Lembre que íons amônio NH4

+ são espécies ácidas pois podem dissociar liberando um próton e formando amônia

NH3. Lembre também que o pKa da dissociação de amônio em amônia e próton é 9,25. Isto significa que em pH fisiológico (7,40) a forma predominante é a ácida.

Embora a maioria dos produtos do metabolismo sejam ácidos, bases também são geradas no processo, mas a principal fonte realmente é a alimentação. Entre as principais fontes de base estão as frutas e os sais fracos de caráter básico.

Em síntese, o H+ é uma partícula elementar e portanto possui alta reatividade,

tendendo a se associar a grupos químicos aceptores de prótons, tais como NH2 / NH3+,

em proteínas. Alguns grupos químicos de cadeias laterais de aminoácidos que

constituem as proteínas tornam-se protonados quando a concentração de H+ se eleva,

enquanto outros tendem a liberar prótons. Ganho ou perda de prótons modificam a carga elétrica resultante da molécula e modifica sua conformação e atividade biológica. Sabendo que as proteínas celulares funcionam adequadamente em pH próximo de 7,0 e as proteínas extracelulares funcionam bem em pH próximo de 7,4, é necessário a atuação de sistemas que evitem a alteração do pH. Além disso, o fato da geração de espécies ácidas e básicas no metabolismo normal exige a presença de mecanismos que evitem variações bruscas no pH fisiológicos. Esses sistemas são os tampões biológicos.

1. Tampões biológicos

A manutenção da concentração de íons H+ livres nos fluidos corporais é

mantida dentro da estreita faixa fisiológica de 35 a 45 nanomolar. Portanto, se existe uma alta produção fisiológica de ácidos e bases e ao mesmo tempo há a necessidade de manter o pH constante, a existência de sistemas-tampões nos fluidos biológicos é vital. Além disso, nosso organismo está exposto a diversas variações de pH, seja na dieta ou no ambiente. Embora, o metabolismo produza continuamente ácidos, o pH do fluido extracelular é normalmente mantido dentro de limites estreitos, entre 7,35 e 7,45 (Normal = 7,40). Os ácidos produzidos pelo organismo são imediatamente tamponados por tampões intra- e extracelulares. Pulmões e rins intervém em seguida (sendo assim

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Tampões biológicos

denominados órgãos enunctórios de mamíferos). Os rins excretam os ácidos fixos na urina enquanto os pulmões excretam o ácido volátil.

Três sistemas são importantes para regulação do pH do fluido extracelular: os tampões biológicos e os órgãos enunctórios: pulmões (que atuam na excreção ou captação de dióxido de carbono – ácido volátil) e rins (que agem na excreção de prótons de ácidos fixos e na regulação da espécies alcalina íon bicarbonato)

O pH intracelular pode variar entre os tecidos e compartimentos, mas esses

valores devem estar dispostos em torno de 7,0 devido ao fato das proteínas celulares

funcionarem adequadamente nessa zona de pH. Variando conforme a atividade

metabólica da célula, quanto mais ativo for o metabolismo, mais ácido é o interior

celular, como células musculares que possuem o pH intracelular igual a 6,8, um pouco

mais ácido do que outras células. Entretanto, algumas organelas intracelulares também

apresentam pH diferenciados: por exemplo, no lissosomo encontra-se um pH

extremamente ácido, ao contrário da mitocôndria, do citosol, núcleo. As proteínas extracelulares funcionam bem em pH próximo de 7,4 , o qual é o

valor normal para o pH do fluido extracelular (sangue, linfa e líquido intersticial). Os

diferentes compartimentos extracelulares possuem pH diferentes, como verificado no estômago, no intestino delgado, etc... As proteínas operantes nessas regiões funcionam perfeitamente nessas condições de pH.

O pH da urina varia em função da dieta do indivíduo, apresentando comumente

valores entre 5,5 e 7,0. A urina dos animais carnívoros mostra-se mais ácida enquanto

nos herbívoros esse valor de pH está deslocado para faixa alcalina. Em virtude da

capacidade do rim em eliminar os ácidos fixos, em alguns casos o pH urinário pode

chegar a 4,5 e em situações patológicas de excesso de bases, pode alcançar 8,5. Dessa

forma, além do pH plasmático (medido através de um procedimento denominado

gasometria arterial ou venosa), o pH urinário apresenta importante valor diagnóstico na

clínica. Considerando que os compartimentos do organismos possuem composições

diferentes e faixas de pH ideal também diferentes não é surpreendente que possuam diferentes sistemas de tamponamento (Tabela 1).

A capacidade tamponante do citosol deve-se à presença de aminoácidos livres e também proteínas, mas principalmente do tampão fosfato, o principal tampão do compartimento intracelular.

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Tampões biológicos

Tabela 1 – Tabela mostrando os principais sistemas de tamponamento e órgãos

envolvidos

Fatores Tempo para os Regulam o pH Potência Atuam através do:

Reguladores ajustes das através da

alterações ácido- captação ou

básicas liberação do:

Sistema Tampão Ação imediata H+

3o

Tampão bicarbonato Tampão hemoglobina

Tampão fosfato

Tampão proteína

Regulação Atua em minutos CO2 2o Centro respiratório:

Respiratória Estimula ou inibe a ventilação

pulmonar

Regulação De horas a vários HCO3 - 1o Reabsorção ou excreção do Renal dias bicarbonato.

Secreção do H+

2. Tampões intracelulares

2.1 Tampão fosfato

O tampão fosfato possui uma característica distintas em relação aos tampões vistos até aqui, pois ele possui mais de um próton na sua constituição. As substâncias que podem perder mais de um próton, ou passar por mais de uma ionização, como

H3PO4 ou como o H2CO3, são conhecidas como ácidos polipróticos. As curvas de

titulação de tais moléculas, como a ilustrada na Figura 3 para o H3PO4, são mais

complicadas do que as curvas de titulação de ácidos monopróticos, como o ácido acético (Figura 1). Um ácido poliprótico possui pKs múltiplos (lembrando que o pK = - log K, K é a constante de dissociação, então o pK reflete essa constante de dissociação apenas utilizando números maiores sem exponencial e quando o pH = pK há as mesmas concentrações de espécies doadoras e aceptoras de prótons, como veremos melhor mais

adiante) um para cada etapa de ionização. O H3PO4, por exemplo, apresenta três

constantes de dissociação, pois a carga iônica resultante de uma dissociação de prótons inibe eletrostaticamente dissociações de prótons subseqüentes, aumentando, portanto, os valores dos pKs correspondentes. De modo parecido, uma molécula com mais de um grupo ionizável tem um pK específico para cada grupo. Consequentemente, pode ser um eficiente tampão em pHs distintos pois em cada pK que corresponder ao pH do meio, existirá a mesma concentração de espécies doadoras e aceptoras de prótons, estando então na sua capacidade tamponante.

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Tampões biológicos

H3PO4 H2PO4-

HPO4-2

PO4-3

pK = 2,1 pK = 6,7 pK = 12,3

Figura 1: Curva de titulação de um ácido poliprótico. O primeiro e o segundo pontos para

a titulação de H3PO4 ocorrem nas partes mais íngremes da curva. O pH no ponto médio de

cada etapa fornece o valor de pK para a ionização correspondente.

Do ponto de vista do equilíbrio ácido-base em líquidos biológicos, interessa apenas a dissociação do fosfato monobásico, o qual possui um pK = 6,7 (muito próximo do pH fisiológico, que é em torno de 7,0). O tampão fosfato é constituído pelo par

H2PO4- / HPO4

-2 e pode funcionar como um tampão razoável no meio intracelular,

devido a sua alta concentração nesse compartimento e pelo fato do interior da célula ter um pH de aproximadamente 7,0, ou seja, bem próximo do pK do tampão. Atua também como um bom tampão na urina (urina tem pH em torno de 6,0). Isso porque em um pH de 6,8 (que corresponde ao pK do sistema), 50% destas moléculas estarão na forma de

H2PO4- (doadora de prótons, já que doa quem tem mais) e 50% na forma de HPO4

-2

(aceptora de prótons, já que recebe quem tem menos), ou seja, a proteção é máxima; se surgirem prótons no meio, esses serão capturados pela forma aceptora de prótons enquanto que a falta de protóns será contornada pela dissociação da forma doadora.

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Tampões biológicos

H3PO4H2PO4 - HPO4 -2 PO4 -3

pK = 2,1 pK = 6,7 pK = 12,3

H+ + HPO4 2- H2PO4 -

Espécie Espécie

Aceptora Doadora

Portanto, se o pH variar acima de 6,7 , a espécie H2PO4- (doadora de prótons,

doa quem tem mais) se dissocia fornecendo H+ para o meio repondo a perda de protons,

mantendo desa maneira o pH; se variar abaixo de 6,7 a espécie HPO4- (aceptora de

prótons, recebe quem tem menos) irão se associar ao H+, impedindo que aumente a

concentração de H+ no meio.

O tampão fosfato é um importante tampão nos túbulos renais, por duas razões: em primeiro lugar, o fosfato fica geralmente muito concentrado nos túbulos, aumentando sobremaneira a capacidade de tamponamento do sistema fosfato. Em segundo lugar, o líquido tubular geralmente é mais ácido do que o líquido extracelular, trazendo a faixa de operação do tampão mais próximo ao pK do sistema.

O tampão fosfato é mais importante no compartimento intracelular do

que extracelular, pois sua concentração é bem mais alta dentro da célula do que no

exterior, tendo fora da célula uma participação muito pouco significativa.

2.2 Tampão aminoácido (tampão proteína)

As proteínas são cadeias polipeptídicas formadas por aminoácidos, os quais contém um grupamento amino e um grupamento carboxila (Figura 2).

Figura 2: Figura mostrando a estrutura básica de um aminoácido.

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Tampões biológicos

O grupamento carboxila pode dissociar e liberar um próton (doador de prótons) enquanto o grupo amino pode receber um próton (aceptor de prótons) em função do pH do meio. Quando dissolvemos um aminoácido em meio aquoso, ele prontamente apresenta-se em sua forma de íon híbrido, com os dois grupamentos ionizados. A

ionização dos grupamentos é então modificada pelo pH do meio. Quando o pH do meio é igual ao pK de um grupamento, encontramos 50% do grupamento na forma ionizada e 50% na forma não ionizada; quando o pH do meio é menor que o pK, o grupamento não

mostra-se ionizado e a medida que o pH aumenta em relação ao pK, a extensão da ionização aumenta. Dessa maneira, em relação a ionização de seus grupamentos, os aminoácidos apresentam-se sob diferentes formas (Figura 3).

Figura 3: Figura mostrando a dissociação dos grupos constituintes dos aminoácidos.

Figura 4: Figura mostrando a titulação de um aminoácido, no caso a glicina.

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Tampões biológicos

Portanto, na titulação de aminoácidos (Figura 4), quando o pH do meio está muito ácido, ou seja, com grande disponibilidade de prótons, o aminoácido encontra-se

na sua forma totalmente protonada (grupamentos amino na forma de NH3+ e

grupamento carboxila na forma COOH). Quando o pH vai aumentando menos prótons

estarão disponíveis e os aminoácidos vão começar a perder H+ dos seus grupamentos,

normalmente ficando na forma parcialmente desprotonada (grupamentos amino na

forma de NH3+ e grupamento carboxila na forma COO

-), de maneira a doar esses

prótons para a solução. Se aumentar mais o pH então o aminoácido irá perder mais

prótons até ficar totalmente desprotonado (grupamentos amino na forma de NH2 e

grupamento carboxílico na forma COO-). Importante ressaltar que as dissociações vão

ocorrendo em etapas, de maneira que neste caso também os aminoácidos vão perdendo seus prótons até que acontecem pontos em que co-existem a mesma concentração de espécies doadoras e aceptoras, quando o pK de cada grupamento for igual ao pH do meio.

Podemos observar, portanto, que os aminoácidos podem doar prótons quando estes diminuem sua concentração no meio e também podem receber prótons quando estes aumentam sua concentração. Conclui-se então, que os aminoácidos possuem um comportamento de ácido (doando prótons) e de bases (recebendo prótons) dependendo

da disponibilidade de H+ no meio, ou seja, dependendo do pH da solução. Esse

comportamento duplo é chamado de anfótero (características de ácidos e bases), podendo conseqüentemente servir como tampões, já que podem doar ou receber prótons do meio.

Deve-se ressaltar que os grupos amino e carboxila que podem atuar no tamponamento estão

localizados nas porções terminais da proteína pois não estão envolvidos na ligação peptídica (ligação

covalente entre os aminoácidos). Além desses grupos terminais, aminoácidos do interior da cadeia polipeptídica que possuam grupos orgânicos carregados na cadeia lateral poderão atuar como tampão, tais como os grupamentos imidazólicos dos resíduos do aminoácido histidina, como mostrado na Figura 5.

Enfim, dependendo da concentração de

H+ do meio, os aminoácidos captam ou liberam prótons com a finalidade de regular o

pH. É importante lembrar que as proteínas e aminoácidos estão presentes em bem maior concentração no meio intracelular, já que são sintetizadas no interior da célula e são responsáveis por inúmeros processos metabólicos, tendo importância fundamental no interior celular. Sendo assim, fica lógico deduzir que tamponam principalmente no meio intracelular tendo uma participação muito pouco significativa no meio extracelular.

Apesar dos aminoácidos e proteínas participarem do tamponamento no interior da

célula, o principal tampão intracelular é o tampão fosfato, que existe em grande

concentração dentro da célula e seu pK é muito próximo ao pH do citosol, estando na

sua eficiência máxima. No meio extracelula possui uma participação muito pouco

significativa já que sua concentração é muito baixa.

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Figura 5: Figura mostrando a porção terminal de uma proteína.

Tampões biológicos

3. Tampões extracelulares

A regulação do equilíbrio ácido-base no organismo, depende da atuação dos

sistemas tampão existentes no sangue (líquido intravascular), nos tecidos (líquido

intersticial) e no interior das células (líquido intracelular). Para impedir o

desenvolvimento de acidose ou de alcalose, o organismo dispõe de diversos sistemas

especiais de controle, como sistemas tampões ácido-básicos que imediatamente se

combinam com qualquer ácido ou base, impedindo assim a ocorrência. No meio

extracelular o tampão bicarbonato é o principal sistema e mais abundante do organismo.

3.1 Tampão bicarbonato

O tampão bicarbonato é o principal sistema tampão do fluido extracelular

(plasma, linfa e interstício) e baseia-se no equilíbrio entre a quantidade de dióxido de

carbono dissolvido no plasma e o íon bicarbonato proveniente da dissociação do ácido

carbônico. O gás carbônico dissolvido reage com a água formando o ácido carbônico

em uma reação catalisada pela enzima anidrase carbônica (AC),existente em baixas

concentrações nos líquidos extracelulares, mas em concentrações significativas nos

eritrócitos, células renais e células parietais do estômago. Este ácido carbônico é

instável e pode dissociar-se instantaneamente em íon bicarbonato é próton.

H+ + HCO3

-H2CO3H2O + CO2

anidrase

carbônica

Podemos agora fazer a seguinte pergunta: Como o tampão bicarbonato atua na

manutenção do pH? Quando o pH plasmático tende a reduzir, em função do aumento da

concentração de prótons causado pela dissociação de ácidos fixos na circulação, o íon

bicarbonato presente no plasma é capaz de aceitar os prótons liberados e formar ácido

carbônico. Embora forme-se um ácido, o ácido carbônico é extremamente fraco, fato

que impede a alteração do pH plasmático. No entanto o ácido carbônico é instável e

tende a se desdobrar em gás carbônico e água. Assim sendo, o gás carbônico e a água,

os quais podem viajar com segurança no plasma pois não alteram o pH na mesma

extensão que o próprio próton faria.

H+ + HCO3

- H2CO3 H2O + CO2

anidrase

carbônica

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Tampões biológicos

Se o pH aumenta, ou seja, reduzindo a concentração de prótons, o equilíbrio se

desloca na formação de H+, para repor os prótons perdidos no sistema e manter, então,

o pH. Portanto, o gás carbônico vai reagir com água formando ácido carbônico e posteriormente irá se dissociar em próton e bicarbonato, desta maneira, repondo a concentração de prótons no sistema, mantendo, assim, o pH.

H+ + HCO3

- H2CO3 H2O + CO2

anidrase

carbônica

Figura 6: Figuras mostrando que o pH normal do sangue está distante do pK = 6,1 do tampão

bicarbonato, havendo uma concetração bem maior de bicarbonato do que de gás carbônico.

O gráfico da Figura 6 mostra a "curva de titulação" do tampão bicarbonato. As alterações do pH dos líquidos corporais quando a relação entre o íon bicarbonato e o dióxido de carbono se modifica. Quando as concentrações dos dois elementos do

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Tampões biológicos

tampão são iguais, verificamos que o pH da solução é de 6,1, ou seja, o pK do sistema

tampão bicarbonato é 6,1. Quando se acrescenta uma base ao tampão, grande propor-

ção do dióxido de carbono dissolvido é convertida em íons bicarbonato, com a

conseqüente alteração da relação. Como resultado, o pH aumenta, conforme indicado

pela inclinação.da curva para adiante. Por outro lado, quando se acrescenta ácido,

grande proporção do íon bicarbonato é convertida em dióxido de carbono dissolvido, de

modo que o pH cai, conforme ilustrado pela inclinação da curva para baixo. Outra questão importante é em relação à eficiência do tampão bicarbonato.

Sabe-se da química geral que um tampão é eficiente numa faixa de pH que varia uma unidade acima e abaixo do seu pK. O pK do sistema ácido carbônico /bicarbonato é 6,1 e o pH plasmático é 7,4 (Figura 6), podendo este tampão ser eficiente em uma faixa de pH de 5,1 a 7,1 logo há uma diferença importante entre eles, conseqüentemente as concentração de bicarbonato e gás carbônico não são iguais, como é exigido para um tampão estar em sua eficiência máxima, e realmente o íon bicarbonato no plasma é 20 vezes maior que a concentração de dióxido de carbono (cálculo realizado pela equação de Handerson-Hasselbach). Por esse motivo, o sistema opera em trecho de sua curva de tamponamento onde a capacidade de tamponamento é baixa. Em segundo lugar, as

concentrações dos dois elementos do sistema bicarbonato, CO2 e HCO3-, não são

grandes (Figura 6). Por que então, esse é o melhor tampão extracelular? Não seria mais lógico pensar no tampão fosfato como um tampão extracelular mais indicado (pK = 6,7, próximo a 7,4)?

O sistema tampão fosfato possui pK de 6,7, valor que não se afasta muito do

pH normal de 7,4 nos líquidos corporais. Isso permite ao sistema fosfato operar próximo

de sua capacidade máxima de tamponamento. Todavia, apesar de o sistema tampão

operar em faixa razoavelmente boa da curva tampão, sua concentração no líquido

extracelular é de apenas 1/12 daquela do tampão bicarbonato. Por conseguinte, sua

capacidade de tamponamento total no líquido extracelular é bem menor que a do

sistema bicarbonato. Contudo, apesar do fato do sistema tampão bicarbonato não ser

especialmente eficiente, ele é realmente mais importante do que todos os outros no

organismo, visto que a concentração de cada um dos dois componentes do sistema

bicarbonato pode ser muito eficientemente regulada: o dióxido de carbono, pelo

sistema respiratório, e o íon bicarbonato, pelos rins. Como conseqüência, o pH do

sangue pode ser deslocado para cima ou para baixo pelos sistemas de regulação respiratório e renal.

Portanto, o organismo controla as alterações de pH através de mecanismos químicos e

biológicos que atuam em íntima relação. O bicarbonato é o principal tampão do fluido

extracelular pois seus componentes, gás carbônico e íon bicarbonato, podem ter

facilmente suas concentrações alteradas pelo organismo: o gás carbônico pode ser

retido ou eliminado mais rapidamente por alterações no ritmo ventilatório (função do

pulmão na manutenção do pH plasmático) enquanto as taxas de reabsorção ou

eliminação do bicarbonato podem ser reguladas pelo rim (função renal). Além disso,

note que pulmões e rins atuam em substâncias que estão em membros opostos da

reação, o que permite o deslocamento do equilíbrio químico e consequente consumo

ou produção de prótons para restaurar o pH normal. No pH do fluido extracelular, a

maior parte do ácido carbônico encontra-se dissociada em bicarbonato e próton, o que

confere alta capacidade tamponante a esse sistema.

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Tampões biológicos

Figura 7: Figura mostrando os pontos de regulação do tampão bicarbonato exercidos pelo

sistema pulmonar na regulação da concentração de gás carbônico e pelo sistema renal na

concentração de bicarbonato

Agora chegou o momento de ver como essa regulação do tampão bicarbonato é realizada pelo sistema renal e pulmonar. Como já foi dito, o sistema é regulado em dois pontos opostos, na concentração de gás carbônico pelo sistema pulmonar e pelo sistema renal na concentração de bicarbonato (Figura 7). Mas vamos ver separaradamente em

mais detalhe a participação de cada um desses sistemas reguladores.

3.1.1 Qual a função dos rins na manutenção do pH dos líquidos biológicos?

O néfron é a unidade morfofuncional do rim (Figura 8). O sangue chega ao rim

por uma arteríola que se ramifica em um tufo de capilares, a região do glomérulo, os

quais estão dentro da porção dilatada do néfron, a cápsula de Bowmam. Nesse ponto, as

células (hemácias, leucócitos e plaquetas - vestígios celulares) e as proteínas do plasma

(como a albumina, as globulinas, o fibrinogênio) ficam retidas e somente a fração

líquida do sangue tem acesso aos túbulos renais. A partir de agora, essa fração líquida é

chamada de filtrado glomerular. Nas diversas regiões do tubo renal: tubo convolto

proximal, ramo descendente da alça de Henle, ramo ascendente da alça de henle e tubo

convolto distal, uma série de substâncias serão reabsorvidas do filtrado glomerular e

devolvidas ao sangue. Algumas substâncias permanecerão no filtrado glomerular, que

ao final do processo vai resultar em urina e sairá pelo tubo coletor. Ao longo de todo

néfron existem três segmentos paralelos: um vaso capilar que vai recebendo as

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Tampões biológicos

substâncias que são devolvidas para circulação, as células da parede do tubo renal, que realizam as trocas de substâncias e o interior do tubo (luz do túbulo, espaço localizado no interior do túbulo renal, por onde o filtrado glomerular passa), por onde circula o filtrado glomerular, que originou-se do plasma no acesso ao néfron.

Figura 8: Figura mostrando o néfron

Figura 9: Figura mostrando as trocas realizadas entre o capilar sangüíneo, as células do epitélio

renal e a luz do túbulo renal (espaço existente no túbulo renal onde passa o filtrado glomerular

que é a urina em formação.

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Tampões biológicos

Na Figura 9 podemos observar que há a difusão de gás carbônico (oriundo da neutralização dos prótons originados da dissociação dos ácidos fixos derivados do metabolismo das células, pelo bicarbonato formando écido carbônico que se decompõem em gás carbônico e água) para o interior da célula da parede do tubo proximal renal, nestas a enzima anidrase carbônica (existente em concentrações significativas nessas células) catalisa a reação contrária, levando à formação de ácido carbônico, o qual se dissocia em ânion bicarbonato e próton. O fato interessante desse mecanismo é que o próton não é excretado diretamente do sangue para o filtrado glomerular (que é a urina em formação), primeiro é neutralizado no sangue pelo tampão bicarbonato, formando gás carbõnico e água e estes sim difundem-se para célula tubular renal e daí sim o próton surge novamente em um local onde não causará problemas, pois

íon H+ logo será lançado na luz do túbulo renal, sendo então excretado ativamente no

filtrado glomerular, preferencialmente por uma proteína trocadora Na+ / H

+ nos túbulos

proximais, usando a energia proveniente de transporte ativo secundário e será secretado

por uma H+-ATPase (transporte ativo primário) no ramo ascendente da alça de Henle e

no túbulo distal. Todavia o destino do próton não termina com sua secreção direta ao filtrado

glomerular. Na luz do túbulo renal, o próton secretado reage com ânions bicarbonato existentes no filtrado glomerular (em quantidades semelhantes a do plasma, já que veio do sangue quando este foi filtrado no glomérulo formando o filtrado glomerular) formando novamente o ácido carbônico, que retornam ao interior da célula por difusão. Esse gás carbônico e água difundem-se para célula, onde novamente forma-se próton e bicarbonato por ação da anidrase carbônica. Essa reação de próton com bicarbonato no

filtrado glomerular é importante por duas razões: (ii) manter o baixo gradiente de H+,

facilitando a sua secreção ativa e (ii) permitir a recaptação de bicarbonato. No interior celular, o próton é novamente secretado para o filtrado glomerular e

o bicarbonato é doado ao plasma, que encontra-se em uma situação de acidificação. O

destino do íon bicarbonato é ser devolvido para a circulação. Perceba que o

bicarbonato original, que tamponou o próton no plasma, foi devolvido no primeiro

momento e a reciclagem do processo acaba lançando mais um íon bicarbonato no

plasma. Caso não houvesse a secreção de próton para o filtrado glomerular, onde o esse

próton teve a oportunidade de reagir com um íon bicarbonato, não existiria

possibilidade de remover bicarbonato do filtrado glomerular para o plasma. Dessa

forma podemos dizer que a secreção tubular de prótons está vinculada a reabsorção

tubular de bicarbonato. E quando ocorre redução do pH, os rins aumentam a

secreção de prótons na urina e portanto aumentam a recaptação de bicarbonato do

filtrado glomerular para o plasma. É importantíssimo entender que os íons

bicarbonato do filtrado glomerular seriam perdidos na urina se não reagissem com o

próton formando o gás carbônico e água, pois a forma de gás carbônico é a única

maneira desses íons retornarem para o interior da célula da parede do túbulo renal; o

transportador de bicarbonato existe somente na face da célula que faz vizinhança com o

sangue e os íons não podem passar a membrana plasmática por simples difusão. Esse

ciclo aumenta a reabsorção de bicarbonato pelo sistema renal. A quantidade máxima de próton no filtrado glomerular que ainda posibilita a

secreção dessa partícula corresponde a um pH urinário 4,5. Assim, podemos dizer que o pH urinário 4,5 é limitante, não sendo possível transportar mais nenhum próton para urina quando esse pH é atingido. Isso por que existe uma saturação do mecanismo de

secreção de H+.

Então, o destino do H+ na urina deve cumprir dois objetivos: (i) não

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Tampões biológicos

deve bloquear o mecanismo de secreção pois em uma emergência pode ser necessário

eliminar o H+, mas (ii) deve eliminar o H

+ do organismo. Para cumprir esses requisitos,

o próton é encaminhado para formação da urina conjugado com a amônia sob forma de íons amônio. Existe a possibilidade da formação de amônio ocorrer já dentro da célula ou somente na luz do túbulo a partir da amônia que difundiu da célula. Outra possibilidade para o próton é associar aos íons fosfatos existente no filtrado glomerular, gerando um valor clínico conhecido como acidez titulavel.

Como o bicarbonato propriamente dito desparece da circulação enquanto

tampona os ácidos fixos ( pois se transforma em gás carbônico + água) e só reaparece

depois da eliminação do próton pelo rim, sua quantidade no plasma é um bom índice da

quantidade de ácidos não-voláteis no organismo. Dessa forma, é comum nas rotinas de

emergência a solicitação de uma gasometria arterial, a qual informa não apenas o pH

plasmático, mas também a concentração de íons bicarbonato e a pressão parcial de gás

carbônico dissolvido no plasma.

- Muito ácido não-volátil (fixo)

bicarbonato plasmático baixo - Pouco ácido não-volátil (fixo)

bicarbonato plasmático alto.

A presença da anidrase carbônica é fundamental para permitir a excreção de ácidos fixos pelos rins, pois é a anidrase carbônica que permite que o próton seja regenerado no local exato de sua eliminação, ou seja, dentro das células do epitélio renal. Essa enzima é a mais abundante em mamíferos.

Quando uma base é lançada na circulação, o próton é consumido na

neutralização, alcalinizando o plasma. Nessa situação, o bicarbonato excedente é

eliminado na urina e não existe excreção de prótons adicionais que permitam a sua

recaptação. Portanto em situações que o plasma está alcalino, os rins reduzem a

reabsorção e aumentam a eliminação urinária de bicarbonato, bem como há uma

redução da eliminação de prótons. O mecanismo renal para a regulação do equilíbrio ácido-básico é incapaz de

reajustar o pH dentro de segundos, como o fazem os sistemas tampões do líquido

extracelular, nem dentro de minutos, como ocorre com o mecanismo respiratório

compensador; entretanto, difere desses dois outros mecanismos por sua capacidade de

continuar funcionando durante horas ou dias até trazer o pH quase exatamente a seu

valor normal. Em outras palavras, sua capacidade final de regular o pH dos líquidos

corporais, apesar de ser de ação lenta, é infinitamente mais potente que a dos outros dois

mecanismos reguladores.

Outros tampões presentes na urina

Na verdade,pelo tampão bicarbonato o próton não é efetivamente excretado, pois sempre está envolvido no ciclo de reabsorção do bicarbonato, é na verdade apenas

retirado da circulação sangüínea. Os íons H+ na urina são eliminados 50% na forma de

H2PO4- (denominado acidez titulável) e 50% na forma de íon amônio – NH4

+. O total

de H+ eliminado na urina nestas duas formas é de 70 milimoles/dia – ou seja, igual à

quantidade de ácidos fixos gerada diariamente.

15

Tampões biológicos

O tampão fosfato é constituído por mistura de HPO4-2

e H2PO4-. Ambos estão

muito concentrados no líquido tubular, devido à sua reabsorção relativamente pequena e à remoção de água do líquido tubular. Por conseguinte, apesar de o tampão fosfato ser muito fraco no sangue, trata-se de um tampão muito mais potente no líquido tubular.

Outro fator que aumenta a importância do tampão fosfato nos líquidos tubulares durante a acidose é o pK desse tampão, que é de 6,8. Quando são secretados

íons H+ em excesso, o líquido tubular começa normalmente com pH próximo a 7,4 na

parte inicial dos túbulos proximais, que, a seguir, cai para cerca de 6,0 nos túbulos distais e dutos coletores. Por conseguinte, nesses túbulos, o tampão fosfato funciona em sua faixa mais eficaz, muito perto de seu valor de pK, conforme explicado antes neste capítulo.

A

Figura 8: Figura mostrando a ação do tampão fosfato no filtrado glomerular

Figura 8 ilustra a maneira pela qual os íons H+ são removidos do líquido

tubular pelo sistema tampão fosfato, bem como isso funciona no processo total de

controle ácido-básico renal. Observe que, para cada íon H+ ligado pelo tampão fosfato,

é formado um novo íon bicarbonato pela célula epitelial e transportado no sangue. Isso

contribui ainda mais para a correção da acidose quando são secretados íons H+ em

excesso. Portanto, quando o próton é excretado no filtrado glomerular se associa com o

íon HPO4- formando H2PO4

-2 que então é eliminado na urina.

H+ + HPO4

-2 H2PO4

- (excretado)

Outro sistema tampão do líquido tubular ainda mais importante e mais complexo

para os íons H+ é composto por amônia (NH3) e íon amônio (NH4). As células epiteliais de

todos os túbulos, à exceção das encontradas no segmento delgado da alça

16

Tampões biológicos

de Henle, sintetizam amônia continuamente, a qual se difunde para o interior dos

túbulos. A seguir, a amônia reage com íons H+, como é ilustrado na Figura 9, formando

íons amônio. Estes últimos são, então, excretados na urina em combinação com íons cloreto e outros ânions tubulares. Observe, na figura, que o efeito final dessas reações consiste, mais uma vez, em aumentar a concentração de bicarbonato no líquido extracelular.

H+ + NH3 NH4

+ (excretado)

Figura 9: Figura mostrando a reação da amônia com íons hidrogênio nos túbulos e a secreção do

íon amônio.

Esse mecanismo do íon amônio para o transporte do excesso de íons H+ nos

túbulos é especialmente importante por duas razões: (1) Toda vez que uma molécula de

amônia se combina com um íon H+ para formar um íon amônio, a concentração de

amônia no líquido tubular diminui, o que provoca maior difusão de amônia das células epiteliais para o líquido tubular. Por conseguinte, a velocidade da secreção de amônia no

líquido tubular é realmente controlada pela quantidade de íons H+ em excesso a serem

transportados. (2) A maior parte dos íons negativos do líquido tubular consiste em íons

cloreto. Apenas alguns íons H+ poderiam ser transportados na urina em combinação

direta com o cloreto, visto que o ácido clorídrico é um ácido muito forte e considerando-se o fato de que o pH tubular cairia rapidamente além do valor crítico de 4,5, abaixo do

qual cessa a secreção adicional dos íons H+. Todavia, quando os íons H

+ se combinam

com amônia e os íons amônios resultantes se combinam a seguir com

17

Tampões biológicos

cloreto, o pH não cai de modo significativo, visto que o cloreto de amônio é apenas muito fracamente ácido. 60% da amônia secretada pelo epitélio tubular derivam da glutamina, enquanto os 40% restantes provêm de outros aminoácidos ou aminas.

Se os líquidos celulares permanecerem fortemente ácidos por longo período de

tempo, a formação de amônia irá aumentar de modo uniforme nos primeiros 2 a 3 dias,

atingindo um nível 10 vezes maior do que o normal. Por exemplo, logo após o início da

acidose, a secreção diária de amônia é de apenas 30 mM, mas, depois de vários dias,

podem ser secretados até 300 a 450 mM, ilustrando o fato de que o mecanismo secretor

de amônia pode adaptar-se facilmente para mobilizar cargas muito aumentadas de

eliminação de ácidos. A principal causa da formação crescente de amônia é que a

acidose local das células tubulares induz a produção de grandes quantidades da enzima

glutaminase, a responsável pela liberação da amônia a partir da glutamina. A importância de outros sistemas de tamponamento na urina, como o fosfato e

o amônia, além de auxiliar na manutenção do pH urinário, no fato gerar uma molécula

de bicarbonato “nova”, ou seja, na verdade há um saldo de uma molécula de

bicarbonato em relação a um próton, pois o próton é efetivamente excretado na urina, e

uma mólécula de bicarbonato é formada e volta para circulação, diferente no que

ocorria no tampão bicarbonato que o próton não era excretado e sim envolvido no ciclo

p/ regeneração do bicarbonato.

Resumindo 1:

A secreção de prótons na urina está vinculada a reabsorção renal de bicarbonato.

O conteúdo de bicarbonato do filtrado glomerular é semelhante ao conteúdo plasmático.

Destinos do bicarbonato secretado para o filtrado glomerular:

- Em uma acidose (aumento de H+ no plama):

Aumento da concentração de H

+ no sangue

Reagir com íon bicarbonato

aumenta a formação de gás carbônico é água aumenta a difusão para célula da

parede do túbulo renal a enzima anidrase carbônica forma ácido carbônico

se dissociam em próton e bicarbonato bicarbonato é reabsorvido sendo lançado novamente no plasma e próton é excretado no filtrado glomerular. (se aumenta a concetração de H

+ no plasma então aumenta a formação de CO2 que levará ao

aumento da reabsorção de bicarbonato e excreção de H+ pelo sistema renal)

O próton excretado na urina pode ser neutralizado pelo tampão fosfato ou amônia e sendo efetivamente excretado, formando uma molécula “nova” de bicarbonato. Ou mais provavelmente seja neutralizado pelo bicarbonato presente no filtrado glomerular

(originário do plasma que foi filtrado), se caso reagir com o bicarbonato

forma ácido

carbônico

formam gás carbônico é água aumenta a difusão para célula da parede do

túbulo renal a enzima anidrase carbônica forma ácido carbônico

se dissociam em próton e bicarbonato bicarbonato é reabsorvido sendo lançado novamente no plasma e próton é excretado no filtrado glomerular (importante observar que se mais prótons são excretados maior é a reabsorção de bicarbonato)

18

Tampões biológicos

Resumindo 2:

- Em uma alcalose (redução de H+ no plasma):

Redução da concentração de H

+ no sangue

leva a uma menor formação de gás

carbônico

reduz a difusão destes para células do epitélio renal

reduz a formação de

bicarbonato e próton

reduz a reabsorção de bicarbonato (já que sua formação é menor) e

reduz a excreção de próton no filtrado glomerular

como há mais bicarbonato no plasma (já que o equilíbrio foi deslocado na formação de próton e bicarbonato) e como há menos excreção de prótons, irá ocorrer menos prótons reagindo com o bicarbonato existente no filtrado formando ácido carbônico, logo, o bicarbonato ficará nesta forma e será excretado

na urina

aumento da excreção de bicarbonato na urina.

3.1.2 Qual a função dos pulmões na manutenção do pH dos líquidos biológicos?

Como dito anteriormente, os pulmões regulam a quantidade de ácido volátil, o gás carbônico, através da alteração do ritmo de ventilação. A alteração da pressão

parcial de CO2 (pCO2)é ponto chave no tamponamento do plasma. Quando o pH plasmático cai, em função de uma secreção de ácido na

circulação, a neutralização do próton realizada pelo bicarbonato conduz à formação de ácido carbônico que é convertido em água e gás carbônico. Dessa maneira, reduzindo o

pH, uma maior quantidade de CO2 será formada. Para resolver essa situação e eliminar

o CO2 em excesso os pulmões aumentam o ritmo ventilatório, ou seja, realizam uma

hiperventilação. A concentração de íons H+ afeta, por sua vez, a ventilação alveolar.

Isso resulta da ação direta dos íons H+ sobre o centro respiratório no bulbo que controla

a respiração (Figura 10).

Figura 10: Figura mostrando o centros de regulação respiratória e a relação do pH com a

frequência respiratória e a eliminação de CO2

19

Tampões biológicos

Controle por feedback da concentração de íons H+ pelo sistema respiratório.

Devido à capacidade do centro respiratório de responder à concentração de íons H+, e

considerando-se o fato de que as variações na ventilação alveolar alteram, por sua vez, a

concentração de íons H+ dos líquidos corporais, o sistema respiratório atua como um

controlador típico da concentração de íons H+ por feedback. Isto é, toda vez que a

concentração de íons H+ estiver elevada, o sistema respiratório também fica mais ativo,

e a ventilação alveolar aumenta. Em conseqüência, a concentração de CO2 nos líquidos

extracelulares diminui, com a conseqüente redução da concentração de íons H+ para seu

valor normal. Por outro lado, se a concentração de íons H+ cair para níveis muito

baixos, o centro respiratório fica deprimido, e a ventilação alveolar também diminui,

com elevação da concentração de íons H+ até a faixa normal.

A hiperventilação permite que elimine-se mais CO2 e assim o equilíbrio químico do sistema bicarbonato é deslocado no sentido de consumo de prótons, resolvendo o problema da acidificação.

No caso contrário, em uma situação de carência de prótons, pois estes estão envolvidos no tamponamento de alguma base lançada na circulação, o pH aumenta. Uma maneira de resolver o problema é realizar uma hipoventilação. Assim a eliminação

de CO2 fica reduzida e a permanência da molécula por um maior tempo na circulação

permite repor o próton por deslocamento do equilíbrio químico do sistema bicarbonato/ácido carbônico no sentido de formação de prótons.

Alterações induzidas no ritmo de respiração terão portanto consequências a

nível de pH plasmático. Por exemplo, uma pessoa que ingeriu uma droga que deprime o

centro respiratório bulbar (como morfina) e está com poucos movimentos ventilatórios

por minuto estará em hipoventilação. Assim o gás carbônico irá permanecer mais tempo

na circulação e por delocamento de equilíbrio irá produzir mais prótons. Isso acidificará

o plasma e o quadro patológico dessa pessoa é definido como uma acidose. Um paciente que está em um quadro de hiperventilação estará reduzindo os

níveis de gás carbônico muito rapidamente. Assim o pH plasmático se eleva e caracteriza um quadro de alcalose.

hipoventilação: [causa pH (acidose)] [ pode corrigir uma alcalose]

hiperventilação: [causa pH (alcalose)] [ pode corrigir uma acidose]

Infelizmente, o controle respiratório é incapaz de fazer com que a concentração

de íons H+ retorne exata-mente ao valor normal de 7,4 quando alguma anormalidade

externa ao sistema respiratório altera o pH normal. A razão disso é que, à medida que o pH retorna a seu valor normal, o estímulo que causou o aumento ou a diminuição da respiração começa a dissipar-se. Em geral, o mecanismo respiratório para regular a

concentração de íons H+ possui eficiência de controle situada entre 50 a 75% (ganho do

feedback de 1 a 3). Isto é, se a concentração de íons H+ fosse subitamente diminuída de

7,4 para 7,0 por algum fator estranho, o sistema respiratório faria com que o pH retornasse, em 3 a 12 minutos, a um valor de cerca de 7,2 a 7,3.

Com efeito, a regulação respiratória do equilíbrio ácido-básico é um tipo fisiológico de sistema tampão que possui quase a mesma importância dos sistemas tampões químicos do organismo considerados antes neste capítulo. A "capacidade de

20

Tampões biológicos

tamponamento" global do sistema respiratório é uma a duas vezes maior que a de todos os tampões químicos combinados. Isso significa que, normalmente, uma a duas vezes mais ácido ou base podem ser tamponados por esse mecanismo em relação aos tampões químicos.

3.2 Tampão hemoglobina

O gás carbônico, produto final do metabolismo oxidativo nos tecidos é transportado e tamponado pela hemoglobina, a principal proteína existente nos eritrócitos. Durante esse transporte dos tecidos periféricos aos pulmões é importante que ocorra o tamponamento pela molécula de hemoglobina para que não haja alteração do pH plasmático pela reação da anidrase carbônica. Além disso, as alterações no pH plasmático afetam diretamente a oxigenação tecidual pois ambos processos estão interligados.

A hemoglobina, proteína que dá cor aos

eritrócitos, é a responsável pelo transporte de

oxigênio dos pulmões e pelo tamponamento do plasma durante esses eventos. Estruturalmente é uma proteína formada por quatro cadeias polipeptídicas (portanto um tetrâmero): duas cadeias alfa e duas cadeias beta. Cada cadeia possui um grupamento heme na sua estrutura, onde liga-se o oxigênio (Figura 11). O grupamento heme é um anel porfirínico hidrofóbico complexado com ferro e está ligado à cadeia polipeptídica por dois resíduos de histidina, aminoácido com grupo imidazólico na cadeia lateral. A hemoglobina ligada à oxigênio é conhecida como

oxihemoglobina (HbO2); a hemoglobina sem

ligantes é conhecida como desoxihemoglobina

(HbH+). O próton também pode ligar na

molécula de hemoglobina. No entanto, próton e oxigênio não ligam no mesmo sítio: enquanto o oxigênio interage com o ferro do grupamento heme, os prótons ligam em resíduos de aminoácidos da proteína, em especial na histina 146 e aspartato 194 das cadeias. O monóxido de carbono, quando existente, tem a propriedade de ligar-se no grupamento heme de forma irreversível, impedindo a ligação do oxigênio e matando a pessoa por asfixia.

Embora oxigênio e próton não liguem-se no mesmo sítio da proteína,

somente um pode ligar-se por vez em razão das mudanças conformacionais ocorridas

na molécula quando existe ligação de oxigênio. Quando o oxigênio liga-se à

hemoglobina, a ligação estabelecida reduz o pK do grupo amino terminal das

subunidades e do grupo carboxilíco terminal das histidinas das subunidades . Sem a

presença do oxigênio esses grupos possuem carga positiva e participam de ligações

iônicas na estrutura; quando ligados ao oxigênio a interação deixa de existir pois ocorre

21

Figura 11: Figura mostrando a estrutura de uma molécula de hemoglobina

Tampões biológicos

um afastamento muito grande entre esses grupos, acarretado pela mudança

conformacional gerada pela ligação de oxigênio no grupo heme. Consequentemente a

ligação de oxigênio causa uma liberação de prótons e da mesma maneira,

reversivelmente, a remoção dos prótons (aumento do pH) estimula a hemoglobina a

ligar mais oxigênio. Esse fenômeno conhecido como efeito Bohr e foi descoberto em

1904 pelo pai do físico francês Niels Bohr, o sr. Christian Bohr. A hemoglobina possui uma afinidade muito grande por ligação ao

oxigênio.Todavia, o próton H+ compete com o oxigênio para ligar-se com a

hemoglobina. O efeito Bohr explica a afinidade da molécula de hemoglobina pelo oxigênio

em função do pH do meio. À medida que a concentração de prótons do meio diminui,

ou seja, o pH aumenta, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio aumenta, pois existem

menos prótons competindo pela ligação. Dessa maneira, para uma mesma oferta de

oxigênio, em termos de pressão parcial, quanto mais alcalino for o pH maior será a

quantidade de oxigênio que conseguirá ligar na hemoglobina (saturação da

hemoglobina) (Figura 12). Nesse mesmo sentido, para obter a mesma saturação da

hemoglobina será necessário aumentar a oferta de oxigênio no sentido em que o pH

diminuir, pois quanto maior o pH, menor é o número de ligações iônicas realizadas e

portanto mais fácil para a proteína mudar de conformação e aceitar o oxigênio. Dessa

forma, a hemoglobina é uma proteína complexa com a propriedade de liberar prótons a

medida que liga oxigênio e inversamente liberar mais oxigênio em pH ácido.

Figura 12: Figura mostrando o efeito Bohr, para uma mesma oferta de oxigênio a

hemoglobina possui maior afinidade pelo oxigênio a medida que aumenta o pH

22

Tampões biológicos

Considerando que o pH na região pulmonar é levemente alcalino e a pressão

parcial de oxigênio é alta, facilmente ocorre ligação de oxigênio com liberação de

prótons pela hemoglobina nos capilares alveolares. Uma vez que o pH na região

pulmonar e nos tecidos são diferentes, a captação ou liberação de prótons e oxigênio por

essa proteína ocorre de forma diferente dependendo do pH do tecido. Esse mecanismo

desempenha funções importantes no transporte de gases. O efeito Bohr relaciona a oxigenação e pH tecidual: a hemoglobina só

consegue liberar o oxigênio ao tecido periférico em função da mudança de pH e

também só capta oxigênio por mudança de pH. Além disso, permite-se que o gás

carbônico seja regenerado no local exato de sua eliminação do organismo e que o

próton seja capturado no momento de sua formação, permitindo a oxigenação. Além

disso, o bicarbonato é formado em uma região de pH levemente ácido e internalizado na

região de pH levemente alcalino, onde o próton é gerado. Esses processos auxiliam no

balanço do pH dessas regiões. O gás carbônico gerado no meio intracelular como produto final de

metabolismo oxidativo difunde-se dos tecidos ao plasma. Como a difusão do CO2 pelas membranas biológicas é livre, no plasma, essa molécula consegue difundir-se para o interior da hemácia, onde a anidrase carbônica produz ácido carbônico, o qual dissocia-se em próton e bicarbonato. Esse próton pode alterar bruscamente o pH intracelular e plasmático (Figura 13). (Por que o plasmático? Os íons estão hidratados em meio fisiológico, fato que impede a sua simples difusão pelas membranas. Entretanto

devemos considerar que o CO2 na circulação pode formar o próton por reação com a anidrase carbônica, que também existe no plasma). Nesse ponto, a hemoglobina exerce seu poder tamponante captanto os prótons formados no interior da hemácea.

O próton formado dentro do eritrócito é capturado pela hemoglobina para

formação das ligações iônicas. Devemos lembrar que nos tecidos periféricos a

hemoglobina chega oxigenada, vinda do pulmão. Nos capilares do sangue venoso, onde

a pressão parcial de oxigênio é baixa, o próton liga-se a hemogloblina e esta por sua vez

libera o oxigênio. Assim, o oxigênio é conduzido ao tecido periférico, que necessita da

molécula para o metabolismo oxidativo e o próton é captado pela hemoglobina, ficando

preso na molécula e impedido de allterar o pH. Dessa forma, a principal forma de

transporte do gás carbônico dos tecidos periféricos aos pulmões é sob forma de

bicarbonato, que foi gerado na reação com a participação da anidrase carbônica. O

bicarbonato é transportado para fora da célula por uma glicoproteína de membrana

conhecida como Banda 3. Quando essa proteína expulsa o bicarbonato, ela internaliza

um íon cloreto. Dessa forma, o plasma do sangue venoso possui uma baixa pressão de

oxigênio, uma alta pressão de gás carbônico (que está sendo recolhido do tecido), uma

alta concentração de bicarbonato (que é a principal forma de transporte do CO2 no

plasma) e uma baixa concentração de cloretos (pois são captados pelo eritrócito no momento da saída do bicarbonato). Infelizmente nem todo próton produzido a partir do gás carbônico consegue ser acomodado pela protonação da desoxihemoglobina. E pelo fato do sangue venoso possuir maior pressão de gás carbônico, o plasma do sangue venoso é mais ácido que o sangue arterial.

Nos pulmões a pressão parcial de oxigênio é muito alta (ar inspirado) e esse oxigênio consegue deslocar o próton e ligar-se a hemoglobina. O próton que saiu da hemoglobina combina-se com o bicarbonato que foi internalizado pela banda 3 em troca

de um cloreto que foi eliminado da célula no ambiente pulmonar, o qual é levemente

23

Tampões biológicos

alcalino. O ácido carbônico formado dissocia em água e gás carbônico que difunde-se

para o ar expirado, sendo finalmente eliminado pela ventilação. Cerca de 70% do gás

carbônico eliminado pelo tecido periférico é transportado aos pulmões sob forma de

bicarbonato; 7% na forma dissolvida no plasma e 23% ligado covalentemente na porção

aminoterminal de resíduos de valina das cadeias da hemoglobina

(carbaminohemoglobina). O desligamento do gás carbônico em troca pela ligação do

oxigênio é explicado por um mecanismo conhecido como efeito Haldane. Cerca de 97%

do oxigênio é transportado ligado à hemoglobina e 3% dissolvidos no plasma.

Figura 13: Esquema resumindo as trocas gasosas e realizadas pelo hemoglobina

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Tampões biológicos

Resumindo:

Podemos observar na Figura 13 um resumo dos eventos que ocorrem nas trocas gasosas nos tecidos e pulmão.

- No tecido

No tecido a concentração de CO2 é bem maior, já que é originário do metabolismo celular, portanto, este se difunde para o interior das hemáceas, dentro destas a enzima

anidrase carbônica catalisa a reação do CO2 com água formando o ácido carbônico que

se dissocia em H+ e bicarbonato. A hemoglobina chega nos tecido na forma de HbO2,

ou seja ligada ao O2, mas como a hemoglobina possui grande afinidade pelos íons H+ e

estes estão em grande concentração no interior da hemácea, estes são captados pela

hemoglobina finado na forma de HbH+, assim, é reduzida a afinidade pelo O2, sendo

este então liberado pela hemoblobina e por difusão oxigena os tecidos (importante perceber que neste momento a hemoglobina exerce seu poder tamponante na captação

de H+ que foi originário da captação de CO2 pela hemácea, então em última análise a

hemoglobina está indiretamente tamponando ácidos voláteis, contribuindo para que o

CO2 não acidifique o sangue pela formação de H+, não captanto este diretamente já que

não pode se difundirpela membrana). Como aumenta também a concentração de bicarbonato no interior da hemácea este é liberado para o meio extracelula e é captado

cloreto. Então o CO2 é transportado na hemácea majoritariamente na forma de bicarbonato e outra parte ligado na hemoglobina e diluído no plasma.

- Nos pulmões

Nos alvéolos pulmonares as hemáceas chegam carregadas com a hemoglobina ligada ao

H+, HbH

+, mas nos alvéolos há uma grande concentração de O2, pelo ar inspirado,

sendo o pH mais alcalino também, pela baixa concentração de CO2, então o O2 é

captado pela hemoglobina, HbO2, liberando desta maneira o H+ que reage com o

bicarbonato no interior da hemácea, formando ácido carbônico que se dissocial em água

e CO2, sendo este então eliminado pelo pulmão na expiração. Ainda como o bicarbonato é consumido, deve haver entrada de bicarbonato em uma troca com o

cloreto que sai da hemácea. Note que no tecido a hemácea captou CO2 formou H+ no

seu interior que foi captado pela hemoglobina sendo liberado no pulmão e convertido

após união com bicarbonato em CO2 novamente que é eliminado na respiração, em

última análise a hemoglobina contribui na eliminação de ácidos voláteis de CO2, de maneira indireta, contribui na manutenção da concentração de prótons no sangue.

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Tampões biológicos

4. Equação de Handerson-Hasselbach

O uso da pressão parcial de gases é a maneira correta de referenciar sua concentração quando dissolvidos em meio líquido. Assim , o correto é referir-se à pressão parcial de gás carbônico, pressão parcial de oxigênio, etc.

O gás carbônico dissolvido total do plasma é o somatório da quantidade de gás

carbônico dissolvido (que é calculada através da pressão parcial de CO2) e da

concentração de bicarbonato ( que provém da dissociação do CO2).

[CO2] total = [CO2]dissolvido + [HCO3-]

Através da equação de Handerson-Hasselbach é possível correlacionar concentração de bicarbonato, pressão parcial de gás carbônico dissolvido no plasma (com uso da constante de Henry -a-, que informa a solubilidade do gás carbônico em 1 litro de plasma a 37ºC = 0,0301 mmols) e pH plasmático. Em condições fisiológicas

temos: pH: 7,40 [HCO3-]: 24 mM pCO2: 40 mmHg [CO2] dissolvido no plasma : 1,2

mmol/L

pH = pKa + log [ HCO3-]/[CO2] dissolvido no plasma

[CO2] dissolvido no plasma = a. p CO2

-

No sangue arterial, a [ HCO ] normal é ~ 24 mM e a pCO é ~ 40 mm Hg. A solubilidade do CO 3 2 2

no plasma é 0,0301 mmóis por mm de Hg; então 40 X 0,0301 = 1,2 mM de [CO ] . Assim, 2

pH = 6,1 + log 24/1,2

pH = 6,1 + log 20

pH = 7,4

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Tampões biológicos

Referências:

MONTGOMERY, R. et al. Biochemistry, a case-oriented approach. Mosby, St Louis, Missouri, EUA.

VOET, D., VOET, J., PRATT, C.W. Fundamentos de Bioquímica, Artes Médicas Sul, Porto Alegre. (NRB 653812)

AIRES, Margarida de Mello. Fisiologia. Rio de Janeiro, RJ: Guanabara Koogan. (NRB

653521)

GARCIA, E. A. C. Biofísica. São Paulo, Sarvier. (NRB 231085)

GUYTON, A . C. Tratado de Fisiologia Médica. Rio de Janeiro, Elsevier. (NRB 546567)

HENEINE, I. F. Biofísica Básica. Atheneu, Rio de Janeiro. (NRB 277346)

NELSON, D. L. & COX, M. Lehninger – Princípios de Bioquímica. São Paulo: Sarvier, . (NRB 603380)

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