Come funziona? L'equilibrio acido base del sangue.

[aggiornato dopo la pubblicazione iniziale]

L'argomento non lo tratto da tempo ma (purtroppo) è sempre di attualità. La famigerata, leggendaria, insulsa "dieta alcalina". Una delle bufale mediche più diffuse che, probabilmente perché si ignorano i meccanismi di base della fisiologia umana, si diffonde indisturbata, anche (ahimé) per bocca di medici, professionisti e persone che dovrebbero aver sfogliato qualcosa in più dell'enciclopedia medica.

La "dieta alcalina" sarebbe un regime alimentare secondo il quale, alimentandosi di ben precisi "alimenti alcalini" si otterrebbero ingenti benefici per la salute e addirittura nella cura di malattie gravi come il cancro.
Tutto questo perché questi alimenti sarebbero capaci di "alcalinizzare" l'organismo (poi esistono varie versioni, l'alcalinizzazione riguarderebbe talvolta il sangue, altre le cellule, altre la "matrice extracellulare" e così via, secondo l'ipotesi, una diversa dall'altra, di chi la diffonde). C'è un solo "piccolo" problema: non è possibile alcalinizzare (o acidificare) il nostro sangue senza incorrere in disturbi anche gravi e persino letali e per questo parlare di "alcalinizzazione dell'organismo" come se fosse una panacea, equivale a parlare di rapimenti alieni: una bufala.

Se esistesse una dieta capace di alcalinizzare il nostro corpo, sarebbe fortemente tossica. Sarà un caso (ma anche no) ma la persona che, tramite un libro, ha diffuso al grande pubblico questa leggenda, è un falso medico finito in carcere con 18 capi d'accusa, tra i quali la truffa, non prima di essersi fatto riempire il portafogli da tante persone illuse di aver trovato la soluzione per i loro acciacchi.

Purtroppo l'argomento non è (per chi è profano) di immediata comprensione. Proviamo allora a conoscerlo meglio nella sua parte più importante. L'equilibrio tra alcalosi ed acidità del nostro organismo è mantenuto (sempre, costantemente, di continuo...) da una serie complessa di sistemi, se riusciamo a capire questi meccanismi riusciremo non solo a conoscere un incredibile e complicato insieme di eventi che ci consentono di vivere ma (per chi non lo conosce) il motivo per cui bufale come la "dieta alcalina", le "acque alcaline", gli "integratori alcalini" ed altre amenità simili, sono semplici prodotti commerciali truffaldini che vendono perché non tutti conoscono come funziona il corpo umano.

Questo articolo servirà anche ai medici ed ai professionisti della salute che, per malafede o semplice ignoranza, hanno saltato l'esame di fisiologia medica diventando purtroppo diffusori di bufale, un ripassino non fa mai male.

Tutto sarà spiegato da Giuliano Parpaglioni, biologo nutrizionista.

Nessuna paura se alcuni passi possono sembrare (lo sono?) più complessi, leggete con calma, chiedete pure. Capire è molto meglio che credere.

Un grazie a Giuliano e buona lettura.

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L’idrogeno è l’elemento più diffuso in natura derivando direttamente dai processi seguenti al famoso Big Bang, dal quale ha avuto origine il nostro universo. Nei sistemi biologici, l’idrogeno è presente principalmente in forma legata al carbonio (legami C-H), all’ossigeno (legami O-H) e all’azoto (legami N-H) che, nel loro insieme, formano i gruppi funzionali costituenti i metaboliti ai quali sono deputate le funzioni vitali.

A seconda della forza con cui l’idrogeno è legato agli altri atomi, è possibile che esso si dissoci (ovvero passi dalla forma legata a quella disciolta) e si presenti sotto forma di ione con una carica elettrica positiva (ciò avviene maggiormente nelle soluzioni acquose, in quanto nei sistemi non acquosi non è possibile trovare lo ione idrogeno disciolto). L’idrogeno, privo del suo elettrone, viene anche indicato molto semplicemente come protone (sebbene indicare lo ione idrogeno come protone sia un vezzo tipico dei chimici organici) o idronio.

Lo ione idrogeno — o protone o idronio — prende parte a moltissime reazioni chimiche e la sua concentrazione (ovvero il contenuto di ioni idrogeno per unità di volume della soluzione) può cambiare l’esito di una reazione in maniera determinante. I valori numerici della concentrazione di ioni idrogeno sono estremamente piccoli. Per questo motivo i chimici hanno introdotto una scala di valori di natura logaritmica indicata come pH in modo da poter maneggiare numeri che rientrino nell’ordine delle decine invece che in un ordine che va dai centesimi ai microcentesimi e oltre (ovvero da 0,01 a 0,0000000001).

La necessità di una scala logaritmica è nata in un’epoca in cui ancora non esistevano i calcolatori elettronici. Tuttavia, anche se oggi i computer sono sempre più potenti, la scala di pH è rimasta nell’uso chimico per la sua estrema comodità nello spiegare cosa accade nei sistemi complessi.

Il pH e l’acidità

Come detto poco sopra, la concentrazione di ioni idrogeno in una soluzione è misurata tramite il pH: questa scritta non è un acronimo, ma un’operazione matematica. Esplicitandola la si può scrivere anche come:

-log10[H+]

una parolaccia che si legge cologaritmo in base dieci della concentrazione degli ioni idrogeno ed è tradizionalmente compresa tra 0 e 14 (anche se in teoria può avere valori più bassi e più alti di così).

Essendo un’operazione matematica e non un acronimo, le scritte “ph”, “Ph” e “PH” sono errate; è come voler scrivere una frazione usando il simbolo della percentuale invece della linea di frazione. Il valore neutro è 7, ed è il pH dell’acqua distillata a 25 °C; valori inferiori a 7 definiscono una soluzione acida, mentre valori superiori a 7 definiscono una soluzione basica o alcalina. 

Possiamo quindi dire che una soluzione è acida se il pH di tale soluzione è inferiore a 7, è basica o alcalina se il pH di tale soluzione è superiore a 7, è neutra se il pH di tale soluzione è uguale a 7. Il tutto dipende anche dalla temperatura: se si alza, il punto di neutralità si abbassa (ecco perché i saponi intimi non hanno un pH pari a 7, anche se sull’etichetta c’è scritto “neutro”).

Esistono varie sostanze capaci di cambiare il pH di una soluzione: semplificando molto si può dire che se una sostanza disciolta in acqua libera ioni idrogeno (aumentandone la concentrazione e abbassando il pH) è un acido; viceversa se una sostanza disciolta in acqua lega ioni idrogeno (diminuendone la concentrazione e alzando il pH) è una base (o alcale).

A seconda della facilità che ha la sostanza di legare o cedere ioni idrogeno si parla di acidi e basi forti oppure acidi e basi deboli: una base forte o un acido forte cambieranno il pH in maniera molto più accentuata di quanto lo possano fare un acido debole o una base debole. Esistono poi le cosiddette soluzioni tampone definite come soluzioni di acidi (o basi) deboli e il loro ione coniugato. (una base coniugata deriva dalla dissociazione dell’acido debole).

Queste soluzioni sono in grado di “tamponare” (ovvero resistere) a piccole variazioni di pH facendo in modo che la concentrazione di ioni idrogeno rimanga costante. Ovviamente ci sono dei limiti al potere tamponante, ma entro questi limiti il pH della soluzione è mantenuto praticamente costante. Questo concetto è fondamentale per capire la regolazione del pH del sangue, perché effettivamente il sangue è una soluzione tampone.

Il sangue, i polmoni, i reni

L’intervallo fisiologico di pH del sangue è compreso tra 7,38 e 7,42. Si parla di acidosi quando scende sotto i 7,35 mentre c’è un’alcalosi quando è superiore a 7,45.

Il corpo fa di tutto per evitare questi minimi sbalzi: in caso di variazioni le proteine possono cambiare forma, diventando inefficienti per qualsiasi loro funzione; il sistema nervoso può avere gravi problemi (si può arrivare a confusione, al coma o anche alla morte); possono avvenire squilibri elettrolitici (ad esempio può crescere troppo o diminuire troppo la concentrazione del potassio, minerale fondamentale per il funzionamento del cuore) e quindi portare anche aritmie. Ecco perché esistono degli efficientissimi sistemi di controllo, il primo dei quali, il più semplice, è dato dalla composizione del sangue stesso.

Come dicevo precedentemente, il sangue è una soluzione tampone perché ricco di composti che fanno sì che il pH rimanga costante. I protagonisti principali di questo controllo sono l’anidride carbonica (CO2) e il bicarbonato (HCO3–). Queste due molecole sono legate da una formula chimica:

Indipendentemente dai meccanismi, è importante sapere che è una reazione reversibile, ovvero è possibile anche partire dal bicarbonato e rifare le reazioni verso l’anidride carbonica: anzi, la reazione inversa avviene continuamente, stabilendo un equilibrio stabile tra i vari composti. Inoltre, per il principio di Le Chatelier, se in un sistema all’equilibrio aggiungiamo uno dei reagenti (ovvero uno dei composti scritti a sinistra), la reazione produce più prodotti (i composti scritti a destra), e viceversa.

Ed ecco come funziona questo tampone:

se per un qualunque motivo aumentano gli acidi (esercizio fisico, dieta ricca di proteine o di grassi, malattie…) aumenta la concentrazione di H+, quindi la reazione si sposta a sinistra e produce più anidride carbonica e acqua, di fatto eliminando gli ioni idrogeno in eccesso. Altri tamponi, che agiscono in maniera simile, sono le proteine (alcuni aminoacidi hanno la capacità di legarsi agli ioni idrogeno o di cederli) e i fosfati (molecole formate da fosforo e ossigeno, con una carica negativa molto forte che attraggono gli ioni idrogeno).

Ovviamente questo meccanismo non è sufficiente da solo: i tamponi sono limitati, una volta che una molecola ha reagito non è più utilizzabile. È quindi necessario che vengano prodotti nuovi tamponi di continuo.

Qui agiscono polmoni e reni. I polmoni sono gli organi deputati all’ossigenazione del nostro sangue. Con il respiro si fa in modo di caricare il sangue che passa negli alveoli di nuove molecole di ossigeno, scaricandolo al contempo delle molecole di anidride carbonica. Mentre è ormai conoscenza comune il fatto che l’ossigeno serva per sopravvivere, è importante sottolineare che anche la fine regolazione dell’anidride carbonica permette di rimanere in salute.

Come detto, se per un qualunque motivo aumentano i protoni nel sangue ne consegue una reazione chimica che va a formare anidride carbonica. Questa è in aggiunta a quella normalmente prodotta dal metabolismo cellulare, di conseguenza aumenta la frequenza del respiro, che porta a eliminarla più velocemente per ristabilirne i limiti. Allo stesso tempo, se il pH del sangue dovesse alzarsi per qualunque motivo (quindi se dovesse calare la concentrazione di protoni), la reazione polmonare sarebbe quella di rallentare il respiro, per scambiare meno anidride carbonica con l’esterno e aumentarne la concentrazione nel sangue. Di contro, alcuni scompensi respiratori possono causare acidosi o alcalosi. In caso di iperventilazione si eliminerebbe troppa CO2, avremmo quindi un’alcalosi respiratoria: per lo stesso principio di Le Chatelier citato prima, togliendo un reagente si spingono i prodotti a reagire tra loro, per riformare il reagente mancante, quindi si va a diminuire la concentrazione di ioni idrogeno. L’effetto opposto si ha con un’ipoventilazione, che elimina troppa poca anidride carbonica, causando un eccesso di ioni idrogeno, quindi un’acidosi respiratoria. I polmoni agiscono sulla regolazione nell’arco di minuti, ma anch’essi da soli non sono sufficienti, sia perché la ventilazione non dipende solo dai livelli di CO2 ma anche da quelli dell’ossigeno, sia perché c’è anche la parte destra della reazione scritta prima da soddisfare.

Anche i bicarbonati non sono infiniti, quindi vanno ripristinati, e a farlo ci pensano i reni.

Il rene è un organo molto complesso, il suo funzionamento dà del filo da torcere a ogni studente che voglia preparare un esame di fisiologia, cercherò di essere il più essenziale possibile. Il compito principale del rene è quello di filtrare il sangue in modo che in circolo rimangano i nutrienti mentre gli scarti possano essere eliminati con le urine. È formato da una serie di tubi (tubuli) che si uniscono a formare l’uretere, che sfocia nella vescica.

La pulizia del sangue avviene in tre fasi: filtrazione, in cui il sangue viene come setacciato grossolanamente; secrezione, in cui alcune sostanze passano dal liquido peritubulare (ovvero il liquido nello spazio intorno al tubulo renale, non collegato con l’esterno del corpo, che poi torna nel circolo sanguigno) al lume tubulare (ovvero lo spazio che poi si collegherà all’uretere e quindi all’esterno); riassorbimento, in cui le sostanze vengono riprese dal lume tubulare per finire nel liquido peritubulare.

Le cellule renali, in tempi che vanno nell’ordine di grandezza di ore o giorni, attuano le seguenti azioni:

1. secernono ioni idrogeno, quindi fanno in modo che il pH del liquido peritubulare non diminuisca; 

2. riassorbono bicarbonato, portandolo nel liquido peritubulare facendolo così rientrare nel circolo sanguigno;

3. producono nuovo bicarbonato, mandando anche questo nel liquido peritubulare.

In tutto ciò, gli ioni idrogeno vanno a finire nelle urine, e nonostante esistano dei tamponi a base di fosfati anche lì, le urine risultano sempre molto più acide del sangue (generalmente intorno a pH 5,5 e il limite minimo è comunque di 4,5). In caso di acidosi metabolica la diminuzione di pH è data da ragioni diverse dall’aumento della CO2, ad esempio a causa di un diabete. I polmoni reagiscono come detto sopra fino ad arrivare al loro limite possibile, il grosso del lavoro lo fa il rene, secernendo più ioni idrogeno e riassorbendo e producendo più bicarbonato. In caso di alcalosi metabolica il pH è aumentato per cause diverse dalla diminuzione di CO2, per esempio l’ingestione eccessiva di bicarbonato di sodio. Anche qui i polmoni fanno quello che possono e il rene reagisce limitando il riassorbimento, la produzione di bicarbonato e la secrezione di ioni idrogeno.

Da quello che è stato detto finora, è ovvio che il mantenimento del pH dipende dalle concentrazioni di anidride carbonica e di bicarbonato. I valori ideali sono mantenuti quando la concentrazione di bicarbonato è venti volte la concentrazione dell’anidride carbonica (questo valore può essere calcolato tramite l’equazione di Henderson – Hasselbach, che vi risparmio).

Quando i polmoni e i reni lavorano insieme senza nessun problema, questo rapporto è mantenuto costante. In caso di acidosi, aumenta l’anidride carbonica o diminuisce il bicarbonato, quindi il rapporto è più basso; in caso di alcalosi, aumenta il bicarbonato o diminuisce l’anidride carbonica, quindi il rapporto è più alto.

In conclusione, possiamo dire che, salvo patologie che impediscano il normale funzionamento di polmoni e reni, o magari eccessi estremi di acidi (come nel diabete) o di basi (come assumendo troppo bicarbonato), il pH del sangue è costante e perennemente regolato, senza possibilità di sbavatura. Assumere acidi organici come grassi o proteine con la dieta non fa variare il pH del sangue, perché i meccanismi spiegati lo impediscono. Allo stesso modo assumere minerali alcalinizzanti con frutta e verdura non ha effetti, perché i polmoni e i reni lavorano per annullarli. 

Non amo dire che l’uomo è una macchina perfetta, perché non è vero (e per ulteriori implicazioni ontologiche di questa frase), ma di certo è una macchina molto complessa e ciò che facciamo tutti i giorni senza fatica, sopravvivere, è in realtà il frutto di milioni di anni di evoluzione che ha portato all’unione di meccanismi sopraffini. Da biologo rimango affascinato, come un appassionato d’arte davanti a un capolavoro, dalla splendida complessità che ogni giorno vive dentro di noi, e di cui non ci rendiamo nemmeno conto.

Giuliano Parpaglioni, Biologo Nutrizionista.

Approfondimenti: 

• Acido e Base: l’evoluzione di un significato (1° parte).

• Acido e Base: significati ed implicazioni da Brønsted-Lowry a Lewis (2° parte).

• Soluzioni tampone.

• Principio di Le Chatelier.

•Henderson–Hasselbalch equation 

Bibliografia:

Stanfield, Germann – Fisiologia – Terza edizione EdiSES 2011, pp. 556-64

Ringraziamenti:

Ringrazio per la consulenza Pellegrino Conte, professore associato di chimica agraria all’Università degli Studi di Palermo.

Devo a lui l’accuratezza della prima parte del post. Qualsiasi errore, imprecisione o eccessiva approssimazione è da attribuire solo a me.