Il pH dei fluidi del'organismo, in particolare del sangue, è regolato attraverso un complesso meccanismo omeostatico. Dal punto di vista chimico, ad esso concorrono principalmente tre sistemi tampone:
1. diidrogenofosfato - idrogenofosfato
2. acido carbonico - idrogenocarbonato
3. proteine - anioni proteinato
Il pH del sangue deve essere mantenuto entro limiti abbastanza rigidi. Il valore normale nel sangue arterioso è 7.41: già a valori inferiori a 7.38 e superori a 7.45, i patologi parlano rispettivamente di acidosi e alcalosi. Se queste condizioni non vengono compensate, si può andare incontro a tutta una serie di manifestazioni patologiche, fino al coma. Valori di pH inferiori a 7 e superiori a 7.8 sono incompatibili con la vita.
1. Il tampone fosfato funziona attraverso il seguente equilibrio:
H2PO4- + H2O = H3O+ + HPO42- (4)
La Ka relativa a questo equilibrio (Ka'' dell'acido fosforico) è 6.3x10-8. La pKa di questo tampone (7.2) è molto prossima al pH fisiologico del sangue e il suo potere tampone è pertanto abbastanza elevato.
2. L'equilibrio del tampone "bicarbonato" è il seguente:
H2CO3 + H2O = H3O+ + HCO3- (5)
La pKa dell'acido carbonico è 6.1; a pH 7.4 il rapporto delle concentrazioni della coppia acido-base è quindi circa 0.05 (in un litro di sangue vi sono infatti 1.2-1.4 millieq. di acido carbonico e 24-28 millieq. di idrogenocarbonato). Il potere tampone di questa coppia è al limite dell'efficienza, tuttavia il tampone bicarbonato si trova in una posizione del tutto speciale, in quanto i suoi due componenti sono sotto stretta regolazione da parte di due processi omeostatici fisiologici: respirazione e funzione renale.
Attraverso il controllo della respirazione polmonare (iperventilazione e ipoventilazione) può essere controllata la concentrazione della CO2 sciolta nel sangue e quindi, in pratica, la concentrazione dell'acido carbonico. L'anidride carbonica in soluzione è infatti in equilibrio con l'acido carbonico secondo la reazione:
CO2 + H2O = H2CO3 (6)
A 37°C, la costante di "associazione" della reazione, Kass = [H2CO3] / [CO2], è circa 1.7x10-3.
Parallelamente, il rene può regolare la concentrazione degli ioni monoidrogenocarbonato reimmessi in circolo, attraverso il bilanciamento dei processi di sintesi di acido carbonico (catalizzata dalla anidrasi carbonica tubolare a spese della CO2 prodotta nel catabolismo ossidativo) e di controllo dell'escrezione urinaria di ioni H+ o HCO3-:
CO2 + H2O = H2CO3 = H+ + HCO3- (7)