Un aspecto fundamental en la fisiología de todos los organismos es la homeostasis o capacidad para mantener una situación de equilibrio dinámico favorable. En este fenómeno tiene gran importancia los sistemas amortiguadores que equilibran la presencia de sustancias ácidas y básicas para mantener el pH dentro de los límites fisiológicos.
En los organismos vivos se están produciendo continuamente ácidos orgánicos que son productos finales de reacciones metabólicas, catabolismo de proteínas y otras moléculas biológicamente activas. Mantener el pH en los fluidos intra y extracelulares es fundamental puesto que ello influye en la actividad biológica de las proteínas, enzimas, hormonas, la distribución de iones a través de membranas, etc… La manera en que podemos regular el pH dentro de los límites compatibles con la vida son: 1) los tampones fisiológicos (amortiguadores) y 2) la eliminación de ácidos y bases por compensación respiratoria y renal.
Los tampones fisiológicos son la primera línea de defensa frente a los cambios de pH de los líquidos corporales, entre los que destacan: el tampón fosfato, el tampón bicarbonato y el tampón hemoglobina.
Concepto de ácido y base
Lavoisier (1777) observó que sustancias como el azufre y el fósforo en combinación con oxígeno, y en disolución acuosa, daban lugar a sustancias ácidas. Pensó que el responsable era el oxígeno y lo llamó principio acidificante.
Arrhenius (1887) propuso la Teoría de la disociación electrolítica iónica: Cuando los electrolitos (ácidos, bases y sales) se disuelven en agua se disocian en partículas cargadas (Iones).
Ácido: Sustancia que en disolución acuosa libera iones de hidrógeno
Base: Sustancia que en disolución acuosa libera iones hidroxilo (−OH)
Brönsted y Lowry (1923) definieron
Ácido: Toda especie capaz de ceder protones.
Base: Toda especie capaz de aceptar protones.
Reacción ácido-base, aquella que implica transferencia de protones
Ácido: Toda especie capaz de ceder protones.
Base: Toda especie capaz de aceptar protones.
Reacción ácido-base, aquella que implica transferencia de protones
Las sustancias que pueden actuar tanto como ácido como base, se llaman anfolitos, anfóteros o anfipróticos.Lewis (1938) propuso que no todas las reacciones ácido-base implican transferencia de protones, pero sin embargo forman siempre un enlace covalente dativo.
Ácido: Sustancia que puede aceptar un par de electrones de otros grupos de átomos, para formar un enlace covalente dativo.
Base: Sustancia que tiene pares de electrones libres, capaces de ser compartidos para formar enlaces covalentes dativos.
Concepto y definición de pH
El agua es un electrolito débil con una conductividad de 4 x 10 m Ω/cm. Esto indica que aunque muy débilmente el agua se disocia en iones:
H2O -------> H3O+ + OH-
El agua es un electrolito débil con una conductividad de 4 x 10 m Ω/cm. Esto indica que aunque muy débilmente el agua se disocia en iones:
H2O -------> H3O+ + OH-
Al disociarse el agua, coexisten iones disociados con moléculas no disociadas pudiéndose aplicar la ley de acción de las masas:
K = (H+) x (OH-) / (H2O)
Introduciendo en la fórmula anterior las molaridades correspondientes y sabiendo que la concentración de H + es igual a la de OH-, se puede calcular la concentración del agua sabiendo que su peso molecular es de (18 g/mol). Si se considera que la concentración de agua no disociada es muy grande, puede suponerse que esta permanece constante y no se modifica, por lo que:
(H+) x (OH-) = Kw = K x (H2O) = 10-13,98 (a 25ºC)
Kw es el producto iónico del agua
El producto iónico del agua depende de la temperatura, pudiendo expresarse el valor de Kw diciendo que el producto de iones H+ por el de OH-, a una temperatura dada, es constante. Si la concentración de uno aumenta debe disminuir proporcionalmente la del otro.
Del producto iónico del agua se parte para establecer el concepto de pH. Si Kw es igual a 10-14 y la concentración de H+ es igual al de OH- puede hacerse:
(H+)2 = 10-14 o (H+) = 10-7 aplicando logaritmos: log (H+) = - 7 * log 10 = - 7; multiplicando por -1 tenemos: - log de (H+) = 7. Si hacemos: - log (H+) = pH tenemos que pH = 7. Por lo tanto, pH es el logarítmo de la concentración de hidrogeniones cambiado de signo.
Toda sustancia con pH 7, el correspondiente al agua, se denomina neutra. Las de valor inferior a 7, se consideran ácidas y las superiores a 7 básicas o alcalinas.
K = (H+) x (OH-) / (H2O)
Introduciendo en la fórmula anterior las molaridades correspondientes y sabiendo que la concentración de H + es igual a la de OH-, se puede calcular la concentración del agua sabiendo que su peso molecular es de (18 g/mol). Si se considera que la concentración de agua no disociada es muy grande, puede suponerse que esta permanece constante y no se modifica, por lo que:
(H+) x (OH-) = Kw = K x (H2O) = 10-13,98 (a 25ºC)
Kw es el producto iónico del agua
El producto iónico del agua depende de la temperatura, pudiendo expresarse el valor de Kw diciendo que el producto de iones H+ por el de OH-, a una temperatura dada, es constante. Si la concentración de uno aumenta debe disminuir proporcionalmente la del otro.
Del producto iónico del agua se parte para establecer el concepto de pH. Si Kw es igual a 10-14 y la concentración de H+ es igual al de OH- puede hacerse:
(H+)2 = 10-14 o (H+) = 10-7 aplicando logaritmos: log (H+) = - 7 * log 10 = - 7; multiplicando por -1 tenemos: - log de (H+) = 7. Si hacemos: - log (H+) = pH tenemos que pH = 7. Por lo tanto, pH es el logarítmo de la concentración de hidrogeniones cambiado de signo.
Toda sustancia con pH 7, el correspondiente al agua, se denomina neutra. Las de valor inferior a 7, se consideran ácidas y las superiores a 7 básicas o alcalinas.
Sistema Amortiguador del Fosfato. Estos sistemas a diferencia de las macromoléculas están formados por metabolitos de bajo peso molecular y son los sistemas de fosfato y bicarbonato.
El sistema amortiguador de fosfato actúa en el citoplasma de las células y consiste de:
H2PO4- ↔ H+ + HPO42-
El sistema amortiguador de fosfato es más eficiente a un pH cercano a su pKa de 6.86, por lo que resiste cambios en el pH desde 5.86 hasta 7.86, por tanto, es muy efectivo para los sistemas biológicos que realizan reacciones alrededor de pH 7.0. En los mamíferos por ejemplo el pH extracelular y de la mayoría de los compartimientos citoplásmicos está en el intervalo de 6.9 a 7.4.
El sistema amortiguador de fosfato actúa en el citoplasma de las células y consiste de:
H2PO4- ↔ H+ + HPO42-
El sistema amortiguador de fosfato es más eficiente a un pH cercano a su pKa de 6.86, por lo que resiste cambios en el pH desde 5.86 hasta 7.86, por tanto, es muy efectivo para los sistemas biológicos que realizan reacciones alrededor de pH 7.0. En los mamíferos por ejemplo el pH extracelular y de la mayoría de los compartimientos citoplásmicos está en el intervalo de 6.9 a 7.4.
Sistema amortiguador del Bicarbonato. El plasma sanguíneo es amortiguado en parte por el sistema amortiguador de bicarbonato, que consiste de ácido carbónico (H2CO3) como donador de protones y bicarbonato (HCO3-) como aceptor de protones:
H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
Este sistema amortiguador es más complejo que otros conjugados porque uno de sus componentes, el ácido carbónico, está formado por dióxido de Carbono disuelto (CO2(d)) y agua en una reacción reversible:
CO2(d) ↔ H2CO3
El dióxido de Carbono en condiciones normales de presión y temperatura es un gas, por lo que la cantidad de éste que puede estar disuelto (d) en la sangre, depende del equilibrio con el que está en la fase gaseosa (CO2(g))
CO2(g) ↔ CO2(d)
H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
Este sistema amortiguador es más complejo que otros conjugados porque uno de sus componentes, el ácido carbónico, está formado por dióxido de Carbono disuelto (CO2(d)) y agua en una reacción reversible:
CO2(d) ↔ H2CO3
El dióxido de Carbono en condiciones normales de presión y temperatura es un gas, por lo que la cantidad de éste que puede estar disuelto (d) en la sangre, depende del equilibrio con el que está en la fase gaseosa (CO2(g))
CO2(g) ↔ CO2(d)
El pH del amortiguador del sistema de bicarbonato, depende de la concentración de H2CO3 y HCO3-. La concentración de H2CO3 a su vez depende de la concentración de CO2(d), la que a su vez depende de la concentración de CO2(g). Esta última se denomina como presión parcial del CO2. El pH de un amortiguador de bicarbonato expuesto a una fase gaseosa está determinado finalmente por la concentración de HCO3- en la solución y de la presión parcial de CO2(g).
En los animales pulmonados, el sistema amortiguador de bicarbonato es un efectivo amortiguador fisiológico cerca de pH 7.4 porque el ácido carbónico disuelto en el plasma sanguíneo está en equilibrio con la gran capacidad de reserva de CO2(g) en el espacio aéreo de los pulmones. Este sistema amortiguador involucra tres equilibrios reversibles entre el CO2 gaseoso en los pulmones y el bicarbonato en el plasma sanguíneo:
En los animales pulmonados, el sistema amortiguador de bicarbonato es un efectivo amortiguador fisiológico cerca de pH 7.4 porque el ácido carbónico disuelto en el plasma sanguíneo está en equilibrio con la gran capacidad de reserva de CO2(g) en el espacio aéreo de los pulmones. Este sistema amortiguador involucra tres equilibrios reversibles entre el CO2 gaseoso en los pulmones y el bicarbonato en el plasma sanguíneo:
No hay comentarios:
Publicar un comentario