BIOQUIMICA: El medio ambiente iónico y sus tampones
Autor(a): Lcda. Ana Y. Arias Licenciada en Enfermería Universidad de los Andes. Mérida- Venezuela.
Introducción Hace aproximadamente unos 4.3 billones de años, aparecieron sobre la tierra las primeras formas de vida primitivas. Desde entonces, el proceso evolutivo ha transcurrido hasta alcanzar el grado actual de diversidad y diferenciación, ello ha significado un largo proceso de adaptación. A pesar que se conocen más de 100 elementos químicos diferentes en la corteza terrestre, sólo ocho son los más abundantes, representado más del 98% de los átomos totales (0,Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg). Por otra parte si consideramos la abundancia relativa de los átomos que constituyen las biomoleculas en el ser humano, encontramos que sólo cuatro (H, C, N,O)representan más de todos los átomos con la particularidad que ninguno de ellos con la excepción del oxigeno, se encuentra entre los ocho elementos más abundantes en la corteza terrestre. Es por ello que la bioquímica es la ciencia que explica la vida utilizando el lenguaje de la química, estudia además los constituyentes químicos de los seres vivos, sus funciones y transformaciones. En tal sentido, el siguiente libro pretende dar a conocer de manera simple e interactiva los conceptos ph y soluciones tampón, definiciones, importancia y mecanismos de acción.
PH Y SOLUCIONES TAMPON PH El pH (potencial de hidrógeno) es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas sustancias. La sigla significa "potencial de hidrógeno" (pondus Hydrogenii o potentia Hydrogenii; del latín pondus, n. = peso; potentia, f. = potencia; hydrogenium, n. = hidrógeno). Este término fue acuñado por el químico danés Sørensen, quien lo definió como el logaritmo negativo en base 10 de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es:
Desde entonces, el término "pH" se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno. Por ejemplo, una concentración de [H3O+] = 1 × 10–7 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 ya que: pH = –log[10–7] = 7 La escala de pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más iones en la disolución) , y alcalinas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (cuando el disolvente es agua). En el cuerpo humano Hey!!! Amigo lector sabias que dependiendo del pH del suelo, la hortensia (Hydrangea) puede poseer flores rosas o azules. En suelos ácidos (pH < 7) las flores son azules, mientras que en suelos básicos (pH > 7) son rosas
El PH fisiológico humano En el cuerpo humano Cuando hablamos de acido y alcalino estamos hablando de hidrogeno. Acido es una sustancia que suelta hidrogeno en una solución química y, alcalino es una sustancia que remueve el hidrogeno de una solución química. Lo acido y lo alcalino se miden en pH (hidrogeno potencial), en una escala que va del 1 al 14; siendo uno lo mas acido y catorce lo mas alcalino. Toda solución es acida o alcalina, tanto en el cuerpo humano como fuera de él. La sangre, los fluidos estomacales el vino, el café, etc tienen un determinado pH. Un pH por debajo de 7 es considerado acido y por encima de 7 se considera alcalino. El pH del estomago es 1, el del vino es 3.5, la sangre de las venas 7.35, el agua de mar 8.5, etc. El pH ideal del cuerpo humano debe ser ligeramente alcalino, oscilar entre el 7.35 y el 7.45. Al interior del cuerpo humano el equilibrio entre lo acido y lo alcalino es muy importante, ya que muchas funciones del cuerpo solamente ocurren en cierto niveles de acidez o de alcalinidad. Muchas encimas y reacciones químicas del cuerpo funcionan mejor en un pH determinado. Un pequeño cambio en el pH del cuerpo puede tener un efecto profundo en las funciones del organismo. Por ejemplo, la capacidad de contracción de los músculos declina y la hormona adrenalina aumenta cuando el cuerpo se vuelve ligeramente más acido. Distintas partes del cuerpo tienen distintos niveles de acidez y alcalinidad.
¿CÓMO SE MIDE EL PH? Por lo general la medición del pH se hace a través de la sangre, ya que es mas sencillo de medir que el de otras partes del cuerpo. Lo que se determina a través del análisis de la sangre son los niveles de: potasio, sodio, cloro, dióxido de carbono y bicarbonato. Algunos practicantes de la medicina alternativa miden también la orina. Ellos piensan que el cuerpo busca permanentemente eliminar los excesos de acidez que irritan los tejidos y le impiden absorber los
minerales y, puesto que uno de los sistemas principales de eliminación del organismo es el renal (riñones), ellos consideran que al medir el nivel de acidez de la orina se puede determinar si el organismo está eliminando o no la cantidad de ácidos que debería. Si la eliminación de ácidos a través de la orina es más alta de lo normal el pH de la orina será más acido. Esto también indicaría que el cuerpo está saturado y por eso tiene una acidez alta. Dentro de la medicina alternativa se mide también la saliva, pues se considera que si el cuerpo tiene las suficientes reservas de minerales, esta abundancia de minerales debe aparecer en la saliva. No consideran sin embargo, que medir la orina o la saliva sean un modo completo de medir el pH del cuerpo, sino que más bien son indicadores.
Si bien conocemos en este punto sobre el ph veamos ¿Qué son soluciones tampones? Un tampón o buffer es una o varias sustancias químicas que afectan a la concentración de los iones de hidrógeno (o hidronios) en el agua. Siendo que pH no significa otra cosa que potencial de hidrogeniones (o peso de hidrógeno), un buffer (o "amortiguador") lo que hace es regular el pH. Cuando un buffer es añadido al agua, el primer cambio que se produce es que el pH del agua se vuelve constante. De esta manera, ácidos o bases (álcalis = bases) adicionales no podrán tener efecto alguno sobre el agua, ya que esta siempre se estabilizará de inmediato.
Soluciones amortiguadoras Las soluciones amortiguadoras, también conocidas como muelles buffer o tampón, son disoluciones que por el agregado de cantidades moderadas de acidos o bases fuertes mantienen prácticamente constante el pH También se dice que una solución es amortiguadora, reguladora o tampón si la concentración de protones H+, es decir el pH de una solución no se ve afectada significativamente por la adición de pequeñas cantidades o volúmenes de ácidos y bases..
Composición Los buffers consisten en sales hidrolíticamente activas que se disuelven en el agua. Los iones de estas sales se combinan con ácidos y álcalis. Estas sales hidrolíticamente activas son los productos que resultan de la reacción entre los ácidos débiles y los álcalis fuertes como el carbonato de calcio (a partir del ácido carbónico e hidróxido de calcio) o entre ácidos fuertes y álcalis débiles como el cloruro de amonio (a partir del ácido clorhídrico e hidróxido de amonio). Un ácido buffer reacciona cuando un ácido débil o base débil se combina con su correspondiente sal hidrolítica en una solución de agua, se forma un sistema amortiguador denominado buffer. No siempre un sistema buffer es apropiado, porque los iones de algunas sales hidrolíticas pueden, por ejemplo, dañar a los organismos que entran en contacto con él. Por otra parte, cada sistema buffer tiene su propio rango efectivo de pH, algunos de los cuales no son adecuados para acuarios. Cálculo de pH de soluciones tampón Mediante el desarrollo del balance de masa y balance de carga para una solución reguladora típica se llega a una ecuación cúbica donde la incógnita es la concentración de iones hidronio u oxhidrilo. Frecuentemente se utiliza la ecuación de Henderson-Hasselbalch para el cálculo de pH en soluciones reguladoras. Sin embargo, debe aclararse que esta ecuación no es aplicable en todos los casos, ya que para su deducción deben realizarse una serie de suposiciones. Esta ecuación suele proporcionar resultados incorrectos cuando las concentraciones del ácido y su base conjugada (o de la base y su ácido conjugado) es baja. Ecuación de Henderson-Hasselbalch:
Donde pKa = -logKa [sal]=concentración de la sal
[ácido]=concentración de iones hidrógeno Cuando se trata del pH de una solución amortiguadora o tampón químico de una sal con su base correspondiente se calcula el pOH de la misma forma solo que:
El pH luego se calcula restando el pOH a 14:
SISTEMA TAMPON FISIOLÓGICO Existen tampones de gran importancia en el organismo: Inorgánicos: Tampón bicarbonato: CO2 + H2O
H2CO3
HCO3 - + H+
Tampón fosfato: H2PO4-
HPO42- + H+
Orgánicos: Tampón hemoglobina: HHbO2
HbO2- / HbH
Hb- + H+
Aminoácidos y proteínas Tampón bicarbonato Tal y como se ha comentado anteriormente, el tampón bicarbonato está compuesto por ácido carbónico (H2CO3) y bicarbonato (HCO3-) y el valor de su pKa es de 6,1. Es el tampón más importante de la sangre (pH=7,4), representa el 75% de la capacidad buffer total de la sangre. También está presente en el líquido intersticial. Es un tampón muy
eficaz porque la relación HCO3-/ H2CO3 es muy alta, lo que supone una alta capacidad para amortiguar los ácidos. Supone una ventaja el hecho que se trata de un sistema abierto ya que el CO2 puede ser eliminado en la respiración muy rápidamente, los H+ se pueden eliminar por vía renal y el HCO3- puede reemplazarse en la orina. En realidad, este tampón está compuesto por dos equilibrios, pues el ácido carbónico forma CO2, generando una molécula de H2O.
Bicarbonat0 Cuando el pH disminuye, el bicarbonato toma los protones libres. Así, el equilibrio se desplaza hacia el H2CO3, que a su vez, mediante la reacción catalizada por la anhidrasa carbónica (glóbulos rojos), cede una molécula de H2O y se convierte en CO2, el cual se elimina a través de los pulmones. Por el contrario, si el pH de la sangre aumenta, se forma HCO3- a partir de H2CO3, lo que conduce a mayor captación de CO2. Las concentraciones de HCO3- y de H+ también se pueden controlar por mecanismos fisiológicos a nivel renal. El riñón puede eliminar protones uniéndolos a amoníacos o fosfatos y mantiene la concentración de bicarbonato mediante reabsorción o regeneración del mismo. La suma de las formas sal y ácido se llama reserva alcalina. En condiciones normales, esta suma tiene el valor 25,2 mEq de CO2 por litro. Como a pH sanguíneo (pH=7,4), la proporción entre la forma sal y ácido es de 20, resulta que [HCO3-] es 24 mEq/L y [CO2] es 1,2 mEq/L. Así, es importante tener en cuenta que el cuerpo necesita más bicarbonato que no ácido carbónico porque el metabolismo produce más ácidos que bases.
Tampón fosfato El tampón fosfato está compuesto por el hidrógeno fosfato (HPO4-2) y el dihidrógeno fosfato (H2PO4-). Actúa en el plasma y el líquido intersticial. Este tampón tiene un pKa de 6,8, el cual está mucho más cerca del pH plasmático. Esto significaría que este tampón tendría que ser más útil que el anterior, pero no es así ya que se encuentra en concentraciones menores en sangre y la eliminación del fosfato es mucho más lenta, por vía renal.
Fosfato A pH fisiológico de 7,4, la relación HPO4-2/ H2PO4- es igual a 4. Así, se trata de un sistema eficaz para amortiguar ácidos. Como hemos dicho, a nivel sanguíneo, el tampón bicarbonato resulta más útil que el tampón fosfato ya que este último se encuentra en concentraciones bajas. Ahora bien, a nivel intracelular, el tampón fosfato tiene concentraciones elevadas y es más eficiente. Tampón hemoglobina La hemoglobina es una proteína globular multimérica que dispone de cuatro puntos de unión a ligandos cuyas propiedades de unión están reguladas alostéricamente. La función principal de la hemoglobina es el transporte de oxígeno por la sangre. Referente a su estructura, se trata de un heterotetrámero y consta de dos pares de cadenas polipeptídicas diferentes. Cada una de las cadenas lleva un hemo como grupo prostético, donde se unen las moléculas de O2, por lo que una hemoglobina puede unir como máximo cuatro moléculas de O2. La captación de O2 se ve afectada, entre otros factores, por los H+ y el CO2. Algunos factores favorecen el estado T, en el cual la proteína no tiene O2 unidos, y otros favorecen el estado R, en el cual la hemoglobina tiene unidas moléculas de O2. Este fenómeno se denomina efecto Bohr. Es muy positivo para
remarcar la diferencia entre las distintas afinidades para el O 2; la cual es esencial para que cumpla su función de transporte. Cuando el CO2 forma ácido carbónico y protones, los protones estabilizan el estado T, de descarga de O2. Así, en los capilares periféricos, dónde encontramos CO2, la hemoglobina cede las moléculas de O2. En los capilares de los alvéolos pulmonares se invierte este efecto. Así, cuando se unen H+ a la hemoglobina, se produce un efecto en el equilibrio del tampón bicarbonato ya que se induce a la formación de bicarbonato. Es un tampón fisiológico muy eficiente gracias al cambio de su pK cuando pasa de la forma oxidada (pK=7,16) a la reducida (pK= 7,71) y a la gran cantidad que hay en la sangre. Aminoácidos y proteínas Los aminoácidos tienen carácter anfótero, es decir, pueden ceder protones y también captarlos. Esto es así gracias a dos de los radicales comunes en todos los aminoácidos: el grupo NH2 y el grupo COOH. Estos radicales, al estar en contacto con el agua, se presentan ionizados o protonados; actuando los dos como donantes o aceptores de protones. En pH ácidos: - El NH2 capta un protón: NH3+ (el pka para este radical es 9) En pH básicos: - El COOH pierde un protón: COO- (el pKa para este radical es 2) En el punto de pKa del grupo amino existe el 50% de radicales amino protonados (NH3+) y el otro 50% de radicales amino desprotonados (NH2). En este punto, la variación de pH, si adicionamos NaOH a la solución, es mínima. Por lo tanto, en este punto la capacidad amortiguadora es máxima. En el punto de pKa para el grupo carboxil existe el 50% de radicales carboxil protonados (COOH) y el otro 50% de radicales carboxil desprotonados (COO-). En este nivel de pH el aminoácido también es buen amortiguador.
En el punto isoeléctrico de los aminoácidos sin cadena radical ácida o básica se encuentra a medio camino entre el pKa del grupo amino y el pKa del grupo carboxil. Y encontramos el aminoácido en su forma zwitterión, com ambos grupos funcionales ionizados: NH3+ y COO-. El punto isoeléctrico de los aminoácidos con cadenas protonables es diferente ya que existe un tercer pka, que corresponde al valor de pH en el cual el protón de la cadena lateral se disocia. Así, vemos como esta capacidad para captar y ceder protones convierte a las proteínas y aminoácidos en amortiguadores del pH, actuando como ácidos si están protonados, o como bases, si no lo están. Muchas proteínas tienen grupos protonables en la cadena radical variable, así cada proteína o aminoácido tiene su punto isoeléctrico y sus pKa característicos para cada grupo protonable del radical variable. Los pKa pueden verse afectados por radicales próximos y así, puede variar calidad amortiguadora de los aminoácidos según radicales de su entorno. Por ejemplo, la histidina, próxima al grupo hemo en la hemoglobina, tiene pK muy diferentes según si está unida al oxígeno o no. Cuando los aminoácidos se unen formando péptidos mediante enlaces entre el grupo COOH de un aminoácido y el grupo NH2 de otro, desaparecen sus propiedades amortiguadoras. Ahora bien, siempre existen los grupos terminales y también los grupos ionizables de las cadenas laterales de los aminoácidos: ácido aspártico y glutámico, arginina, lisina, histidina, etc. Así, para determinar su capacidad amortiguadora, solamente observaremos los pK de los terminales y de los laterales ionizables.
TRANSTORNOS ÁCIDO BASE: ACIDOSIS Y ALCALOSIS. Los trastornos del equilibrio ácido base son aquellos que afectan el balance ácido-base normal y que causa como consecuencia una desviación del pH sanguíneo. Existen varios niveles de severidad, algunos de los cuales puede resultar en la muerte del sujeto.
En una ACIDOSIS, el pH siempre baja, (se vuelve acido, de allí el nombre). Ahora como existen 2 tipos: Acidosis Metabólica y Respiratoria. La acidosis metabólica se debe a un descenso en la concentración de HCO3- o en un aumento de la concentración de H+, un ejemplo: en una insuficiencia renal, por ingerir sustancias que aumenten los metabolitos ácidos, diarreas. La acidosis respiratoria se debe a un aumento en la pCO2, es decir que se elimina menos CO2 x los pulmones, y esto puede deberse, un ejemplo a una obstrucción de las vías aéreas, o algún trastorno mecánico de la ventilación, etc.
En una alcalosis, el pH siempre aumenta (al volverse mas básico, lógicamente) en esta también están los 2 tipos: Alcalosis Metabólica y Respiratoria. La Alcalosis metabólica se debe a un aumento en la concentración de HCO3- o una disminución de la concentración de H+ (que provocaría un aumento "relativo" del HCO3-). Estos casos pueden deberse a vómitos, diuréticos, hipopotasemia e hiponatremia. La respiratoria en cambio, es debido a una disminución de la pCO2, aumenta la velocidad de la ventilación, se pierde más CO2. Y puede deberse a ansiedad, histeria.
Ya analizadas estas 2 alteraciones de las sustancias tampón te invito a profundizar en un poco más sobre otros tipos de alteraciones. Para concluir, podemos afirmar que el medio ambiente iónico es de suma relevancia en el ámbito holístico del ser humano, en donde no solo apreciamos como el organismos a través de sus diferentes mecanismos actúa para solventar algunas alteraciones sino también vemos, la grandeza con que dios nos hizo a los seres humanos.
Referencias bibliográficas… Harvey Champe P. Bioquimica. 3era Edición. Mcgraw Hill. México 2005. Murria R.K Bioquimica de Harper 16° edición. Editorial Manual Moderno. México. D.F. http://www.intramed.net/sitios/librovirtual1/pdf/librovirtual1_27.pdf