Bioquimica

Buffer y pH

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-

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 ogaritmo 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.

Ácidos y bases fuertes y débiles

Son ácidos o bases fuertes los que al disociarse lo hacen de forma total.

Los ácidos y bases débiles se disocian de modo parcial.

Amortiguadores, buffer o tampones

El pH de los medios biológicos es una constante fundamental para el mantenimiento de los procesos vitales. La acción enzimática y las transformaciones químicas de las células se realizan dentro de unos estrictos márgenes de pH. En humanos los valores extremos compatibles con la vida y con el mantenimiento de funciones vitales oscilan entre 6,8 y 7,8; siendo el estrecho margen de 7,35 a 7,45 el de normalidad. También en el trabajo de laboratorio, es imprescindible el mantenimiento de un pH para la realización de muchas reacciones químico-biológicas. Los sistemas encargados de evitar grandes variaciones del valor de pH son los denominados “amortiguadores, buffer, o tampones”. Son por lo general soluciones de ácidos débiles y de sus bases conjugadas o de bases débiles y sus ácidos conjugados. Los amortiguadores resisten tanto a la adición de ácidos como de bases.

Tampones fisiológicos

Son los sistemas encargados de mantener el pH de los medios biológicos dentro de los valores compatibles con la vida. Permitiendo con ello la realización de funciones bioquímicas y fisiológicas de las células, tejidos, órganos, aparatos y sistemas. Según su naturaleza química, los amortiguadores se clasifican en orgánicos e inorgánicos y, así mismo, atendiendo a su ubicación, se distribuyen en plasmáticos y tisulares.

Tampones orgánicos

Las proteínas y aminoácidos como tampón

Los aminoácidos y proteínas son electrolitos anfóteros, es decir, pueden tanto ceder protones (ácidos) como captarlos (bases) y, a un determinado pH (en su pI), tener ambos comportamientos al mismo tiempo. La carga depende del pH del medio.

En un medio muy básico se cargan negativamente, mientras que en el fuertemente ácido lo hacen positivamente. Desde el punto de vista fisiológico este tipo de amortiguador es resulta de especial interés a nivel tisular.

Tampón hemoglobina

Es un tampón fisiológico muy eficiente debido tanto al cambio de pK que experimenta al pasar de la forma oxidada a la reducida, como a la gran abundancia de esta proteína en la sangre (15 % del volumen total sanguíneo).

La oxihemoglobina (pK= 7,16) es un ácido más fuerte que la desoxihemoglobina (pK= 7,71). Los valores de pK son tales que determinan que en la disociación siguiente, el valor x sea, aproximadamente, 0,7.

Esta propiedad de la hemoglobina, de cambiar su valor de pK, demuestra el efecto tampón, permite el transporte de una determinada cantidad de CO2 liberada en los tejidos. La hemoglobina oxigenada que llega a los tejidos se disocia liberando O2, un proceso que está favorecido por el estado de los tejidos (baja pO2, menor pH y alta pCO2).

Tampones inorgánicos

Tampón carbónico/bicarbonato

Está constituido por H2CO3 y HCO3-. Aunque su valor de pK (6,1) está algo alejado del pH fisiológico de la sangre (7,4), es un sistema muy eficaz debido a que: 1) La relación HCO3-/ H2CO3 es muy alta (20/1), lo que le proporciona una alta capacidad tampón frente a los ácidos; 2) es un sistema abierto, con lo que el exceso de CO2 puede ser eliminado por ventilación pulmonar de manera rápida; y 3) además, el HCO3- puede ser eliminado por los riñones mediante un sistema de intercambio con solutos.

Respecto al origen y formación de este sistema carbónico/bicarbonato, resaltaremos lo siguiente:

En el plasma el CO2, procedente del metabolismo celular, se encuentra como:

-CO2 disuelto, que según la ley de Henry es directamente proporcional a la presión parcial del gas (PCO2)

-HCO3-, que es la fracción más importante, y

-Formando compuestos carbamínicos con los grupos NH2 de la hemoglobina.

Alrededor del 10% es transportado en el eritrocito en forma de carbaminohemoglobina

El CO2 disuelto es hidratado a H2CO3 en una reacción reversible y muy eficiente

catalizada por la anhidrasa carbónica.

Tampón fosfato

A pH fisiológico, las especies

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