Las disoluciones amortiguadoras: bicarbonato, fosfato y hemoglobinaDisoluzio indargetzaileak: bikarbonatoa, fosfatoa eta hemoglobina

En las disoluciones amortiguadoras se combinan un ácido débil y su base conjugada, donde el valor del pH depende de AH/A- y de la constante de equilibrio K. Las disoluciones se relacionan con el pH utilizando la ecuación de Henderson-Hasselbalch: pH = pK + log [A−]/[HA] Por tanto, cuando las especies químicas A- y AH están en la misma concentración, el pH y el pK son iguales.

La constante de equilibrio dependerá de la tendencia que tengan los ácidos a liberar iones H+.

Los ácidos fuertes tienen un valor de K alto, por la capacidad que tienen de disociarse.

Los ácidos débiles tienen un valor de K bajo, porque casi no tienen capacidad de disociarse.

La esencia de los sistemas amortiguadores es sustituir los ácidos y las bases fuertes por débiles.

Los más importantes son el del bicarbonato y el del fosfato.

En el organismo humano, el equilibrio ácido-base necesita la actuación conjunta de tres sistemas: el hígado, los pulmones y el riñón. El hígado metaboliza las proteínas produciendo H+, los pulmones liberan CO2 y el riñón produce bicarbonato (H2CO3) nuevo.

El catabolismo de las proteínas y de los fosfolípidos conlleva, cada día, una producción de 40-60 mM de ácido.

El catabolismo de los aminoácidos que tienen azufre (metionina y cisteína) provoca la producción de ácido sulfúrico. El catabolismo de los fosfolípidos conlleva la aparición de ácido fosfórico.

Aun así, la mayor producción de ácido viene por el lado del CO2. Aunque no sea un ácido, como por el equilibrio de la reacción siguiente conlleva la producción de ácido carbónico, se considera equivalente a un ácido. La producción diaria suele ser de 20000 mM.

En otras situaciones se producen cuerpos cetónicos (β-hidroxibutírico, ácido acetoacético y acetona) o ácido láctico. Por tanto, nuestro interior tiene tendencia a volverse más ácido. Para hacer frente a todo esto, nuestro organismo tiene sistemas amortiguadores en los líquidos internos.

H2O + CO2 ⇌ H2CO3 (ác. débil)

Un sistema está formado por dos o más sustancias químicas que ayudarán a mantener el pH de los líquidos del organismo tal como está.

En general, las sustancias químicas de un sistema amortiguador están formadas por ácidos y bases débiles, con poca tendencia a disociarse.

Los ácidos fuertes tienen un valor de K alto, por la capacidad que tienen de disociarse. Por tanto, tendrán un pK bajo.

Los ácidos débiles tienen un valor de K bajo, porque casi no tienen capacidad de disociarse. Por tanto, tendrán un pK alto.

Ka = [H+][A-] / [AH]

EL SISTEMA AMORTIGUADOR DEL BICARBONATO (LEC)

Es el sistema amortiguador más importante del cuerpo y muchas enfermedades del organismo están ligadas a las alteraciones de este sistema.

Está formado por bicarbonato (HCO3-) y ácido carbónico (H2CO3).

HCl (ácido fuerte) + NaHCO3/bicarbonato sódico (base débil) ⇌ H2CO3 + NaCl

NaOH (base fuerte) + H2CO3 (ácido débil) ⇌ NaHCO3 + H2O

El ion bicarbonato (HCO3-) puede coger un protón, dando ácido carbónico; así puede absorber los protones de las disoluciones subiendo el pH. Si se produce la reacción contraria, se formará bicarbonato, bajando el pH.

El CO2 y el agua pueden unirse para formar ácido carbónico. La reacción contraria puede producirse utilizando la enzima anhidrasa carbónica; así la reacción ocurre muy rápido y casi no hay ácido carbónico.

El CO2 es volátil, y puede liberarse fácilmente, en la cantidad que se quiera, mediante la respiración, equilibrando la acidez/alcalinidad del cuerpo.

Gracias a este sistema, nuestro cuerpo puede responder de distintas maneras a los cambios de pH.

HCO3- + H+ ⇌ H2CO3 ⇌ H2O + CO2

pH = pK + log [HCO3-] / [0,03 × PCO2]

¡EL AGUA NO SE TIENE EN CUENTA!

EL CÁLCULO DEL pH EN LA SANGRE ARTERIAL

Teniendo en cuenta los valores normales de nuestro organismo:

pH = pK + log [HCO3-] / [0,03 × PCO2]

pH = 6.1 + log 24 / (0,03 × 40)

pH = 7.4 (7.35-7.45)

pH<7.35 → Acidosis / pH>7.45 → Alcalosis

VALORES NORMALES: pK = 6.1; [HCO3-] = 24 mM (22-26 mEq/L); [CO2] = 0.03 x PCO2; PCO2 = 40 mmHg (35-45 mmHg); Solubilidad = 0.03 (mmol/L)/mmHg

EL SISTEMA AMORTIGUADOR DEL FOSFATO (LEC)

H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4- ⇌ HPO42- + H+

pH = pK + log [HPO42-] / [H2PO4-], donde pK = 6.8.

Al menos teóricamente, es mejor que el del bicarbonato, porque se acerca más al pH fisiológico (7.4). Aun así, las concentraciones de esas dos especies químicas son bastante bajas en el espacio del líquido extracelular.

Es importante, en cambio, en el espacio interior de la célula y en los túbulos renales, porque el pH es más bajo y tiene una concentración más alta.

FOSFATOS ORGÁNICOS (LIC)

ATP-ADP-AMP, Glu-1-P y 2,3-difosfoglicerato. Gracias a ellos, el pH puede equilibrarse un poco.

pK entre 6 y 7.5

PROTEÍNAS (LIC)

Las proteínas son parte del sistema amortiguador de la sangre, porque muchos aminoácidos tienen -COOH/-COO- o -NH3/NH2. Aun así, la más importante es la hemoglobina.

La hemoglobina es un sistema amortiguador intracelular, el CO2 entra por difusión en el hematíe. El dióxido de carbono se forma mediante el ácido carbónico, pero del mismo modo, el dióxido de carbono se disocia en ácido carbónico y este en H+ y bicarbonato, que tiene carga eléctrica.

Como las células tienen que mantener igual la carga interior y la exterior, el bicarbonato sale hacia fuera intercambiándose con Cl-. Es decir, cumplen el principio de electroneutralidad, que haya las mismas cargas positivas y negativas dentro y fuera de la célula. Si el nivel de cloro sube, el bicarbonato baja y al revés.

La hemoglobina se encuentra de forma muy concentrada en los eritrocitos, llevando oxígeno a los lugares donde se está produciendo dióxido de carbono. La sangre arterial tiene mucho O2 y recibe poco CO2 de los tejidos, pero al llegar a los capilares y a las venas ocurre lo contrario.

La característica amortiguadora de la hemoglobina es la capacidad de disociarse del aminoácido histidina, el aminoácido que está unido al hierro del grupo hemo.

Su pK será variable según esté oxigenada (HbO2) o no (Hb). La oxihemoglobina es un ácido más fuerte, porque tiene un pK más bajo. La hemoglobina será capaz, por tanto, de cambiar su pK, liberando o cogiendo oxígeno.

Sistema amortiguador que se adapta al sistema sanguíneo:

Dos tipos de Hb:

Hb-

HbO2-

Según la forma, el pK cambia, así que tiene una gran capacidad de cambiar el pH:

HHbO2 ⇌ HbO2- + H+ pKa = 6.7

HHb ⇌ Hb- + H+ pKa = 7.9

La oxihemoglobina es un gran amortiguador, hay una gran concentración en la sangre arterial, donde la concentración de dióxido de carbono no es tan grande.

Pero la desoxihemoglobina es más potente, porque tiene una concentración mayor en la sangre venosa, donde la concentración de dióxido de carbono es grande.

•HbO2- + H+ ⇌ HHb + O2

El cambio lo producen los protones.

Ocurre en los lugares donde la hemoglobina no es capaz de dar oxígeno, en los lugares donde se produce CO2, donde la concentración de protones es alta.

A medida que la oxihemoglobina va por la circulación sanguínea:

Va liberando oxígeno, convirtiéndose en desoxihemoglobina. (pH arterial = 7.4)

Además se produce dióxido de carbono en los tejidos, entra en los eritrocitos y se forma ácido carbónico, que después da bicarbonato y protones.

El medio se acidifica, pero no mucho, gracias a la desoxihemoglobina. (pH venoso = 7.37)

LOS SISTEMAS AMORTIGUADORES DEL LÍQUIDO INTRACELULAR

Que los protones entren en la célula puede provocar problemas. Atraviesan la membrana plasmática, y para ello hay tres maneras:

En forma de dióxido de carbono. Según la cantidad que entra, puede provocar problemas respiratorios ácidos (mucho) o básicos (poco). Aun así, una vez dentro, los sistemas amortiguadores intracelulares reciben los protones sin problema.

Si hay demasiado o demasiado poco ácido de forma fija, los dos salen o entran de la célula, manteniendo la electroneutralidad.

Si hay demasiado o demasiado poco ácido, pero no hay aniones orgánicos, los protones se cambian por iones de potasio para mantener la electroneutralidad. Esto provoca problemas: en las acidosis se da hiperpotasemia y en las alcalosis hipopotasemia.

SISTEMA RESPIRATORIO

Es fundamental mantener el pH y, para ello, es necesario mantener la relación entre dióxido de carbono y bicarbonato, para que el pH sea 7.4.

En cada respiración se expulsa el CO2 de las venas, en forma ácida. Vuelve menos CO2 a los pulmones hacia la sangre arterial y menos H2CO3; por tanto, se producirán menos protones y el pH será más alto.

Mediante la respiración se mantiene la concentración de CO2. Cuando sube la respiración pulmonar, se expulsa el CO2 y la PCO2 baja, aumentando el pH extracelular.

Hay quimiorreceptores centrales y periféricos que detectan los cambios del pH, son el líquido cefalorraquídeo y la sangre. Según estos cambios, los centros respiratorios regulan la frecuencia y la profundidad del movimiento respiratorio.

SISTEMA RENAL

Estos sistemas no son tan rápidos, aparecen a las 24 horas y su desarrollo máximo se da a los 4 o 5 días. Aun así, pueden expulsar más cantidad de ácido y pueden expulsar bases, cosa que los pulmones no.

Normalmente expulsa ácidos, acidificando la orina (pH=4.8). Los túbulos distales expulsan el ácido excesivo y, del mismo modo, mantienen las bases, absorbiendo bicarbonato.

La concentración de protones del líquido extracelular se da mediante tres mecanismos:

Los protones producidos en el catabolismo de las proteínas y de los fosfolípidos se excretan de dos maneras:

Como ácido, amortiguado por el fosfato de la orina.

Como NH3/NH4+.

Esta expulsión supone la síntesis de bicarbonato nuevo; por tanto, se combinan su recuperación y su producción nueva. Así se llenan los depósitos de los sistemas amortiguadores.

La absorción del HCO3- filtrado es del 99.9 %; por tanto, este sistema amortiguador no se pierde por la orina.

La producción de HCO3- nuevos.