Amortiguadores Biológicos de pH
Los procesos bioquímicos que se llevan a cabo dentro de la célula (y por consiguiente, en los seres vivos) son muy dependientes de tres factores: La temperatura, el pH y la Fuerza Iónica. De tal manera que un pequeño cambio en los valores de estos parámetros genera cambios significativos en la velocidad a la que se llevan a cabo los procesos biológicos. Las enzimas que catalizan las reacciones químicas dentro de la célula son particularmente sensibles a estos factores; aquí revisaremos la importancia que tiene mantener regulado el valor del pH.
Las células mantienen un citoplasma con valores específicos de pH para que sus componentes trabajen en estado óptimo. En los organismos pluricelulares, el medio intersticial también se mantiene estable. Para mantener estos valores de pH estables a pesar de las variaciones en la concentración de iones H+ o OH- la célula usa mezclas de ácidos débiles y de sus respectivas bases conjugadas, lo que se conoce como amortiguador biológico de pH, también suelen ser llamados buffers o tampones. Los amortiguadores de pH son sistemas que pueden resistir los cambios de pH cuando se agregan cantidades pequeñas de ácidos o bases. En los seres vivos los amortiguadores de pH más importantes están constituidos por carbonatos, fosfatos y por las cadenas laterales de algunos aminoácidos presentes en las proteínas.
Un sistema amortiguador de pH está constituido por un ácido débil que funciona como donador de protones cuando se presenta un exceso de iones OH- que es necesario neutralizar, es decir, cuando a la solución se añade una sustancia alcalina; y por una base conjugada que funciona como aceptor de protones cuando lo que se presenta es un exceso de iones H+ que deben ser neutralizados, es decir, cuando se añade una solución ácida. De esta manera, la capacidad para aceptar o donar protones de un amortiguador permite mantener constante la concentración de iones H+ en una solución y por lo tanto el valor de pH.
El comportamiento de un amortiguador se puede representar de la siguiente manera:
En donde HAc representa un ácido débil que puede disociar a su protón (H), H+ representa a ese protón disociado que adquiere una carga positiva en el medio y Ac- representa la base conjugada que se ha formado al disociarse el protón del ácido (lo que queda del ácido débil).
Revisemos un ejemplo concreto, el del par amortiguador de ácido carbónico/Bicarbonato. El ácido carbónico (H2CO3) es un ácido débil que puede disociar un protón y convertirse en el ión bicarbonato (HCO3-) como se expresa a continuación:
De esta manera, si se agrega una cantidad pequeña de iones OH-, el protón disociado del ácido débil se combinará con ión hidróxido y se formará una molécula de agua, mientras que si se agregan H+ estos se combinarán con el bicarbonato neutralizando la concentración de protones. El valor de pK al que sucede esta disociación es de 6.35 lo cual significa que a un pH de 6.35 exactamente la mitad de las moléculas del ácido carbónico se encuentran disociadas en protones y bicarbonato.
En esta gráfica podemos observar que la capacidad amortiguadora de pH más eficiente está cerca del valor de pK. La concentración que exista de cada par amortiguador (ácido débil y base conjugada) será la que determine cuanta capacidad amortiguadora tendrá el sistema: A mayor concentración de los componentes amortiguadores mayor capacidad para absorber protones o hidróxidos. Por otro lado, los porcentajes disponibles de cada par amortiguador determinarán el valor de pH al que tendrán su capacidad amortiguadora.
Este sistema amortiguador es particularmente importante en organismos que respiran por pulmones, ya que el ácido carbónico se puede formar de manera espontánea por la solubilización del gas CO2 presente en el aire que respiran junto con el oxígeno necesario para energizar el metabolismo aerobio y otros gases que no son necesarios pero están presentes en la atmósfera. La formación de ácido carbónico se lleva a cabo de la siguiente manera:
Esta conversión se realiza en los alvéolos pulmonares en donde el CO2 entra en contacto con el plasma sanguíneo combinándose con el agua y formando ácido carbónico, que a su vez participará como amortiguador. La reacción global queda como:
La formación de ácido carbónico a partir de dióxido de carbono provee un aporte casi ilimitado del ácido debil que servirá de amortiguador de pH en sangre, garantizando de esta manera la homeostasis en sangre.
En los pulmones, la presión parcial de CO2 determinará la cantidad del dióxido de carbono que se disociará en plasma para formar el ácido carbónico, mientras que los riñones controlan la concentración del ión bicarbonato en sangre. Los porcentajes de ácido/base conjugada en la sangre es de alrededor de 5%/95% lo cual determina que el amortiguamiento de pH será alrededor de 7.4 como valor fisiológico normal.
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Las células mantienen un citoplasma con valores específicos de pH para que sus componentes trabajen en estado óptimo. En los organismos pluricelulares, el medio intersticial también se mantiene estable. Para mantener estos valores de pH estables a pesar de las variaciones en la concentración de iones H+ o OH- la célula usa mezclas de ácidos débiles y de sus respectivas bases conjugadas, lo que se conoce como amortiguador biológico de pH, también suelen ser llamados buffers o tampones. Los amortiguadores de pH son sistemas que pueden resistir los cambios de pH cuando se agregan cantidades pequeñas de ácidos o bases. En los seres vivos los amortiguadores de pH más importantes están constituidos por carbonatos, fosfatos y por las cadenas laterales de algunos aminoácidos presentes en las proteínas.
Un sistema amortiguador de pH está constituido por un ácido débil que funciona como donador de protones cuando se presenta un exceso de iones OH- que es necesario neutralizar, es decir, cuando a la solución se añade una sustancia alcalina; y por una base conjugada que funciona como aceptor de protones cuando lo que se presenta es un exceso de iones H+ que deben ser neutralizados, es decir, cuando se añade una solución ácida. De esta manera, la capacidad para aceptar o donar protones de un amortiguador permite mantener constante la concentración de iones H+ en una solución y por lo tanto el valor de pH.
El comportamiento de un amortiguador se puede representar de la siguiente manera:
HAc <---> H+ + Ac-
En donde HAc representa un ácido débil que puede disociar a su protón (H), H+ representa a ese protón disociado que adquiere una carga positiva en el medio y Ac- representa la base conjugada que se ha formado al disociarse el protón del ácido (lo que queda del ácido débil).
Revisemos un ejemplo concreto, el del par amortiguador de ácido carbónico/Bicarbonato. El ácido carbónico (H2CO3) es un ácido débil que puede disociar un protón y convertirse en el ión bicarbonato (HCO3-) como se expresa a continuación:
H2CO3 <---> H+ + HCO3-
De esta manera, si se agrega una cantidad pequeña de iones OH-, el protón disociado del ácido débil se combinará con ión hidróxido y se formará una molécula de agua, mientras que si se agregan H+ estos se combinarán con el bicarbonato neutralizando la concentración de protones. El valor de pK al que sucede esta disociación es de 6.35 lo cual significa que a un pH de 6.35 exactamente la mitad de las moléculas del ácido carbónico se encuentran disociadas en protones y bicarbonato.
En esta gráfica podemos observar que la capacidad amortiguadora de pH más eficiente está cerca del valor de pK. La concentración que exista de cada par amortiguador (ácido débil y base conjugada) será la que determine cuanta capacidad amortiguadora tendrá el sistema: A mayor concentración de los componentes amortiguadores mayor capacidad para absorber protones o hidróxidos. Por otro lado, los porcentajes disponibles de cada par amortiguador determinarán el valor de pH al que tendrán su capacidad amortiguadora.
Este sistema amortiguador es particularmente importante en organismos que respiran por pulmones, ya que el ácido carbónico se puede formar de manera espontánea por la solubilización del gas CO2 presente en el aire que respiran junto con el oxígeno necesario para energizar el metabolismo aerobio y otros gases que no son necesarios pero están presentes en la atmósfera. La formación de ácido carbónico se lleva a cabo de la siguiente manera:
H2O + CO2 <---> H2CO3
Esta conversión se realiza en los alvéolos pulmonares en donde el CO2 entra en contacto con el plasma sanguíneo combinándose con el agua y formando ácido carbónico, que a su vez participará como amortiguador. La reacción global queda como:
H2O + CO2 <---> H2CO3 <---> H+ + HCO3-
La formación de ácido carbónico a partir de dióxido de carbono provee un aporte casi ilimitado del ácido debil que servirá de amortiguador de pH en sangre, garantizando de esta manera la homeostasis en sangre.
En los pulmones, la presión parcial de CO2 determinará la cantidad del dióxido de carbono que se disociará en plasma para formar el ácido carbónico, mientras que los riñones controlan la concentración del ión bicarbonato en sangre. Los porcentajes de ácido/base conjugada en la sangre es de alrededor de 5%/95% lo cual determina que el amortiguamiento de pH será alrededor de 7.4 como valor fisiológico normal.
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