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Quimica analítica - Apuntes sobre amortiguadores fisiológicos...

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AMORTIGUADORES FISIOLÓGICOS PHYSIOLOGICAL BUFFERS Pacheco Saavedra Patricia Fernanda 1 1,∗

Universidad P ol it écni ca S al esi an a.

Resumen Los procesos fisiológicos que tienen lugar en nuestro cuerpo, como el buen funcionamiento de las enzimas y el metabolismo celular, están influidos por el pH de nuestro entorno interno. La capacidad de regular el ambiente ácido o alcalino mediante sustancias denominadas amortiguadoras es una característica bien definida del cuerpo humano, que establece un equilibrio entre elementos ácidos y alcalinos. De este modo, la homeostasis del organismo consigue mantener las funciones vitales a pesar de un cambio en el pH del entorno. El más importante de ellos es el sistema del bicarbonato, al que también se asocian en menor medida el sistema del fosfato y la hemoglobina. Como los sistemas de regulación pulmonar y renal se basan en la concentración de H+, la regulación sanguínea, intersticial y proteica se entrelazan así de forma compleja Control eficaz y reposición del pH sanguíneo cuando se produce un cambio Estabilidad comprometida. La necesidad del conocimiento permite al estudiante tratar adecuadamente su importancia y necesidad. El objetivo de este artículo es comprender los conceptos básicos y la base química del funcionamiento de los amortiguadores fisiológicos. Palabras

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claves:

amortiguadores

fisiológicos,

pH,

regulación,

bicarbonato,

fosfato,

pulmonar,

renal.

Amortiguadores fisiológicos Pacheco Saavedra Patricia Fernanda

Artículo científico / Scientific paper C IENCIAS DE LAVIDA

Abstract Physiological processes that take place in our body, such as the proper functioning of enzymes and cellular metabolism, are influenced by the pH of our internal environment. The ability to regulate the acidic or alkaline environment by means of substances called buffers is a well-defined characteristic of the human body, which establishes a balance between acidic and alkaline elements. In this way, the homeostasis of the organism manages to maintain vital functions despite a change in the pH of the environment. The most important of these is the bicarbonate system, with which the phosphate system and hemoglobin are also associated to a lesser extent. As the pulmonary and renal regulatory systems are based on H+ concentration, blood, interstitial and protein regulation are thus complexly intertwined Effective control and replenishment of blood pH when a change occurs Compromised stability. The need for knowledge allows the student to adequately address its importance and necessity. The aim of this article is to understand the basic concepts and chemical basis of how physiological buffers work. Keywords: physiological buffers, pH, regulation, bicarbonate, phosphate, pulmonary, renal.

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Introducción

Cada compartimento hídrico del cuerpo está específicamente delimitado por una o más membranas diferencialmente permeables. Cada tipo de compartimento contiene clases y concentraciones características de solutos, algunos de los cuales son amortiguadores en valores fisiológicos de pH. Aunque los solutos de cada tipo de célula son diferentes, muchas células son lo suficientemente similares como para ser consideradas conjuntamente en términos de equilibrio ácido-base. Desde este punto de vista, pues, existen 3 compartimentos corporales acuosos principales; el plasma, que está contenido en el sistema circulatorio; el líquido intersticial, que es el que baña las células; y el líquido intracelular (Devlin, 1999). Todo sistema biológico tiene un sistema de amortiguación en gran medida desconocido para mantener el equilibrio ácido-base a un pH específico. Nuestras vidas dependen del funcionamiento de los sistemas de amortiguación. Un sistema tampón es una solución que resiste un cambio de pH cuando se agregan ácidos o bases (Proksch, 2018). Los líquidos orgánicos, así como las sustancias disueltas en ellos, pueden presentar cambios en el pH en función del tipo de ingesta de alimentos y de las reacciones metabólicas existentes, por lo que la ausencia de esta regulación puede dar lugar a reacciones no deseadas en el organismo. De este modo, la reacción inmediata de las sustancias tampón (fosfato, bicarbonato y hemoglobina) ante las fluctuaciones del pH constituye la primera barrera de defensa que estabiliza estos cambios. Los tampones están formados por un ácido débil y su base conjugada o por una base débil con su ácido conjugado, de modo que, en caso de exceso de ácido, la base reacciona en esa situación y viceversa. (Bustamante y Cordón, 2014).

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Método

Se realizó una revisión exhaustiva y descriptiva, de la bibliografía en bases de datos como PubMed, Scielo, Redalyc y libros de ciencias. En la búsqueda avanzada se utilizaron los términos physiological buffers, buffers, acid-base, Henderson-Hasselbalch incluidos en el título, resumen o palabras clave; la búsqueda se limitó a artículos publicados en años recientes. Se consultaron libros relacionados con el tema. La

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selección de artículos se hizo de acuerdo con el título y resumen.

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Generalidades

3.1 Teoría Lewis (1938) Propuso que no todas las reacciones ácido-base implican la transferencia de protones, sino que siempre forman 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 con pares de electrones libres que pueden compartirse para formar enlaces covalentes dativos (Túnez Fiñana, Galván and Fernández, 2013).

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Sistemas amortiguadores

Según (Mendoza, 2008), Un sistema amortiguador es una mezcla de dos componentes químicos, uno capaz de reaccionar con hidrogeniones cuando éstos se hallan en exceso, y el otro capaz de liberarlos cuando se hallan en concentración baja. 𝐻á𝑐𝑖𝑑𝑜 ↔ 𝐻+ + 𝐴−𝑏𝑎𝑠𝑒 El pH de la sangre en una persona sana se mantiene notablemente constante entre 7,35 y 7,45. Esto se debe a que la sangre contiene varios amortiguadores que la protegen de los cambios de pH debidos a la presencia de metabolitos ácidos o básicos. Desde el punto de vista fisiológico, un cambio en +-0,3 unidades de pH es extremo. Los metabolitos ácidos suelen producirse en mayor cantidad que los básicos, y el dióxido de carbono es lo más importante. La capacidad amortiguadora de la sangre para manejar el CO2 se estima que está distribuida entre varios sistemas amortiguadores (Christian, Sarmiento Ortega y González y Pozo, 2009). El manejo matemático del amortiguamiento de pH se halla determinado por la fórmula de HendersonHasselbach (Mendoza, 2008). 𝐴− 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾 + log ( ) 𝐻𝐴 El valor de pH en el cual el ácido se encuentra disociado en un 50% se conoce como pK. El pK representa el valor de pH en el que un sistema tampón puede alcanzar su máxima capacidad amortiguadora (Flisser, 2010). Por lo tanto, de acuerdo con la fórmula, el pH es una función de la relación de concentraciones [A –]/[HA].

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Artículo científico / Scientific paper C IENCIAS DE LAVIDA Si la relación de concentraciones es superior a 1, el pH de la solución será mayor al valor del pK puesto que el logaritmo decimal de cualquier número mayor a 1 es siempre positivo; y si dicha relación es menor a 1, el pH será menor al valor del pK, ya que el logaritmo decimal de cualquier número menor a la unidad es siempre negativo (Mendoza, 2008).

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Sistema amortiguador Bicarbonato/ Ácido carbónico

El sistema HCO3- / H 2CO3 tiene un pK de 6,1, por lo que, al pH sanguíneo de 7,40, estaría lejos de la zona de máxima capacidad buffer y sería poco útil como amortiguador químico. Sin embargo, opera con gran eficiencia para lograr que el CO 2 sea transportado y liberado en los pulmones (Montoreano, 2004). La ecuación de Henderson-Hasselbach para este sistema es: HCO3− 𝑝𝐻 = 6,1 + log ( ) H2 CO3 La formación de iones de hidrógeno en las células rojas de sangre como resultado del transporte del gas carbónico del tejido a los pulmones: + 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 → H2 CO3 ↔ HCO− 3 +𝐻

Cuando el glóbulo rojo está en el tejido del cuerpo, esta reacción va hacia la derecha. En los pulmones, la reacción va hacia la izquierda. Además, la presión parcial del CO2, es mayor en los tejidos y menor en los pulmones. La reducción de la frecuencia respiratoria permite la acumulación de CO2 y la ecuación se desplaza hacia la derecha, la concentración de iones de hidrógeno aumenta y el pH del fluido disminuye, lo que da lugar a una condición conocida como acidosis respiratoria. Cuando la frecuencia respiratoria es más rápida de lo normal, la ecuación se desplaza hacia la izquierda y se produce una alcalosis respiratoria. Esto ocurre a menudo en las aves como resultado del jadeo debido al estrés por calor. Estas alteraciones metabólicas pueden controlarse aumentando o disminuyendo la frecuencia respiratoria (Granados, 2014).

4.2

Sistema amortiguador Fosfato

Ejerce su acción fundamentalmente a nivel intracelular, ya que es aquí donde existe una mayor concentración de fosfatos y el pH es más próximo a su pK 6,8. Interviene junto a las proteínas celulares de manera importante en la amortiguación de los ácidos fijos:

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(Flisser, 2010).

𝑃𝑂4 ↔ 𝑃𝑂4 𝐻 − + 𝐻+

El sistema de fosfatos es el tampón más importante de la orina, ya que los protones excretados en la orina se encuentran principalmente en forma de la especie 𝐻2 𝑃𝑂4−1 . En la acidosis prolongada es muy importante la amortiguación del fosfato, lo que está relacionado con los huesos, porque son un buen reservorio de amortiguadores como el fosfato de calcio en forma de hidroxiapatita, que no es muy soluble, pero su solubilidad es mayor en la acidosis y parte del fosfato de calcio de los huesos pasa a la solución. Así que, durante la acidosis, los huesos de la tos pueden ayudar a mantener el equilibrio ácido-base proporcionando la especie de fosfato que acepta protones, elevando el pH al valor deseado de 7,4 (Granados, 2014). La ecuación de Henderson-Hasselbach para este sistema es: 𝐻𝑃𝑂4−2 ) 𝑝𝐻 = 6,8 + log ( 𝐻2 𝑃𝑂4−1

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Sistema amortiguador Hemoglobina

Es un tampón fisiológico muy eficaz, tanto por el cambio de pK de la forma oxidada a la reducida como por la gran abundancia de esta proteína en la sangre (15% del volumen total de sangre). de esta proteína en la sangre (15% del volumen total de la sangre). La oxihemoglobina (pK= 7,16) es un ácido más fuerte que la desoxihemoglobina (pK= 7,71). Los valores pK se eligen de forma que el valor x de la siguiente disociación sea aproximadamente 0,7. 𝐻𝑏𝐻𝑥+ + 𝑂2 → 𝐻𝑏𝑂2 + 𝑥𝐻+ 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 O 2, un proceso que está favorecido por el estado de los tejidos (Bustamante Cabrera and Cordón Patino, 2014).

4.4

Sistema amortiguador Proteína plasmática

Las proteínas intracelulares, con sus grupos ionizables con diferentes valores de pK, contribuyen de forma importante al mantenimiento del valor del pH mediante intercambio de H+ con iones unidos a

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Artículo científico / Scientific paper C IENCIAS DE LAVIDA proteínas que se desplazan al medio extracelular para mantener la neutralidad eléctrica (Flisser, 2010). La capacidad de amortiguación de las proteínas se basa en la presencia de: (a) Grupos ionizables de las cadenas laterales de los aminoácidos (AA): aspartato (Asp), glucosa (Glu), lisina (Lys), arginina (Arg), histamina (His), tirosina (Tyr), cisteína (Cys). (b) Grupos terminales COOH y NH2. El grupo imidazol de la histidina es el principal responsable del efecto amortiguador de las proteínas frente a los cambios de pH, ya que su valor pK es cercano a 7. Así, a un pH bajo, los grupos ionizables están protonados y su carga es positiva, mientras que, a un pH alto, los grupos están desprotonados y su carga se vuelve negativa. (Bustamante Cabrera and Cordón Patino, 2021).

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Alcalosis y acidosis

De acuerdo con Olvera (citado en Vega y Konigsberg, 2001), si por alguna razón los sistemas amortiguadores no funcionan de manera adecuada, se puede presentar una acidosis (pH < 7.35) o alcalosis (pH > 7.45) como consecuencias de alteraciones respiratorias o metabólicas. Ejemplo de alcalosis respiratoria pensemos en una respiración profunda y rápida en la cual se exhala demasiado CO2 (g), y como consecuencia la presión parcial del CO2 en los pulmones es más baja que en los tejidos, por lo que el CO2 se difunde de la sangre a los pulmones, lo que afecta el equilibrio CO2=H2CO3=HCO3- normal en la sangre.

De acuerdo con el principio de Le-Chatelier, al disminuir la cantidad de CO2, el organismo responderá produciendo más CO 2, lo que hace que el equilibrio se desplace hacia la izquierda (producción de H2O y CO2 y disminución de H 2CO3, H+ + HCO3-). En caso de que se tuviera una presión parcial elevada de CO2, este se difunde de los pulmones a la sangre, lo que ocasiona que el equilibrio se desplace hacia la derecha, como se observa en la reacción, lo que ocasionará acidosis respiratoria (Vega y Konigsberg, 2001).

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En la acidosis metabólica, los protones se difunden desde los tejidos al riego sangu¶³neo, desplazando el sistema CO2=H2CO3=HCO3- hacia la izquierda para restablecer el equilibrio (Vega y Konigsberg, 2001).

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Discusiones

Las reacciones químicas que tienen lugar en una solución acuosa, el pH del sistema debe mantenerse constante para evitar la intervención de otras reacciones. Los amortiguadores son capaces de mantener el contenido de ácido-base de un sistema dentro de un estrecho rango de pH, y son aquellas soluciones cuya concentración de protones apenas cambia cuando se añaden ácidos-bases fuertes, por lo que tienen muchas aplicaciones tanto en la industria como en los laboratorios. Una característica que se destaca es que el amortiguador debe contener una concentración relativamente grande, de modo que: • Las especies ácidas del amortiguador pueden reaccionar con los iones OH- añadidos. • Las especies básicas del amortiguador pueden reaccionar con la cantidad añadida de iones H+.

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Conclusiones

Con respecto al artículo elaborado se preserva que una sustancia amortiguadora ayuda a mantener constante el pH de una reacción para que se mantenga el equilibrio químico durante la misma. Por último, la lectura de este artículo nos lleva a pensar que la mayoría de los temas que se estudian en asignaturas básicas como la física o la química tienen una aplicación biológica y que su estudio puede ser muy interesante y enriquecedor.

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Artículo científico / Scientific paper C IENCIAS DE LAVIDA Christian, G., Sarmiento Ortega, S. and González y Pozo, V., 2009. Quimica analítica. 6th ed. México: McGraw-Hill Interamericana, pp.251-254. Devlin, T., 1999. Bioqumica. 3rd ed. Barcelona: Revert, pp.1036-1042. Flisser, A., 2010. Fisiología del equilibrio ácidobase.. [ebook] México: UNAM, pp.6-8. Disponible en:

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[Consultado: 13 de Mayo de 2021]. Vega, E. and Konigsberg, M., 2001. La importancia biolóogica de los sistemas amortiguadores. [ebook] México: UAM, p.4. Disponible en: [Consultado: 13 de Mayo de 2021].

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