AGUA, pH y

AMORTIGUADORES

EL AGUA IMPORTANCIA BIOMÉDICA

• El agua es participante activo en numerosas reacciones bioquímicas y determina las propiedades de macromoléculas como de las proteínas.

• El pH denota las concentración de H+ en célula y líquidos corporales.

• Las biomoléculas se disocian a valores específicos de pH y sus propiedades biológicas y físicas dependen de ello.

• Principio biológico indica que la constancia del medio interno del cuerpo debe conservarse dentro de los límites estrechos para conservar la salud.

• Se aplica a :– Agua corporal– Concentración de electrolitos (Na+, K+, Ca+

+, Mg++).– fosfato

• 2/3 partes agua es líquido intracelular• 1/3 partes agua líquido extracelular, 25%

plasma.

• Regulación de equilibrio hídrico depende de mecanismos hipotalámicos.– Sed– Hormona antidiurética (ADH)– Actividad renal

• Depleción de agua– Disminución de ingestión (coma)– Incremento de pérdida (pérdida renal, cutánea,

gastrointestinal (diarrea, cólera)

• Exceso de líquido corporal– Incremento de la ingestión– Excreción escasa (insuficiencia renal grave)

• El pH extracelular oscila entre 7,35 y 7,45.• Sistema amortiguador del bicarbonato

(HCO3-/H2CO3).

• Acidosis (pH < 7,35).– Cetoacidosis diabética, acidosis láctica.

• Alcalosis (pH > 7,45)– Vómito de contenido gástrico,diuréticos

• Alteración de equilibrio ácido-base– pH en sangre arterial

– Presión de CO2

– Concentración de CO2

MOLÉCULA DEL AGUA

El agua es POLAR, posee estructura tetraédrica asimétrica que le da una distribución asimétrica a la

carga formándose un dipolo.

PUENTES DE HIDRÓGENO

Interacción entre el núcleo de H de una molécula de agua y el par de electrones no compartidos de otra.

EL pHpH= - log [ H+ ]

• Introducido en 1909 por Sorensen quien lo definió.• Los valores bajos corresponden a concentraciones elevadas de

H+ y valores altos de pH corresponden a concentraciones bajas de H+.

pOH- = - log [OH-]

• pH < 7 = ácido; pH > 7 = básico o alcalino

• La presencia de biomoléculas en forma iónica está determinada por el pH (concentración del ión H+).

• Sistema amortiguador controla los cambios bruscos de pH y lo mantiene a pH fisiológico.

IONIZACIÓN, ÁCIDOS Y BASES

• Ionización es la formación de iones.• El ácido es una sustancia que produce

iones H+ (Arrhenius), y que cede un protón (Brönsted).

CH3COOH + H2O H+ + CH3COO-

• Una base una sustancia que produce iones OH- (Arrhenius), y que acepta un protón (Brönsted).

NH4OH + H2O OH- + NH4+

• Un ácido y una base fuertes se ionizan completamente (100%).

• La mayoría de los ácidos o bases encontrados en la naturaleza son compuestos orgánicos y son ácidos o bases débiles.

• La representación común es:

Ácido conjugado base conjugada + H+.

IONIZACIÓN DE UNA PROTEÍNA

• En todas las proteínas, ácidos nucleicos, coenzimas, metabolitos intermediarios existen uno o más grupos funcionales ácidos o bases débiles.– Carboxilos, aminos, fosfatos.

• El grupo carboxilo (----COOH) y el grupo amino (---NH3) son dos grupos comunes de ácidos débiles que se encuentran en la naturaleza.

CONSTANTE DE DISOCIACIÓN K

CH3COOH + H2O H+ + CH3COO-

Ácido acético Agua H Acetato

(HAc) (Ac)

ECUACIÓN DE HENDERSON-HASSELBALCH

AMORTIGUADORES

• Es la tendencia a resistir en forma más eficaz a un cambio de pH después de adición de un ácido o una base fuerte que un volumen de agua.

• Las soluciones de ácidos débiles y sus sales amortiguan el pH cuando se agregan o eliminan protones.

• A valores de pH próximos al pK la solución ejerce un mejor efecto amortiguador.

• Las soluciones de ácidos débiles y sus bases conjugadas amortiguan mejor en valores de pH que oscilan alrededor de pK ± 2,0 unidades de pH.

• Cuando la relación de las concentraciones del ácido y su sal es de 1, el pH es igual al pKa.

• En células vivas, los fosfatos, bicarbonatos y proteínas constituyen los amortiguadores principales.

AMORTIGUADORES SANGUÍNEOS

• pH en sangre venosa de 7,36 a 7,40.• pH en sangre arterial de 7,38 a 7,42.• 3 pares conjugados en este proceso:– H2CO3 y HCO3

-

– Especies ácida y básica de hemoglobina oxigenada

– Especies ácida y básica de hemoglobina no oxigenada.

LA HEMOGLOBINA

• Proteína que contiene Fe presente en glóbulos rojos (eritrocitos).

• Más abundante en la sangre, 14 a 16 g/ 100 mL de sangre total.

• Principal función transportar oxígeno de los pulmones a los tejidos respiratorios.

• En pulmones, el O2 entra al eritrocito y se une a los átomos de fe de la hemoglobina.

• Se unen un máximo de 4 O2 a la hemoglobina.

• La hemoglobina oxigenada (HbO2) se transporta en la sangre arterial a los tejidos, el O2 se disocia y entra a la célula.

• La hemoglobina no oxigenada (Hb) regresa a los pulmones en la sangre venosa para iniciar el ciclo.

MANTENIMIENTO DE pH SANGUÍNEO

• El efecto Bohr señala que la eficiencia de la unión del O2 se reduce por una baja del pH.

HbO2 Hb + O2

El H+ disminuye la afinidad por O2 favoreciendo la disociación

• Cuando el CO2 entra al eritrocito es convertido en H2CO3 (anhidrasa carbónica) y se ioniza un 90% aumentando la acidez de la sangre.

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

anhidrasa disociación

carbónica al pH sanguíneo

• La HHbO2 tiene pKa de 6,62

HHbO2 HbO2- + H+ pH 7,4

predomina

• La HHb tiene un pKa de 8,18.

HHb Hb- + H+ pH 7,4

predomina • La unión del oxígeno ha cambiado una propiedad

de la hemoglobina.

• La HHbO2 es un ácido más fuerte que la HHb.

• Al pH sanguíneo las concentraciones de equilibrio son diferentes .

REACCIONES EN EL CONTROL DEL pH SANGUÍNEO

H2CO3 HCO3- + H+

plasma de la sangre venosa

H+ + HbO2- HHbO2

básica ácida

HHbO2 HHb + O2

efecto Borh tejidos

Eventos en el eritrocito cuando la sangre arterial es entregada al tejido que está respirando

CO2 CO2 + H2O H2CO3

Cl- Cl-

H2CO3 HCO3- + H+ HCO3

-

H+ + HbO2- HHbO2 HHb + O2 O2

PL

AS

MA

PL

AS

MA

TE

JID

O

RE

SP

IRA

TO

RIO

TE

JID

O

RE

SP

IRA

TO

RIO

Eventos en el eritrocito cuando la sangre venosa es entregada a los pulmones

O2 O2 + HHb HHbO2

HCO3- HCO3

- + HHbO2 HbO2- + H2CO3

Cl- Cl-

H2CO3 H2O + CO2 CO2

PL

AS

MA

PL

AS

MA

PU

LM

ON

ES

PU

LM

ON

ES

REQUISITOS DE LOS AMORTIGUADORES

• Sistemas amortiguadores naturales de los fluidos celulares.– H2PO4-/HPO4-2, proteínas disueltas, ácidos

orgánicos débiles.

• El valor de pKa sea lo más cercano al pH deseado del amortiguador.

• Amortiguador fisiológico debe aproximarse a 7 o en orden entre 6-8.

• Sea estable, no tóxico y soluble en agua.• Zwitterión indica presencia de una carga

positiva y negativa dentro de la misma especie molecular (iones dipolares).

PREPARACIÓN DE SOLUCIONES AMORTIGUADORAS

Dos formas para preparar amortiguadores:• Ambos componentes del par ácido-base

conjugado se pesan separadamente para dar la proporción deseada y se disuelven en agua.

• Ambos componentes se obtienen a partir de la cantidad prescrita de sólo un componente, con el segundo que se irá formando mediante la adición de cantidades específicas de ácido o base fuertes.

• Elementos para preparar los amortiguadores:– Sistema conjugado ácido-base implicado.– pKa del sistema.– Ecuación de Henderson-Hasselbalch

Constantes de disociación como ácido a 25°C.

Ácido Fórmula k1 k2 k3

Acético CH3COOH 1,75 x 10-5    

Fórmico HCOOH 1,80 x 10-4    

Fosfórico H3PO47,11 x 10-3 6,32 x 10-8 4,5 x 10-13

Láctico CH3CHOHCOOH 1,38 x 10-4    

Pirúvico CH3COCOOH 3,20 x 10-3    

Amonio NH4+ 5,70 x 10-10    

Fuente: Skoog y otros, 1995.