1.- FOSFATO MONOSUSTITUIDO/FOSFATO DISUSTITUIDO (H2PO4 - /HPO4 = )

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1 1. FOSFATO MONOSUSTITUIDO/FOSFATO DISUSTITUIDO (H2PO4 /HPO4 = ) El ácido fosfórico (H 3 PO 4 ), además de formar parte de numerosos compuestos orgánicos (ácidos nucleicos, fosfolípidos, azúcares, etc.) también se encuentra en forma libre, aunque en pequeña proporción. La concentración de iones fosfato en el plasma sanguíneo es de unos 2 meq/litro. 7): El ácido fosfórico tiene tres protones disociables según las reacciones (Figura pk 1 = 2,12 pk 2 = 7,21 pk 3 = 12,67 H 3 PO 4 H + + H 2 PO 4 H + + HPO 4 = H + + PO 4 Cada forma, molecular o iónica actúa como ácida respecto a la que tiene a su derecha y como básica respecto a la que tiene a su izquierda. Se pueden establecer, por tanto, tres equilibrios de disociación, cada uno con una constante característica a 25ºC: K 1 = 5, (pk 1 = 2,12) ; K 2 = 6, (pk 2 = 7,21) y K 3 = 2, (pk 3 = 12,67). Estos valores indican que el primer H + se desprende con facilidad aún a ph ácido (a ph = 2,1 la mitad del H 3 PO 4 se ha disociado a H 2 PO 4 ), lo que quiere decir que el H 3 PO 4 es un ácido moderadamente fuerte. El pk de la segunda disociación (7,2) es el más próximo al ph del medio interno y por lo tanto, esta segunda disociación es la que tiene lugar reversiblemente en el medio interno, y de ahí su acción amortiguadora. El tercer H + se disocia en medio muy alcalino (ph = 12,7), y por tanto no tiene interés biológico. A la temperatura del organismo, y teniendo en cuenta la fuerza iónica del plasma en condiciones fisiológicas ordinarias, se acepta generalmente el valor de 6,8 para el pk a de la segunda ionización del fosfato. A partir de este valor se puede calcular la relación de de ambos fosfatos en el plasma a ph 7,4: log HPO 4 = H 2 PO 4 = 7,4 6,8 = 0,6 HPO 4 = H 2 PO 4 = 4 Como la concentración del HPO 4 = es cuatro veces superior a la de H 2 PO 4, el sistema es más eficaz para amortiguar ácidos fuertes que para amortiguar bases fuertes, lo cual supone una ventaja biológica, ya que en el organismo predomina la tendencia a las variaciones hacia el lado ácido. Tanto en condiciones normales como en condiciones fisiológicas, las proporciones relativas de las otras dos especies iónicas (H 3 PO 4 y PO 4 ) son despreciables, y no participan en la actividad amortiguadora del sistema. Buffers 5

2 La forma I (totalmente protonada) tiene dos cargas positivas. La forma II tiene una carga neta positiva, la forma III es neutra (una positiva y una negativa) y la forma IV tiene una carga negativa. El punto isoeléctrico de la arginina (forma III) será aproximadamente la semisuma de pk 2 y pk 3 (pi=10,75). La proporción de moléculas en la forma I (2 cargas positivas) es tan pequeña que puede considerarse como despreciable a la hora de calcular el pi. Las proteínas están formadas por la unión de AA mediante un enlace peptídico. Este enlace se produce entre el grupo COOH de un AA y el grupo NH 2 de otro, de forma que desaparecen sus propiedades amortiguadoras. Sin embargo, siempre existirá al menos un grupo amino y un grupo carboxilo terminal, que puedan actuar como amortiguadores. Además hay algunos AA que aportan grupos ionizables en sus cadenas laterales: ácido aspártico y glutámico, arginina, lisina, histidina, etc. La disociación de los grupos ácidos o básicos de estas cadenas laterales presentan unos valores de pk que pueden verse alterados por la influencia de otros grupos ionizables próximos (Figura 18). En la Figura 15 se recogen algunos de estos grupos y sus valores de pk. Es de destacar el pk del AA histidina, que tiene un pi de 7,6 y, por lo tanto, a ph fisiológico será el que presente mayor capacidad amortiguadora. 4. HEMOGLOBINA REDUCIDA OXIHEMOGLOBINATO La hemoglobina es una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos y es la encargada de transportar el oxígeno por la sangre desde los pulmones a los tejidos. Tiene un grupo prostético denominado hemo, que está unido a un átomo de hierro y que es el responsable del color rojo a la sangre (Figura 19). Las características de la hemoglobina (Hb) como amortiguador están íntimamente vinculadas a la capacidad de disociación del grupo imidazólico de un aminoácido histidina que se encuentra unido al hierro. El pk de este grupo funcional, que es aproximadamente 7, tiene la especial propiedad de modificarse en función de que la molécula de Hb esté oxigenada (HbO 2 ) o reducida (Hb) (Figura 20). La oxihemoglohina (HbO 2 ) es un ácido más fuerte que la Hb reducida (Su pk es menor). En efecto: Buffers 10

3 disociación, resulta que a ph fisiológico, la concentración de la forma catiónica es prácticamente despreciable (una de cada moléculas en la forma zwitterión). El segundo grupo en disociarse es el NH 3 +. Como el pk 2 es 9,86, la concentración de la forma aniónica es muy pequeña en comparación con la forma zwitterión (1 molécula en forma aniónica por cada 300 en forma zwitteriónica). El AA se comporta a ph fisiológico como un ácido débil que está disociado al 0,35% (Figura 14). Existe un ph para el cual la carga eléctrica media de la molécula es cero. Este ph se llama punto isoeléctrico (pi). El pi es el ph en el que la molécula se disocia por igual en ambos sentidos, y como equidista de los dos valores de pk, puede obtenerse por su semisuma: pi = pk 1 + pk 2 2 Así, para la glicina (pk 1 = 2,34 y pk 2 = 9,6, el pi vale 5,97 (Figura 15). Así, a ph = 5,97 la immensa mayoría de las moléculas de glicina estarían en forma de iones híbridos (zwitterión) y no se desplazarían hacia ningún polo al aplicarles un campo eléctrico. Cuando el AA contiene otros grupos ácidos o básicos, el poder amortiguador gana posibilidades. Así, el ácido glutámico tiene tres grupos disociables, cuyos pk son: pk 1 = 2,19; pk 2 = 4,25 y pk 3 = 9,67 (Figura 16): La forma I (totalmente protonada) tiene una carga neta positiva. La forma II tiene carga neutra (una positiva y una negativa), la forma III tiene una carga negativa y la forma IV tiene dos cargas negativas. El punto isoeléctrico del ácido glutámico (forma II) será aproximadamente la semisuma de pk 1 y pk 2 (pi = 3,22). La proporción de moléculas en la forma IV (2 cargas negativas) es tan pequeña que puede considerarse como despreciable a la hora de calcular el pi. En el caso del AA arginina existen dos grupos básicos y uno ácido. La disociación de la arginina se esquematiza del siguiente modo, donde pk 1 = 1,8; pk 2 = 9,2 y pk 3 = 12,5 (Figura 17): Buffers 9

4 Este exceso de CO 2 se puede compensar fácilmente mediante un aumento de la frecuencia respiratoria. Cuando esto no es posible, la compensación se produce en los riñones, estimulando la secreción de H + y la reabsorción de HCO 3 (Figura 12). La alcalosis consiste en un aumento de la [OH ] en la sangre (Figura 13). Puede deberse a causas metabólicas (pérdida de ácidos por vómitos o ingestión de bicarbonato o antiácidos para facilitar la digestión) o respiratorias (hiperventilación provocada por la hipoxia en alta montaña, estados de estrés o de ansiedad). Al aumentar la [OH ], el equilibrio se desplaza hacia la derecha porque los OH se combinan con los H + para formar agua. Al disminuir la [H + ] aumenta la disociación del H 2 CO 3. Al disminuir la [H 2 CO 3 ] el CO 2 disuelto en el plasma se combina con el agua para formar H 2 CO 3. La disminución del CO 2 disuelto en la sangre provoca que el CO 2 en estado gaseoso en los pulmones se disuelva en el plasma para restablecer el equilibrio, lo que hace disminuir la presión parcial del CO 2 gaseoso en los pulmones. La nueva presión parcial del CO 2 en los alvéolos pulmonares se puede calcular mediante la Ley de Henry. Esta disminución de la presión parcial del CO 2 en los pulmones se puede compensar fácilmente mediante una disminución de la frecuencia respiratoria. A nivel renal, la compensación consiste en una disminución en la secreción de H + y en una disminución en la reabsorción del HCO 3 plasmático (Figura 13). 3. AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS La característica más llamativa de los aminoácidos (AA) es la existencia en una misma molécula de grupos ácidos (capaces de ceder H + ) y grupos básicos (capaces de captar H + ). Por lo tanto, en medio ácido se comportan como bases, y en medio básico se comportan como ácidos. Las moléculas que presentan esta característica se dice que son anfóteros o anfolitos. Los grupos ácidos y básicos pueden neutralizarse mutuamente, constituyendo una sal interna formada por un ión híbrido (carga positiva y carga negativa), que se llama zwitterion (Figura 14). Si consideramos un AA sencillo (que sólo tiene dos grupos ionizables), éste puede adoptar tres formas iónicas diferentes: El primer grupo que se disocia es el carboxilo (pk 1 = 2,22). Debido a la proximidad del grupo NH 3 +, el COOH se comporta como un ácido moderadamente fuerte. Si aplicamos la ecuación de HendersonHasselbalch al primer equilibrio de Buffers 8

5 proporción entre la forma sal y la forma ácido es de 20, resulta que la [HCO 3 ] es de 25,6 meq/l y la [CO 2 ] es de 1,28 meq/l, lo que se corresponde con una presión parcial de CO 2 en los alvéolos pulmonares de 41 mm Hg (Figura 9). ALTERACIONES DEL EQUILIBRIO En condiciones normales, cada uno de los componentes de este sistema amortiguador está presente en la siguiente proporción: CO 2 (g) CO 2 (d) + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 + H + 41 mm Hg 1,28 meq/l despreciable 25,6mEq/l El ph normal de la sangre se sitúa entre 7,35 y 7,45, lo que corresponde a una [H + ] en torno a 40 nm. Como el pk del tampón bicarbonato es 6,1, bastante alejado del ph normal de la sangre, su eficacia amortiguadora es muy reducida. Sin embargo, su importancia fisiológica es enorme ya que: el sistema respiratorio permite controlar la presión parcial de CO 2 en los pulmones y compensar en cuestión de minutos los cambios de ph (Figura 10). Si forzamos la respiración, desciende la presión parcial de CO 2 en los pulmones y, con ella, la cantidad de CO 2 disuelto en sangre. El cociente HCO 3 /CO 2 aumenta, al igual que el ph (alcalosis respiratoria). Si retenemos la respiración, aumenta la presión parcial de CO 2 en los pulmones, y con ella la cantidad de CO 2 disuelto en sangre. El cociente HCO 3 /CO 2 disminuye, al igual que el ph (acidosis respiratoria). los riñones permiten ajustar la [HCO 3 ] en el plasma excretándolo cuando está en exceso y reabsorbiéndolo si es necesario. También pueden excretar un exceso de H +. Estas funciones compensatorias son lentas (entre 12 y 72 horas), por lo que no son capaces de reaccionar ante cambios bruscos (Figura 11). La acidosis consiste en un aumento de la [H + ] en la sangre (Figura 12). Puede deberse a causas metabólicas (práctica de deporte, ayunos prolongados, ingestión de ácidos) o respiratorias (apneas o enfermedades que provocan una reducción del ritmo respiratorio). Al aumentar la [H + ], el equilibrio se desplaza hacia la izquierda (se combinan con el HCO 3 ), aumentando la [H 2 CO 3 ] y, consecuentemente, la [CO 2 ] disuelto en el plasma. Un aumento en el CO 2 disuelto en el plasma se traduce en un aumento de la presión parcial del CO 2 gaseoso en los pulmones. Se puede calcular la nueva presión parcial del CO 2 en los pulmones mediante la Ley de Henry: P 1 P 2 = CO 21 CO 22 Buffers 7

6 2. ÁCIDO CARBÓNICO BICARBONATO En este sistema amortiguador tienen lugar 3 equilibrios reversibles entre el CO 2 gaseoso de los pulmones y el bicarbonato (HCO 3 ) disuelto en la sangre (Figura 8): CO 2 (g) CO 2 (d) + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 + H + En los animales con pulmones, el sistema amortiguador ácido carbónico/bicarbonato es especialmente efectivo. Por un lado, el H 2 CO 3 del plasma sanguíneo está en equilibrio con el CO 2 gaseoso presente en el espacio aéreo de los pulmones, lo que supone una reserva prácticamente ilimitada de CO 2 que puede participar en el equilibrio. Por otro lado, los cambios en la [HCO 3 ] también se puede regular a nivel de los riñones, que pueden eliminar el bicarbonato por la orina o reabsorberlo, según las necesidades (Figura 8). En este sistema amortiguador, la forma ácido es la suma de la [CO 2 ] disuelto en el plasma y de la [H 2 CO 3 ], y la forma sal es la [HCO 3 ]. El equilibrio se desarrolla según la siguiente reacción: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 + H + El H 2 CO 3 es un ácido moderadamente fuerte, con un pk aproximado de 3,1. Sin embargo, como sólo una milésima parte del CO 2 disuelto en agua se transforma en ácido carbónico, y como la [CO 2 ] participa en el equilibrio de disociación, resulta un pk de 6,1 (una constante de equilibrio mil veces menor). Por lo tanto, el pk de este sistema amortiguador, tomando en consideración la totalidad de las formas ácido, es de 6,1. La ecuación de HendersonHasselblach que se aplica en este sistema amortiguador es: ph = 6,1 + log HCO 3 CO 2 +H 2 CO 3 A un ph fisiológico de 7,4: HCO 3 HCO 3 = 20 CO 2 +H 2 CO 3 CO 2 La [H 2 CO 3 ] puede considerarse como despreciable frente a la [CO 2 ]. Por lo tanto, serán los cambios en la proporción HCO 3 /CO 2 los que darán lugar a una variación del ph. En condiciones normales, el plasma tiene una reserva alcalina (la suma de las formas sal y ácido) de 26,88 miliequivalentes (meq) de CO 2 por litro. Como a ph 7,4 la Buffers 6

7 HbH Hb + H + (pk = 7,9) HbO 2 H HbO 2 + H + (pk = 6,7) Esta propiedad le confiere una eficacia amortiguadora excepcional, que se ve favorecida por el hecho de que la Hb es una proteína muy abundante en la sangre (el 15% del total de proteína). Si consideramos que en el eritrocito el ph interno es 7,3 y aplicamos la ecuación de HendersonHasselbalch, se puede calcular fácilmente que para la HbO 2, el 80% de las moléculas están en forma disociada y el 20% está en la forma ácida no disociada. En cambio, el 80% de la Hb reducida se encuentra sin disociar, y el 20% está disociada (Figura 21). Esta especial propiedad hace de la Hb un amortiguador extraordinariamente eficaz, puesto que al modificar su pk (liberando O 2 ) puede amortiguar grandes cambios en la proporción sal/ácido sin que apenas se produzcan cambios en el ph (Figura 22). Supongamos que un eritrocito tiene 100 moléculas de HbO 2 H a ph 7,3 (Figura 22). Como acabamos de ver, habrá 80 moléculas de HbO 2 y 20 moléculas de HbO 2 H. Si introducimos 60 moléculas de HCl, los H + son captados por la forma salina (HbO 2 para originar la forma ácida (HbO 2 H). Esto origina un cambio en la proporción sal/ácido de 80/20 a 20/80, lo que se vería reflejado como un cambio en el ph de 7,3 a 6,1. Sin embargo, bastará que la HbO 2 H elimine 100 moléculas de O 2 para convertirse en HbH para que la proporción 20/80 sea compatible con un ph 7,3. En resumen, mediante la liberación de su O 2, la Hb ha sido capaz de captar un 60% de H + sin sufrir ningún cambio en el ph. Buffers 11