ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLA, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE ECAPMA Nombre l Curso: 334001-Sistema Metabólico Nutricional Tema: Soluciones Buffer-Amortiguadoras JAIRO ENRIQUE GRANADOS MORENO.,MSc (Director Nacional) 2014 1
Soluciones Buffer ó Amortiguadoras También se les nomina soluciones "Buffer" ó lampón y son aquellas que se oponen a los cambios ph, cuando se les adicionan ácidos o álcalis (hidróxidos). su acción se basa principalmente en la absorción hidrogeniones (H + ) ó iones hidróxilo (OH - ).En forma general, una solución amortiguadora está conformada por una mezcla binaria un ácido débil y una sal l mismo ácido proveniente base fuerte ó también, una base y una sal esta base proveniente un ácido fuerte. Ejemplo: Mezcla ácido acético y acetato Sodio Hidróxido amonio y cloruro amonio La aplicación más importante estas soluciones resi en el estudio la regulación l equilibrio ácido=base en los sistemas biológicos, por eso a nivel experimentos bioquímicos se utilizan para controlar el ph reacciones in vitro. Un amortiguador biológico vital importancia es el plasma sanguíneo, el cual regula valores ph entre 7,2 y 7,3; con variaciones 0,2 unidas se presentarían efectos letales para la vida.1.1 ph una Solución Amortiguadora Consirando que la solución amortiguadora es una mezcla ácido débil con una sal l mismo ácido proveniente base fuerte y amás que un ácido débil se ioniza parcialmente, pomos representar la ionización esta forma: HA <======> H + + A - Aplicando la ley acción masas y teniendo en cuenta la constante disociación se obtiene la siguiente expresión: ph =pka + Log 2 A HA
Don pka,representa el valor l potencial la constante aciz l ácido débil, A es la concentración l anión común,equivalente a la sal y HA indica la concentración l ácido débil que forma parte la solución buffer.en consecuencia,la anterior ecuación se pue reescribir así: ph = pka + Log Sal Ácido Esta expresión se conoce como ecuación Henrson -Hasselbach y sirve para calcular el ph mezclas ácidos débiles y sus sales es cir, soluciones "Buffer", Tampón ó amortiguadoras De acuerdo a esta ecuación, se pue ducir, que el ph una solución amortiguadora, pen dos factores: a) El valor l pka l ácido débil b) Las proporciones entre Las concentraciones sal y ácido 1.2 Capacidad Amortiguadora Se utiliza para comparar las eficiencias las soluciones amortiguadoras y se fine como: La cantidad en miliequivalentes(meq) ácido o base fuerte que pue neutralizar la solución amortiguadora, sufriendo un cambio ph en una unidad. Matemáticamente, se expresa como la relación cociente entre el incremento ácido o base fuerte con respecto al incremento l ph, es cir: = B / (ph) Don: = Capacidad amortiguadora la solución B = Incremento ácido o base fuerte meq /(ph) (ph) = incremento en unidas ph Lo evinte es que esta capacidad, pen dos factores: 3
a) Concentraciones absolutas l sistema b)proporción relativa las formas disociada y sin disociar, siendo máxima cuando el cociente [sal]/[ácido] es próximo a la unidad. Sistemas amortiguadores fisiológicos El equilibrio ácido-base las células está condicionado por un conjunto sistemas amortiguadores, porque estas funcionan ntro límites estrechos ph a causa su metabolismo. Los factores amortiguación más sobresalientes en los organismos vivos, por su acción rápida y eficiente en la regulación l ph son: a. Sistema Bicarbonato b. Sistema Fosfato c. Hemoglobina d. Proteínas l plasma La importancia y relevancia cada uno, pen l tipo organismo. El mentefacto mostrado en La figura 1, resume las características, propiedas y clasificación las principales soluciones amortiguadoras, presentes en los organismos animales. ÁCIDO DÉBIL + SAL ÁCIDO DÉBIL + SAL Reguladores Reguladores ph ph Absorben Absorben exceso exceso iones iones H+ H+ y y OH- OH- Controlan Controlan metabolismo metabolismo ácido ácido base base propiedas componentes excluyen Soluciones buffer (amortiguadoras) Ácidos fuertes (ácidos minerales) Regulan Regulan equilibrio equilibrio Homeostático Homeostático ejemplos Lípidos y Carbohidratos Bicarbonatos (HCO 3- ) 3- ) HPO 4 Hemoglobina HbH HbH Aminoácidos (proteínas)
De acuerdo a Miles y Butcher(1995),profesores la Universidad Florida, los amortiguadores (buffers) en los fluidos corporales sirven como una fensa contra el cambio l PH.Cada compartimiento fluido contiene tipos y características substancias disueltas, algunas que son amortiguadores a un ph fisiológico. Por eso, el ph es estabilizado por la capacidad amortiguadora los fluidos corporales. En animales existen básicamente cuatro principales amortiguadores que se localizan en los tres diferentes compartimientos fluidos (Cuadro 1). Cuadro 1. Tipos amortiguadores fisiológicos y ubicación en los fluídos biológicos FLUÍDO SISTEMA AMORTIGUADOR Sangre Bicarbonato Hemoglobina Proteínas Extracelular y cerebroespinal Bicarbonato Proteínas Intracelular Proteínas Bicarbonato Orina Fosfato Amoníaco Fuente: Miles y Butcher (1995) Como se pue observar, con excepción l amoníaco en la orina y la hemoglobina en la sangre, 5
los amortiguadores en los compartimientos son idénticos. En consecuencia, el conocer como estas soluciones disueltas tienen la capacidad amortiguar es esencial para por entenr al equilibrio ácido-base. Sistema Bicarbonato (anhídrido carbónico/bicarbonato): Este el buffer amortiguador principal en el fluído extraceular, ntro.la célula roja la sangre y en el plasma. En este sistema el CO 2 se comporta como ácido volátil y su concentración pue ser controlada por medio la tasa respiración l animal. La Siguiente ecuación muestra La formación iones hidrógeno en las células rojas sangre como resultado l transporte l gas carbónico l tejido a los pulmones : CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO - 3 + H + Cuando la célula roja sangre está ntro los tejidos corporales esta reacción va hacia la recha. En los pulmones la reacción va hacia la izquierda. Amás, la presión parcial l CO, es más alta ntro los tejidos y más baja en los pulmones. La reducción en la tasa respiración permite la acumulación CO2 y mueve la ecuación hacia la recha,la concentración hidrogeniones se incrementa y el ph l fluído se reduce, lo que produce una condición conocida corno acidosis respiratoria. Si la tasa respiración es más rápida que lo normal, la ecuación se mueve hacia la izquierda y resulta la alcalosis respiratoria. Esto ocurre comúnmente en aves como resultado l jao bido al estrés por calor. Se pue controlar estos disturbios metabólicos, por medio aumentar o reducir la tasa respiratoria. Sistema Fosfato: Todos los fosfatos en el animal vienen la dieta, a un ph 7.40, la mayoría l fosfato en los compartimientos fluídos existe en la forma las especies iónicas H 2 PO -1 4 y HPO -2 4, cuando el ph en los fluídos corporales comienza a caer, la especie HPO -2 4 se vuelve importante corno un aceptante protones y se convierte en la especie H 2 PO -1 4,así cuando el ph se eleva por encima 7.40, la especie H 2 PO -1 4 dona un protón al fluído y se convierte nuevo en la especie HPO -2 4. El sistema fosfatos es el amortiguador más importante en la orina, bido a que los protones excretados en la orina son principalmente en la forma la especie H 2 PO -1 4. 6
Durante la acidosis prolongada, la amortiguación por fosfato es muy importante, lo cual se relaciona con los huesos, bido a que son una buena reserva amortiguadores como el fosfato cálcico que se presenta en forma hidroxiapatita, el cual no es muy soluble, pero su solubilidad es mayor durante la acidosis y algo fosfato cálcico en los huesos se convierte en solución. Esto ocurre comúnmente en las ponedoras cuando los huesos están suministrando calcio para la calcificación l cascarón huevo, entonces, el fosfato cálcico se disocia y se convierte en Ca +2 y PO4-3, inmediatamente la especie PO4-3 acepta un protón y se convierte en la especie HPO 4-2. Durante la acidosis esta reacción continúa y la especie HPO 4-2 acepta otro protón y se convierte a H 2 PO 4-1. Así pues, durante la acidosis tos huesos puen ayudar a mantener el equilibrio ácidobase por medio proporcionar la especie fosfato que acepta protones, incrementando el ph al nivel seado 7,4 Hemoglobina : La hemoglobina es un amortiguador muy importante y sólo so encuentra en la célula roja la sangre. Sirve como un amortiguador excelente por varias razones. Las dos razones principales son su alta concentración en la sangre y su altísimo contenido l aminoácido histidina. Este aminoácido tiene una cana lateral única llamada imidazol. Esta cana, pue atraer a los protones y sacarlos los fluidos corporales o pue donar protones dichos fluidos en el intento mantener el ph cerca 7.40. Las otras proteínas en los compartimentos fluído, también le ben su capacidad amortiguar a esta cana lateral. La albúmina es la proteína l plasma más abundante y contribuye en forma significativa a la amortiguación la sangre. El fluido intracelular está lleno proteínas que funcionan como el sistema más importante amortiguación ntro la célula. En condiciones metabólicas la Hb se comporta como un ácido débil y la oxihemoglobina como un ácido más fuerte que la Hb reducida (es cir aquella que lleva un hidrogenión > HHb). Es importante anotar, que la Hb inci sobre el transporte l CO 2 por la sangre, veamos como lo hace: En las células por efecto la respiración celular se produce gas carbónico que pasa a la sangre penetrando los hematíes, quienes contienen la enzima anhidrasa carbónica y convierten al CO 2 en ácido carbónico (H 2 CO 3 ), este se disocia en iones bicarbonato e hidrógeno, que harían scenr el ph, no ser capturados rápidamente por la HbO ~ 2, que se transforma en oxihemoglobina reducida (HHbO 2 ). 7