bioquímica y biología molecular

Los amortiguadores son sistemas acuosos que tienden a resistir los cambios en el pH cuando se les agregan pequeñas cantidades de ácido (H⁺) o base (OH^-).

Un sistema amortiguador consiste de un ácido débil (dador de protones) y su base conjugada (aceptor de protones). Por ejemplo una mezcla de concentraciones iguales de ácido acético e ion acetato, que se encuentra en el punto medio de las gráficas anteriores en un sistema amortiguador.

Nótese que la capacidad amortiguadora de los ácidos débiles varía y para los mostrados en las gráficas anteriores. Para el ácido acético es de 3.76 a 5.76 unidades de pH; para el fosfato dihidrogenado es de 5.86 a 7.86 unidades de pH y para el amoniaco es de 8.25 a 10.25 unidades de pH.

La capacidad amortiguadora va una unidad por arriba y una por debajo de su pK_a, pues es precisamente en esta región en donde el agregar H⁺ u OH^- tiene menor efecto.

En esta región los dos equilibrios que existen en la solución, la disociación del agua y la del ácido en cuestión, balancean las concentraciones agregadas de ácido o base, de tal manera que la suma de los componentes de las reacciones no varía, solo lo hace su relación de acuerdo con:

K_w = [H⁺][ OH^-]

OH^-                   H₂O

Ac. Acético                Acetato^-

(CH₃COOH)               (CH₃COO^-)

       H⁺

Figura: Representación de los equilibrios que ocurren al agregar un ácido débil (acético) al agua.

Estos sistemas a diferencia de las macromoléculas están formados por metabolitos de bajo peso molecular y son los sistemas de fosfato y bicarbonato.

El sistema amortiguador de fosfato actúa en el citoplasma de las células y consiste de:

H₂PO₄^- ↔ H⁺ + HPO₄^2-                                        (1)

          El sistema amortiguador de fosfato es más eficiente a un pH cercano a su pK_a de 6.86, por lo que resiste cambios en el pH desde 5.86 hasta 7.86, por tanto, es muy efectivo para los sistemas biológicos que realizan reacciones alrededor de pH 7.0. En los mamíferos por ejemplo el pH extracelular y de la mayoría de los compartimientos citoplásmicos está en el intervalo de 6.9 a 7.4.

          El plasma sanguíneo es amortiguado en parte por el sistema amortiguador de bicarbonato, que consiste de ácido carbónico (H₂CO₃) como donador de protones y bicarbonato (HCO₃^-) como aceptor de protones:

H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-                                                                                          (2)

                                                            (3)

          Este sistema amortiguador es más complejo que otros conjugados porque uno de sus componentes, el ácido carbónico, está formado por dióxido de Carbono disuelto (CO₂(d)) y agua en una reacción reversible:

CO₂(d)  ↔ H₂CO₃                                                     (4)

                                                         (5)

          El dióxido de Carbono en condiciones normales de presión y temperatura es un gas, por lo que la cantidad de éste que puede estar disuelto (d) en la sangre, depende del equilibrio con el que está en la fase gaseosa (CO₂(g))

CO₂(g)  ↔ CO₂(d)                                                    (6)

                                                                      (7)

          El pH del amortiguador del sistema de bicarbonato, depende de la concentración de H₂CO₃ y  HCO₃^-. La concentración de H₂CO₃ a su vez depende de la concentración de CO₂(d), la que a su vez depende de la concentración de CO₂(g). Esta última se denomina como presión parcial del CO₂. El pH de un amortiguador de bicarbonato expuesto a una fase gaseosa está determinado finalmente por la concentración de HCO₃^- en la solución y de la presión parcial de CO₂(g).

          En los animales pulmonados, el sistema amortiguador de bicarbonato es un efectivo amortiguador fisiológico cerca de pH 7.4 porque el ácido carbónico disuelto en el plasma sanguíneo está en equilibrio con la gran capacidad de reserva de CO₂(g) en el espacio aéreo de los pulmones. Este sistema amortiguador involucra tres equilibrios reversibles entre el CO₂ gaseoso en los pulmones y el bicarbonato en el plasma sanguíneo:

Fase acuosa (sangre en los capilares)

H⁺ + HCO₃^-

                   reacción 1

H₂CO₃

H₂O                H₂O reacción 2

CO₂(d)

reacción 3

CO₂(g)

Fase gaseosa (espacio aéreo en los pulmones)

Figura: representación de los equilibrios de pH que suceden en la sangre.

          Cuando los protones (generados por ejemplo por la acumulación de ácido láctico, debido al trabajo del músculo en el ejercicio continuo), son agregados a la sangre y ésta pasa por los diversos tejidos del cuerpo, la reacción 1 procede hacia el equilibrio y, por tanto, se incrementa la concentración de ácido carbónico. Lo anterior incrementa la concentración de CO₂(d) en el plasma sanguíneo (reacción 2) y se incrementa la presión de CO₂(g) en el espacio aéreo de los pulmones (reacción 3); el exceso de CO₂ es exhalado.

          Por el contrario, cuando el pH es disminuido, por ejemplo al producirse amoniaco en el catabolismo, ocurre el evento opuesto. La velocidad de respiración, que es la velocidad de inhalar aire y exhalar CO₂, puede ajustar rápidamente este equilibrio para mantener constante el pH de la sangre.