Bioquímica Médica

                                                    Equilibrios iónicos

K_eq, K_w y pH

Como el H₂O es el medio de los sistemas biológicos, uno debe considerar el papel de esta molécula en la disociación de los iones de las moléculas biológicas. El agua es esencialmente una molécula neutra pero se ionizará en forma limitada. Esto puede describirse mediante una ecuación de equilibrio simple:

H₂O <——> H⁺ + OH^–

Este equilibrio puede calcularse igual que para cualquier otra reacción:

Debido a que la concentración de H₂O es muy alta (55.5M) en relación a las concentraciones de [H⁺] y [OH^–], su consideración no se toma en cuenta en la ecuación al multiplicar los dos lados de la ecuación por 55.5 produciendo un nuevo termino, K_w.

K_w = [H⁺][OH^–]

Este término se refiere como el producto iónico. En agua pura, a la que no se ha añadido ácidos o bases:

K_w = 1 x 10^–14 M²

Como el K_w es constante, si uno considera el caso del agua pura, a la que no se ha añadido ácidos o bases:

[H⁺] = [OH^–] = 1 x 10^–7 M

Este termino puede ser reducido para que refleje la concentración del ión hidrogeno en cualquier solución. Este se denomina pH, en donde:

pH = –log[H⁺]

pKa

Los ácidos y las bases pueden clasificarse como donadores y aceptores de protones, respectivamente. Esto significa que la base conjugada de un ácido dado tendrá una carga neta que es más negativa que el ácido correspondiente. En compuestos biológicamente relevantes se encuentran varios ácidos y bases débiles, e. g. Los aminoácidos ácidos y básicos, nucleótidos, fosfolípidos, etc.

Los ácidos y las bases débiles en solución no se disocian completamente y, por tanto, existe un equilibrio entre el ácido y su base conjugada. Este equilibrio puede calcularse y se llama constante de equilibrio = K_a. Esta es algunas veces llamada como constante de disociación ya que pertenece a la disociación de protones de ácidos y bases.

En la reacción de un ácido débil:

HA <——> A^– + H⁺

La constante de equilibrio puede calcularse de la siguiente ecuación:

como en el caso del producto iónico:

pK_a = –logK_a

Por tanto, al obtener el –log de los dos lados de la ecuación que describe la disociación de un ácido débil, llegamos a la siguiente ecuación:

y como se indico anteriormente –logK_a = pK_a y tomando en cuenta las leyes de los logaritmos:

De esta ecuación se puede ver que mientras más pequeño es el valor de la pK_a más fuerte es el ácido. Esto se debe al hecho de que mientras más fuerte sea un ácido este más fácilmente cederá H⁺ y por tanto el valor de [HA] en la ecuación anterior será muy pequeño.

La Ecuación de Henderson-Hasselbalch

Rearreglando la última ecuación llegamos a la ecuación de Henderson-Hasselbalch

Debería ser obvio ahora que el pH de una solución de cualquier ácido (de la que se conozca la constante de equilibrio, y hay muchas tablas con esta información) puede calcularse conociendo la concentración del ácido, HA, y su base conjugada [A^–].

En el punto de disociación en donde la concentración de la base conjugada [A^–] es = a la del ácido [HA]

pH = pK_a + log[1]

el log de 1 = 0. Así, en el punto medio de la titulación de un ácido débil:

pK_a = pH

En otras palabras, el termino pK_a es el pH en el que una distribución equivalente de un ácido y su base conjugada (o una base y su ácido conjugado) se encuentran en solución.

Amortiguamiento Buffering

Debe indicarse que alrededor del pK, el pH de una solución no cambia apreciablemente aun cuando se añadan grandes cantidades de ácido o base. Este fenómeno se conoce como amortiguamiento buffering. En la mayoría de estudios es importante hacer experimentos, que consuman equivalentes de H⁺ u OH^–, en una solución con un agente amortiguador que tenga un pK_a cercano al pH óptimo para el experimento.

Importancia Clínica de la Amortiguación Buffering de la Sangre

El pH de la sangre se mantiene en un estrecho margen alrededor de 7.4. Aún cambios relativamente pequeños en este valor del pH de la sangre pueden llevar a consecuencias metabólicas severas. Por tanto, el amortiguamiento de la sangre es extremadamente importante para mantener la homeostasis. Aunque la sangre contiene varios cationes (e.g. Na⁺, K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺) y aniones (e.g. Cl^–, PO₄^3– y SO₄^2–) que pueden, como un todo, jugar un papel importante en el amortiguamiento, los amortiguadores más importantes en la sangre son la hemoglobina en los eritrocitos y el ión bicarbonato (HCO₃^–) en el plasma. El amortiguamiento por la hemoglobina se logra por la iotización del anillo imidizólico de las histidinas en la proteína.

La formación de bicarbonato en la sangre a partir de CO₂ y H₂O permite la transferencia del CO₂relativamente insoluble desde los tejidos hacia los pulmones, en donde es eliminado. La mayor fuente de CO₂ en los tejidos viene de la oxidación de compuestos de carbono ingeridos.

El ácido carbónico se forma a partir de la reacción de CO₂ disuelto con H₂O y es catalizada por la anhidrasa carbónica. Los seres humanos expresan 12 isoformas funcionales de la anhidrasa carbónica (siglas en Inglés: CA) con CA I y II que se expresa CA dentro de los eritrocitos. La relación entre carbónico ácido y la formación de iones bicarbonato se muestra en las dos ecuaciones siguientes:

CO₂ + H₂O <——> H₂CO₃

H₂CO₃ <——> H⁺ + HCO₃^-

Las reacciones indicadas suceden predominantemente en los eritrocitos, debido a que casi todo el CO₂ que sale de los tejidos por el endotelio capilar es tomado por estas células. Esta reacción es catalizada por la anhidraza carbónica. La iotización del ácido carbónico entonces se da espontáneamente produciendo el ión bicarbonato.

El ácido carbónico es un ácido relativamente fuerte con una pK_a de 3.8. sin embargo, el ácido carbónico esta en equilibrio con el CO₂ disuelto. Por tanto, la ecuación de equilibrio por la suma de las ecuaciones anteriores requiere de un factor de conversión, debido a que el CO₂ es un gas disuelto. Se ha demostrado que este factor es aproximadamente 0,03 veces la presión parcial de CO₂ (PCO₂). Cuando este se incluye en la ecuación de Henderson-Hasselbalch

en donde la pK_a aparente para la formación de bicarbonato, 6,1, ha sido introducida en la ecuación.

La PCO₂ en los tejidos periféricos es de aproximadamente 50 mmHg, mientras que en la sangre que ingresa a los tejidos periféricos es de aproximadamente 40 mmHg. Esta diferencia resulta en la difusión de CO₂ desde los tejidos hacia la sangre en los capilares de la periferia. Cuando el CO₂ es convertido a H₂CO₃ en los eritrocitos y luego se ioniza, los iones de H (H⁺) son amortiguados por la hemoglobina. La producción de iones de H⁺, en los eritrocitos, y su subsiguiente amortiguamiento por la hemoglobina resulta en una disminución de la afinidad de la hemoglobina por el oxigeno. Esto lleva a una liberación de O₂ a los tejidos periféricos, un fenómeno que se conoce con el nombre de efecto Bohr.

Representación del transporte de CO₂ desde los tejidos a la sangre con la entrega de O₂ a los tejidos. El proceso opuesto ocurre cuando el O₂ es tomado desde los alvéolos pulmonares y el CO₂ es eliminado. Todos los procesos del transporte de CO₂ y O₂ no se indican como la formación e ionización del ácido carbónico en el plasma. Este último es un mecanismo importante para el transporte de CO₂ a los pulmones, i.e. en el plasma como HCO₃^–. El H⁺ producido en el plasma por la iotización del ácido carbónico es amortiguado por el fosfato (HPO₄^2–) y por las proteínas. Además, algo como el 15% del CO₂ se transporta desde los tejidos a los pulmones como carbamato de hemoglobina como se indica en la ecuación anterior. RBC = de glóbulos rojos (red blood cell).

Mientras el CO₂ pasa desde los tejidos al plasma una pequeña cantidad de ácido carbónico se forma e ioniza. Los iones de H⁺ son entonces amortiguados predominantemente por las proteínas e iones fosfato en el plasma. Cuando la concentración de iones de bicarbonato se incrementa en los eritrocitos, ocurre un desbalance osmótico. Este desbalance se elimina cuando el ión bicarbonato sale del eritrocito en un intercambio con iones de cloro del plasma. Este fenómeno se conoce como el cambio de cloro que también se indica en el diagrama anterior. Por tanto, la mayoría del ión de bicarbonato que se forma como CO₂ deja los tejidos periféricos y es transportado en el plasma a los pulmones.

Aproximadamente el 15% del CO₂ transportado desde los tejidos a los pulmones ocurre a través de una combinación reversible con grupos aminos no-ionizables (–NH₂) de la hemoglobina formando carbamato de hemoglobina.

Hemoglobina-NH₂ + CO₂ <——> Hemoglobina-NH-COO^– + H⁺

La formación de carbamato de hemoglobina resulta en una disminución de la afinidad de la hemoglobina por el O₂ favoreciendo la disociación del oxigeno en los tejidos en donde la concentración de CO₂ es alta. El proceso se revierte cuando los eritrocitos entran en los pulmones y cuando la presión parcial de O₂ esta elevada.

La presión parcial de O₂ (PO₂) en los alvéolos pulmonares es más alta que la PO₂ de los eritrocitos que entran a los pulmones que contienen predominantemente deoxi-hemoglobina. Esta PO₂ incrementada lleva a la oxigenación de la hemoglobina y a la liberación de iones H⁺ desde la hemoglobina. Los iones de H⁺ liberados se combinan con los iones bicarbonato para formar H₂CO₃. Entonces la anhidraza carbónica de la célula cataliza la reacción reversa, llevando a la liberación de CO₂ desde los eritrocitos. Debido al gradiente de la PCO₂ (descrito anteriormente), el CO₂ se difunde desde la sangre a los alvéolos en donde es eliminado.

La gran utilidad del bicarbonato como amortiguador fisiológico se deriva de el hecho de que si se añade un exceso de ácido a la sangre, la concentración del ión bicarbonato disminuye y el nivel de CO₂ se incrementa. Entonces el CO₂ pasa desde los capilares en los alvéolos pulmonares y es eliminado. Como consecuencia, la concentración del ión H⁺ dirige la reacción hacia la izquierda y el ión bicarbonato actúa como amortiguador hasta que todos los iones hidrogeno sean consumidos. Contrariamente, cuando se añade un exceso de base a la sangre, el CO₂ se consume por el ácido carbónico y es reemplazado por reacciones metabólicas en el organismo.

Si la sangre no es adecuadamente amortiguada buffered, el resultado puede ser ácidosis metabólica o alcalosis metabólica. Estos estados patológicos pueden alcanzarse si un defecto metabólico resulta en la acumulación inapropiada o en la perdida de compuestos ácidos o básicos. Estos compuestos pueden ingerirse, o pueden acumularse como productos metabólicos como el ácido acetoacético y el ácido láctico. Estos dos ionizarán, por tanto incrementarán el nivel de iones de H⁺ que a su vez removerán bicarbonato de la sangre y alterarán el pH de esta. El defecto predominante en la eliminación de ácidos o bases aparece cuando los sistemas excretorios de los riñones se dañan. Alternativamente, si los pulmones fallan en la eliminación del CO₂y este se acumula en el organismo, el resultado será ácidosis respiratoria. Si ocurriera una disminución en laPCO₂ en los pulmones, como ocurre en la hiperventilación, el resultado será la alcalosis respiratoria