Tampón químico

Muchas biomoléculas actúan a un determinado valor de pH y sólo toleran fluctuaciones mínimas en él. Dado el bajo grado de ionización del agua (H₂O), cuando añadimos en ésta una pequeña cantidad de ácido o de base, el pH varía en mucha cantidad, llegando a niveles de pH en los cuales las biomoléculas no podrían cumplir sus funciones. Por esta razón los líquidos fisiológicos contienen tampones que, a diferencia del agua, mantienen el pH constante.

Los tampones mantienen la cantidad de ácidos y de bases en equilibrio en un determinado pH en el cual la actividad biológica de las proteínas, hormonas, enzimas, bombas de iones... sea óptima. En humanos, los valores compatibles con el mantenimiento de funciones vitales son de pH entre 6,8 y 7,8; siendo el intervalo de 7,35 a 7,45 el de normalidad.

En concreto, podemos decir que cada líquido fisiológico tiene un nivel característico normal de pH:

• Sangre arterial: pH = 7,4
• Sangre venosa: pH = 7,35
• Líquido intersticial: pH = 7,35
• Líquido intracelular: pH ∈ [6 , 7,4]
• Orina: pH ∈ [4,5 , 8]
• HCl gástrico: pH = 0,8

Los tampones son los primeros responsables de mantener estos niveles de pH constantes aunque en el organismo se produzcan altas cantidades de ácidos debido al metabolismo. Así, los tampones son el primer nivel de defensa contra los cambios de pH. También contribuyen al equilibrio la regulación respiratoria (segunda línea de defensa) y la regulación renal (tercera línea de defensa).

Cuando hay alteraciones debidas a enfermedades de los riñones, pulmones o por diabetes mellitus, el pH se ve alterado y se padece acidosis (pH < 7,37) o alcalosis (pH > 7,43).

Las causas principales de acidosis son: insuficiencia renal, acidosis tubulorrenal, cetoacidosis diabética, acidosis láctica, sustáncias tóxicas (etilenglicol, salicilato (en sobredosis), metanol, paraldehido, acetazolamida o cloruro de amonio. Las causas principales de alcalosis son: uso de diuréticos (tiacidas, furosemida, ácido etacrínico), pérdida de ácido causada por vómitos o aspiración del contenido del estómago, glándulas suprarrenales hiperactivas (síndrome de Cushing o utilitazación de corticosteroides).

Estas alteraciones pueden rendir su efecto en la primera, la segunda o la tercera línea de defensa; impidiendo así el funcionamiento de todos los mecanismos complejos que mantienen los niveles de pH a niveles adecuados.

Existen tampones de gran importancia en el organismo:

Inorgánicos:

Tampón bicarbonato:

CO₂ + H₂O ${\displaystyle \rightleftharpoons \,\!}$ H₂CO₃ ${\displaystyle \rightleftharpoons \,\!}$ HCO₃ - + H+

Tampón fosfato:

H₂PO₄- ${\displaystyle \rightleftharpoons \,\!}$ HPO₄^2- + H+

Orgánicos:

Aminoácidos y proteínas

Tampón hemoglobina:

HHbO₂ ${\displaystyle \rightleftharpoons \,\!}$ HbO₂^- / HbH ${\displaystyle \rightleftharpoons \,\!}$ Hb^- + H+

Aminoácido histidina

Tal y como se ha comentado anteriormente, el tampón bicarbonato está compuesto por ácido carbónico (H₂CO₃) y bicarbonato (HCO₃^-) y el valor de su pK_a es de 6,1. Es el tampón más importante de la sangre (pH = 7,4), representa el 75 % de la capacidad buffer total de la sangre. También está presente en el líquido intersticial. Es un tampón muy eficaz porque la relación HCO₃^-/ H₂CO₃ es muy alta, lo que supone una alta capacidad para amortiguar los ácidos. Supone una ventaja el hecho que se trata de un sistema abierto ya que el CO₂ puede ser eliminado en la respiración muy rápidamente, los H⁺ se pueden eliminar por vía renal y el HCO₃^- puede reemplazarse en la orina. En realidad, este tampón está compuesto por dos equilibrios, pues el ácido carbónico forma CO₂, generando una molécula de H₂O.

${\displaystyle {\begin{array}{c}\\{\mathsf {CO_{2}\ {\ce {<->}}\ CO_{2}\ {\ce {<->[+H_2O][-H_2O]}}\ H_{2}CO_{3}\ {\ce {<->}}\ HCO_{3}^{-}\ +\ H^{+}}}\end{array}}}$

Cuando el pH disminuye, el bicarbonato toma los protones libres. Así, el equilibrio se desplaza hacia el H₂CO₃, que a su vez, mediante la reacción catalizada por la anhidrasa carbónica (glóbulos rojos), cede una molécula de H₂O y se convierte en CO₂, el cual se elimina a través de los pulmones. Por el contrario, si el pH de la sangre aumenta, se forma HCO₃^- a partir de H₂CO₃, lo que conduce a mayor captación de CO₂. Las concentraciones de HCO₃^- y de H⁺ también se pueden controlar por mecanismos fisiológicos a nivel renal. El riñón puede eliminar protones uniéndolos a amoníacos o fosfatos y mantiene la concentración de bicarbonato mediante reabsorción o regeneración del mismo.

La suma de las formas sal y ácido se llama reserva alcalina. En condiciones normales, esta suma tiene el valor 25,2 mEq de CO₂ por litro. Como a pH sanguíneo (pH = 7,4), la proporción entre la forma sal y ácido es de 20, resulta que [HCO₃^-] = 24 mEq/L y [CO₂] = 1,2 mEq/L.

Así, es importante tener en cuenta que el cuerpo necesita más bicarbonato que no ácido carbónico porque el metabolismo produce más ácidos que bases.

El tampón fosfato está compuesto por el hidrógeno fosfato (HPO₄^2-) y el dihidrógeno fosfato (H₂PO₄^-). Actúa en el plasma y el líquido intersticial. Este tampón tiene un pK_a de 6,8, el cual está mucho más cerca del pH plasmático. Esto significaría que este tampón tendría que ser más útil que el anterior, pero no es así ya que se encuentra en concentraciones menores en sangre y la eliminación del fosfato es mucho más lenta, por vía renal.

${\displaystyle {\ce {\mathsf {HPO4^{-2}<->H2PO4^{-}}}}}$

A pH fisiológico de 7,4, la relación HPO₄⁻²/ H₂PO₄^- es igual a 4. Así, se trata de un sistema eficaz para amortiguar ácidos. Como hemos dicho, a nivel sanguíneo, el tampón bicarbonato resulta más útil que el tampón fosfato ya que este último se encuentra en concentraciones bajas. Ahora bien, a nivel intracelular, el tampón fosfato tiene concentraciones elevadas y es más eficiente

La hemoglobina es una proteína globular multimérica que dispone de cuatro puntos de unión a ligandos cuyas propiedades de unión están reguladas alostéricamente. La función principal de la hemoglobina es el transporte de dioxígeno por la sangre.

Referente a su estructura, se trata de un heterotetrámero y consta de dos pares de cadenas polipeptídicas diferentes. Cada una de las cadenas lleva un hemo como grupo prostético, donde se unen las moléculas de O₂, por lo que una hemoglobina puede unir como máximo cuatro moléculas de O₂.

La captación de O₂ se ve afectada, entre otros factores, por los H⁺ y el CO₂. Algunos factores favorecen el estado T, en el cual la proteína no tiene O₂ unidos, y otros favorecen el estado R, en el cual la hemoglobina tiene unidas moléculas de O₂. Este fenómeno se denomina efecto Bohr. Es muy positivo para remarcar la diferencia entre las distintas afinidades para el O₂; la cual es esencial para que cumpla su función de transporte.

Cuando el CO₂ forma ácido carbónico y protones, los protones estabilizan el estado T, de descarga de O₂. Así, en los capilares periféricos, dónde encontramos CO₂, la hemoglobina cede las moléculas de O₂. En los capilares de los alvéolos pulmonares se invierte este efecto.

Así, cuando se unen H⁺ a la hemoglobina, se produce un efecto en el equilibrio del tampón bicarbonato ya que se induce la formación de bicarbonato.

Es un tampón fisiológico muy eficiente gracias al cambio de su pK cuando pasa de la forma oxidada (pK = 7.16) a la reducida (pK = 7.71) y a la gran cantidad que hay en la sangre.

Los aminoácidos tienen carácter anfótero, es decir, pueden ceder protones y también captarlos. Esto es así gracias a dos de los radicales iones comunes en todos los aminoácidos: el grupo amino (NH₂) y el grupo carboxilo (COOH). Estos radicales, al estar en contacto con el agua, se presentan ionizados o protonados; actuando los dos como donantes o aceptores de protones.

En pH ácidos:

• El NH₂ capta un protón: NH₃⁺ (el pK_a para este ion es 9)

En pH básicos:

• El COOH pierde un protón: COO^- (el pK_a para este ion es 2)

En el punto de pK_a del grupo amino existe el 50 % de iones amino protonados (NH₃⁺) y el otro 50 % de radicales amino desprotonados (NH₂). En este punto, la variación de pH, si adicionamos NaOH a la disolución, es mínima. Por lo tanto, en este punto la capacidad amortiguadora es máxima.

En el punto de pK_a para el grupo carboxilo existe el 50 % de iones carboxilo protonados (COOH) y el otro 50 % de iones carboxilo desprotonados (COO^-). En este nivel de pH el aminoácido también es buen amortiguador.

En el punto isoeléctrico de los aminoácidos sin cadena radical ácida o básica se encuentra a medio camino entre el pK_a del grupo amino y el pK_a del grupo carboxilo. Y encontramos el aminoácido en su forma zwitterión, con ambos grupos funcionales ionizados: NH₃⁺ y COO^-.

El punto isoeléctrico de los aminoácidos con cadenas protonables es diferente ya que existe un tercer pK_a, que corresponde al valor de pH en el cual el protón de la cadena lateral se disocia.

Así, vemos como esta capacidad para captar y ceder protones convierte a las proteínas y aminoácidos en amortiguadores del pH, actuando como ácidos si están protonados, o como bases, si no lo están.

Muchas proteínas tienen grupos protonables en la cadena radical variable, así cada proteína o aminoácido tiene su punto isoeléctrico y su pK_a característico para cada grupo protonable del radical variable.

Los pK_a pueden verse afectados por radicales próximos y así, puede variar calidad amortiguadora de los aminoácidos según radicales de su entorno. Por ejemplo, la histidina, próxima al grupo hemo en la hemoglobina, tiene pK muy diferentes según si está unida al oxígeno o no.

Cuando los aminoácidos se unen formando péptidos mediante enlaces entre el grupo COOH de un aminoácido y el grupo NH₂ de otro, desaparecen sus propiedades amortiguadoras. Ahora bien, siempre existen los grupos terminales y también los grupos ionizables de las cadenas laterales de los aminoácidos: ácido aspártico y glutámico, arginina, lisina, histidina, etc. Así, para determinar su capacidad amortiguadora, solamente observaremos los pK.