Trabajo Práctico N 2 BUFFERS BIOLÓGICOS

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Trabajo Práctico No2
BUFFERS BIOLÓGICOS
OBJETIVOS
- A partir de la ecuación de Henderson-Hasselbach calcular la concentración de
(H+),(Aceptor de H+) o (Dador de H+).
-Conocer cómo se mantiene el equilibrio ácido-base del metabolismo celular y
corporal
-Analizar cómo funcionan los buffers biológicos más importantes del organismo
-Reconocer diferentes patologías asociadas al equilibrio ácido-base corporal.
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Buffers biológicos
Las soluciones de ácidos débiles y sus bases conjugadas se
comportan como "soluciones amortiguadoras" o "buffers" ya que tienden a
resistir los cambios de pH. El efecto amortiguador se produce debido al
equilibrio:
AH + H2O  A- + H3O+
Si se agrega un ácido, aumentará la [H+], pero el equilibrio se desplazará hacia
la izquierda favoreciendo la formación del ácido, lo cual consumirá los protones
añadidos. Si en cambio se agrega una base, se producirá inicialmente una
disminución de la [H+] y esto favorecerá la disociación del ácido (el equilibrio se
desplazará hacia la derecha) que repondrá los H+ gastados.
La eficacia del amortiguador o tampón depende de las [A -] y [AH], del pH del
medio y es máxima cuando este valor es próximo al pKa.
BUFFERS BIOLÓGICOS
El metabolismo celular genera permanentemente agua, calor y metabolitos
ácidos.
Estos últimos comprenden:
1.- ácidos volátiles: el dióxido de carbono (CO2) es un importante producto final
de la oxidación de glúcidos, lípidos y aminoácidos. Se lo considera "ácido" en
virtud de que reacciona con el agua para formar ácido carbónico (H 2CO3), el
cual, por ser un ácido débil, se disocia en bicarbonato (HCO3-) y H+.
CO2 + H2O  H2CO3
H2CO3 + H20  HCO3- + H30+
Se denomina "volátil" debido a que es un gas y puede ser eliminado por los
pulmones.
2.- ácidos fijos: ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido fosfórico (H3PO4) provenientes
principalmente de las proteínas de cuyo metabolismo procede alrededor del 65%
del total; fundamentalmente de la oxidación de los aminoácidos azufrados para
dar H2SO4 y de las fosfoproteínas para dar H3PO4. Este último también es
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producto del metabolismo de los ácidos nucleicos y de los fosfolípidos. Estos
ácidos deben ser neutralizados y posteriormente eliminados por los riñones. Por
ejemplo, las dietas de leche y carne generan unos 70 meq de H + por día y los
riñones tienen que excretar a diario una cantidad semejante para mantener el pH
sanguíneo.
3.- ácidos orgánicos: la oxidación parcial de glúcidos, lípidos y aminoácidos da
lugar a la formación de ácidos orgánicos (lactato, piruvato, acetoacetato, hidroxibutirato) siendo todos ellos ácidos débiles capaces de liberar H+.
Como se ve, la producción potencial de H+ en el organismo es enorme. Con un
pH plasmático normal de 7,4, la [H+] libres es sólo de unos 0,0000398 meq/l. Esta
concentración se debe mantener dentro de límites muy estrechos ya que de ella
depende la acidez del medio que es un determinante fundamental de las
funciones celulares. Estos valores se conservan gracias a la acción de dos
mecanismos: los amortiguadores o buffers por un lado y los sistemas respiratorio
y renal como excretores de ácidos por el otro.
Los sistemas buffers se pueden dividir en:
1.- extracelulares: HCO3- / H2CO3
HPO42- / H2PO4proteinatos
hemoglobina (HbO2 / HbH)
2. - intracelulares:
El sistema HCO3- / H2CO3 constituye el sistema regulador fisiológico más
importante del plasma. El ácido carbónico con dos protones ionizables de
constantes pKa1=3,89 y pKa2=10,22, tendría una capacidad amortiguadora
pequeña en los seres humanos si no fuera porque se deshidrata a CO 2 que
puede ser espirado. Esta reacción está catalizada por la enzima anhidrasa
carbónica (AC).
AC
CO2 + H2O

H2CO3  HCO3- + H+
El sistema acoplado tiene un pKa de 6,1 y es adecuado para mantener el pH
sanguíneo siempre que haya un exceso de bicarbonato con respecto al CO 2.
De todas maneras a pesar de que el sistema amortiguador de bicarbonato no es
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particularmente poderoso, tiene igual importancia que todos los demás del
cuerpo humano porque la concentración de cada uno de los elementos del
sistema bicarbonato puede regularse: el CO2 por el sistema respiratorio y el
bicarbonato por los riñones.
El buffer fosfato: es el principal sistema buffer de la orina y de los líquidos
intracelulares debido a que la concentración de fosfatos a este nivel es varias
veces mayor que en los líquidos extracelulares y también porque el pH de los
líquidos intracelulares se halla generalmente más cerca del pKa del buffer
fosfato. Además tiene importancia en los líquidos tubulares de los riñones por dos
motivos: en primer lugar, el fosfato suele concentrarse mucho en los túbulos, con
lo cual aumenta el poder amortiguador del sistema. En segundo lugar, el líquido
tubular se vuelve más ácido que los líquidos extracelulares acercándose al pKa
del sistema.
En el sistema fosfato el par conjugado efectivo para mantener el pH fisiológico
es:
H2PO4-
 HPO42- + H+
pKa= 6,8
En el plasma la relación HPO42- / H2PO4- es 4/1.
En la orina a pH 5,4 predomina la forma ácido conjugado.
Las proteínas pueden funcionar como uno de los sistemas buffers más
importantes de la sangre y los tejidos y su capacidad amortiguadora procede de
los grupos disociables que poseen los aminoácidos que las forman. Sin embargo
el pKa de los grupos carboxilos de los aminoácidos es de alrededor de 2 y el pKa
de los grupos amino es de alrededor de 9,5, lo cual se aleja del pH de la mayoría
de los líquidos biológicos.
Debido a que el pKa del grupo imidazol tiene un valor de 6, la histidina es el
único aminoácido con capacidad reguladora importante del pH fisiológico. La
hemoglobina es una proteína buffer efectiva debido a su alta concentración y a
sus residuos histidina. Contribuye también a la efectividad el hecho de que la
desoxihemoglobina tiene grupos imidazólicos con un pKa ligeramente más alto
que la oxihemoglobina. El CO2 producido en los tejidos entra al glóbulo rojo en
donde es hidratado en una reacción catalizada por la anhidrasa carbónica. El
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ácido carbónico resultante se disocia rápidamente en bicarbonato y H +. Los H+
son aceptados por la hemoglobina cuyo poder buffer evita que disminuya el pH.
ALTERACIONES ACIDO-BASE
Muchas patologías están asociadas con alteraciones del equilibrio ácidobase. Teniendo en cuenta al sistema bicarbonato/C02 como principal sistema
amortiguador del pH, el estudio del estado ácido base se basa en el análisis de
los componentes de este sistema. Según los valores de pH del plasma y el
componente del sistema buffer originalmente afectado, las alteraciones ácidobase se clasifican clásicamente en los siguientes grupos: acidosis respiratoria,
acidosis metabólica, alcalosis respiratoria y alcalosis metabólica. Las condiciones
clínicas caracterizadas como metabólicas se relacionan con las alteraciones en la
concentración de HC03- y las llamadas respiratorias se relacionan con
perturbaciones de la presión parcial de CO2 (pC02).
Ante una alteración ácido-base el organismo pone en marcha mecanismos
compensadores. Por ejemplo, en una acidosis metabólica se estimula el centro
respiratorio lo cual facilita la eliminación del CO2. En la alcalosis metabólica, la
respuesta es inversa y tiende a retener el CO2. Cuando el desequilibrio ácidobase tiene origen respiratorio, el riñón es el que produce la respuesta
compensadora. Esta respuesta no es instantánea y necesita varios días. En una
acidosis respiratoria aumenta la eliminación de protones por orina y la
reabsorción de bicarbonato. En una alcalosis respiratoria disminuye la excreción
de protones y aumenta la eliminación de bicarbonato.
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Las causas de las alteraciones del equilibrio ácido-base pueden superponerse
originado condiciones mixtas que complican su identificación.
Evaluación del estado ácido-base:
Acidemia: pH sanguíneo < 7,35
Alcalemia: pH sanguíneo > 7,45
Acidosis y alcalosis: estados patológicos que pueden llegar a la acidemia o
alcalemia respectivamente. En el siguiente cuadro se muestran los parámetros
de laboratorio que caracterizan una alteración ácido-base y las respuestas
compensatorias de los sistemas renales y respiratorio para corregir el disbalance.
Acidosis metabólica
La acidosis metabólica se puede detectar por una disminución del
bicarbonato plasmático. Las causas de la pérdida de bicarbonato pueden ser:
1.- Una mayor producción de ácidos orgánicos que exceda la velocidad de
eliminación. El bicarbonato se pierde cuando se combina con los H+. Por ejemplo,
la producción de cuerpos cetónicos en la cetoacidosis diabética y la producción
de ácido láctico en la acidosis láctica.
2.- Una reducción en la excreción de H+ como se observa en algunas
alteraciones renales.
3.- Una excesiva pérdida de bicarbonato debido a una mayor excreción renal
(disminución de la reabsorción renal) o a una pérdida del fluido duodenal
(diarrea).
Cuando se produce alguna de estas alteraciones, la relación bicarbonato/CO2
disminuye. El descenso del pH estimula la hiperventilación como un mecanismo
compensador respiratorio que resulta en una mayor eliminación de CO2. Los
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riñones responden aumentando la excreción de protones en forma de amonio y
preservando la base con un aumento de la reabsorción de bicarbonato.
Acidosis respiratoria
Cualquier alteración que disminuya la eliminación del CO2 por los
pulmones produce un aumento de la pCO2 y una acidosis respiratoria. Las
causas pueden ser factores que depriman el centro respiratorio a nivel del
sistema nervioso central (traumas, drogas o infecciones) o factores que afecten al
aparato respiratorio como por ejemplo una obstrucción de las vías aéreas. El
aumento en la pC02 lleva a un aumento del ácido carbónico que se disocia
liberando protones. La compensación de la acidosis respiratoria se produce
inmediatamente a través de otros sistemas buffer, principalmente el sistema de la
hemoglobina y otras proteínas. Los riñones responden, con mayor tiempo, de la
misma manera que en una acidosis metabólica aumentando la eliminación de
amonio y la reabsorción de bicarbonato.
Alcalosis metabólica
La alcalosis se produce cuando se agrega un exceso de base al sistema o
se pierden fluidos ácidos (vómitos gastrointestinales). Ante un déficit de sodio o
de potasio, la reabsorción de bicarbonato y la excreción de protones están
aumentadas lo que también puede conducir a una alcalosis. En la alcalosis
metabólica el paciente hipoventila. Si el aumento del pH es importante, aumenta
la actividad neuromuscular y se produce tetania. La causa es una disminución de
la concentración de calcio libre debido a un aumento de la unión del calcio a
proteínas u otros aniones.
Alcalosis respiratoria
Se produce una disminución de la pC02 como resultado de un aumento en
la velocidad de la respiración. La excesiva pérdida de CO2 desplaza el sistema
bicarbonato hacia la formación de ácido carbónico con la consiguiente
disminución de la concentración de protones y el aumento del pH. También se
produce una disminución de bicarbonato, lo cuál atenúa el aumento del pH. Los
mecanismos compensadores actúan a dos niveles. En primer lugar otros
sistemas buffer proveen protones y en segundo lugar, el riñón disminuye la
reabsorción de bicarbonato.
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EJERCITACIÓN
1) Considerando que el ácido acético CO3-COOH tiene un pKa = 4,76 y que el
dihidrógeno fosfato H2PO4tiene un pKa = 6,86, responda las siguientes preguntas:
a) ¿Cuál de los dos es el ácido más fuerte?
b) Si se dispone de soluciones de acético y de dihidrógeno fosfato de igual
concentración, cuál tendrá mayor pH?
c) Si se dispone de soluciones de ácido acético y de dihidrógeno fosfato de igual pH,
cuál de ellas tiene mayor concentración?
d) ¿Qué especie química predomina en una solución de ácido acético de pH = 3? ¿Y a
pH = 5,5 y a pH = 9?
e) ¿Qué pH tendrá una solución de ácido acético en la que hay igual concentración de
anión acetato y de acético?
f) ¿Qué especie química predomina en una solución de dihidrógeno fosfato de pH = 3?
¿Y a pH = 5,5 y a pH = 9?
g) ¿Una solución de ácido acético puede ser un buffer de utilidad para regular el pH en
el rango fisiológico? ¿Y una solución de dihidrógeno fosfato? Justifique.
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EJERCITACIÒN DE SOLUCIONES Y pH APLICADOS EN LA PRÁCTICA MÉDICA
1. La muestra de orina de un paciente tiene una densidad de 1,02 g/ml.
¿Cuántos g de orina eliminó dicha persona en un día durante el que excretó
1250 ml de orina?
(Rta:1275 g)
2. A un enfermo hay que administrarle 15 g de KCl (PM 149 g/mol) y 126 g de
glucosa (PM 180 g/mol). ¿En qué volumen de agua habrá que disolverlos para
que resulte un suero 0,4 osmolar?
(Rta: 2,25 litros)
3. Un paciente de 18 meses se presenta en la guardia con signos y síntomas
propios de una deshidratación moderada. El médico de guardia determina que
se deben reponer 2,2 l de líquido, 88 meq de Na+ y 44 meq de K+. El Na+ se
administra como NaCl y es provisto como solución 3,4 N. El K+ se administra
como KCl y es provisto como solución 1 M. Calcular el volumen de las
soluciones comerciales de NaCl y KCl que se le deben suministrar al paciente.
(Rta: 26 ml NaCl 3,4 N y 44 ml KCl 1 M, en 2,2 l de solución de dextrosa 5%.)
La solución de re-hidratación se prepara en dextrosa 5%. Discuta por qué esta
solución no se reemplaza por agua.
4) Respecto de las alteraciones del equilibrio ácido base en el ser humano y sus
mecanismos compensatorios, complete en siguiente esquema, considerando valores
de pH (alto o bajo), pCO2 (alta o baja) y el tipo de alteración correspondiente
(metabólica o respiratoria).
De un ejemplo de cuadro clínico en cada caso
ACIDOSIS
pH
pCO2
Tipo de
acidosis
ALCALOSIS
pH
pCO2
Tipo de
alcalosis
Principal compensación a nivel
renal
ACIDOSIS
pH
pCO2
Tipo de
acidosis
ALCALOSIS
pH
pCO2
Tipo de
alcalosis
Principal compensación a nivel
respiratorio
5) Los valores normales de los parámetros que se determinan en la evaluación del
estado ácido base de un individuo son:
pH 7,35 - 7,45
pO2 38 - 42 mmHg
pCO2 32 - 39 mmHg
HCO3- 23 - 27 mM
CO2 = 1,2 mM
Un paciente con acidosis metabólica presenta valores de pH = 7,03 y [CO2] = 1,10
mM. Se desea saber:
a) La concentración de protones en sangre
Rta: 9,3x10-8 M
b) La concentración de HCO3 en sangre
Rta: 9,4 mM
c) ¿Cuánto de la concentración normal de HCO3 - se ha consumido? Rta: 14,6 m
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6) La señorita AM ingresa al hospital con contusión torácica. Los análisis de sangre
arterial arrojan los siguientes valores:
pH = 7,2
pO2 = 48 mmHg
pCO2 = 75 mmHg
[HCO3-] = 29 mmol/l
¿Qué indican estos resultados?
7) Un niño de 4 años llega a la guardia de un hospital presentando mareos, debilidad y
vómitos reiterados como consecuencia de una intoxicación alimentaria.
Los datos de laboratorio indican:
pCO2 = 45 mmHg
HCO3= 40 mM
Na+ = 140 meq/l
Glucemia = 3,3 mM
El tratamiento consiste en el tratamiento con antibióticos y rehidratación oral con
solución fisiológica (NaCl 0,9 %) y D-glucosa.
Valores normales:
pH 7,35 - 7,45
pCO2 32 - 39 mmHg
HCO323 - 27 m
Na+ 135 - 150 meq/l
Glucosa 70 - 110 mg%
PM NaCl 58,5
pKa HCO3-/ H2CO3 6.1
PM Glucosa= 180
[CO2] (en mM) = 0,03 pCO2 (en mmHg)
En base a los datos anteriores y considerando el momento de ingreso del paciente al
hospital, indique:
a) El pH de la sangre
Rta: 7,5
b) ¿Cuál es el estado ácido/base del paciente y el origen de la alteración ácido/base
que presenta?
Rta: alcalosis metabólica
c) ¿En qué sentido se encuentra desplazado el sistema bicarbonato/carbónico en el
paciente en estudio?
Rta: Hacia la formación de bicarbonato
d) El estado de ventilación que presenta el paciente. Rta: Hipoventilación
e) La participación del riñón para compensar el estado ácido/base del paciente.
Rta: Elimina bicarbonato
f) El estado glucémico del paciente.
Rta: Hipoglucemia
g) ¿Es posible tratar al paciente con solución de L-glucosa, en lugar de administrarle
D-glucosa? Justifique.
8) Se dispone de un antiinflamatorio que es electrolito débil (pKa = 9,5). Se busca
preparar la mejor formulación farmacéutica para esa droga de manera de obtener una
rápida absorción. Discuta la conveniencia de preparar comprimidos, teniendo en
cuenta que el pH del jugo gástrico es 1,5.
9) Teniendo en cuenta que sólo las formas no disociadas de los electrolitos débiles
difunden a través de las membranas, compare el grado de absorción de la aspirina
(ácido acetil salicílico, pKa 3,5) administrada por vía oral (comprimidos) y por vía anal
(supositorios) considerando que en el estómago el pH es 1,5 mientras que en el
intestino el medio tiene un pH = 7,4.