1
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.
2
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
3 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
4 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
5 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.
6 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
7 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.
8
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.
9 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
10
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.
