Definición de K_eq, K_w y pH
Definición de pK_a
Ecuación de Henderson-Hasselbalch
Definición de Amortiguamiento Buffering
Significado de Amortiguamiento de la Sangre
Amfolito, Poliamfolito, pI y Zwitterion
Definición de Solubilidad e Hidratación
Balance Ácido-Base Renal
Reabsorción de Bicarbonato de Sodio
Secreción de Ácidos
Secreción de Amoníaco
Neurotoxicidad del Amoníaco
Ácidosis y Alcalosis

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:

Ecuación de equilibrio constante

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⁺]

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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:

Ecuación para el cálculo de la asociación constante, Ka

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:

Ecuación para -logKa

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

Ecuación para pKa

Ecuación de la relación entre los valores de pKa y pH

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.

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La Ecuación de Henderson-Hasselbalch

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

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.

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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.

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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 CO₂ relativamente insoluble desde los tejidos hacia los pulmones, en donde es eliminado. La mayor fuente de CO₂en los tejidos viene de la oxidación de compuestos de carbono ingeridos.

El ácido carbónico se forma de la reacción del CO₂ con el H₂O disueltos. La relación entre el ácido carbónico y el ión bicarbonato se indica en las siguientes dos ecuaciones:

CO₂ + H₂O <——> H₂CO₃

H₂CO₃ <——> H⁺ + HCO₃^-

Las reacciones indicadas suceden predominantemente en los eritrocitos, debido a que casi todo el CO₂que 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 CO₂es 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

Ecuación de cálculo de pH ácido carbónico

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.

El efecto Bohr y el dióxido de carbono del transporte

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 CO₂a 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 CO₂ y este se acumula en el organismo, el resultado será ácidosis respiratoria. Si ocurriera una disminución en la PCO₂ en los pulmones, como ocurre en la hiperventilación, el resultado será la alcalosis respiratoria

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Anfolitos, Polianfolitos, pI y Zwitterion

Muchas sustancias en la naturaleza contienen tantos grupos acídicos como básicos así como también varios diferentes tipos de estos grupos en la misma molécula (e.g. proteínas). A estas se las llama anfolitos (un grupo acídico y uno básico) o polianfolitos (muchos grupos acídicos y básico). Las proteínas contienen muchos aminoácidos diferentes muchos de los cuales contienen grupos ionizables, tanto ácidos como básicos. Por tanto, un termino útil para tratar con la titulación de los anfolitos y polianfolitos (e.g. proteínas) es el punto isoeléctrico, pI. Este se describe como el pH en el cual la carga neta efectiva en la molécula es cero.

Para el caso de un anfolito simple como el aminoácido glicina el pI, cuando se calcula a partir de la ecuación de Henderson-Hasselbalch, se ha demostrado que es el promedio para la pK para el grupo α–COOH y la pK para el grupo α–NH₂:

Cálculo de pI

Para moléculas más complejas como los polianfolitos el pI es el promedio de los valores pK_a que representan los limites de las formas zwitterionicas de la molécula. El valor del pI, como de la pK, es muy informativo en relación a la naturaleza de diferentes moléculas. Una molécula con un pI bajo tendrá predominantemente grupos acídicos, mientras que un pI alto indica predominancia de grupos básicos.

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Solubilidad y Escudos de Hidratación

Dependiendo del pH de la solución, las macromoléculas como las proteínas que contienen muchos grupos cargados, tendrán una carga neta sustancial, positiva o negativa. Las células del cuerpo y la sangre contienen muchos polielectrolitos (moléculas que contienen cargas múltiples iguales, e.g. DNA, RNA) y polianfolitos que están próximos unos de otros. Esta asociación cercana permite que estas moléculas interactúen por medio de cargas opuestas. La presencia, en las células y en la sangre, de varios iones pequeños con carga (e.g. Na⁺, Cl^–, Mg²⁺, Mn²⁺, K⁺) lleva a la interacción de muchos iones pequeños con iones-macro más grandes. Esta interacción puede resultar en un escudamiento de las cargas electrostáticas de moléculas-cargadas en forma similar. Este escudamiento electroestático permite que iones-macro se encuentren asociados mas cercanamente de lo que se pudiera predecir basados en sus cargas de repulsión unos de otros. El efecto neto de la presencia de iones pequeños es la de mantener la solubilidad de macromoléculas en rangos de pH cercanos a su pI. Esta interacción entre el soluto (e.g. proteínas, DNA, RNA, etc.) y el solvente (e.g. sangre) se denomina solubilidad o hidratación. El efecto opuesto a la solubilidad ocurre cuando la concentración de la sal (ión pequeño) se incrementa a tal nivel como para interferir con la solubilidad de las proteínas por el H₂O. Esto resulta por la formación de escudos de hidratación por el H₂O alrededor de los iones pequeños.

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Papel de los Riñones en el Balance Ácido-Básico

Los riñones sirven para filtrar el plasma que pasa por las nefronas. La filtración del plasma se da en los capilares glomerulares de la nefrona. Estos capilares permiten el paso de agua y de solutos de bajo peso molecular (menos de 70 kDa) al espacio capsular. El filtrado entonces pasa a través de los túbulos contorneados proximales y distales en donde se produce la reabsorción de agua y de muchos solutos. Durante el filtrado glomerular y la reabsorción tubular la composición del plasma cambia generándose la composición típica de la orina. Desde un punto de vista bioquímico los riñones tienen funciones importantes en la regulación del balance ácido-básico y en la eliminación de desperdicios nitrogenados.

Reabsorción del Bicarbonato de Sodio

La regulación del balance ácido-básico se realiza en los riñones principalmente por medio del control sobre la reabsorción del HCO₃^– y de la secreción del H⁺. La secreción de H⁺, en exceso de su capacidad para reaccionar con el HCO₃^– en el fluido tubular, requiere la presencia de otros amortiguadores (ver mas abajo). La generación de HCO₃^– e H⁺ se da por la disociación del ácido carbónico (H₂CO₃), que se forma en las células tubulares a partir del H₂O y del CO₂, por acción de la anhidraza carbónica. La secreción de H⁺ en el lumen tubular esta acompañada de un intercambio por Na⁺. Esta reabsorción de Na⁺ ocurre por un mecanismo antipuerto durante el intercambio por H⁺. La disminución en la concentración intracelular de Na⁺ ocurre por un proceso de transporte activo que involucra a la bomba Na⁺/K⁺–ATPasa que bombea el exceso de Na⁺ hacia el fluido intersticial. El HCO₃^– intracelular entonces se difunde desde la célula tubular hacia el fluido intersticial.

La capacidad del riñón de secretar H⁺ se regula por la máxima capacidad del gradiente de H⁺ que se forma entre el túbulo y el lumen y que aun permita que operen los mecanismos de transporte. Este gradiente esta determinado por el pH de la orina que en humanos esta cerca de 4,5. La capacidad de secretar H⁺ se alcanzaría rápidamente si no fuera por la presencia de amortiguadores dentro del fluido intersticial. Los H⁺ secretados dentro del lumen tubular pueden tomar tres destinos diferentes dependiendo de la concentración de los tres amortiguadores principales en el fluido intersticial. Estos amortiguadores son HCO₃^–, HPO₄^2– y NH₃. La reacción del H⁺ con el HCO₃^– forma H₂O y CO₂ que se difunde de regreso a la célula tubular. El resultado neto de este proceso es la generación de HCO₃^– en la célula tubular. A este proceso se lo llama reabsorción de bicarbonato de sodio. La reabsorción del bicarbonato de sodio tiene lugar principalmente dentro el túbulo contorneado proximal.

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Excreción de Ácido

Mientras la concentración de HCO₃^– en el lumen tubular cae, el pH del fluido también cae debido a una concentración creciente de H⁺. El pH del fluido tubular gradualmente se aproxima a la pK_a del sistema amortiguador fosfato dibásico/monobásico (pK_a =6,8). El exceso de H⁺ reacciona con el fosfato dibásico (HPO₄^2–) para formar fosfato monobásico (H₂PO₄^–). El H₂PO₄^– así formado no se reabsorbe y su excreción resulta en la perdida neta de H⁺. La mayor formación de H₂PO₄^– se da en el túbulo contorneado distal y en los conductos colectores.

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Secreción de Amoniaco

La amortiguación de H⁺ también se logra con la reacción con el amoniaco, NH₃, para formar el radical amonio, NH₄⁺. La eliminación de NH₄⁺ es el factor más importante que contribuye a la habilidad del organismo de excretar ácido. Debido a que la pK_a del NH₄⁺ es 9,3, la excreción de ácido de esta manera puede lograrse sin disminuir el pH de la orina. Una cosa adicional importante es el hecho de que la excreción de ácido en la forma de NH₄⁺ ocurre sin la disminución de Na⁺ o K⁺.

Dos reacciones importantes en las células tubulares resultan en la generación de NH₃, la conversión de glutamina a glutamato y la conversión de glutamato a α-cetoglutarato. Estas reacciones son catalizadas por la glutaminasa y la glutamato deshidrogenasa, respectivamente en los siguientes dos ecuaciones:

Ambas enzimas son abundantes en las células tubulares. El amoniaco es soluble en lípidos y se difundirá siguiendo su gradiente de concentración fuera de las células tubulares dentro del fluido tubular. Allí este reacciona con el H⁺ para producir NH₄⁺ que es excretado en la orina.

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Neuro-toxicicidad del Amoníaco

El exceso de amoníaco es muy toxico. Se han observado daños cerebrales severos en casos de imposibilidad de hacer urea por medio del ciclo de la urea o de eliminar urea por los riñones. El resultado de cualquiera de estos dos eventos es el incremento en la circulación de los niveles del ión amonio. A parte de su efecto en el pH sanguíneo, el amoniaco atraviesa fácilmente la barrera hemato-encefálica y en el cerebro se convierte en glutamato por la glutamato deshidrogenasa, depletando al cerebro de α-cetoglutarato. Cuando el α-cetoglutarato es disminuido, también disminuye el oxaloacetato en forma correspondiente, y finalmente la actividad del ciclo del TCA se detiene. En ausencia de la fosforilación oxidativa aerobia, y de la actividad del ciclo del TCA aparece la muerte de las células nerviosas.

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Ácidosis y Alcalosis

Los riñones tienen un papel importante en el control de la ácidosis al responder con un incremento en la excreción de H⁺. Cuando el H⁺ se excreta como un ácido titulable como el H₂PO₄^– o cuando los aniones de ácidos fuertes como el acetoacetato se excretan existe un requerimiento para la secreción simultanea de cationes para mantener la neutralidad eléctrica. El principal catión que se excreta es el Na⁺. Mientras el nivel de Na⁺ excretable se disminuye la excreción de K⁺ se incrementa. En condiciones de ácidosis los riñones incrementaran la producción de NH₃ a partir de los aminoácidos tubulares o de aminoácidos absorbidos del plasma. Como se indico el NH₃ puede difundirse a través de las membranas de las células tubulares en donde reaccionara con el H⁺ para formar el radical amonio que se puede excretar sin el requerimiento concomitante de la excreción de cationes. Esto demuestra que la inhabilidad de los riñones de generar NH₃ rápidamente conduciría a una ácidosis fatal.

Cuando los riñones fallan en el control de la excreción de HCO₃^– , se desarrolla alcalosis metabólica. La alcalosis es normalmente controlada muy efectivamente por los riñones permitiendo que el HCO₃^– escape libremente. En general la alcalosis solamente se hace problemática si los riñones son restringidos en su habilidad de secretar HCO₃^–. Esta situación puede ocurrir en pacientes que toman diuréticos debido a que varios tipos de estos fármacos causan una disminución en la habilidad de los riñones para reabsorber un anión (e.g. Cl^–) concomitantemente con la reabsorción de Na⁺.

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Michael W. King, Ph.D / IU School of Medicine / miking at iupui.edu

Última modificación: 22 de enero de 2010