¿Sabías que la escala de pH se define a partir del agua?

En esta escala se dice que cuando la concentración del ion hidronio [H⁺] es mayor de 1x10^–7 o su pH es menor de 7 estamos hablando de sustancias ácidas y que cuando la concentración es menor de 1x10^–7 y pH mayores a 7, estamos hablando de soluciones básicas.  Para comprender la relación entre los valores numéricos en que se expresa la concentración del ion hidronio H⁺ con su correspondiente valor de pH, observa la siguiente tabla:

Por ejemplo, cuando la concentración de iones [H⁺] en solución acuosa es de 1.0 M, el valor del pH es 0, ya que el logaritmo de 1 es 0, y cuando la concentración de H⁺ es 1x 10^–14, el pH es de 14. Se dice que una sustancia es neutra cuando el pH = 7 o cuando la concentración de iones hidrógeno [H⁺] es de 1 x 10^–7.

Todos sabemos que para indicar la acidez de una solución el intervalo de pH va del 0 al 6.9, mientras que el intervalo correspondiente a una solución alcalina o básica va de 7.1 a 14.

Para completar la siguiente tabla, utiliza una calculadora. Ahora, podrás calcular el pH de los líquidos que se te proponen dada la concentración del ión hidrógeno y viceversa.

La concentración normal de iones hidrógeno en los líquidos corporales es muy pequeña, sin embargo, la concentración de estos iones es uno de los factores reguladores más importantes de la mayor parte de las reacciones metabólicas de las células, pues determinan la conformación de las enzimas que llevan a cabo esas reacciones. Para que tengas una idea más clara,  los límites compatibles con la vida del ser humano están entre 7.0 y 7.8. Cambios por arriba o por debajo de estos límites generan alteraciones graves del funcionamiento global del organismo.

¿De dónde provienen los H⁺?

En el organismo humano la principal fuente de los cambios en el pH son los ácidos o las bases formados en las múltiples reacciones bioquímicas que normalmente ocurren en el organismo, como son:

Como puedes ver, el organismo requiere de sistemas muy eficientes que impidan cambios en el pH. Para protegerse, el organismo posee tres líneas de defensa:

En conjunto, los tres comparten la tarea de regular el pH en los líquidos corporales.

Los amortiguadores acido-básicos (o sistemas buffer), también llamados tampones, son la primera línea de defensa y se trata de sustancias químicas que se pueden combinar fácilmente con cualquier ácido o base impidiendo cambios importantes en el pH. Los amortiguadores son soluciones de ácidos o bases débiles que, en equilibrio contienen cantidades significativas de sus formas disociadas (A^-) y no disociada (HA), es decir:

La adición de protones (ácidos) a este sistema desplaza el equilibrio hacia la forma asociada, ello equivale a suponer que todo el H⁺  añadido reacciona con A^-  por lo que la concentración de H⁺  no se modifica.

A la inversa la disminución de los A^- (bases) desplaza la reacción a la derecha, provocando la producción de más protones evitando así cambios en su concentración.

La efectividad de este sistema para mantener el pH depende de dos factores:

1. La constante de disociación (Ka), que determina la fuerza de un ácido. Los ácidos que en solución acuosa tienen constantes de disociación menores a la unidad (Ka < 1), están parcialmente disociados de su protón (ionizados) y se denominan ácidos débiles. Por el contrario, los ácidos con (Ka > 1), se denominan ácidos fuertes y están totalmente ionizados. Observa la tabla siguiente:

Los mejores amortiguadores son aquellos ácidos que tienen una Ka cercana al valor de la concentración de H⁺ que se quiere mantener constante, por lo que con frecuencia se utiliza el parámetro pKa que significa al igual que el pH, -logKa. Por ejemplo: el par ácido-base de fosfatos H₂PO₄^-1/HPO₄^-2 que tiene un pK de 6.8 es un buen amortiguador de los líquidos biológicos con un pH de 7 como el del citosol o 7.4 como el de la sangre. El poder amortiguador del sistema de fosfatos es más efectivo en los líquidos intracelulares, debido a que la concentración total de este sistema es mayor en el líquido intracelular (92 mEq/L y pH de ~ 7) que en el extracelular (2 mEq/L y pH de 7.4).

2. Su concentración. El amortiguador deberá estar presente en una concentración alta. Aunque en el organismo no hay un amortiguador óptimo los principales sistemas como son el ácido carbónico/bicarbonato, las proteínas y los fosfatos (además de otros que se encuentran a concentraciones bajas) satisfacen estos criterios en diferente medida.

El sistema bicarbonato-ácido carbónico puede considerarse como un sistema dinámico debido a su propiedad única de poseer un componente ácido volátil. La reacción de disociación de este sistema es la siguiente:

donde [CO₂] = α x pCO₂, siendo α el coeficiente de solubilidad que en el plasma normal tiene un valor de 0.031 mmol l^-1 mmHg^-1. Los corchetes cuadrados [ ] significan concentración. Recuerda que la concentración de un gas disuelto en solución es directamente proporcional a su presión parcial, una cantidad que se mide más fácilmente. La relación de estos dos parámetros es la siguiente [CO₂ ] en mmol/L = 0.031 x pCO₂.

El pK para la reacción es de 6.1, algo no muy lejos del pH de los líquidos corporales, sin embargo, este sistema amortiguador puede considerarse como el más importante del organismo. Esto es así porque las concentraciones de sus componentes pueden regularse independientemente; la cantidad de CO₂ por los pulmones y la del HCO₃^-  por los riñones.

Las proteínas tienen varios grupos ionizables con diferentes valores de pK: los grupos carboxilo de los ácidos glutámico y aspártico, incluyendo el carboxilo-terminal; los grupos amino de las cadenas laterales de la lisina y arginina además del grupo amino-terminal y el imidazol de la histidina; este último con valor de pK=6.6 suficientemente cercano a 7.4 es un buen amortiguador del pH de la sangre. Las proteínas están presentes en cantidades relativamente grandes en las células y en el plasma, lo que las hace aún más efectivas. La hemoglobina (Hb), proteína transportadora de oxígeno en la sangre, es uno de los amortiguadores proteicos más efectivos debido a su elevada concentración; a sus 38 residuos de histidina; y al hecho de que la Hb desoxigenada tenga grupos imidazol con un pK superior que la Hb oxigenada, este hecho es importante porque una vez que la Hb se desoxigena en los capilares es capaz de aceptar más H⁺  que se forman cuando el CO₂ entra a los capilares desde los tejidos donde se producen en grandes cantidades.

En cuanto se genera una alteración del equilibrio ácido-base, el primer sistema que entra a funcionar es la amortiguación y en seguida la compensación se ejerce a través de los pulmones. El sistema respiratorio está diseñado para funcionar a corto plazo en la compensación de las alteraciones ácido-base pues una de sus funciones es la eliminación del CO₂ con el aire espirado (exhalado) con lo cual se elimina también la generación de H₂CO₃ y la liberación de protones al disociarse este ácido. Es decir, a nivel de los pulmones se revierte a la serie de reacciones que ocurre en los tejidos:

Por ejemplo en el caso de una acidosis, en la cual se generan protones por el aumento de los ácidos fijos (son los ácidos no volátiles que se excretan por el riñón) como el ácido láctico, el beta-hidroxibutírico y el acetoacético, disminuye la concentración de bicarbonato es decir se genera una acidosis metabólica.

El aumento en la concentración sanguínea de protones va a ser detectado por terminaciones nerviosas de grandes arterias, en el arco aórtico y en el seno carotídeo (glomus carotídeo) de donde parten a través de los nervios los impulsos que llegan al centro respiratorio bulvar estimulándolo para aumentar la frecuencia y la profundidad de las respiraciones (respiración de Kussmaul).

Esto acarrea un aumento en la eliminación pulmonar del CO₂ con el cual se da origen a una alcalosis respiratoria que compensa la acidosis metabólica. Los pacientes con acidosis metabólica grave tienen esa respiración como un fenómeno compensatorio y un signo clínico importante.

En el caso de una sobreproducción de protones (acidosis), el riñón elimina protones bajo la forma de fosfato ácido (H₂PO₄^-) y de cloruro de amonio (NH₄⁺Cl^- ). En el siguiente fichero puedes observar estos procesos.

La acción compensadora del riñón sobre el equilibrio ácido-básico se ejerce a tiempos más largos que la acción de los pulmones sobre el mismo proceso, pero su efecto es más duradero. En el caso de una insuficiencia renal se dificulta la acción del riñón en la eliminación de protones por lo que el pH de la sangre tiende a la acidosis (pH menor de 7.4) que puede conducir al coma y a la muerte.

Autoevaluación

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