Ph y soluciones amortiguadoras

pH Y SOLUCIONES AMORTIGUADORAS

Todos los organismos cuyas reacciones bioquímicas ocurren en medio acuoso funcionan a valores muy restringidos de pH. A nivel molecular, la mayoría de los procesos biológicos ocurren a pH entre 6 y 9. Ciertos grupos funcionales presentes en las moléculas biológicas pueden comportarse como ácidos o bases débiles. Por ello su estado de ionización dependerá de la concentración de protones del medio. Si se tiene en cuenta que la mayoría de las enzimas van a presentar este tipo de grupos ionizables en su centro activo, se comprenderá el importante papel que puede tener una pequeña fluctuación del pH celular. Tanto en el medio intracelular como extracelular será por lo tanto imprescindible una regulación del pH para que las moléculas puedan operar de manera óptima.

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La acidosis respiratoria ocurre cuando el pH sanguíneo baja como resultado de una disminución de la respiración. Si se restringe la respiración, la [CO2] disuelto aumenta haciendo más ácida la sangre.  Esta condición aparece en casos de asma, neumonía, enfisema e inhalación de humo. La acidosis metabólica ocurre por una disminución del pH sanguíneo por liberación de excesivas cantidades de sustancias acídicas en la sangre. Se genera cuando se somete al cuerpo a una actividad física prolongada y extenuante, cuando se es diabético o cuando se restringe el consumo de alimentos. La respuesta normal del cuerpo ante esta condición es aumentar la frecuencia respiratoria a fin de disminuir la cantidad de dióxido de carbono disuelto en sangre. Si se produce más CO2 que el que se puede eliminar, el pH disminuirá significativamente comprometiendo la vida.

La alcalosis respiratoria resulta de una respiración excesiva que provoca un aumento en el pH sanguíneo. La hiperventilación hace que mucho CO2 disuelto sea removido de la sangre, que disminuya la concentración de ácido carbónico y que, como consecuencia, el pH aumente. A menudo, la persona hiperventilada se desmaya para desacelerar su respiración. La alcalosis metabólica es un aumento del pH sanguíneo por la liberación de equivalentes alcalinos en la sangre o por la pérdida de equivalentes ácidos. A veces es causada por ingesta de sustancias alcalinas o por el abuso de diuréticos.

¿Cómo se controla el pH fisiológico?

1. Eliminando o reteniendo metabolitos

1. Activando reacciones que producen (en caso de alcalosis) o consumen (en caso de acidosis) protones.

1. Usando amortiguadores biológicos (vea al final de este material)

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PREPARANDO AMORTIGUADORES

En las reacciones bioquímicas participan muchas biomoléculas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) cuya estructura y función se ven afectadas por cambios bruscos en el pH de la solución. El uso de amortiguadores permite mantener el pH de la solución dentro de un rango que no comprometa la actividad de dichas biomoléculas.

La mayoría de los buffers usados en bioquímica son pares conjugados de ácidos y bases débiles. La relación matemática más útil para cálculos previos es la ecuación de Henderson y Hasselbalch:

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Si el pH > pKa, la relación molar más conveniente es

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Si pKa > pH conviene usar

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en donde [HA] es la concentración del ácido conjugado y [A-] es la concentración de la base conjugada, una vez alcanzado el equilibrio.

El valor ideal o termodinámico es el pKa que se calcula usando actividades. El valor práctico o pKa' se calcula a partir de concentraciones molares y debe corregirse cuando hay diferencias considerables de fuerza iónica (μ) o de temperatura de acuerdo a las siguientes relaciones matemáticas:

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donde  n es el número de cargas en el ácido conjugado. pK´a  se aproxima al pKa si la fuerza iónica se aproxima a cero.

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EJERCICIO 1

Describa la preparación de 50 ml de MES a pH 7.4 y 0.03 M para usarlo a 42°C partiendo de:

1. Mezcla de MES ácido  con MES básico ó
2. Neutralización de MES básico con HCl concentrado (37% , 1.18 g/ml) ó
3. Neutralización de MES ácido con NaOH 0.62 N
4. Calcule la fuerza iónica de la solución.
5. Evalúe su eficiencia si se usara en una reacción que produce 1.5 x 10-4M de H+
6. Evalúe su eficiencia si se usara en una reacción que consume 3.0 x 10-2M de H+

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1. Ecuación química involucrada: mezcla de ambas especies hasta lograr el equilibrio.

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1. Moles totales (ηtotal) del buffer: ηHA +  ηA-

ηtotal  =  (Vt)([M]t)  =   (0.05 litros)(0.03 mol/l) =  1.5 x 10-3 mol

1. Corrección del pKa.  Debe hacerse por dos razones: a) El buffer será usado a una temperatura (42°C) diferente a la cual fue estandarizado (20°C) y b) MES sufre alteración considerable en su equilibrio al cambiar la temperatura del sistema. Busque datos de temperatura, pKa y otros en la tabla adjunta.

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1. Razón molar de las especies conjugadas de MES.

            Dado que pH > pKa, conviene calcular la relación:

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El total de partes en el sistema es  31.05 + 1 =  32.05.

1. Fracción molar de cada componente (xespecie). Este dato permite calcular los moles, la molaridad y el porcentaje de cada componente:

xMES =  31.05 / 32.05 =  0.9688

xMES+  =  1 / 32.05  =  0.0312

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