Sangue, Sudore e sistemi tampone: Regolazione del ph durante l'esercizio fisico

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1 Sangue, Sudore e sistemi tampone: Regolazione del ph durante l'esercizio fisico Proposto da Ivana Cocco e Valentina Devoto Esperimenti sugli equilibri acidobase Autori: Rachel Casiday e Regina Frey Dipartimento di Chimica, Università di Washington St. Louis, MO Per informazioni o commenti su questo tutorial, si prega di contattare R. Frey gfrey@wuchem.wustl.edu Concetti chiave: L'attività fisica e i suoi effetti sull organismo Equilibri acidobase e costanti di equilibrio Come funziona un sistema tampone Aspetti quantitativi: le costanti di equilibrio Aspetti qualitativi: il principio Le Chàtelier il Principio di Le Chàtelier Cambi di direzione dell equilibrio Applicazione al ph del sangue Come l esercizio fisico influisce sull organismo? Molte persone oggi ritengono che l attività fisica sia un modo per migliorare la propria salute e le capacità fisiche. Ma c'è anche la preoccupazione che l eccesso di attività, o attività non adatte per alcuni individui, possa effettivamente fare più male che bene. L'attività fisica ha molti effetti a lungo termine e a breve termine (acuti) che il corpo deve essere in grado di gestire affinché l'esercizio sia utile. Alcuni dei principali effetti acuti dell'attività fisica sono illustrati nella Figura 1. Quando ci alleniamo, aumentano il battito cardiaco, la pressione arteriosa sistolica e la gittata cardiaca (la quantità di sangue pompato per ogni battito del cuore). Il flusso di sangue al cuore, ai muscoli e alla pelle aumenta. Il metabolismo diventa più attivo, producendo CO 2 e H + nei muscoli. Noi respiriamo più velocemente e profondamente per fornire l'ossigeno necessario a questo aumento di metabolismo. Alla fine, con un esercizio fisico intenso, il nostro metabolismo può superare l'apporto di ossigeno e comincia ad utilizzare i processi biochimici alternativi che non richiedono ossigeno. Questi processi generano acido lattico, che entra nel flusso sanguigno. Con l allenamento aumentano la gettata cardiaca e la capacità polmonare, anche quando siamo a riposo, così che si può sostenere un attività fisica più lunga e più dura di prima. Nel corso del tempo, la massa muscolare aumenta, e il grasso viene bruciato per fornire il carburante necessario a produrre l energia per l aumento del metabolismo.

2 Cambiamenti nel sangue: consumo di O 2 produzione di CO 2 produzione di H + produzione di acido lattico aumento di temperatura diminuzione di ph Altri effetti: aumento della velocità di respirazione aumento della velocità cardiaca Figura 1 Questa figura mette in evidenza alcuni dei principali effetti acuti (a breve termine) sull organismo prodotti durante l'esercizio fisico. Cambiamenti chimici nel sangue durante l'allenamento Nei tutorial precedenti (" L'emoglobina e il gruppo eme: complessi metallici nel sangue per il trasporto dell ossigeno "," Ferro: uso e accumulo nel corpo: la ferritina e la sua struttura molecolare "," Mantenimento dell equilibrio chimico: dialisi nei reni ") si è appreso circa il fabbisogno giornaliero richiesto nel sangue per le normali attività quotidiane come mangiare, dormire e studiare. Ora rivolgiamo la nostra attenzione ai concetti chimici e fisiologici che spiegano come il corpo fa fronte alle sollecitazioni determinate dall attività fisica. Come vedremo, molti dei processi che lavorano per mantenere l equilibrio chimico del sangue in condizioni normali sono coinvolti anche nel mantenimento chimico del sangue durante l'attività fisica. Durante l'esercizio fisico, i muscoli consumano ossigeno e trasformano l'energia chimica del glucosio in energia meccanica. L O 2 proviene dall emoglobina del sangue. La CO 2 e l H + vengono prodotti durante la degradazione del glucosio e vengono rimossi dal muscolo attraverso il sangue. La produzione e la rimozione di CO 2 e H +, insieme con l'utilizzo e il trasporto di O 2, causano cambiamenti chimici nel sangue. Questi cambiamenti chimici, a meno che non vengano compensati da altre funzioni fisiologiche, provocano l abbassamento del ph del sangue. Se il ph del sangue diventa troppo basso (inferiore a 7,4), si verifica una condizione nota come acidosi. Questo può essere molto grave, perché molte delle reazioni chimiche che avvengono nell organismo, specialmente quelle che coinvolgono le proteine, sono phdipendenti. Idealmente, il ph del sangue deve essere mantenuto a 7,4. Se il ph scende sotto 6,8 o sale al di sopra 7,8 può sopraggiungere la morte. Fortunatamente, nel sangue abbiamo un sistema tampone che ci proteggere da grandi cambiamenti di ph.

3 Come avvengono gli scambi di sostanze chimiche nel corpo Tutte le cellule del corpo scambiano continuamente sostanze chimiche ( ad esempio: nutrienti, prodotti di rifiuto, ioni) con il fluido esterno che le circonda (Figura 2). Questo fluido esterno (extracellulare), a sua volta, scambia le sostanze chimiche con il sangue che viene pompato in tutto il corpo. La modalità principale di scambio tra questi fluidi (liquidi cellulari, fluido esterno, e sangue) è la diffusione attraverso i canali di membrana, causata da un gradiente di concentrazione tra il contenuto dei fluidi. (Si ricordi l esperienza con gradienti di concentrazione nelle membrane, proteine e dialisi.) Pertanto, la composizione chimica del sangue (e quindi del liquido esterno) è estremamente importante per la cellula. Se, per esempio, il ph del sangue e del fluido extracellulare è troppo basso (troppi ioni H + ), un eccesso di ioni H + entrerà nella cellula. Come accennato in precedenza, il mantenimento del giusto ph è una condizione critica per le reazioni chimiche che avvengono nell organismo. Al fine di mantenere la corretta composizione chimica all'interno delle cellule, la composizione chimica dei fluidi all'esterno delle cellule deve essere mantenuta relativamente costante. Questa costanza è nota in biologia come omeostàsi. Figura 2 Questo schema mostra il flusso delle sostanze attraverso le membrane tra le cellule, il liquido extracellulare, e il sangue nei capillari. Il corpo ha una vasta gamma di meccanismi per mantenere l'omeostasi nel sangue e nei liquidi extracellulari. La modalità principale per mantenere relativamente costante il ph del sangue è determinata da un sistema tampone disciolto nel sangue. Anche alcuni organi contribuiscono a migliorare la funzione omeostatica dei sistemi tampone. I reni aiutano a rimuovere le sostanze chimiche in eccesso dal sangue, come discusso nel tutorial dialisi. Sono i reni che alla fine eliminano (dal corpo) gli ioni H + e gli altri componenti dei sistemi tampone di ph che si accumulano in eccesso. L acidosi che deriva dalla incapacità dei reni di svolgere questa funzione escretoria è nota come acidosi metabolica. Tuttavia, l'escrezione per via renale è un processo relativamente lento e può richiedere troppo tempo per evitare l acidosi acuta derivante da un calo improvviso del ph (ad esempio, durante l'attività fisica). I polmoni rappresentano un modo più veloce per contribuire a controllare il ph del sangue. L aumento del ritmo respiratorio come risposta all attività fisica aiuta a contrastare gli effetti di riduzione del ph, eliminando CO 2, un componente del principale tampone di ph nel sangue. L acidosi che deriva dalla incapacità dei polmoni di eliminare CO 2 alla velocità con cui è prodotto è nota come acidosi respiratoria.

4 Domande sui cambiamenti chimici nel sangue durante l'attività fisica e come avvengono gli scambi di sostanze chimiche nel corpo Perché l attività fisica produce H +? Come l H + generato nelle cellule muscolari durante l'attività fisica può influenzare il ph del sangue in tutto il corpo (cioè, in che modo la concentrazione di H + nelle cellule muscolari influisce sulla concentrazione di H + nel sangue)? Come funzionano i sistemi tampone: una visione quantitativa I reni e i polmoni lavorano insieme per aiutare a mantenere un ph del sangue di 7,4 modificando i componenti del tampone nel sangue. Pertanto, per capire come questi organi possano aiutare a controllare il ph del sangue, dobbiamo prima capire come un sistema tampone funziona in soluzione. I tamponi acidobase conferiscono resistenza al cambiamento di ph di una soluzione quando vengono aggiunti o rimossi ioni idrogeno (protoni) o ioni idrossido. Un tampone acidobase consiste generalmente in un acido debole con la sua base coniugata (sale) (vedi Equazioni 24 nel riquadro azzurro, sotto). I tamponi funzionano perché le concentrazioni di acido debole e del suo sale sono grandi rispetto alla quantità di protoni o ioni idrossido aggiunti o rimossi. Quando da una fonte esterna vengono aggiunti protoni alla soluzione, alcune molecole della base del tampone vengono convertite nell acido debole coniugato (e ciò impiega la maggior parte dei protoni aggiunti), quando alla soluzione si aggiungono ioni idrossido (o, in modo equivalente, vengono rimossi protoni dalla soluzione; vedere equazioni 89 nel riquadro azzurro, sotto), protoni vengono dissociati da alcune delle molecole di acido debole del tampone, che vengono convertite nella base coniugata del tampone (ciò reintegra i protoni rimossi). Tuttavia, il cambiamento di concentrazione di acido e di base deve essere piccolo rispetto alle quantità di queste specie presenti in soluzione. Quindi, il rapporto tra acido e base cambia solo leggermente. Così, l'effetto sul ph della soluzione è di piccole dimensioni, entro certi limiti di quantità di H + o di OH aggiunti o rimossi. Il tampone acido carbonicobicarbonato nel sangue Il sistema tampone più importante per il mantenimento dell'equilibrio acidobase nel sangue è il tampone acido carbonicobicarbonato le cui reazioni di equilibrio sono: Siamo interessati alla variazione del ph del sangue, pertanto, vogliamo un espressione per la concentrazione di H + in termini di costante di equilibrio e concentrazione delle altre specie coinvolte nella reazione (HCO 3, H 2 CO 3 e CO 2 ) (vedi riquadro qui sotto). (1)

5 Riepilogo dei concetti fondamentali di acido e base Un acido è una specie chimica che può donare un protone (H + ), e una base è una specie che può accettare (acquistare), un protone, secondo la comune definizione di Brønstead Lowry. (Un sottoinsieme della definizione BrønsteadLowry per le soluzioni acquose è la definizione di Arrhenius, che definisce un acido come donatore di protoni e una base come produttore di ioni idrossido (OH )). Quindi, la base coniugata di un acido è la specie formata dopo che l'acido ha perso un protone, questa base può poi acquistare un altro protone per tornare alla forma di acido. In soluzione, queste due specie (l'acido e la sua base coniugata) sono in equilibrio. Richiamo della definizione di ph: (2) dove [H + ] è la concentrazione molare di protoni in soluzione acquosa. Quando un acido viene messo in acqua, vengono generati protoni liberi secondo la reazione generale rappresentata dalla formula: Nota : HA e A sono simboli generici rispettivamente per un acido e per la sua forma deprotonata, la base coniugata. L'equazione sopra scritta è utile perché dimostra chiaramente che HA è un acido di Brønstead Lowry (cedendo un protone, diventa A ) e l acqua funge da base (accettando il protone rilasciato da HA). Tuttavia, la nomenclatura H 3 O + è in qualche modo fuorviante, perché il protone è in realtà solvatato da molecole d'acqua. Quindi l'equilibrio è spesso scritto come l'equazione qui sotto, dove H 2 O è la base : La legge di azione di massa e le costanti di equilibrio Utilizzando la legge di azione di massa, che dice che per una equazione chimica bilanciata del tipo (3) (4) (5) in cui A, B, C e D sono specie chimiche e a, b, c, d sono i loro coefficienti stechiometrici, può essere determinato un valore costante, noto come costante di equilibrio (K), dalla espressione: (6) dove le parentesi indicano le concentrazioni delle specie A, B, C e D in condizioni di equilibrio. Costante di equilibrio acidobase Utilizzando la legge di azione di massa, si può definire anche una costante di equilibrio per la reazione di equilibrio di dissociazione dell'acido nell'equazione 4. Questa costante di equilibrio,

6 nota come Ka, è definita dall equazione 7: (7) Costante di equilibrio di dissociazione dell'acqua Una delle più semplici applicazioni della legge di azione di massa è la dissociazione dell'acqua in H + e OH (equazione 8). La costante di equilibrio di questa reazione di dissociazione, nota come Kw, è data da (9) ([H 2 O] non è inclusa nell espressione della costante di equilibrio perché la quantità di acqua non dissociata è molto grande e può essere considerata costante.) Quindi, possiamo vedere che l'aumento della concentrazione di OH in una soluzione acquosa ha l'effetto di diminuire la concentrazione di H +, perché il prodotto di queste due concentrazioni deve rimanere costante a una data temperatura. Così, in acqua, l'equilibrio nell equazione 8 evidenzia l equivalenza tra la definizione di base secondo BrønsteadLowry (un accettore di H + ) e la definizione di base di Arrhenius (un produttore di OH (8) Per mostrare più chiaramente le due reazioni di equilibrio nel tampone acido carbonicobicarbonato, viene riscritta l equazione 1 per dimostrare il coinvolgimento diretto dell acqua: (10) L'equilibrio a sinistra è una reazione acidobase scritta in modo inverso rispetto alla formula 3. L acido carbonico (H 2 CO 3 ) è l'acido e l'acqua è la base. La base coniugata di H 2 CO 3 è HCO 3 (ione bicarbonato). (Nota: Per visualizzare la struttura tridimensionale di HCO 3, consultare la tabella degli ioni comuni nel tutorial Proprietà periodiche da Chem 151.) L'acido carbonico si dissocia rapidamente con produzione di anidride carbonica e acqua, come mostrato nella parte destra dell equazione di equilibrio 10. Questo secondo processo non è una reazione acidobase, ma è importante per la capacità tampone del sangue, come possiamo vedere dalla formula 11, qui di seguito riportata.. (11) La derivazione di questa equazione è mostrata nel riquadro giallo, qui di seguito. Si noti che l'equazione 11 è in una forma simile all equazione di HendersonHasselbach, presentata nella introduzione al Experiment (equazione 16 nel manuale di laboratorio). L'equazione 11 non soddisfa la definizione rigorosa di una equazione di HendersonHasselbach, perché questa equazione tiene conto di una reazione non acidobase ( cioè, la dissociazione dell'acido carbonico in anidride carbonica e acqua), e il rapporto tra parentesi non è il rapporto di concentrazione tra l acido e la sua base coniugata. Tuttavia, il rapporto indicato nella equazione 11 è spesso definito nelle applicazioni fisiologiche come equazione di Henderson Hasselbach per il tampone.

7 Nell equazione 11, pk è uguale al log negativo della costante di equilibrio K, per il tampone (equazione 12). dove K = K a / K 2 (dall equazione 10). Questa quantità fornisce un'indicazione del grado in cui HCO 3 reagisce con H + (o con H 3 O +, come scritto nell equazione 10) per formare H 2 CO 3, e successivamente per formare CO 2 e H 2 O. Nel caso del tampone bicarbonatoacido carbonico, pk = 6.1 alla temperatura corporea normale. (12) Derivazione dell'equazione di ph per il tampone acido carbonicobicarbonato Potremmo iniziare col definire la costante di equilibrio, K 1, per la parte sinistra della reazione nell equazione 10, utilizzando la legge di azione di massa: K a (vedi equazione 9, sopra) è la costante di equilibrio per la reazione acidobase che è la reazione inversa della parte sinistra della reazione nell equazione 10. Ne consegue che la formula per K a è: (13) La costante di equilibrio, K 2, per la parte destra della reazione nell equazione 10 è anche definita dalla Legge di Azione di Massa: Poiché le due reazioni di equilibrio nell equazione 10 si verificano contemporaneamente, equazioni 14 e 15 possono essere considerate come due equazioni simultanee. Risolvendo per la concentrazione di equilibrio di acido carbonico si ha: (14) (15) La riorganizzazione dell equazione 16 ci permette di ottenere la concentrazione di equilibrio dei protoni in termini di due costanti di equilibrio e dellle concentrazioni delle altre specie: (16). (17) Poiché siamo interessati al ph del sangue, prendiamo il log negativo di entrambi i lati dell'equazione 17:, (18)

8 Ricordando le definizioni di ph e pk (equazioni 2 e 12, sopra), l'equazione 18 può essere riscritta utilizzando la notazione più convenzionale, per dare il rapporto indicato nella equazione 11, che è riscrito qui di seguito: Come mostrato nella equazione 11, il ph della soluzione tampone ( cioè, del sangue) dipende solo dal rapporto tra la quantità di CO 2 e la quantità di HCO 3 (ione bicarbonato) presenti nel sangue ( ad una data temperatura, in modo che pk rimanga costante ). Questo rapporto rimane relativamente costante, in quanto le concentrazioni di entrambi i componenti del tampone (HCO 3 e CO 2 ) sono molto grandi, rispetto alla quantità di H + aggiunto al sangue durante le normali attività ed esercizio fisico moderato. Quando H + viene aggiunto al sangue in seguito a processi metabolici, la quantità di HCO 3 (relativo alla quantità di CO 2 ) diminuisce, tuttavia, l'ammontare della variazione è molto piccola rispetto alla quantità di HCO 3 presente nel sangue. Questo effetto tampone ottimale si verifica quando il ph è all'interno di circa una unità di ph dal valore di pk per il sistema tamponante, cioè, quando il ph è tra 5,1 e 7,1. Tuttavia, il ph del sangue normale di 7,4 è al di fuori dell intervallo ottimale di tamponamento, quindi, l'aggiunta di protoni al sangue a causa di un intensa attività fisica potrebbe essere troppo grande per permettere al solo tampone di controllare efficacemente il ph del sangue. Quando questo accade, altri organi devono aiutare a controllare la quantità di CO 2 e HCO 3 nel sangue. I polmoni devono eliminare l'eccesso di CO 2 dal sangue (contribuendo ad aumentare il ph attraverso lo spostamento dell equilibrio nell equazione 10), ed i reni devono rimuovere l eccesso di HCO 3 dal corpo (contribuendo ad abbassare il ph). La rimozione dal sangue di CO 2 da parte dei polmoni è in qualche modo ostacolata durante l'esercizio fisico, quando la frequenza cardiaca è molto rapida: il sangue viene pompato attraverso i capillari molto velocemente, e così nei polmoni c'è poco tempo per effettuare lo scambio tra l'anidride carbonica e l ossigeno. I modi in cui questi tre organi aiutano a controllare il ph del sangue, attraverso il sistema tampone bicarbonato, sono evidenziati nella figura 3, qui di seguito. I polmoni rimuovono la CO 2 I reni rimuovono l HCO 3 L alta velocità cardiaca ostacola la rimozione di CO 2 Figura 3 Questa figura mostra i principali organi che aiutano a controllare la concentrazione ematica di CO 2 e HCO 3 e che, quindi, aiutano a controllare il ph del sangue. La rimozione di CO 2 dal sangue aiuta ad aumentare il ph. La rimozione di HCO 3 dal sangue aiuta ad abbassare il ph.

9 Perché la capacità tampone è ottimale a ph = pk Perché il potere tampone del sistema acido carbonicobicarbonato è maggiore quando il ph è vicino al valore di pk, ma minore a valori di ph del sangue normali? La risposta a questa domanda sta nella forma della curva di titolazione per il sistema tampone, che è mostrata in Figura 4, qui di seguito. Curva di titolazione per il sistema bicarbonatobuffer È possibile tracciare una curva di titolazione per questo sistema tampone, così come avete fatto per la vostra soluzione acidobase nell esperimento sugli equilibri. In questo grafico, l'asse verticale mostra il ph della soluzione tampone (in questo caso, il sangue). L'asse orizzontale mostra la composizione del tampone: nella parte sinistra del grafico, la maggior parte del tampone è in forma di acido carbonico o anidride carbonica, nella parte destra del grafico, la maggior parte del tampone è in forma di ione bicarbonato. Si noti che con l'aggiunta di acido comporta la diminuzione del ph e sposta il sistema verso una maggiore concentrazione di H 2 CO 3 e CO 2. Al contrario, come si aggiunge una base, il ph aumenta e il tampone si sposta verso una maggiore concentrazione HCO 3 (Equazione 10). Figura 4 Questa è la curva di titolazione per il tampone acido carbonicobicarbonato. Si noti che il ph del sangue (7,4) si trova fuori della zona di maggiore capacità di tamponamento (zona verde). Nota: La percentuale di tampone sotto forma di HCO 3 è data dalla formula: (19)

10 La pendenza della curva è piatta dove il ph è uguale al valore di pk (6,1) del tampone. Qui il potere tampone è massimo perché uno spostamento delle concentrazioni relative di anidride carbonica e bicarbonato produce solo una piccola variazione del ph della soluzione. Tuttavia, a valori di ph superiori a 7,1, la pendenza della curva è molto maggiore. Qui, un cambiamento nella concentrazione relativa di anidride carbonica e di bicarbonato produce un grande cambiamento nel ph della soluzione. Quindi, al ph fisiologico del sangue di 7,4, gli altri organi devono aiutare a controllare la quantità di HCO 3 e CO 2 nel sangue per mantenere il ph relativamente costante, come descritto sopra. Altri sistemi phtampone nel sangue Altri sistemi tampone esercitano un ruolo minore del tampone acido carbonicobicarbonato nella regolazione del ph del sangue. Il tampone fosfato è costituito da acido fosforico (H 3 PO 4 ), in equilibrio con lo ione diidrogeno fosfato (H 2 PO 4 ) e H +. Il pk del tampone fosfato è di 6,8, che consente a questo sistema di funzione della sua gamma di tamponamento ottimale a ph fisiologico. Il tampone fosfato svolge solo un ruolo minore nel sangue, però, perché H 3 PO 4 e H 2 PO 4 sono presenti nel sangue in concentrazione molto bassa. Anche l'emoglobina agisce anche come un tampone ph nel sangue. Si ricorda, dall "Emoglobina" tutorial da Chem 151, che la proteina emoglobina può legare reversibilmente sia H + (alla proteina) sia O 2 (al Fe del gruppo eme), ma che quando una di queste specie viene legata, l'altra è rilasciata (come spiegato nell'effetto Bohr). Durante l'attività fisica, l'emoglobina aiuta a controllare il ph del sangue legando alcuni dei protoni in eccesso che si generano nei muscoli. Allo stesso tempo, rilascia ossigeno molecolare per l'uso da parte dei muscoli. Domande su come funzionano i sistemi tampone: una visione quantitativa Se il sangue avesse un ph normale di 6,1 invece di 7,2, vi aspettereste una respirazione pesante in seguito all esercizio fisico? Giustificare la risposta. Come si differenzia un grafico come quello riportato in Figura 4 per il sistema tampone fosfato? Spostamento dall equilibrio: una visione qualitativa La discussione di cui sopra considera le variazioni di ph quantitativamente. Queste variazioni di ph possono essere descritte anche qualitativamente. Un punto di vista qualitativo è molto utile per prevedere come il ph si modifica in risposta alle condizioni esterne (come l'esercizio fisico). Il principio utilizzato per questo punto di vista qualitativo è conosciuto come Principio di Le Châtelier. Il principio di Le Châtelier Quando un reagente o prodotto di una reazione di equilibrio viene aggiunto a una soluzione che è in equilibrio, le specie aggiunte reagiranno per cambiare le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti in soluzione fino a quando si stabilirà un nuovo equilibrio (ma il rapporto tra le concentrazioni dato nell'espressione azione di massa (Equazione 6) è lo stesso, perché la costante di equilibrio, K, è una costante a una data temperatura). Questo processo è noto come un spostamento nell'equilibrio. Nel 1884, Henri Le Châtelier sviluppò una regola per prevedere come un sistema in equilibrio si sposterà quando le condizioni del sistema vengono cambiate. Sebbene questa regola può semplificare troppo i cambiamenti che si verificano in determinate situazioni, è un utile e potente strumento per predire il senso dello spostamento dell'equilibrio. Il principio di Le Châtelier afferma che "se un cambiamento delle condizioni ('stress' [esterno]) viene imposto ad un sistema in equilibrio, la posizione dell equilibrio si sposterà nella direzione che tende a ridurre tale cambiamento di condizioni "

11 (Zumdahl, 208). Per esempio, se viene aumentata la concentrazione di uno dei prodotti di una reazione di equilibrio in una soluzione che fosse all equilibrio (prima dell aumento di concentrazione), l'equilibrio si sposterà in modo da ridurre la concentrazione del prodotto, cioè, verrà generato più reattivo. Naturalmente, si avrebbe lo spostamento inverso dell equilibrio quando viene diminuita la concentrazione di un prodotto. Anche l'effetto di una variazione di temperatura può essere previsto dal principio di Le Châtelier. (In caso di un cambiamento di temperatura, la costante di equilibrio in realtà cambia.) Se una reazione è esotermica, il "calore" è trattato come un "prodotto" (ad esempio: A + B à C + D + "calore"). Se una reazione è endotermica, il "calore" è trattato come un "reagente" (ad esempio: "calore" + A + B à C + D). L'aumento della temperatura può essere pensato come l aumento della quantità di "calore" nella reazione. Nella tabella sottostante sono riportati esempi di sollecitazioni esterne e dello spostamento dall'equilibrio previsto dal principio di Le Châtelier. Stress esterno Variazione di pressione Aumento della concentrazione di reagente (s) Aumento della concentrazione di prodotto (s) Aumento della temperatura (reazione esotermica) Aumento della temperatura (reazione endotermica) Pronostici Equilibrium Shift Effetto solo sui gas. L'equilibrio si sposta verso i prodotti (a destra). L'equilibrio si sposta verso i reagenti (a sinistra). L'equilibrio si sposta verso i reagenti (a sinistra). L'equilibrio si sposta verso i prodotti (a destra). Esempio: la rimozione di bicarbonato da parte dei reni Il principio di Le Châtelier può essere usato per spiegare come i reni aiutano a prevenire l aumento eccessivo del ph del sangue (una condizione nota come alcalosi ). Quando il ph del sangue è troppo alto, i reni sottraggono ioni bicarbonato (HCO 3 ) dal sangue. Come i reni abbassano la concentrazione di HCO 3 del sangue, la reazione di equilibrio in equazione 10 si sposta verso sinistra per compensare la perdita di HCO 3, secondo il principio di Le Châtelier. Quando l'equilibrio si sposta a sinistra, vengono generati più ioni H + e ioni HCO 3. Di conseguenza, il ph diminuisce. Domande sullo spostamento dall equilibrio: una visione qualitativa Un team di medici di emergenza visita un atleta olimpico e determina che ha alcalosi. Quale componente del tampone acido carbonicobicarbonato dovrebbe essere dato l'atleta per diminuire il ph del sangue? L iperventilazione (determinata da respiro rapido e profondo, che riduce la concentrazione di CO 2 nel sangue) provoca vertigini. a. Come l'iperventilazione influenza il ph del sangue (cioè, il ph è aumentato o diminuito a seguito all iperventilazione)? Spiegare brevemente la risposta data in termini di spostamenti di equilibrio. b. Il trattamento normale di pronto soccorso per l'iperventilazione consiste nel far respirare il paziente con un sacchetto di carta posto sulla bocca e sul naso. Spiegare, in

12 sintesi, perché questo trattamento funziona e dire che effetto ha sul ph del sangue il trattamento con il sacchetto di carta. (*) (*) [N.d.T.: Vedi supplemento] Riassunto: Che cosa succede al sangue durante l'attività fisica? Quando si fa attività fisica, molti dei processi che abbiamo discusso in questo e in precedenti tutorial lavorano insieme per determinare in che modo cambierà il ph del sangue (Figura 5). Figura 5 Questo diagramma mostra le direzioni di diffusione di H +, CO 2 e O 2 tra il sangue e le cellule muscolari durante l'esercizio fisico. Le variazioni di concentrazione risultanti influenzano gli equilibri del sistema tampone, come mostrato nella destra in alto del diagramma (giallo). La procedura descritta di seguito illustra i processi che influenzano il sistema tampone nel sangue durante l'esercizio fisico. L'emoglobina trasporta O 2 dai polmoni ai muscoli attraverso il sangue. I muscoli hanno bisogno di più O 2 rispetto al normale, perché la loro attività metabolica aumenta durante l'esercizio fisico. La quantità di ossigeno nei muscoli quindi diminuisce, con conseguente creazione di un gradiente di concentrazione tra le cellule muscolari e il sangue nei capillari. L'ossigeno si diffonde dal sangue ai muscoli, attraverso questo gradiente di concentrazione. I muscoli producono CO 2 e H + in seguito ad un aumento del metabolismo, determinando la creazione di gradienti di concentrazione nella direzione opposta al gradiente di O 2. La CO 2 e H + fluiscono dai muscoli al sangue, attraverso questi gradienti di concentrazione. L'azione tampone dell emoglobina raccoglie l'h + e la CO 2 extra.

13 Se la quantità di H + e CO 2 superano la capacità tampone dell emoglobina, esse influenzano l'equilibrio acido carbonico (Equazione 10), come previsto dal principio di Le Châtelier, anche quantitativamente in termini di costanti di equilibrio. Come risultato, il ph del sangue si abbassa, causando acidosi. I polmoni e reni rispondono alle variazioni di ph, eliminando CO 2, HCO 3 e H + dal sangue. Pertanto, l'organismo ha sviluppato processi chimici finemente sintonizzati (basati su sistemi tampone ed equilibri acidobase), che funzionerà in combinazione per gestire i cambiamenti che l'esercizio fisico produce. Ulteriori link: In questo sito della Tulane University si parla di le opzioni di trattamento metabolico di acidosi. Riferimenti: Brown, Lemay, e Bursten. Chemistry: the Central Science, 7 ed. p Vander, A. et al. Human Phisiologiy, 6 ed. WCB McGrawHill, Boston, 1994, p , 4923, Zumdahl Chem. Principles, 4 ed.p. 1925, Ringraziamenti: Gli autori ringraziano Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor e Carolyn Herman per molti suggerimenti utili alla stesura di questo tutorial. Lo sviluppo di questa esercitazione è stato sostenuto da un finanziamento del Howard Hughes Medical Institute, attraverso il Undergraduate Biological Sciences Education program, Grant HHMI# Washington University. Copyright 1999, Università di Washington, tutti i diritti riservati. SUPPLEMENTO L perventilazione è la condizione in cui la persona avverte la sensazione di non avere abbastanza aria a disposizione (fame d'aria), per cui inizia a respirare affannosamente cercando di introdurre nei polmoni più aria che può. Le cause di questa situazione hanno quasi sempre un'origine emotiva o psicologica: è facile infatti che cominci a iperventilare chi si trova sottoposto a grande tensione oppure chi vive un momento di forte emozione. Il problema in sé non è mai grave anche se l'ossigeno, entrando nei polmoni in quantità eccessiva, dopo un po' di tempo causa una contrazione e un irrigidimento dei muscoli, accentuando la sensazione di soffocamento. A questo punto è facile che si crei una sorta di circolo vizioso, per cui la persona invece di smettere di iperventilare continua a farlo con maggior vigore, peggiorando la situazione. Un'iperventilazione protratta a lungo, oltre che provocare contrazioni muscolari, può anche dare luogo a una sensazione di stordimento e a formicolii agli arti, alle dita di mani e piedi, alle labbra e alla lingua. Nel caso in cui si sia certi di trovarsi di fronte a un problema di iperventilazione si deve porre un sacchetto di carta (va bene quello del pane) sulla bocca e sul naso di chi sta iperventilando, in modo che vi respiri dentro. Così facendo la persona, invece di introdurre ossigeno nuovo, respira l'anidride carbonica, situazione che permette ai muscoli di rilassarsi. La respirazione nel sacchetto deve protrarsi per circa un minuto ed alternarsi ad un minuto di respirazione all'aria, passato il quale si deve riprendere il sacchetto. In pratica, si deve respirare un minuto nel sacchetto e un minuto fuori dal sacchetto fino alla risoluzione della crisi. In genere nel giro di cinque sei minuti la situazione ritorna alla normalità. In caso contrario è necessario accompagnare subito la persona al Pronto Soccorso. Nell'eventualità, peraltro rarissima, in cui la persona diventi cianotica non appena inizia a iperventilare è necessario chiamare l'ambulanza immediatamente, senza attardarsi con il metodo del sacchetto. In questo caso, infatti, l'iperventilazione non ha una causa di natura psicologica, ma probabilmente dipende da un'alterazione delle funzioni respiratorie, emergenza che può essere risolta solo in ambito ospedaliero. [da