Fisiologia Renale 3. Equilibrio acido-base: Principi generali e fisico chimica

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1 Fisiologia Renale 3. Equilibrio acido-base: Principi generali e fisico chimica Fisiologia Generale e dell Esercizio Carlo Capelli Facoltà di Scienze Motorie, Università di Verona

2 Obiettivi Definizione e concetto di ph Costante di ionizzazione dell acqua e ph di neutralità ph di neutralità e temperatura Sostanze tampone: definizione e funzionamento Potere tampone (cosa è e da che cosa dipende) Amfoteri

3 Misura dell acidità di una soluzione Definizione di acido: qualsiasi sostanza chimica che può donare un idrogenione Definizione di base: qualsiasi sostanza chimica che può accettare un idrogenione Misura dell acidità di una soluzione Il grado di acidità di una soluzione acquosa è proporzionale alla concentrazione (attività) degli ioni H + liberi Acqua distillata come riferimento: [H + ] = [OH - ]; soluzioni acide [H + ] > [OH - ] H O 2 H + OH + - H OH HO + - [ ] 2 = K

4 Costante di dissociazione dell acqua K è uguale a a 24 C: solo 1,8 molecole su 10 milioni si miliardi sono dissociate Pertanto, la concentrazione dell acqua indissociata può essere ritenuta costante: 1000/18 = 55.5 M Il termine [H 2 O] può quindi essere portato a destra dell uguale ed inglobato in una nuova costante K w (costante di ionizzazione dell acqua) + H - OH = K [ H O ] = K 2 w Poiché nell acqua distillata [H + ] = [OH - ] e poiché a 24 C K w = 10-14, si ha H = Kw = OH = K w = 10-7

5 ph = 1 log H ( + ) = -log H ( + ) ph poh = 1 log OH ( - ) = -log OH ( - ) Nell acqua distillata a 24 C, ph = poh =7

6 Il ph è una scala logaritmica Variazioni di un unità ph riflettono variazioni di 10 volte della concentrazione di idrogenioni Un raddoppio di [H + ] comporta una variazione del ph di 0.3 ph = 0 quando [H + ] = 1M ph < 0 quando [H + ] > 1M

7 Il ph di neutralità e temperatura La costante di ionizzazione dell acqua aumenta con la temperatura dell acqua Di conseguenza, il ph di neutralità aumenta con la temperatura Temperatura ( C) Kw phn Temperatura ( C) Kw phn

8 ph corporeo a 37 C pha phv phi riposo 7,40 ± 0,02 7,38 ± 0,02 7,00 lavoro muscolare intenso 6,95 6,80 6,40 I valori di ph si riferiscono alla temperatura corporea di 37 Negli animali eterotermi, invece, il ph del sangue varia in funzione della temperatura corporea dell animale, mantenendosi costantemente di circa 0,66 unità ph al di sopra della neutralità Problema: T corporea a 28 (anestesia) ---> ph 7,4 acido poiché a 28 phn = 6,95, nettamente superiore a phn a 37 (6,81) Quindi, se si volesse mantenere la stessa alcalinità relativa che si ha a 37, il ph dovrebbe essere portato a 7,61 (6,95 + 0,66)

9 ph corporeo Compartimento Succo gastrico Lisosomi Granuli cromaffini phn a 37 C Citosol CSF Plasma arterioso Matrice interna mitocondriale Succo pancreatico ph

10 Tamponi fisiologici-introduzione Sono la barriera più immediata alle variazioni del ph dei liquidi corporei Intervengono ben prima dei sistemi (rapidi) respiratori e di quelli (lenti) renali P.E., nell esercizio muscolare intenso si può giungere ad una concentrazione 20 mm di lattato completamente dissociato In assenza di tamponi plasmatici, questa situazione corrisponderebbe a un ph del plasma di 1,7! Ciò non avviene perché gli idrogenioni che si riversano nel plasma si combinano istantaneamente con i tamponi plasmatici e scompaiono dalla soluzione.

11 1. Sostanze tampone Definizione Una sostanza tampone consuma o rilascia reversibilmente H + In questo modo, previene notevoli variazioni di [H + ] (n+1) (n) + HB B + H HB (n+1) : acido debole B (n) : base debole coniugata La concentrazione totale del tampone (TT) è: (n+1) (n) [ TT ] = HB + B

12 2. Sostanze tampone Esempi + NH Acido Debole 4 HCO 2 3 HPO NH Base coniugata debole 3 HCO - 3 HPO H H H Ogni reazione tampone è governata dalla sua costante di dissociazione K secondo quanto previsto dalla legge d azione di massa K = B (n) H + (n+1) HB

13 3. Sostanze tampone In forma logaritmica: ph = pk + log B HB (n) (n+1) E evidente che, quando ph = pk, le concentrazioni della forma dissociata ed indissociata dovranno essere uguali Aggiunta di una piccola quantità di acido forte (p.e. HCl) ad una soluzione tampone + - (n) (n+1) - H + Cl + B HB + Cl La piccola quantità di H + che non è tamponata rimane in soluzione ed è responsabile della diminuzione del ph

14 4. Sostanze tampone Aggiunta di una piccola quantità di base forte (p.e. NaOH) ad una soluzione tampone Na + + OH - + HB (n+1) Na + + B (n) +H O La piccola quantità di OH - che non è tamponata si equilibra con H 2 O e H + ed è responsabile dell aumento del ph 2 Esempio Soluzione con 50 mmoli/litro acido acetico (pk 4,75 a 25 C) e 50 mmoli di acetato di sodio Rapporto tra molecole dissociate ed indissociate di acido acetico: 1/ Quindi lo si può considerare praticamente indissociato L acetato è completamente dissociato in CH 3 COO - e Na +

15 Esempio (continua) 5. Sostanze tampone ph = log = 4.75 Si aggiunge un ml di soluzione M di HCl (acido forte) ad un litro di questa soluzione Ciò comporta l aggiunta di una mmole di ioni H + che si combineranno con l anione acetato riducendone di 1 mmole la concentrazione ed aumentando di altrettanto quella della forma indissociata ph = log = = 4.73 Il ph è variato solo di unità Se si fosse aggiunta ad 1 l di acqua distillata la stessa quantita di HCl, la concentrazione di H + sarebbe passata da 10-7 a 10-3 ed il ph da 7 a 3

16 1. Potere tampone Potere tampone molare: le moli (millimoli) necessarie a spostare di un unità ph di una soluzione contenente una mole (millimole) di tampone β: la quantità di acido o di base, espressa in moli ( A) che dobbiamo aggiungere ad un litro di soluzione per ottenere una variazione di un unità ph β = ΔA ΔpH β della soluzione di acido acetico: 0.001/0.017 = è 256 volte maggiore di quello dell acqua distillata: 0.001/4 = Dipende dalla concentrazione della sostanza tampone Dipende dal valore del pk dell acido debole rispetto al ph che si desidera controllare

17 Esempio 2. Potere tampone Concentrazione di acetato di 90 mm e quella di acido acetico 10 mm ph = log Aggiungiamo 1 mmole di H + ph = log ph è variato di unità β = ΔA ΔpH = = volte inferiore rispetto al caso precedente = = = = 3.745

18 3. Potere tampone Quindi Il potere tampone è massimo quando il valore del rapporto tra forma dissociata ed indissociata è uguale a 1 Ovvero quando ph = pk Inoltre dipende dalla concentrazione delle due specie Unità di misura: slyke (sl). Ogni gruppo ionizzabile al ph = pk debole ha un potere tampone di 0.57 sl

19 4. Potere tampone Acidi o basi polivalenti Vi sono vari punti di massimo potere tampone Essi sono in corrispondenza dei valori di pk delle varie dissociazioni Esempio dell acido fosforico

20 1. Amfoteri Sostanze che contengono un gruppo acido (capace di cedere H + ) ed un gruppo basico (capace di legare H + ) - aminoacidi e proteine Può essere esemplificata con un aminoacido tipo NH 2 -R-COOH NH 2 -R-COOH H + + NH 2 -R-COO - NH 2 -R-COOH + H + H + NH 2 -R-COOH Le corrispondenti costanti di dissociazioni sono + H NH2 -R-COO NH -R-COOH [ ] 2 - = Ka + H NH2 -R-COOH H-NH-R-COOH [ ] [ ] + 2 = Kb

21 2. Amfoteri Punto isoelettrico: valore di ph al quale le parti dissociate come acido e come base sono uguali (ph PI ) + H = Ka Kb ( ) ph PI = 0.5 (pka + pkb) Se ph della soluzione < ph PI, prevale la dissociazione della sostanza come base Se ph della soluzione > ph PI, prevale la dissociazione della sostanza come acido Per la grande maggioranza delle proteine ai valori di ph del sangue prevale la dissociazione come acido

22 Bibliografia Fisiologia dell Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo 18: Controllo nervoso ed umorale dl sistema respiratorio ed equilibrio acido-base