Tamponi Biologici. AO/Febbraio 2016

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1 Tamponi Biologici AO/Febbraio 2016

2 Le soluzioni tampone Le soluzioni tampone contengono una coppia acido-base coniugata in cui le concentrazioni di acido e di base, entrambi non forti, sono circa dello stesso ordine di grandezza. Le soluzioni tampone sono soluzioni che resistono al cambiamento del ph per moderate aggiunte di acido o di base. 2

3 Come si realizza un tampone? Un tampone è generalmente costituito da due soluti, uno che si comporta come acido debole di Brønsted, l altro come base debole di Brønsted. Se l acido è molecolare, la base coniugata è fornita da un sale solubile dell acido. È possibile preparare tamponi che funzionino ad un dato valore di ph scegliendo un acido debole e un suo sale, negli opportuni rapporti molari-

4 Come funziona un tampone? Una sostanza del tampone neutralizza gli H+ eventualmente aggiunti alla soluzione mentre l altra sostanza neutralizza gli OH-. Consideriamo un sistema tampone del tipo HA/A-: Quando aggiungiamo H+ (da un acido forte) al tampone, la base debole coniugata reagisce nel seguente modo: H+(aq) + A-(aq) HA(aq) Quando aggiungiamo OH- (da una base forte) al tampone l acido debole HA del tampone reagisce nel seguente modo: HA(aq) + OH-(aq) A-(aq) + H2O

5 L'equazione di Henderson-Hasselbalch Il ph di una soluzione tampone si calcola con la relazione dove C a = concentrazione iniziale di acido C s = concentrazione del sale disciolto Quando prepariamo un tampone in modo che le concentrazioni dei due componenti siano uguali, il rapporto Cs/Ca risulta uguale a 1, quindi il fattore principale è il pka dell acido debole. 5

6 Quando funziona un tampone? Quando il ph è uguale al pka si hanno le minime variazioni di ph all aggiunta di acidi o di basi Un tampone funziona bene se il ph SOLUZIONE pka -1 < < pka +1 Per l acido acetico il pk =4.7 Qual è il range di ph a cui lo usereste come tampone?

7 Esempio di risposta: Acido Acetico pka= 4,7 A bassi valori di ph (per es. ph 3.7) la forma dominante nell equilibrio chimico è l acido acetico, mentre ad alti valori di ph (per es. ph 5.7) la forma dominante è quello dello ione acetato. Quando il ph = pk a, l acido acetico (CH 3 COOH) è dissociato al 50%. CH 3 COOH + H 2 O H 3 O + + CH 3 COO -

8 Importante! La scelta di una soluzione tampone dipende sempre dal valore di ph che deve essere mantenuto costante Il ph del sangue è mantenuto costante da alcuni soluti che svolgono una efficace azione tampone; nell uomo sano a riposo il ph del sangue è 7,35-7,45 (arterioso 7,4 venoso 7,37) Tampone acido acetico/acetato: è un tampone utile a mantenere il ph di una soluzione intorno a 5, e non al valore fisiologico di 7,4 quindi non è adatto all utilizzo negli organismi viventi.

9 Regolazione ph nell organismo Il ph dei fluidi del'organismo, in particolare del sangue, è regolato attraverso un complesso meccanismo omeostatico. Esistono principalmente tre sistemi tampone: 1. diidrogenofosfato - idrogenofosfato H 2 PO 4- + H 2 O = H 3 O + + HPO acido carbonico - idrogenocarbonato CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = H + + HCO 3 3. proteine - anioni proteinato proteina = H + + ione proteinato - Se il ph raggiunge valori inferiori a 7.35 e superori a 7.45, i patologi parlano rispettivamente di acidosi e alcalosi. Valori di ph inferiori a 7 e superiori a 7.8 sono incompatibili con la vita.

10 Perché è importante? 1. Regola il funzionamento degli Enzimi:il ph può influenzare il legame di un enzima con il substrato e l'attività catalitica dell enzima 2. Modifica l affinità dell Hb per l ossigeno: in ambiente acido l'emoglobina rilascia più facilmente l'ossigeno, mentre in ambiente basico il legame con l'ossigeno è più forte (Effetto Bohr) 3. Contrazione muscolare: abbassando il ph intracellulare nel muscolo cardiaco si ottiene una riduzione della forza di contrazione.

11 Regolazione acido base: Produzione metabolica ed eliminazione di acidi ed alcali Le variazioni di ph nei liquidi organici devono mantenute entro limiti molto ristretti (mammiferi tra ) Liquidi corporei ph Bile cistica 5,6 8,0 Citoplasma cellule muscolari scheletriche 6,9 Feci 5,9 8,5 Liquido cerebro-spinale 7,35 Saliva 5,8 7,1 Sangue arterioso 7,40 Sangue venoso 7,35 Succo gastrico 0,7 3,8 Succo intestinale 7,0 8,0 Succo pancreatico 7,5 8,8 Urina 4,5 8,0

12 Da Dove arriva H +? Ogni giorno il nostro organismo produce acidi. La maggior quantità di acido prodotto è conseguenza della respirazione cellulare. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Acido carbonico (pk1= 6,1) mmoli/die vs 80 mmol/die altri acidi La reazione di idratazione è spontanea ma troppo lenta per i ritmi metabolici: l enzima eritrocitario anidrasi carbonica consente una velocità di reazione di 100 volte superiore rispetto a quella spontanea e ciò evita l accumulo della CO 2 nel sangue sotto forma gassosa, avendo l enzima la capacità di catalizzare l idratazione di molecole di CO 2 al secondo.

13 Lo ione HCO3 -, che costituisce il sistema tampone più importante del sangue, si trova in una condizione di equilibrio dinamico, in risposta alle variazioni del ph e alla concentrazione di CO2 nei vari tessuti umani. pk= 6.1 H 2 O +CO 2 H 2 CO 3 HCO3 - + H + Se si alcalinizza il ph nel sangue, H 2 O e CO 2 reagiscono a dare H 2 CO 3 che dissocia un H+ e lo ione HCO3 - acidificando il sangue Se si abbassa il ph nel sangue, lo ione HCO3 - si protona a dare H 2 CO 3 che, in eccesso, si dissocia a dare H 2 O +CO 2

14 Applicazioni dell Equazione di Henderson- Hasselbach Quale dovrà essere il rapporto tra bicarbonato e acido affinchè il valore di ph sia 7,40? Riprendendo l equazione di H.H.: 7,40=pK + log Cs (bicarbonato) Ca (acido) 1,3= log Cs (bicarbonato) Ca (acido) 20/1 =Cs/Ca Ogni rapporto tra bicarbonato e acido carbonico che sia 20/1 produrrà un ph normale. L organismo cercherà di correggere gli squilibri di tale rapporto per mantenere un ph normale. CO 2 è sotto il controllo dei polmoni Bicarbonato è sotto controllo renale

15 Compensazione dei Tamponi COMPONENTE RESPIRATORIA CO 2 H 2 CO 3 Agisce entro alcuni minuti eliminando ioni idrogeno sotto forma di anidride carbonica COMPONENTE METABOLICA O RENALE HCO 3 - Richiede ore o giorni per sintetizzare nuovo bicarbonato e per eliminare gli ioni idogeno in eccesso. Sia i polmoni che i reni, in condizioni normali, hanno la capacità di aumentare o diminuire il livello del loro rispettivo costituente tampone al fine di raggiungere l obiettivo primario, il rapporto 20:1 essenziale per il mantenimento del ph normale nel sangue

16 Se aggiungiamo H+ al sangue aumenta la [ H2CO3] Questo porta ad un aumento della CO2 disciolta e di conseguenza la pco2 nei polmoni viene eliminata con la respirazione Se aggiungiamo OH- la reazione è opposta perciò diminuzione della [H+] che sposta l equilibrio verso destra ; diminuzione di [H2CO3] e diminuzione [CO2] disciolta e aumenta la SOLUBILIZZAZIONE della CO2 nel plasma LA VELOCITA DELLA RESPIRAZIONE REGOLA e MANTIENE COSTANTE il ph

17 Cause di squilibrio dell equilibrio acido-base del sangue: ACIDOSI RESPIRATORIA: incapacità del polmone a eliminare CO2. Cs/Ca < 20/1 Il Rene, per compensare l eccesso di acido, produce più bicarbonato ALCALOSI RESPIRATORIA : Eccessiva eliminazione CO2 da parte dei polmoni Cs/Ca > 20/1 Il rene riduce l escrezione di acidi e produce meno bicarbonate ACIDOSI METABOLICA : il rene non riesce a eliminare gli H in eccesso e a recuperare il bicarbonate Cs/Ca < 20/1 I polmoni compensano eliminando più CO2 (iperventilazione) ALCALOSI METABOLICA : bicarbonate in eccesso Cs/Ca > 20/1 Il centro del respiro induce ipoventilazione per trattenere CO2

18 ricapitolando Quando il disturbo primario è METABOLICO il compenso è respiratorio e avviene immediatamente Quando l alterazione è RESPIRATORIA il compenso è metabolico e viene operato dal rene nell ambito di alcuni giorni L esame con cui il medico valuta l equilibrio acidobase del sangue è l EMOGASANALISI, che misura ph, po2 e pco2. Si usa sangue arterioso.