Tamponi Biologici AO/Febbraio 2016
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
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-
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
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
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?
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 -
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.
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 4 2-2. 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.
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.
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 6.8 7.8) 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
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) 20.000 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 600.000 molecole di CO 2 al secondo.
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
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
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
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
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
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.