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EL CARBONO EN LOS SERES VIVOS
¿Por qué el carbono forma biomoléculas y no el silicio? El silicio está situado en el sistema
periódico justo debajo del Carbono, lo que
significa que puede compartir, al igual que el
carbono, los 4 electrones de su capa más
externa. Además es muy abundante en la
corteza terrestre. Sin embargo, la vida no se
formó a partir de él porque:
Adquiere una configuración estable
compartiendo electrones como el carbono,
pero en el silicio la longitud de los enlaces
formados es mayor, por lo que se rompen con
mayor facilidad, resultando las moléculas de
silicio son más inestables.
El Si no puede formar ni dobles, ni triples
enlaces.
El Si, al unirse con el O forma un polímero
tridimensional, el cuarzo, que es
químicamente inerte e insoluble en el agua,
mientras que el C se une formando el CO2,
de gran estabilidad y solubilidad en el agua,
permitiendo una mejor circulación de éste
entre hidrosfera y litosfera.
BIOELEMENTOS
Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de las moléculas de los seres vivos
BIOELEMENTOS PRIMARIOS
Son aquellos bioelementos indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas
(glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos). También se les conoce como bioelementos
plásticos, ya que pueden originar gran diversidad de biomoléculas, gracias a la capacidad de
formar enlaces covalentes simultáneamente estables e susceptibles de ser rotos con cierta
facilidad y gracias al carácter polar de muchos de esos enlaces y a su capacidad para
disolverse en agua. Dicho grupo representa el 96,2 % del total de la materia viva. A este
grupo pertenecen: C, H, O, N, P, S.
PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS
Los bioelementos primarios son tan abundantes en los seres vivos debido a una serie de
características que los hacen idóneos para formar las moléculas de los seres vivos:
Aunque no son de los más abundantes, todos ellos se encuentran con cierta facilidad en
las capas más externas de la Tierra (corteza, atmósfera e hidrosfera).
Sus compuestos presentan polaridad y por eso se disuelven fácilmente en agua, lo que
facilita su incorporación y eliminación.
Los bioelementos primarios C y N presentan la misma afinidad para unirse al oxígeno o al
hidrógeno, pasando con la misma facilidad del estado oxidado al reducido. Esto es de
gran importancia, ya que los procesos de oxidación-reducción son la base de muchos
procesos químicos muy importantes y en particular de los relacionados con la obtención
de energía como la fotosíntesis y la respiración celular.
Los bioelementos C, H, O y N, elementos de pequeña masa atómica, tienen variabilidad
de valencias, por lo que pueden formar entre sí enlaces covalentes fuertes y estables.
Debido a esto, pueden dar lugar a una gran variedad de moléculas y de gran tamaño. De
todos ellos, el carbono es el más importante, además de ser la base de la química
orgánica e de la química de los seres vivos.
BIOELEMENTOS SECUNDARIOS
A este grupo pertenecen los restantes elementos químicos indispensables para la vida, que
aparecen en los seres vivos de forma natural y que en medio acuoso aparecen siempre
ionizados. A este grupo pertenecen: Ca2+, Na+, K+, Mg2+, Cl-.
En general, todos aquellos bioelementos que aparecen en proporciones inferiores al 0,1 % son
considerados oligoelementos, muchos de ellos, son además indispensables ya que suelen tener
una función catalizadora (enzimática). Estos, a su vez, pueden ser indispensables o variables:
Oligoelementos Indispensables o Esenciales: Están presentes en todos los seres vivos.
Oligoelementos Variables o no esenciales: Son aquellos que pueden faltar en ciertos
organismos.
BIOMOLÉCULAS
INORGÁNICAS
ORGÁNICAS
EL AGUA
ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA
LOS COMPUESTOS QUE SE DISUELVEN EN AGUA
PROPIEDADES DEL AGUA
Propiedades Físicas Del Agua
1. Estado físico: sólida, liquida y gaseosa
2. Color: incolora
3. Sabor: insípida
4. Olor: inodoro
5. Densidad: 1 g./c.c. a 4°C
6. Punto de congelación: 0°C
7. Punto de ebullición: 100°C
8. Presión crítica: 217,5 atm.
9. Temperatura critica: 374°C
Propiedades Químicas del Agua
1. Reacciona con los óxidos ácidos
2. Reacciona con los óxidos básicos
3. Reacciona con los metales
4. Reacciona con los no metales
5. Se une en las sales formando hidratos
FUNCIONES DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS
1. DISOLVENTE.
2. BIOQUÍMICA (Interviene Reacciones)
3. TRANSPORTADORA
4. ESTRUCTURAL
5. MECÁNICA AMORTIGUADORA
6. TERMORREGULADORA
1. ELEVADA FUERZA DE COHESIÓN ENTRE LAS MOLÉCULAS: GRACIAS A LOS
ENLACES DE HIDRÓGENO ES UN FLUIDO DENTRO DE UN AMPLIO MARGEN DE
TEMPERATURAS. ESTO LE PERMITE SER CASI INCOMPRESIBLE.
LE DA VOLUMEN A LAS CÉLULAS, TURGENCIA A LAS PLANTAS Y FORMA ESQUELETOS
HIDROSTÁTICOS.
2. ELEVADA FUERZA DE ADHESION: PRESENTAN GRAN CAPACIDAD DE ADHERIRSE A
LAS PAREDES DE LOS CONDUCTOS DE PEQUEÑO DIAMETRO, ASCENDIENDO CONTRA
LA GRAVEDAD, ES LA CAPILARIDAD.
ESTO HACE QUE ASCIENDA LA SAVIA EN LOS VEGETALES.
3. ELEVADA TENSIÓN SUPERFICIAL: SU SUPERFICIE OPONE RESISTENICA A
ROMPERSE, LO CUAL PERMITE VIVIR A ALGUNOS ORGNISMOS. LAS MOLÉCULAS DE
AGUA SITUADAS EN LA SUPERFICIE SOLO ESTAN SOMETIDAS A LA ACCIÓN DE LAS
MOLÉCULAS DE AGUA DEL INTERIOR DEL LÍQUIDO.
TIENE QUE VER CON LAS DEFORMACIONES CELULARES Y CON LOS MOVIMIENTOS
CITOPLASMÁTICOS.
4. ELEVADO CALOR ESPECÍFICO: ES EL CALOR NECESARIO PARA ELEVAR LA
TEMPERATURA DE UNA SUSTANCIA. EL AGUA TIENE UN CALOR ESPECÍFICO ALTO
PORQUE PARA ELEVAR SU TEMPERATURA HAY QUE ROMPER LOS ENLACES QUE HAY
ENTRE ELLAS, HAY QUE SUMINISTRAR MUCHO CALOR. ES ENERGIA CINÉTICA.
EL AGUA ES CAPAZ DE ABSORBER CALOR SIN ELEVAR MUCHO SU TEMPERATURA.
5. ELEVADO CALOR DE VAPORIZACIÓN: PARA CAMBIAR DE ESTADO ES NECESARIO
ROMPER TODOS LOS ENLACES DE HIDROGENO, PARA ELLO SE NECESITA MUCHA
ENERGIA. EL AGUA ACTUA COMO REFRIGERANTE.
6. DENSIDAD MÁS ALTA EN ESTADO LÍQUIDO QUE EN ESTADO SÓLIDO. EN
ESTADO SÓLIDO LAS MOLÉCULAS DE AGUA SE ORDENAN FORMANDO UN RETÍCULO
QUE OCUPA MAYOR VOLUMEN QUE EN ESTADO LÍQUIDO, POR ESTO EL HIELO ES
MENOS DENSO QUE EL AGUA.
PERMITE QUE EXISTA LA VIDA EN ZONAS FRIAS Y CUANDO LAS TEMPERATURAS
BAJAN.
7. ELEVADA CONSTANTE DIELÉCTRICA: EL AGUA DISUELVE LOS COMPUESTOS
IÓNICOS COMO LAS SALES MINERALES Y COMPUESTOS COVALENTES POLARES.
LAS MOLÉCULAS DE AGUA SE DISPONEN ALREDEDOR DE LOS GRUPOS POLARES DEL
SOLUTO.
8. BAJO GRADO DE IONIZACIÓN: SOLO UNA DE CADA DIEZ MILLONES DE
MOLÉCULAS DE AGUA ESTA IONIZADA. INTERVIENEN EN REACCIONES BIOLÓGICAS.
DISOLUCIONES ACUOSAS Son aquellas en las que la fase dispersante o disolvente es el agua, mientras que el soluto
puede estar representado por una gran variedad de moléculas.
o Según el tamaño o Pm del soluto, podemos hablar de:
Cristaloide: es todo aquel soluto de bajo Pm, como la glucosa (Pm = 180) o el NaCl (Pm =
58,5).
Coloide: es todo aquel soluto de alto Pm, como la albúmina, con un Pm que oscila entre
30.000 y 100.000.
o Según el tipo de soluto, las disoluciones pueden ser de dos tipos:
Disolución Verdadera (= disolución): es aquella en la que el soluto es de bajo Pm
(cristaloide).
Dispersión Coloidal: es aquella en la que el soluto es alto Pm (coloide).
DISOLUCIONES VERDADERAS:
DIFUSIÓN Y ÓSMOSIS Desde el punto de vista de la biología, existen
numerosos fenómenos que afectan a dicho tipo de
disoluciones, y entre los que destacan los procesos de
difusión y ósmosis.
a) Diálisis. Consiste en separar partículas dispersas de
alto Peso molecular (coloides) de las de bajo Peso
molecular (cristaloides), empleando una membrana
semipermeable que deja pasar las moléculas pequeñas
(agua y cristaloides), pero no las grandes (coloides).
En este caso pueden atravesar la membrana además del
disolvente, moléculas de bajo peso molecular que
pasarán atravesando dicha membrana desde la solución
más concentrada hacia la más diluida. Es el fundamento
de la hemodiálisis que intenta sustituir la filtración
renal deteriorada.
b) Difusión. Consiste en el reparto homogéneo de las
partículas de un fluido (gas o líquido) en el seno de otro,
al entrar en contacto. Este proceso es típico de
sustancias de bajo Pm que pueden atravesar libremente
las membranas celulares. Ej.: difusión del O2 en el agua.
Es el fundamento de la hemodiálisis que intenta
sustituir la filtración renal deteriorada.
b) Ósmosis. Es el paso del disolvente a través de una
membrana semipermeable, desde el medio donde cierto
soluto está en menor concentración hasta el medio
donde se encuentra en mayor concentración, con el fin
de diluirlo. En los seres vivos, el agua tiende a moverse,
por ósmosis, desde la disolución más diluida hacia la más
concentrada, a través de una membrana semipermeable.
Según la concentración de soluto existente a ambos lados de la membrana semipermeable,
podemos hablar de tres tipos de medios:
Medio Hipertónico (o hiperosmótico): es aquel en el que la concentración de cierto
soluto es mayor en el que al otro lado de la membrana. En este caso, el agua tenderá a
desplazarse hacia el lado donde la concentración de soluto es mayor, con el fin de
diluirlo. Así por ejemplo, si el medio externo que rodea a una célula es hipertónico, la
célula sufrirá un proceso de plasmólisis, arrugándose al perder agua que sale hacia el
exterior con el fin de diluir el exceso de soluto externo.
Medio Isotónico (o isosmótico): es aquel en el que la concentración de soluto es la
misma a ambos lados de la membrana semipermeable. En este caso, no hay movimiento
neto de agua, o si lo hay, la cantidad de agua que pasa en un sentido coincide con la que
pasa en el contrario, de forma que los dos se contrarrestan.
Medio Hipotónico (o hiposmótico): es aquel en el que la concentración de soluto es
menor que al otro lado de la membrana semipermeable, de modo que el agua tenderá a
pasar desde ese lado hacia el otro, con el fin de diluir el exceso de soluto. Así por
ejemplo, si el medio externo que rodea a una célula es hipotónico, ésta sufrirá un
proceso de turgencia, consistente en su hinchado al producirse la entrada masiva de
agua dentro de la célula con el fin de diluir el exceso de soluto interno.
ADAPTACIONES DE LOS SERES VIVOS A
MEDIOS HIPO E HIPERTÓNICOS
Vegetales. Estos organismos, que habitualmente viven en medios hipotónicos en relación al
medio interno de sus células, absorben agua por las raíces. La entrada de agua en las
células provoca un grado de turgencia que facilita el crecimiento de las plantas. En el caso
de vivir en medios hipertónicos, los vegetales expulsan agua y se marchitan.
Animales pluricelulares. Presentan un medio interno que puede considerarse una
prolongación del medio externo con el que sus células han de mantener el equilibrio
osmótico. Todos consiguen, mediante diversos mecanismos, mantener en su interior la
cantidad de agua suficiente y necesaria para vivir.
Los peces de agua dulce viven en medios hipotónicos y absorben gran cantidad de agua,
eliminando una orina muy diluida por la que expulsan el máximo de líquido con la mínima
pérdida de sales minerales.
Los peces marinos, al vivir en un medio hipertónico, deben contrarrestar la constante
entrada de sales minerales; eliminan una orina bastante concentrada o hipertónica y
además expulsan el exceso de sales por las branquias.
Los mamíferos mantienen constantemente el equilibrio hídrico a través de diversos
mecanismos fisiológicos, por ejemplo:
los Riñones: Los glomérulos renales absorben gran cantidad de agua al filtrar
continuamente la sangre, pero a través de los tubos contorneados y del asa
de Henle se reabsorbe casi todo el agua y una cantidad variable de sales. La
eliminación, tanto del agua como de las sales en la orina, depende de las
cantidades ingeridas.
Intestino grueso. La absorción de agua y sales minerales a través de la
mucosa intestinal da lugar a la formación de heces más sólidas y más salinas a
medida que se incrementan las pérdidas de agua. Esto ocurre, por ejemplo, en
lugares con climas muy cálidos.
Piel. A través de la piel se eliminan cantidades variables de agua y sales en
forma de sudor. En las zonas desérticas el sudor es menos concentrado que en
las zonas templadas, y como el volumen excretado para regular la temperatura
es muy elevado, es imprescindible la aportación exógena de agua y sales.
LA ELECTROFORSIS
Consiste en el transporte de partículas coloidales cargadas, cuando éstas son sometidas a la
acción de un campo eléctrico, a través de un gel (gel de poliacrilamida, de almidón, en papel,
etc.). Frente a dicho campo eléctrico, las partículas coloidales con carga positiva se dirigen
hacia el cátodo (electrodo negativo), mientras que las que tienen carga negativa se desplazan
hacia el ánodo (electrodo positivo). Ejemplo, la electroforesis en papel:
Dicha técnica es empleada para separar los diferentes tipos de proteínas (y otras moléculas
como el ADN) de un tejido y en ella, la velocidad de desplazamiento de la proteína dependerá
de tres factores: del tamaño, de la forma y de la carga eléctrica. Así por ejemplo, dicha
velocidad será tanto mayor cuanto mayor sea su carga eléctrica total y cuanto menor sea su
P.m. (peso molecular) o tamaño.
¿CÓMO SE REALIZA LA ELECTROFORESIS EN PAPEL?
El dispositivo experimental necesario para realizar una electroforesis zonal en papel consiste
en:
Una fuente de alimentación que suministre un potencial constante (300 V).
Una cubeta de electroforesis en papel de celulosa. La cubeta posee dos
compartimentos separados, cada uno con un electrodo de platino, que deben conectarse
a la fuente de alimentación mediante los cables con conectores adecuados, uno para el
electrodo que hace de cátodo y otro para el que hace de ánodo.
Antes de iniciar la electroforesis es importante conocer la naturaleza de los reactivos y de
los disolventes a utilizar, así como las normas de uso y los riesgos que pueden surgir en el
manejo de los aparatos. Las principales precauciones que hay que tener son:
Conviene no exponerse a los vapores de la solución tampón de la electroforesis, ni tocar
el líquido con las manos, así como a la solución de revelador.
Hay que procurar no tocar el papel de celulosa con los dedos. El papel debe ser manejado
con las pinzas de madera.
No contaminar las soluciones de los aminoácidos patrón y de la muestra problema. Para
ello se siguen las instrucciones dadas en el apartado de la cromatografía en capa fina.
Desde el momento en que se conecte la fuente de corriente a la cubeta de
electroforesis, hasta que termine la misma, no se deben de tocar los cables, conexiones
o disolución que esté en contacto con la corriente.
Primera etapa: Aplicación de las muestras.
Se traza con el lápiz una línea muy débil en el centro del papel. En la línea se señalan
débilmente cinco puntos distribuidos equitativamente a lo ancho de la placa.
En cada punto de ellos se aplica cada uno de los cuatro aminoácidos patrón y la muestra
problema mediante la micropipeta de 10 μl, siguiendo las normas de uso de las
micropipetas y el mismo protocolo indicado en la aplicación de la muestra en la
cromatografía en capa fina.
Al mismo tiempo se señala en el margen superior derecho de la tira de papel el signo (+),
para indicar el extremo del papel que se va a situar en el compartimento de la cubeta que
va a actuar como ánodo.
Segunda etapa: Electroforesis de las muestras.
Una vez aplicadas las muestras, se rocía ligeramente el
papel con la solución tampón de electroforesis
mediante el pulverizador, procurando no mojar
directamente las muestras.
Se quita la tapadera de la cubeta, se coge el papel con
las pinzas y se coloca sobre la cubeta. Se introducen
cada uno de los extremos del papel en los
compartimentos de la cubeta, procurando que el
extremo señalado en el papel con (+) sea el
compartimento del ánodo.
Si los extremos no quedan bien sumergidos en la solución tampón de electroforesis, se
llenan los compartimentos con más tampón.
Antes de comenzar la electroforesis, hay que asegurarse que el papel está bien
humedecido.
Se coloca la tapadera en la cubeta, se conecta la fuente de alimentación a la red de
alimentación y se enciende la misma. Con el mando del voltaje se ajusta el potencial a unos
300 V.
Al cabo de media hora se apaga la fuente, se desconecta de la red, se quita la tapadera,
se saca el papel de la cubeta mediante las pinzas, procurando no romperlo y se coloca
encima del papel de filtro de la mesa del laboratorio
Tercera etapa: Secado y detección de los aminoácidos.
A continuación, el papel se introduce en la estufa a 105 ºC, durante 5 min para que se
seque.
El papel se saca de la estufa, se deja enfriar y
con las pinzas de madera se sumerge en la
cubeta que contiene la solución de ninhidrina.
Nada más que se impregne, se saca de la
solución, dejando que escurra el exceso de la
misma.
Se vuelve a llevar a la estufa, se introduce en
la misma durante 3 min para que se realice la
reacción de color.
La detección de los aminoácidos patrón y de la muestra problema se realiza por la
aparición de las manchas de color púrpura.
Cuarta etapa: Identificación electroforética de los aminoácidos de la muestra problema.
Los aminoácidos contenidos en la muestra problema se identifican mediante la
comparación de los desplazamientos de las manchas con los correspondientes a los de los
aminoácidos patrones.
SALES MINERALES
Las sales minerales son principios inmediatos inorgánicos, como el agua, el oxígeno o el
dióxido de carbono.
1. SALES MINERALES DISUELTAS (en medios intra y/o extracelular)
Son moléculas que se disocian fácilmente en sus iones al disolverse en agua:
- Cationes: sodio, potasio, magnesio, amonio, hierro, cinc...
- Aniones: cloruro, fosfato, carbonato / bicarbonato, sulfato, nitrato...
Funciones:
Mantienen la salinidad y permiten que el medio extra e intracelular sean
isotónicos, para evitar que se produzcan fenómenos osmóticos desfavorables.
Mantiene el pH de los medios intra y extracelular dentro de un intervalo
óptimo, mediante los sistemas tampón.
Crean gradientes electroquímicos y dan lugar a los potenciales de membrana,
que son imprescindibles para la transmisión del impulso nervioso.
Algunos iones desempeñan funciones específicas:
o Calcio: Papel fundamental en la coagulación de la sangre, en la contracción
muscular y en la liberación de neurotransmisores durante la sinapsis.
o Magnesio: Componente de la molécula de clorofila y cofactor de muchos
enzimas que intervienen en la respiración celular y en la duplicación del
ADN.
o Hierro: Forma parte del grupo hemo de la hemoglobina y de la mioglobina,
encargada del transporte de oxígeno por la sangre y por los músculos,
respectivamente. Además, forma parte de los citocromos y es responsable
del transporte de electrones durante la respiración celular.
o Yodo: Esencial en la formación de la hormona tiroidea.
2. SALES MINERALES PRECIPITADAS
Destacan dos ejemplos:
El carbonato cálcico y el fosfato cálcico se depositan sobre el colágeno y lo
transforman en una matriz dura que conduce a la formación del hueso. Además, el
carbonato cálcico forma los caparazones de las conchas de los Crustáceos y de los
Moluscos.
El fluoruro de calcio confiere la dureza característica al esmalte de los dientes.
CONCEPTO DE ÁCIDO Y BASE
DATOS HISTÓRICOS
Lavoisier (1777) observó que sustancias como el azufre y el fósforo en combinación con
oxígeno, y en disolución acuosa, daban lugar a sustancias ácidas. Pensó que el responsable era
el oxígeno y lo llamó principio acidificante. Arrhenius (1887) propuso la Teoría de la
disociación electrolítica iónica: Cuando los electrolitos (ácidos, bases y sales) se disuelven en
H2O se disocian en partículas cargadas (Iones).
AB A- + B+
Ácido: Sustancia que en disolución acuosa libera iones de hidrógeno
HA A- + H+ ó HA + H2O A- + H3O+ (ión hidronio)
Base: Sustancia que en disolución acuosa libera iones hidroxilo (OH-)
BOH B+ + OH-
Neutralización:
Ácido + Base Sal + H2O
HCl + NaOH NaCl + H2O
Brönsted y Lowry (1923) definieron como Ácido toda especie capaz de ceder protones y
Base toda especie capaz de aceptar protones. Asimismo, una Reacción ácido-base es aquella
que implica transferencia de protones.
Ácido Base conjugada del ácido + H+
AcH Ac- + H+
Las sustancias que pueden actuar tanto como ácido como base, se llaman anfolitos,
anfóteros o anfipróticos
Lewis (1938) propuso que no todas las reacciones ácido-base implican transferencia de
protones, pero sin embargo forman siempre un enlace covalente dativo. Un Ácido es una
sustancia que puede aceptar un par de electrones de otros grupos de átomos, para formar un
enlace covalente dativo y una Base es una sustancia que tiene pares de electrones libres,
capaces de ser compartidos para formar enlaces covalentes dativos.
CONCEPTO Y DEFINICIÓN DE pH
El agua es un electrolito débil con una conductividad de 4 x 10 m�./cm. Esto indica que aunque
muy débilmente el agua se disocia en iones:
H2O H3O+ + OH-
Al disociarse el agua, coexisten iones disociados con moléculas no disociadas pudiéndose
aplicar la ley de acción de las masas:
K = (H+) x (OH-) / (H2O)
Introduciendo en la fórmula anterior las molaridades correspondientes y sabiendo que la
concentración de H+ es igual a la de OH-, se puede calcular la concentración del agua sabiendo
que su peso molecular es de (18 g/mol). Si se considera que la concentración de agua no
disociada es muy grande, puede suponerse que esta permanece constante y no se modifica, por
lo que:
(H+) x (OH-) = Kw = K x (H2O) = 10-13,98 (a 25ºC)
Kw es el producto iónico del agua, que depende de la temperatura, pudiendo expresarse el
valor de Kw diciendo que el producto de iones H+ por el de OH-, a una temperatura dada, es
constante. Si la concentración de uno aumenta debe disminuir proporcionalmente la del otro.
Del producto iónico del agua se parte para establecer el concepto de pH. Si Kw es igual a 10-14
y la concentración de H+ es igual al de OH- puede hacerse:
(H+)2 = 10-14 o (H+) = 10-7
Aplicando logaritmos: log (H+) = -7 * log 10 = - 7; multiplicando por -1 tenemos: - log de (H+) =
7. Si hacemos: - log (H+) = pH tenemos que pH = 7. Por lo tanto, pH es el logarítmo de la
concentración de hidrogeniones cambiado de signo.
Toda sustancia con pH 7, el correspondiente al agua, se denomina neutra. Las de valor inferior
a 7, se consideran ácidas y las superiores a 7 básicas o alcalinas.
ÁCIDOS Y BASES FUERTES Y DÉBILES Son ácidos o bases fuertes los que al disociarse lo hacen de forma total. Ejemplo:
Clorhídrico, sulfúrico, en el caso de los ácidos
HCl Cl- + H+ H2SO4 SO42- + 2H+
Sosa y potasa en el caso de las bases
NaOH Na+ + OH– KOH K+ + OH–
Los ácidos y bases débiles se disocian de modo parcial. Ejemplo:
El acético y el carbónico, respecto a los ácidos débiles
HCH3COO CH3COO- + H+ H2CO3 HCO3- + H+
El hidróxido de amonio, respecto a las bases débiles
NH4OH NH3+ + OH-
DISOLUCIONES TAMPÓN A NIVEL BIOLÓGICO
Un aspecto fundamental en la fisiología de todos los organismos es la homeostasis o capacidad
para mantener una situación de equilibrio dinámico
favorable. En este fenómeno tiene gran importancia los
sistemas amortiguadores que equilibran la presencia de
sustancias ácidas y básicas para mantener el pH dentro
de los límites fisiológicos. En los organismos vivos se
están produciendo continuamente ácidos orgánicos que
son productos finales de reacciones metabólicas,
catabolismo de proteínas y otras moléculas
biológicamente activas.
Mantener el pH en los fluidos intra y extracelulares es fundamental puesto que ello influye en
la actividad biológica de las proteínas, enzimas, hormonas, la distribución de iones a través de
membranas, etc. Los tampones fisiológicos son la primera línea de defensa frente a los
cambios de pH de los líquidos corporales, entre los que destacan: el tampón fosfato, el
tampón bicarbonato y el tampón hemoglobina.
El pH de los medios biológicos es una constante fundamental para el mantenimiento de los
procesos vitales. La acción enzimática y las transformaciones químicas de las células se
realizan dentro de unos estrictos márgenes de pH. En humanos los valores extremos
compatibles con la vida y con el mantenimiento de funciones vitales oscilan entre 6,8 y 7,8;
siendo el estrecho margen de 7,35 a 7,45 el de normalidad. También en el trabajo de
laboratorio, es imprescindible el mantenimiento de un pH para la realización de muchas
reacciones químico-biológicas. Los sistemas encargados de evitar grandes variaciones del valor
de pH son los denominados “amortiguadores, buffer, o tampones”. Son por lo general
soluciones de ácidos débiles y de sus bases conjugadas o de bases débiles y sus ácidos
conjugados. Los amortiguadores resisten tanto a la adición de ácidos como de bases.
Ecuación de Henderson-Hasselbalch. Concepto de pK:
La concentración de H+ está vinculada a la naturaleza del electrolito débil. Considerando un
ácido débil, de modo genérico como HAc, su equilibrio de disociación sería:
HAc Ac- + H+
Aplicando la ley de acción de masas, la constante de equilibrio K será:
K = (Ac-) · (H+) / (HAc)
Despejando (H+): K · (HAc) = (H+) · (Ac-)
Aplicando logaritmos: log (H+) = log K + log (HAc) - log (Ac-)
Multiplicando por -1: - log (H+) = - log K - log (HAc) + log (Ac-)
Si hacemos que: - log (H+) = pH - log K = pK
Se obtiene la ecuación de Henderson-Hasselbalch
pH = pK + log (base) / (ácido)
Por tanto, si en la ecuación la concentración de ácido es igual a la de la base, el cociente es 1,
siendo el log de 1 = 0, se tiene que: pH = pK
Así, se puede definir el pK como el valor de pH de una solución amortiguadora en el que el ácido y la base se encuentran a concentraciones estequiométricas iguales o al 50% cada una.
Tampones fisiológicos
Son los sistemas encargados de mantener el pH de los medios biológicos dentro de los valores
compatibles con la vida. Permitiendo con ello la realización de funciones bioquímicas y
fisiológicas de las células, tejidos, órganos, aparatos y sistemas.
Según su naturaleza química, los amortiguadores se clasifican en orgánicos e inorgánicos y, así
mismo, atendiendo a su ubicación, se distribuyen en plasmáticos y tisulares.
Las proteínas y aminoácidos como tampón
Los aminoácidos y proteínas son electrolitos anfóteros, es decir, pueden tanto ceder protones
(ácidos) como captarlos (bases) y, a un determinado pH (en su pI), tener ambos
comportamientos al mismo tiempo. La carga depende del pH del medio.
En un medio muy básico se cargan negativamente, mientras que en el fuertemente ácido lo
hacen positivamente. Desde el punto de vista fisiológico este tipo de amortiguador es resulta
de especial interés a nivel tisular.
Tampones orgánicos: Tampón hemoglobina
Es un tampón fisiológico muy eficiente debido tanto al cambio de pK que experimenta al pasar
de la forma oxidada a la reducida, como a la gran abundancia de esta proteína en la sangre (15
% del volumen total sanguíneo).
La oxihemoglobina (pK= 7,16) es un ácido más fuerte que la desoxihemoglobina (pK= 7,71). Los
valores de pK son tales que determinan que en la disociación siguiente, el valor x sea,
aproximadamente, 0,7.
HbH+ x + O2 HbO2 + xH+
Esta propiedad de la hemoglobina, de cambiar su valor de pK, demuestra el efecto tampón,
permite el transporte de una determinada cantidad de CO2 liberada en los tejidos. La
hemoglobina oxigenada que llega a los tejidos se disocia liberando O2, un proceso que está
favorecido por el estado de los tejidos (baja pO2, menor pH y alta
0,7H+ + HbO2 HbH+ 0,7 + O2
Tampones inorgánicos:
a) Tampón carbónico/bicarbonato
Está constituido por H2CO3 y HCO3-. Aunque su valor de pK (6,1) está algo alejado del pH
fisiológico de la sangre (7,4), es un sistema muy eficaz debido a que:
1) La relación HCO3- / H2CO3 es muy alta (20/1), lo que le proporciona una alta capacidad
tampón frente a los ácidos.
2) Es un sistema abierto, con lo que el exceso de CO2 puede ser eliminado por ventilación
pulmonar de manera rápida.
3) Además, el HCO3- puede ser eliminado por los riñones mediante un sistema de
intercambio con solutos.
Respecto al origen y formación de este sistema carbónico/bicarbonato, resaltaremos lo
siguiente:
En el plasma el CO2, procedente del metabolismo celular, se encuentra como:
- CO2 disuelto, que según la ley de Henry es directamente proporcional a la presión parcial
del gas (PCO2)
- HCO3-, que es la fracción más importante, y
- Formando compuestos carbamínicos con los grupos NH2 de la hemoglobina.
Alrededor del 10% es transportado en el eritrocito en forma de carbaminohemoglobina.
El CO2 disuelto es hidratado a H2CO3 en una reacción reversible y muy eficiente
catalizada por la anhidrasa carbónica:
CO2 + H2O H2CO3
H2CO3 HCO3 - + H+
CO2 + H2O HCO3 - + H+
En este sistema acoplado, todo el CO2 disuelto es considerado como la forma ácida del
tampón (H2CO3). La concentración de CO2 disuelto (CO2d) dependerá de su constante de
solubilidad y de la presión parcial de CO2.
Ksolubilidad = 3 x 10-5 M. mm Hg-1. Así pues
CO2d = (3 x 10-5) . PCO2
Aplicando la ecuación de Henderson-Hasselbalch al tampón bicarbonato:
pH = pK + log HCO3- / CO2d ó pH = 6,1 + log HCO3
- / (3 x 10-5) . PCO2
El contenido total de CO2 sería igual al CO2 disuelto más el HCO3 - , esto es:
CO2 Total = CO2d + HCO3–
Este contenido total de CO2 de una muestra de plasma se determina a partir de la medida
del volumen de CO2 liberado por acidificación con un ácido fuerte. Lo que ocurre al añadir
ácido es que desplazamos el equilibrio de disociación hacia la izquierda, y al ser el sistema
bicarbonato un sistema abierto, el CO2 formado se desprende en forma de gas. Dado que el
CO2 es un gas no ideal, 1 mmol ocupa 22,26 ml en condiciones estándar de presión y
temperatura (0ºC y 760 mm Hg ó 101,33 kPa).
La temperatura en el laboratorio suele ser de 22 ºC y la presión atmosférica de 750 mm Hg
(100 kPa), por lo que corrigiendo para las condiciones estándar tendremos:
VCO2 x 750/760 x 273/275 = ml CO2 en condiciones estándar.
ml CO2 en condiciones estándar/22,26 = mmol CO2.
Teniendo en cuenta estas consideraciones, la ecuación de Henderson-Hasselbalch para el
tampón bicarbonato se puede escribir de la siguiente forma:
pH = 6,1 + log ( HCO3- / 0,0301 x pCO2)
en donde 0,0301 hace referencia a los mmoles de CO2 disuelto por litro de plasma y por mm
de Hg.
b) Tampón fosfato
A pH fisiológico, las especies del fosfato con capacidad de tamponar son H2PO4– y HPO42-
ya que su valor de pK es de 6,8. Así pues, para el tampón fosfato:
pH = 6,8 + log HPO42- / H2PO4
–
A pH fisiológico de 7,4, la concentración de HPO42- (un 80%) es 4 veces superior a la de
H2PO4- (un 20%). Así pues, el tampón fosfato es un sistema muy eficaz para amortiguar
ácidos. La concentración de fosfato en la sangre es baja (2 mEq/L) por lo que tiene escasa
capacidad de tamponar si lo comparamos con otros tampones (ej el bicarbonato). En cambio,
a nivel intracelular, las concentraciones de fosfato son elevadas lo que le convierte en un
tampón eficiente. Las grandes cantidades de fosfato dentro de las células corporales y en
el hueso hacen que el fosfato sea un depósito grande y eficaz para amortiguar el pH.