2.2: Buffering

Definición de un búfer

Un tampón es una solución que contiene sustancias que tienen la capacidad de minimizar los cambios en el pH cuando se le agrega un ácido o una base ¹.

Un tampón consiste típicamente en una solución que contiene un ácido débil HA mezclado con la sal de ese ácido y una base fuerte, por ejemplo, NaA. El principio es que la sal proporciona un reservorio de A ^- para reponer [A ^-] cuando A ^- se elimina por reacción con H ⁺.

Buffers en el Cuerpo

El cuerpo tiene una capacidad de amortiguación muy grande.

Esto se puede ilustrar considerando un experimento antiguo (ver abajo) donde se infundió ácido clorhídrico diluido en un perro.

Experimento ² de Cisne y Pitts

En este experimento, los perros recibieron una infusión de 14 mmols H ⁺ por litro de agua corporal. Esto provocó una caída en el pH desde 7.44\(([{H}^{+}]=36\:\text{nmoles/l})\) o un pH de 7.14\(([{H}^{+}]=72\:\text{nmoles/l})\). Es decir, una subida en [H ⁺] de sólo 36 nmoles/l

Si solo mirabas el cambio en [H ⁺] entonces solo notarías un incremento de 36 nmoles/l y tendrías que preguntarte qué había pasado con los otros 13.999.964 nmoles/l que se infundieron.

¿A dónde fue el desaparecido H ⁺?

Estaban ocultos en tampones y así estos iones de hidrógeno estaban ocultos a la vista.

Antes de continuar, asegurémonos de apreciar lo que revela este experimento ³. Los perros fueron infundidos con 14,000,000 nmoles/l de H ⁺ pero el plasma [H ⁺] solo cambió un poco más de 0.002%. Por cualquier análisis, se trata de un sistema que resiste poderosamente el cambio en [H ⁺]. (Mi analogía personal al apreciar la magnitud de esto es usar la analogía de depositar 14 mil millones de dólares en el banco, pero luego encontrar que después de 'cargos bancarios' mi cuenta solo subió 36 dólares).

La conclusión es que el cuerpo tiene:

• una ENORME capacidad de almacenamiento en búfer y
• este sistema es esencialmente INMEDIATO en efecto.

Por estas 2 razones, el tamponamiento fisicoquímico proporciona una poderosa primera defensa contra las perturbaciones ácido-base.

El almacenamiento en búfer oculta a la vista el cambio real en H ⁺ que ocurre.

Esta enorme capacidad amortiguadora tiene otra implicación no inmediatamente obvia de cómo pensamos sobre la gravedad de un trastorno ácido-base. Se pensaría que la magnitud de una perturbación ácido-base podría cuantificarse simplemente mirando el cambio en [H ⁺] - PERO esto no es así.

Debido a la gran capacidad de amortiguación, el cambio real en [H ⁺] es tan pequeño que puede ignorarse en cualquier evaluación cuantitativa, y en su lugar, la magnitud de un trastorno tiene que estimarse indirectamente a partir de la disminución en la concentración total de los aniones involucrados en el amortiguamiento. Los aniones tampón, representados como A ^-, disminuyen porque se combinan estequiométricamente con H ⁺ para producir HA. Una disminución de A ^- en 1 mmol/l representa una cantidad de 1,000,000 nano-mol/l de H ⁺ que está oculta a la vista y esto es varios órdenes de magnitud mayor que los pocos nanomoles/l visibles cambio en [H ⁺] que es visible.) - Como se señaló anteriormente en los comentarios sobre el Cisne y Experimento de Pitts, 13,999,994 de 14,000,000 nano-moles/l de H ⁺ estaban ocultos en tampones y solo contar los 36 que estaban a la vista daría una falsa impresión de la magnitud del trastorno.

Los principales sistemas de amortiguación corporal
Sitio	Sistema Buffer	Comentario
ISF	Bicarbonato	Para ácidos metabólicos
	Fosfato	No es importante porque la concentración es demasiado baja
	Proteína	No es importante porque la concentración es demasiado baja
Sangre	Bicarbonato	Importante para los ácidos metabólicos
	Hemoglobina	Importante para el dióxido de carbono
	Proteína plasmática	Buffer menor
	Fosfato	Concentración demasiado baja
ICF	Proteínas	Buffer importante
	Fosfatos	Buffer importante
Orina	Fosfato	Responsable de la mayor parte de 'Acidez valorable'
	Amoníaco	Importante - formación de NH 4 ^+
Hueso	Carbonato de Ca	Importante en la acidosis metabólica prolongada

El sistema de tampón de bicarbonato

El sistema de tampón principal en el ECF es el sistema de tampón de bicarbonato de CO ₂. Esto es responsable de aproximadamente el 80% del amortiguamiento extracelular. Es el tampón ECF más importante para los ácidos metabólicos, pero no puede amortiguar los trastornos respiratorios ácido-base.

Los componentes se miden fácilmente y se relacionan entre sí mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch.

Ecuación de Henderson-Hasselbalch

\[ pH=pKa + \log_{10}(\frac {[HCO_{3}]}{0.03}) \times \: pCO_{2} \]

El valor de pKa depende de la temperatura, [H ⁺] y la concentración iónica de la solución. Tiene un valor de 6.099 a una temperatura de 37C y un pH plasmático de 7.4. A una temperatura de 30C y pH de 7.0, tiene un valor de 6.148. Para fines prácticos, generalmente se asume un valor de 6.1 y las correcciones de temperatura, pH del plasma y fuerza iónica no se utilizan excepto en trabajos experimentales precisos.

Una nota sobre terminología: Ka es la constante de equilibrio para la reacción de disociación ácida. pKa es el log negativo (a la base 10) de Ka.

El pKa se deriva del valor Ka de la siguiente reacción:

\[ CO_{2} + H_{2}O \Leftrightarrow H_{2}CO_{3} \Leftrightarrow {H}^{+} + HCO_{3}^{-}\]

(donde CO ₂ se refiere al CO ₂ disuelto)

La concentración de ácido carbónico es muy baja en comparación con los otros componentes por lo que la ecuación anterior suele simplificarse para:

\[ CO_{2} + H_{2}O \Leftrightarrow {H}^{+} + HCO_{3}^{-}\]

Por la Ley de Acción de Masas:

\[K_{a} =\frac {[{H}^{+}] \cdot [HCO_{3}^{-}]} {[CO_{2}] \cdot [H_{2}O]} \]

La concentración de H ₂ O es tan increíblemente grande (55.5M o 55,500 mmol/l) en comparación con los otros componentes, la pequeña pérdida de agua debido a esta reacción cambia su concentración solo en una cantidad extremadamente pequeña. Para hacerte una idea de lo que esto significa, imagina que tienes 100 millones de dólares en el banco, y regalas $1. El monto que tu cuenta bancaria ha cambiado en relación con el monto total es tan increíblemente pequeño que aún tienes 100 millones de dólares en el banco. Así, volviendo a la situación con el agua, la disociación es tan increíblemente pequeña que [H ₂ O] es efectivamente constante. Esto permite una mayor simplificación ya que las dos constantes (Ka y [H ₂ O]) se pueden combinar en una nueva constante K'a.

\[ K' _{a} = K_{a} \times [H_{2}O] = [H^{+}] \cdot \frac {[HCO_{3}^{-}]} {[CO_{2}]} \]

Sustituyendo en la ecuación usando:

\[ K'_{a} = 800 nmol/L \: \text {(value for plasma at 37°C)}\]

\[ [CO_{2}] = 0.03 \times pCO_{2} \text {(by Henry's Law) [where 0.03 is the solubility coefficient]}\]

da la forma conocida como la Ecuación de Henderson:

\[ [H^{+}] = (800 \times 0.03) \cdot \frac {pCO_{2}} {HCO_{3}^{-}} \]

\[ [H^{+}] = 24 \times \frac {pCO_{2}} {[HCO_{3}^{-}]} nmol/l \]

Ahora bien, esta ecuación se puede convertir a otra forma usando la siguiente información (donde [H ⁺] está en mol/l) y las reglas estándar de álgebra y logs:

\[ pH= \log_{10} [H^{+}] \]

\[pK'_{a} = -\log_{10} K'_{a} = \log_{10} (800 \times 10^{-9}) = 6.1 \]

Así, la ecuación de Henderson-Hasselbalch

\[ -\log_{10}[H^{+}] = -\log_{10}(800 \times 10^{-9}) + \log \frac {[HCO_{3}^{-}]} {0.03 pCO_{2}} \]

\[ pH = pK'_{a} + \log \frac {[HCO_{3}^{-}]} {0.03 pCO_{2}} \]

\[pH = 6.1 + \log \frac {[HCO_{3}^{-}]}{0.03pCO_{2}}\]

Nota

La distinción entre PKa y P'ka suele olvidarse y la ecuación de Henderson-Hasselbalch siempre se escribe con pKa

Por razones químicas, una sustancia con un pKa de 6.1 no debería ser un buen tampón a un pH de 7.4 si se tratara de un tampón simple. El sistema es más complejo ya que está abierto en ambos extremos (lo que significa que tanto [HCO ₃ ^-] como PCo ₂ se pueden ajustar) y esto aumenta en gran medida la efectividad de almacenamiento en búfer de este sistema. La excreción de CO ₂ a través de los pulmones es la clave debido a la rapidez de la respuesta. El ajuste de PCo ₂ por cambio en la ventilación alveolar se ha denominado tamponamiento fisiológico.

Nota: Este uso de la palabra buffering es en el sentido más amplio de algo que resiste el cambio en una propiedad, y es diferente de la definición de buffering (o 'buffering fisiológico') dada en la parte superior de esta página. Este cambio en el significado del buffering puede ser confuso porque la palabra buffering se usa principalmente en el habla y en los artículos sin la calificación de 'fisicoquímico' o 'fisiológico' (o alguna palabra calificadora).

El sistema de tampón de bicarbonato es un sistema tampón eficaz a pesar de tener un pKa bajo porque el cuerpo también controla el PCo ₂

Otros Buffers

Los otros sistemas tampón en la sangre son los sistemas de tampón de proteínas y fosfato.

Estos son los únicos sistemas de tampón de sangre capaces de amortiguar las alteraciones ácido-base respiratorias ya que el sistema de bicarbonato es ineficaz para amortiguar los cambios en H ⁺ producidos por sí mismo.

El sistema de tampón fosfato NO es un tampón sanguíneo importante ya que su concentración es demasiado baja

La concentración de fosfato en la sangre es tan baja que es cuantitativamente poco importante. Los fosfatos son tampones importantes intracelularmente y en orina donde su concentración es mayor.

El ácido fosfórico es ácido triprótico débil y tiene un valor de pKa para cada una de las tres disociaciones:

	\(pK_{a1} = 2 \)		\(pK_{a2} = 6.8 \)		\( pK_{a3} = 12 \)
\(H_{3}PO_{4}\)	\( \Leftrightarrow \)	\( H^{+} + H_{2}PO_{4}^{-} \)	\( \Leftrightarrow \)	\( H^{+} + HPO_{4}^{2-} \)	\(\Leftrightarrow \)	\(H^{+} + PO_{4}^{3-} \)

Los tres valores de pKa son suficientemente diferentes para que a cualquier pH solo los miembros de un solo par de conjugados estén presentes en concentraciones significativas.

A los valores de pH predominantes en la mayoría de los sistemas biológicos, el monohidrógeno fosfato (HPO ₄ ^-2) y el dihidrógeno fosfato (H ₂ PO ₄ ^-) son las dos especies presentes. El pKA2 es 6.8 y esto hace que el sistema de tampón fosfato cerrado sea un buen tampón intracelularmente y en orina. El pH del ultrafiltrado glomerular es 7.4 y esto significa que el fosfato inicialmente estará predominantemente en forma monohidrógeno y así puede combinarse con más H ⁺ en los túbulos renales. Esto hace que el tampón fosfato sea más efectivo en el tamponamiento contra una caída en el pH que un aumento en el pH.

Nota

El valor de pKA2 es realmente 7.2 si se mide a fuerza iónica cero, pero a la fuerza iónica típica que se encuentra en el cuerpo su valor aparente es 6.8. El otro factor que hace que el fosfato sea un tampón más efectivo intracelularmente y en la orina es que su concentración en estos dos sitios es mucho mayor que en el líquido extracelular.

La hemoglobina es un tampón sanguíneo importante, particularmente para tamponar CO ₂

Los tampones proteicos en la sangre incluyen hemoglobina (150 g/l) y proteínas plasmáticas (70 g/l). El tamponamiento es por el grupo imidazol de los residuos de histidina que tiene un pKa de aproximadamente 6.8. Esto es adecuado para un amortiguamiento efectivo a pH fisiológico. La hemoglobina es cuantitativamente aproximadamente 6 veces más importante que las proteínas plasmáticas, ya que está presente en aproximadamente el doble de la concentración y tiene aproximadamente tres veces el número de residuos de histidina por molécula. Por ejemplo, si el pH de la sangre cambiara de 7.5 a 6.5, la hemoglobina amortiguaría 27.5 mmol/l de H ⁺ y el amortiguamiento total de proteínas plasmáticas representaría solo 4.2 mmol/l de H ⁺.

La desoxihemoglobina es un tampón más efectivo que la oxihemoglobina y este cambio en la capacidad de tampón contribuye aproximadamente 30% del efecto Haldane. El factor principal que explica el efecto Haldane en el transporte de CO ₂ es la capacidad mucho mayor de la desoxihemoglobina para formar compuestos de carbamino.

Principio Isohídrico

Todos los sistemas tampón que participan en la defensa de los cambios ácido-base están en equilibrio entre sí. Después de todo, solo hay un valor para [H ⁺] en cualquier momento. Esto se conoce como el Principio Isohídrico.

Esto significa que se puede utilizar una evaluación de las concentraciones de cualquier par ácido-base para proporcionar una imagen del equilibrio ácido-base general en el cuerpo. Esto es afortunado ya que la medición de las concentraciones de todos los pares de tampones en la solución sería difícil. Convencionalmente, se miden los componentes del sistema de bicarbonato (es decir, [HCO ₃ ^-] y PCo ₂) solos. Son accesibles y fáciles de determinar. Las máquinas de gas en sangre miden el pH y el PCo ₂ directamente y luego se calcula el [HCO ₃ ^-] usando la ecuación de Henderson-Hasselbalch.

Buffering en diferentes sitios

Los trastornos respiratorios están predominantemente tamponados en el compartimento intracelular. Los trastornos metabólicos tienen una mayor contribución de amortiguación del líquido extracelular (por ejemplo, un tampón ECF de 40% para una acidosis metabólica y 70% para una alcalosis metabólica).

Existen diversos sistemas tampón en los fluidos corporales (ver Tabla) para minimizar los efectos sobre el pH de la adición o eliminación de ácido de los mismos.

En ECF, el sistema de bicarbonato es cuantitativamente el más importante para tamponar los ácidos metabólicos. Su efectividad se ve incrementada en gran medida por cambios ventilatorios que intentan mantener un PCo ₂ constante y por mecanismos renales que dan como resultado cambios en el bicarbonato plasmático.

En la sangre, la hemoglobina es el tampón más importante para el CO ₂ debido a su alta concentración y su gran cantidad de residuos de histidina.

La desoxihemoglobina es un mejor tampón que la oxihemoglobina

Otro factor que hace que la hemoglobina sea un tampón importante es el fenómeno del intercambio isohídrico. Es decir, el sistema tampón (HHbO ₂ -HbO ₂ ^-) se convierte en otro tampón más efectivo (HHB-Hb ^-) exactamente en el sitio donde se requiere una mayor capacidad de amortiguación. Más simplemente, esto significa que la descarga de oxígeno aumenta la cantidad de desoxihemoglobina y este mejor tampón se produce exactamente en el lugar donde se están produciendo H ⁺ adicionales debido a la producción de bicarbonato para el transporte de CO ₂ en los glóbulos rojos.

Relación entre los compartimentos intracelulares y extracelulares

¿Cómo se comunican los cambios en [H ⁺] entre el ICF y ECF?

Los dos principales procesos involucrados son:

• Transferencia de CO ₂ a través de la membrana celular
• Cambios iónicos (es decir, mecanismos de intercambio protón-catión)

Los puntos importantes a tener en cuenta sobre el CO ₂ son:

• Es muy soluble en lípidos y cruza las membranas celulares con facilidad provocando cambios ácido-base debido a la formación de H ⁺ y HCO ₃ ^-. Debido a esta facilidad de movimiento, el CO ₂ no es importante para causar diferencias en el pH en los dos lados de la membrana celular.
• El tampón extracelular de CO ₂ está limitado por la incapacidad del tampón extracelular principal (el sistema de bicarbonato) para amortiguar los cambios en [H ⁺] producidos a partir de la reacción entre CO ₂ y agua.

El resultado es que el amortiguamiento para los trastornos ácido-base respiratorios es predominantemente intracelular: 99% para acidosis respiratoria y 97% para alcalosis respiratoria.

El segundo proceso principal que permite la transferencia intracelularmente de iones H ⁺ es la entrada de H ⁺ a cambio de K ⁺ o Na ⁺. Este intercambio iónico es necesario para mantener la electroneutralidad. Este intercambio catiónico es el mecanismo que entrega H ⁺ intracelularmente para amortiguar un trastorno metabólico. En la célula, la proteína y los fosfatos (orgánicos e inorgánicos) amortiguan el H ⁺ suministrado por este mecanismo de intercambio iónico.

Los experimentos en acidosis metabólica han demostrado que 57% del tamponamiento ocurre intracelularmente y 43% ocurre extracelularmente. Los procesos involucrados en este buffering son:

Procesos involucrados en Buffering
ECF	43% (por bicarbonato y tampones proteicos)
ICF	57% (por tampones de fosfato y bicarbonato de proteína) debido a la entrada de H ^+ por:
	Na ^+ -H ^+ intercambio 36% K ^+ -H ^+ intercambio 15% Otros 6%

(ver Sección 10.6 para una explicación química de cómo un intercambio de Na ⁺ o K ⁺ por H ⁺ a través de una membrana puede alterar el pH cambiando la diferencia de iones fuertes o 'SID')

Treinta y dos por ciento (32%) del amortiguamiento de una alcalosis metabólica ocurre intracelularmente y el intercambio de Na ⁺ -H ⁺ es responsable de la mayor parte de la transferencia de H ⁺.

Papel de la amortiguación ósea

Las sales de carbonato y fosfato en el hueso actúan como un suministro a largo plazo de tampón especialmente durante la acidosis metabólica prolongada.

El importante papel de los tampones óseos a menudo se omite en las discusiones sobre fisiología ácido-base ⁴.

El hueso consiste en una matriz dentro de la cual se dispersan células especializadas. La matriz está compuesta por componentes orgánicos [colágeno y otras proteínas en sustancia molida] e inorgánicos de cristales de hidroxiapatita: fórmula general\( Ca_{10}(PO_{4})_{6}(OH)_{2}) \)]. Los cristales de hidroxiapatita constituyen dos tercios del volumen total del hueso pero son extremadamente pequeños y, en consecuencia, tienen una gran superficie total. Los cristales contienen una gran cantidad de carbonato (CO ₃ ^-2) ya que este anión puede ser sustituido tanto por fosfato como por hidroxilo en los cristales de apatita. El hueso es el reservorio principal de CO ₂ en el cuerpo y contiene carbonato y bicarbonato equivalentes a 5 moles de CO ₂ de un depósito total de CO ₂ corporal de 6 moles. (Compárelo con la producción basal diaria de CO ₂ de 12 moles/día)

El CO ₂ en el hueso está en dos formas: bicarbonato (HCO ₃ ^-) y carbonato (CO ₃ ^-2). El bicarbonato constituye un charco fácilmente intercambiable porque está presente en el agua ósea que forma la capa de hidratación alrededor de cada uno de los cristales de hidroxiapatita. El carbonato está presente en los cristales y su liberación requiere la disolución de los cristales. Este es un proceso mucho más lento pero las cantidades de buffer involucradas son mucho mayores.

¿Cómo actúa el hueso como amortiguador?

Dos procesos están involucrados:

• Intercambio iónico
• Disolución del cristal óseo

El hueso puede tomar H ⁺ a cambio de Ca ²⁺, Na ⁺ y K ⁺ (intercambio iónico) o liberación de HCO ₃ ^-, CO ₃ ^- o HPO ₄ ^-2. En la acidosis metabólica aguda la absorción de H ⁺ por hueso a cambio de Na ⁺ y K ⁺ está involucrada en el amortiguamiento ya que esto puede ocurrir rápidamente sin ninguna ruptura ósea. Una parte del llamado “tamponamiento intracelular de trastornos metabólicos agudos puede representar parte de este tamponamiento agudo por hueso. En la acidosis metabólica crónica, el principal mecanismo de tamponamiento es, con diferencia, la liberación de carbonato de calcio del hueso. El mecanismo por el cual se produce esta disolución del cristal óseo implica dos procesos:

• descomposición fisicoquímica directa de cristales en respuesta a [H ⁺]
• reabsorción osteoclástica del hueso.

La implicación de estos procesos en el tamponamiento es independiente de la hormona paratiroidea. La acidosis intracelular en osteoclastos da como resultado una disminución del Ca ²⁺ intracelular y esto estimula estas células.

El hueso probablemente esté involucrado en proporcionar algún tamponamiento para todas las alteraciones ácido-base. Hay poca evidencia experimental disponible para trastornos respiratorios. La mayoría de las investigaciones se han referido a las acidosis metabólicas crónicas ya que estas afecciones se asocian con una pérdida significativa de mineral óseo (osteomalacia, osteoporosis). En términos de duración solo dos tipos de acidosis metabólica son lo suficientemente duraderos como para asociarse a la pérdida de mineral óseo: la acidosis tubular renal (ATR) y la acidosis urémica. El hueso es un tampón importante en estas dos condiciones.

En la uremia, los factores adicionales son más significativos en la causa de la osteodistrofia renal ya que la pérdida de mineral óseo no puede explicarse solo por la acidosis. Los cambios en el metabolismo de la vitamina D, el metabolismo de los fosfatos y el hiperparatiroidismo secundario son más importantes que la acidosis para causar pérdida de mineral óseo en pacientes urémicos. La pérdida de mineral óseo debido a estos otros factores libera cantidades sustanciales de tampón.

Resumen El hueso es una fuente importante de tampón en la acidosis metabólica crónica (es decir, acidosis tubular renal y acidosis urémica) El hueso probablemente esté involucrado en proporcionar algún tampón (principalmente por intercambio iónico) en la mayoría de los trastornos ácido-base agudos, pero esto ha sido poco estudiado. La liberación de carbonato de calcio del hueso es el mecanismo de tamponamiento más importante involucrado en la acidosis metabólica crónica. La pérdida de cristal óseo en la acidosis urémica es multifactorial y la acidosis es solo un factor menor Tanto la acidosis como los cambios de vitamina D3 son responsables de la osteomalacia que ocurre con la acidosis tubular renal.

Referencias

1. Worthley LI. Metabolismo de iones hidrógeno. Anaesth Cuidados Intensivos 1977 Nov; 5 (4) 347-60. pmid:23014. PubMed
2. Pitts RF. Mecanismos para estabilizar las reservas alcalinas del cuerpo. Harvey Lect 1952-1953; 48 172-209. PubMed
3. Bernards WC Interpretación de Datos Clínicos Ácido-Base. Cursos Regionales de Actualización en Anestesiología. 1973; 1:17-26
4. Bushinsky DA. Acidosis y hueso. Miner Electrolyte Metab 1994; 20 (1-2) 40-52. PubMed