Le soluzioni tampone biologiche aiutano a mantenere il corpo ad un pH corretto in modo che i processi biochimici possano avvenire in modo ottimale
Molte reazioni chimiche sono influenzate dall’acidità della soluzione in cui esse avvengono.
Affinché una reazione possa avvenire, o possa avvenire con una determinata velocità si deve controllare il pH al quale la reazione avviene. Tale controllo è esercitato dalle soluzioni tampone che hanno la caratteristica di opporsi a drastiche variazioni di pH dopo l’aggiunta o la rimozione di piccole quantità ioni H+ o OH–.
Le reazioni biochimiche sono particolarmente sensibili al pH infatti le molecole biologiche contengono gruppi di atomi che possono caricarsi o essere neutri in funzione del pH e ciò ha effetto sull’attività biologica della molecola.
Negli organismi pluricellulari il fluido all’interno della cellula e i fluidi che circondano le cellule hanno un pH caratteristico e praticamente costante che viene mantenuto da soluzioni tampone biologiche come il sistema diidrogeno fosfato e il sistema acido carbonico.
Tampone fosfato
Il tampone fosfato contenuto nel fluido interno di tutte le cellule è costituito da H2PO4– che funge da donatore di ioni H+ (acido di Brønsted-Lowry) e dallo ione idrogeno fosfato HPO42- che funge da accettore di ioni H+ (base di Brønsted-Lowry). Tra tali ioni poliatomici si stabilisce l’equilibrio:
H2PO4–(aq) ⇌ H+(aq) + HPO42-(aq)
Se a tale sistema si aggiungono ioni H+ essi reagiscono con lo ione HPO42- e l’equilibrio si sposta verso sinistra mentre l’aggiunta di OH– fa spostare l’equilibrio a destra in quanto lo ione diidrogeno fosfato dà luogo alla formazione di idrogeno fosfato e acqua secondo la reazione:
H2PO4–(aq) + OH– (aq) ⇌ HPO42-(aq) + H2O(l)
L’espressione della costante di equilibrio è:
Ka = [H+][ HPO42-] / [H2PO4–] = 6.23 · 10-8 a 25°C
Da cui, isolando [H+] si ha:
[H+] = Ka[H2PO4–]/[ HPO42-]
Quando le concentrazioni di H2PO4– e HPO42- sono le stesse si ha [H+] = Ka = 6.23 · 10-8 da cui pH = – log 6.23 · 10-8 = 7.21. Nei mammiferi il fluido cellulare ha un valore di pH che oscilla tra 6.9 e 7.4 e il tampone diidrogeno fosfato/ idrogeno fosfato è efficace nel mantenere il pH all’interno di questo range.
Un altro fluido biologico in cui un tampone gioca un ruolo importante nel mantenere il pH entro certi valori è il plasma sanguigno.
Tampone acido carbonico/ idrogeno carbonato
In esso è presente il tampone acido carbonico/ idrogeno carbonato in cui H2CO3 funge da donatore di ioni H+ (acido di Brønsted e Lowry) mentre HCO3– funge da accettore di ioni H+ (base di Brønsted e Lowry):
H2CO3(aq) ⇌ H+(aq) + HCO3–(aq)
Questa soluzione tampone agisce allo stesso modo del tampone fosfato. L’aggiunta di H+ è neutralizzata da HCO3– mentre l’aggiunta di OH– è neutralizzata da H2CO3. Il valore della costante acida Ka per questo equilibrio è pari a 7.9 · 10-7 e il pKa è pari a 6.1 alla temperatura corporea.
Nel plasma sanguigno la concentrazione dello ione idrogenocarbonato è di circa venti volte maggiore rispetto alla concentrazione dell’acido carbonico e il pH è di 7.40. Se il pH scende al di sotto di tale valore si verifica l’acidosi mentre se sale al di sopra di tale valore si verifica l’alcalosi. La concentrazione degli ioni HCO3– e dell’acido carbonico H2CO3 è controllata da due sistemi fisiologici indipendenti. La concentrazione di acido carbonico è controllata dalla respirazione; l’acido carbonico dà luogo all’equilibrio
H2CO3(aq) ⇌ CO2(gas) + H2O(l)
Un enzima, la carbonato deidrasi, catalizza la conversione dell’acido carbonico in CO2(g). Nei polmoni l’eccesso di CO2(l) viene esalato come CO2(g):
CO2(l) ⇌ CO2(g)
La concentrazione di HCO3– è controllata dai reni: un eccesso di idrogeno carbonato viene espulso attraverso le urine. La maggiore concentrazione dell’idrogeno carbonato rispetto all’acido carbonico nel plasma sanguigno permette alla soluzione tampone di rispondere efficacemente alla gran parte delle sostanze che vengono rilasciate nel sangue. Il normale metabolismo produce prevalentemente sostanze acide come acidi carbossilici di cui l’acido lattico HLac costituisce un esempio. Tali acidi reagiscono con l’idrogeno carbonato per dare acido carbonico:
HLac (aq) + HCO3–(aq)⇌ Lac–(aq) + H2CO3(aq)
L’acido carbonico è convertito dall’azione della carbonato deidrasi in CO2(gas):
H2CO3(aq) ⇌ CO2(aq) + H2O(l)
Un aumento della concentrazione di CO2(aq) induce un aumento della respirazione e l’eccesso di biossido di carbonio è rilasciato attraverso i polmoni.