Sistemi Tampone

I sistemi tampone sono sistemi particolari che servono a mantenere costante il PH di una soluzione anche se vengono aggiunti o si formano quantità di acido o di base in quantità moderate.
Nel corpo umano acidi e basi non vengono introdotti ma prodotti col metabolismo, i sistemi tampone interni al nostro corpo sono formati da soluzioni composte da acidi o basi deboli accompagnati dalle basi o dagli acidi coniugati salificati, non vi sono sistemi tampone composti da acidi concentrati nel nostro corpo. Questi sistemi tampone servono a mantenere la distribuzione di carica sulle proteine, gioca dunque un ruolo fondamentale per quanto riguarda la loro funzionalità, ad esempio la formazione del complesso enzima-substrato è strettamente dipendente dal pH.


pH intracellulare = 7
pH cellule muscolari a riposo = 7
pH cellule muscolari in lavoro = 6,7
pH arterioso = 7,4
pH venoso = 7,37

Nel nostro corpo la possibilità di variazione è molto ristretta, soprattutto nel sangue dove una piccola variazione, anche di 0,4, può portare al coma. Esistono così sistemi che mantengono costante il pH del sangue.

Per costruire una soluzione tampone, innanzitutto inseriamo nella nostra soluzione acquosa una determinata concentrazione di acido debole, poi inseriamo un suo sale con una base forte. Si arriveranno ad avere in acqua contemporaneamente due tipi d’equilibrio:

HA + H2O → A- + H3O+

A- + H2O → HA + OH-

Se osserviamo questo equilibrio dal punto di vista di Le Chatelier, vediamo come entrambi siano spostati verso sinistra, vista la quantità di reagenti che abbiamo nel nostro sistema (sebbene sia più spostato a sinistra l’equilibrio della seconda reazione, vista la maggior forza di dissociazione della base).

Calcoliamo ora il valore del PH partendo dalla costante di dissociazione acida dell’acido HA.

Ka = ([A-]eq[H3O+]eq) / [HA]eq

[H3O+] = (Ka * [HA]eq) / [A-]eq

Per poter calcolare agevolmente il pH dobbiamo ricorrere a diverse approssimazioni: diciamo che [A-] = Cs in quanto presupponiamo [A-] derivante dalla completa dissociazione del sale NaA, inoltre presupponiamo trascurabile la diminuzione di [A-] con la reazione di idrolisi, anche perchè la presenza di HA in soluzione determina uno spostamento dell’equilibrio verso sinistra, e la formazione di [A-] dalla reazione dell’acido debole, anch’esso avente dopo l’imissione di [A-] in soluzione un equilibrio spostato verso sinistra. Un altra approssimazione che andiamo a fare è
[HA] = Ca, infatti la reazione dell’acido debole con l’acqua è resa trascurabile dal fatto che nella reazione la concentrazione di [A-] presente in soluzione determina uno spostamento dell’equilibrio della reazione verso sinistra rendendo trascurabile la dissociazione dell’acido debole, inoltre anche quello che si forma nella reazione d’idrolisi è considerato trascurabile perchè anch’essa è una reazione spostata verso sinistra. L’equazione diventa così:

[H3O+] = Ka * (Ca / Cs)

pH = pKa + (log (Cs = Cb coniugata)/Ca)
EQUAZIONE DI HENDERSON – HASSELBACH

Come facciamo a mantenere costante il pH? Se immettiamo dall’esterno un acido in soluzione, aumentano gli ioni H3O+ in soluzione, i quali andranno a reagire con gli A- (sono in soluzione sottoforma di sale disciolto, non tutti hanno reagito con l’acqua, inoltre una minima parte seppur trascurabile si è formata dalla reazione di HA con l’acqua) per formare HA e acqua, in questo modo ioni H3O+ vengono tolti dalla soluzione, aumenta la concentrazione di HA e diminuisce quella del sale. Se invece sciolgo nella mia soluzione tampone una base forte, tipo NaOH, gli ossidrili andranno a reagire con l’acido debole per formare A- e acqua, diminuisce così la concentrazione dell’acido debole ed aumenta quella degli ioni A-.

Un sistema tampone riuscirà a funzionare tanto meglio in base alla concentrazione dell’acido e della base coniugata che inseriamo nella nostra reazione (è ottimale intorno ad una concentrazione 0,5 M). Se invece inserisco nella soluzione poco sale e molto acido debole, riuscirò a tamponare bene solo le basi. Per questo ci vogliono dei valori appropriati per le concentrazioni dell’acido e della base coniugata: il rapporto tra Cb e Ca deve solitamente essere compreso tra 1/10 e 10/1. In questo intervallo il pH ha il suo campo di validità:

pH = pKa ± 1

Se Cb = Ca, allora si ha pH = pKa, che rappresenta il punto di MASSIMO POTERE TAMPONANTE.

Se voglio creare un tampone a pH = 4, posso prendere in concentrazioni uguali sia l’acido debole che la sua base coniugata, scegliendo come acido debole quello che ha la pKa = 4. Se ho a disposizione solamente un acido debole con pKa = 5, farò in modo d’inserire nella soluzione Cb e Ca in rapporto 1 a 10.

Andiamo ora a considerare i più importanti sistemi fisiologici del nostro corpo, tra cui citiamo il sistema tampone inorganico nelle cellule (fosfato, presente anche in moderate quantità nel sangue) ed il sistema tampone presente nel sangue (bicarbonato). Vi sono anche numerose proteine (emoglobina nel sangue) ed amminoacidi che svolgono questa funzione, ma non li analizzeremo in dettaglio.

Il sistema tampone fosfato è costituito principalmente dai sali fosfato presenti nella cellula:

    H3PO4 + H2O → H2PO4- + H3O+                  pKa = 2

T = 25 C                                                     H2PO4- + H2O → HPO4– + H3O+                 pKa = 7 ← utile per il nostro organismo

        HPO4– + H2O → PO4— + H3O+                    pKa = 12

H2PO4- rappresenta l’acido debole che fa parte del sistema tampone presente nelle nostre cellule, HPO4– rappresenta la base coniugata (nella nostra cellula questi composti sono salificati).
Dobbiamo però tenere in considerazione che il nostro corpo è sempre a 37 C, la pKa di H2PO4 a 37 C vale 6,80, mentre nel sangue il pH vale 7,4.

7,4 = 6,8 + log ([HPO4–] / [H2PO4-])

log ([HPO4–] / [H2PO4-]) = 0,60
rapporto di 4 a 1 all’interno di validità del sistema tampone

Nella cellula la differenza è di 0,20, il rapporto tra le concentrazioni è di 1,6
L’unico difetto del sistema tampone fosfato è che si trova in concentrazioni bassissime nel sangue, di circa 1mM.

Il sistema bicarbonato all’interno del sangue (H2CO3, una sua alterazione va ad influenzare tutte le altre attività cellulari ed enzimatiche nel nostro corpo) si forma come prodotto di scarto dal metabolismo, ovvero da CO2(sol) e H2O, divisa dalla CO2 che invece a livello degli alveoli passa direttamente in fase gassosa (in base alla pressione parziale che agisce sugli alveoli si ha un aumento o diminuzione della concentrazione di CO2 in soluzione).

CO2(g) → CO2(sol) + H2O → H2CO3 + H2O → HCO3- + H3O+
←                              ←                              ←

H2CO3 + H2O → HCO3- + H3O+ pKa2 = 3,77

HCO3- + H2O → CO3– + H3O+ pKa3 = 10,25

Alveoli polmonari,sistema tampone

H2CO3 si è formato da una serie d’equilibri, dunque sebbene a prima vista il pKa sia troppo basso per funzionare da sistema tampone nel sangue, se noi consideriamo la reazione globale

CO2 + H2O → HCO3- + H3O+

il pKa totale della reazione è dato pKa1 + pKa2. A 25 C essi valgono rispettivamente 2,58 e 3,77, il pKa totale è dunque 6,35. A 37 C invece il valore della pKa scende a 6,10.
L’acido debole è la CO2 in soluzione mentre la base coniugata è l’ HCO3-.

7,40 = 6,10 + log ([HCO3-] / [CO2])

log ([HCO3-] / [CO2]) = 1,30

il rapporto tra le due concentrazioni è dunque di 20 a 1

È in teoria un sistema non buono, ma funziona molto bene, addirittura meglio del sistema tampone fosfato. Intanto ha una concentrazione maggiore del tampone fosfato (25 mM), inoltre costituisce un sistema aperto, può avvenire uno scambio di materia ed energia, riuscendo così a mantenere costante questo rapporto.

Se il metabolismo produce ioni H3O+, in teoria gli equilibri dovrebbero spostarsi verso sinistra, determinando un aumento di CO2 ed una diminuzione di HCO3-, ma in realtà il rapporto rimane costante, in quanto il nostro organismo reagisce in modo che anche la concentrazione di CO2 diminuisca, ne viene cioè espulsa una maggiore quantità in fase gassosa a livello degli alveoli. Viceversa, se aggiungo ioni OH-, reagicono con H3O+ producendo acqua e spostando gli equilibri verso destra, diminuendo la concentrazione di CO2 ed aumentando quella di HCO3-: anche a questo punto la concentrazione di CO2 viene ripristinata a livello degli alveoli con un maggior passaggio di CO2 in soluzione. Una diminuzione del pH provoca un aumento della velocità degli scambi gassosi a livello degli alveoli polmonari, mentre un aumento di pH è compensata da una diminuzione di velocità degli scambi gassosi.

La titolazione di un acido debole con una base forte è fatta sul quaderno.