Tampone

tampone Sostanza o miscela di sostanze in soluzione (soluzione t.) che impedisce, entro certi limiti, le variazioni di pH dovute all’aggiunta di acidi o basi. Ogni t. ha un campo di pH nel quale esercita la sua azione. Sistemi t. naturali sono ampiamente diffusi nei sistemi di regolazione metabolica.

Soluzioni tampone

Una soluzione t. tipica è costituita dalla miscela dei due componenti di una coppia coniugata acido-base: un acido debole e un suo sale (per es., acido acetico e acetato di sodio), una base debole e un suo sale (per es., ammoniaca e cloruro di ammonio), due sali di un acido poliprotico (per es., mono- e diidrogenato di sodio). La soluzione contenente un sistema t. è detta essa stessa soluzione tampone.

Considerando il caso di un acido debole monoprotico HA e del suo sale MA, in soluzione si ha la dissociazione del sale, che si può ritenere completa MA→M⁺+A⁻, mentre l’equilibrio di dissociazione dell’acido è esprimibile dall’equazione HA+H₂O⇄H₃O⁺+A⁻. La base coniugata dell’acido, A⁻, dà luogo, a sua volta, all’equilibrio di idrolisi: A⁻+H₂O⇄HA+OH⁻. In questo modo, gli equilibri acido-base delle specie in soluzione sono fonte sia di ioni ossidrili sia di ioni idronio. Quando alla soluzione viene aggiunto un acido forte, gli ioni H₃O⁺ si combinano con gli ioni ossidrili aumentando la concentrazione della forma indissociata dell’acido mentre, quando viene aggiunta una base forte, gli ioni OH⁻ si combinano con gli ioni idronio aumentando la concentrazione della forma dissociata. In entrambi i casi, il sistema formato dall’acido e dal suo sale (ovvero dalla sua base coniugata) è in grado di neutralizzare gli ioni che modificano il pH della soluzione. A rigore, ogni acido debole in soluzione, in equilibrio con la sua base coniugata, costituisce un sistema t.; tuttavia, la capacità t. dipende in larga misura dalla concentrazione totale del t. e dal rapporto di concentrazione acido/base coniugata. In particolare per soluzioni non eccessivamente diluite di un t. acido si ha che:

[1] formula

dove K_α è la costante di acidità dell’acido debole. La [1] si può spesso approssimare considerando trascurabile la frazione di acido dissociata e assumendo la concentrazione della base coniugata all’equilibrio uguale a quella del sale disciolto. Chiamando C_α e C_s rispettivamente le concentrazioni dell’acido e del sale, si ha perciò:

[2] formula

Il pH della soluzione è dato da:

[3] formula

dove pK_α è l’antilogaritmo della costante di acidità dell’acido debole. Se una soluzione t. contiene un’uguale concentrazione di un acido e di un suo sale, si ha pH=pK_α. Per es., nel caso del sistema acido acetico/acetato, il valore del pH della soluzione t. è 4,75. La [3] consente di calcolare la variazione di pH che si ha per aggiunta di un acido o di una base forti in una soluzione tampone.

L’efficacia dell’azione tamponante di una soluzione è data dalla capacità t. (o capacità tamponante) β, che esprime la capacità del t. a mantenere costante il pH per aggiunta di determinate quantità di acido o di base. β varia al variare del pH della soluzione e, in termini differenziali, è espressa da β=∂C_b/∂pH, dove ∂C_b rappresenta il numero infinitesimo di moli di base aggiunta alla soluzione. La capacità t. dipende dalla quantità di ioni idrogeno e ioni ossidrili che possono essere messi a disposizione grazie allo spostamento degli equilibri acido-base della soluzione tampone. Una miscela t. viene a formarsi ogni volta che si titola un acido debole con una base forte o una base debole con un acido forte. Infatti, prima dell’equivalenza, l’aggiunta della base (o dell’acido) porta alla formazione del sale dell’acido che, in presenza dell’acido indissociato ancora in eccesso, dà luogo alla formazione di un tampone. L’azione di tale t. è evidenziata dalla piccola pendenza della curva di titolazione (➔) nella zona in cui pH≈pK. Nella zona prossima all’equivalenza, invece, l’efficacia del t. diminuisce e la variazione del pH, anche per piccole aggiunte di base, diviene notevole.

Anche nelle titolazioni acido forte/base forte si ha, all’inizio della titolazione, una scarsa pendenza della curva di titolazione. Ciò è dovuto al notevole eccesso di acido forte (o di base forte) presente in soluzione. A rigore, perciò, anche una soluzione di acido (base) forte può essere considerata un t. anche se il suo potere tamponante si esercita solo per aggiunta di una base (di un acido). Infine si possono anche avere t. multipli, ottenuti mescolando vari acidi deboli, caratterizzati da diversi valori di pK_α. La capacità t. risulta allora, additivamente, dal contributo di ogni coppia coniugata. In questo modo l’efficacia di un sistema t. può estendersi a zone molto ampie di pH.

Sistemi t. dei tessuti e del sangue

Durante i processi metabolici cellulari sono prodotte notevoli quantità di sostanza di natura acida e alcalina che possono determinare variazioni dei valori di pH, intra- ed extracellulare, compatibili con la vita (tra 6,8 e 7,8) e con il normale metabolismo. Gli organismi viventi si trovano, così, di fronte alla necessità di rimuovere e di neutralizzare tali sostanze, giacché di continuo il respiro, l’attività muscolare e anche l’alimentazione tenderebbero a modificare il loro pH fisiologico. I meccanismi di regolazione dell’equilibrio acido-base comprendono: i meccanismi chimici (sistemi t. del sangue e dei tessuti e riserva alcalina) e i meccanismi fisiologici (meccanismo respiratorio, renale e cellulare).

In ogni organismo vivente si distinguono 3 principali compartimenti acquosi: il plasma, il liquido interstiziale (o intercellulare) che bagna le cellule, e il liquido intracellulare. Ogni tipo di compartimento contiene particolari soluti a concentrazioni caratteristiche, alcuni dei quali si comportano da t. ai pH fisiologici. Il plasma e il liquido interstiziale, nel loro insieme, costituiscono il liquido extracellulare; la loro composizione ionica è molto simile, dato che il catione principale è Na⁺ (con piccole quantità di K⁺, Ca⁺⁺ e Mg⁺⁺) e gli anioni dominanti sono HCO₃^– e Cl^– (con piccole quantità di fosfati e solfati), ma nel plasma sono presenti molte più proteine, che fanno aumentare il numero degli anioni organici presenti (amminoacidi e peptidi). Nel liquido intracellulare, invece, il K⁺ è il catione principale e i fosfati e le proteine gli anioni più abbondanti. Nel compartimento extracellulare i t. principali sono il sistema CO₂/HCO₃^– e le proteine, in quello intracellulare sono i fosfati organici e ancora le proteine.

Il plasma sanguigno costituisce un sistema t. misto in cui i t. principali sono: H₂CO₃/HCO₃^–, H₂PO₄^–/HPO₄^–, proteina/proteinato. Infatti, le proteine del sangue, in particolare l’emoglobina, a pH fisiologico si comportano da acidi debolissimi e poco dissociati e in presenza dei loro sali formano un sistema proteina/proteinato con tutte le caratteristiche di un tipico t., e un valore di pK compreso tra 5,6 e 8,4. Il sistema conosciuto come quello dei fosfati è in realtà costituito da acido fosforico che, al pH fisiologico, si trova sotto forma di una miscela equilibrata di fosfati acidi e alcalini, BH₂PO₄ e B₂HPO₄ (dove B indica il catione, soprattutto Na⁺ e K⁺) i quali sono dissociati nella base e nello ione acido; questo t. ha un pK di 6,7-7,2. Il sistema t. più importante nel sangue è quello costituito da acido carbonico-bicarbonato (H₂CO₃/HCO₃^–) (pK=6,1). L’acido carbonico si forma dalla CO₂ metabolica, e la sua concentrazione (in equilibrio con quella della CO₂ stessa) è regolata con la ventilazione polmonare. A sua volta, il bicarbonato può essere facilmente scambiato con altri sali tra sangue e tessuti secondo le necessità ed eliminato con le urine in caso di bisogno. Poiché al normale valore di pH del sangue, cioè 7,4, la concentrazione del bicarbonato è 20 volte superiore a quella dell’acido carbonico, si potrebbe credere che questo t. sia poco efficace; invece, il rapido controllo respiratorio della quantità di H₂CO₃ conferisce una particolare forza tamponante a questo sistema, in quanto permette notevoli variazioni della quantità di HCO₃^– che costituisce una vera riserva alcalina a disposizione dell’organismo per neutralizzare i prodotti acidi del metabolismo cellulare.

In particolari condizioni, però, si possono verificare variazioni non bilanciate del sistema H₂CO₃/HCO₃^– che danno origine a stati di acidosi (eccesso di acidi o deficienza di basi) o alcalosi (eccesso di basi o deficienza di acidi). Generalmente, i cambiamenti che possono avere luogo più frequentemente sono quelli chiamati acidosi (o alcalosi) metabolica o non gassosa, in quanto caratterizzate da modificazioni del metabolismo intermedio. L’acidosi metabolica può essere causata da un accumulo di acidi non volatili per eccessiva produzione (per alterato metabolismo dei carboidrati, come nel caso del diabete mellito, o dei grassi), per ridotta eliminazione renale (insufficienza renale, acidosi tubulare renale) o per perdita di basi t. bicarbonato per via renale o gastrointestinale. L’alcalosi metabolica, invece, può essere provocata da elevata introduzione di sostanze basiche (somministrazione di bicarbonato) o da perdita di acidi (HCl con il vomito). Diversi sono i disordini denominati acidosi (o alcalosi) respiratoria o gassosa; infatti, sono dovuti ad alterazioni della ventilazione polmonare, che provocano un aumento o una diminuzione della concentrazione di CO₂ nel sangue. L’acidosi respiratoria si ha a causa della ipoventilazione polmonare, seguita dall’aumento della pressione parziale di CO₂ nell’aria alveolare che, a sua volta, provoca un aumento della CO₂ disciolta nel sangue sotto forma di H₂CO₃, con cui è in equilibrio. Tutto ciò, stimolando il centro respiratorio, determina un’iperpnea o dispnea, a seconda dei casi, il cui risultato è quello di sottrarre una grande quantità di CO₂ dal sangue senza che il pH sia notevolmente modificato.

Modificazioni in senso opposto si verificano nell’alcalosi respiratoria, provocata, per es., dall’iperventilazione alveolare, nella quale si ha una diminuzione della pressione parziale della CO₂, che provoca l’apnea. Il meccanismo respiratorio, quindi, provvede a mantenere entro valori normali il sistema t. dei bicarbonati con un’azione di controllo sulla concentrazione dell’acido carbonico. La regolazione polmonare, anche se molto rapida, per la facilità degli scambi gassosi, a volte è scarsamente efficace ed è, perciò, coadiuvata dal meccanismo renale, che interviene eliminando sia gli eccessi degli acidi non volatili sia quelli di bicarbonato. Come conseguenza, il pH delle urine varia in funzione delle necessità dell’organismo di perdere queste sostanze.

Infine, tutte le cellule, comprese quelle muscolari e in particolare quelle dell’epitelio del tubulo renale, partecipano alla regolazione del pH dei liquidi extracellulari, operando uno scambio ionico che consiste nel passaggio attraverso la membrana cellulare di ioni Na⁺ contro ioni K⁺ o H⁺, a seconda delle necessità dell’organismo.