Protones, pH, Buffers, y Actividad Fisica

Guillermo Laich
28/05/2020 22:36

 

 

 

"La vida es una constante lucha contra la acidosis."

Henry Louis Menken (1880 - 1956)

 

El cansancio, la falta de recuperación, y la falta de energía son quejas comunes de muchos deportistas. Siendo este el caso, ¿exactamente cuál es y dónde se encuentra el mecanismo que creando estado fisiológico de fatiga? En otras palabras: ¿dónde se aplican los frenos bioquímicos y fisiológicos de rendimiento y recuperación? Las respuestas son multiples pero la acumulacion de protones tiene mucho que ver en el proceso. 

De hecho, una deficiencia - incluso una deficiencia parcial - de una de las muchas proteínas implicadas en el Ciclo de Krebs obligaría a los músculos esqueléticos a depender más de la conversión de glucógeno en lactato, con la consiguiente acumulación de protones. Tal acumulación de protones llevaría a un menor pH así como a diferentes grados de fatiga en funcion del esfuerzo físico.

¿Qué es un protón?

En el año 1815, a lo largo de los primeros días de la teoría atómica moderna, el químico, médico, y teólogo británico William Prout (1785-1850) sugirió que todos los átomos estaban formados por átomos de hidrógeno. Hoy en día se le recuerda principalmente por lo que se denomina como “la Hipótesis de Prout.” Tal hipotesis consistia en que los pesos atómicos de todos los elementos eran en realidad múltiplos de los del hidrógeno. Especuló, además, que el hidrógeno era una especie de "materia prima" de la que estaban compuestos los demas elementos.

Los átomos de carbono, por ejemplo, pesaban exactamente doce veces más que los átomos de hidrógeno, y por lo tanto estaban compuestos de doce átomos de hidrógeno cada uno. Los átomos de oxígeno pesaban dieciocho veces más que los átomos de hidrógeno, y así sucesivamente. Debido a esto, Prout sugirió que el hidrógeno era la sustancia primaria de la que todo lo demás estaba construido. Además dio a dicha sustancia el nombre "protyle," formado por las palabras griegas "protos" que significa "primero" y "hyle" que significa "materia."

A medida que la investigación avanzaba y se acumulaba cada vez más información, se hizo evidente que la hipótesis de Prout era incorrecta. Por ejemplo, se calculó que el peso del átomo de cloro era 35,5 veces más pesado que el del átomo de hidrógeno. Sin embargo, y en aquellos tiempos, los químicos ya sabían que no existía el medio átomo de hidrógeno.

Sin embargo, en el año 1896 y en adelante, se descubrió que los átomos estaban compuestos de partículas aún más pequeñas, actualmente conocidas como partículas subatómicas. Resultó que más del 99,9% de la masa de un átomo de hidrógeno consistía de una sola partícula diminuta, cargada positivamente, y ubicada en el centro mismo del átomo, o núcleo. De hecho, se descubrió que los centros de los átomos más pesados que el hidrógeno contenían cantidades variables de esta partícula. 

Investigaciones posteriores determinaron que un átomo de cloro resultó ser 35,5 veces más pesado que el hidrógeno porque estaba compuesto por dos distintas variedades de átomos. Uno de ellos pesaba 35 veces más que los átomos de hidrógeno; y el otro pesaba 37 veces más. Como el primer tipo era tres veces más numeroso que el segundo, el peso medio de ambos era de 35,5.

En las cercanias del año 1906, el físico británico Premio Nobel Ernest Rutherford (1871-1937) comenzó a estudiar el efecto de bombardear delgadas laminas de metal con partículas alfa. La gran mayoría de estas partículas atravesaron fácilmente las láminas como si alli no hubiera nada, pero algunas fueron desviadas, y un pequeño grupo incluso rebotó.

Al observar estos hechos, Rutherford concluyó que los átomos eran principalmente espacio vacío y que la mayor parte de la masa de un átomo se concentraba en forma de partículas en el centro o núcleo del átomo. En el año 1920, fue el mismo Rutherford quien sugirió que esta partícula situada en el centro se llamara "protón." 

Actualmente definimos un protón como una partícula elemental cargada positivamente, y que actua como componente fundamental de todos los núcleos atómicos. Es el barión más ligero y estable, con una carga igual en magnitud a la del electrón, un espín de ½, y una masa de 1,673 × 10-27 kg. Su símbolo químico es la letra "P."

¿Qué es un ácido?

La acidez constituye uno de los cuatro sabores fundamentales, los otros tres son el dulce, el salado, y el amargo. La acidez se produce naturalmente en las frutas no maduras, asi como en algunas maduras. Fue allí donde el hombre primitivo se familiarizó por primera vez con el sabor. Además, ya se sabía en la prehistoria que ciertos líquidos, como la leche, se agriaban si se dejaban en reposo. Los zumos de fruta, al reposar un tiempo, fermentaban y se convertían en vino que, al dejar en reposo, también se agriaba. La expresión "vino agrio" en el francés antiguo es "vin egre" que significa precisamente vino agrio. A continuacion, y de ahí deriva nuestra actual palabra "vinagre."

La palabra latina para "ser amargo" es "acere". En frances antiguo "egre" es una forma mas de tal termino. De "acere," se derivan otras dos palabras: "acidus" y "acetum" que significa "vinagre". El término "vino" viene del latín "vinum" que significa lo mismo. Por extensión, el término "viñeta" define un "racimo de uvas." Una viñeta es una breve descripción evocadora o un relato en un libro originalmente rodeado de un diseño similar a un racimo de uvas.

Dicho esto, es bien sabido que los químicos medievales estaban particularmente interesados en las sustancias ácidas. El vinagre fuerte podía atacar o corroer varios metales y en su presencia se producían ciertos cambios químicos que no se producían de otra manera. En las cercanias del año 1300, se descubrieron nuevos y más fuertes productos químicos de este tipo. Gracias a su mayor actividad, los metales y otras sustancias se podían disolver más rápidamente que con el uso del vinagre más fuerte.

Todos estos compuestos fueron denominados "ácidos" por su característica más prominente: un sabor típico de acidez. El vinagre y los zumos de fruta contenían "ácidos orgánicos" mientras que las nuevas sustancias más fuertes que se obtenían de fuentes no vivas eran denominados "ácidos minerales." La química moderna define como "orgánico" cualquier compuesto con una molécula que contenga átomos de carbono, y como "inorgánico" cualquier compuesto con una molécula que no contenga átomos de carbono.

El ácido particular del vinagre "acetum" se denominó "ácido acético," de tal modo que las dos palabras procedían de la misma palabra latina "acere." Actualmente, un ácido es cualquier compuesto que tiene tendencia a perder un protón. Si la tendencia es lo suficientemente grande, el ácido será agrio al gusto; si no es lo, no será agrio, pero técnicamente seguirá siendo un ácido.

¿Qué es una base?

En el reino vegetal, las cenizas de las plantas producen sustancias con propiedades alcalinas capaces de neutralizar o contrarrestar las propiedades de los ácidos. Tanto los ácidos como los álcalis, si son suficientemente fuertes, pueden ser corrosivos y peligrosos. En términos generales podemos afirmar que los ácidos tienden a queman mientras que los álcalis tienden a corroer. Sin embargo, un ácido fuerte añadido a un álcali fuerte da como resultado una mezcla que puede ser muy suave. En otra línea, una sustancia que no es ni ácido ni álcali se denomina "neutra," del latín "ne" que significa "no" y "uter" que significa "cualquiera," es "no cualquiera" – o sea (ni) la una ni la otra.

Las sustancias alcalinas obtenidas de las cenizas de las plantas pueden tornarse más alcalinas si se someten a un fuerte calentamiento. Parte de la ceniza se convierte en vapor y desaparece en forma de dióxido de carbono. La parte que queda se llama óxido de sodio u oxido de potasio. Ambos, con la adición de agua, se convierten en hidróxido de sodio (soda cáustica) o hidróxido de potasio (potasa cáustica). La palabra "cáustica" viene del griego "kaustikos" que a su vez viene de la palabra "kalein" que significa "quemar."

Para los antiguos químicos, la parte que permanecia después del calentamiento resultó ser la parte más solida y firme de la ceniza original. Por eso se le denominó "base" del griego "base" que significa "pedestal." Formaba el pedestal o componente estructural basal sobre el que se podía construir el resto del compuesto.

Por supuesto, el término "base" se convirtió rápidamente en un termino utilizado para denominar cualquier compuesto que pudiera neutralizar un ácido. Este simple hecho rapidamente llevo a discusiones y a una evidente contradicción. El amoníaco, por ejemplo, podía neutralizar los ácidos y sin embargo era un gas que se desprendía en forma de vapor al calentarse.

Por esta razón, las bases ordinarias fueron llamadas "bases fijas" - donde el término "fijo" significaba "atado" - del latín "figere" que significa "atar." Además, el amoníaco era una "base volátil" del latín "volare" que significa "volar" y "volitilis" que significa "volar desde." Al fin de cuentas llegamos al concepto de un "pedestal volador," cosa que francamente pone a prueba los limites de nuestra imaginación.

Actualmente, la base es cualquier compuesto que neutralice un ácido, ya sea sólido, líquido, o gaseoso. Una sustancia fuertemente básica se sigue llamando "álcali," pero aun no existe una denominacion especifica que se aplique a las sustancias fuertemente ácidas.

Por lo tanto …

Un ácido es un compuesto que, cuando se disuelve en agua, es capaz de donar un ion de hidrógeno (H+). Dado que el hidrogeno es un solo protón con una carga positiva, los ácidos también se denominan comúnmente donantes de protones. Ejemplos de ácidos en nuestro cuerpo incluyen el ácido clorhídrico (HCl), el ácido carbónico (H2 CO3 ) y el ácido láctico (C3 H6 O3 ), este último es producido en los músculos esqueleticos en funcion de un ejercicio de alta intensidad.

Por el contrario, una base es un compuesto capaz de aceptar iones de hidrógeno. Por esta razón, una base se denomina comúnmente aceptador de protones. Las bases comunes incluyen iones de hidroxilo (OH-) e iones de bicarbonato (HCO3-).

¿Qué es el pH?

Las letras "pH" significan "Potencial de Hidrógeno." Hacen referencia a la concentración de iones de hidrógeno [H+] en una solución. En nuestro caso los corchetes cuadrados “[  ]” significan concentracion y hacen referencia a la medida de la acidez (pH bajo) o la alcalinidad (pH alto) de una solución. La escala del valor de pH va de 0 a 14, donde la acidez va de 0 a 7 (cuanto más baja más ácida), donde el punto neutro se fija exactamente en 7,0, y donde la alcalinidad va de 7 a 14 (cuanto más alta más alcalina). 

Aplicado al rendimiento humano, el ácido láctico es llamado así porque se produce a partir de la leche por la acción de las bacterias sobre un azúcar de la leche conocido como lactosa. El ácido láctico es responsable del sabor agrio de la leche agria o podrida. Las bacterias producen ácido láctico a partir del azúcar de la leche (lactosa) a través de exactamente el mismo proceso que en el músculo, mediante la glucólisis anaeróbica.

La glucólisis anaeróbica es la transformación de la glucosa en lactato cuando se dispone de cantidades limitadas de oxígeno. Representa el único y eficaz medio de producción de energía durante el ejercicio breve e intenso, proporcionando energía durante un período que va aproximadamente de diez segundos a dos minutos. En un esfuerzo máximo el sistema de glicólisis anaeróbica (ácido láctico) es el sistema metabolico dominante entre los 10 y los 30 segundos. La velocidad a la que el sistema glucolitico genera unidades de ATP es aproximadamente 100 veces mayor que la de la fosforilación oxidativa (ciclo de krebs y cadena citocromatica).

Como todos los ácidos, el ácido láctico puede disociarse para producir un ión con carga positiva conocido como H+ y un ión lactato con carga negativa. Segun las condiciones de célulares, esta disociación - o ionización - es prácticamente completa. Cuando un locutor de radio o televisión describe el agonico sprint de un atleta corriendo los 400 metros hasta la línea de meta a veces afirma que el ganador termina "en un mar de ácido láctico." Tal siendo el caso, no son el ácido láctico ni el lactato los que en realidad están causando los problemas metabólicos, sino los protones sueltos que resultan del proceso de disociación intracelular. 

Muchas proteínas tienen funciones especiales en la célula. Tales funciones dependen de que tales proteinas se encuentren en un determinado estado de ionización. En presencia de protones (H+) su estado se altera de manera que su función se ve afectada, en algunos casos incluso de forma irreversible. La importancia de los protones se pone de relieve por el simple hecho de que hay suficiente glucógeno muscular y tambien suficiente capacidad de glucólisis anaeróbica para producir una cantidad masiva de protones.

Tal cantidad de protones es más que suficiente para causar la muerte del organismo mediante un estado extremo de acidosis, en menos de sesenta segundos. Afortunadamente, la fatiga tiende a frenar al atleta - o lo detenga por completo - impidiendo asi una forma muy peculiar de suicidio metabólico causado por una acumulacion masiva de protones.

Acido láctico y lactato

La mayor diferencia entre el ácido láctico y el lactato es la presencia de un protón en la molécula. La base conjugada del acido lactico se conoce como lactato, y tiene una carga electrostatica negativa (-). Por lo tanto, el ácido láctico posee una carga positiva y no es algo que el cuerpo produzca o elimine de los músculos. En su lugar, el lactato con carga negativa debe ser utilizado cuando se discute el proceso metabólico en cuestion.

Ahondando mas en el tema, a menudo el ácido láctico y el lactato suelen ser utilizados indistintamente tanto por los entrenadores como por los deportistas. Sin embargo, hay una diferencia bioquímica entre los dos. El lactato es ácido láctico, al que sencillamente le falta un protón. Para ser considerada como un ácido, una sustancia debe ser capaz de donar un ion de hidrógeno. Así, cuando el ácido láctico dona su protón, se convierte en su base conjugada, o lactato con carga negativa. 

Cuando hablamos sobre la producción de lactato en el cuerpo, o del umbral del lactato, o del umbral del ácido láctico, la diferencia es en gran parte una cuestión de semántica. Pero, el cuerpo produce y utiliza el lactato, y no el ácido láctico. La producción de lactato es, en realidad, un mecanismo de protección metabolica que evita que el cuerpo se dañe o destruya a sí mismo por una masiva e incontrolable produccion de protones. 

Tradicionalmente se asumía que el lactato restante era un producto de desecho sin utilidad ni salida, pero ahora sabemos que el esqueleto de carbono contenido en este compuesto puede ser transportado dentro y entre otros tejidos para proporcionar una fuente adicional de energía.

Cuanto mejor se pueda procesar y soportar el acumulo de lactato, mayor será la capacidad de producir altos niveles de rendimiento. Alrededor del 75% del lactato producido durante el ejercicio se utiliza a modo de una fuente de energía moderadora; el otro 25% se filtra en la sangre, que es precisamente como se prueban y determinan los niveles de lactato durante el ejercicio. 

La escala de pH 

Para mantener la homeostasis de los fluidos corporales, deben existir proporciones casi iguales de ácidos y bases. Cuando los ácidos se disuelven en una solución se disocian. Por ejemplo, en el caso del ácido clorhídrico, el ácido se disocia en iones H+ e iones de cloruro (Cl-). Las bases, en cambio, se disocian en uno o más iones OH-. Cuantos más iones H+ se disuelven en la solución, más ácida se vuelve la solución; cuantos más iones OH- se disuelven en la solución, más alcalina se vuelve la solución.

Podemos cuantificar la acidez o alcalinidad de la solución en base a la escala de pH, que es esencialmente una escala logarítmica que va del 0 al 14, y que se basa en la concentración de iones H+ en moles por litro. El pH de una solución se define como el logaritmo decimal negativo de la concentración de H+ libre.

El punto medio de la escala de pH corresponde al numero 7. Es precisamente en este punto de pH 7 en el que la concentración de H+ y OH- son iguales. Una solución con un pH de 7 se denomina neutra, y el ejemplo común es el agua pura. Si una solución tiene un pH neutro significa que contiene 1 × 10-7 moles de iones de hidrógeno por litro. Cuando la solución tiene más iones H+ que iones OH-, se denomina solución ácida y por lo tanto tiene un pH inferior a 7. Por el contrario, cuando la solución tiene más iones OH- que iones H+, la solución se denomina solución alcalina y tiene un pH superior a 7.

Debido a que la escala de pH es logarítmica, es importante señalar que un cambio en un número entero de la escala representa una diferencia de diez veces en la concentración de H+. Por ejemplo, un pH de 6 denota 10 veces más iones H+ que un pH de 7. Análogamente, un pH de 8 denota 10 veces menos iones H+ que un pH de 7. El logaritmo de un número real positivo - en una base de logaritmo determinada - es el exponente al cual hay que elevar la base para obtener dicho número. Por ejemplo: el logaritmo en base 10 de 1000 es 3, porque 1000 es igual a 10 a la potencia 3: 1000 = 10³ = 10 × 10 × 10.

La escala de pH proporciona una medida simple y cuantitativa de la concentración de protones. De manera algo paradójica, a medida que la concentración de protones aumenta, el pH disminuye, y viceversa. Un cálculo muestra que durante un exhaustivo sprint de 400 metros se producen suficientes protones, a partir de la conversión de glucógeno en lactato, para reducir el pH de la sangre y el músculo por debajo de pH 2.0. Sin embargo, estudios fisiológicos de alta precision han demostrado que esto no es asi, ya que el pH del músculo esquelético en realidad cae de 7.0 a aproximadamente 6.0, y que el pH de la sangre cae de 7,4 a 6,9. Ahora bien, ¿por qué sucede esto?

¿Que son los buffers?

En el cuerpo humano hay una serie de compuestos conocidos como tampones, amortiguadores, o buffers, que actúan como esponjas metabólicas y literalmente "absorben" los protones, reduciendo asi la extensión de un brusco cambio de pH. Un tampón es una solución que puede resistir el cambio de pH al añadirle un componente ácido (pH bajo) o básico (pH alto). Es capaz de neutralizar pequeñas cantidades de ácido o base añadidos, manteniendo así el pH de la solución relativamente estable.

Los buffers pueden hacer esto porque son capaces de combinarse fácilmente con los protones cuando la concentración de protones es alta, y liberarlos cuando es baja. Actúan más bien como una tipica esponja capaz de absorber el agua derramada sobre la mesa y liberarla cuando se le aprieta. Bioquímicamente hablando, la acción amortiguadora de los buffers puede ser representada por un estado de equilibrio, donde la dirección de la reacción dependera de la concentración de protones (H+).

Los protones, una vez que entran en el flujo sanguíneo, se encuentran con uno de los amortiguadores más importantes del cuerpo, el ión hidrogenocarbonato, también conocido como bicarbonato. Se combina con un protón para formar una molécula de ácido carbónico, amortiguando así la caída del pH. El producto de la reacción entre el bicarbonato y los protones, el ácido carbónico, se descompone en el flujo sanguíneo y en los pulmones para producir dióxido de carbono y agua. 

La razón por la que podemos correr más de 100 o 200 metros a una alta intensidad depende en gran medida de la eficacia de este sistema de buffers y, muy especialmente de la respuesta de otros dos órganos del cuerpo: 1.- los riñones; y 2.- los pulmones. 

Cuando la concentración de protones en sangre aumenta, los riñones segregan algunos protones hacia la orina y al mismo tiempo iones de bicarbonato hacia la sangre. Además, la velocidad de la respiración aumenta, lo que elimina el dióxido de carbono de los pulmones, cosa que acelera su difusión desde la sangre al aire a través de la membrana alveolar.

Aumentar la velocidad a la que los iones bicarbonato se añaden a la sangre y la velocidad a la que se elimina el dióxido de carbono permite que el sistema de amortiguación de los buffers "absorba" más protones y los "libere" como dióxido de carbono y agua. De esta manera el cuerpo, de forma rápida y eficientement, pone bajo control una tasa masiva de producción de protones que de otra manera serían letales.

Protones y fatiga

A nivel molecular, la causa de la fatiga en el músculo esquelético concierne una disminución en la capacidad para formar puentes cruzados. Existen al menos dos teorías para explicar cómo este hecho se produce en base a un exceso de protones. 

La primera se basa en el hecho de que los protones, como los iones de calcio, tienen una carga positiva. Los iones de calcio controlan la velocidad de formacion de los puentes cruzados haciendo que los sitios de unión estén disponibles en los delgados filamentos de actina para que los puentes se unan. Los protones pueden interferir negativamente con este proceso de unión entre la miosina y la actina. De hecho, evitan que los iones de calcio se unan a la proteína reguladora del filamento de actina. Esta interferencia reducirá considerablemente la potencia contractil del músculo esquelético.

La segunda se basa en el hecho de que los protones escapan de las fibras musculares y pasan al espacio entre las fibras antes de entrar en el torrente sanguíneo para ser amortiguados por el sistema del bicarbonato. Si los receptores sensoriales, incrustados entre las fibras musculares, pueden detectar un aumento en la concentración de protones, podrían entonces aumentar la frecuencia de las señales nerviosas al cerebro. Estas señales serían interpretadas por el cerebro como incomodidad y dolor, lo que llevaría a una reducción de la potencia contractil del musculo esqueletico. 

Por otra parte, la oxidación de los ácidos grasos puede conducir a una disminución de la tasa de glucólisis al aumentar la eficacia del ATP como regulador de las enzimas clave en la glucólisis. Los protones pueden hacer exactamente lo mismo. De hecho, a medida que la concentración de protones aumenta, la tasa de glucólisis disminuye. Se trata de un mecanismo de inhibición de la retroalimentación que impide una peligrosa e incluso letal acumulación de protones. Esto, a su vez, conduciria a un estado extremo de acidosis y quizas la muerte.

El resultado final es que, aunque la concentración de protones producida por la glucólisis se reduce mediante la amortiguación con buffers, aún quedan suficientes protones libres para producir la sensacion de fatiga.

 

 

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