結構生物化學/緩衝液

緩衝液的一般資訊

pH 的顯著變化會導致對分子結構、生物活性及功能的有害反應。蛋白質結構可能會受到破壞，而酶可能會因 pH 對細胞結構的影響而變性。幸運的是，自然進化出瞭解決這個問題的方法：抵抗 pH 變化的溶液稱為緩衝液。如果向無緩衝溶液中新增酸，pH 將突然發生變化，並且與新增的酸量成正比。然而，在緩衝溶液中，當新增酸時，pH 會逐漸下降。緩衝液還能減輕新增鹼引起的 pH 上升。

緩衝液是水溶液體系，它們在新增酸或鹼時會抵抗 pH 變化。它們通常由弱酸及其共軛鹼組成。生物緩衝液，弱酸（質子供體）及其共軛鹼（質子受體）的混合物，有助於將生物分子維持在最佳的 pH 值 7 的離子狀態。緩衝作用是溶液中質子供體及其共軛質子受體濃度大致相等的兩次回反應平衡的結果。當酸或鹼新增到緩衝液中時，會導致弱酸與其陰離子相對濃度比例的變化，或 pH 值的變化。但是，這種 pH 值的變化要比沒有緩衝溶液來適應過量的氫離子或氫氧離子時顯著得多。

特性

緩衝溶液通常包含弱酸及其共軛鹼，但它也可以包含弱鹼及其共軛酸。當 H⁺ 新增到緩衝液中時，弱酸的共軛鹼將被質子化，從而“吸收”H⁺，防止溶液的 pH 值大幅下降。類似地，當新增 OH^- 時，弱酸將被去質子化成其共軛鹼，從而抵抗任何 pH 值的增加，然後轉移到新的平衡點。在生物系統中，緩衝液透過產生酸或鹼副產物的過程來防止 pH 值波動，從而維持最佳的 pH 值。

每對共軛酸鹼都有一個作為有效緩衝液的特徵 pH 值範圍。緩衝區域大約在共軛酸的 pKa 值兩側 1 個 pH 值單位，在該區域內，當新增酸或鹼時，它對抵抗 pH 值的大幅變化最有效。

亨德森-哈塞爾巴爾赫方程

酸去質子化的平衡常數寫成

$\mathrm {K_{a}={\frac {[H^{+}][A^{-}]}{[HA]}}}$ (1)

其中$[A^{-}]$ 是共軛鹼的濃度，[HA] 是酸的濃度

對兩邊取對數，得到

$\mathrm {\log K_{a}=\log H^{+}-\log {\frac {[A^{-}]}{[HA]}}}$ (2)

從兩邊減去$log([A^{-}]/[HA])$，得到

$\mathrm {pH=pK_{a}+\log {\frac {[A^{-}]}{[HA]}}}$ (3)

這就是亨德森-哈塞爾巴爾赫方程。它描述了弱酸 (HA) 在其共軛鹼 (A^-) 存在下的解離。

緩衝區域的中點是酸的一半發生解離，質子供體（酸）的濃度等於質子受體（鹼）的濃度時。酸的等摩爾溶液的 pH 值等於 pKa。（當共軛鹼和弱酸的濃度比 [A^-]/[HA] 為 1:1 時）

侷限性

緩衝液通常在接近酸性組分 pKa 值的 pH 值下效果很好。如果向緩衝液中新增過多的酸，或者如果濃度過高，額外的質子將保持遊離狀態，並且 pH 值將急劇下降。這反映在滴定曲線上，被稱為緩衝容量。

滴定曲線

該曲線展示了緩衝液的容量。在曲線的中間部分，它是平坦的，因為新增鹼或酸不會對溶液的 pH 值產生顯著影響 - 這就是緩衝區域。然而，一旦曲線延伸到緩衝區域之外，當少量酸或鹼新增到緩衝系統中時，它將大幅上升。這種效應展示了溶液的緩衝容量。

H₃PO₄ 滴定曲線

HCl 滴定曲線

生理緩衝液

磷酸系統 (pK_a = 7.4) 和碳酸系統 (pK_a = 3.6) 是人體中兩個重要的緩衝系統。磷酸緩衝系統在所有細胞的細胞質中都是有效的緩衝劑。H₂PO₄^– 充當質子供體，而 HPO₄^2– 充當質子受體。

H₂PO₄^– ⇋ H⁺ + HPO₄^2–

碳酸氫鹽緩衝系統用於緩衝血漿，其中碳酸 (H₂CO₃) 充當質子供體，碳酸氫鹽 (HCO₃⁻) 充當質子受體。

H₂CO₃ ⇋ HCO₃⁻ + H⁺

在這個緩衝系統中，當血漿pH過高時，血漿中的H⁺ 會降低。H₂CO₃ 會解離成H⁺ 和HCO₃⁻。來自肺部的CO₂ 溶解在血漿中，導致pH降低。另一方面，如果血漿pH過低，則會向血液中新增H⁺，從而增加H₂CO₃ 的濃度。這會導致血漿中CO₂ 的增加。肺部氣體空間中CO₂ 分壓的增加會導致額外的CO₂ 被撥出，最終導致pH升高。由於可以透過改變呼吸頻率來快速調節CO₂ 的濃度，因此大量的CO₂ 可以快速調節這種平衡，以保持血漿pH幾乎恆定。

緩衝劑對於酶的活性也很重要。每種酶都有一個最佳的pH值。例如，蛋白質 裂解酶胃蛋白酶在pH 1-6 (pH=2 最大) 下起作用，胰蛋白酶在pH 2-9 (pH=6 最大) 下起作用，鹼性磷酸酶在pH 4-10 (pH=8 最大) 下起作用。

除此之外，一些反應應該在恆定pH下進行，而這由緩衝系統提供。