Skąd w organizmie człowieka pojawiają się związki o charakterze kwasowym i zasadowym? W organizmie nieustannie przebiegają reakcje biochemiczne, które dostarczają kwasów. Są to np. kwas mlekowy, który powstaje w wyniku reakcji glikolizyglikolizaglikolizy beztlenowej, i kwas moczowy, będący produktem końcowym metabolizmu puryn.

Soki trawienne również zawierają kwasy i zasady. Warto wymienić sok żołądkowy, zawierający kwas solny (HCl), oraz zasadowy, bogaty w wodorowęglany sok trzustkowy. Źródłem kwasów i zasad w naszym organizmie jest również pokarm.

Zawartość kwasów i zasad ciągle się zmienia, jednak do prawidłowego przebiegu reakcji metabolicznych potrzebne jest stałe pHpHpH krwi. Zapewniają je układy buforowe krwi, do których należą przede wszystkim:

• bufor wodorowęglanowy;

• bufor fosforanowy;

• bufor białkowy.

Układy buforowe działają przez neutralizację kwasów i zasad, które dostały się do organizmu wraz z pokarmem (kwasy i zasady egzogenne) lub powstały w wyniku reakcji metabolicznych w organizmie (kwasy i zasady endogenne). Obniżenie pH poniżej 7,35 nazywane jest kwasicąkwasicakwasicą, a przekroczenie wartości 7,45 – zasadowicązasadowicazasadowicą.

Bufor wodorowęglanowy

Bufor wodorowęglanowy

Jest to najważniejszy bufor w organizmie człowieka, w którym rolę kwasu pełni kwas węglowy (HIndeks dolny 2₂COIndeks dolny 3₃), a rolę zasady anion wodorowęglanowy (HCOIndeks dolny 3₃Indeks górny −⁻).

Kwas węglowy jest w stanie neutralizować mocne zasady (wyrażone jako OHIndeks górny −⁻):

HIndeks dolny 2₂COIndeks dolny 3₃ + OHIndeks górny −⁻ ⇌ HCOIndeks dolny 3₃Indeks górny −⁻ + H2O

W wyniku reakcji kwasu węglowego z zasadą powstaje jon wodorowęglanowy oraz cząsteczka wody. Mocna zasada zostaje zastąpiona zasadą słabą, czyli HCOIndeks dolny 3₃Indeks górny −⁻.

Anion wodorowęglanowy reaguje z mocnymi kwasami i je neutralizuje. Pełni więc rolę protonobiorcy. W poniższej reakcji mocny kwas zostaje zastąpiony przez słaby kwas węglowy, wyrażony jako HCOIndeks dolny 3₃Indeks górny −⁻.

HCOIndeks dolny 3₃Indeks górny −⁻ + HIndeks dolny 3₃OIndeks górny +⁺ ⇌ HCOIndeks dolny 3₃Indeks górny −⁻+ HIndeks dolny 2₂O

R17nw2cxNjcsD

Ilustracja przedstawia wzór strukturalny kwasu węglowego: atom węgla łączy się u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, po lewej i prawej stronie z atomem tlenu. Te z kolei łączą się - każdy z nich z atomem wodoru, tworząc grupę OH.

Bufor fosforanowy

Bufor fosforanowy

W buforze fosforanowym rolę protonobiorcy pełni anion wodoroortofosforanowy HPOIndeks dolny 4₄Indeks górny −⁻. Jest on zdolny do neutralizowania kwasów. W wyniku poniższej reakcji mocny kwas zostaje zastąpiony słabym kwasem, czyli HIndeks dolny 2₂POIndeks dolny 4₄Indeks górny −⁻.

HPOIndeks dolny 4₄Indeks górny −⁻ + HIndeks dolny 3₃OIndeks górny +⁺ ⇌  HIndeks dolny 2₂POIndeks dolny 4₄Indeks górny −⁻ + HIndeks dolny 2₂O

Z kolei rolę protonodawcy w tym buforze pełni anion HIndeks dolny 2₂POIndeks dolny 4₄Indeks górny −⁻. Jest on zdolny do neutralizowania zasad, co przedstawia poniższa reakcja. W miejsce mocnej zasady wyrażonej jako OHIndeks górny −⁻ powstaje słaba zasada, czyli HPOIndeks dolny 4₄Indeks górny −⁻.

HIndeks dolny 2₂POIndeks dolny 4₄Indeks górny −⁻ + OH- ⇌ HPOIndeks dolny 4₄Indeks górny −⁻ + HIndeks dolny 2₂O

R16LIx47fmuFu

Ilustracja przedstawia wzór strukturalny kwasu fosforowego(V): atom fosforu łączy się u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu. Atom fosforu po lewej stronie łączy się z grupą OH, po prawej wiązaniem zaznaczonym pionowymi krótkimi kreskami, pomiędzy którymi są odstępy. Na dole łączy się wiązaniem w kształcie klina z grupą OH.

Bufor białkowy

Bufor białkowy

Rolę buforu mogą pełnić również białka osoczowe, znajdujące się we krwi. Najistotniejszą rolę w utrzymaniu prawidłowego pH odgrywają albuminy. Albuminy produkowane są w organizmie człowieka głównie przez wątrobę. Oprócz regulowania pH biorą także udział w transporcie hormonów i barwników żółciowych, a ponadto odpowiadają za utrzymanie prawidłowego ciśnienia onkotycznegociśnienie onkotyczneciśnienia onkotycznego. Co istotne, białka wykazują właściwości amfoteryczne. Oznacza to, że w zależności od środowiska mogą zachowywać się jak kwasy lub jak zasady. Zależy to od obecności bądź braku grup polarnych w ich cząsteczkach. W środowisku kwaśnym białko przechodzi w formę kationu (wiązanie protonów), natomiast w środowisku zasadowym – w formę anionu (dysocjacja grup karboksylowych).

RIGUbvA8W5zhv

Przedstawiony jest model przestrzenny ludzkiej albuminy osocza krwi. Na modelu są przedstawione dwie nici, wyglądające jak splątane sprężyny. Nić po lewej stronie ma niebieską barwę , a nić po prawej stronie ma barwę jasnozieloną. Obie nicie łączą się w jednym miejscu.

Zdolność do przeciwstawiania się zmianom pH przez związki wchodzące w skład danego buforu nazywamy pojemnością buforową. Pojemność buforowa zawsze jest ograniczona. Dodanie do danego buforu zbyt dużej ilości kwasu lub zasady sprawi, że w pewnym momencie zdolności neutralizujące tego buforu ulegną wyczerpaniu.

Pojemność buforowa zależy m.in. od stężenia buforu – im bardziej rozcieńczony bufor, tym mniejsza jego pojemność buforowa. Warto wiedzieć, że miarą pojemności buforowej jest stosunek liczby moli danego kwasu lub zasady, która musi zostać dodana do 1 litra roztworu buforu, aby wywołać zmianę jego pH o jedną jednostkę.

Słownik