Puferi

Uvod

Gotovo su svi biološki procesi ovisni o pH-vrijednosti. Da bi naše tijelo i stanice ispravno funkcionirale, naša se krv mora održavati u vrlo uskom rasponu pH-vrijednosti, od 7,35 do 7,45.

Što će se dogoditi, ako popijete čašu kiselog pića? pH-vrijednost, primjerice, 2,5, pokreće alarm za sustave koji su čuvari održavanja kiselo-bazne ravnoteže organizma.

To su tri puferska sustava: karbonatni, fosfatni i proteinski. Najvažniji u izvanstaničnoj tekućini je karbonatni pufer čije sastojke kontroliraju dišni sustav i bubrezi.

Što su puferi?

Pufer je smjesa slabe kiseline i njezine konjugirane baze ili slabe baze i njezine konjugirane kiseline koji se opire promjeni pH-vrijednosti nakon dodavanja kiseline ili baze te u slučaju razrjeđenja.

Mjera sposobnosti pufera da se odupre promjeni pH-vrijednosti naziva se kapacitet pufera. Izražava se brojem molova jake kiseline ili jake baze koju može apsorbirati jedna litra puferske otopine dok se pH-vrijednost promijeni za jednu pH-jedinicu. Što je veći kapacitet pufera, puferska je otopina sposobnija oduprijeti se promjeni pH-vrijednosti.

Puferski kapacitet bit će maksimalan, ako su koncentracije kiseline i njezine konjugirane baze jednake ( \( \textrm{p}{\textit{K}}_\textrm{a} = \textrm{pH} \) ), a zadovoljavajući u rasponu \( \textrm{p}{\textit{K}}_\textrm{a} = \textrm{pH} \pm 1\).

pH-vrijednost pufera

Računanje pH-vrijednosti puferskih smjesa moguće je primjenom Hendersson-Hasselbalchove jednadžbe. Za kiseli pufer navedena se jednadžba izvodi iz izraza za konstantu ionizacije slabe kiseline, K_a.

\( \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> CH3COO-(aq) + H3O+(aq)} \)

\( \ce{CH3COONa(aq) + H2O(l) -> CH3COO-(aq) + Na+(aq)} \)

\( \textrm{pH} = -\log K_{\textrm{a}} \)

U puferskoj smjesi kiselina je vrlo slabo ionizirana, a sol gotovo potpuno disocirana. Gotovo svi anioni potječu iz puferske soli te se koncentracija aniona može zamijeniti s koncentracijom soli.

Henderson-Hasselbalchova se jednadžba stoga može izraziti i na slijedeći način:

(1) \( \textrm{pH} = \textrm{p}K_{\textrm{a}} + \log \dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} \)

\( \textrm{p}K_{\textrm{a}} =-\log K_{\textrm{a}} \)

(2) \( \textrm{pOH} = \textrm{p}K_{\textrm{b}} + \log \dfrac{c(\ce{B})}{c(\ce{BH+})} \)

\( \textrm{p}K_{\textrm{b}} =-\log K_{\textrm{b}} \)

Iz jednadžbe je vidljivo da pH-vrijednost ovisi o vrijednosti konstante ionizacije kiseline ili baze, kao i o odnosu kisele i bazične komponente pufera u otopini.

Henderson-Hasselbalchova jednadžba pokazuje da je \( \textrm{p}K_{\textrm{a}} \) kiseline brojčano jednaka pH-vrijednosti otopine kada su množinske koncentracije puferske kiseline i njezine konjugirane baze jednake.

\( \textrm{pH} = \textrm{p}K_{\textrm{a}} + \log 1 = \textrm{p}K_{\textrm{a}} \)

Najbolje pufersko djelovanje postiže se ako je \( \textrm{pH} = \textrm{p}K_{\textrm{a}} \pm 1 \). Puferi se smatraju učinkovitim kada su omjeri kiselo-baznog para u rasponu od 0,1 do 10.

Krv prenosi kisik iz pluća u tkivo i ugljikov dioksid iz tkiva u pluća. Izmjena plinova događa se kroz membranu crvenih krvnih zrnaca, eritrocita. Karbonatni pufer najznačajniji je pufer krvi za održavanje kiselo-bazne ravnoteže, jer je jedini koji je povezan s dišnim sustavom i bubrezima. Ugljikov dioksid je krajnji produkti metabolizma.

Njegovu razinu kontrolira karbonatni pufer održavajući ravnotežu između plinovitog i otopljenog ugljikovog dioksida u krvi. U tijelu pomoću enzima karboanhidraze prisutne u alveolama i epitelnim stanicama bubrežnih kanalića nastaje ugljična kiselina otapanjem plinovitog \( \ce{CO2} \) u vodi. To je jedna od najbržih reakcija koja je poznata, u kojoj jedna molekula enzima karboanhidraze hidratizira \( 10^5 \) molekula \( \ce{CO2} \) u sekundi.

Ravnoteža između plinovitog i otopljenog ugljikovog dioksida povezana je s ravnotežom hidrogenkarbonatnog iona koji nastaje ionizacijom ugljične kiseline.

Prema Le Chatelierovom pravilu svako povećanje kiselosti pomiče ravnotežu u smjeru nastajanja ugljikova(IV) oksida, \( \ce{CO2} \):

\( \ce{HCO3- + H+ -> H2CO3 -> CO2 + H2O} \)

Dodatak lužnatih tvari pomiče ravnotežu u smjeru nastajanja hidrogenkarbonatnog iona:

\( \ce{H2CO3 + OH- -> HCO3- + H2O} \)

Ako je pH-vrijednost krvi preniska, tijelo reagira povećanom izmjenom zraka između pluća i atmosfere. Brzina disanja brzo se prilagođava ravnoteži hidrogenkarbonatnog iona i \( \ce{CO2} \) kako bi pH-vrijednost ostala konstantna. Kroz plućne alveole izbacuje se više ugljikovog dioksida.

Učinkovitost karbonatnog pufera

Prema Henderson-Hasellbalhovoj jednadžbi pH-vrijednost karbonatnog pufera može se izračunati prema izrazu:

\( \textrm{pH} = \textrm{p}K_{\textrm{a}} + \log \dfrac{c(\ce{HCO3-})}{c(\ce{CO2})} \quad \textrm{p}K_{\textrm{a}}(\ce{H2CO3}) = \pu{6,1} \)

(t = 37 °C)

Produkti metabolizma uglavnom su kiseli. Puferski kapacitet karbonatnog pufera mora biti veći za kiseline u odnosu na baze, a omjer množinskih koncentracija baze i kiseline,
c(baze)/c(kiseline) = 20 : 1 omogućava održavanje pH-vrijednosti krvi od 7,4.

\( \textrm{pH} = \textrm{p}K_{\textrm{a}} + \log \dfrac{c(\textrm{baza})}{c(\textrm{kiselina})} \)

\( \textrm{pH} = \pu{6,1} + \log \dfrac{20}{1} = \pu{7,4} \)

Što se događa kada se kiselo-bazna ravnoteža ne može uspostaviti?

Promjene pH-vrijednosti krvi izvan optimalnog fiziološkog raspona dovode do različitih poremećaja i bolesti. Ravnoteža izmjene plinova kisika i ugljikovog dioksida izravno ovisi o brzini i dubini disanja. Kod hiperventilacije, ubrzanog i dubljeg disanja, smanjuje se koncentracija ugljikovog dioksida, a povećava koncentracija kisika. Dolazi do poremećaja koji se naziva alkaloza (pH > 7,45). Kod hipoventilacije, brzog i plitkog disanja, stanja u kojem smanjena količina zraka ulazi u alveole u plućima, manje kisika ulazi u pluća, a razina \( \ce{CO2} \) se povećava i nastaje acidoza ( pH< 7,35).

Mnoge biokemijske reakcije (metabolizam, disanje, prijenos nervnih impulsa, opuštanje mišića…) odvijaju se samo unutar uskog raspona pH-vrijednosti. Karbonatni pufer uz hemoglobin, proteinski pufer, pomažu u održavanju pH-vrijednosti  krvi od 7,35 do 7,45. Oni su prva linija obrane održavanja kiselo-bazne ravnoteže. U slučaju potrebe, karbonatni i proteinski pufer se prvi aktiviraju, djeluju trenutačno, u sekundama neutralizacijom kiselina ili baza, koje bi mogle promijeniti optimalni, fiziološki raspon pH-vrijednosti.

Dišni sustav, druga je linija obrane koji djeluje kroz nekoliko minuta putem hiperventilacije ili hipoventilacije kojom se regulira koncentracija ugljikova dioksida u krvi. Osim pluća, kiselo-baznu ravnotežu održavaju i bubrezi koji reapsorbiraju hidrogenkarbonatne ione i vraćaju ih u krvotok, a uz metabolički otpad izlučuju, ako je potrebno, suvišak vodikovih iona. Bubrezi su treća linija obrane, najsnažniji i najvažniji regulacijski sustav, čije se puferiranje mjeri u satima ili čak u danima.