结构生物化学/缓冲液

缓冲液的一般信息

pH 的显著变化会导致对分子结构、生物活性及功能的有害反应。蛋白质结构可能会受到破坏，而酶可能会因 pH 对细胞结构的影响而变性。幸运的是，自然进化出了解决这个问题的方法：抵抗 pH 变化的溶液称为缓冲液。如果向无缓冲溶液中添加酸，pH 将突然发生变化，并且与添加的酸量成正比。然而，在缓冲溶液中，当添加酸时，pH 会逐渐下降。缓冲液还能减轻添加碱引起的 pH 上升。

缓冲液是水溶液体系，它们在添加酸或碱时会抵抗 pH 变化。它们通常由弱酸及其共轭碱组成。生物缓冲液，弱酸（质子供体）及其共轭碱（质子受体）的混合物，有助于将生物分子维持在最佳的 pH 值 7 的离子状态。缓冲作用是溶液中质子供体及其共轭质子受体浓度大致相等的两次回反应平衡的结果。当酸或碱添加到缓冲液中时，会导致弱酸与其阴离子相对浓度比例的变化，或 pH 值的变化。但是，这种 pH 值的变化要比没有缓冲溶液来适应过量的氢离子或氢氧离子时显著得多。

特性

缓冲溶液通常包含弱酸及其共轭碱，但它也可以包含弱碱及其共轭酸。当 H⁺ 添加到缓冲液中时，弱酸的共轭碱将被质子化，从而“吸收”H⁺，防止溶液的 pH 值大幅下降。类似地，当添加 OH^- 时，弱酸将被去质子化成其共轭碱，从而抵抗任何 pH 值的增加，然后转移到新的平衡点。在生物系统中，缓冲液通过产生酸或碱副产物的过程来防止 pH 值波动，从而维持最佳的 pH 值。

每对共轭酸碱都有一个作为有效缓冲液的特征 pH 值范围。缓冲区域大约在共轭酸的 pKa 值两侧 1 个 pH 值单位，在该区域内，当添加酸或碱时，它对抵抗 pH 值的大幅变化最有效。

亨德森-哈塞尔巴尔赫方程

酸去质子化的平衡常数写成

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

其中$[A^{-}]$ 是共轭碱的浓度，[HA] 是酸的浓度

对两边取对数，得到

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

从两边减去$log([A^{-}]/[HA])$，得到

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

这就是亨德森-哈塞尔巴尔赫方程。它描述了弱酸 (HA) 在其共轭碱 (A^-) 存在下的解离。

缓冲区域的中点是酸的一半发生解离，质子供体（酸）的浓度等于质子受体（碱）的浓度时。酸的等摩尔溶液的 pH 值等于 pKa。（当共轭碱和弱酸的浓度比 [A^-]/[HA] 为 1:1 时）

局限性

缓冲液通常在接近酸性组分 pKa 值的 pH 值下效果很好。如果向缓冲液中添加过多的酸，或者如果浓度过高，额外的质子将保持游离状态，并且 pH 值将急剧下降。这反映在滴定曲线上，被称为缓冲容量。

滴定曲线

该曲线展示了缓冲液的容量。在曲线的中间部分，它是平坦的，因为添加碱或酸不会对溶液的 pH 值产生显著影响 - 这就是缓冲区域。然而，一旦曲线延伸到缓冲区域之外，当少量酸或碱添加到缓冲系统中时，它将大幅上升。这种效应展示了溶液的缓冲容量。

H₃PO₄ 滴定曲线

HCl 滴定曲线

生理缓冲液

磷酸系统 (pK_a = 7.4) 和碳酸系统 (pK_a = 3.6) 是人体中两个重要的缓冲系统。磷酸缓冲系统在所有细胞的细胞质中都是有效的缓冲剂。H₂PO₄^– 充当质子供体，而 HPO₄^2– 充当质子受体。

H₂PO₄^– ⇋ H⁺ + HPO₄^2–

碳酸氢盐缓冲系统用于缓冲血浆，其中碳酸 (H₂CO₃) 充当质子供体，碳酸氢盐 (HCO₃⁻) 充当质子受体。

H₂CO₃ ⇋ HCO₃⁻ + H⁺

在这个缓冲系统中，当血浆pH过高时，血浆中的H⁺ 会降低。H₂CO₃ 会解离成H⁺ 和HCO₃⁻。来自肺部的CO₂ 溶解在血浆中，导致pH降低。另一方面，如果血浆pH过低，则会向血液中添加H⁺，从而增加H₂CO₃ 的浓度。这会导致血浆中CO₂ 的增加。肺部气体空间中CO₂ 分压的增加会导致额外的CO₂ 被呼出，最终导致pH升高。由于可以通过改变呼吸频率来快速调节CO₂ 的浓度，因此大量的CO₂ 可以快速调节这种平衡，以保持血浆pH几乎恒定。

缓冲剂对于酶的活性也很重要。每种酶都有一个最佳的pH值。例如，蛋白质 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，碱性磷酸酶在pH 4-10 (pH=8 最大) 下起作用。

除此之外，一些反应应该在恒定pH下进行，而这由缓冲系统提供。