生化小课 | 弱酸或弱碱缓冲细胞和组织抵抗 pH 值变化

弱酸或弱碱缓冲细胞和组织抵抗 pH 值变化

多细胞生物的细胞内和细胞外液具有特征性和几乎恒定的pH值。生物抵御内部pH值变化的第一道防线是由缓冲系统提供的。大多数细胞的细胞质含有高浓度的蛋白质，而这些蛋白质含有许多氨基酸，其功能基团是弱酸或弱碱。例如，组氨酸侧链(图2-19)的pKa为6.0，因此在接近中性pH附近可以以质子化形式或非质子化形式存在。因此，含有组氨酸残基的蛋白质在接近中性pH附近可以有效缓冲。

核苷酸（如ATP）以及许多低分子量的代谢物都含有可电离基团，可以为细胞质提供缓冲能力。一些高度特化的细胞器和细胞外室具有高浓度的化合物，有助于缓冲能力：有机酸缓冲植物细胞的液泡；氨可以缓冲尿液。

两种特别重要的生物缓冲液是磷酸盐和碳酸氢盐系统。在所有细胞的细胞质中起作用的磷酸盐缓冲系统由H2PO−4作为质子供体和HPO2−4作为质子受体组成：

磷酸盐缓冲体系在接近其pKa6.86的pH值下最有效(图2-15,2-17)，因此倾向于抵抗约5.9至7.9之间的pH值变化。因此，它是生物体液中的有效缓冲剂；例如，在哺乳动物中，细胞外液和大多数细胞质区室的pH值在6.9到7.4之间。

血浆部分由碳酸氢盐系统缓冲，该系统由碳酸(H2CO3)作为质子供体和碳酸氢盐(HCO−3)作为质子受体组成(K1是碳酸氢盐缓冲系统中几个平衡常数中的第一个)：

该缓冲体系比其他共轭酸碱对更复杂，因为其成分之一碳酸(H2CO3)是由溶解的(aq)二氧化碳和水在可逆反应中形成的：

二氧化碳在正常情况下是一种气体，溶解在水溶液中的二氧化碳与气相(g)中的二氧化碳处于平衡状态：

碳酸氢盐缓冲体系的pH值取决于H2CO3和HCO−3（质子供体和受体组分）的浓度。H2CO3的浓度反过来取决于溶解CO2的浓度，而溶解CO2的浓度又取决于气相CO2的浓度，或CO2的分压，表示为pCO2。因此，暴露于气相的碳酸氢盐缓冲液的pH值最终由水相中HCO−3的浓度和气相中的pCO2浓度决定。

碳酸氢盐缓冲系统在pH值7.4附近是一种有效的生理缓冲，因为血浆中的H2CO3与肺气腔中大量的 CO2(g) 储备容量处于平衡状态。如上所述，该缓冲系统涉及三个可逆平衡，在本例中为肺中的气态CO2和血浆中的碳酸氢盐 (HCO−3)（图 2-20）

血液可以吸收H+，比如剧烈运动时肌肉组织产生的乳酸。或者，它可以失去H+，例如通过蛋白质分解代谢过程中产生的NH3的质子化。当H+在血液中通过组织时被添加到血液中时，图2-20中的反应1朝着一个新的平衡进行，其中[H2CO3]增加。这反过来又增加了血液中的[CO2(aq)](反应2)，从而增加了肺部气腔中CO2(g)的分压(反应3)；多余的二氧化碳被呼出。相反，当H+从血液中丢失时，会发生相反的事件：更多的H2CO3解离成H+和HCO−3，因此更多的CO2(g)从肺部溶解到血浆中。呼吸的速率，即吸气和呼气的速率，可以迅速调整这些平衡，使血液pH值保持恒定。呼吸速率由脑干控制，当检测到血液中二氧化碳分压增加或pH值降低时，就会触发更深更频繁的呼吸。

过度换气，有时由压力或焦虑引起的呼吸急促，会打破吸入的氧气和呼出的二氧化碳的正常平衡，导致呼出过多的二氧化碳，使血液pH值升至7.45或更高，导致碱中毒。这种碱中毒会导致头晕、头痛、虚弱和昏厥。治疗轻度碱中毒的一种家庭疗法是对着纸袋进行短暂呼吸。袋子里的空气富含二氧化碳，吸入这些空气会增加体内和血液中的二氧化碳浓度，降低血液pH值。

在血浆的正常 pH 值 (7.4) 下，H2CO3相对于HCO−3是非常少的，而加入少量的碱(NH3或OH−)会滴定H2CO3，耗尽缓冲能力。H2CO3(在37°C时pKa = 3.57)在缓冲血浆(pH ~ 7.4)中的重要作用似乎与我们之前的陈述不一致，即缓冲液在高于或低于其pKa的1个pH单位范围内最有效。对这一明显矛盾的解释是血液中溶解了大量的二氧化碳，我们称之为CO2(aq)。它与H2CO3的快速平衡导致形成额外的H2CO3：

在临床医学中，用 CO2(aq) 来简单表达血液 pH 值是很有用的，通常与其他血气一起监测。我们可以定义一个常数Kh，它是CO2水合生成H2CO3的平衡常数：

(水的浓度很高(55.5M)，溶解CO2不会明显改变[H2O]，所以[H2O]是常数Kh的一部分。)那么，为了考虑CO2(aq)储层，我们可以将[H2CO3]表示为Kh[CO2(aq)]，并在H2CO3的酸解离方程式中将此表达式替换为[H2CO3]：

现在，H2CO3解离的总体平衡可以用这些形式表示：

我们可以根据37°C下实验确定的Kh(3.0×10−3M) 和Ka(2.7×10−4M) 值计算新常数Kcombined的值，以及相应的表观pK或 pKcombined :

在临床医学中，通常将CO2(aq)称为共轭酸，并使用6.1的表观或组合pKa来简化[CO2(aq)]的pH值计算。溶解CO2的浓度是pCO2的函数，pCO2在肺中约为4.8千帕(kPa)，对应于[H2CO3]≈1.2mM。血浆[HCO−3]通常约为24mM，因此[HCO−3]/[H2CO3]约为20，血液pH值为6.1+log20≈7.4。

Principles of Biochemistry