Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL, ÚLB)/Pufrové systémy organismu, funkce a význam pro acidobazickou rovnováhů

Pufrové systémy

Pufrační systémy lidského těla jsou nezbytné pro zachování homeostázy. Nezbytnou součástí homeostázy je i udržování stálého pH extracelulárních a intracelulárních tekutin. Hodnota pH extracelulárních tekutin je fyziologicky v rozmezí 7,4 ± 0,04.

Typy pufračních systémů

1. Bikarbonátový systém.
2. Fosfátový systém.
3. Hemoglobinový systém.
4. Proteinový systém.

Hydrogenhuličitanový systém

Hydrogenuhličitanový pufrační systém (též bikarbonátový) je nejdůležitějším a nejúčinnějším tlumivým systémem v těle. A to zejména v krvi, kde zastává až 53 % pufrační kapacity. Jeho význam spočívá v dobrých schopnostech udržet stabilní pH především díky tomu, že se koncentrace obou složek může na sobě nezávisle měnit – CO₂ dýcháním, HCO₃^- činností ledvin a jater. Proto se hydrogenuhličitanový pufr v těle označuje jako otevřený pufrační systém.

Titrační křivka hydrogenuhličitanového pufru

Reakce probíhá takto: CO₂ + H₂O $\rightleftharpoons$ HCO₃^- + H⁺.

Největší pufrační kapacitu mají pufry složené ze slabých kyselin a jejich solí (resp. slabých zásad a jejich solí) o stejné látkové koncentraci, tedy přesněji, u nichž je pH = pK_A. Optimální hodnota pH krve je 7,4 ± 0,04. Hodnota pK_A u bikarbonátového pufru je 6,1. Zdá se tedy, že tento pufr nebude moc dobře tlumit výkyvy pH. Opak je ale pravdou. Pro lepší představu se nabízí si uvést příklad:

Do Hendersonovy-Hasselbalchovy rovnice

$pH=pK_{A}+\log {\frac {[HCO_{3}^{-}]}{[CO_{2}]}}$

dosadíme fyziologické koncentrace

HCO₃^- = 24 mmol/l a CO₂ 1,2 mmol/l.

(Poměr zásady ke kyselině je tedy 20:1.)

$pH=6,1+\log {\frac {24mmol/l}{1,2mmol/l}}$     Výsledné pH = 7,4.

V případě uzavřeného systému po přidání H⁺ vzniká konjugovaná kyselina CO₂, která nemůže ze systému unikat, a tím pádem její koncentrace stoupá. Vzestup koncentrace CO₂ o 2 mmol/l je recipročně vyrovnán poklesem koncentrace HCO₃^-.

$pH=6,1+\log {\frac {22mmol/l}{3,2mmol/l}}$     Výsledné pH = 6,93.   (V tomto případě je pufrační kapacita pufru velmi malá, protože hodnota 6,93 je od 7,4 dosti vzdálena.)

Jestliže je však vznikající CO₂ ze systému odstraněn (vydýchán), jak je tomu právě v případě hydrogenuhličitanového otevřeného systému, mění se přidáním H⁺ jen koncentrace HCO₃^-. Poměr HCO₃^- a CO₂, a tím také hodnota pH, se posune mnohem méně.

$pH=6,1+\log {\frac {22mmol/l}{1,2mmol/l}}$     Výsledné pH = 7,36.

Shrnutí: Nárůst H⁺ v krvi vede k produkci CO₂, který je záhy vydýchán v plicích, což umožňuje udržovat konstantní pCO₂, tedy koncentraci 1,2 mmol/l.

Fosfátový systém

Ačkoliv není fosfátový pufr příliš významným činitelem v udržování pH extracelulární tekutiny, hraje hlavní roli v udržování acidobazické rovnováhy intracelulárně a v ledvinných tubulech. Rovnovážná konstanta pK systému je 6,8, což je blízko normálnímu pH, které je 7,4, proto tento nárazník stále operuje s téměř maximální pufrační silou.

Složky fosfátového pufru

Mechanismus působení

Hlavními složkami tohoto pufru jsou:

• H₂PO₄⁻ – acidická složka pufru → NaH₂PO₄
• HPO₄⁻² – bazická složka pufru → Na₂HPO₄

Při přidání silné kyseliny (HCl, H₂SO₄) přijímá HPO₄⁻² vodíkový kation.

HCl + Na₂HPO₄→ NaH₂PO₄ + NaCl

Silná kyselina je tak nahrazena velmi slabou kyselinou NaH₂PO₄.

Při přidání silné báze (NaOH) je skupina OH⁻ pufrována H₂PO₄⁻ za vzniku vody.

NaOH + NaH₂PO₄→ Na₂HPO₄ + H₂O

V tomto případě je tedy silná báze nahrazena slabou bází, a sice Na₂HPO₄.

Oblasti působení

Na rozdíl od extracelulárního prostředí, kde tento pufr hraje velmi malou roli, protože se zde vyskytuje pouze v 8 % koncentraci ve srovnání s pufrem bikarbonátovým, má nezastupitelnou roli v tubulech ledvin. Je tomu tak ze dvou důvodů:

1. Jak tekutina prochází tubulem, koncentrace fosfátu v intratubulární tekutině se zvyšuje.
2. Tubulární tekutina má mnohem nižší pH, než plasma a extracelulární tekutina a blíží se tedy více hodnotě 6,8, při které má tento pufr největší sílu.

Fosfátový pufrační systém je také velmi důležitý v udržování stálého pH v intracelulární tekutině. Koncentrace fosfátových iontů je zde podstatně vyšší.

Hemoglobinový systém

Hemoglobin

Proteiny jako důležitý intracelulární pufr

Proteiny díky své vysoké koncentraci, zvláště uvnitř buňky, patří mezi nejhojnější pufry v lidském organismu.
pH buněk, které je lehce nižší než pH v extracelulární tekutině, se nicméně mění přibližně úměrně s pH v extracelulární tekutině. Dochází zde k mírné difusi iontů H⁺ a HCO₃^- skrz buněčnou membránu, a to i přesto že tyto ionty vyžadují několik hodin k tomu, aby se dostaly do rovnováhy s extracelulární tekutinou. Výjimkou je rychlé ustanovení rovnováhy, které s objevuje v červených krvinkách.

Oxid uhličitý (CO₂) je schopen rychle difundovat skrz všechny buněčné membrány. Tato difuse prvků bikarbonátového pufrovacího systému způsobuje změnu pH intracelulární tekutiny v případě, že se změní pH v extracelulární tekutině. Z tohoto důvodu pufrovací systém uvnitř buňky pomáhá zabránit změnám v pH extracelulární tekutiny. Může trvat ale i několik hodin, než pufrovací systém uvnitř buňky dosáhne maximální efektivity.

Hemoglobin

V červené krvince je hemoglobin (Hb) a funguje jako důležitý pufr:
H⁺ + Hb ↔ HHb

Přibližně 60 až 70 % všech chemických pufrů tělních tekutin se nachází uvnitř buněk a většina z nich pochází z intracelulárních proteinů. Vyjma červených krvinek, pozvolnost se kterou se H⁺ a HCO₃^- transportují skrz membránu se často opožďuje o několik hodin do maximální schopnosti intracelulárního proteinu pufrovat extracelulární acidobazické abnormality.

Vedle vysoké koncentrace proteinů v buňkách přispívá k jejich pufrovací síle fakt, že pK mnoha těchto proteinových systémů je docela blízké intracelulárnímu pH.

Izohydrický princip

Izohydrický princip je princip, kdy všechny pufry v běžném roztoku jsou vyvažovány stejnou koncentrací H⁺.

Mluvili jsme o pufrech, jak pracují individuálně v tělních tekutinách. Nicméně pracují společně, protože všem reakcím ve všech systémech je společná výměna H⁺. Proto, změní-li se extracelulární koncentrace H⁺, rovnováha všech pufrových systémů se změní naráz. Tento jev se nazývá izohydrický princip a popisuje jej následující vzorec:

H⁺=K₁ × (HA₁)/A₁ = K₂ × (HA₂)/A₂ = K₃ × (HA₃)/A₃

K1, K2 a K3 jsou disociační konstanty třích příslušných kyselin a A1, A2 a A3 jsou koncentrace volných, negativně nabitých iontů. Dohromady představují základ tří pufrových systémů. Důsledek tohoto principu je, že jakýkoliv vnější zásah, který by změnil rovnováhu jednoho z pufrů, změní rovnováhu i ostatních dvou. Pufrovací systémy si mezi sebou předávají H⁺ a tím působí jako pufry i vzájemně jeden na druhý.

Proteinový systém

Proteiny jsou složené z aminokyselin propojených peptidickými vazbami. Aminokyseliny jsou organické kyseliny obsahující nejméně jednu aminovou (-NH₂) a karboxylovou (-COOH) skupinu. Postranní řetězce aminokyselin obsahují volné aminové a karboxylové skupiny.
V případě hrozící změny pH extracelulární tekutiny dochází u volných aminových a karboxylových skupin ke dvěma reakcím, které se snaží hrozící změnu pH odvrátit:

• disociace karboxylové (-COOH) skupiny na (-COO^-) a (-H⁺);
• (-NH₂) přijme (-H⁺) za vzniku (-NH₃⁺).

Díky těmto změnám dochází k pufrování extracelulárního prostředí.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Pufry .