Бікарбонатна буферна система

Бікарбона́тна бу́ферна систе́ма — буферна система, що складається із карбонатної кислоти (H₂CO₃) як донора протонів (H^+) і бікарбонату (HCO^–
₃) як їх акцептора. Бікарбонатна буферна система відіграє роль у підтриманні сталості pH рідин організму тварин, зокрема, вона є найважливішою буферною системою крові, тканинної рідини і лімфи, також потрібна для забуферення внутрішньоклітинної рідини.

Механізм дії

Бікарбонатна система дещо складніша за інші буферні системи, що складаються із пари слабка кислота/спряжена основа (див. теорію Брьонстеда—Лоурі), оскільки один із її компонентів — карбонатна кислота — утворюється в оборотній реакції із вуглекислого газу, розчиненого в плазмі крові. А концентрація останнього у свою чергу залежить від парціального тиску CO₂ у газовій фазі, з якою кров контактує, тобто в альвеолярному повітрі. Таким чином, pH бікарбонатної буферної системи залежить від трьох рівноважних процесів:

1. Дисоціації карбонатної кислоти:

   ${\displaystyle \mathrm {H_{2}CO_{3}\rightleftarrows H^{+}+HCO_{3}^{-}} }$;

   ${\displaystyle K_{1}=\mathrm {\frac {[H^{+}][HCO_{3}^{-}]}{[H_{2}CO_{3}]}} }$;

2. Утворення карбонатної кислоти із води і розчиненого вуглекислого газу CO₂(d):

   ${\displaystyle \mathrm {CO_{2}(d)+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}} }$;

   ${\displaystyle K_{2}=\mathrm {\frac {[H_{2}CO_{3}]}{[CO_{2}(d)][H_{2}O]}} }$;

3. Розчинення вуглекислого газу із газової фази CO₂(g) в плазмі крові:

   ${\displaystyle \mathrm {CO_{2}(g)\rightleftarrows CO_{2}(d)} }$

   ${\displaystyle K_{3}=\mathrm {\frac {[CO_{2}(d)]}{[CO_{2}(g)]}} }$

Коли концентрація іонів H^+ у крові збільшується, наприклад, внаслідок виділення молочної кислоти м'язами, рівновага рівняння 1 зміщується в сторону утворення карбонатної кислоти, це у свою чергу призводить до підвищення вмісту розчиненого вуглекислого газу (рівняння 2) і, зрештою, до збільшення парціального тиску CO₂ у легенях (рівняння 3). Зайвий оксид карбону видихається. Коли pH крові підвищується, наприклад, внаслідок утворення NH₃ під час катаболізму білків, відбувається зворотний процес: більше карбонатної кислоти дисоціює до бікарбонату, і, відповідно, більше вуглекислого газу розчиняється у плазмі.

Частота і глибина дихання регулюється центром у стовбурі головного мозку, який отримує інформацію про концентрацію вуглекислого газу в крові і її кислотність. Зниження pH і збільшення парціального тиску p(CO₂) стимулює прискорення газообміну в легенях.

Обчислення pH

Зона буферування для пари слабка кислота/спряжена основа, тобто діапазон pH, у якому така буферна система може ефективно працювати, обраховується як pK_a±1. Негативний логарифм константи кислотної дисоціації для карбонатної кислоти pK_a = 3,57 при температурі 37 °C. Отже, за фізіологічних умов концентрація H₂CO₃ (приблизно 1 мМ) суттєво нижча, ніж концентрація HCO^–
₃ (24—25 мМ), тому така система мала би бути дуже ефективною у запобіганні зниженню pH, але при виділенні у кров лужних речовин її буферна ємність повинна швидко вичерпуватись. Проте, оскільки кров постійно контактує із великою резервною ємністю вуглекислого газу в повітрі легень, бікарбонатна система може ефективно протистояти і збільшенню pH. Реальне спостережуване значення pK_a у фізіологічних умовах для неї становить 6,1. У клінічній медицині для обчислення pH плазми, виходячи із концентрації розчиненого вуглекислого газу, використовують таку модифікацію рівняння Гендерсона-Гассельбаха:

${\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+\log \left({\frac {[\mathrm {HCO_{3}^{-}} ]}{0,23\times p(\mathrm {CO_{2}} )}}\right)}$,

де p(CO₂) виражається у кілопаскалях (типово від 4,6 до 6,7 кПа), а коефіцієнт 0,23 відображає розчинність вуглекислого газу у воді (див. закон Генрі).

У культуральних середовищах

Бікарбонатна буферна система широко використовується у середовищах для культивування еукаріотичних клітин, наприклад DMEM[1] і RPMI-1640[2]. На відміну від органічних буферних агентів, таких як MOPS і HEPES, бікарбонат не є токсичним і більшість клітин потребують його для росту, не в залежності від його ролі у підтриманні сталого pH[3].

Крім самого бікарбонату, який додається у середовища у вигляді натрієвої солі, бікарбонатна буферна система для ефективного функціонування потребує достатньої концентрації вуглекислого газу. Хоч він і виділяється живими клітинами, цієї кількості замало, щоб підтримувати необхідне значення pH. Через це клітини культивують у CO₂-інкубаторах із концентрацією вуглекислого газу 5—10%. Якщо середовище, в якому використовується бікарбонатна буферна система, тривалий час контактує із звичайним повітрям (концентрація CO₂ 0,04%) його pH поступово зростає[4].

Джерела

• Nelson D.L., Cox M.M. (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (вид. 5th). W. H. Freeman. с. 61—63. ISBN 978-0-7167-7108-1.
• Marieb EN, Hoehn K (2006). Acid-Base Balance. Human Anatomy & Physiology (вид. 7th). Benjamin Cummings. ISBN 978-0805359091.

Примітки

1. DMEM Dulbecco’s Modified Eagle Media (PDF) (англ.). Invitrogen. Архів оригіналу (PDF) за 27 серпня 2013. Процитовано 30 березня 2013. [Архівовано 2011-10-27 у Wayback Machine.]
2. RPMI Media (англ.). Sigma-Aldrich. Архів оригіналу за 27 серпня 2013. Процитовано 30 березня 2013.
3. Mather J.P., Roberts P.E. (1998). Introduction to cell and tissue culture. Springer. с. 29.
4. Buffering Systems (PDF) (англ.). Cellgro. Процитовано 30 березня 2013. {{cite web}}: Недійсний |deadurl=404 (довідка)^[недоступне посилання з серпня 2019]