اسید و باز: تغییرات یون هیدروژن – مفهوم بافر – معادله‌ی هندرسون هاسلباخ – pK

۱. مقابله با تغییرات یون هیدروژن

فرض کن دانشمندی وجود دارد که آزمایش‌های عجیبی انجام می‌دهد. از آن زیرزمین‌های پنهان دارد. در آن‌جا انسانی را زندانی کرده است. دانشمند دیوانه‌ی ما، عاشق اسید و باز است. می‌خواهد بر روی این انسان نیز آزمایشی مرتبط با اسید و باز انجام بدهد.

برای این که آزمایشش دقیق باشد یک مرد جوان سالم ۷۰ کیلوگرمی را انتخاب کرده است.

لبخندی مرموزانه به جوان می‌زند، به او نزدیک می‌شود. دستان جوان بسته است اما هنوز کمی تقلا می‌کند. دانشمند ۱۰۰ میلی‌اکی‌والان از HCl را به زور به او تزریق می‌کند.

او صرفا کنجکاو است. زیادی کنجکاو. می‌خواهد بداند که چه می‌شود؟

می‌دانیم که حدود ۶۰ درصد وزن بدن یک مرد را آب تشکیل داده و از این ۶۰ درصد، حدود یک سوم آن در مایع خارج سلولی است. پس این اسید تزریقی در حدود ۱۴ لیتر آب پخش می‌گردد. برای اطمینان، قبل از تزریق نیز pH خون را اندازه می‌گیرد که دقیقا ۷/۴ بوده است.

او همین مقدار اسید را به ۱۴ کیلوگرم آب تقریبا خالص نیز که pH اش ۷/۴ است، اضافه می‌کند. لحظه‌ای بعد pH آب را اندازه می‌گیرد. با کمی محاسبه نیز خودش قبل از اندازه‌گیری به عدد ۲/۱۵ رسیده بود. اندازه‌گیری نیز عدد محاسبه را تایید می‌کند.

مشتاقانه به انسان زندانی نگاه می‌کند. منتظر است ببیند که چه اتفاقی خواهد افتاد. به سراغ انسان می‌رود. هنوز نفس می‌کشید و زنده بود.

چرا چیزی نشد؟ نباید می‌مرد؟

قطره‌ای از خونش را می‌گیرد و pH را اندازه‌گیری می‌کند. فکر می‌کنی با چه عددی روبه‌رو می‌شود؟

تنها کمی کمتر شده است. حتی از ۷ نیز کمتر نگشته است. ناامید می‌شود و خشمگین. چرا اینقدر کم تغییر کرده است؟

راستش اصلا نیاز به یک دانشمند و یک انسان زندانی برای این کار نیست. هر چند فکر می‌کنم این آزمایش بر روی سگ‌ها انجام شده است. زیاد نگشتم که ببینم این کار واقعا انجام شده است یا خیر.

اما موضوعی دیگر در جریان است. باید بدانیم که این اتفاق هر روز در بدن خود ما می‌افتد.

در نوشته‌ی قبلی گفتم که روزانه بین ۵۰ تا ۱۰۰ میلی‌اکی‌والان اسید غیرفرار در بدن‌مان تولید می‌گردد. همانند این است که ۱۰۰ میلی‌اکی‌والان HCl را به یک انسان تزریق کنیم.

ما روزانه نمی‌میریم. حداقل به خاطر این موضوع نمی‌میریم. مگر این که مکانیسم‌های مقابله‌ای بدن‌مان از کار افتاده باشند. مکانیسم‌هایی که با تغییرات pH بدن مبارزه می‌کنند.

سه مکانیسم مقابله‌ای داریم:

۱. یکی بسیار سریع اما محدودیت‌هایی نیز دارد. واضح است که نمی‌شود با همان سرعتی که دو صد متر را می‌دویم، ماراتن را بدویم. این نخستین خط دفاعی، سیستم بافری نام دارد (Buffer System). سریع اما محدود.

۲. دیگری پس از چند دقیقه به راه می‌افتد و تلاشش را می‌کند. قدرتش از اولی بیشتر است و از سومی کمتر. دومین خط دفاعی، سیستم تنفس است (Respiratory System). شش‌های ما.

۳. سومی چند ساعت تا چند روز طول می‌کشد راه بیفتد، اما بسیار دقیق است و قدرتمند. سومین خط دفاعی ما، کلیه‌ها هستند.

در این نوشته، از سیستم بافری صحبت خواهیم کرد.

۲. مفهوم بافر و سیستم‌های بافری بدن انسان

بافر هر ماده‌ای است که بتواند به شکل برگشت‌پذیر به یون هیدروژن متصل شود:

H-Buffer ⇌ Buffer + H+

به بیانی دیگر، بافر مولکولی است که جایگاه‌هایی برای یون هیدروژن دارد. برخی از این جایگاه‌ها پر هستند و برخی خالی. هنگامی که به محیط اسید اضافه می‌شود، این اسید تفکیک گشته و یون هیدروژن آزاد می‌کند. یون هیدروژن با جایگاه‌های خالی واکنش نشان می‌دهد و در نتیجه، یون‌های هیدروژن کمتری به شکل آزاد در محیط وجود خواهد داشت. معادله‌ی بالا به سمت چپ حرکت می‌کند و H-Buffer بیشتری تشکیل می‌گردد.

می‌دانی که یون هیدروژن به شکل آزاد است که بر روی pH‌ اثر می‌گذارد. همان‌طور که در نوشته‌ی اول توضیح دادم، تمامی این صحبت‌ها در مورد یون هیدروژن آزاد در محیط است و نه اتم هیدروژن.

حالا فرض کن یک باز به محیط اضافه شده است. یون‌های هیدروژن موجود در محیط با یون هیدروکسیل واکنش داده و غلظت هیدروژن کم می‌گردد. حالا از آن بافر، یون هیدروژن آزاد می‌گردد و معادله به سمت راست حرکت می‌کند.

ماجرایی که اتفاق می‌افتد، اصل لوشاتلیه (Le Chatelier’s principle) است. به یادش داری؟ نام دیگرش قانون تعادل بود (The Equilibrium Law). به زبان ساده ، اگر در یک تعادل تغییری به وجود آوریم (هر نوع استرسی)، تعادل به سمتی حرکت خواهد کرد که آن تغییر را خنثی کند.

پس لطفا یادت بماند بافر بر اساس اصل لوشاتلیه، تا آن‌جا که در توانش است، اجازه نمی‌دهد غلظت یون هیدروژنِ محیط تغییر کند.

بافرهای مهم بدن انسان عبارتند از:

۱. بافر فسفات: در تنظیم pH داخل سلولی و pH ادرار نقش دارد.


۲. بافر بی‌کربنات: در تنظیم pH خارج سلولی نقش دارد.


۳. پروتئین‌ها: در تنظیم pH داخل سلول و خارج سلول نقش دارند.


۴. بافر آمونیاک: در تنظیم pH ادرار نقش دارد.

در ادامه آن‌ها را بررسی کرده و خواهیم فهمید که چرا به چند سیستم بافری نیاز است. برای فهمیدن بافرها باید به سراغ یکی از معروف‌ترین معادله‌های شیمی برویم: معادله‌ی هندرسون هاسلباخ.

۳. معادله‌ی هندرسون هاسلباخ (Henderson–Hasselbalch)

گفتیم که اسید قوی را وقتی در آب بریزیم تقریبا به شکل کامل تفکیک می‌شود. هر اسیدی که این‌گونه نباشد، اسید ضعیف نام دارد.

برای این که بفهمیم یک اسید ضعیف چقدر تفکیک می‌شود، از ثابت تفکیک اسید (Acid Dissociation Constant) استفاده می‌کنیم. منظور از ثابت تفکیک اسید یا Ka یا ‘K، همان ثابت تعادل (Equilibrium Constant) برای معادله‌ی تفکیک اسید است.

اسید ضعیف فرضی HA را در آب می‌ریزیم. پس از مدتی، به یک تعادل می‌رسد. فرض می‌کنیم ۱۰۰ مولکول اسید را ریخته‌ایم و تعادش این‌گونه است که ۷۰ مولکول آن تفکیک شده و در نتیجه ۷۰ یون A و ۷۰ یون هیدروژن داریم و ۳۰ مولکول به شکل HA باقی می‌مانند.

معادله‌ی تفکیک اسید فرضی HA به شکل زیر است.

HA ⇌ A− + H+

اگر بخواهیم برای یک معادله‌ی برگشت‌پذیر ثابت تعادل بنویسم، نخست معادله را به شکل بالانس درآورده و موازنه می‌کنیم.

aA+bB⇋cC+dD

سپس در صورت کسر، غلظت محصول‌های معادله را نوشته و در مخرج کسر، واکنش‌دهنده‌ها را می‌نویسیم. ثابت تعادل معادله‌ی فوق را که Kc یا Keq یا K می‌نامیم، این‌گونه می‌توانیم محاسبه کنیم:

ثابت تعادل

شاید کمی خسته شده باشی و بگویی این همه توضیحات مرتبط با شیمی به چه کار می‌آید؟ دلیلش این است که نمی‌خواهم فرمول معادله‌ی هندرسون هاسلباخ را حفظ بکنی. باید بتوانیم از همین معادله‌ی فوق به آن برسیم. حفظ کردنش معنایی ندارد.

بر اساس معادله‌ی ثابت تعادل، برای اسید ضعیف فرضی‌مان ثبات تعادل را حساب می‌کنیم. معادله‌اش بالانس است و ثابت تعادلش را که از این به بعد ثابت تفکیک اسید می‌نامیم، بدین شکل می‌توانیم محاسبه کنیم:

ثابت تفکیک اسید بافر

حالا ما چه می‌خواهیم؟ اصلا چرا به سراغ این معادله رفته‌ایم؟

ما می‌خواهیم بفهمیم با توجه به این بافرهایی که در بدن داریم، pH چه تغییری می‌کند. می‌خواهیم متوجه بشویم تا بتوانیم اختلالات اسید و باز را تشخیص دهیم.

پس آن‌چه به دنبالش هستیم pH است و می‌دانیم که pH به غلظت یون هیدروژن بستگی دارد. حالا در ادامه برایت مرحله به مرحله می‌گویم که چگونه از معادله‌ی فوق به pH برسیم.

هندرسون هاسلباخ بافر

پس یادمان باشد که معادله‌ی هندرسن هاسلباخ برای تعیینِ pH محیط‌هایِ آبیِ حاویِ بافر به کار می‌رود.

۴. مفهوم pK

قبل از این‌که بافر بی‌کربنات را بیشتر بررسی بکنیم و کاربرد معادله‌ی هندرسون هاسلباخ را بیشتر متوجه بشویم، بهتر است که مفهوم pK را نیز روشن‌تر بدانیم.

در نظر بگیر که در معادله‌ی هندرسون هاسلباخ غلظت HA با غلظت A برابر است. در آن صورت معادله را می‌توان این‌گونه نوشت:

pH = pK + log1

می‌دانیم که لگاریتم یک در مبنای ده برابر صفر است. پس معادله‌ی نهایی این خواهد بود.

pH = pK

پس اگر بخواهیم pK را تعریف بکنیم می‌توانیم این‌گونه بگوییم: pK برابر با pH ای است که در آن نیمی از مولکول‌های اسید ضعیف تفکیک شده و در نتیجه غلظت HA برابر با A است.


به بیان دیگر، در این pH به نیمی از مولکول‌ها یون هیدروژن متصل است و نیمی دیگر، جایگاهی خالی برای یون هیدروژن دارند.

علاوه بر نکته‌ی فوق، با بررسی معادله‌ی تفکیک اسید متوجه می‌شویم که هر چه عدد Ka بزرگتر باشد (به بیان دیگر، pKa کوچکتر باشد)، نمایانگر تمایل بیشتر برای تفکیک شدن و در نتیجه قدرت اسیدی بیشتر است.

حالا با هم به بررسی مهم‌ترین بافر بدن، یعنی بافر بی‌کربنات می‌پردازیم.

۵. سیستم بافر بی‌کربنات

بافر همانند یک جذب‌کننده‌ی ضربه و شوک است. وجود بافر، تا حدی به pH محلول پایداری می‌بخشد. برای این عملش، به اجزایی نیاز دارد. اجزای بافر بی‌کربنات دو ماده هستند.

اولینش کربنیک اسید H2CO3 که نقش اسید ضعیف را دارد. دومینش نیز یک نمک بی‌کربنات مثلا سدیم‌بی‌کربنات NaHCO3 است.

کربنیک اسید از ترکیب آب و کربن دی اکسید تشکیل می‌شود. این واکنش برگشت‌پذیر در حالت عادی کند است و در صورت وجود آنزیم Carbonic Anhydrase است که سرعتش زیاد می‌گردد. این آنزیم به مقدار فراوان در دیواره‌ی آلوئول‌های ریه وجود دارد.

کربنیک اسید تولید شده به مزان کمی تفکیک شده و مقدار کمی یون هیدروژن تولید می‌کند. در عوض، نمکِ بی‌کربنات سدیم تقریبا به شکل کامل به یون سدیم و بی‌کربنات تفکیک می‌شود.

حالا تمام اجزای بافر را کنار هم می‌گذاریم تا تصویری کلی داشته باشیم:

بافر بی‌کربنات

تفاوت اصلی بافر بی‌کربنات با دیگر بافرهای بدن در این است که هم توسط ریه‌ها و هم توسط کلیه‌ها تنظیم می‌گردد.

می‌بینیم که در یک سمت معادله گاز کربن دی اکسید وجود دارد که دفع آن توسط ریه‌ها قابل تنظیم است. در طرف دیگر نیز بی‌کربنات وجود دارد که مقدار آن توسط کلیه‌ها قابل تنظیم است.

این بافر آن‌قدر مهم است که اختلالات اسید و باز را بر اساس آن نام‌گذاری می‌کنند.

اختلالاتی که حاصل تغییرات غلظت بی‌کربنات است، متابولیک (Metabolic Acid-Base Disorder) نام دارند.

اختلالاتی را که حاصل تغییر غلظت کربن دی اکسید است، تنفسی (Respiratory Acid-Base Disorder) می‌نامیم.

در نوشته‌ی بعدی، معادله‌ی هندرسون هاسلباخ و pK را برای بافر بی‌کربنات بررسی کرده و کاربرد و اهمیت بالینی آن‌ها را خواهیم فهمید. هم‌چنین باقی بافرهای مهم بدن نیز بررسی می‌گردند.

جمع‌بندی

بدن به سه روش با تغییر pH مبارزه می‌کند:

۱. سیستم بافری

۲. ریه‌ها

۳. کلیه‌ها

بافرها موادی‌اند که قابلیت اتصال برگشت‌پذیر به یون هیدروژن را دارند. آن‌ها همانند بانک هستند. پول اضافه (یون هیدروژن) را در آن‌ها گذاشته و هنگامی که پول نداریم از آن‌جا برداشت می‌کنیم. اما می‌دانیم که بانک‌ها نیز محدودیتی دارند.

مهم‌ترین بافر بدن، بافر بی‌کربنات است. اهمیت آن در این است که اجزای آن هم توسط ریه‌ها (گاز کربن دی اکسید) و هم توسط کلیه‌ها (بی‌کربنات) تنظیم می‌گردند. اختلالات اسید و باز را نیز بر اساس آن نام‌گذاری می‌کنیم. اگر اختلال در غلظت بی‌کربنات باشد، متابولیک نام گرفته و اگر اختلال در غلظت کربن دی اکسید باشد، اختلالات تنفسی نامیده می‌شود.

چگونه آن‌ها را تشخیص بدهیم؟ نخست باید pH و اثر بی‌کربنات و کربن‌دی‌اکسید را بر آن بدانیم. برای محاسبه‌ی این‌که pH محلول ما با توجه به بافر بی‌کربنات و دیگر بافرها چه تغییری می‌کند، از معادله‌ی هندرسون هاسلباخ کمک می‌گیریم.

این معادله است که در بالین به تشخیص اختلالات اسید و باز کمک می‌کند. به همین خاطر است که باید مفهوم آن را خوب درک کنیم.

معادله هندرسون هاسلباخ

در قسمت بعدی، این موضوع بررسی می‌گردد.

تمرین

با توجه به معادله‌ی بافر بی‌کربنات، اگر یک اسید قوی/باز قوی به بدن اضافه شود، بافر بی‌کربنات چگونه به مقابله برمی‌خیزد؟ غلظت کدام یک از اجزا بیشتر و غلظت کدام کمتر می‌گردد؟

آنزیم کربنیک انیدراز (Carbonic Anhydrase) دیگر در چه قسمت‌هایی وجود دارد؟

آن را چگونه می‌توان مهار کرد؟

مهار آن در کجا کاربرد دارد؟

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *