Welche Art von Molekül verhindert weitreichende Veränderungen des pH-Werts von Lebewesen?

Zellen in lebenden Organismen müssen den richtigen pH-Wert oder das Säure-Basen-Gleichgewicht aufrechterhalten, um richtig zu funktionieren. Der richtige pH-Wert wird durch das Phosphatpuffersystem erreicht. Es besteht aus Dihydrogenphosphat- und Hydrogenphosphat-Ionen, die miteinander im Gleichgewicht stehen. Dieses Puffersystem widersteht pH-Änderungen, da die Konzentrationen des Dihydrogenphosphats und Wasserstoffphosphat-Ionen in der Zelle sind groß im Vergleich zu den Konzentrationen an sauren oder basischen Ionen, die in der Zelle produziert werden die Zelle.

Der pH-Wert einer Lösung misst die Konzentration von Wasserstoffionen oder H+. Wasserstoffionen sind einzelne positiv geladene Einheiten, auch Protonen genannt. Je mehr Wasserstoffionen in einer wässrigen Lösung enthalten sind, desto saurer wird die Lösung. Die pH-Skala misst den Logarithmus der H+-Ionenkonzentrationen, sodass eine höhere H+-Konzentration eine niedrigere Zahl ergibt. Die logarithmische Skala reicht von 0 bis 14. Ein pH-Wert unter 7 gilt als sauer und ein pH-Wert über 7 als alkalisch. Ein pH-Wert von 7 wird als neutral definiert, da die Anzahl der sauren Wasserstoffionen (H+) und der basischen Hydroxylionen (OH-) in einer Lösung gleich ist.

Ein Puffersystem besteht aus einer schwachen Säure und der entsprechenden schwachen Base. Eine Säure ist definiert als ein Molekül, das Wasserstoffionen in Wasser freisetzt, und eine Base ist ein Molekül, das Wasserstoffionen aufnimmt. Eine schwache Säure oder schwache Base ionisiert oder gibt Wasserstoff- oder Hydroxylionen in Wasser nur geringfügig ab, während starke Säuren und Basen fast vollständig ionisieren. Wenn überschüssige Wasserstoffionen in der Pufferlösung sind, verschlingt die schwache Base die Wasserstoffionen und wandelt sich in die entsprechende Säure um, während der pH-Wert der Lösung erhalten bleibt. Wenn eine Base hinzugefügt wird, kehrt sich die Reaktion um und die schwache Säure gibt einen Teil ihrer Wasserstoffionen ab, wodurch die Lösung saurer wird und sich in eine schwache Base verwandelt.

Das Phosphatpuffersystem hält den intrazellulären pH-Wert in allen lebenden Organismen aufrecht. In diesem Puffersystem dienen Dihydrogenphosphat-Ionen als schwache Säure. Phosphat-Wasserstoff-Ionen stellen die schwache Base dar. In Wasser oder in intrazellulärer Flüssigkeit stehen Dihydrogenphosphat und Hydrogenphosphat immer miteinander im Gleichgewicht. Das Ausmaß der Ionisierung des Dihydrogenphosphat-Hydrogenphosphat-Systems wird durch die Dissoziationskonstante oder den pKa-Wert dargestellt, der als logarithmischer Wert ausgedrückt wird. Das Phosphatpuffersystem ist für lebende Zellen gut geeignet, da der pKa-Wert 7,21 beträgt, was dem physiologischen pH-Wert sehr nahe kommt.

Bei höheren Organismen mit einem Kreislaufsystem kann das Phosphatpuffersystem die richtige pH-Wert im Blut, da die Konzentrationen von Dihydrogenphosphat und Hydrogenphosphat-Ionen nicht hoch sind genug. Das Bicarbonat-Puffersystem ist in der Lage, das Blut auf einem pH-Wert von etwa 7,4 zu halten. Hier ist Bicarbonat die schwache Säure und Hydrogencarbonat-Ion die schwache Base. Bicarbonat und Hydrogencarbonat werden aus gelöstem Kohlendioxid im Blut gebildet. Überschüssiges Kohlendioxid wird über die Lunge ausgeschieden.