Komórki w żywych organizmach do prawidłowego funkcjonowania muszą utrzymywać prawidłowe pH, czyli równowagę kwasowo-zasadową. Właściwe pH uzyskuje się dzięki systemowi buforowania fosforanów. Składa się z jonów diwodorofosforanowych i wodorofosforanowych w równowadze ze sobą. Ten system buforujący jest odporny na zmiany pH, ponieważ stężenie diwodorofosforanu i jony wodorofosforanowe w komórce są duże w porównaniu do stężeń jonów kwasowych lub zasadowych wytwarzanych w komórka.
Co to jest pH?
pH roztworu mierzy stężenie jonów wodorowych, czyli H+. Jony wodorowe to pojedyncze, dodatnio naładowane jednostki, zwane również protonami. Im więcej jonów wodoru znajduje się w roztworze na bazie wody, tym bardziej kwaśny staje się roztwór. Skala pH mierzy logarytm stężeń jonów H+, więc większe stężenie H+ da niższą liczbę. Skala logarytmiczna biegnie od 0 do 14. pH poniżej 7 jest uważane za kwaśne, a pH powyżej 7 za zasadowe. Wartość pH 7 określa się jako obojętną, ponieważ liczba kwaśnych jonów wodorowych (H+) i zasadowych jonów hydroksylowych (OH-) w roztworze jest taka sama.
Jak działają bufory
System buforujący składa się ze słabego kwasu i odpowiadającej mu słabej zasady. Kwas definiuje się jako cząsteczkę, która uwalnia jony wodorowe w wodzie, a zasada to cząsteczka, która przyjmuje jony wodorowe. Słaby kwas lub słaba zasada jonizuje lub oddaje jony wodorowe lub hydroksylowe tylko nieznacznie w wodzie, podczas gdy mocne kwasy i zasady jonizują prawie całkowicie. Kiedy nadmiar jonów wodorowych znajduje się w roztworze buforowym, słaba zasada pożera jony wodorowe i zamienia się w odpowiadający im kwas, zachowując pH roztworu. Po dodaniu zasady reakcja odwraca się i słaby kwas oddaje część swoich jonów wodorowych, aby roztwór był bardziej kwaśny i zamieniał się w słabą zasadę.
System buforów fosforanowych
System buforów fosforanowych utrzymuje wewnątrzkomórkowe pH we wszystkich żywych organizmach. W tym układzie buforowym jony diwodorofosforanowe służą jako słaby kwas. Jony wodorofosforanowe stanowią słabą zasadę. W wodzie lub płynie wewnątrzkomórkowym diwodorofosforan i wodorofosforan są zawsze w równowadze. Stopień jonizacji układu diwodorofosforan-wodorofosforan jest reprezentowany przez stałą dysocjacji lub wartość pKa, która jest wyrażona jako wartość logarytmiczna. System buforowania fosforanów jest odpowiedni dla żywych komórek, ponieważ pKa wynosi 7,21, co jest bardzo zbliżone do fizjologicznego pH.
Gdy system buforowania fosforanów jest niewystarczający
W organizmach wyższych z układem krążenia układ buforu fosforanowego nie może utrzymać prawidłowego pH krwi, ponieważ stężenia jonów diwodorofosforanowych i wodorofosforanowych nie są wysokie dość. System buforów wodorowęglanowych jest w stanie utrzymać krew w pH około 7,4. Tutaj wodorowęglan jest słabym kwasem, a jon wodorowęglanowy jest słabą zasadą. Wodorowęglan i wodorowęglan powstają z rozpuszczonego we krwi dwutlenku węgla. Nadmiar dwutlenku węgla jest wydalany przez płuca.