生物大分子的化學

生物緩衝體系(buffer)

想像一群人裡既有願意找零的、也有需要零錢的:丟進多餘的硬幣,需要的人就吸收掉;有人要硬幣,願給的人就供應,於是任何一個口袋裡的數量幾乎都不變。緩衝體系對氫離子做的就是這件事。它是一塊化學海綿,吸收加進來的酸或鹼,把 pH 維持得幾乎紋絲不動——這正是細胞活下去所需要的。

緩衝體系是一種弱酸與它對應的鹼形態的混合物,處於平衡當中。當多餘的 H+ 加進來時,鹼形態把它抓走;當 H+ 被取走時,酸形態就釋放更多來補上。因為這兩個搭檔都備有「庫存」,游離 H+ 的濃度——也就是 pH——只會稍微移動。當周圍的 pH 接近這種弱酸的 pKa 時,緩衝效果最好,那時兩種形態的量大致相等,無論加酸還是加鹼都能吸收。推得太遠,庫存耗盡,緩衝體系就失效了。

生命運行在 pH 的刀尖上,所以緩衝體系無處不在。你的血液主要靠碳酸氫鹽體系(碳酸與碳酸氫根離子)緩衝,被維持在接近 pH 7.4;磷酸基團緩衝著細胞內部;甚至蛋白質本身也能靠抓取和釋放質子來緩衝。在實驗室裡,生物學家把樣品溶在緩衝液中(名字有 Tris、HEPES、磷酸鹽緩衝鹽水等),好讓酶和 DNA 待在一個友好、恆定的 pH。沒有緩衝,單單一個釋放出酸的反應,就可能讓整個體系停擺。

往普通的水裡滴幾滴強酸,它的 pH 會驟降;把同樣幾滴滴進有碳酸氫鹽緩衝的血液裡,pH 卻幾乎不會離開 7.4——碳酸氫根悄悄地把多出來的質子擦掉了。

一塊讓 pH 保持穩定的化學海綿——直到它的庫存耗盡。

緩衝體系並不能把 pH 永遠鎖死;它只能在其 pKa 附近一個有限的範圍內、以有限的容量抵抗變化。加進足夠多的酸或鹼,再強的緩衝也會被壓垮——這正是嚴重酸中毒時危險地發生的情況。

又稱
buffer systempH buffer缓冲液緩衝液