Slabé kyseliny, konjugované kyseliny, slabé zásady, konjugované zásady, pufr, pufry
Disociace slabých kyselin a zásad
Funkční skupiny mají v biochemii mimořádný význam
Chování protonu a jeho výsledné vlastnosti v různých funkčních skupinách hraje v biochemii a následně i ve fyziologii mimořádný význam. Protonová rovnováha (disociační chování slabých kyselin a zásad) má zásadní význam pro pochopení vlivu vnitrobuněčného pH na strukturu a biochemickou aktivitu molekul, které tyto funkční skupiny obsahují. Všechny proteiny, nukleové kyseliny, enzymy, meziprodukty metabolických drah a mnoho dalších látek obsahují karboxylovou skupinu, aminoskupinu, hydroxylovou skupinu, hydrogenfosfátovou skupinu fosforečných esterů apod. a tyto skupiny prakticky ovlivňují veškeré biochemické procesy probíhající v buňkách. Chování těchto skupin (vlastně umožnění průběhu reakcí) je výsledkem dynamických změn právě v protonové rovnováze.
Definice pojmu konjugovaná kyselina nebo zásada
V souladu s teorií Brönsteda se jako kyselina označuje látka (molekula), která je schopna poskytnout (odštěpit) proton. Aby to mohla udělat, musí být tedy protonizována. Protonizovaný stav molekuly se obecně označuje HA. V okamžiku uvolnění protonu přechází do stavu označovaného jako konjugovaná zásada a tento stav se znázorňuje jako A-.
Podobně je možné definovat zásadu (A-) a její konjugovanou kyselinu (HA). Oba stavy dané molekuly je vždy nutno uvažovat ve dvojici. Označíme-li HA jako kyselinu, pak A- je konjugovaná zásada. Označíme-li však HA jako konjugovanou kyselinu, je A- zásadou. Záleží tedy na úhlu pohledu.
V tomto pojetí jsou kyseliny a zásady ve spřažené, konjugované soustavě (podobně jako látky při oxidaci a redukci). O síle kyseliny rozhoduje vazebná síla mezi konjugovanou zásadou a protonem. Čím je tato vazebná síla menší, tím je kyselina silnější, a naopak.
Disociační konstanta slabé kyseliny
Disociační konstanta slabých kyselin a zásad vyjadřuje ochotu k disociaci, je tedy obrazem jejich relativní síly. Vzhledem ke skutečnosti, že číselná hodnota disociačních konstant slabých kyselin a zásad je velice nízká (exponent je záporným číslem), vyjadřuje se proto podobně jako v případě vody záporným logaritmem, tedy jako pK (pK = - log K). Čím více se projevují kyselé vlastnosti protonizované funkční skupiny, tím je hodnota pK nižší (čím vyšší je hodnota pK, tím je kyselina slabší). Čím vyšší hodnotu má disociační konstanta (K), tím dokonaleji je příslušná látka disociována ve svém roztoku a je silnějším elektrolytem.
Například kyselina octová je slabá kyselina (K = 1,8 x 10-5, pK = - log 1,8 + 5 = 4,74), ale kyselina kyanovodíková je ještě slabší kyselinou (K = 7,24 x 10-10, pK = - log 7,24 + 10 = 9,14). Známe-li pK kyseliny, lze zpětně vypočítat disociační konstantu. Pro případ kyseliny kyanovodíkové lze tedy psát pK = 9,14, K = 10-9,14 = 100,86-10 = 7,24 x 10-10.
Je-li nedisociovaná a disociovaná forma ve stejné koncentraci, je číselně hodnota pK rovna hodnotě pH. V případě slabých kyselin je nedisociovanou formou kyselina a disociovanou formou její konjugovaná zásada. Při experimentálním stanovení pK se k jednomu ekvivalentu kyseliny přidá půl ekvivalentu zásady. Naměřené pH je pak rovno pK kyseliny.
Henderson-Hasselbalchova rovnice
Tato rovnice má velký význam pro určení disociační rovnováhy. Odvozuje se z klasické disociační reakce. Z pohledu praktického využití se vztah formuluje do závislosti pH na poměru koncentrací disociované a nedisociované formy (konjugované zásady a její kyseliny).
Je-li kyselina neutralizována přesně z poloviny, je pH = pK + log 1/1 = pK + 0. Je-li poměr mezi disociovaným a nedisociovaným podílem 1000 : 1, pak pH = pK + log 1000/1 = pK + 3. Je-li poměr mezi disociovaným a nedisociovaným podílem 1 : 1000, pak pH = pK + log 1/1000 = pK + (-3). Pokud se pomocí této rovnice vyjádří změny v poměru disociovaného a nedisociovaného podílu ve vztahu k pH, získá se titrační křivka slabé kyseliny.
Pufry
Roztok kyseliny a její konjugované zásady (vlastně sůl dané kyseliny) nebo roztok zásady a její konjugované kyseliny mají tendenci bránit změně pH roztoku po přidání silné kyseliny nebo zásady více, než kdyby byla silná kyselina nebo zásada přidána do stejného objemu vody. Tento jev má obrovský význam v udržování fyziologického prostředí uvnitř buněk (i v extracelulárním prostoru) a jedná se o jeden z nejúčinnějších mechanismů pro zajištění odpovídajícího průběhu biochemických reakcí.
Důležitými pufračními systémy je hydrogenkarbonátový pufr (HCO3-/H2CO3), fosfátový pufr (H2PO4-/HPO42-) a systém intracelulárních proteinů.
Nejlépe tlumí změny pH roztoku systém kyseliny a její konjugované zásady při pH, které je číselně vyjádřeno přibližně v rozmezí hodnot od pK - 2 do pK + 2. Čím více se hodnota pH roztoku blíží hodnotě pK, tím je pufrační efekt silnější (zjednodušeně řečeno, pro dosažení změny pH roztoku je nutné přidat více kyseliny nebo konjugované zásady - přidat protony nebo jejich koncentraci naopak snížit).
Související články
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.