Pufferlösungen verstehen: pH-Regulierung & Anwendungen

Einleitung

Eine Pufferlösung wird verwendet, um Veränderungen des pH-Werts zu widerstehen, wenn eine bestimmte Menge starker Säure oder Base der Lösung zugesetzt wird. Sie ist ein wichtiger Teil biologischer Systeme in lebenden Organismen sowie im Labor. Der Grund, warum ein Puffer funktioniert, um einen bestimmten pH-Wert aufrechtzuerhalten, ist, dass die Konzentration von schwacher Säure und Base in einem bestimmten Verhältnis entlang der Säure-Titrationskurve gehalten wird.

Die Titrationskurve

Eine Titrationskurve ist ein Graph, der die relativen Konzentrationen einer schwachen Säure mit ihrer konjugierten Base in Beziehung setzt, indem er den pH-Wert gegenüber der zugesetzten Menge Base aufzeichnet. In der Region der Titrationskurve, wo der Graph fast flach ist, verändert sich der pH-Wert sehr wenig bei Zugabe von Base, und daher wäre dies ein guter pH-Wert für den Puffer.

Puffer in Zellen und Blut

Der Hauptpuffer, der in lebenden Zellen vorkommt, ist das H2PO4/HPO4- Pufferpaar. Im Blut ist der Hauptpuffer das H2CO3/HCO3- Paar. Dieses System basiert auf der Disoziation von Kohlensäure, die einen pKa von 6,37 hat. Der pH-Wert des menschlichen Blutes muss bei etwa 7,4 bleiben, und daher beinhaltet das System auch Kohlendioxid, das zur Lunge transportiert wird.

Phosphatpuffer

Der Phosphatpuffer basiert auf Tris (hydroxymethyl) Aminomethan oder TRIS. Dieser Puffer hat einen pKa von 8,3 und kommt sowohl in lebenden Organismen vor als auch wird im Labor verwendet. Er ist ein guter Puffer, weil er die untersuchte Systeme nicht zu stören neigt.

Puffer in enzymatischen Reaktionen

Labormethoden zur Isolierung eines Enzyms verwenden gepufferte Lösungen, weil ein Enzym nur in einem engen pH-Bereich funktionieren kann. Enzyme sind sehr empfindlich gegenüber pH-Wert sowie Salzkonzentrationen. Daher ist es wichtig, einen Puffer mit einer sehr guten Pufferkapazität für den spezifischen pH-Wert zu verwenden, damit das Experiment erfolgreich sein kann.

Physiologische Folgen

Die Atmung spielt eine Rolle bei der Pufferung des Blutes, indem sie die Atemfrequenz je nach Bedarf an Wasserstoffionen oder erhöhter Säure steuert. Eine Erhöhung der Atemfrequenz ist hilfreich, wenn es eine Ansammlung von Wasserstoffionen oder Säure im Blut gibt. Die H+-Ionen binden an Bikarbonat, um Kohlensäure zu bilden. Dies erhöht den Kohlendioxidgehalt in der Lunge. Eine Erhöhung der Atemfrequenz entfernt das überschüssige Kohlendioxid. Daher wird hier das Puffersystem verwendet, um den pH-Wert des Blutes innerhalb des erforderlichen engen Bereichs zu halten.