Trang chủ  www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind

ĐẠI CƯƠNG ACID - BASE

Nguyễn Phước Long

Hầu hết các phân tử thuốc và các phân tử sinh học đều có ít nhất một nhóm acid hay base. Do vậy hóa học phân tích, nhất là hóa học nói về sự cân bằng của dung dịch acid – base, pH, dung dịch đệm bao trùm khắp các lý luận sinh lý và dược lý học y khoa. Tuy nhiên, phần lớn sinh viên Y khoa không có được nhận định sâu sắc về các khái niệm hóa học vẫn được sử dụng thường xuyên này, dẫn đến việc ngộ nhận kiến thức. Do vậy để có thể hiểu hết được các quá trình biến đổi của vật chất trong cơ thể người, chúng ta cần phải có một sự hiểu biết nhất định về lĩnh vực này.

Học thuyết về acid và base

Định nghĩa

Các phản ứng của dung dịch acid – base đã được mô tả từ rất sớm trong lịch sử phát triển của ngành hóa học. Tuy nhiên, sự hiểu biết có hệ thống về chúng chỉ vừa mới được làm sáng tỏ vào những năm đầu thế kỉ 20.

Học thuyết Arrhenius về acid và base ra đời vào thế kỉ 19 cho rằng acid là những chất tan trong nước và cho ra ion H+, base là những chất tan trong nước và cho ra ion OH-. Một trong những hệ quả của nó được vận dụng để giải thích tính base cho các hợp chất amin (vốn không chứa nhóm OH- trong cấu tạo) đó là khả năng phản ứng với nước (thủy giải) để tạo ra ion OH- theo phương trình sau:

Thuyết Arrhenius cung cấp một sự hiểu biết cơ bản về các tính chất của acid – base trong dung dịch nước, tuy nhiên nó không thể giải thích được tính acid – base của vật chất trong các dung dịch có dung môi khác nước (ete, ketone, …)

Thuộc tính acid – base của vật chất cấu hàm nên trong các dung môi khác nước đã được giải thích một cách có hệ thống vào năm 1923 với học thuyết của Bronsted và Lowry (hai người cùng công bố nghiên cứu của mình một cách độc lập). Hai nhà hóa học này định nghĩa acid là những chất có khả năng cho proton còn base là những chất có khả năng nhận proton. Phản ứng được minh họa ở phương trình sau:

(1)(2)

Học thuyết này được chấp nhận rộng rãi. Ưu điểm của nó là có thể được dùng để giải thích hoạt tính acid – base của vật chất mà không phụ thuộc vào dung môi. Do vậy chúng ta sẽ làm rõ các hệ quả của học thuyết này.

 

Thuyết liên hợp

Nhìn vào phương trình (1) ở trên, ta thấy rằng khi hợp chất giải phóng ra H+, nó còn tạo nên một ion A- nữa, và nếu viết phản ứng theo chiều ngược lại, dựa vào định nghĩa, nó phải là một base. Tương tự cho phương trình (2). Do vậy học thuyết Bronsted về acid – base có thể được định nghĩa dựa vào phương trình sau:

(3)

Cặp acid – base được thể hiện ở phương trình (3) được gọi là cặp liên hợp. Do vậy, theo phương trình (1), ta nói A- là base liên hợp của acid HA; dựa vào phương trình (2), ta nói BH+ là acid liên hợp của base B. Ta cần lưu ý rằng các phương trình hóa học cùng dạng với phương trình (3) phải luôn luôn đảm bảo định luật bảo toàn điện tích. Nghĩa là, tổng điện tích các chất bên trái phải bằng với tổng điện tích các chất bên phải. Một số phương trình minh họa:

Proton trong phương trình (3) là một hạt nhân trần (không có electron) là một tác nhân có khả năng tham gia phản ứng cực mạnh, khả năng phản ứng của nó cao đến mức trong các hệ thống hóa học thuần túy, chúng ta sẽ không bao giờ thu được ion H+ ở dạng riêng lẻ. Do vậy chúng ta dùng cách biểu diễn dưới dạng cặp liên hợp sẽ chính xác hơn:

Kết quả sau cùng là proton sẽ được chuyển từ cặp thứ nhất đến cặp thứ 2 (đọc theo chiều thuận).

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về các chất lưỡng tính. Lấy ví dụ là H2O – dung môi quan trọng nhất trong cơ thể chúng ta.

H2O có khả năng phân ly theo phản ứng sau:

(4)

Do vậy nó có tính acid, và OH- là base liên hợp của nó. Nhưng ngoài ra, H2O còn có khả năng phản ứng theo phương trình sau:

(5)

Do vậy, H2O là base liên hợp của H3O+ và nó được gọi là chất lưỡng tính (amphoteric). Đặc tính này của H2O khiến nó có thể vừa đóng vai trò là base trong các phản ứng có dạng sau đây:

  (6)

Vừa có vai trò là Base khi phản ứng với các chất là acid bằng phương trình sau:

(7)

Hằng số cân bằng

Khi phân tích hệ thống được mô tả ở phương trình (6) ở trạng thái cân bằng. Chúng ta có thể thiết lập được một hằng số định lượng với định nghĩa như sau:

(8)

Khi H2O được hiểu như một dung môi, nghĩa là nồng độ của nó không ảnh hưởng đến cân bằng được thiết lập thì phương trình (6) sẽ được viết lại, có dạng như sau:

Do vậy, phương trình (8) sẽ có dạng:

(9)

Hằng số cân bằng Ka được gọi tên riêng là hằng số acid.

Cũng cùng phương pháp đó đối với phương trình (7) ta sẽ có định nghĩa hằng số base như sau:

(10)

Chúng ta cũng có thể vận dụng tương tự đối với H2O, từ đó chúng ta có phương trình sau:

  (11)

Kw được gọi là hằng số tự proton hóa của H2O (autoprotolysis constant).

Tiếp tục phát triển thêm các khái niệm trên sẽ dẫn đến việc thành lập được mối liên hệ giữa ba hằng số Ka, Kb và Kw như sau:

(12) (13)

Lấy phương trình (12) và (13) nhân với nhau ta sẽ được phương trình:

(14)

Lưu ý rằng Ka và Kb trong phương trình (14) chỉ đúng với các cặp acid, base liên hợp. Với hằng số Kw là hằng số ở một nhiệt độ nhất định, chúng ta sẽ tính được Ka hay Kb khi biết được đại lượng còn lại. Do vậy trong thực tế, không cần thiết phải tìm cách đo cả hai đại lượng.

Hệ quả đặc sắc nhất của thuyết Bronsted được rút ra từ phương trình (14) như sau: Độ mạnh yếu của một acid và một base liên hợp với nó phụ thuộc lẫn nhau. Một chất có tính acid mạnh thì tính base sẽ yếu và ngược lại. Do vậy, chúng ta thường dùng hằng số Ka để mô tả độ mạnh yếu của acid hay một acid liên hợp của một base thay vì dùng hằng số Kb.

Thường thì hằng số Ka và Kb thường rất nhỏ. Do vậy người ta thiết lập thêm một phép đo lường nữa được định nghĩa trong phương trình (15):

(15)

Trong đó K có thể là Ka, Kb hoặc Kw.

Ta viết lại phương trình (14) một cách đơn giản hóa như sau:

(16)

Bình thường, người ta chia acid và base thành 2 loại là acid mạnh/base mạnh và acid yếu/base yếu. Acid mạnh/base mạnh là những chất cho điện tử mạnh, phân ly gần như hoàn toàn trong nước như HCl, H2SO4, HNO3, NaOH và KOH,… Acid yếu/base yếu chỉ phân ly một phần trong nước như boxylic acid, phenols và các amines,… Các hằng số cân bằng chỉ hữu dụng trong các trường hợp cần phân tích các dung dịch acid yếu/base yếu mà thôi.

Hình 5.1:  Amino acid histidine – thành phần của protein. Đây là một acid yếu. pKa của nhóm –NH– là 6.0

pH

pH được định nghĩa theo phương trình sau:

(17)

Biến đổi phương trình (11) lại ta sẽ được phương trình sau:

  (18)

Từ đó ta thấy được là pH và pOH phụ thuộc vào pKw. Do vậy trên thực tế chỉ cần dùng đại lượng pH để đánh giá dung dịch là đủ. Bảng (1) liệt kê đại lượng của pKw ở các nhiệt độ khác nhau (Harned and Owen 1958, trang 638). Lưu ý rằng pKw = 14 ở 25oC.

Dung dịch có pH = pOH được gọi là dung dịch trung tính (neutral), pH = 7.00 (ở 25oC). Dựa vào pKw ở 25oC, người ta thiết lập thang đo pH gồm 14 cấp độ. Dung dịch có tính acid là dung dịch có pH <7 và dung dịch có tính base là dung dịch có pH>7. (Lưu ý rằng, về phương diện tính toán, ta có thể gặp các trường hợp pH tính ra âm. Tuy nhiên, về mặt định nghĩa, pH chỉ áp dụng cho các dung dịch phân ly không hoàn toàn nên chúng ta chỉ có khoảnh độ pH từ 0 – 14).

Cân bằng hóa học

Khi các phản ứng hóa học xảy ra, các liên kết của các chất tham gia phản ứng bị phá vỡ và các liên kết mới hình thành để tạo sản phẩm. Tại bất kì thời điểm nào, trong tế bào luôn có vài trăm loại phản ứng hóa học xảy ra và trên nguyên tắc nhiều chất có thể trải qua nhiều phản ứng hóa học. Quy mô và tốc độ xảy ra phản ứng xác định thành phần hóa học của tế bào.

Khi trộn các chất tham gia phản ứng với nhau vào thời điểm trước khi tạo thành sản phẩm, nồng độ ban đầu của chúng xác định phần nào tốc độ sản phẩmcủa phản ứng thuận. Nồng độ này xác định sác xuất các chất tham gia va đập và phản ứng với nhau. Khi sản phẩm của phản ứng tích lũy, nồng độ của mỗi chất tham gia phản ứng và tốc độ phản ứng thuận giảm xuống. Trong khi đó, một số phân tử sản phẩm bắt đầu tham gia vào phản ứng nghịch, tức phản ứng tái tạo chất tham gia. Ban đầu phản ứng nghịch diễn ra chậm nhưng sau đó nhanh lên khi nồng độ sản phẩm tăng. Sau cùng, tốc độ của phản ứng thuận và nghịch bằng nhau nên nồng độ của chất tham gia phản ứng và sản phẩm ngừng thay đổi. Hệ thống lúc này gọi là cân bằng hóa học.

Khi cân bằng, tỷ lệ giữa nồng độ sản phẩm và chất tham gia gọi là hằng số cân bằng. Giá trị này cố định và không phụ thuộc vào tốc độ tại đó phản ứng xảy ra. Có thể dùng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hóa học. Chất này thúc đẩy các biến đổi hóa học (tạo ra và phá vỡ liên kết cộng hóa trị)nhưng không bị biến đổi vĩnh viễn trong tiến trình phản ứng. Trong phần này chúng ta thảo luận một số khía cạnh của cân bằng hóa học. Trong phần sau chúng ta khảo sát biến thiên năng lượng của phản ứng và mối quan hệ của nó với sự cân bằng.

Hằng số cân bằng phản ánh mức độ hoàn toàn của phản ứng hóa học

Hằng số cân bằng Keq phụ thuộc vào bản chất của chất tham gia và sản phẩm cũng như nhiệt độ và áp suất(đặc biệt trong các phản ứng liên quan đến chất khí). Dưới các điều kiện vật lý chuẩn(250C và áp suất 1atm với hệ sinh học), Keq của một phản ứng là hằng số cho dù có hay không có chất xúc tác.

(19)

Đối với phản ứng thường gặp gồm 3 chất tham gia phản ứng và ba sản phẩm:

Với chữ cái viết hoa thể hiện các phân tử hoặc nguyên tử và chữ cái thường là số mỗi nguyên tử hoặc phân tử trong công thức phản ứng. Hằng số cân bằng là :

(20)

Tốc độ thuận và tốc độ nghịch của phản ứng được biểu diễn như sau:

Qua biến đổi ta thu được:

(21)

Các phản ứng hóa học trong tế bào đều ở trạng thái ổn định

Dưới các điều kiện thích hợp và đủ thời gian, phản ứng hóa sinh xảy ra trong ống nghiệm cuối cùng sẽ đạt trạng thái cân bằng. Tuy nhiên trong tế bào, nhiều phản ứng hóa học thường kết nối với nhau thành một con đường nhất định. Trong chuỗi phản ứng đó, sản phẩm của một phản ứng là chất tham gia của phản ứng khác hoặc bị đẩy ra khỏi tế bào. Trong trường hợp này nếu một chất có tốc độ tạo ra bằng tốc độ tiêu thụ thì nồng độ chất đó sẽ không đổi, và chuỗi phản ứng  thực hiện được điều này gọi là trong trạng thái ổn định. Chuỗi phản ứng như vậy ngăn chặn quá nhiều chất trung gian tích tụ. điều này giúp tế bào được bảo vệ khỏi các hiệu ứng bất lợi do các chất trung gian gây ra nếu nó là chất độc tại nồng độ cao.

Hằng số phân ly của các phản ứng gắn kết phản ánh ái lực của các phân tử tham gia phản ứng

Có thể áp dụng các khái niệm cân bằng phản ứng cho quá trình gắn của hai phân tử. Nhiều quá trình tế bào quan trọng phụ thuộc vào các phản ứng như vậy. Những phản ứng này tạo ra hay phá vỡ nhiều tương tác không cộng hóa trị thay vì liên kết cộng hóa trị như đề cập ở trên. Một ví dụ phổ biến là phối tử(ví dụ hormone insulin hay adrenaline) gắn với thụ thể trên bề mặt tế bào, tạo thành tập hợp đa phân tử (phức hệ) gây ra đáp ứng sinh học. Ví dụ khác là protein gắn với trình tự đặc hiệu trên DNA, làm tăng hoặc giảm biểu hiện của gene lân cận. Nếu biết hằng số cân bằng của phản ứng gắn, có thể xác định độ bền của phức hệ tạo ra. Để minh họa phương pháp chung dùng để xác định nồng độ của phức hệ liên hợp không cộng hóa trị, chúng ta sẽ tính mức độ một protein (P) gắn với DNA(D) tạo thành phức hệ protein-DNA(PD):

P + D PD

Tính chất của hầu hết các phản ứng gắn được mô tả dưới dạng hằng số phân ly Kd , giá trị nghịch đảo của hằng số cân bằng. Phản ứng trên có hằng số cân bằng là :

(22)

Phản ứng gắn điển hình giữa protein và trình tự DNA đặc hiệu có Kd=10-10M với M là nồng độ phân tử gam. Để liên hệ độ lớn hằng số phân ly với tỷ lệ DNA gắn và không gắn, ta lấy ví dụ đơn giản là tế bào vi khuẩn với dung tích 1,5x10-15l, chứa một phân tử DNA và10 phân tử protein gắn DNA(P). Trong trường hợp này, từ Kd=10-10 M suy ra 99% thời gian trình tự DNA đặc hiệu này gắn với một phân tử protein, cho dù tế bào chỉ chứa 10 phân tử protein. Rõ ràng là P gắn rất chặt với D (có áp lực cao). Giá trị hằng số của hằng số phân ly của phản ứng gắn rất thấp phản ánh điều này. Tương tác protein-protein và protein-DNA được coi là chặt nếu Kd =10-9 M (nanomolar), chặt vừa phải nếu Kd = 10-6 M ( micromolar) và tương đối yếu nếu Kd = 10-3 M (millimolar).

Do kích thước của các đại phân tử sinh học (như protein) lớn nên trên bề mặt của chúng thường chứa nhiều vị trí có thể tham gia tương tác bổ sung với những phân tử khác. Do vậy nhiều đại phân tử có khả năng gắn đồng thời với một số phân tử khác. Trong một số trường hợp, các phản ứng gắn này độc lập với nhau và từng giá trị Kd là hằng số. Ở các trường hợp khác, phân tử gắn với vị trí A trên đại phân tử có thể làm thay đổi cấu hình lập thể của vị trí B và dẫn đến thay đổi  tương tác gắn của vị trí B với một số phân tử khác. Cơ chế này quan trọng do nhờ đó mà một phân tử có thể thay đổi (điều hòa) hoạt tính của phân tử thứ hai (ví dụ protein) bằng cách thay đổi khả năng tương tác của phân tử thứ hai này với phân tử thứ ba.

Mỗi loại dịch sinh học có giá trị pH đặc trưng

Dung môi bên trong tế bào và của dịch ngoại bào là nước. Đặc tính quan trọng của bất kỳ dung dịch lỏng nào là nồng độ H+ và OH-. Vì là sản phẩm phân ly của H2O nên những ion này là thành phần của mọi hệ thống sống, và chúng được giải phóng bởi nhiều phản ứng xảy ra giữa các phân tử hữu cơ trong tế bào. H+ và OH- cũng được vận chuyển vào hoặc ra tế bào, như khi lớp tế bào lót dạ dày tiết ra dịch vị có độ acid cao.

Hình 5.2: Khả năng cho nhận proton của các cặp acid-base liên hợp. Một vài hợp chất thuộc loại acid một nấc (acetic acid và ammonium ion) chỉ có thể cho một proton. Ngoài ra còn có các hợp chất acid hai nấc (H2CO3, glycine,…) hay ba nấc (H3PO4). Khoảng pH được trình bày trên hình phù hợp từng loại chất.

Khi phân ly, một trong các liên kết H-O phân cực của H2O bị phá vỡ. Ion H+ tạo thành thường gọi là proton và có thời gian tồn tại tự do ngắn do nó nhanh chóng kết hợp với H2O, tạo thành ion hydrogennium (H3O+). Tuy nhiên để thuận tiện chúng ta chỉ nói đến nồng độ ion hydrogen trong dung dịch ([H+]) mặc dù thực chất nó là nồng độ của ion hydrogennium ([H3O+]).

Tương bào thường có pH khoảng 7,2 nhưng pH bên trong tiêu thể (cơ quan tử của tế bào nhân chuẩn) thấp hơn nhiều (khoảng 4,5). Nhiều enzyme thủy phân của tiêu thể có chức năng tối ưu trong môi trường acid, trong khi hoạt tính của chúng bị kìm hãm tại môi trường gần trung tính của tương bào, điều này cho thấy rằng cần duy trì pH đặc hiệu cho một số cấu trúc tế bào hoạt động chính xác. Mặt khác, pH tế bào biến động mạnh cũng đóng vai trò quan trọng trong điều hòa hoạt tính của tế bào. Ví dụ tế bào chất của trứng chim biển khi chưa thụ tinh (động vật sống dưới nước) có pH 6,6. Tuy nhiên pH tăng tới 7,2 trong vòng một phút sau khi thụ tinh; có nghĩa là [H+] giảm xuống khoảng ¼ giá trị ban đầu. Biến đổi này là cần thiết cho quá trình phát triển và phân chia sau đó của trứng.

Acid và base

Nhiều phân tử sinh học, chứa cả hai nhóm acid và base. Ví dụ trong dung dịch trung tính (pH=7,0), nhiều acid amin tồn tại phần lớn ở dạng ion hóa kép, trong đó nhóm carboxy mất một proton và nhóm amin nhận một proton.

Với R là mạch nhánh không tích điện. Phân tử có đầu dương và đầu âm bằng nhau như vậy được gọi là phân tửlưỡng cực (Ziwtterions), có tổng điện tích bằng không (trung tính). Tại pH rất acid hoặc base, chỉ một trong hai nhóm ion hóa của acid amine tích điện.

Có thể viết chương trình phản ứng phân ly của acid (hay nhóm acid trong phân tử lớn) HA là HA = H+ + A-. Hằng số cân bằng của phản ứng này, Ka ( a là viết tắt của acid), được xác định theo công thức : Ka = [H+][ A-]/[HA]. Biến đổi phương trình trên sẽ tạo phương trình Henderson-Haselbalch rất hữu dụng, thể hiện tương quan giữa hằng số cần bằng và pH :

(23)

Từ phương trình trên có thể thấy rằng pKa củaacid bằng pH tại đó số phân tử phân ly bằng số phân tử không phân ly. Điều này là do khi [A-=[HA] thì log ([A-]/[HA])=0, dẫn đến pKa=pH. Phương trình Henderson-Haselbalch cho phép tính độ phân ly của acid khi biết pH của dung dịch và pKa. Trên thực tế, bằng cách đo và theo pH dung dịch, có thể tính pKa củaacid và từ đó tính ra hằng số cần bằng Ka của phản ứng phân ly.

Dung dịch đệm duy trì pH của dung dịch nội và ngoại bào

Mặc dù tạo ra nhiều sản phẩm trao đổi chất có tính acid như acid lactic và CO2,tế bào đang phát triển vẫn phải duy trì pH tế bào chất trong khoảng 7,2-7,4. Để thực hiện nhiệm vụ này,tế bào chứa hệ đệm cấu thành từ acid và base yếu. điều này đảm bảo duy trì pH tế bào tương đối không đổi mặc dù nồng độ H+ hoặc OH- luôn dao động nhẹ do trao đổi chất, hấp thụ hoặc tiết các phân tử và ion. Đệm làm điều này bằng cách làm giảm H+  hoặc OH- được tạo ra thêm khi chúng đi vào tế bào hoặc tạo ra  từ quá trình trao đổi chất.

Nếu cho thêmacid hoặc base vào một đệm có pH bằng pKa của  đệm [HA]=[A-]  thì pH của dung dịch này sẽ thay đổi ít hơn.. Điều này là do H+ giải phóng ra khi thêm acid dạng ion hóa của đệm (A-) hấp thụ. Tương tự, khi thêm base, OH- bị trung hòa bởi proton do HA giải phóng. Năng lượng giải phóng hoặc hấp thụ H+ của một chất phụ thuộc vào tương quan giữa pH dung dịch và pKa của chất đó. Khả năng duy trì pH ổn định của đệm gọi là “năng lực đệm” và phụ thuộc vào nồng độ cũng như tương quan giữa giá trị pKa của đệm với pH và được biểu diễn bằng phương trình Henderson- Hasselbalch.

Đồ thị chuẩn độ của acid acetic minh họa khả năng biến thiên của pH đối với các phân đoạn phân tử ở dạng ion hóa HA và ion hóa (A-). Khi pH nhỏ hơn pKa một đơn vị, 91% phân tử ở dạng A-. Khi pH dao động ngoài khoảng pK , khả năng đệm của acid yếu và base yếu giảm nhanh chóng. Nói cách khác, trong trường hợp bổ sung cùng số mol acid vào dung dịch chứa hỗn hợp HA và A-,nếu pH của acid gần bằng pKa thì pH của dung dịch sẽ ít thay đổi hơn so với khi không có HA và A- hoặc khi pH của acid khác xa pKa.

Mọi hệ sinh học chứa một hoặc nhiều loại đệm. Dạng ion hóa của acid phosphoric (các ion phosphate) có khá nhiều trong tế bào và là yếu tố quan trọng để duy trì(hay đệm) pH của tế bào chất. Acid phosphoric(H3PO4) có ba proton với khả năng phân ly độc lập(không cùng lúc). Phản ứng phân ly của mỗi proton có và pKa riêng. Đồ thị chuẩn độ của acid phosphoric cho thấy pKa phân ly của proton thứ hai là 7,2. Do đó theo phương trình Henderson-Hesselbatch, tại pH 7,2 khoảng 50% phosphate của tế bào là H2PO4-. Do vậy phosphate là đệm lý tưởng tại pH bằng 7,2(xấp xỉ pH của tế bào chất) và 7,39 (pH của máu người).

Sửa lần cuối ngày 31/1/2013 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

 Diễn đàn Đọc sách Y Sinh