水与极性溶质形成氢键课件.ppt

1、歐亞書局 CH02 水水 生 物 化 學 【第5 5版】歐亞書局CH 2 水2.1 2.1 水系統中微弱的交互作用水系統中微弱的交互作用2.2 2.2 水、弱酸和弱鹼的離子化水、弱酸和弱鹼的離子化2.3 2.3 生物系統中調節生物系統中調節 pH pH 值改變的緩衝作用值改變的緩衝作用2.4 2.4 水是一種反應物水是一種反應物2.5 2.5 生命體內的水環境提供了合適度生命體內的水環境提供了合適度 p.45歐亞書局CH 2 水2.1 細胞的基礎 p.45水系統中微弱的交互作用水系統中微弱的交互作用p水比多數其他常見的溶劑具有更高的熔點、沸點和汽化熱（表 2-1）。p水分子的氫原子與中央的氧原

2、子共用一電子對。分子的幾何形狀是由氧原子外面的電子軌道所決定，與碳 sp3 軌道是相似的。p這些軌道形成一個約略的四面體，由兩個氫原子（位在其中兩個角落）和氧的兩對不共用電子對（位在另外的兩個角落）組成（圖 2-1a）。歐亞書局CH 2 水p氧原子對電子的吸引力比氫核（質子）強，意即氧具較高的陰電性。p在 H 和 O 之間電子的共用是不平均的；共用的電子經常位在氧原子附近。p此不平均的電子共用結果會在水分子上造成兩個電偶極，各沿著每個 HO 鍵；每個氫原子負擔一部分正電荷（），氧原子負擔另一部分負電荷（2 ）來平衡這兩個正電荷（圖 2-1b）。p這種電荷分布造成一個水分子的氧原子和另外一個水分

3、子的氫原子之間有一種靜電吸引力，稱之為氫鍵氫鍵（hydrogen bond）。p.45歐亞書局CH 2 水 p.47表 2-1歐亞書局CH 2 水 p.46圖圖2-1水分子的結構。水分子的結構。(a)水分子的雙極性特性以球與棒及模型來表示。破折號表示未鍵結的軌道。氧原子周圍外殼的電子對以類似四面體的方式排列；兩個氫原子有局部正電荷（），氧原子有部分帶負電荷（）。(b)兩水分子間的氫鍵（本書以三條藍線標明）是由上方水分子的氧原子與下方水分子的氫原子所形成。氫鍵比氫氧之間的共價鍵長且弱。圖 2-1歐亞書局CH 2 水p相對於共價鍵，氫鍵是微弱的鍵結。在液態下其分離鍵結能量（bond dissoci

4、ation energy；此能量可用來破壞氫鍵）約為 23 kJ/mol，而於水分子內的OH 共價鍵需要 470 kJ/mol，或 CC 共價鍵需要348 kJ/mol。p在冰的狀態下，各個水分子固定在一定的空間，使得水分子得以與其他四個水分子形成氫鍵，產生一個規則格子結構（圖 2-2）。p破壞形成冰的結晶格須大量的熱能打斷足量的氫鍵，這代表水是高熔點（表 2-1）。p.46歐亞書局CH 2 水p因此，當冰融化或水蒸發，熱能會被系統吸收：p由於自發性反應，其自由能變化（G）必須為一個負值以驅動反應。G H T S，G 代表驅動力，H 為形成鍵結或破壞鍵結所需的焓，而 S 則為在亂度的變化。p.

5、46歐亞書局CH 2 水 p.46圖圖2-2冰中的氫鍵。冰中的氫鍵。冰中的每個水分子最多形成四個氫鍵，且可形成有規則的結晶格。相對地，在大氣壓力下，室溫的液態水中，每個水分子平均與其他 3.4 個水分子形成氫鍵。冰的結晶格使其密度比水小，所以冰可以浮於水上。圖 2-2歐亞書局CH 2 水水與極性溶質形成氫鍵水與極性溶質形成氫鍵p氫鍵並不是只存在於水中。在同一個或不同分子裡，其陰電性高的原子（氫接受者，通常是氧或氮原子）會和一個氫原子（氫提供者）與陰電性高的原子具共價鍵結之間形成氫鍵（圖 2-3）。p醇類、醛類、酮類，和含有 NH 鍵的化合物，也都會和水分子形成氫鍵（圖 2-4）並且傾向於溶解在

6、水中。p以靜電交互作用方式造成分子結合的最佳狀態時，氫鍵以最堅固的排列方式存在。p.47歐亞書局CH 2 水FIGURE 1-5 p.47圖圖2-3生物系統中常見的氫鍵。生物系統中常見的氫鍵。氫原子的接受者通常為氧或氮原子，氫原子的提供者為其他帶負電荷的原子。圖 2-3歐亞書局CH 2 水FIGURE 1-5 p.47圖圖2-4一些生物上一些生物上重要的氫鍵。重要的氫鍵。圖 2-4歐亞書局CH 2 水p當氫接受者原子與提供者和其共價氫原子之間呈一直線（圖 2-5）時，氫離子的正電荷直接地位於兩個局部負電荷之間，可形成最穩固的氫鍵。p.47歐亞書局CH 2 水水與帶電荷溶質間的靜電作用水與帶電荷

7、溶質間的靜電作用p水為極性的溶劑，可輕易的溶解大部分的生物分子，通常是帶電荷或極性的化合物（表 2-2）；此種可輕易在水中溶解的化合物稱之為親水性親水性（hydrophilic）。p反之則為非極性，例如：氯仿和苯對於極性生物分子都是屬於較差的溶劑，但其卻能輕易的溶解於疏水性疏水性（hydrophobic），屬於非極性分子，例如：脂質或臘中。p水可以溶解鹽類，例如：氯化鈉（NaCl），藉由水合作用和穩定 Na和 Cl離子削弱它們之間的靜電交互作用，避免其形成結晶狀（圖 2-6）。p.48歐亞書局CH 2 水p水可藉由溶質與水形成氫鍵，取代溶質與溶質間的氫鍵來輕易的溶解化合物，如此隔離溶質間的靜電

8、相互作用。p在液體裡離子相互作用的力量(F)是依據電荷的強度(Q)，電荷團間的距離(r)，和溶劑的介電常數()而有下列關係式：p在 25 時，水的 是 78.5，而非極性的苯之 是4.6。因此在非極性環境下，離子的交互作用是較強的。p.48歐亞書局CH 2 水表 2-2 p.48歐亞書局CH 2 水當結晶物質溶解使得熵增加當結晶物質溶解使得熵增加p當鹽類如氯化鈉溶解時，離開結晶格的 Na 和Cl 離子會得到更大的自由度（圖 2-6）。p此結果會使系統內的熵（亂度）增加，而使鹽類如氯化鈉極易溶解。p在熱動力學裡，溶液的形成會產生相當優勢的自由能變化：G HTS，其中 H 為較小的正值，TS 為較

9、大的正值，所以 G 是負的。p.49歐亞書局CH 2 水圖 2-6 p.48圖圖2-6水為溶劑。水為溶劑。水可藉由水合其所含的離子溶解許多結晶鹽。當水分子與 Cl 及 Na離子聚集時會破壞 NaCl 的結晶格。部分離子電荷被中和，而且形成晶格所需的靜電吸引力會減弱。歐亞書局CH 2 水非極性氣體難溶於水中非極性氣體難溶於水中p在 O2 和 N2 裡，電子為兩個原子所共用。在 CO2 中，兩個 C O 鍵均為極性，但這兩個偶極位於相反的方向而互相抵銷（表 2-3）。p分子的運動從不規則的氣體階段，進入水溶液後不僅會壓抑本身的行動，並且也會限制水分子的行動，因此代表著熵的減少。p由於這些氣體非極性

10、的特性和熵的消減，使得它們無法溶解於水中（表 2-3）。p氨（NH3）、一氧化氮（NO）和硫化氫（H2S）在生物體裡也有各自扮演的角色；這些氣體屬於極性分子，故可溶於水中。p.49歐亞書局CH 2 水表 2-3 p.49歐亞書局CH 2 水非極性化合物使水的結構產生能量上的改變非極性化合物使水的結構產生能量上的改變p除了需要能量的輸入，在水中溶解疏水性化合物會減少熵，而其減少量是可測得的。p在非極性溶質附近的水分子會以整齊的類似籠子的殼在各溶質分子附近存在。這些水分子並不像籠形物籠形物（clathrates）（非極性溶質與水之結晶化合物）一樣排列整齊，但是兩個的影響是相同：水的整齊度可使熵減少

11、。p愈是排列整齊的水分子會使熵的量降低，熵的降低量和疏水溶質表面成比例。因此溶化在水中非極性的溶質不利於自由能量變化：G H TS，H 是正數，S是負數，因此 G是正數。p.49歐亞書局CH 2 水非極性化合物使水的結構產生能量上的改變非極性化合物使水的結構產生能量上的改變p雙極性雙極性（amphipathic）化合物包含極性（或帶電）區域與非極性區域（表 2-2）。p當雙極性化合物與水混合時，極性、親水性的區域會與溶劑相互作用並傾向於溶解，但非極性、疏水性的區域則傾向於避免與水接觸（圖 2-7a）。p對於水溶劑，分子的非極性區域會成群集結在一起成為最小的疏水性區域，而極性區域會被安排來與溶劑

12、做最大的交互作用（圖 2-7b）。p.49歐亞書局CH 2 水 圖2-7(a)p.50圖圖2-7水溶液中的雙極性化合物。水溶液中的雙極性化合物。(a)長鏈脂肪酸具有極疏水性的烷基鏈，每一個都被一層相當規則的水分子圍繞。歐亞書局CH 2 水 圖2-7(b)p.50圖圖2-7水溶液中的雙極水溶液中的雙極性化合物。性化合物。(b)在微膠粒中脂肪酸分子聚集在一起，會盡可能使最少的疏水性區域暴露在水中，使得這一層規則的水所需的水分子較少。利用釋放固定的水分子所獲得的能量來穩定微膠粒。歐亞書局CH 2 水p這些在水中形成穩定結構的雙極性化合物，稱為微膠微膠粒（micelles），這種結構可含數百或數千個分

13、子，此種集結非極性區域的力量則稱為疏水性交互作疏水性交互作用用（hydrophobic interactions）。p水和極性溶質之間的氫鍵也會增進一些水分子的次序，但這種影響小於非極性溶質相互作用。p極性基質（反應物）與具極性表面的酵素的結合力量，有部分的驅動力是來自於酵素取代了整齊的水分子，而使得熵的數量增加（圖 2-8）。p.50歐亞書局CH 2 水凡得瓦爾交互作用是微弱的原子間吸引力凡得瓦爾交互作用是微弱的原子間吸引力p兩個偶極彼此間微弱地吸引，因而拉近兩個原子核。這種微弱的吸引力稱為凡得瓦爾交互作用凡得瓦爾交互作用（van der Waals interactions，又稱倫敦力倫敦

14、力；London forces）。p當兩個原子核更靠近時，其電子雲開始互相排斥。p在凡得瓦爾力的吸引力平衡此排斥力時，兩原子核是處於凡得瓦爾力的接觸。p每個原子都有自己獨特的凡得瓦爾半徑凡得瓦爾半徑（van der Waals radius，代表一個原子允許另一原子最靠近的距離）（表 2-4）。p.51歐亞書局CH 2 水表 2-4 p.51歐亞書局CH 2 水微弱交互作用對大分子結構與功能相當重要微弱交互作用對大分子結構與功能相當重要p這些我們已解釋的非共價結合（氫鍵和離子性、疏水性和凡得瓦爾交互作用）較共價結合微弱（表2-5）。p要打破一莫耳（6 1023）C C 鍵大約需要輸入 350

15、kJ 的能量，且大約需 410 kJ 的能量打破 C H鍵，但凡得瓦爾交互作用僅需要 4 kJ 就足以打亂。p雖然這四種類型的交互作用較共價鍵微弱，但許多這樣的交互作用的總和有非常大的影響力。p.51歐亞書局CH 2 水表 2-5 p.51歐亞書局CH 2 水溶質影響水溶液的依數性溶質影響水溶液的依數性p所有種類的溶質可改變水這個溶劑的某些物理特性。如：蒸氣壓力、沸點、熔點（冰點）和滲透壓。這些稱之為依數性依數性（colligative properties），因為溶質的作用對於水的這四種特性有同樣依據：其溶液中水的濃度較低於在純水中的濃度。p當兩個不同水溶液由一個半滲透膜（可讓水分子通過，而

16、溶質分子無法通過）分離時，水分子從高水濃度的區域往低水濃度的區域擴散，產生滲透壓（圖 2-11）。p.52歐亞書局CH 2 水圖 2-11 p.52圖圖2-11滲透作用及滲透壓的測定。滲透作用及滲透壓的測定。(a)開始狀態。試管內有一種水溶液，燒杯中裝有純水，半透膜可允許水分子通過而溶質不行。水從燒杯通過半透膜流往試管，使其兩邊濃度均等。(b)最終狀態。水分子已移動到試管溶液中，將不能滲透的化合物稀釋且提高試管內液面高度。平衡狀態時，試管內的引力正好可抵銷水往試管內移動的趨勢，然而此時溶液的濃度是較低的。(c)滲透壓()是測定將試管內液面高度恢復到與燒杯高度相等時所需之力量，此力量會與(b)中

17、管柱高度 h 成比例。歐亞書局CH 2 水p此壓力，是測量為抵抗水運動的必要力量（圖 2-11c），可由 vant Hoff 公式約略計算此壓力：pR 是氣體常數，T 為絕對溫度。pic 為溶液的滲透性（osmolarity），i 是 vant Hoff 因子，此是用來衡量溶質離解成兩個或更多離子種類的狀態，而 c 為溶質的莫耳濃度。p.52歐亞書局CH 2 水p對多種不同(n)溶質的溶液，是各個種類所形成的總和：p滲透作用滲透作用（osmosis）意指在不同的滲透壓下，水運動通過一個半滲透的膜，這在多數細胞的生命中為一個重要因子。p相同滲透性的溶液具有等滲透壓等滲透壓（isotonic）。在

18、等滲透壓的溶液環境下，細胞不獲取亦不丟失水（圖 2-12）。p.53歐亞書局CH 2 水p在高滲高滲（hypertonic）溶液中，其比細胞質有更高的滲透性，細胞中的水分會流失因而收縮。p在低滲低滲（hypotonic）溶液中，其比細胞質有較低的滲透性，細胞會因水分的進入而漲大。p在細菌和植物中，細胞膜藉由無法擴大的細胞壁圍攏以（充足的堅硬和力量）抵抗滲透壓和防止滲透裂解。p植物藉由滲透壓達到堅固的目的。在植物細胞液泡，非常高濃度的溶質把水引入細胞中（圖 2-12）。p滲透壓抵抗細胞壁（膨脹壓力）的結果，會使細胞、組織和植物本體變得堅固。p.53歐亞書局CH 2 水圖 2-12 p.53圖2-

19、12細胞外滲透性對水分穿透細胞膜之影響。當細胞與周圍環境滲透壓平衡時（也就是等滲溶液）(a)被轉移到高滲溶液(b)或低滲溶液(c)，水分子會穿透細胞膜並往不同方向移動，使細胞內外滲透性均等。歐亞書局CH 2 水總結總結 2.1pH 和 O 截然不同的負電性使水成為一個具有高度極性的分子，可與自己以及溶質形成氫鍵。氫鍵是非常短暫的，主要是因為其為靜電性而且它也比共價鍵微弱。水是一個好的溶劑，它可和極性（親水性）溶質形成氫鍵，也能以靜電性和帶電溶質相互作用。p非極性（疏水性）組成很難溶於水中，它們無法與溶劑形成氫鍵而且它們的出現促使其疏水性表面的水分子排列，對能量上非常不利。為了降低表面暴露於水中

20、，非極性的成分，例如：脂質會使疏水性部分被隔離在內部且透過疏水性作用形成聚集（微膠粒），只有較極性的部分可與水作用。p.55歐亞書局CH 2 水p許多微弱、非共價交互作用可影響巨分子的摺疊，例如：蛋白質與核酸。大多數穩定的巨分子結構是那些在分子內部、分子與溶劑之間的氫鍵結達到最大值，以及疏水性部分遠離水溶劑而聚集在分子內部的結構。p水溶液的生理特性會受到溶質濃度強烈地影響，當兩個水溶液被一個半透膜分隔開來（例如：細胞膜將細胞與其周圍分開），水分會穿過該膜使兩間隔的滲透壓相等。水分穿過半透膜的傾向是滲透壓。p.55歐亞書局CH 2 水2.2 水、弱酸和弱鹼的離子化純水是微離子化的純水是微離子化的

21、 PurePurep水分子有少量傾向形成可逆的離子化反應以產生氫離子（質子）和一個氫氧根離子，如下列平衡式：p雖然我們通常以 H 來表示水的分解，但游離質子並非存在水溶液裡；在水裡形成的氫離子會立刻水合形成水合氫離子水合氫離子（hydronium ions；H3O）。p水分子間的氫鍵導致分解的質子幾乎馬上進入水合作用：p.55歐亞書局CH 2 水p一個平衡常數可由平衡式裡的反應物（A 和 B）與產物（C 和 D）的濃度來表示：p平衡常數是固定的，且每個化學反應在特定溫度下有其獨特反應，不受反應物和生成物起始量的影響，即可決定最後平衡時之混合物的組成。p相反地，如果所有反應物和生成物平衡濃度都知

22、道的話，我們可以算出在某一溫度下特定反應式的平衡常數。p.56歐亞書局CH 2 水水的離子化以平衡常數表示水的離子化以平衡常數表示p水的可逆平衡常數是p我們可把 55.5 M 代入平衡常數式（2-3 式），得到p重組後變成 p.56歐亞書局CH 2 水pKw 是生成物(55.5 M)(Keq)，即在 25下水的離子生成離子生成物物（ion product of water）。p在 25 時，由純水電導測量所得的 Keq 值為1.8 1016 M，將 Keq 值代入 2-4 式可得到水的離子乘積值：p在 25 下的水溶液中，生成物 H OH 恆等於 1 10 14 M2。而在純水中，當 H和 O

23、H的濃度一樣時，此溶液可說是中性中性 pH（neutral pH）。p.56歐亞書局CH 2 水pH和 OH的濃度可以計算出來：p由以下的式子可以解出 H p.57歐亞書局CH 2 水範例範例 2-3H 之計算之計算在 0.1 M 的 NaOH 溶液中，其 H 濃度為何？解：解：我們由水的離子乘積式開始當 OH 0.1 M，H 的解為 p.57歐亞書局CH 2 水範例範例 2-4OH 之計算之計算當一溶液其 H 為 1.3 10 4M，則其 OH 濃度為何？解：解：我們由水的離子乘積式開始當 OH 1.3 10 4M，OH 的解為 p.57歐亞書局CH 2 水pH 等級代表著等級代表著 H 和

24、和 OH 的濃度的濃度p水的離子生成物 Kw，為 pH 等級等級（pH scale）的的基礎（表 2-6）。ppH 是由下式表示：p在 25 精確中性的溶液中，氫離子的濃度 1.0 10 7 M，pH 可由下式計算得知：p.57歐亞書局CH 2 水表 2-6 p.57歐亞書局CH 2 水p就 pH 值而言，7為一個精確地中性值，而非一隨意選擇的數字；它是在 25 裡從水離子的溶液裡衍生出來的絕對值，恰巧是一個整數。p溶液的酸鹼值大於 7 屬於鹼性，即 OH 的濃度大於 H；相反地，溶液酸鹼值少於 7 則屬於酸性。p圖 2-14 表示一些常見的含水溶液之酸鹼值。p水溶液的酸鹼度可用一些指示劑約略

25、測量，包括石蕊、酚酞和酚紅。ppH 值經常在正常值 7.4 之下，這種情況稱為酸中毒酸中毒（acidosis），某些其他疾病的血液酸鹼度比正常值高，則稱為鹼中毒鹼中毒（alkalosis）。p.57歐亞書局CH 2 水圖 1-14 p.58圖圖2-14一些水溶液的一些水溶液的 pH 值值。歐亞書局CH 2 水弱酸和弱鹼有特定離解常數弱酸和弱鹼有特定離解常數p這些弱酸鹼溶液在水中並不會完全地解離。這是弱酸鹼在生物系統和在新陳代謝裡扮演著非常重要角色的主因。p酸類也許可定義為質子的提供者，而鹼類則是質子的接受者，一個質子提供者與其相對的質子接受者可組成一個共軛酸鹼對共軛酸鹼對（conjugate

26、acid-base pair；圖2-15）。p在一個可逆的反應裡，酸丟失質子的傾向性（HA）和形成它的共軛鹼（A）是由平衡常數（Keq）來定義 p.58歐亞書局CH 2 水p也就是p解離反應的平衡常數通稱為離子化常數離子化常數（ionization constants）或解離常數解離常數（acid dissociationconstants），通常簡稱 Ka。p圖 2-15 列了一些酸的解離常數。較強的酸，譬如磷酸和碳酸有較大的解離常數；較弱的酸，譬如單磷酸鹽（HPO4 2）有較小的解離常數。p圖 2-15 也包括了 pKa 值，利用下式可以換算成 pH 值 p.58歐亞書局CH 2 水圖2-

27、15 p.59歐亞書局CH 2 水TABLE 1-1 p.59圖 2-15(續)圖圖2-15共軛酸鹼對是由一個質子提供者與一個質子接受者組成。共軛酸鹼對是由一個質子提供者與一個質子接受者組成。某些化合物，例如：醋酸與銨離子屬於單質子，它們可以釋出一個質子。其餘還有雙質子H2CO3（碳酸）及甘胺酸或三質子H3PO4（磷酸）。圖示為每一對隨著 pH 梯度不同所產生的解離反應，以平衡或解離常數（Ka）與 log（即 pKa）表示。歐亞書局CH 2 水利用滴定曲線來表示弱酸的利用滴定曲線來表示弱酸的 pKap滴定法是用來測定在一個溶液裡酸的含量。p對照一個 NaOH 加入量所做的 pH 曲線圖（滴定曲

28、線；titration curve）可以得知弱酸的 pKa 值。在 25 下，以 0.1M NaOH 滴定 0.1 M 醋酸（HAc）（圖 2-16）。p兩個可逆反應式如下：p.59歐亞書局CH 2 水圖 2-16 p.60歐亞書局CH 2 水圖 2-16(續)p.60圖圖2-16醋酸之滴定曲線。醋酸之滴定曲線。每次將 NaOH 添加至醋酸溶液後，測量其 pH 值，並與 NaOH 含量對照。其中 NaOH是以添加量與總滴定量（將醋酸全部轉變為醋酸鹽所需之NaOH 量）的比例表示。依各點繪製出滴定曲線；方框內所顯示的為該點主要之離子型式。在滴定中點時，質子提供者與接受者的濃度相等，此處的 pH

29、等於其 pKa。陰影區域為緩衝能力之有效範圍，通常介於弱酸滴定的 10%90%之間。歐亞書局CH 2 水利用滴定曲線來表示弱酸的利用滴定曲線來表示弱酸的 pKap以下的平衡式可以同時符合其平衡常數：p在圖 2-17 中，比較三種弱酸：醋酸（pKa 4.76）；磷酸鹽，H2PO4 （pKa6.86）；和銨離子，NH4（pKa 9.25）的滴定曲線與不同的解離常數。p弱酸的滴定曲線可展現出最重要的一點是：弱酸及其共軛酸鹼對可扮演緩衝溶液。p.59歐亞書局CH 2 水圖 2-17 p.60歐亞書局CH 2 水圖 2-17(續)p.60圖圖2-17比較三種弱酸之滴定曲線。比較三種弱酸之滴定曲線。圖示為

30、 CH3COOH、H2PO4 及 NH4 之滴定曲線。滴定過程中每個主要的離子形式顯示於方框中，而右方則指出其緩衝能力的有效範圍；共軛酸鹼對在大約 10%90%中和的質子提供者之間為有效之緩衝液。歐亞書局CH 2 水總結總結 2.2p純水會輕微地離子化，形成同樣數目的水合氫離子（hydroniumions；H3O ）和氫氧根離子。離子化的程度可由平衡常數，p一個水溶液的 pH 值可以從對數圖裡反映出氫離子的濃度：p.60歐亞書局CH 2 水p愈酸的溶液其 pH 值愈低。弱酸會有部分離子化來釋放一個氫離子，因而降低溶液中的 pH 值。弱鹼則是接受一個氫離子而增加其 pH 值。對於部分弱酸弱鹼來說

31、，這些過程都可由解離常數 K a 來表示：p在對數圖裡，弱酸或弱鹼的相對強度可由 pK a 值來表示：p愈強的酸，pK a 值愈低；愈強的鹼，pK a 值愈高。pK a值可由實驗獲得；其為酸鹼滴定曲線圖裡的 pH 中點。p.60歐亞書局CH 2 水2.3 生物系統中調節 pH 值改變的緩衝作用p幾乎每個生物反應過程都會受酸鹼度影響；pH值的小改變可導致反應過程速度上的一個大變化。p細胞和有機生物體會維持一恆定的細胞質酸鹼度，通常是 pH 7 左右，使得這些生物分子存在最佳化的離子狀態。p在多細胞的有機生物體裡，細胞外流體也緊緊地被調控其酸鹼度。酸鹼度的穩定性主要是藉由生物體的緩衝液：由弱酸與其

32、共軛鹼混合物來達成。p.61歐亞書局CH 2 水緩衝液是弱酸與其共軛鹼之混合物緩衝液是弱酸與其共軛鹼之混合物p緩衝液緩衝液（buffers）是水溶液系統中，可在微量酸（H+）和鹼（OH）的增加狀態下，抵抗 pH 值的改變。一個緩衝液是由弱酸（質子提供者）和它的共軛鹼（質子接受者）所組成。p這個相對區域便是醋酸醋酸鹽的緩衝區域緩衝區域（buffering region）。p緩衝是由一個液體裡有著幾乎相同濃度的質子提供者和共軛質子接受者的兩個可逆平衡反應所產生。圖 2-18 解釋緩衝液如何作用。p緩衝液中的元素並不會改變，改變的只有比例。p.61歐亞書局CH 2 水FIGURE 1-24 p.62

33、圖 2-18歐亞書局CH 2 水圖2-18醋酸及醋酸鹽緩衝系統。透過醋酸可逆的解離作用，此系統可以吸收 H+或 OH；醋酸（HAc）為質子提供者，包含一個 H+，可釋出中和系統中多餘的 OH 而形成水。當 H+OH 乘積瞬間超過 Kw（1 10 14 M2）時，此反應會立即發生，使 H+濃度降低，離子乘積可快速回到 1 10 14 M2（25），但因為現在H+Ac/HAc的熵低於 Ka，所以 HAc 須進一步解離以恢復平衡。同樣地，共軛鹼 Ac也可與系統中多餘的 H+反應，此兩種解離反應同時發生，以再次達到平衡。因此，當添加少量酸或少量鹼時，對共軛酸鹼對如醋酸及醋酸鹽而言，即可避免 pH 值改

34、變；緩衝作用是兩個可逆反應同時進行而達到平衡點的結果（取決於它們的平衡常數 Kw 及 Ka）。p.62圖 2-18(續)歐亞書局CH 2 水Henderson-Henderson-HasselbalchHasselbalch 方程式與方程式與 pHpH，p pK Ka a 和緩和緩衝溶液濃度的關係衝溶液濃度的關係p弱酸 HA 解離成 H和A，則 Henderson-Hasselbalch 方程式可推導如下：p首先解 H：p等號兩邊取負對數：p.61歐亞書局CH 2 水ppH 代入log H 且 pKa 代入 log Ka：p倒置 log HA/A，以改變其正負，並得到Henderson-Has

35、selbalch 方程式：方程式：p在此點上，HA 等於 A，則 p.62歐亞書局CH 2 水pHenderson-Hasselbalch 方程式也可讓我們(1)在已知 pH 值和質子提供者與接受者的莫耳比例下，推算出 pKa 值；(2)在已知 pKa 值和質子提供者與接受者的莫耳比例下，推算出 pH 值；(3)在已知 pH 和 pKa下，計算出質子提供者與接受者的莫耳比。p.62歐亞書局CH 2 水未治療的糖尿病造成生命威脅未治療的糖尿病造成生命威脅p酵素通常在一個特定的 pH 值存在最大活性，稱為 pH 最佳值最佳值（pHoptimum）（圖 2-21）。p在未經治療的糖尿病患者中，缺乏胰

36、島素或對胰島素不敏感（取決於糖尿病的類型）會中斷組織由血液吸收葡萄糖，進而迫使組織利用儲存的脂肪酸作為能量的主要來源，由於仰賴脂肪酸，使得體內累積高濃度的-羥丁酸羥丁酸（-hydroxybutyric acid）和乙醯乙酸乙醯乙酸（acetoacetic acid）兩種羧酸。p其他狀況也會造成酸中毒。p.65歐亞書局CH 2 水圖 2-21 p.65圖圖2-21一些酵素的一些酵素的 pH 理想值。理想值。胃蛋白酶是一種消化酵素，會分泌到胃液中；胰蛋白酶是一種消化酵素，其作用在小腸中；骨組織的鹼性磷酸酶是一種水解酵素，被認為有助於骨的礦化。歐亞書局CH 2 水範例範例 2-7以重碳酸鹽治療糖尿病以重碳酸鹽治療糖尿病為什麼靜脈注射重碳酸鹽溶液可以提高血漿中的 pH值？解：解：重碳酸鹽緩衝溶液的 HCO3 對 CO2(d)比例決定了 pH 值，而根據方程式如果 HCO3 增加而 pCO2 沒有改變，則 pH 值上升。p.65