बाइकार्बोनेट बफर सिस्टम

कार्बन डाइऑक्साइड, सेलुलर कोशिकीय का एक उप-उत्पाद है, रक्त में घुल जाता है, जहां इसे लाल रक्त कोशिकाओं द्वारा लिया जाता है और कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ द्वारा कार्बोनिक अम्ल में परिवर्तित किया जाता है। अधिकांश कार्बोनिक अम्ल तब बाइकार्बोनेट और हाइड्रोजन आयनों में अलग हो जाते हैं।

बाइकार्बोनेट बफर प्रणाली एक अम्ल-क्षार होमियोस्टेसिस तंत्र है जिसमें कार्बोनिक अम्ल (H₂CO₃), बायकार्बोनेट आयन (HCO⁻
₃) का संतुलन सम्मलित है, और कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) रक्त और ग्रहणी मे ph बनाए रखने के लिए, अन्य ऊतकों के बीच, उचित चयापचय क्रिया का समर्थन करने के लिए है। कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ द्वारा उत्प्रेरित, कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) कार्बोनिक अम्ल(H₂CO₃) बनाने के लिए जल(H₂O) के साथ अभिक्रिया करता है, जो बदले में बाइकार्बोनेट आयन (HCO⁻
₃) और एक हाइड्रोजन आयन (H⁺)बनाने के लिए तेजी से अलग हो जाता है जैसा कि निम्नलिखित अभिक्रिया में दिखाया गया है:

${\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+H^{+}}}$

किसी भी बफर घोल प्रणाली के तरह, ph को एक दुर्बल अम्ल (उदाहरण के लिए, H₂CO₃) और इसका संयुग्म अम्ल (उदाहरण के लिए, HCO⁻
₃) दोनों की उपस्थिति से संतुलित किया जाता है ताकि प्रणाली में पेश किए गए किसी भी अतिरिक्त अम्ल या क्षार को निष्प्रभावी कर दिया जाए।

इस प्रणाली के ठीक से काम करने में विफलता के परिणामस्वरूप अम्ल-क्षार असंतुलन होता है, जैसे रक्त में अम्लरक्तता (ph <7.35) और अल्कलेमिया(क्षार) (ph> 7.45)।

प्रणालीगत अम्ल-क्षार संतुलन में

ऊतक में, सेलुलर कोशिकीय अपशिष्ट उत्पाद के रूप में कार्बन डाइऑक्साइड पैदा करता है; परिसंचरण तंत्र की प्राथमिक भूमिकाओं में से एक के रूप में, इस CO₂ का अधिकांश भाग इसके जलयोजन व बाइकार्बोनेट आयन द्वारा ऊतकों से तेजी से हटा दिया जाता है। रक्त प्लाज्मा में मौजूद बाइकार्बोनेट आयन को फेफड़ों में ले जाया जाता है, जहां इसे वापस CO₂ में निर्जलित किया जाता है और साँस छोड़ने के दौरान छोड़ा जाता है। CO₂ और H₂CO₃ के ये जलयोजन और निर्जलीकरण रूपांतरण, जो सामान्य रूप से बहुत धीमे होते हैं, रक्त और ग्रहणी दोनों में कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ द्वारा सुगम होते हैं। जबकि रक्त में, बाइकार्बोनेट आयन अन्य चयापचय प्रक्रियाओं (जैसे लैक्टिक अम्ल , कीटोन निकाय) के माध्यम से रक्त में पेश किए गए अम्ल को निष्प्रभावी करने का काम करता है; इसी तरह, किसी भी क्षार (जैसे प्रोटीन के अपचय से यूरिया) को कार्बोनिक अम्ल (H₂CO₃) द्वारा निष्प्रभावी किया जाता है।

विनियमन

रक्त में 7.4 का सामान्य ph बनाए रखने के लिए हेंडरसन-हैसलबैच समीकरण द्वारा गणना के अनुसार(जिससे शारीरिक तापमान पर कार्बोनिक अम्ल का pK_a 6.1 है), बाइकार्बोनेट से कार्बोनिक अम्ल का 20:1 अनुपात लगातार बनाए रखा जाना चाहिए; यह समस्थापन मुख्य रूप से मस्तिष्क के मेड्यूला ऑब्लांगेटा में ph सेंसर द्वारा मध्यस्थ होता है और शायद गुर्दे में, नकारात्मक प्रतिक्रिया लूप के माध्यम से श्वसन और गुर्दे की प्रणाली में प्रभावी होता है। यह समस्थापन मुख्य रूप से मस्तिष्क के मेड्यूला ऑब्लांगेटा(मज्जा पुंजता) में PH सेंसर द्वारा मध्यस्थ होता है और शायद वृक्क में, नकारात्मक प्रतिक्रिया लूप(छोरों) के माध्यम से श्वसन और वृक्कतंत्र में प्रभावकारकों से जुड़ा होता है। अधिकांश जानवरों के रक्त में, बाइकार्बोनेट बफर प्रणाली को श्वसन क्षतिपूर्ति के माध्यम से फेफड़ों से जोड़ा जाता है, वह प्रक्रिया जिसके द्वारा CO₂ की रक्त सांद्रता में परिवर्तन की क्षतिपूर्ति के लिए श्वास की दर और/या गहराई में परिवर्तन होता है। ले चेटेलियर के सिद्धांत के अनुसार, फेफड़ों से CO₂ की रिहाई अभिक्रिया को ऊपर की ओर धकेलती है, जिससे कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ CO₂ बनता है जब तक कि सभी अतिरिक्त प्रोटॉन हटा नहीं दिए जाते है। बाइकार्बोनेट की सघनता को वृक्कीय प्रतिपूर्ति द्वारा और भी नियंत्रित किया जाता है, वह प्रक्रिया जिसके द्वारा गुर्दे मूत्र में H⁺ आयनों को स्रावित करके बाइकार्बोनेट आयनों की सांद्रता को नियंत्रित करते हैं, जबकि साथ ही, प्लाज्मा ph क्रमशः गिर रहा है या बढ़ रहा है, इस पर निर्भर करते हुए, रक्त प्लाज्मा में HCO₃⁻ आयनों को पुन: अवशोषित करना, या इसके विपरीत है।

हेंडरसन-हासेलबल्च समीकरण

बाइकार्बोनेट बफर प्रणाली के घटकों को रक्त के ph से संबंधित करने के लिए हेंडरसन-हैसलबैच समीकरण का एक संशोधित संस्करण इस्तेमाल किया जा सकता है:

${\ce {pH}}={\textrm {p}}K_{a~{\ce {H_2CO_3}}}+\log \left({\frac {[{\ce {HCO_3^-}}]}{[{\ce {H_2CO_3}}]}}\right),$

कहाँ:

• pKa H₂CO₃ कार्बोनिक अम्ल के अम्ल पृथक्करण स्थिरांक का ऋणात्मक लघुगणक (आधार 10) है। यह 6.1 के बराबर है।
• [HCO⁻
  ₃] रक्त में बाइकार्बोनेट की सांद्रता है
• [H₂CO₃] रक्त में कार्बोनिक अम्ल की एकाग्रता है

धमनी रक्त गैस का वर्णन करते समय, हेंडरसन-हासेलबल्च समीकरण को समान्यता H₂CO₃ सांद्रता के बजाय pCO₂, कार्बन डाइऑक्साइड के आंशिक दबाव के संदर्भ में उद्धृत किया जाता है। यद्यपि, ये मात्राएँ समीकरण द्वारा संबंधित हैं:

$[{\ce {H_{2}CO_{3}}}]=k_{\ce {H~CO_{2}}}\times p_{\ce {CO_{2}}},$

कहाँ:

• [H₂CO₃] रक्त में कार्बोनिक अम्ल की एकाग्रता है
• K_{H CO2} रक्त में कार्बन डाइऑक्साइड की घुलनशीलता सहित एक स्थिरांक है। k_{H CO2} लगभग 0.03 (मिलीमोल/लीटर)/mmHg है
• Pco₂ रक्त में कार्बन डाइऑक्साइड का आंशिक दबाव है

इन समीकरणों के संयोजन से रक्त के ph को बाइकार्बोनेट की सांद्रता और कार्बन डाइऑक्साइड के आंशिक दबाव से संबंधित निम्नलिखित समीकरण प्राप्त होते हैं:

${\ce {pH}}=6.1+\log \left({\frac {[{\ce {HCO_3^-}}]}{0.0307\times p_{{\ce {CO_2}}}}}\right),$

कहाँ:

• ph रक्त में अम्लता है
• [HCO⁻
  ₃] रक्त में बाइकार्बोनेट की सांद्रता मिलिमोल/लीटर में है
• P_CO2 mmHg में रक्त में कार्बन डाइऑक्साइड का आंशिक दबाव है

कसीरर-ब्लीच सन्निकटन की व्युत्पत्ति

हेंडरसन-हैसलबैच समीकरण, जो बड़े पैमाने पर कार्रवाई के कानून से प्राप्त होता है, को बाइकार्बोनेट बफर प्रणाली के संबंध में एक सरल समीकरण उत्पन्न करने के लिए संशोधित किया जा सकता है जो लघुगणक की गणना करने की आवश्यकता के बिना H⁺ या HCO⁻
₃ एकाग्रता का त्वरित सन्निकटन प्रदान करता है:

$K_{a,{\ce {H_2CO_3}}}={\frac {[{\ce {HCO_3^-}}][{\ce {H^+}}]}{[{\ce {H_2CO_3}}]}}$

चूँकि कार्बोनिक अम्ल की तुलना में कार्बन डाइऑक्साइड का आंशिक दबाव माप से प्राप्त करना बहुत आसान है, हेनरी का नियम घुलनशीलता स्थिरांक - जो गैस के आंशिक दबाव को इसकी घुलनशीलता से संबंधित करता है - प्लाज्मा में CO₂ के लिए कार्बोनिक अम्ल सांद्रता के बदले में उपयोग किया जाता है। हल करने के बाद H⁺ और हेनरी के नियम को लागू करने पर, समीकरण बन जाता है:

$[{\ce {H^+}}]={\frac {K'\cdot 0.03p_{{\ce {CO_2}}}}{[{\ce {HCO_3^-}}]}},$

जहां K' कार्बोनिक अम्ल का पृथक्करण स्थिरांक है, जो 800 nmol/L के बराबर है (क्योंकि K' = 10−pKaH₂CO₃ = 10−(6.1) ≈ 8.00×10−7 mol/L = 800 nmol/L)।

स्थिरांक (800 × 0.03 = 24) को गुणा करने और HCO⁻
₃ के लिए हल करने के बाद, समीकरण को सरल बनाया गया है:

$[{\ce {HCO_3^-}}]=24{\frac {p_{{\ce {CO_2}}}}{[{\ce {H^+}}]}}$

अन्य ऊतकों में

बाइकार्बोनेट बफर प्रणाली अन्य ऊतकों में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। मानव पेट और ग्रहणी में, बाइकार्बोनेट बफर प्रणाली आमाशय अम्ल को निष्प्रभावी करने और आमाशय म्यूकोसा में बाइकार्बोनेट आयन के स्राव के माध्यम से उपकला कोशिकाओं के अंतःकोशिकीय ph को स्थिर करने का कार्य करता है। ग्रहणी संबंधी अल्सर वाले रोगियों में, हेलिकोबैक्टर पायलॉरी उन्मूलन श्लैष्मिक बाइकार्बोनेट स्राव को बहाल कर सकता है और अल्सर पुनरावृत्ति के जोखिम को कम कर सकता है।

टियर(आंसू) बफरिंग

आंसू शरीर के तरल पदार्थों में अद्वितीय हैं क्योंकि वे पर्यावरण के संपर्क में आते हैं। अन्य शरीर के तरल पदार्थों की तरह, बाइकार्बोनेट बफर प्रणाली का उपयोग करके आंसू द्रव को एक तंग ph सीमा में रखा जाता है। आँसुओं का ph पूरे जागने वाले दिन में बदल जाता है, लगभग 0.013 ph यूनिट / घंटा बढ़ जाता है जब तक कि लंबे समय तक बंद आंखों की अवधि ph को फिर से गिरने का कारण नहीं बनती है।अधिकांश स्वस्थ व्यक्तियों में 7.0 से 7.7 की सीमा में ph होता है, जहां बाइकार्बोनेट बफरिंग सबसे महत्वपूर्ण है, लेकिन प्रोटीन और अन्य बफरिंग घटक भी मौजूद हैं जो इस ph सीमा के बाहर सक्रिय हैं।

बाहरी संबंध

• Nosek, Thomas M. "Section 7/7ch12/7ch12p17". Essentials of Human Physiology. Archived from the original on 2016-03-24.