[생화학] 1.6 : 버퍼(buffer)

 

 

 

이번 포스트에서는 버퍼(buffer)에 대해 알아보자.

 

 

buffer는 weak acid과 이에 대한 conjugate base의 혼합물로 구성되어 있으며, pH가 확확 바뀌는 것을 막아주는 역할을 수행함.

 

 

 

이 때 buffer의 buffering capacity가 실제로 buffer 역할을 제대로 수행할 수 있을 만큼 커지는 지점을 알기 위해서는 pH = pKa가 되는 point를 잘 살펴봐야함.

 

 

 

 

 

위 그림과 같은 반응을 가정했을때, Ka는 위 그림 오른쪽 위와 같이 나타낼 수 있음. 한편 이 식을 다시금 [H+]에 대해 정리한 후 양 변에 -log를 씌워주게 되면 결국 pH = -logKa -log([HA]/[A-])라는 식이 얻어지게 됨. 그런데 이 때 만약 [HA] = [A-]가 되면, 즉 weak acid와 이의 conjugate base 농도가 서로 같아지게 되면 이 point에서 pH = pKa가 됨. 이 지점에서 buffering capacity가 최대가 됨.

 

 

 

 

위 graph를 보면 첨가된 OH- 양에 따라서 pH가 얼마나 변화하는지가 나타나 있음. 이 때 가운데의 pH = pKa인 점을 중심으로 그 점 주변에서는 완만하게 pH가 증가하다가 pH = pKa로부터 +1 혹은 -1정도의 pH 변화폭 바깥을 넘어서게 되면 pH가 엄청나게 급격하게 변화하게 됨.

 

 

따라서 pH = pKa인 점으로부터 +1, -1의 범위가 buffering capacity가 있는 지점이라 생각할 수 있음. 따라서 결과적으로 pKa의 값에 따라서 그 buffer의 buffering capacity가 달라지고, 그 결과 buffer의 활용범위가 달라지게 됨.

 

 

 

 

위 그림에는 3가지 다른 pKa 값을 가지는 buffer의 buffering capacity가 나타나 있음. 예를 들어 pH를 한 4.5 근처 범위에서 유지하고자 하는 경우, acetate를 buffer로 사용하는 것이 적당할 것임.

 

 

 

 

위 그림에는 다양한 물질들의 pKa 범위가 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

한편, 앞서 위 그림의 가운데에 나와있는 식을 이미 유도한 바 있음. 그런데 이 식에서 log 앞의 -를 log 안으로 집어넣어서 위 그림 아래와 같은 식을 만들게 되면, 이 식이 바로 그 유명한 Henderson-Hasselbalch equation(헨더슨 하셀바흐 방정식)임.

 

 

 

 

위 그림은 실제로 acetic acid와 acetate가 mix된 채로 구성된 buffer의 외부에서 H+(아래)가 유입된 경우, 그리고 OH-(위)가 유입된 경우에 어떤 식으로 buffer system이 작동하는지를 나타내주고 있음. 보면 H+가 들어올 경우 Ac-가 이 H+를 받아서 HAc로 변하게 되면서, 일종의 H+ 흡수가 일어나게 됨. 한편 OH-가 들어올 경우, 이 OH-는 HAc로부터 H+를 공급받아 H2O가 되어 배출되게 됨. 결과적으로, 충분히 많은 양의 acetic acid와 acetate가 있는 한 외부로부터 들어오는 산, 염기에 의해 buffer 내의 pH가 급격하게 변하는 것이 방지될 수 있음.

 

 

buffer system은 biological system에서 매우 중요함. 한 예로 enzyme-catalyzed reaction의 경우에도 buffer가 상당히 중요하게 작용하는데, enzyme의 active site에 있는 amino acid의 경우 특정 pH 하에서만 딱 적절한 charge를 가지고 그 결과 enzyme이 딱 맞는 charge distribution을 가지게 되어 catalysis를 수행할 수 있음.

 

 

 

 

이와 관련된 그림이 위와 같음. 보면 pepsin, trypsin, alkaline phosphatase 등의 enzyme들은 저마다 다른 pH 범위에서 maximum activity를 보임.

 

 

그 밖에 polar molecule의 표면에 분포하는 분자들의 경우 charge를 띄고 있으므로, 이들이 제대로 물에 수화되기 위해서는 hydrogen bond donor, acceptor로의 역할을 잘 할 수 있는 charge가 되어야 함. 이를 위해서도 buffer가 중요함.

 

 

 

다음으로 우리 몸의 혈액에서는 CO2 gas와 HCO3-간의 equilibrium이 상당히 중요한데, 이 또한 buffer system임.

 

 

 

 

위 그림과 같이 우선 lung을 통해 gas 형태로 유입된 CO2(g)는 blood로 들어와 dissolved되고(CO2(d)) 이후 이 녀석에 물이 첨가되는 hydration 반응이 일어나면서 H2CO3가 형성됨. 그런데 이 녀석은 약산이므로 일부가 HCO3-로 물 내에서 dissolve되게 됨. 이 때 혈액 내에서 결국 약산인 H2CO3와 이의 conjugate base인 HCO3-가 함께 공존하고 있으므로, 이는 buffering system이 되는 것임. 이 buffer system 덕에 우리 혈액 내에서의 pH가 비교적 일정하게 잘 유지될 수 있음.

 

 

 

 

참고로 H2CO3와 HCO3-간의 평형 반응에서의 평형상수 Ka는 위 그림 왼쪽 위와 같이 표현됨. 그런데 dissolved CO2가 hydration되는 반응도 일종의 평형반응이므로 이 반응의 평형상수 Kh 또한 위 그림 오른쪽 위와 같이 표현 가능함. 이 때 Kh 내부에 [H2CO3]의 항이 있으므로, 적절한 이항을 통해 위 그림 왼쪽 가운데와 같이 Ka를 Kh에 대해 나타낼 수 있음. 이후 이 식을 다시 적절히 변형해 KaKh를 한 변에 모은 후 Kcombined를 정의할 시 위 그림 아래와 같이 Kcombined가 정의됨. 이 Kcombined를 이용할 시 혈내 pH를 계산할 수 있음.

 

 

그 밖에, phosphate buffer, bicarbonate buffer, histidine buffer 등은 in vivo 상태에서 상당히 중요하게 작용함. (더 나아가, histidine 등이 모여 만들어진 polypeptide와 같은 macromolecule들의 경우에도 buffer로 작용하는 것이 가능함)

 

이 외에 cyclic amine의 sulfonic acid가 in vitro상에서(cell culture 등) 많이 쓰이기도 함.

 

 

 

 

 

이에 대한 대표적인 예로 HEPES buffer, PIPES buffer, CHES buffer 등이 있음.

 

 

 

 

다음 포스트부터는 단백질에 대해 알아보도록 하자.