缓冲系统与Henderson-Hasselbalch方程

缓冲液是一种溶液，当加入酸或碱时，它通过可逆地结合或释放氢离子来抵抗pH值的变化。体液中含有多种此类系统，缓冲对与所得pH值之间的关系由Henderson-Hasselbalch方程描述，该方程是酸碱状态标准描述的基础。

Definition

生理缓冲液是共轭弱酸和弱碱对，可最大限度地减少氢离子浓度的变化；Henderson-Hasselbalch方程将此类系统的pH值表示为碱与酸形式之比以及系统解离常数的函数。

Scope

本主题涵盖缓冲的化学原理、主要的生理缓冲系统（碳酸氢盐、磷酸盐、蛋白质和血红蛋白）、应用于碳酸氢盐系统的Henderson-Hasselbalch方程，以及为什么开放的碳酸氢盐-二氧化碳系统是人体最重要的缓冲系统。它以基础生理学而非临床指导的形式呈现。

Core questions

• 什么使溶液起到缓冲作用，什么决定了它的容量？
• 为什么碳酸氢盐-二氧化碳对是主要的细胞外缓冲液，尽管其解离常数不利？
• Henderson-Hasselbalch方程如何将pH值与碳酸氢盐和二氧化碳张力联系起来？
• 磷酸盐、蛋白质和血红蛋白缓冲液起什么作用？

Key concepts

• 共轭酸碱对
• 缓冲容量
• 解离常数 (pKa)
• 开放式与封闭式缓冲系统
• 碳酸氢盐-二氧化碳缓冲液
• 磷酸盐和蛋白质缓冲液
• 等氢离子原理

Key theories

Henderson-Hasselbalch关系

将pH值表示为缓冲液的解离常数加上共轭碱与酸之比的对数；应用于碳酸氢盐系统时，它将动脉pH值与碳酸氢盐浓度与二氧化碳张力之比联系起来。

Mechanisms

缓冲对抵抗pH值变化，因为添加的氢离子被碱形式吸收，并通过与酸形式结合而去除，在解离常数附近具有最大的容量。尽管碳酸氢盐系统的解离常数远低于正常血液pH值，但它在生理上占主导地位，因为它是一个开放系统：肺部持续清除产生的二氧化碳，肾脏再生碳酸氢盐，因此这两个组分是独立调节的，系统不会耗尽。磷酸盐缓冲在细胞内和肾小管液中更为重要，而血浆蛋白和血红蛋白提供大量的细胞内和血液缓冲；根据等氢离子原理，同一隔室中的所有缓冲液共享相同的氢离子浓度，因此测量一对缓冲液可以反映整个系统。

Clinical relevance

Henderson-Hasselbalch关系是解释动脉血气结果的基础，了解缓冲作用可以解释为什么尽管有大量的酸或碱负荷，pH值仍能得到维持。本条目描述了其潜在的化学和生理学原理，并非临床决策的依据。

Evidence & guidelines

缓冲原理和Henderson-Hasselbalch方程是标准的、公认的生理学知识，在各种综述和教科书中都有 H (Hamm及其同事，2015；Berend及其同事，2014)；Stewart的物理化学框架提供了一种替代的、基于强离子来解释氢离子浓度决定因素的理论 (Story, 2016)。

History

Lawrence Henderson在20世纪早期描述了血液中的碳酸平衡，Karl Hasselbalch将其重新表述为对数（pH）形式，从而使该方程获得了联合名称。以碳酸氢盐为中心的缓冲模型成为标准解释；Peter Stewart后来提出，氢离子浓度最好理解为由强离子、弱酸和二氧化碳设定的因变量。

Debates

碳酸氢盐是pH值的独立决定因素还是因变量？

传统观点认为碳酸氢盐是一种受调节的缓冲液，有助于设定pH值，而Stewart框架则将碳酸氢盐（如pH值）视为依赖于强离子差、总弱酸和二氧化碳张力；两者以不同方式描述相同的测量结果。

Key figures

• Lawrence J. Henderson
• Karl Albert Hasselbalch
• Peter A. Stewart

Seminal works

• hamm-2015
• berend-2014

Frequently asked questions

如果碳酸氢盐的pKa与血液pH值相距甚远，为什么它仍然如此重要？

因为它是一个开放系统：肺部持续清除二氧化碳，肾脏再生碳酸氢盐，因此它的两个组分是独立控制的，它在体内比其单独的解离常数所暗示的要有效得多。

Henderson-Hasselbalch方程告诉我们什么？

它将pH值与缓冲液的碱形式与其酸形式之比联系起来；对于血液，pH值取决于碳酸氢盐浓度与二氧化碳分压之比。