化学情境试题：人体血液的缓冲作用（Buffers in the Blood）﹝I﹞？

人体血液是维持人类生命活动很重要的一种体液。藉由血液流经全身，担任输送氧气及二氧化碳的重责大任，同时它也是人体中重要的生理缓冲溶液（buffer solution）。维持血液pH值的稳定，会使的体内许多生化反应得以顺利进行。正常血液的pH值维持在7.40±0.05之间。若在人体生理代谢过程中，造成血液pH值低于7.35容易引起酸中毒（acidosis），或血液pH值高于7.45容易引起硷中毒（alkalosis）。当pH值低于6.8或高于7.8时，就会有生命的危险。

人体血液中含有数种缓冲对（buffer pair）如H₂CO₃/HCO₃^-、HCO₃^-/CO₃^2-、H₃PO4/H₂PO₄^-、H₂PO₄^-/HPO₄^2-…等；透过这些共轭酸硷对的共同作用，使得血液的pH值维持稳定。在人体血液中pH值的调节，主要是依赖血液中H₂CO₃/HCO₃^-缓冲溶液系统来维持。透过此系统能缓冲代谢所产生的酸、硷或者大量饮水所造成体液的稀释状态，使血液pH值得以维持在上述正常的範围。当我们在运动的时候，血液和肌肉之间的H⁺、CO₂和O₂会发生扩散现象，O₂的扩散方向为从血液到肌肉细胞，H⁺和CO₂的扩散恰为相反方向，从肌肉细胞到血液。这些扩散会改变物种的浓度，对缓冲系统的平衡产生改变，因而导致血液中的pH值变化，如图一所示。

图一??此图显示当运动时H⁺、CO₂和O₂在血液和肌肉细胞之间的扩散方向。由此产生的浓度变化影响到缓冲平衡，呈现在图的右上方角落（黄色）。﹝英文翻译：Muscle Cell 肌肉细胞，Blood 血液，Hemoglobin 血红素﹞
图片来源：详见参考资料之2

美国生化学家韩德逊（Lawrence Josep Henderson）于1906-1920年间研究人体血液之酸硷平衡机制，发现是透过血液之複杂的缓冲系统与呼吸作用，肺、血红素及肾等器官共同调节完成。并在1908研究碳酸/碳酸盐的缓冲能力时，提出韩德逊方程式（Henderson equation）。1916年，卡尔?阿尔伯特?哈塞尔巴尔赫（Karl Albert Hasselbalch）以对数方式重新表示韩德逊方程式，在化学上称为Henderson–Hasselbalch equation，其方程式推导过程如下，他并将其用于研究血液中碳酸引起的代谢性酸中毒。

资料来源：详见参考资料之4

情境试题

1. 血液的缓冲作用主要是由H₂CO₃/HCO₃^-缓冲液来维持，已知一血液样本中H₂CO₃之浓度为0.0012 M，要维持此血液之pH值为7.40，请计算此时血液中HCO₃^-之浓度应为多少M？（已知健康成人在血液中的H₂CO₃之K_a1为8.0 × 10^-7）

2. 当人们运动时，肌肉收缩会产生乳酸送至血液中，适量的乳酸可经由上题血液之H₂CO₃/HCO₃^-缓冲液予以调节。然而过多的乳酸产生，超过血液缓冲系统之负荷，其结果会造成血液pH值下降。若血液pH值下降至7.35以下者，在临床上诊断为酸中毒（acidosis）。试计算当血液中pH值由7.40降至pH值为7.35时，其间血液缓冲液中[H₂CO₃]：[HCO₃ ^-]比值之变化？

3. 我们都知道吸烟危害个人及他人身体健康。在临床上易引发肺癌及其他呼吸系统方面的疾病，如慢性支气管炎、肺气肿（见参考资料5）。对肺气肿之病患而言，其肺部换气不足，易引起酸中毒，你（妳）可否说明此一生理现象？

连结：人体血液的缓冲作用（Buffers in the Blood）﹝II﹞

参考资料（以下网页撷取日期为2010年1月）

1. 血液、汗水及缓冲溶液，运动中的pH调节作用， http://chem.ncue.edu.tw/huch/water/pH%20Buffers%20in%20the%20Blood.htm.
2. Blood, Sweat, and Buffers: pH Regulation During Exercise, Department of Chemistry, Washington University, http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Buffer/Buffer.html.
3. 山本喜一着，图解化学入门，pH值几乎不变的缓冲溶液，第164页，世茂出版（2008）。
4. Henderson–Hasselbalch equation, Wikipedia,?http://en.wikipedia.org/wiki/Hen ... sselbalch_equation.
5. ”孩子被动吸烟长大易患肺气肿” ， ? ?http://www.takungpao.com/news/10/01/04/YYXZ-1196451.htm。