BUFFER YUHERNITA

BAGIAN BIOKIMIA FKUY

How could it be ?

Dalam suatu eksperimen, seekor anjing diberi infus sebanyak 14 mmols H+ /L dari cairan tubuh. Akibatnya pH turun dari :7.44 ([H+] = 36 nmoles/L)

menjadi 7.14 ([H+] = 72 nmoles/L)

Jadi bila kita lihat dari perubahan [H+] terdapat peningkatan [H+] sebanyak 36 nmoles/L lalu apa yang terjadi dengan 13,999,964 nmoles/L yang lainnya?

Kemana hilangnya sebagian besar H+ yang diberikan?

BIOKIMIA ASAM-BASA

Asam adalah suatu zat yang mengandung

atom hidrogen, jika dilarutkan dalam air,

akan menghasilkan ion hidrogen (H+).

Basa adalah suatu zat yang dapat

menangkap atom hisrogen, jika dilarutkan

dalam air, akan menghasilkan ion hidroksil

(OH-)

Semua asam mempunyai ciri-ciri umum sebagai berikut:

• pH-nya lebih kecil dari 7; pH = -log [H+]

• berasa asam

• asam kuat dapat merusak kulit dan berbahaya, misalnya asam sulfat.

• Kebanyakan asam larut dalam air dan melepaskan ion H+ dalam larutannya.

• Dapat dinetralisir oleh sejumlah basa atau alakali

• Bereaksi dengan karbonat dan bikarbonat membentuk gas karbon dioksida (CO2)

• Bereaksi dengan logam melepaskaan gas hidrogen (H2)

• Biasanya merupakan senyawa-senyawa dari unsur-unsur non logam, seperti C, N, S, P, O, Cl, contohnya : HCl, H2SO4 atau H3PO4.

BIOKIMIA ASAM-BASA

• Biokimia Asam Basa mencakup kajian kimia fisika konstituen

yang terdapat dalam larutan biologi (elektrolit dan berbagai

macam asam lemah) yang mempengaruhi dissosiasi maupun

konsentrasi ion hidrogen (H+) dalam larutan.

• Pengaturan pH sangat penting dalam reaksi-reaksi kimia dalam

tubuh. Adanya perubahan pH dalam tubuh dapat menyebabkan

terganggunya proses metabolisme dalam tubuh.

• Dalam tubuh terdapat mekanisme yang mempertahankan pH

cairan tubuh sehingga reaksi-reaksi biokimia dalam tubuh tidak

terganggu.

Sistem buffer

SISTEM BUFFER

Basa konjugasi Asam lemah

Contoh : Larutan asam format (HCOOH) mempunyai reaksi kesetimbangan asam-basa sbb : HCOOH + H2O HCOO- + H3O

+

Asam Lemah • terdissosiasi sebagian dalam larutan • dalam larutan, terdapat molekul (yang tidak terdissosiasi) dan

juga basa konjugasinya

LARUTAN YG MAMPU MEMPERTAHANKAN pH MESKIPUN PADA LARUTAN TSB DITAMBAHKAN SEDIKIT ASAM/BASA

Basa konjugasi Asam lemah

LARUTAN BUFFER

HCOOH + H2O HCOO- + H3O+

Untuk suatu asam lemah, basa konjugasi yang terbentuk dalam

kesetimbangan jumlahnya amatlah sedikit, tergantung pada

derajat ionisasi () dari asam lemah ybs.

Karena itu untuk membuat buffer, biasanya basa konjugasi berasal

dari garamnya.

Buffer BIKARBONAT :

mengandung H2CO3 (asam lemah) dan NaHCO3 (garam),

dalam larutannya terdapat kesetimbangan :

H2CO3 + H2O HCO3- + H3O

+

Buffer FORMAT:

mengandung HCOOH (asam lemah) dan HCOONa (garam),

dalam larutannya terdapat kesetimbangan :

HCOOH + H2O HCOO- + H3O+

Contoh :

Selain itu buffer juga dapat dibuat melalui reaksi antara asam

lemah dengan basa kuat.

Larutan buffer akan terbentuk bila ASAM LEMAHNYA BERSISA.

CONTOH :

Campuran 5 mL HCOOH 0,10 M dengan 5 mL NaOH 0,05 M, yang

akan membentuk kesetimbangan asam basa :

Jadi dalam larutan akan terdapat HCOOH 0,25 M dan 0,25 M

HCOONa. Keduanya akan membentuk sistem buffer format.

Awal 0,50 mmol 0,25 mmol

Bereaksi 0,25 mmol 0,25 mmol 0,25 mmol

Akhir 0,25 mmol 0,25 mmol

HCOOH + NaOH HCOONa + H2O

BEBERAPA CONTOH BUFFER SIAP PAKAI YANG DIJUAL DI PASARAN

BAGAIMANA CARANYA LARUTAN BUFFER

MEMPERTAHANKAN pH SUATU LARUTAN ?

PRINSIP REAKSI NETRALISASI

• Jika larutan ditambah asam, maka basa konjugasi dari buffer

akan menetralkan kelebihan asam yang terbentuk (Buffer

bertindak SEBAGAI BASA)

• Jika larutan ditambah basa, maka asam konjugasi dari buffer

akan menetralkan kelebihan basa yang terbentuk (Buffer

bertindak SEBAGAI ASAM)

CH3COO- + H+ CH3COOH

CH3COOH + OH- CH3COO-+ H2O

Contoh: Bila pada buffer asetat ditambahkan sedikit HCl atau NaOH, maka :

Atau secara keseluruhan dapat ditulis :

CH3COONa + HCl CH3COOH + NaCl

CH3COOH + NaOH CH3COONa+ H2O

KAPASITAS BUFFER

Larutan I :

• 1 L larutan HCl 1,8 x 10-5 M

(pH = 4,74)

Larutan II :

• 1 L larutan CH3COOH 0,1 M –

CH3COONa 0,1 M

(pH = 4,74)

metil merah

pH > 5,4 : kuning pH < 5,4 : merah

• Lalu ditambah beberapa

tetes NaOH 0,1 M • Lalu ditambah 100 mL NaOH

0,1 M

LARUTAN I HCl

LARUTAN II CH3COOH – CH3COONa

sebelum ditambah NaOH

(pH = 4,74)

sebelum ditambah NaOH

(pH = 4,74)

setelah ditambah NaOH

(pH > 5,4)

setelah ditambah NaOH

(pH < 5,4)

KESIMPULAN :

Larutan II dapat mempertahankan pH pada penambahan NaOH

sedangkan larutan I tidak.

(bukan buffer) (buffer)

KAPASITAS BUFFER

Ukuran seberapa banyak jumlah

asam/basa yang dapat ditambahkan tanpa

terjadinya perubahan pH yang berarti

Ukuran seberapa banyak perubahan pH

yang terjadi bila ditambah sedikit

asam/basa

Kemampuan untuk menyangga pH larutan seperti ini seringkali

dikenal sebagai KAPASITAS BUFFER

KAPASITAS BUFFER sangat tergantung pada berapa banyak

jumlah mol asam lemah dan basa konjugasi yang terdapat

dalam larutan

• Untuk volume larutan yang sama,

semakin besar konsentrasi buffer, semakin besar kapasitas

buffernya

• Untuk konsentrasi larutan yang sama,

semakin besar volume buffer, semakin besar kapasitas

buffernya

Buffer Value

Buffer Value ( ):

Kapasitas buffer untuk mempertahankan perubahan pH

pH

basaasam

]/[

Menurut Van Slyke :

dimana :

[asam/basa] = jumlah asam/basa yang ditambahkan pada 1 L

buffer

pH = perubahan pH buffer

Satuan : “mmol/L/unit pH” atau “Slyke”

pH LARUTAN BUFFER

Karena Buffer terdiri dari asam lemah dan garamnya, maka

pH buffer sangat tergantung pada :

• Nilai Ka asam lemahnya

• Konsentrasi asam lemah dan garamnya

Dimana : [Asam]

[Garam]

[H+] = Ka .

pH = pKa + log [Garam]

[Asam]

PERS. HENDERSON-HASSELBACH

pH = pKa + log [GARAM]

[ASAM]

Jadi pH Buffer :

APAKAH pH BUFFER BERUBAH BILA DIENCERKAN ?

KENAPA ?

Keseimbangan Asam Basa pada Sistem Biologi

Ada beberapa sumber utama proton (ion H+) dalam tubuh :

• Asam Karbonat (H2CO3)

Sumber utama : hasil oksidasi di dalam sel (berupa CO2)

• Asam sulfat (H2SO4)

Sumber : oksidasi protein yang mengandung Sulfur (sistein, sistin, metionin)

• Asam fosfat

Sumber : hasil metabolisme fosfoprotein, fosfatida dan hidrolisis fosfo-ester

• Asam-asam organik

Sumber : produksi dan akumulasi beberapa asam organik tertentu pada oksidasi karbohidrat, lemak dan protein (ex : asam piruvat, asam laktat, asam aseto asetat, dll

• Iatrogenik

Sumber : pemberian obat-obatan tertentu, yang dapat meningkatkan konsentrasi ion H+ di dalam darah.

Mekanisme Pengaturan pH melibatkan beberapa faktor :

• Pertahanan pertama :

– Sistem Buffer

– Mekanisme Respirasi

• Pertahanan Kedua

Eksresi Ginjal (Renal Mechanisms) :

mengontrol konsentrasi ion H+ dan HCO3- pada cairan

ekstraselular

• Faktor Pengenceran

Keseimbangan volume cairan tubuh

Sistem Buffer

Ada 4 sistem buffer utama :

• Buffer Bikarbonat

• Buffer Fosfat

• Buffer Protein

• Haemoglobin

Prinsip kerja :

• Reaksi netralisasi

• Pergeseran kimia

Buffer Bikarbonat

• Komponen : Asam lemah : H2CO3 Basa konjugasi : NaHCO3

• Penambahan asam dinetralkan oleh HCO3-

H+ + HCO3- H2CO3

Reaksi ini akan menyebabkan meningkatnya H2CO3, yang diikuti oleh meningkatnya CO2

Peningkatan CO2 akan meningkatkan ventilasi paru.

H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3-

H+ H2O

paru

[H+] > pCO2

• Penambahan basa dinetralkan oleh H2CO3

NaOH Na+ + OH-

Na+ + H2CO3 NaHCO3

OH- + H2CO3 HCO3-

Reaksi ini akan menyebabkan :

– jumlah H2CO3 turun, akibatnya akan terjadi pembentukan H2CO3 kembali dari CO2 dan H2O, sehingga kadar CO2 akan turun H2O + CO2 H2CO3

– jumlah HCO3- meningkat

dikompensasi oleh ginjal

H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3-

OH- H2O

ginjal paru

[H2CO3] > [HCO3-] > pCO2

pH = 6.1 + log [HCO3

-]

pCO2

GINJAL

PARU

BASA

ASAM

CO2

HCO3

HCO3

CO2

Kompensasi

Normal

Normal

Buffer Bikarbonat

Kelebihan buffer bikarbonat :

• Konsentrasinya lebih besar daripada buffer lainnya (26-28 mmol/L)

• Menghasilkan H2CO3, yang mudah terurai membentuk CO2 dan dikeluarkan melalui pernafasan

• Merupakan buffer fisiologis yang sangat baik dan berperan sebagai pertahan pertama dalam menjaga keseimbangan asam-basa

Kelemahannya :

• Sebagai buffer kimia, kapasitasnya cukup kecil, karena pKa jauh dari pH fisiologis

Buffer Phosfat

Senyawa Phosfat terdapat dalam bentuk :

• Phosfat Anorganik

• Phisfat Organik

Phosfat Anorganik

Mempunyai 3 bentuk ion :

• H3PO4 (pKa = 2)

merupakan asam kuat sehingga tidak terdapat

dalam cairan tubuh

• H2PO4- (pKa = 6,8)

dengan basa konjugasi HPO42- berfungsi sebagai

buffer yang sangat efektif terutama di ginjal

• PO43- (pKa = 12,4)

juga tidak terdapat dalam cairan tubuh

Phosfat Organik

• terdapat dalam bentuk 2,3-difosfogliserat

(2,3-DPG), AMP, ADP maupun ATP

• masing-masing gugus fosfat berfungsi

sebagai buffer

• pKa bervariasi dari 6,0 s/d 9,0

• terdapat dalam jumlah yang melimpah di

dalam sel, sehingga berkontribusi penting

dalam kapasitas buffer

Buffer Fosfat

• Komponen :

– Asam Lemah : NaH2PO4

– Basa Konjugasi : Na2HPO4

• Perbandingan normal :

Na2HPO4 : NaH2PO4 = 4 : 1

Dijaga tetap konstan oleh ginjal

Buffer Fosfat

• Penambahan asam : dinetralkan oleh Na2HPO4

HCl + Na2HPO4 NaH2PO4 + NaCl

Peningkatan NaH2PO4 akan diekresi melalui urin urin lebih asam

• Penambahan basa : dinetralkan oleh NaH2PO4

NaOH + NaH2PO4 Na2HPO4 + H2O

Peningkatan Na2HPO4 akan diekresi melalui urin urin lebih basa

Buffer Fosfat

Kekurangan Buffer Fosfat

• Konsentrasinya dalam darah cukup kecil (1 mmol/L)

• Kurang efisien sebagai buffer fisiologis

Kelebihan Buffer Fosfat :

• Sebagai buffer kimia, merupakan buffer yang cukup efisien dan efektif, karena pKa mendekati pH fisiologis

Buffer Protein

• Merupakan buffer yang komplek

• Nilai pKa bervariasi tergantung pada gaya elektrostatik struktur protein ybs

• Komponen :

– Asam : gugus karboksilat

– Basa konjugasi : gugus amina

• Dalam medium asam :

Protein bertindak sebagai basa, gugus -NH2 akan menarik ion H+ sehingga protein bermuatan positif

-NH2 + H+ -NH3+

• Dalam medium basa :

Protein bertindak sebagai asam, gugus –COOH terdissosiasi, dan melepaskan ion H+

Ion H+ menetralkan ion OH- membentuk molekul air.

Protein bermuatan negatif

-COOH -COO- + H+

H+ + OH- H2O

Buffer Hemoglobin

• Buffer yang penting terutama untuk CO2.

• Berperan dalam jaringan paru, ketika terjadi pembentukan ion H+ saat transport CO2

• Umumnya kapasitas buffer disumbangkan oleh adanya gugus imidazol dari histidin (gugus nitrogen)

• Gugus nitrogen dapat menangkap atau melepaskan ion H+, sehingga dapat bertindak sebagai asam atau basa.

Buffer Hemoglobin

• Saat karboksigenasi Hb, gugus nitrogen bertindak sebagai asam dan menyumbangkan ion H+

• Saat dekarboksigenasi Hb, gugus nitrogen bertindak sebagai basa dan menangkap ion H+

imidazol

Buffer Hemoglobin

Paru :

Keseimbangan I

H+ + HCO3- H2CO3 H2O + CO2

Keseimbangan II

HbNHCO2H HbNH2 + CO2

Jaringan :

Keseimbangan I

H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3-

Keseimbangan II

HbNH2 + CO2 HbNHCO2H