Статья по химии на тему: "Кислотность рН-среды и здоровье человека".

Организм человека – это хорошо отлаженная структура, если хоть какой-нибудь орган перестаёт функционировать как должно, то это может привести к любым последствиям. Кислотно-щелочное состояние также является неизменяемой частью нашего организма. В каждом органе, в каждой среде нашего организма существует определённое кислотно-щелочное состояние. Это самое состояние определяется водородным показателем pH. Это качественная характеристика кислотности среды. В нейтральной среде pH=7, в кислой - <7, в щелочной - >7. Это показатель был введён в химию и медицину в 1909 г. Датским биохимиком Серенсеном.

Знания о рН внутренней среды человека помогают врачам при проведении многих операций и при лечении болезней. Например, при большой потере воды, пациенту вводят в кровь раствор, имеющий такой же pH, что и в крови.

Кислотно-щелочное состояние

Кислотно-щелочное состояние (КЩС) является важным компонентом гомеостаза. У здорового человека рН крови находится на строго постоянном уровне, равном 7,4. Изменение рН крови всего на 0,3 -0,4 в любую сторону приводит к значительному снижению ферментативной активности в средах организма и может закончиться летально. Количество веществ в организме, обладающих кислыми или щелочными свойствами, зависит от количества и характера принимаемой пищи, от интенсивности обменных процессов, от способа выделения этих веществ из организма  и других факторов.  В  тоже  время  сохранение постоянства КЩС в организме обеспечивается наличием двух систем, препятствующих сдвигу рН крови и сред организма. Это так называемые буферные и физиологические системы.

Буферные системы, встречаясь с агрессором, сильной кислотой или сильным основанием, проявляют свои буферные свойства и ослабляют их химическую активность.

К ним относятся:

1)     Бикарбонатный буфер крови - смесь Н₂ CO₃ и NaHCО₃. Вместо Na в состав соли может входить любой одновалентный катион (например, К*). Соль,   входящая   в   состав   буферной   системы,   обладает   свойствами основания и может быть акцептором ионов водорода. Образуется почками и обладает набольшей буферной емкостью.

2)     Фосфатная    буферная    система    представляет    собой    смесь незамещенного фосфата NaH₂ PO₄ - слабой кислоты и соли этой кислоты еще иного фосфата NaH₂ PO₄. обладающего щелочными свойствами. Эта буферная система имеет значение для внутриклеточного пространства.

3)     Буферная   система   белков    крови.    Белки    крови    обладают свойствами слабых кислот и поэтому в смеси с солью сильного основания могут образовывать буферную систему.

4)     Буферная  система, связанная  с  гемоглобином. Действие этой системы обусловлено наличием  в организме двух форм гемоглобина.

5)     Аммонийный буфер работает при избытке кислот. В этом случае аммиак, выделяемый клетками почечных канальцев, присоединяет к себе протон и образует ион аммония (NH₄), который выводится с мочой.

К физиологическим системам организма относятся легкие, почки, печень, желудочно-кишечный тракт. Механизм действия этих систем заключается в выделении ряда метаболитов, в результате которых происходит нормализация КЩС.

При повышении концентрации ионов водорода в организме (при поступлении или образовании сильных кислот-агрессоров) бикарбонатная буферная система переводит сильные кислоты в слабые с последующим их распадом на углекислоту и воду. Углекислый газ раздражает дыхательный центр, возникает одышка, а избыток СО₂ выводится из организма. При избыточном накоплении щелочных веществ возникает повышенная потребность в угольной кислоте, которая расходуется на нейтрализацию этих щелочей. При этом в организме уменьшается концентрация СО₂ -интенсивность стимуляции дыхательного центра уменьшается: возникает брадипноэ и гиповентиляция. Это приводит к восполнению запасов угольной кислоты в организме.

При заболеваниях легких, сопровождающихся ухудшением вентиляции (пневмония, отек легких, ателектаз) углекислота не может быть удалена в достаточной степени. В результате этого происходит накопление ионов водорода, рН крови снижается и возникает респираторный или дыхательный ацидоз.

Некоторые заболевания, сопровождающиеся раздражением дыхательного центра (травма черепа, кровоизлияние в мозг), а также ошибочный выбор параметров искусственной вентиляции легких вызывают «центральную» одышку и гипервентиляцию. Длительное избыточное выделение СО₂ приводит к связыванию ионов водорода и увеличением рН крови. Возникает респираторный алкалоз.

Роль почек в сохранении КЩС заключается в выведении ионов водорода из кислой крови или ионов бикарбоната из щелочной. Ионы водорода экскретируются с мочой благодаря реакции с фосфатным буфером. При этом в канальцевом аппарате почек происходит реабсорбция натрия, который соединяется с ионом бикарбоната и в виде бикарбоната натрия поступает в венозную кровь, пополняя его запасы в организме. При алкалозе поступающий к клеткам почечных канальцев ион водорода задерживается, а ион бикарбоната реабсорбируется и выводится почками.    

Лабораторные данные при респираторном ацидозе

(по Mengele. 1969)

Кровь		Моча
Показатель	Результат	Показатель	Результат
pH	7.0-7,35	pH	Умеренно снижен (5.0-6,0)
Общее содержание СО2	Повышено	[HCO3]	Не определяются
рСО2	45-100 мм рт.ст.	Титруемая кислотность	Слегка повышена
Стандартные бикарбонаты	Сначала нормальные, при частичной компенсации -28-45 ммоль/л	Калий	Понижен
Буферные основания	Сначала нормальные, притипродолжительном течении -46-70 ммоль/л	Хлориды	Повышены
Калий	Тенденция к гиперкалиемии
Хлориды	Понижены

Причины: гиповентиляция при бронхиальной астме, эмфиземе легких, расстройства дыхания в послеоперационном периоде, трахеобронхиальная непроходимость, неверный выбор параметров искусственной вентиляции легких, веноартериальное шунтирование в легких (шоковое легкое, обширные ателектазы, пневмония).

Лечение респираторного ацидоза заключается в нормализации функции внешнего дыхания и газообмена, при необходимости - перевод на ИВЛ. Мероприятия, направленные на снижение выработки СО; имеют значение только в экстренных случаях. Ощелачивающая терапия не показана.

Кислотно-щелочное состояние определяется методами pH-метрии.  Метод pH-метрии позволяет более точно и быстро определять концентрацию водородных ионов с помощью специальных полярографических электродов, на поверхности которых при погружении в раствор создаётся разность потенциалов, величина которой зависит от pH исследуемой среды

Схема полярографической регистрации pH раствора (pH-метрии)

Один из электродов – активный. Другой (референтный) служит электродом сравнения. Активный электрод отделён от остальной системы стеклянной мембраной, проницаемой для ионов (H⁺). Внутри электрод заполнен буферным раствором.

Электроды погружают в исследуемый раствор (например, кровь) и поляризуют от источника тока. В результате в замкнутой электрической цепи возникает ток. Поскольку активный электрод дополнительно отделён от раствора электролита стеклянной мембраной, проницаемой только для ионов H⁺, величина напряжения на обеих поверхностях этой мембраны пропорциональна pH крови.

Кислотно-щелочные состояния можно определять различными приборами. Например, в Волгоградской областной клинической больнице рН крови определяют с помощью автоматического биохимического анализатора, или иономером ЭЦ-59 (ионоселективный метод), или автоматическим анализатором газов крови Easy Stat. Исследование электролитов и микроэлементов крови происходит в течение 1-3 минут с большой степенью точности.

А как можно проверить кислотно-щелочное состояние в условиях школьной лаборатории или дома? Я провела несложные эксперименты не только с индикаторами, но и веществами их заменяющими. Так в лаборатории я испытал изменение окраски приготовленного мною «индикатора» из лепестков растения каркаде (в продаже – виде чая). А дома я исследовал в качестве индикатора раствор краснокочанной капусты. Испытанию подвергался кефир, раствор соды, раствор мыла, яблочный сок, лимонный сок. Для сравнения проверил изменение цвета раствора каркаде и капусты в растворе соляной кислоты и гидроксида натрия. Как и предполагалось, данные «индикаторы» в кислой среде меняет окраску на красную, в щелочной – на сине-зелёную.

Знания о кислотно –щелочных состояниях позволяют не только следить за соблюдением условий нормального обмена веществ в организме человека, но и критически относиться к назойливым видам рекламы. Например, часто можно услышать: «Жвачка поддерживает кислотно-щелочной баланс в полости рта?»

Создается впечатление, что без жвачки поддержать кислотно- щелочной баланс некому или нечему. Но это не так.  Кислотно - щелочной баланс  полости рта - это некая константа нашего организма, и определяется она кислотно- щелочным балансом слюны. Кислотно-щелочное равновесие (баланс) слюны в свою очередь определяется аналогичным равновесием в крови, которая питает слюнные железы. Равновесие, или баланс, потому так и называется, что стремится удерживаться возле определенного значения. В нашем организме есть для этого специальные механизмы, и работают они, заметьте, сами, без посторонней помощи. Тем более без помощи жвачки. Показатель, характеризующий соотношение кислотной и щелочной составляющей в жидкости, называется водородным потенциалом и обозначается как рН. Для крови рН равен 7,36. Такая его величина характеризует кровь как слабощелочную среду (7,0 - соответствует нейтральной среде - дистиллированная вода). Для поддержания кислотно-щелочного равновесия  (баланса) в организме имеются так называемые буферные системы.

При употреблении человеком, например, кислых продуктов или животного белка, под влиянием буферных систем рН смещается в кислую сторону (становится меньше 7), а при употреблении, например, минеральной воды или растительной пищи – в щелочную (становится больше 7). Буферные системы удерживают рН в допустимом для организма диапазоне. Ими самостоятельно принимаются меры по установлению необходимого равновесия: ощелачивание крови в одном случае и окисление ее - в другом.

Выпитая минеральная вода изменяет во рту показатель рН в щелочную сторону... пока остатки ее находятся во рту. Через непродолжительное время выделившаяся слюна полностью вытеснит остатки минеральной воды, восстановив там прежний рН. То же самое происходит и со жвачкой: какое бы изменение она ни вносила в кислотно- щелочной баланс ротовой полости, очень скоро он восстановится до оптимальной для организма величины.

Чтобы существенно влиять на кислотно - щелочной баланс в полости рта, нужно жевать и жевать эту самую жвачку, не переставая. Причем делать это даже ночью. Вывод: в смысле поддержания "нужного кислотно- щелочного балланса" способности жвачки весьма сомнительны. Зато во всех этих заявлениях просматривается явная коммерческая выгода для ее производителей.