Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Кислотно-основное состояние организма
Кислотно-основное состояние внутренней среды организма

В жидких средах организма находится определенная концентрация прото­нов водорода (Н⁺) и гидроксильных ионов (ОН-).

Протоны водорода (Н⁺) образуются в основном при диссоциации (рас­паде на ионы) кислот:

Сильные кислоты диссоциируют на ионы почти полностью, слабые — только частично.

Гидроксилы (ОН^-) образуются при диссоциации оснований или слож­ных органических соединений, имеющих ОН^--группы:

NaOH — Na⁺ + OH^-

Молекулы воды также увеличивают концентрацию Н⁺ и ОН^- в среде. Вода является слабым электролитом и частично диссоциирует на ионы:

Протоны водорода легко гидратируются молекулами воды с образова­нием гидроксония Н₃О⁺. Однако для простоты изложения его обозначают как протон Н⁺.

Концентрация свободных протонов водорода в водной среде опреде­ляет ее кислотность, а концентрация гидроксилов — основность или ще­лочность среды. Соотношение концентрации свободных протонов водо­рода и концентрации гидроксилов [Н⁺]/[ОН^-] определяет активную реак­цию среды, т.е. ее кислотно-основное состояние. Постоянство активной реакции внутренней среды организма называется кислотно-основным (щелочным) равновесием. Если концентрация Н⁺ больше, чем ОН^-, то водная среда кислая. Если гидроксилов больше, чем протонов водорода, — среда щелочная. При одинаковой их концентрации среда нейтральная. Для более точной характеристики активной реакции среды используют водородный показатель (pH).

pH — водородный показатель кислотно-щелочного состояния волной среды организма

Измерение электропроводимости воды позволило установить, что при комнатной температуре (22 °С) на ионы распадается только одна десяти­миллионная часть 1 моля воды. При этом образуется 10^-7 г ∙ ион ∙ л^-1 водородных ионов (Н⁺) и 10^-7 г ∙ ион ∙ л^-1 — гидроксильных (ОН^-). Произведение концентрации ионов водорода и гидроксила представляет собой ионное произведение воды, постоянное при определенной температуре и составляющее 1 ∙ 10^-14: К_Н2О = [Н⁺] ∙ [ОН^-]= 10^-7 ∙ 10^-7 = 1 ∙ 10^-14. Сле­довательно, как бы ни изменялись значения концентраций Н⁺ и ОН^-, их произведение при 22 °С всегда остается 1 ∙ 10^-14, поэтому можно опре­делять концентрацию одного из ионов, если известна концентрация дру­гого иона.

Рис. 32 Шкала водородного показателя

Для характеристики активной реакции среды принято использовать концентрацию Н⁺ в среде, которую обозначают как водородный показа­тель, или pH, представляющий собой отрицательный десятичный лога­рифм концентрации протонов водорода, взятый с обратным знаком:

pH = - lg [Н⁺].

С помощью pH кислотность среды выражается целыми числами. Так, например, если концентрация Н⁺ в среде равна 1 ∙ 10^-7 моль, то pH равно 7:

pH = - lg [10^-7] = 7.

Для определения кислотности или основности среды используется шкала pH, на которой показана зависимость между истинной концентра­цией Н⁺ и ОН^- в пределах от 1 ∙ 100 до 1 ∙ 10^-14 моль и величиной pH (рис. 32). С уменьшением концентрации Н⁺ увеличивается значение pH, а кислотность водной среды уменьшается. При этом концентрация ОН^- и щелочность среды увеличиваются. Растворы, у которых pH равен 7, — нейтральные, меньше 7 — кислые, больше 7 — основные. Шкала pH — логарифмическая, поэтому изменение pH на единицу вызывает 10-кратное изменение истинной концентрации Н⁺ в растворе.

В водных средах организма pH измеряется с помощью специальных индикаторов или метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Определение pH крови и мочи спортсмена является важным диагнос­тическим показателем в практике спорта, так как при физических нагруз­ках наблюдаются значительные изменения pH внутренней среды организ­ма, что влияет на многие биологические процессы.

Большинство биохимических процессов протекает в строго опреде­ленном диапазоне pH. Ниже приведены величины pH различных биологи­ческих жидкостей организма и некоторых пищевых компонентов.

Показано, что pH среды влияет на следующие биологические про­цессы:

✵ состояние белков, особенно ферментов, и их биологическую ак­тивность: каждый фермент имеет свое значение pH, при котором он наиболее активен; обычно высокая метаболическая активность отмеча­ется в пределах величин pH биологической среды; изменение pH су­щественно снижает активность ферментов и скорость регулируемых ими процессов;

✵ сократительную активность белков актина и миозина: понижение pH в скелетных мышцах уменьшает образование актомиозиновых мости­ков в миофибриллах и снижает силу мышечного сокращения; снижение pH в сердечной мышце может привести к развитию ишемической болез­ни сердца;

✵ транспорт ионов и возбудимость плазматических мембран: при за­кислении среды нервных и мышечных клеток снижается проводимость Na⁺-K⁺-Hacocoв для ионов, что влияет на возбудимость этих тканей; на­рушение работы Na⁺-К⁺-насосов в невозбудимых тканях, например в эн­докринных железах, сопряжено с изменением секреции гормонов в кровь;

✵ освобождение Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума (депо) и скорость сокращения скелетной мышцы: при активации процесса сокра­щения мышц отмечается повышение внутриклеточного pH, что способствует выходу Са²⁺ из мембран саркоплазматического ретикулума, где он непонируется; при продолжительной стимуляции мышц в клетках среда кисляется в результате образования молочной кислоты и подавляет си­лы сокращения мышц;

✵ скорость распада АТФ: при повышении pH скорость распада АТФ повышается, при этом увеличивается количество свободной энергии, которая может использоваться для осуществления полезной работы в клетках;

✵ возбудимость болевых рецепторов.

Нарушение кислотно-основного равновесия    

Кислотно-основное равновесие — необходимое условие для нормальной жизнедеятельности всех клеток организма. Изменение pH крови от 7,36 до 6,80 в нетренированном организме может привести к его гибели.

При физических нагрузках усиливается метаболизм, в том числе тех процессов, которые приводят к накоплению кислых продуктов. В скелет­ных мышцах в процессе гликолиза (анаэробного окисления глюкозы) на­капливается молочная кислота. Она поступает в кровь и может изменять кислотно-щелочное равновесие организма. При умеренных (аэробных) физических нагрузках молочная кислота образуется в незначитель­ном количестве, поэтому существенного изменения pH крови не наблю­дается. Интенсивные физические нагрузки анаэробной направленности, особенно спринтерские дистанции в беге и плавании, приводят к значи­тельному накоплению молочной кислоты в скелетных мышцах и выходу ее в кровь. При этом в скелетных мышцах и крови pH снижается до 7,0 или даже до 6,5. Закисление внутренней среды организма называется ацидозом.

Различают метаболический ацидоз, проявляющийся при изменении обмена веществ, например при мышечной деятельности, голодании, не­которых патологических состояниях, и дыхательный (газовый) ацидоз, возникающий при нарушении процессов дыхания

Развитие метаболического ацидоза под воздействием физических нагрузок чаще наблюдается у нетренированных людей. Ацидотическое состояние может сопровождаться болевыми ощущениями в мышцах и снижением физической работоспособности. Ацидоз является факто­ром, вызывающим утомление организма. После прекращения работы pH мышц и крови быстро нормализуется (в пределах 30 мин). Бо­левые ощущения, связанные с изменением pH внутренней среды организма при физических нагрузках, также исчезают в этот период времени.

Для предотвращения развития ацидоза спортсмены перед стартом, особенно бегуны на короткие дистанции, иногда проводят гипервенти­ляцию легких. Гипервентиляция — глубокое и интенсивное дыхание в течение нескольких секунд — понижает концентрацию СО₂ в легких и крови, что вызывает повышение pH крови до 7,6 или защелачивание. Защелачивание внутренней среды организма называется алкалозом. Это состояние может наблюдаться также при избыточном поступлении в организм с пищей щелочных веществ или при потере кислых компо­нентов. Алкалоз может возникать при подъеме на высоту более 3000 м или тренировке в высокогорье из-за снижения содержания кислых про­дуктов в крови.

У высокотренированных спортсменов при развитии метаболического ацидоза обычно сохраняется высокая работоспособность за счет адап­тации физиологических систем организма к изменениям внутренней сре­ды, а также за счет большой эффективности работы химических буферных систем, которые препятствуют изменению pH среды.