Как продлить быстротечную жизнь

продолжим наше небольшое исследование о роли углекислого газа в организме.

Как уже было сказано выше, для дыхательного центра особо важное значение имеет концентрация углекислоты в крови. Но возбуждение дыхательного центра вызывает не сама по себе углекислота, и это принципиально важно нам знать, а вызываемое ею повышение концентрации водородных ионов в клетках дыхательного центра, то есть когда эта кислота в той или иной мере диссоциирует на ионы водорода и ионы НСОз.

Усиление дыхательных движений наблюдается и при введении в артерии, питающие мозг, не только угольной кислоты, но и других кислот, например, молочной. Возникающая при этом гипервентиляция легких способствует выведению из организма части содержащейся в крови углекислоты и тем самым приводит к уменьшению концентрации водородных ионов в ней. И опять нам кажется, что не нужны организму ни ионы водорода, ни угольная кислота, которая их порождает. Но будем терпеливы и не будем спешить с выводами.

Дыхательный центр обладает, по-видимому, и некоторой чувствительностью к аниону НСОз. При введении в кровь бикарбоната натрия, который диссоциирует в крови на ионы Ма⁺ и НСОз, возникает усиление дыхания. О роли НСОз в крови будет сказано ниже, но уже сейчас можно заподозрить, что этот анион тоже может быть виновником глубокого дыхания у многих людей.

Как видите, не легко дать ответ и на вопрос — в чем причина глубокого дыхания, и на вопрос — какую роль в организме выполняет углекислый газ. Поэтому для краткости последующего изложения мы поведем в дальнейшем наше исследование только по одному пути — по пути выявления роли углекислого газа в подкислении крови.

УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА И РЕАКЦИЯ КРОВИ

Растворяясь в воде, углекислый газ лишь частично вступает с ней во взаимодействие с образованием угольной кислоты (около 1%). Отдельно определить содержание окиси углерода и угольной кислоты в воде достаточно трудно, а поэтому суммарную концентрацию этих компонентов принимают за концентрацию свободной угольной кислоты. И так как только незначительное количество растворенного в воде углекислого газа образует угольную кислоту, то расчет содержания свободной угольной кислоты ведется по двуокиси углерода СО2.  И константу диссоциации угольной кислоты можно определить как истинную, если в расчет брать только ионы действительно образующейся угольной кислоты и только первую ступень диссоциации. Тогда эта константа будет равна 1,32*10^-4. Но можно определять константу диссоциации угольной кислоты и при условии, что весь углекислый газ образует угольную кислоту, и эту константу называют кажущейся. Она равна 4,45*10^-7.

Сравнивая константу диссоциации угольной кислоты (истинную) с константами диссоциации приводимых ниже органических кислот (табл.1), мы видим, что угольная кислота сильнее янтарной, уксусной, бензойной и аскорбиновой, и лишь немного уступает по силе молочной.

Кислоты в этой таблице перечислены в порядке возрастания их силы. Сила кислот определяется их константами диссоциации — сильнее та кислота, у которой больше константа диссоциации.

Другой формой содержания угольной кислоты в воде являются гидрокарбонаты, образующиеся при диссоциации угольной кислоты по 1-ой ступени (Н2СОз «-» Н⁺ + НСОз^-), а также при диссоциации гидрокарбонатных солей, образующихся в результате растворения карбонатных пород под действием угольной кислоты:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са⁺² + 2НСО₃^-

Гидрокарбонаты — наиболее распространенная форма содержания угольной кислоты в природных водах при средних значениях рН. Они обуславливают щелочность воды и это нам прежде всего необходимо помнить.

Еще угольная кислота может содержаться в карбонат-ионах (СОз^2-), образующихся при диссоциации угольной кислоты по 2-й ступени: НСОз^- <-> Н⁺ + СОз^2- . Карбонат-ионы содержатся только в щелочной среде (при рН>8,4). Но в присутствии ионов кальция содержание СОз^2- бывает небольшим вследствие малой растворимости карбоната кальция (СаСОз). А при наличии в растворе свободной угольной кислоты растворимость карбоната кальция возрастает в результате образования гидрокарбонатов, как об этом и было сказано чуточку выше.

Одновременно все формы угольной кислоты в растворе присутствовать, не могут, наиболее вероятными и устойчивыми системами являются СО₂ + НСО₃^- и НСО₃^- + СО₃². А какая из этих систем будет преобладать — зависит только от концентрации ионов водорода в растворе. На концентрацию ионов водорода может оказывать существенное влияние концентрация ионов кальция в растворе.

Основная карбонатная система природных вод представляет собой систему из свободной угольной кислоты и гидрокарбонат-ионов. От соотношения этих форм зависит рН природных вод. Например, при низких значениях рН (< 4,2) в воде присутствует практически только свободная угольная кислота, а повышение рН (от 4,2 до 8,35) происходит при снижении концентрации свободной угольной кислоты в растворе и одновременном повышении гидрокарбонатов. При рН больше 8,35 в воде практически отсутствует свободная угольная кислота и остаются только гидрокарбонат-ионы. Но зависимость рН от соотношения различных форм угольной кислоты в растворе можно рассматривать и по иному — и как зависимость содержания различных форм угольной кислоты от рН раствора.

Угольная кислота в форме карбонат-ионов называется связанной. Принято считать, что гидрокарбонаты наполовину состоят из связанной и свободной угольной кислоты, так как при разложении они дают карбонаты (связанную) и свободную угольную кислоту: 2НСО₃^- -> СО₂ + СО₃^2- + Н₂О.

Если в водном растворе одновременно присутствуют свободная угольная кислота и гидрокарбонаты, то в состоянии равновесия определенному содержанию гидрокарбонат-ионов соответствует вполне определенное количество свободной угольной кислоты, которую называют равновесной угольной кислотой.

Если содержание свободной угольной кислоты в растворе будет меньше равновесного с гидрокарбонатами:

Са²++ 2НСО₃-> СО2 + СаСО₃ + Н₂О (2.1), то (по принципу Ле Шателье) равновесие смещается вправо, гидрокарбонат-ионы разрушаются с образованием свободной угольной кислоты и карбонат-ионов. Но избыток карбонат-ионов легко взаимодействует с ионами кальция (Са²⁺), содержащимися в растворе, с образованием труднорастворимого карбоната кальция (СаСОз).

Результаты этого неравенства (2.1) мы можем увидеть на дне озера Севан в Армении — поступающая в это озеро вода содержит много гидрокарбонат-ионов и ионов кальция, а поэтому в нем постоянно происходит образование нерастворимого карбоната кальция, который и оседает на дно.

Если же свободной угольной кислоты в водном растворе будет больше, чем необходимо для состояния равновесия —

Са² + 2НСО₃^- < СО₂ + СаСО₃ + Н₂О (2.2),

то часть свободной угольной кислоты будет взаимодействовать с карбонатом кальция и переводить его в растворимый гидрокарбонат кальция. Такая реакция постоянно происходит в природных водах, соприкасающихся с почвами, содержащими в себе много известняков.

В крови, которая более чем на 90% состоит из воды, угольная кислота ведет себя точно так же, как и в любом водном растворе, а поэтому все приведенные выше рассуждения о соотношении различных форм этой кислоты применимы и для крови. Кстати сказать, в физиологии также принято считать, что весь