Чтобы детально разобраться в данном вопросе, который с 2023 года будет на ЕГЭ по биологии, стоит вспомнить такое важное понятие как pH среды.
Что такое pH среды?
pH также называемый водородный показатель или показатель кислотности, это одна из важнейших величин, выражающих кислотно-основные свойства раствора. pH меняется непрерывно в диапазоне от 0 до 14.
Существует 3 типа среды: кислая, нейтральная и щелочная.
Тип среды зависит от соотношения протонов водорода(Н+) и гидроксил-ионов (ОН-). Если протонов больше, чем гидроксил-ионов - это соответствуем кислой среде, если же наоборот превалирует гидроксильная группа - щелочная. Примерно одиноковое соотношение дает нам нейтральную среду.
Кислотные свойства проявляются при pH < 5: чем меньше pH, тем сильнее кислотные свойства. Например, pH лимонного сока = 2, кока-колы =4.0, молока = 6.6...6.9. Основные свойства веществ усиливаются по мере движения к правому концу шкалы pH. нейтральная среда имеет pH=7, но в быту нейтральной считают от 5 до 8.5 - это физиологический диапазон, который приемлем для жизнедеятельности человека, животных, безопасный для кожи и глаз. Именно поэтому и pH природной воды обычно колеблется в этом диапазоне.
Что такое кислотно-щелочное состояние (КЩС)?
Это относительное постоянство концентрации водородных ионов во внутренних средах организма, обеспечивающее полноценность метаболических процессов, протекающих в клетках и тканях. Организм человека постоянно стремится уравновесить это соотношение, поддерживая строго определенный уровень рН, который:
-определяет физико-химические свойства коллоидных структур;
-определяет активность, конформацию белков;
-определяет чувствительность клеточных рецепторов;
-определяет проницаемость клеточных мембран;
-регулирует сосудистый тонус;
-определяет состояние дыхательного центра;
-влияет на состояние ЦНС.
Для поддержания баланса и нормальной жизнидеятельности всего организма есть механизмы обеспечивающие постоянство кислотно-щелочного состояния. Ведущую роль в гомеостатических механизмах регуляции pH крови занимают буферные системы организма.
Что такое буферные системы организма?
Буферными свойствами обладают смеси, состоящие из слабой кислоты и соли этой кислоты с сильным основанием (донор анионов водорода и акцептор катионов водорода), или же слабого основания с солью сильной кислоты.
Другими словами, буферная система - это кислотно-основная пара, состоящая из донатора и акцептора ионов водорода. Буферные системы крови обеспечивают постоянную величину рН при поступлении в нее кислых или основных продуктов. Они является первой «чертой охраны», которая поддерживает рН, пока продукты, которые поступили, не будут выведены или использованы в метаболических процессах.
Выделяют 4 наиболее важных буфера, которые играют ведущую роль в гомеостатических механизмах регуляции pH крови:
-бикарбонатный,
-фосфатный,
-гемоглобиновый (гемоглобин-оксигемоглобиновый),
-белковый (протеиновый).
Рассмотрим принцип действия первых двух буферных систем, так как для ЕГЭ нам нужны именно они.
Бикарбонатный (гидрокарбонатный) буфер Н2СО3/NaHCO3
Это самый большой буфер организма (53%), который располагается преимущественно в крови и во всех отделах внеклеточной жидкости, играет наиболее важную роль в поддержании постоянства кислотно-щелочного состояния. Рассмотрим работу бикарбонатного буфера, который состоит из сопряженной кислотно-основной пар.
Действие гидрокарбонатного буфера при попадании в него сильной кислоты или щелочи можно записать реакциями:
При добавлении к системе сильной кислоты ионы водорода взаимодействуют с анионами соли, образуя слабодиссоциирующую Н2СО3. Сильная кислота заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты, диссоциация которой подавлена.
При добавлении щелочи гидроксил-ионы (ОН- ) взаимодействуют с ионами Н + угольной кислоты, а основание заменяется эквивалентным количеством соли
Фосфатный буфер NaH2P04/Na2HPO4
На его долю приходится 5% в организме. Свойства кислоты проявляет одноосновный фосфат (NaH2P04), а основания - двухосновный фосфат (Na2HP04). Функционируют они по такому же принципу, как и бикарбонаты. Однако в связи с низким содержанием в крови фосфатов емкость этой системы невелика.
Ацидоз и алкалоз
При избыточном поступлении в наш организм протонов водорода или гидроксилов наступает патологическое состояние - ацидоз - избыток H+ (закисление крови), алкалоз - избыток ОН- (защелачивание крови).
Каждый из этих двух типов подразделяется еще на несколько разновидностей в зависимости от причины изменения рН. Такие сдвиги могут наступать при изменениях вентиляции легких ( поражения легких могут сопровождаться увеличением напряжения СО2 в крови, и гипервентиляции приводят к снижению этого напряжения). Подобные состояния называют дыхательным (респираторным) ацидозом или алкалозом.
Нарушение обмена веществ может стать причиной метаболистического ацидоза или алкалоза.
Так же существует выделительный ацидоз или алкалоз, причинами которого являются потеря организмом значительного количества оснований, нарушение выделения нелетучих кислот. Если нарушения со стороны почек - это почечный ацидоз или алкалоз, если же со стороны ЖКТ - гатроэнтеральный.
Нередко бывают случаи смешанного ацидоза или алкалоза, который в себе совмещает признаки нескольких вышеперечисленных видов.