Ион водорода — одно из самых активных химических веществ. Почти любая химическая реакция проходит быстрее или медленнее, в зависимости от концентрации ионов водорода. Организм, в котором протекают тысячи реакций, должен следить, чтобы концентрация ионов водорода в тканях поддерживалась на нужном уровне.

Что касается крови, то концентрация ионов водорода должна быть такой, чтобы среда оставалась слегка щелочной. В крови только один ион водорода приходится на каждые двести сорок миллиардов молекул воды, это всего одна четверть от того числа, которое должно присутствовать, чтобы кровь была нейтральной.

Это маленькое количество ионов надо сохранить. Если концентрация ионов водорода увеличивается на 35 % или падает на 25 % от исходного уровня, нарушаются химические механизмы регуляции постоянства внутренней среды, и тогда может наступить смерть. В ходе химических реакций постоянно образуются или утилизируются щелочные или кислотные по природе вещества. Они могут попадать в поток крови или выходить из него. В любом случае они изменяют концентрацию ионов водорода в ту или другую сторону, и эти колебания должны быть сведены к минимуму.

Химики представляют концентрацию ионов водорода в растворе величиной pH^[2]. Нейтральный уровень pH составляет 7,0. Меньшие значения pH указывают на кислый раствор — чем ниже pH, тем выше кислотность. Большие значения говорят о щелочном растворе. Поскольку pH — это обратный десятичный логарифм, то в растворе с pH, равным 6,0, концентрация ионов водорода в десять раз выше, чем в растворе с 7,0. pH, равный 5,0, свидетельствует о том, что концентрация ионов водорода в десять раз выше, чем при pH, равном 6,0. В растворе с уровнем pH 8,0 концентрация ионов водорода составляет всего одну десятую часть от присутствующих в растворе с pH 7,0. pH крови равен 7,4, он не должен опускаться ниже 7,32 и подниматься выше 7,46.

Одним из самых важных средств защиты от смертельно опасного изменения уровня pH является сочетание в крови углекислого газа, углекислоты и иона бикарбоната.

Предположим, что в процессе химических реакций в кровь попадает некоторое количество кислоты. Она является новым источником ионов водорода, поэтому их концентрация в крови возрастает, а уровень pH падает.

Но как только появляются эти дополнительные ионы водорода, некоторые из них соединяются с бикарбонатными ионами, образуя углекислоту, которая, в свою очередь, расщепляется на воду и углекислый газ, выводящийся через легкие. Таким образом, избыток ионов водорода не приводит к значительным изменениям уровня pH.

Допустим, что в кровь попадает некоторое количество щелочи — вещества, которое вступает в реакцию с ионами водорода и убирает их из раствора, снижая их концентрацию до опасно низкого значения.

Однако, чтобы этого не случилось, вновь на защиту встает углекислый газ, но на этот раз действия происходят в обратном порядке. Углекислота отдает ионы водорода, чтобы заместить потерянные, и переходит в бикарбонатные ионы. Чтобы восстановить содержание углекислоты в крови, углекислый газ, который до этого выходил из крови в легкие, задерживается в ней и, соединяясь с водой, образует угольную кислоту.

Таким образом, углекислый газ защищает кровь от нежелательных изменений уровня pH в крови. Бикарбонатный ион играет роль сухой губки, впитывающей ионы водорода, когда их слишком много. Углекислота действует как влажная губка, из которой можно выжать ионы водорода, когда их слишком мало. Они позволяют сохранить постоянный баланс pH.

Система, состоящая из углекислоты и бикарбонатных ионов, которая поддерживает pH на постоянном уровне, представляет собой пример того, что химики называют буферной системой, или просто буфером.

В крови содержатся и другие буферы, но система углекислоты и бикарбонатных ионов самая важная, потому что она находится под более тщательным контролем, чем остальные. Из всех буферов только этот представляет собой равновесие с газом, который может удаляться быстрее (при учащении дыхания) или медленнее (при замедлении дыхания).

Именно углекислый газ, а не количество кислорода в атмосфере контролирует частоту дыхания. Обычно границу между сферами деятельности этих двух газов провести сложно, поскольку, как правило, если в крови слишком много углекислого газа, то мало кислорода. Если вы начинаете дышать быстрее, чтобы избавиться от двуокиси углерода, то автоматически пополняете запас кислорода. То же самое происходит и в обратном случае.

Так как частота дыхания может регулировать уровень pH в крови, то последний можно изменять посредством изменения первого. Например, можно намеренно заставить себя на какой-то период времени дышать быстро и глубоко. В результате углекислый газ удаляется из организма, а углекислота очень быстро расщепляется, чтобы возместить потерю. Это, в свою очередь, ведет к тому, что ионы бикарбонатов присоединяют слишком много ионов водорода, чтобы восстановить содержание углекислоты. В итоге в крови снижается концентрация ионов водорода и повышается уровень pH, что приводит к дыхательному алкалозу. Вы как бы пьянеете от кислорода, у вас появляется головокружение. Если продолжать в том же духе, то можно потерять сознание, однако обычно мы не доходим до этого и возвращаемся к нормальному ритму дыхания. Мы начинаем дышать очень медленно, иногда даже задерживаем дыхание, чтобы восстановить в крови прежний уровень двуокиси углерода.

Можно, наоборот, задержать дыхание на пару минут, чтобы в организме увеличилось содержание углекислого газа, что приведет к накоплению углекислоты, в результате чего в кровь попадет больше ионов водорода. В итоге в крови увеличится концентрация ионов водорода и уменьшится уровень pH — разовьется дыхательный ацидоз. И опять вряд ли вы станете терпеть до того момента, когда потеряете сознание, вы в течение нескольких минут будете усиленно дышать, чтобы избавиться от избытка углекислого газа.

Углекислый газ переносится кровью не только в растворенном виде. Гемоглобин, чьей основной функцией является транспорт кислорода, также служит переносчиком углекислого газа.

Углекислый газ может соединяться с аминокислотой лизином, входящей в состав молекулы белка. Такое соединение называется карбаминовым. Гемоглобин не только занимает первое место среди других белков по содержанию в крови, но также содержит больше лизина, чей любой другой из них. Поэтому около одной пятой части всего углекислого газа в венозной крови представлено в виде карбгемоглобина.

Гемоглобин служит не просто средством транспортировки. Он активно способствует переносу углекислого газа в легкие.

Давайте подробнее рассмотрим, что происходит, когда кровь из легочной артерии — голубоватая, лишенная кислорода, полная растворенным в ней углекислым газом, который частично соединился с водой, а частично с гемоглобином, — попадает в альвеолярные капилляры.

Прежде всего кислород проникает сквозь альвеолярные мембраны в кровь и превращает гемоглобин в оксигемоглобин.

Дальше происходят два события. Во-первых, оксигемоглобин не образует карбаминовые соединения так быстро, как гемоглобин. Около двух третей карбаминовых групп в карбгемоглобине расщепляется немедленно, и высвобождается углекислый газ.

Во-вторых, оксигемоглобин — более сильная кислота, чем гемоглобин, в его растворах содержится больше ионов водорода. Все белки в какой-то степени являются кислотами, все они обладают тенденцией к ионизации и высвобождению ионов водорода. Поглощая кислород из легких, кровь внезапно наполняется ионами водорода. В действие вступает буферная система. Ионы бикарбонатов соединяются с избыточными ионами водорода, в результате образуется углекислота, которая распадается до углекислого газа и воды.

Таким образом, превращение гемоглобина в оксигемоглобин двумя различными способами способствует образованию углекислого газа в крови. Увеличение концентрации углекислого газа в капиллярах альвеол есть тот толчок, который заставляет выходить его из крови и проникать сквозь мембраны альвеол в воздух, находящийся в легких. Затем происходит выдох, и организм освобождается от углекислого газа.