ما نوع الجزيء الذي يمنع حدوث تغييرات واسعة النطاق في درجة الحموضة للكائنات الحية؟

تحتاج الخلايا في الكائنات الحية إلى الحفاظ على الرقم الهيدروجيني الصحيح ، أو التوازن الحمضي القاعدي ، لتعمل بشكل صحيح. يتم تحقيق الرقم الهيدروجيني الصحيح عن طريق نظام التخزين المؤقت للفوسفات. يتكون من فوسفات ثنائي الهيدروجين وأيونات فوسفات الهيدروجين في حالة توازن مع بعضها البعض. يقاوم نظام التخزين المؤقت التغيرات في الأس الهيدروجيني ، لأن تركيزات فوسفات ثنائي الهيدروجين و أيونات فوسفات الهيدروجين في الخلية كبيرة مقارنة بتركيزات الأيونات الحمضية أو القاعدية المنتجة في الخلية.

يقيس الرقم الهيدروجيني لمحلول تركيز أيونات الهيدروجين ، أو H +. أيونات الهيدروجين عبارة عن كيانات مفردة موجبة الشحنة ، وتسمى أيضًا البروتونات. كلما زاد عدد أيونات الهيدروجين الموجودة في المحلول المائي ، أصبح المحلول أكثر حمضية. يقيس مقياس الأس الهيدروجيني سجل تركيزات H + أيون ، بحيث يعطي تركيز H + رقمًا أقل. يعمل مقياس اللوغاريتمات من 0 إلى 14. يعتبر الرقم الهيدروجيني أقل من 7 حمضيًا ودرجة الحموضة أعلى من 7 تعتبر قلوية. يتم تعريف الرقم الهيدروجيني 7 على أنه محايد لأن عدد أيونات الهيدروجين الحمضية ، أو H + ، وأيونات الهيدروكسيل الأساسية ، أو OH- ، في محلول متساوي.

يتكون نظام التخزين المؤقت من حمض ضعيف وقاعدته الضعيفة المقابلة. يُعرَّف الحمض على أنه جزيء يطلق أيونات الهيدروجين في الماء والقاعدة هي جزيء يقبل أيونات الهيدروجين. يتأين الحمض الضعيف أو القاعدة الضعيفة ، أو يتخلى عن أيونات الهيدروجين أو الهيدروكسيل ، قليلاً فقط في الماء ، بينما تتأين الأحماض والقواعد القوية تمامًا تقريبًا. عندما تكون أيونات الهيدروجين الزائدة في المحلول المنظم ، فإن القاعدة الضعيفة تلتهم أيونات الهيدروجين وتتغير إلى حمضها المقابل مع الحفاظ على الرقم الهيدروجيني للمحلول. عند إضافة قاعدة ، ينعكس التفاعل ويتخلى الحمض الضعيف عن بعض أيونات الهيدروجين لجعل المحلول أكثر حمضية ويتحول إلى قاعدة ضعيفة.

يحافظ نظام عازلة الفوسفات على الرقم الهيدروجيني داخل الخلايا في جميع الكائنات الحية. في هذا النظام العازل ، تعمل أيونات فوسفات الهيدروجين بمثابة حمض ضعيف. تمثل أيونات فوسفات الهيدروجين القاعدة الضعيفة. في الماء أو في السائل داخل الخلايا ، يكون فوسفات الهيدروجين وفوسفات الهيدروجين دائمًا في حالة توازن مع بعضهما البعض. يتم تمثيل مدى تأين نظام فوسفات الهيدروجين وفوسفات الهيدروجين بواسطة قيمة ثابت التفكك ، أو قيمة pKa ، والتي يتم التعبير عنها كقيمة لوغاريتمية. يعد نظام التخزين المؤقت للفوسفات مناسبًا تمامًا للخلايا الحية لأن pKa يبلغ 7.21 ، وهو قريب جدًا من الرقم الهيدروجيني الفسيولوجي.

في الكائنات الحية الأعلى ذات الدورة الدموية ، لا يستطيع نظام عازلة الفوسفات الحفاظ على الحالة المناسبة الأس الهيدروجيني في الدم لأن تركيزات أيون فوسفات الهيدروجين وفوسفات الهيدروجين ليست عالية كافية. نظام عازلة البيكربونات قادر على الحفاظ على الدم عند درجة حموضة حوالي 7.4. هنا ، البيكربونات هو الحمض الضعيف وأيون كربونات الهيدروجين هو القاعدة الضعيفة. تتكون البيكربونات وكربونات الهيدروجين من ثاني أكسيد الكربون المذاب في الدم. يتم طرد ثاني أكسيد الكربون الزائد عبر الرئتين.