Wie kann ein biologisches System von einer Änderung des pH-Wertes beeinflusst werden?

Die pH-Messung, kurz für potentiometrische Wasserstoffionenkonzentration, ist ein wichtiges Konzept in der Chemie, das den Säuregehalt einer Lösung misst. Da biologische Systeme ein gesundes Gleichgewicht zwischen den Faktoren benötigen, um zu funktionieren, können Änderungen des pH-Werts lebende Systeme stören.

In der Chemie ist Säure jede Verbindung, die die Aktivität von Wasserstoffionen (Wasserstoff mit elektrischer Ladung) erhöht, wenn sie in Wasser gelöst wird. Säuren fördern oft Reaktionen mit anderen Verbindungen, was wir als Säure bezeichnen. Basen- oder Alkaliverbindungen hingegen erhöhen die Aktivität von Hydroxidionen (Sauerstoff an Wasserstoff gebunden), wenn sie in Wasser gelöst werden. Der pH-Wert eines Probanden wird auf einer 14-Punkte-Skala bewertet. Reines Wasser hat einen neutralen pH-Wert nahe 7,0 bei 77 Grad Fahrenheit. Kleinere Lösungen sind sauer, während alle größeren basisch sind. Jede nachfolgende Zahl stellt einen zehnfachen Unterschied zur vorherigen dar.

Die Säure-Basen-Homöostase ist die Funktion, durch die ein normaler pH-Wert in einem Organismus aufrechterhalten wird. Viele wichtige Puffersubstanzen wirken, um Ungleichgewichte zu regulieren. Im Bicarbonat-Puffersystem kann beispielsweise Kohlendioxid mit Wasser kombiniert werden, um Kohlensäure zu bilden, die dissoziiert, um ein Wasserstoffion und Bicarbonat zu bilden. Die umgekehrte Reaktion kann passieren, wenn sie von einem Enzym katalysiert wird. Dies kann je nach Bedarf den Säure- oder Basengehalt erhöhen. Um die Menge an Kohlendioxid im Kreislauf aufrechtzuerhalten, verändern sich die Atemfunktionen, sodass ein Gleichgewicht erreicht werden kann.

Das Blut muss innerhalb des sorgfältigen Bereichs von 7,35 bis 7,45 bleiben. Überschüssige Säure im Blut wird als Azidose bezeichnet, und überschüssige Base wird als Alkalose bezeichnet. Jede Abweichung des pH-Wertes im Blut kann die Ladung verändern, die die roten Blutkörperchen auseinander hält, und die Funktion oder Gesundheit anderer Organe und Systeme im Körper verändern. Da Knochen beispielsweise häufig als Mineralquelle zur pH-Pufferung verwendet werden, reagieren sie empfindlich auf Veränderungen des pH-Wertes im Blut. Abweichungen können die Knochendichte verändern.

Eine sehr häufige Anwendung von Säure in einem Organismus ist die Magensäure im Magen, die hauptsächlich aus Salzsäure in Kombination mit Kaliumchlorid und Natriumchlorid besteht. Sein pH-Wert beträgt 1 bis 2. Wenn verdauende Nahrung in den Magen gelangt, beginnen Säuren, eine Proteinstruktur und dann ihre Bindungen abzubauen. Antazida-Tabletten können überschüssige Magensäure neutralisieren, wenn sie Beschwerden verursacht.

Ein niedriger pH-Wert kann das Gleichgewicht von Natrium und Chlorid im Blut von Wassertieren verändern. Wasserstoffionen werden bei Verlust von Natrium in eine Zelle aufgenommen, was zum Tod durch Atemversagen oder den Verlust der Regulierung des osmotischen Drucks führen kann. Ein pH-Wert von weniger als 4,5 kann für Gewässer verheerend sein, aber ein höherer Wert kann auch nachteilige biologische Auswirkungen haben.