Τι είδους μόριο αποτρέπει εκτεταμένες αλλαγές στο pH των ζωντανών οργανισμών;

Τα κύτταρα σε ζωντανούς οργανισμούς πρέπει να διατηρήσουν το σωστό pH, ή την ισορροπία οξέος-βάσης, για να λειτουργήσουν σωστά. Το σωστό pH επιτυγχάνεται μέσω του ρυθμιστικού συστήματος φωσφορικών. Αποτελείται από ιόντα φωσφορικού διυδρογόνου και φωσφορικού υδρογόνου σε ισορροπία μεταξύ τους. Αυτό το ρυθμιστικό σύστημα αντιστέκεται στις αλλαγές στο pH, επειδή οι συγκεντρώσεις του φωσφορικού διυδρογόνου και ιόντα φωσφορικού υδρογόνου στο κύτταρο είναι μεγάλα σε σύγκριση με τις συγκεντρώσεις όξινων ή βασικών ιόντων που παράγονται στο το κύτταρο.

Το ρΗ ενός διαλύματος μετρά τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου ή Η +. Τα ιόντα υδρογόνου είναι μονές θετικά φορτισμένες οντότητες, που ονομάζονται επίσης πρωτόνια. Όσο περισσότερα ιόντα υδρογόνου υπάρχουν σε ένα διάλυμα με βάση το νερό, τόσο πιο όξινο γίνεται το διάλυμα. Η κλίμακα pH μετρά το λογαριθμικό των συγκεντρώσεων ιόντων Η +, έτσι ώστε μια μεγαλύτερη συγκέντρωση Η + να δίνει μικρότερο αριθμό. Η κλίμακα καταγραφής κυμαίνεται από 0 έως 14. Ένα pH κάτω από 7 θεωρείται όξινο και ένα pH άνω του 7 είναι αλκαλικό. Ένα ρΗ 7 ορίζεται ως ουδέτερο επειδή ο αριθμός των όξινων ιόντων υδρογόνου, ή Η +, και των βασικών ιόντων υδροξυλίου, ή ΟΗ-, σε ένα διάλυμα είναι ίσος.

Ένα ρυθμιστικό σύστημα αποτελείται από ένα ασθενές οξύ και την αντίστοιχη ασθενή βάση του. Ένα οξύ ορίζεται ως ένα μόριο που απελευθερώνει ιόντα υδρογόνου σε νερό και μια βάση είναι ένα μόριο που δέχεται ιόντα υδρογόνου. Ένα ασθενές οξύ ή ασθενής βάση ιονίζεται, ή παραδίδει ιόντα υδρογόνου ή υδροξυλίου, μόνο ελαφρά σε νερό, ενώ τα ισχυρά οξέα και βάσεις ιονίζονται σχεδόν πλήρως. Όταν η περίσσεια ιόντων υδρογόνου βρίσκεται στο ρυθμιστικό διάλυμα, η ασθενής βάση καταβροχθίζει τα ιόντα υδρογόνου και αλλάζει στο αντίστοιχο οξύ του ενώ διατηρεί το ρΗ του διαλύματος. Όταν προστίθεται μια βάση, η αντίδραση αντιστρέφεται και το ασθενές οξύ εγκαταλείπει μερικά από τα ιόντα υδρογόνου του για να καταστήσει το διάλυμα πιο όξινο και μετατρέπεται σε ασθενή βάση.

Το ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών διατηρεί το ενδοκυτταρικό ρΗ σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς. Σε αυτό το ρυθμιστικό σύστημα, τα διυδρογόνα φωσφορικά ιόντα χρησιμεύουν ως το ασθενές οξύ. Τα ιόντα φωσφορικού υδρογόνου αντιπροσωπεύουν την ασθενή βάση. Στο νερό ή στο ενδοκυτταρικό υγρό, το διυδρογόνο φωσφορικό και το υδρογόνο φωσφορικό είναι πάντα σε ισορροπία μεταξύ τους. Η έκταση του ιονισμού του συστήματος διυδρογόνου φωσφορικού-όξινου φωσφορικού αντιπροσωπεύεται από τη σταθερά διαχωρισμού, ή pKa, τιμή, η οποία εκφράζεται ως λογαριθμική τιμή. Το ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών είναι κατάλληλο για ζώντα κύτταρα επειδή το pKa είναι 7,21, το οποίο είναι πολύ κοντά στο φυσιολογικό ρΗ.

Σε ανώτερους οργανισμούς με κυκλοφορικό σύστημα, το φωσφορικό ρυθμιστικό σύστημα δεν μπορεί να διατηρήσει την κατάλληλη ρΗ στο αίμα επειδή οι συγκεντρώσεις διυδρογόνου φωσφορικού και φωσφορικού ιόντος δεν είναι υψηλές αρκετά. Το ρυθμιστικό διάλυμα όξινου ανθρακικού είναι ικανό να διατηρεί το αίμα σε ρΗ περίπου 7,4. Εδώ, το διττανθρακικό είναι το ασθενές οξύ και το όξινο ανθρακικό ιόν είναι η ασθενής βάση. Το διττανθρακικό και το όξινο ανθρακικό σχηματίζονται από διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα στο αίμα. Η περίσσεια διοξειδίου του άνθρακα αποβάλλεται μέσω των πνευμόνων.