اسید و باز: یون هیدروژن (پروتون)، اسید و مفهوم pH

پیش‌نوشت ۱: تمامی صحبتی که در ادامه می‌نویسم، در مورد یون هیدروژن است و نه اتم هیدروژن. اتم هیدروژن به مقدار بسیار بسیار بیشتری در بدن انسان وجود دارد.

پیش‌نوشت ۲: قبل از شروع، دلم می‌خواست جمله‌ی ادوارد رابرت هریسون – اخترشناس انگلیسی – را بیاورم. حرفش، بهانه‌ای است برای بیشتر فکر کردن.

هیدروژن هریسون

۱. در مورد غلظت یون هیدروژن در بدن انسان

هیچ وقت به غلظت یون هیدروژن در خونی که در رگ‌هایت است، فکر کرده‌ای؟

در مورد غلظت سدیم زیاد صحبت می‌کنیم؛ همین‌طور پتاسیم. می‌دانی که غلظت سدیم خون حدود ۱۳۵ تا ۱۴۵ میلی‌مول در لیتر است. اما غلظت پتاسیم خون خیلی کمتر است. غلظت آن حدود ۳/۵ تا ۵ میلی‌مول در لیتر است. می‌بینی که چه اختلافی است؟

اما در مورد هیدروژن چطور؟

بگذار تا آن را با سدیم مقایسه بکنیم. در خون، غلظت سدیم، حدوداً ۳ میلیون تا سه و نیم میلیون برابر غلظت هیدروژن است. غلظت هیدروژن، فقط و فقط ۴۰ نانو‌مول در لیتر است، یعنی ۰/۰۰۰۰۰۰۰۴ مول در لیتر.

می‌بینی چقدر کم است؟ بدن‌مان، غلظت یون هیدروژن را حدودا بین ۳۵ تا ۴۵ نانومول در لیتر حفظ می‌کند.

آن قدر غلظتش مهم است که اگر فقط حدود ۴ برابر بیشتر یا کمتر بشود، می‌میریم. زندگی‌مان نمی‌تواند در غلظت‌های هیدروژنِ کمتر از ۱۶ یا بیشتر از ۱۶۰ نانومول در لیتر، ادامه پیدا بکند.

برای این که درک بهتری از این موضوع داشته باشی که چقدر مقدارش کم است و حفظ غلظت آن در این مقدار کم چه کار سختی است، فقط تصور کن که یک قاشق از اسید معده را به خون اضافه بکنیم. سپس کمی صبر کنیم که این یون اضافه شده، در مایع خارج سلولی پخش بشود. حال، اگر غلظت هیدروژن را اندازه بگیریم، حدود ۳۰۰۰ برابر شده است.

آن را با سدیم مقایسه کنید: اگر یک قاشق نمک بخوریم، فقط حدود ۷ میلی‌مول به غلظت حدودا ۱۴۰ میلی‌مول در لیتری سدیم اضافه می‌شود.

اما، هیچ کدام از این دو اتفاق نمی‌افتند. در مورد یون هیدروژن، سیستم‌های دفاعی در بدن داریم که از تغییرات شدید غلظت هیدروژن جلوگیری کنند. در مورد سدیم نیز، کلیه‌ها به دقت مقدار آن را کنترل می‌کنند.

۲. در مورد مهم بودن غلظت هیدروژن

اکنون که این متن را می‌نویسم، هزاران هزار آنزیم در بدن من مشغول به کار هستند. حاصل کار آن‌ها، زنده بودنِ منِ نویسنده‌ی این متن است.

می‌دانی که تقریبا تمام آن‌ها، از جنس پروتئین هستند و آجرهای سازنده‌ی این ساختمان‌های پروتئینی از جنس آمینو اسید هستند. در ساختار این آمینواسیدها، گروه‌های عاملی اسیدی و بازی وجود دارد.

اگر غلظت هیدروژن زیاد بشود، هیدروژن اضافی با این گروه‌های عاملی بازی واکنش نشان می‌دهد. اگر غلظت هیدروژن کم بشود، هیدروژن از گروه‌های اسیدی جدا شده و به محیط اضافه می‌شود.

این تغییراتی که در ساختار آنزیم اتفاق می‌افتد، باعث می‌شود که شکل سه‌بعدی آن تغییر بکند و دیگر نتواند به خوبی، عملکردش را انجام بدهد.

هم‌چنین، تغییرات مشابهی بر روی ماده‌ای که آنزیم بر آن مؤثر است، می‌تواند اتفاق افتد.

نتیجه‌اش می‌شود قلبی که با قدرت نمی‌تپد، اعصابی که درست و به سرعت پیام‌ها را انتقال نمی‌دهند، استخوانی که ساختارش تغییر می‌کند و …

نهایتا، تا حدی بدن می‌تواند تحمل بکند. سپس می‌میریم.

۳. در مورد راحت‌تر کار کردن با اعداد غلظت هیدروژن در بدن

سورانسن - غلظت هیدروژن و pH

سورانسن (S. P. L. Sørensen)، حدود ۱۱۰ سال پیش، مفهومی را به شیمی وارد کرد که ما بتوانیم راحت‌تر با غلظت یون هیدروژن کار بکنیم.

غلظت یون هیدروژن کم است و کار کردن با این اعداد کوچک، دشوار و طاقت‌فرساست.

این مفهوم را امروزه به نام pH می‌شناسیم.

بگذار کار او را با هم مرور کنیم:

۱) [H+] = 0.00000004 mol/L

سپس از دو طرف لگاریتم گرفت.

۲) Log [H+] = Log 0.00000004

۳) Log [H+] = -7.4

چون نمی‌خواست با اعداد منفی کار بکند، دو طرف معادله را در ۱- ضرب کرد.

۴) -Log [H+] = 7.4

طبق قرارداد، عبارت سمت چپ معادله را pH یا Potential of Hydrogen (پتانسیل هیدروژن) نامید.

۵) pH = 7.4

از این معادله متوجه می‌شویم که غلظت هیدروژن و pH، رابطه‌ی معکوس دارند. هر چقدر غلظت هیدروژن بیشتر باشد، pH کمتر است (زیرا که pH، منفی لگاریتم غلظت هیدروژن است).

رابطه‌ی غلظت هیدروژن و pH

۴. در مورد pH مایعات بدن

در سرخرگ‌های ما، pH برابر ۷/۴ است و در سیاهرگ‌ها و مایع میان‌بافتی برابر ۷/۳۵. دلیل کمتر بودن آن، غلظت بیشتر دی‌اکسید کربن در سیاهرگ‌ها و مایع میان‌بافتی بوده که پس از حل شدن در آب، تبدیل به کربنیک اسید شده و هیدروژن آزاد می‌کند.

درون سلول، کمی اسیدی‌تر از خارج سلول است و دلیل آن، تولید اسید‌های مختلف به علت متابولیسم است. اسید اصلی تولیدی، همان کربنیک اسید که در پاراگراف بالا در موردش صحبت کردیم.

pH ادرار بستگی به وضعیت اسیدی بودن یا بازی بودن بدن دارد. محدوده‌ی آن در حدود ۴/۵ تا ۸ است و بعدا با هم در مورد نقش مهم کلیه‌ها برای تنظیم pH بدن، صحبت می‌کنیم.

درست است که در بالا گفتیم که بدن انسان یک محدوده‌ای از یون هیدروژن را می‌تواند تحمل بکند و کمتر یا بیشتر از آن کشنده است؛ اما استثناهایی نیز در این مورد وجود دارد.

در سلول‌های Parietal معده‌ی ما، غلظت هیدروژن حدود ۴ میلیون برابر بیشتر از خون است و pH می‌تواند به ۰/۸ برسد.

دو نکته‌ی پایانی برای این قسمت بحث مانده است.

۱. pH خون شریانی را pH خنثی در نظر می‌گیریم. پس Neutral pH در بدن‌مان ۷/۴ است. اینجا، اختلاف شیمی و فیزیولوژی است. در شیمی، pH خنثی، ۷ است.

۲. اگر بخواهیم غلظتی از هیدروژن را که بدن می‌تواند تحمل بکند، یعنی از ۱۶ تا ۱۶۰ نانومول در لیتر را به pH تبدیل بکنیم، به محدوده‌ی ۶/۸ تا ۷/۸ می‌رسیم.

جمع‌بندی

غلظت یون هیدروژن در بدن انسان، نسبت به سایر یون‌ها بسیار کم است (در حدود ۴۰ نانومول در لیتر). برای جلوگیری از سختی کار با اعداد کوچک، از مفهوم pH استفاده می‌کنیم. pH، منفی لگاریتم غلظت یون هیدروژن است.

pH خنثی در بدن انسان ۷/۴ در نظر گرفته می‌شود. محدوده‌ای که به طور نرمال pH تغییر می‌کند، بسیار کوچک بوده و حدود ۷/۳۵ تا ۷/۴۵ است. انسان نمی‌تواند pH‌های کمتر از ۶/۸ یا ۷/۸ را تحمل بکند و می‌میرد. دلیل آن، به هم ریختن ساختار سه بعدی آنزیم‌ها است.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *