Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий

Хотя химические свойства углекислого газа являются причиной многих осложнений, организм, справляясь с ними, сохраняет значительное количество этого продукта распада, чтобы он служил для выполнения жизненно важных функций. Чтобы это понять, понадобится дополнительное разъяснение.

Молекулы углекислого газа не просто растворяются в воде, а вступают в реакцию с молекулами воды, образуя угольную кислоту (ее часто называют просто углекислотой). Это можно изобразить химическим уравнением, где C обозначает углерод, O — кислород, а H — водород:

Обычно такая реакция проходит очень медленно, но в кровеносной системе она протекает быстрее. Углекислый газ, попадающий в плазму из клеток, может легко проходить сквозь мембрану красных клеток, так что часть молекул углекислого газа неизбежно окажется внутри эритроцита. В нем есть фермент, способный ускорять образование двуокиси углерода и воды. Обычно ферменты отвечают за ускорение реакций, которые протекают и без них, но со значительно более медленной скоростью. Этот фермент называется карбоангидразой, и в его молекулах содержится по крайней мере один атом металла — цинка. В организме есть и другие цинксодержащие ферменты, и одного этого достаточно, чтобы понять, почему цинк так важен для человека. Конечно, он нужен только в мизерных количествах, и в любой пище его вполне достаточно. В присутствии карбоангидразы быстро образуется угольная кислота, которая через мембрану красной клетки выходит обратно в плазму.

Угольная кислота также может расщепляться с образованием углекислого газа и воды. Поэтому у написанного выше уравнения две стрелочки, указывающие два направления. Карбоангидраза ускоряет процессы как расщепления, так и образования угольной кислоты. В результате такого двунаправленного процесса достигается равновесие, при котором происходит одновременное образование и расщепление угольной кислоты. Поэтому в крови есть как угольная кислота, так и углекислый газ.

В легких сквозь мембраны альвеол может просочиться только углекислый газ. Угольная кислота на это не способна, потому что она не газ. Однако, когда углекислый газ покидает кровь, хрупкое равновесие между содержанием его и угольной кислоты в крови нарушается. Тогда часть угольной кислоты превращается в воду и углекислый газ, чтобы сохранить равновесие, а углекислый газ, в свою очередь, опять выходит в легкие. Поэтому угольная кислота никогда не препятствует механизму выведения углекислого газа из организма.

Угольная кислота может расщепляться и другим способом. Кислота — это вещество, молекулы которого могут терять часть своих атомов водорода. Атом водорода, лишившийся одного электрона, называется ионом водорода. В оставшейся части находится дополнительный электрон (тот, который принадлежал атому водорода), и такой атом называется бикарбонатным ионом. Эта реакция происходит в обоих направлениях, между которыми также существует равновесие. Химическое уравнение реакции можно изобразить следующим образом:

Образующиеся в результате этой реакции ионы имеют электрические заряды. Бикарбонатный ион несет отрицательный заряд, а ион водорода положительный заряд, и это представлено маленькими значками «минус» и «плюс» в верхней правой части формулы ионов.

Получается, что когда углекислый газ попадает в кровь, то в ней появляются три разных вещества: собственно углекислый газ, угольная кислота и бикарбонатный ион. Все эти три вещества находятся в состоянии равновесия. Добавьте к ним немного любого из трех веществ, и часть его быстро превратится в оставшиеся два. Удалите какое-то количество одного из трех веществ, и два других частично заменят утерянное. Таким образом, когда углекислый газ выходит в легкие, угольная кислота расщепляется и образует двуокись углерода, а бикарбонатные ионы связываются с ионами водорода, чтобы пополнить запас углекислоты. Это происходит само собой: организм просто следует бесстрастным и объективным законам химического равновесия. В результате любое локальное изменение «разбавляется» в большом объеме и сводится к минимуму. Это самое полезное свойство живой ткани — тонкой и хрупкой конструкции, не способной выносить резкие изменения.

Только не поймите последнее утверждение неправильно. Наш организм в состоянии выносить резкие изменения. Мы можем выйти из жарко натопленного дома на морозный зимний воздух, потому что внутренняя температура нашего тела даже при резком перепаде наружной остается неизменной. Большая часть химической активности организма направлена на предотвращение влияния изменения внешних условий на стабильное состояние внутренних тканей.

В качестве примера возьмем равновесие между углекислотой и бикарбонатным ионом, о которых мы только что говорили. Это один из самых важных химических механизмов, при помощи которых организм защищает нежные клетки от изменений, и по этой причине организм никогда не избавляется от углекислого газа полностью, сохраняя часть этого продукта распада для поддержания жизни.