Зачем нам нужны ионы водорода.

Еще в 1909 году Сёренсон первым указал на исключительное влияние ионов водорода на биологические реакции. Он же, как мы уже знаем, первым предложил оценивать кислотность растворов не по истинной концентрации ионов водорода в растворе, а по величине рН. Так в дальнейшем будем поступать и мы.

А теперь более внимательно посмотрим на ионы водорода, которые находятся в нашем организме.

Наш организм состоит из множества клеток. Клетка — это самая элементарная единица, способная поддерживать жизнь, но в то же время она представляет собой весьма сложный объект. Клетка — это отдельный микромир, имеющий четкие границы, внутри которых существует непрерывная химическая активность и непрерывный поток энергии. Клетка имеет наружную мембрану, главная функция которой состоит в регулировании обмена различных веществ между клеткой и внешней средой.

Внутри клетка также с помощью мембран поделена на отдельные отсеки (компартменты). И чем, прежде всего, для нас интересны в данный момент эти отсеки — так это разной концентрацией ионов водорода в каждом из них. То есть в каждом отсеке поддерживается не только кислая среда, но и с различной величиной рН, иногда ниже 4 единиц. А в целом наружная мембрана или клетка в целом несет на себе положительный электрический заряд. А чтобы создавать такие повышенные концентрации ионов водорода в отсеках — в каждой мембране имеются механизмы активного переноса ионов водорода из внеклеточной среды в эти отсеки, которые называются протонными помпами. Напомню здесь, что ионы водорода — это и есть в чистом виде протоны. А чтобы протонные помпы могли перекачивать ионы водорода — нужны, по крайней мере, сами ионы, а проще говоря, нужна подкисленная межклеточная среда, а такую среду может создать только подкисленная кровь. Так мы опосредованно пришли к выводу, что кровь обязательно должна содержать в себе достаточную концентрацию ионов водорода.

Здесь, мне кажется, следует более зримо показать какая концентрация ионов водорода может быть при различных реакциях среды, отличающихся не только на целые единицы рН, но и на сотые доли, а также в каком соотношении ионы водорода находятся с гидроксид-ионами при разных реакциях крови. Например, рН питьевой воды может быть равным и 6, и 8 единицам. Что могут говорить нам эти цифры? Прежде всего, следует сказать, что никого из нас и никогда эти цифры не интересовали. А в общем, они говорят, что первая вода кислая, а вторая щелочная. И большинство из нас выберет щелочную воду, потому что она покажется более приятной на вкус, но правильный ли будет этот выбор с точки зрения не вкуса, а здоровья — нам еще предстоит разобраться в этом.

А как изменяется концентрация ионов, водорода при изменении реакции среды от 6 до 8? Оказывается, при рН 6 концентрация ионов водорода в 100 раз выше, чем при рН 8. Но и концентрация ионов водорода ещё мало о чём нам говорит, ведь наряду с ионами водорода в растворах обязательно имеются гидроксид-ионы (ОН"). И уменьшение концентрации ионов водорода тут же приводит к увеличению концентрации гидроксид-ионов, и наоборот. Поэтому более информативным для нас будет соотношение Н⁺/ОН" при разных значениях рН. При рН 6 на 100 ионов водорода приходится только один гидроксид-ион, а при рН 8 уже на один ион водорода приходится 100 гидроксид-ионов. Как видим, и при щелочной реакции крови (рН 8) в ней еще имеются ионы водорода, но каждый из них находится в густом лесу, состоящем из ОН". Легко ли при таком соотношении ионов водорода и гидроксид-ионов протонным помпам найти и перенести внутрь клетки необходимое число протонов? Такой поиск можно сравнить только с поиском иглы в стоге сена. И именно при такой реакции крови (алкалоз) нас ожидает множество болезней.

Рассмотрим еще несколько соотношений между Н⁺ и ОН" при наиболее вероятных реакциях крови. Так, в учебнике по физиологии человека для медицинских институтов написано, что кровь имеет слабощелочную реакцию: рН артериальной крови равен 7.4, а рН венозной, вследствие большого содержания в ней углекислоты, равен 7.35. Обратите внимание на последнюю цифру и сравните ее с предыдущей. Реакция венозной крови всего на 0.05 единиц меньше артериальной, а ведь она несет в себе весь тот углекислый газ, который непрерывно выделяется в нашем организме и через легкие выбрасывается в атмосферу. Реакция венозной крови как раз и говорит нам о незначительных возможностях неглубокого дыхания (задержки некоторого количества углекислого газа в организме) по подкислению крови. И если по какой-то причине у нас будет высокая щёлочность крови, то вряд ли нам удастся исправить это негативное положение одним только изменением режима дыхания.

При реакции крови рН 7.4 на один ион водорода приходится шесть гидроксид-ионов. А при рН 7.35 на один ион водорода приходится пять гидроксид-ионов. И в одном, и в другом случае в крови преобладают ионы ОН". Если же мы каким-либо способом понизим реакцию нашей крови всего на 0,2 (я имею в виду первоначальную реакцию крови в 7.4), то при рН 7.2 на один ион водорода будет приходится уже не шесть, а только два иона ОН". А если мы еще больше подкислим нашу кровь, чтобы ее реакция хотя и незначительно, но все же стала кислой, например, рН 6.95 — это совсем недалеко от нейтральной реакции крови, то отношение Н⁺ к ОН" станет равным 5/4. Как видим, при такой реакции крови ионы водорода уже становятся хозяевами положения, да и концентрация их в крови увеличивается в три раза по сравнению с той, которая была при рН 7.4. Вот что в действительности дают, казалось бы, незначительные изменения рН нашей крови.

Здесь я еще немного задержу внимание читателей на четырех разных реакциях крови и покажу количественно как отношение Н⁺/ОН" может сказываться на нашем здоровье. Реакции эти равны 6.0, 6.8, 7.4 и 8.0.

Если мы считаем, что реакция крови с рН 7.4 является нормальной реакцией для нашей артериальной крови, то тогда следует считать нормальным и такое отношение Н⁺/ОН", когда на один ион водорода приходится шесть ионов ОН".

 

Но если эту реакцию крови (рН 7.4), которую мы считаем нормальной, повысить всего на 0.6 единицы, то получим алкалоз (рН 8.0). А это не только очень болезненное состояние организма, но и почти безжизненное. А отношение Н⁺/ОН" при этом будет выглядеть как один к ста. То есть при таком соотношении между Н⁺ и ОН" протонные помпы просто не в состоянии будут найти в крови и перекачать внутрь клетки ионы водорода, хотя эти ионы и будут находиться в крови. И в результате мы будем болеть. И это всего лишь при незначительном сдвиге реакции крови в сторону повышения рН.

А теперь понизим рН крови (повысим концентрацию ионов водорода в ней) относительно так называемой нормальной реакции (относительно рН 7.4) и тоже всего лишь на 0.6 единицы. При такой реакции крови (при рН 6.8) наступает оздоровление организма (более подробно об этом говорится в следующей главе). А отношение Н⁺ к ОН" при этом будет выглядеть как 5 к 2. То есть ионов водорода в крови будет уже больше, чем ионов ОН", хотя и незначительно. Но, прошу читателей обратить на это особое внимание, как при равном и незначительном сдвиге реакции крови в одну и в другую сторону относительно имеющейся у нас реакции крови (относительно рН 7.4), происходят очень большие изменения концентрации ионов Н"¹" и ОН" в крови, что незамедлительно сказывается и на нашем самочувствии, и на нашем здоровье.

Если мы продолжим подкисливать кровь, то её реакция может понизиться до рН 6.0. По медицинской терминологии это уже ацидоз, то есть кислая кровь. При такой реакции крови отношение Н⁺/ОН" равно 100 к 1. И если при рН 8.0 человек становится очень больным, то при рН 6.0 может происходить даже оздоровление организма человека (более подробно об этом говорится в следующей главе).Уже одно такое краткое сравнение состояний нашего здоровья при четырех разных, но реальных для нас реакциях крови, говорит нам о большом влиянии концентрации ионов водорода в крови на наше здоровье.

Остановлюсь кратко и еще на двух физиологических явлениях, напрямую связанных с ионами водорода.

Первое — об энергетике клетки. Нередко можно прочитать, что люди получают энергию непосредственно из космоса или от Солнца, что очень полезны продукты, накопившие в себе энергию нашего светила. Надо полагать, что это всего лишь красивая фантазия. Да, для поддержания жизни необходима энергия и она производится в самом организме в результате окисления кислородом жиров, белков и углеводов. От обеспечения нашего организма энергией зависит и наше здоровье, и наше долголетие. Чтобы в любом возрасте мы оставались и здоровыми, и жизнедеятельными, — мы, прежде всего, должны обеспечивать в полной мере свой организм энергией. Но обеспечить организм энергией вовсе не означает наполнить его жирами и углеводами и, переведя математически все это в килокалории, довольствоваться достигнутым. Наш организм состоит из множества клеток и только здоровая жизнь каждой клетки может обеспечить нам полноценное здоровье. Вся совершающаяся в клетках работа — химическая, механическая, электрическая и осмотическая — выполняется с потреблением энергии. Так вот, чтобы получить необходимую для организма энергию, надо еще суметь сжечь запасенное в нем топливо. То есть надо еще доставить в организм достаточное для этого количество кислорода. Казалось бы, чего проще, ничего не надо покупать, а бери из воздуха сколько необходимо этого самого кислорода и никаких проблем. Но, оказывается, проблем здесь еще больше, чем с продуктами питания. Человек практически всю жизнь испытывает кислородное голодание (гипоксию). Я как-то слушал лекцию по этой теме (по гипоксии) и лектор сделал такое заключение, что поскольку мы ничего не можем сделать по преодолению гипоксии, то нам надо постепенно адаптировать свой организм к этому состоянию. Не было только сказано как заставить каждую клетку пользоваться меньшей долей энергии, чем ей необходимо. Но нам хорошо известно другое — при недостатке кислорода клетка может и не погибнуть, но делиться при этом она ни в коем случае не будет, а это уже прямой путь и к нашим болезням (смотрите главу 15-ю), и к преждевременному старению.

Почему же мы испытываем кислородное голодание? Причин для этого существует множество и познакомиться с ними можно в специальной медицинской литературе. Все эти причины я бы разделил на две группы. К первой следует отнести те, которые препятствуют насыщению крови кислородом. Самая известная из них — это понижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. Такое может случиться не только при подъеме в горы, но в некоторых случаях и для особенно чувствительных людей и на низменных местах при резком падении барометрического давления. Но нас в данный момент интересует не эта группа причин, а другая, при которой кровь достаточно насыщена кислородом, но, тем не менее, отдельные органы или организм в целом испытывают кислородное голодание. Чаще всего отдельные органы испытывают такое голодание в результате атеросклероза сосудов, снабжающих их кровью. Атеросклерозу посвящена специальная глава (№10), а поэтому мы уделим сейчас внимание только кислородному голоданию всего организма, не отягченного атеросклерозом, при нормальном насыщении крови кислородом.

ЭФФЕКТ ВЕРИГО-БОРА

Основу разработки проблемы гипоксии заложил русский ученый-физиолог И. М. Сеченов фундаментальными работами по физиологии дыхания и газообменной функции крови. Большое значение имеют также исследования русского физиолога Б. Ф. Вериго по физиологии газообмена в легких и тканях. Опираясь на идеи И. М. Сеченова о сложных формах взаимодействия между двуокисью углерода и кислородом в крови (Вериго работал в лабораториях И. М. Сеченова, И. Р. Тарханова и И. Мечникова), он впервые установил зависимость степени диссоциации оксигемоглобина¹ от величины парциального давления углекислоты в крови.

При снижении парциального давления углекислого газа в альвеолярном воздухе и крови сродство кислорода к гемоглобину повышается, что затрудняет переход кислорода из капилляров в ткани. Это явление сегодня известно как эффект Вериго-Бора. Эффект этот был открыт независимо друг от друга Вериго (1898гр и датским физиологом Ч. Бором (1904г.)³.

Здесь я хочу ненадолго задержать внимание читателей на том, как гемоглобин крови связывает атмосферный кислород и как передает его тканям организма. При большом парциальном давлении кислорода гемоглобин (НЬ) соединяется с кислородом, образуя оксигемоглобин (НЬО2), а при низком парциальном давлении кислорода гемоглобин отдает присоединенный ранее кислород. Всю эту цепочку можно записать в виде обратимой химической реакции:

НЬ + О2 <->НЬО2

При каждом данном парциальном давлении кислорода существует определенное количественное соотношение между гемоглобином и оксигемоглобином. Если построить график зависимости количества оксигемоглобина от парциального давления кислорода, то мы получим кривую кислородной диссоциации, которая будет показывать каким образом эта реакция зависит от парциального давления кислорода. Более подробно о самом парциальном давлении говорится чуть ниже в этой главе.

Но на кривую кислородной диссоциации оказывает влияние не только парциальное давление кислорода. Существенное влияние оказывает и рН крови, то есть тот самый эффект Вериго-Бора, речь о котором шла чуть выше.

Оксигемоглобин — гемоглобин, соединенный с кислородом.

² В это время Б. Ф. Вериго работал в Одессе в Новороссийском университете.

³ Ч. Бор — отец Нильса Бора, физика, создателя теории атома, за что ему была присуждена Нобелевская премия; Нильс Бор — отец Оге Бора, тоже физика, и тоже лауреата Нобелевской премии. Это редкий случай талантливой семьи во многих поколениях.

 

Парциальное давление кислорода в мм,рт. ст.

Рис 2.2. Кривые кислородной диссоциации для крови голубя

(по Лутцу и др., 1973.)

I — кривая, полученная при нормальных для организма птицы условиях при рН 7,5; II — кривая, полученная при всех тех же условиях, но со сдвигом рН с 7,5 до 7,2.

На рис 2.2 изображены две кривые кислородной диссоциации, которые получены для одной и той же крови и при нормальных условиях по парциальному давлению, но при разных значениях рН крови. Первое, на что я хочу обратить внимание читателей при анализе рис. 2.2 — это на то обстоятельство, что при различных значениях рН полное насыщение крови кислородом происходит при значительно меньшем парциальном давлении кислорода, чем оно реально существует на уровне моря или просто на равнинной местности.

А это означает, что нас не должна особенно волновать проблема насыщения нашей крови кислородом, по сути, мы всегда имеем полное насыщение крови кислородом, если только мы не живем высоко в горах. А вот другая проблема — отдача кислорода тканям — нас должна особенно беспокоить. Очень часто наша кровь возвращается в легкие, не истратив даже 50% запасённого в ней кислорода. И в таком случае нам может помочь эффект Вериго-Бора. Например, при парциальном давлении кислорода в крови равном 40 мм. рт. ст. с рН 7.2 (по рис. 2.2) кровь может отдать 60% связанного кислорода, а та же кровь с рН 7.5 только 30%. Ясно, что для организма более благоприятна кровь с рН 7.2, чем с рН 7.5.

Физиологическое значение эффекта Вериго-Бора было отмечено многими исследователями. А упоминавшийся уже в этой главе русский ученый П. М. Альбицкий выдвинул даже гипотезу (1911г.), согласно которой парциальное давление углекислого газа в крови является важнейшим регулятором интенсивности окислительных процессов в тканях. Отсюда легко вытекает вывод, что при снижении в крови парциального давления углекислого газа нам следует ожидать нарушения обменных функций в организме и последующих всевозможных болезней.

Как видим, автор метода ВЛГД через полвека повторил гипотезу Альбицкого, но в то же время и предложил способ удержания углекислого газа в организме, чего не сделал Альбицкий. Конечно, самое интенсивное вымывание углекислого газа из организма происходит при глубоком дыхании. Поэтому Бутейко и решил волевым методом воспрепятствовать такому дыханию.

Многое мы делаем волевыми усилиями: и бегаем мы благодаря волевому преодолению своей лени, и физзарядкой мы занимаемся тоже благодаря волевому воздействию на самого себя, и точно так же мы обливаемся холодной водой, и точно так же мы достигаем волевыми усилиями всего и вся, чего хотим, поэтому нет ничего удивительного и в волевом управлении своим дыханием. Другое дело — многое ли нам дает такое волевое воздействие на дыхание? Возможно, всё же следует найти причину самого глубокого дыхания и воздействовать на неё? Объяснение Бутейко причины глубокого дыхания нас не устраивает, так как оно бездоказательно. Как, например, связать переедание мяса или молока с глубоким дыханием? Или как леность, продолжительный сон или привычка к алкоголю приводят к глубокому дыханию? А что у детей считать причиной того же глубокого дыхания?

Вопросы эти не праздные уже потому, что если знать истинную причину глубокого дыхания, то тогда можно воздействовать на неё и в результате дыхание нормализуется. А если причина такого дыхания нам неизвестна, то тогда мы не в состоянии будем её устранить и вынуждены будем прибегнуть к воздействию на само дыхание, что нам и предлагает Бутейко. Глубокое дыхание, по его мнению, является причиной многих болезней. Но мы не можем определить причину самого глубокого дыхания, а поэтому волевыми усилиями гасим глубину дыхания. Так родился метод волевой ликвидации глубокого дыхания. Ничего предосудительного в нём нет — не так быстро нам удается найти причину того или иного явления.

И по-прежнему у нас нет ответа и на вопрос — в чём причина глубокого дыхания, и на вопрос — почему мы испытываем кислородное голодание при нормальном насыщении крови кислородом? Ответом на последний вопрос может служить эффект Вериго-Бора, согласно которому при снижении концентрации углекислого газа в крови возрастает сродство кислорода с гемоглобином, что затрудняет переход кислорода в ткани организма. Но такой ответ будет не совсем точным, так как сродство гемоглобина с кислородом зависит не просто от концентрации углекислого газа в крови, а от концентрации ионов водорода в ней. Поэтому следует считать, что только недостаточное подкисление крови может быть причиной гипоксии всего организма при полном насыщении гемоглобина кислородом.

И если причиной гипоксии всего организма может быть относительно высокая щёлочность крови, то и причиной глубокого дыхания тоже может быть испытываемое организмом кислородное голодание. Но более подробно все детали этого явления мы рассмотрим немного позже.