The current state of the question of the "reaction" of fluids of the human body

Abstract

The question of the "reaction" of the fluids of the human body is not entirely new, but only in the last few years, mainly during the war years, it has attracted the general attention of biologists, physiologists and doctors around the world. Only now are more or less broad prospects emerging, which the development of this question promises for physiology, diagnostics, and therapy. Therefore, I ask the reader to arm yourself with patience in order to overcome the preliminary physico-chemical part of this review.

Full Text

Вопрос о „реакции“ жидкостей человеческого организма—не совсем новый, но лишь в последние несколько лет, главным образом в годы войны, он привлек к себе общее внимание биологов, физиологов и врачей всего мира. Лишь теперь более или менее вырисовываются широкие перспективы, которые обещает разработка этого вопроса для физиологии, диагностики, терапии. Поэтому я прошу читателя вооружиться терпением, дабы преодолеть предварительную физико-химическую часть этого обзора.

I.

„Реакция“ жидкости определяется соотношением в ней Н-и ОНʹ-ионов [1]). Преобладание Н'-ионов обусловливает кислую „реакцию“, ОН'-ионов—щелочную; при равном количестве тех и других получается нейтральная „реакция“. Однако в определении „реакции“ принимает участие не все наличное количество водорода и кислорода, а лишь так наз. „активные ионы“ Н‘ и ОНʹ отделившиеся при диссоциации от нейтральной молекулы и несущие определенный электрический заряд; остальное количество водорода и кислорода, находящееся в виде „потенциальных ионов“ в нейтральной молекуле, участия в определении „реакции“ не принимает.

Диссоциация происходит, когда взаимное притяжение ионов (в нейтральной молекуле) так мало, что может быть превзойдено между- и внутримолекулярными динамическими силами, имеющими тенденцию разъединить ионы.    

Вода (Н20), наиболее частый растворитель, способна диссоциировать лишь в очень малой степени. Чистая вода при 22°С содержит литре одинаково по одному, приблизительно, бцлдцоцу Н-и ОНАионов, что в терминах нормальности дает для Н и ОНʹ раствор N=0,0000001 N=10-N.

Нормальный раствор—это такой, в литре которого содержится 1 грамм-атом водорода или эквивалентные одному атому водорода весовые количества других простых и сложных соединений, выраженных в граммах. Следовательно, в нормальном растворе Н или ОН те и другие были-бы в количестве 1,008 гр. (для Н) или 17,008 гр. (для ОН) на литр раствора. В химически-чистой же воде количество Н’ и ОН' (около биллиона каждых) составляет по весу лишь веса для нормального раствора; поэтому здесь раствор в десять миллионов раз слабее нормального (10-7N).

Так как концентрации Н’ и ОН' в воде, химически чистой, равны друг другу, то вода обладает нейтральной „реакцией“. Но закону же химического действия масс (Guldberg и Waage), с точностью выполнимому в таких разведенных растворах, как вода, концентрация Н - и ОН'-ионов вместе, или общее количество активных ионов, будет: [Н] • [ОН']—10“14, т. е. 10“7-10“7=10“14; N—знак нормальности, — обычно опускается. 10“14—это константа диссоциации воды.

Растворяя в воде то или иное вещество, в различной мере способное диссоциировать в растворе на свои ионы, можно нарушить имеющееся в воде равновесие в пользу Н'- или ОН'-ионов, придавая, таким образом, раствору кислый или щелочный характер. Напр., если мы растворим в воде НС1—соляную кислоту, относящуюся к сильным кислотам[2]), почти вполне (до 93%) диссоциирующую на свои Н- и СІ'-ионы, то вышеуказанное уравнение (константа диссоциации воды) изменится так, что сН (т. е. концентрация водородных ионов) станет вместо 10“7,—если мы возьмем кислоту, допустим, в контрации одной грамм-молекулы на литр,—единицей, а сОН (т. е. концентрация гидроксильных ионов) — лишь 10“14. Концентрация ОН' вычисляется из формулы [Н‘] • [ОН']=10-14, а именно: 10“14' делят на сН, т. е. в данном случае на единицу (получ. 10“14).

С другой стороны, если растворить каустическую соду в виде нормального же раствора, то сОН становится единицей, асН=10 Можно приготовить кислоты или щелочи различной концентрации.

кислоты	[Н-]	[ОН']	щелочи	[Н]	[OH']
N	1	10-14	N	10“14	1
N/1O	10-1	10-13	N/10	10“13	10-1
N/100	10-2	10-12	N/100	10“12	10-2
N/1000	10-3	10-11	N/1000	10“11	10-3
N/10000	10-4	10-10	N/10000	10“10	10“1 и т. д.

Обычно ограничиваются определением лишь сН, так как сОН легко, как выше указано, высчитать. Для удобства вместо сН, напр., 10“7 пишут лишь, по предложению Sörensen’а, показателя степени (отрицательный логарифм), отбрасывая минус, т. е. 7, обозначая это значком pH. pH=log сН.

Следовательно, „реакция“ нейтральной воды будет рН=7,0 (т. е. концентрация Н’-ионов—10“7 и ОН'-йонов также=10“7). Для вычисления рОН достаточно от 14 отнять числовую величину pH.

Чем больше числовая величина pH, тем меньше концентрация водородных ионов (сН), и тем щелочнее жидкость (так как соответственно больше концентрация ОН). Чем меньше pH, тем больше концентрация водородных ионов, и тем Жидкость кислее.

pH жидкости может быть представлено любым числом из ряда чисел от 0 до 14.

Константа диссоциации изменяется с температурой:

[H*] • [ОН']= 10“14           при 22°С, а рН = 7,0

[Н']-[ОН'] = 10“14’14 При 18°С, а pH —7,07

 [Н’] • [ОН']= 10“13’60 ПрИ 37С а pH = 6,80.

II.

У нас еще и поныне единственным способом определения „реакции“ является проба лакмусовыми бумажками. Но, не говоря уже о том, что этот способ не точен, о чем будет подробнее сказано ниже,-он удовлетворяет лишь качественной стороне.

Однако не всякая степень кислотности или щелочности пригодна для работы того или иного фермента или жизнедеятельности тех или иных клеток; часто для них требуется определенная узкая степень кислотности или щелочности. Конечно, лакмусом этого не определить.

Употреблявшийся титриметрический метод,—титрование кислоты щелочью и наоборот,—на самом деле не дает ответа, так как титрованием мы определяем не степень кислотности или щелочности, а количество кислоты или щелочи. Если мы имеем кислоту и титруем ее щелочью, то, нейтрализуя прибавляемыми ОН'-ионами имеющиеся Н'-ионы кислоты, мы в то же время нарушаем равновесие диссоциации и стимулируем дальнейшую диссоциацию нашей кислоты на ионы до определенной степени (каждой кислоте, как и щелочи, как мы выше упоминали, присуща определенная степень диссоциации). Это будет продолжаться до тех пор, пока не будут диссоциированы все молекулы кислоты, и конец реакции определится изменением цвета от индикатора. Таким образом по затраченному количеству щелочи мы узнаем о количестве кислоты, но не о количестве „активных“ ионов в начале реакции.

Если не считать редко употребительных и недостаточно достоверных способов, обладающих способностью, ускорять такие процессы, скорость которых пропорциональна концентрации ионов исследуемой жидкости (напр., метод инверсии тростникового сахара й др.),—в настоящее время имеются 2 метода определения „реакции“, т. е. степени кислотности или щелочности: 1) электрометрический и 2) колориметрический.

Первый,—наиболее точный,—описан уже на русском языке (Скадовский); принцип его: если, по предложению Nеrnst’a, покрытую платиновой чернью платиновую пластинку опустить в водный—кислый, нейтральный или щелочной-раствор, и жидкость, как и пластинку, насытить водородом, то обнаружим между платиновой пластинкой и раствором разницу потенциалов, величина которой закономерно зависит от сН жидкости. Нужно сказать, что у нас, в настоящее время, этот способ трудно выполним даже в больницах и лабораториях больших городов, а также, вероятно, и в некоторых провинциальных университетах. Гораздо проще и в достаточной мере точен второй способ, в принципе разработанный, главным образом, Eriedenthаlʹем и Salm’oм. Состоит он в следующем: подбирают ряд красок—индикаторов, дающих то или иное определенное окрашивание при определенной степени кислотности или щелочности раствора; в особенности пригодны те краски, которые изменяют свой цвет лишь на небольшом протяжении щелочно-кислотного ряда (pH от 0 до 14). Из этих красок составляется шкала, каждая ступень которой соответствует определенному pH; с этой шкалой сравнивается исследуемая жидкость, к которой прибавляют поочередно ту или иную краску. Сравнивая различные оттенки, можно довольно точно определить pH. Приводим пример шкалы:

Индикаторы.	Изменение цвета.	pH.
1. Thymol blue (1-й период изменения окраски)	от красного до желтого	1,2— 2,8
2. Brom-phenol blue	от желтого до синего	2,8— 4,6
3. Methyl red	от красного до желтого	4,4— 6,0
4. Brom-cresol purple	от желтого до пурпурного	5,2— 6,8
5. Brom-thymol blue	от желтого до синего	6,0— 7,6
6. Phenol red	от желтого до красного	6,8— 8,4
7. Thymol blue (2-й период)	от желтого до синего	8,0— 9,6
8. Phenol-thy mol-phtalein	от бесцветного до розового и до фиолетового	8,3—11,0
9. Thymol violet	от желтого до синего и и до фиолетового	9,0—13,0

pH этих индикаторов, конечно, устанавливаются предварительно электрометрическим способом.

Свойства хорошего индикатора: 1) изменение цвета должно быть резким, 2) конечные цвета должны представлять возможно больший контраст, 3) на него мало должны действовать имеющиеся в исследуемой жидкости нейтральные и др. составные части.

Дефекты лакмуса: 1) окрашивающаяся материя его состоит не из одного какого-либо вещества, а состав его зависит от способа экстрагирования; 2) изменение его цвета, по сравнению с новыми индикаторами, медленно, и его цвета не так резки (блестящи); azo- litmin, главное индикативное вещество лакмуса, изменяет свой цвет на сравнительно-широком протяжении,—от рН=4,5 до рН=8,3;

3)на него влияет присутствие солей и протеинов; некоторые жидкости, как молоко, растворы сульфатов и др., на лакмус „амфотерны“, на самом же деле это - растворы нейтральной „реакции“, приводящие красный и синий лакмус к их нейтральному колориту.

При приготовлении шкалы наподобие вышеуказанной нужно для так наз. „буфферного“ действия (о нем подробнее—ниже) прибавить „буфферы“ (белки, карбонаты и др.), так как раствор индикатора может со временем измениться даже от воздуха (стать кислее) и от стекла сосуда (стать щелочнее).

При определении pH жидкости вместо употребления большого ряда индикаторов иногда пользуются смесью индикаторов, образующих большую школу; так, напр., имеется „compound indicator", который показывает изменение цвета всего спектра от красного до фиолетового со скалой pH от 4 до 11. Маленькая таблетка, содержащая определенное количество сложного индикатора, растворяется в 10 к. с. исследуемой жидкости и дает жидкости определенный цвет.

Весьма простую и неизменяемую шкалу недавно (в 1921 г.) описал Michaelis. Благодаря своей простоте она несомненно вытеснит лакмус и применима даже в любой больнице.

№№ ПРОБИРОК

1-я серия 0,1% водн. раствор р - nitrophenol’a, разведенного в 10 раз 0,1 n Na2CO3	1	2	3	4	5	6	7	8	9	куб. сант.
	0,16	0,25	0,4	0,63	0,94	1,4	2,08	3,0	4,05
0,1 n Na2CO8	6,84	6,75	6,6	6,37	6,06	5,6	4,92	4,0	2,95	куб. сант.

1	2	3	4	5	6	7	8	8
0,27	0,43	0,66	1,0	1,5	2,3	3,0	4,2	5,2
6,73	6,57	6,34	6,0	5,5	4,7	4,0	2,8	1,8

Пробирки должны быть, по возможности, одинаковы и закрыты, чтобы не пропускать воздуха, параффинированными пробками. Так они могут неопределенно долго сохраняться. Разведениям этим соответствует pH:

5,4	5,6	5,8	6,0	6,2	6,4	6,6	6,8	7,0
6,8	7,0	7,2	7,4	7,6	7,8	8,0	8,2	8,4

Если исследуемая жидкость бесцветна, то к 6 к.с. ее прибавляется 1,0 к.с. 0,3% раств. m-nitrophenol’a, или 0,1% раствора р-nіtгорhеnоlʹа, и сравнивается со стандартами. Возможна интерполяция. Если жидкость окрашена в какой-нибудь цвет, то употребляют „компараторы“—W а 1 р о 1 e’евский или S. H. Hurwitz’a (последний удобнее).

Описанная Місhаёlіs’ом шкала вполне достаточна для исследования всех жидкостей человеческого организма, за исключением желудочного сока. Нами приготовлена эта шкала в Башбактинституте в Уфе, причем пришлось, вследствие, вероятно, недостаточной чистоты красок, обозначения pH переменить; по проверке получились серии:

1-я серия	6,2	6,4	6,6	6,8	7,0	7,2	7,4	7,6	7.8
2-я серия	6,4	6,6	6,8	7,0	7,2	7,4	7,6	7,8	8,0

III.

Если к чистой дестиллированной воде прибавить каплю слабой НС1, то pH воды изменится с 7, допустим, до 3; но если мы прибавим то же количество соляной кислоты к нейтральной же воде, содержащей фосфорнокислый натр, то изменение pH будет незначительно. Здесь фосфорнокислый натр проявляет „буфферное“ действие, т. ѳ. проявляет тенденцию сопротивляться изменению pH г Наисильнейшие буфферы—это соли слабых кислот и оснований: фосфаты, карбонаты, ацетаты, фталаты, бораты, цитраты и т. п. Особенно замечательны по своему буфферному действию белки и аминокислоты, которые являются „амфолитами“ (амфотерными электролитами); они при различных условиях могут действовать то как слабая кислота, то как слабая щелочь.

В человеческом организме имеются все эти буфферы, а также существуют так называемые „живые буфферы", напр., клетки дыхательного центра и почки, благодаря своей деятельности удерживающие с величайшей точностью постоянство сН, требуемое внутренней средой всех других клеток тела, т. ѳ. кровью и тканевой жидкостью.

Как пример буфферного действия, можно привести поглощение буфферами эффекта прибавляемых кислот, особенно угольной и молочной, которые при работе мышц продуцируются с большой быстротой и в большом количестве.

Понятно, что, благодаря наличию буфферов, ,,реакция“ всех жидкостей человеческого организма весьма постоянна. Отсюда ясна важность пользования новыми методами определения „реакции“.

Приведем несколько примеров применения определения pH в биологиями медицине:

• Как мы уже упоминали, жидкости человеческого организма имеют постоянный pH: для панкреатического сока он—8,3, для крови=7,4, для слез=7,2, для человеческого молока=7,1 (для коровьего молока=6,7, для слюны=6,9, для мочи=6,0, для пота= 4,5, для детского желудочного сока = 5,0, для желудочного сока взрослых—0,9—1,6.
• Для каждого энзима существует optimum pH (наподобие оптимума t°): для трипсина он-=8,0, для пепсина=1,4, инвентавы= 4,5 и т. п Оптимум приблизит, сходен с pH жидкостей, в которых действуют эти энзимы.
• Секреция желез может быть лишь при определенн. pH.
• Растворы некоторых алкалоидов, как кокаин и его дериваты и строфантин, делаются менее активными, если становятся более щелочными.
• Дезинфекция кислотами и основаниями в большой степени зависит от pH.
• Лимонный сок имеет рН=2,2, вино—2,8—3,8, апельсинный сок=3,1—4,1, пиво=3,9—4,7.
• Коровье молоко, только что выдоенное, имеет рН=6,8, т. ѳ. почти нейтрально, но с ростом и развитием производящих молочную кислоту бактерий pH уменьшается, пока при 6,0 не ощущается уже кислого вкуса.
• coli имеет оптимум рН=5,0, дрожжи=2,5, bac. subtilis=4,2—9,5 и т. п.
• Установлено определенное влияние Н‘-ионов на фагоцитоз.
• При пропускании раствора Ringe га (рН=7,7) через изолированное сердце лягушки сокращения сердечной мышцы происходят нормально; с повышением сН раствора до рН=6,5 частота и энергия уже значительно понижаются; при рН=6,0 сокращения прекращаются вовсе.
• Winterstein предложил теорию, согласно которой единственным химическим регулятором дыхания является не углекислота, которая считалась специфическим раздражителем дыхательных центров, а концентрация водородных ионов.

IV.

Наиболее разработан вопрос о „реакции" крови. При 18°С pH крови=7,5, при 37°С=7,38. При этом между артериальной и венозной кровью имеется разница.

Напряжение СО2 при t°=38°С.	pH	Отношение pH артериальной к венозной крови.
30 (артер. кровь) 50 (венозн. кровь)	7,45 7,31	1:1,38

„Реакция" крови отличается большим постоянством: значительные отклонения могут быть лишь в патологических случаях незначительные—при различных физиологических состояниях; так, напр., при мясной диэте pH немного больше, чем при растительной. Оказалось, что разнице этой соответствует изменение напряжения СО3 в легочном воздухе. Стало быть, мясная диэта изменяет состав крови, увеличивая сН, но параллельно с этим происходит саморегуляция: благодаря усиленной вентиляции, достигается понижение давления СО2 и в результате сН крови уменьшается, приближаясь к норме. Постоянство „реакции“ крови поддерживается, главным образом, буфферами,—карбонатами и свободной СО2; водородные ионы получаются: Н2О+СО2=Н2СО3==Н+НСО'3, гидроксильные ионы получаются: H2O+NaHCO3=Na+H2CO3+OH. „Реакция“ плазмы зависит от отношения; отношение это, как правило, равно 1/20.

Если в процессе метаболизма образуется кислота, более сильная, чем СО2, то часть щелочи употребляется для ее нейтрализации, а СО2 освобождается и выдыхается, так что пропорциональные отношения СО2 к NaHCO3 в крови поддерживаются постоянно. С поддержанием нейтральности здесь имеется потеря щелочного резерва; щелочь воспринимается из крови в ткани и выделяется почками. Для условий, когда „реакция“ циркулирующей крови менее щелочная, чем нормальная, предложено название „ацидэмия“, тогда как при ненормально щелочной крови мы говорим об „алкалэмии“. Изменение „реакции" артериальной крови не обязательно обусловливает в такой же степени изменение „реакции“ в тканевых клетках, так как в тканях „реакция“ зависит также от местного метаболизма и циркуляции. Уменьшенная продукция кислоты—редкое патологическое условие, но это может случиться, когда метаболизм понижен из-за недостаточности щитовидной железы, или при голодании, и тогда она компенсируется меньшей легочной вентиляцией. В некоторых случаях нефрита имеется избыток щелочи. Повышенная продукция СО2 при гиперфункции щитовидной железы и во время лихорадки компенсируется более глубоким дыханием. При диабетическом ацидозе сН крови повышается во время комы. Организм сопротивляется ацидозу увеличенным образованием аммиака и выделением СО2, так что альвеолярное напряжение этого газа падает. Дача NaHСO3 в некоторых случаях передвигает „реакцию“ на щелочную сторону. Внутривенные вливания 30% раствора декстрозы обрывают образовавшееся вследствие недостат. равновесия кислоты и основания в крови dyspnoë.

Так как установлено, что у здоровых индивидуумов, а тем более—у больных имеется изменение сН, то является вопрос, какое значение имеет „реакция“ крови? В какой мере она соответствует симптомам? До какой степени она является фундаментальным изменением в организме? В особенности это выяснено по отношению к dyspnoë. Общий план исследования таков: первое—какие изменения могут быть вызваны переменой „реакции" у здорового? второе—выделяются-ли эти изменение, как симптомы, в течение болезни? Если это так, то, в-третьих,—имеется-ли изменение сН в крови, которое- бы отвечало этим симптомам? Если это имеется, то простейшая гипотеза,—что изменение щелочности (или кислотности) есть причина данного симптома. Возьмем, примерно, определенный симптомокомплекс dyspnoë. Может-ли повышение сН вызвать отсутствие дыхания у здоровых? Сочетается-ли dyspnoë с увеличением сН крови во

время болезни? Если это так, то простейшее предположение,— что повышение сН bçе время болезни может быть причиной отсутствия дыханий. Но „простейшее предположение“ невсегда является обязательным доказательством. Диспноэ может иметь и другие причины. Однако, если доказано, что сН является причиной диспноэ во время отдыха (в норме), то прежде, чем ее дискредитировать, как причину диспное во время болезни, нужно найти причину, почему мозг перестает быть чувствительным к сН во время болезни, и должно отыскать какую-нибудь другую причину диспное. Всегда нужно различать между причиной и следствием: когда имеется ацидэмия и уменьшенное дыхание, то ацидэмия—причина; когда'ÎKe налицо алкалэмия и уменьшенное дыхание, то уменьшенное дыхание извести в крови и долгое время видели причину болезни обмене извести, в измененном отношении .

Но иcследования алкриканцев относительно кислотности в крови при тетании, а также наблюдение, что и гипертное (сильное выдыхание—уменьшение СО2—алкалоз крови) может вести к тетании, указали на концентрацию ионов — ; эта догадка была подтверждена счастливыми исходами терапевтического вмешательства, а именно,—введением кислот или кисло действующих в теле солей. В этом случае „чистая теория“ современного учения о концентрации водородных ионов снова оказалась разведчиком многообещающей терапии.

Подобным же образом обстоит дело с рахитом. Трудность патогенеза этой болезни легко привела к тому, что почти каждое новое приобретение физиологии применялось для об’яснения его (одно за другим: внутренняя секреция, действие лучей, витамины). При такой сложной болезни, вероятна, все эти факторы играют роль, но развивается болезнь, по-видимому, на основе ацидоза; за это говорит не только увеличение аммиака в моче, но прежде всего— значительное уменьшение фосфатов в крови.

Соотношение между рахитом и тетанией по Е. Freudenberg’y и Р. György.

	Рахит	Тетания
Кровяное давление	нормально-	сильно понижено
кровяные фосфаты	уменьшены	нормально; слегка повышены
мочевые фосфаты	увеличены	уменьшены
мочевой аммиак	увеличен	уменьшен
тканевое дыхание	понижено ацидоз	повышено алкалоз

Не приводя дальнейших примеров, укажем только, что и в отношении „реакции“ кровь животных сходна с морской водой: и морская вода имеет слабо-щелочную „реакцию“.

V.

Глава о моче менее разработана Выше указанная „реакция“ мочи около 6,0 является лишь средней. На самом деле у здоровых суб’ектов pH колеблется в течение дня от 6,2 до 7,2, в течение ночи— от 5,2 до 5,75. Следовательно, ночью моча сильно кислая, тогда как днем—почти нейтральная. После еды в течение 2—3-х часов моча становится щелочнее. О влиянии диэты мы уже говорили в главе о крови; тоже относится и к моче. Повышенная мышечная деятельность повышает кислотность мочи.

В заключение остается сказать, что вопрос о концентрации водородных ионов в настоящее время находится в самом разгаре разработки, и мы в праве ждать от него еще очень много интересного в разных областях биологии и медицины.

[1] Ионы—это положительно и отрицательно заряженные частицы, вместе составляющие нейтральную молекулу; в данном случае Н'-ион— это атом водорода, потерявший один электрон,—носителя отрицательного электричества,—и ставший поэтому положительно заряженным; ОН'-ион — это атом кислорода плюс атом водорода, приобревшие один электрон и ставшие, благодаря этому,, отрицательно заряженным ионом.

[2] Сильные кислоты и щёлочи в сильной степени диссоциируют на ионы, слабые—слабо диссоциируют.