Роль углекислого газа в нашем организме

Казалось бы, углекислый газ нужен только каким-нибудь растениям для фотосинтеза, а для нас он абсолютно бесполезен, от него организму надо избавляться. Но не тут то было! Совсем без углекислого газа мы не проживем, потому что и его наш организм научился использовать для всяких полезностей.

Угольная кислота

Самая главная польза — это производство угольной кислоты. Да, в школе на химии говорят, что она не существует в свободном виде и сразу распадается, но даже так она играет в организме важную роль.

Реакция CO₂ + H₂O → H₂CO₃ обратимая, то есть если мы не будем забирать из среды ни продукты, ни реагенты, то будет одновременно идти две реакции — в прямую и обратную стороны (это называется динамическое равновесие). И равновесие это можно смещать в ту или иную сторону, то есть увеличивать концентрацию веществ с одной стороны, к примеру, угольной кислоты. Этого можно добиться, если добавлять в среду CO₂ или забирать из среды саму угольную кислоту.

Также для ускорения этой реакции у нас даже есть отдельный фермент — карбоангидраза.
А сама угольная кислота нам нужна, когда мы действительно хотим где-то закислить среду. Угольная кислота, как и любая другая, в растворе диссоциирует на H⁺ и HCO₃⁻ [на самом деле там не просто голый протон, он садится на воду и получается Н₃О⁺, но для простоты мы будем говорить про Н⁺].

И вот этим протоном мы уже можем закислять какие-то полости в организме. Водородно-калиевая АТФаза за счет одной молекулы АТФ обменивает ион калия на протон, закачивая протоны в какие-нибудь полости.
Анион HCO₃⁻ тоже не остается без дела, его хлорно-бикарбонатный обменник меняет на ион Cl⁻, который потом выходит из клетки (только на другую сторону) через обычный канал. Вместе с протоном получается просто соляная кислота.

Пищеварение

Во-первых, соляная кислота нам нужна в желудке. Она активирует профермент пепсиноген, чтобы образовался пепсин (работающий только в кислой среде), который расщепляет белки до аминокислот или простых пептидов.

Резорбция кости

Во-вторых, соляная кислота нужна для растворения минеральной основы костной ткани. Остеокласты ходят по костной ткани и закачивают под себя соляную кислоту, разрушая неорганическую основу костного матрикса. Для разрушения органической основы (например, коллагена) остеокласты затем выделяют в образовавшуюся полость ферменты (катепсин и т.д.).

Азотистый обмен

Третий процесс, в котором нужна кислая среда, это выведение аммиака из организма. При разрушении аминокислот образуется аммиак (это ведь АМИНОкислоты), и этот аммиак надо как-то из организма выводить. Основной способ выведения — синтез мочевины в орнитиновом цикле, а дальше мочевина просто выводится почками. Однако также аммиак может выводится непосредственно, связываясь с глутаминовой кислотой (аминокислота), образуя глутамин. Дальше этот глутамин идет в почки, и там аммиак высвобождается в каналец нефрона. Чтобы его там задержать, первичная моча подкисляется, за счет того же водородно-калиевого обменника, и аммиак превращается в ион аммония NH₄⁺.

Лизосомы

Кстати, участвовать в расщеплении веществ протоны могут не только в желудке, но и в любых клетках. Для работы ферментов в лизосомах тоже нужна кислая среда, которую создают опять же водородно-калиевые АТФазы в мембране лизосомы.

Газообмен

Помимо всего этого, углекислый газ нужен, как ни странно, для доставки кислорода к тканям. Ведь если бы гемоглобин мог только связываться с кислородом, то связав его в легких, он так и катал его по всей кровеносной системе, никому не отдавая. Поэтому, чтобы ткани могли получать кислород, нужно, чтобы гемоглобин терял сродство к кислороду в тех местах, где кислорода не хватает. Однако кислород участвует в окислении органики, в результате которого образуется углекислый газ, а значит там, где идет активная трата кислорода, одновременно идёт активное образование углекислого газа, на этом процессе и основана отдача кислорода в тканях.
Ну, во-первых, кислород отсоединяется как минимум из-за того, что реакция присоединения кислорода к гемоглобину обратимая, а значит, при уменьшении концентрации кислорода равновесие смещается в сторону отщепления кислорода от гемоглобина. Во-вторых, углекислый газ может соединяться с аминогруппой гемоглобина, формируя карбгемоглобин, у которого сродство к кислороду ниже, чем у обычного гемоглобина, что ещё сильнее смещает равновесие в сторону отщепления кислорода.

Также на данный процесс влияет и образование угольной кислоты. При повышенном содержании СО₂ повышается концентрация угольной кислоты, которая диссоциирует с образованием протонов Н⁺. Протоны также могут связываться с гемоглобином, понижая его сродство к кислороду. Это явление называется эффект Бора (это не Нильс Бор, а какой-то физиолог начала ХХ века).

Кстати, регуляция дыхания также основана на определении концентрации именно углекислого газа, а не кислорода. Хеморецепторы рядом с бифуркацией (разделением) общей сонной артерии улавливают концентрацию СО₂ и посылают сигнал в центр дыхания для регуляции частоты и глубины вдохов. Именно для этого делают искусственное дыхание: выдыхая мы наполняем легкие человека углекислым газом, чтобы начал работать центр дыхания.

Вроде, всё что знал, рассказал).

Спасибо за внимание!