[011] 体内の酸性・アルカリ性と炭酸ガス body acid-base reaction and carbon dioxide gas (GB#112C01) | 基礎医学教育研究会(KIKKEN)Lab

●酸素は酸性のもとにならない

こんなことで悩むのは日本の学生くらいなものではないか？　だって，英語では酸素は oxigen ，酸化は oxidation で，一方，酸性は acidity ，近年，話題になってる酸性化は acidification で全然ことばが違っているからだ。　と思っていたら，実は，もともと欧米でいう酸素 oxigen は「酸の素」という意味で名づけてしまったそうな。　

そうです。　もともとは酸性は酸素による性質と思われていたのは確かなのだ。　ところが実際は酸素は酸の素では無かったのです。　それでも現在，英語では酸には acid という別の名前が与えられているから混乱は少ないだろう。　日本語でも酸性は「酢性」とでも言い換えていたら良かったのかもしれないがもう遅い。

●酸性・アルカリ性は水素イオンの濃度で決まる

酸性，アルカリ性とはどういうことかという説明は，化学業界ではさまざまな環境の中でも使える統一的な説明を追求したためにかえって難しいことになってしまっている。　しかし，人体の生理学を考える上では以下のような古典的な説明で十分だろう。　人体の中の液体は水溶液だし，温度は体温でほぼ一定だからだ。
酸（acid ）とは単独で水に溶かしたときに酸性を示す性質をもつもので，酸性とはなにかというと，”酸素”ではなくて，別の陽イオンの水素イオン（H^＋）が発生して水中の H^＋ 濃度が上がっている状態だ。

一方，酸と一緒に水に溶かすと反応して塩（えん，salt）を作る物質を塩基（えんき，base ）と呼び，塩基は単独で水に溶かすとアルカリ性を示す。　よってアルカリ性のことを “塩基性（basic）” とも言う。　アルカリ性（塩基性）とは，陰イオンの水酸化物イオン（OH^－）が発生して，水素イオンよりも濃度が上がっている状態だ。
水素イオンも水酸化物イオンも水分子（H₂O）が分離した部品だ。　水酸化物イオンが増えた分に応じて水中の水素イオンの濃度を下げるから，水素イオン濃度を測ればアルカリ度が判る。　なぜかというと，水溶液では，水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度は “モル濃度（mol/L）” で掛け合わせると 10^－14 になるという規則性があるからだ。

●ちょうどよいのは４対２５

水素イオンの濃度を pH で表すと，体内に流れる血液の最適な値は pH 7.40 ± 0.05 と言われる。　つまり pH 7.35 から pH 7.45 の範囲ってことだ。　水中の水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度が等しい中性は pH 7.0 で，それより数値が大きくなるとアルカリ性で，7.0 より数値が小さくなると酸性ということは中学生でも習うだろう。　だから血液は中性よりもわずかにアルカリ側に傾いていて，弱アルカリ性だと言われる。

”わずかに”というけれど，ちょうどよい pH 7.40 では水素イオン濃度は 3.98 × 10^-8 mol/L，水酸化物イオン濃度は 25.1 × 10^-8 mol/L で，その濃度比は 4：25 ということで，水素イオンは水酸化物イオンのおよそ６分の１しかない。　

これが，正常範囲の下限の pH 7.35 では，水素イオン濃度は上昇して 4.47 × 10^-8 mol/L で，この時の水酸化物イオン濃度の 22.3 × 10^-8 mol/L に対しておよそ５分の１になり，上限の pH 7.45 では水素イオン濃度が 3.55 × 10^-8 mol/L に下がって，酸化物イオン濃度 28.2 × 10^-8 mol/L のおよそ８分の１になる。　

数値を pH で表すと，ごくわずかな変化に見えるけれど，実際の濃度で見れば，５分の１と８分の１では，環境の条件としては結構大きな違いだ。　塩と砂糖の加減でいうと，微妙な味の違いはでてきそうだ。　ごく一時的なものを除いて，血液の状態がこの正常範囲から外れると，原因か結果に関わらず，身体の具合が悪いことを示し，ひどく外れると死んでしまうというのも無理はないだろう。

●身体の中の酸性物質

塩化水素（HCl）は水に溶けると，H^＋ と Cl^－ に解離（かいり）して H^＋ を発生するので酸だ。　塩化水素の水溶液を塩酸（hydrochloric acid）という。

水酸化ナトリウム（NaOH）は，水の中で酸の HCl と反応させると，HCl ＋ NaOH → NaCl＋ H₂O となり塩化ナトリウム NaCl という塩を作るから塩基だ。　単独で水に溶かすと NaOH → Na^＋ ＋ OH^－ と解離し水酸化物イオンを増やすのでアルカリ性を示す。

塩酸が解離すると陰イオンの塩素イオン Cl^－ が発生するし，水酸化ナトリウムが解離すると陽イオンのナトリウムイオン Na^＋ ができるけれど，塩素イオンやナトリウムイオンは “酸性/アルカリ性” には直接には関係ない。　少なくとも水溶液の中では，水素イオンと水酸化物イオンの比が “酸性/アルカリ性” を決める。

また，酸性とかアルカリ性とかは，水に溶かしたときの水溶液の性質がそうだ，と言っているので，必ずしも水に溶かす前の物質から水素イオンとか水酸化物イオンが出てくるものばかりではない。　水の分子（H₂O）から H^＋ を奪い取って OH^－ を発生するという手もある。　

だから世の中の様々な物質が酸性になるかアルカリ性になるかは，またその酸性が強いか弱いかなどは，構成している元素や構造の性質によるので，物質の化学式だけで判断するのはある程度勉強した専門家でないとほぼ不可能だ。　結局，素人は知っておくべきそれぞれの物質の性質を地道に勉強しないとしかたないということだ。

学校の生理学で，体液の酸塩基平衡を専門的に扱う分野でなければ，酸性，アルカリ性のしくみの勉強が必要なものはほんのわずかしかない。　水素イオン（H^＋）と重炭酸イオン（HCO₃^－，炭酸水素イオン），それと炭酸（H₂CO₃）くらいだ。
ほかにアミノ酸（amino acid）とか乳酸（lactic acid）とか脂肪酸（fatty acid）とか，それに塩酸とかリン酸（phosphoric acid）とか酸という名前はいくつも教科書には出てくるけれど，これらの物質はそれがあるとかないとか，できるとかを問題にはしても，その物質の酸性，アルカリ性を問題にすることはほとんどないから心配ない。
　

●炭酸は大量に発生する

炭酸（carbonic acid）は体内でいちばん大量に発生する代謝産物だとされる。　身体を作っている細胞のひとつひとつが呼吸をして炭酸ガス＝二酸化炭素（CO₂）を発生する．

一日に 2000 kcal 消費するとき，エネルギー源がすべてブドウ糖だったら，1 molあたり 686 kcal なので約 2.9 mol を消費する。排出する炭酸ガスはブドウ糖１分子あたり６分子なので，2.9 ☓ 6 mol となる。　二酸化炭素の質量は 44 g/mol なので，一日に排出される炭酸ガスの質量は，2.9 ☓ 6 ☓ 44 = 765.6 g。一日のエネルギー消費が 2500 kcal だったら，排出炭酸ガスは 957 g となり，一日あたりおよそ１kg とされることもある。　

炭酸ガス（carbon dioxide）は，炭酸から発生した気体物質（ガス）ということで，「炭酸」がそのままガスになったものではないから，この名前も素人はときどき混乱してしまう。　ちなみに，炭酸ガスの「酸」は acid の酸だけど，二酸化炭素の「酸」は oxigen （酸素）の酸のはずだから，ますますこんがらがる。

炭酸ガスは水分子と反応すると炭酸になる。　炭酸（H₂CO₃）は水のなかで一部が重炭酸イオン HCO₃^－ と水素イオンに分離して，水素イオンを出すから，酸だ。

CO₂ ＋ H₂O　→　H₂CO₃
　　　　　　　H₂CO₃　→　HCO₃^－ ＋ Ｈ^＋

体内では大量に発生する炭酸ガス（CO₂）を運ぶ必要があるけれど，ガスの状態では，発生する量の１０分の１しか水には溶かせない。　そのため，大部分を「炭酸脱水酵素　carbonic anhydrase」という特別な酵素の力を借りて，十分に水に溶ける重炭酸イオン（HCO₃^－）の形にして運ぶ。　そのとき，水素イオン（H^＋）が発生するので，放っておくと血液は酸性になってしまう。　しかし都合のよいことに，この水素イオンは一時的に別の形で隠しておく仕組みがあって，肺にたどり着くと，この H^＋ はまた重炭酸イオンに戻されて炭酸ができる。　炭酸は水と炭酸ガスに分かれて，炭酸ガスは吐き出す空気に混ざって捨てられる。
腎臓で重炭酸イオンが作られるときは，水素イオンはすぐに尿として捨てられる。この分の重炭酸イオンは，血液の中を流れて，身体の別の場所で発生した水素イオンを取り込むことができる。

HCO₃^－ ＋ H^＋　→　H₂CO₃
　　　　　　　H₂CO₃ →　H₂O　＋ CO₂↑

炭酸ガスの発生で生じる水素イオンは最終的には差し引きゼロになって，収支では身体を酸性にすることはない。

それでは，深呼吸を繰り返すと血液がアルカリ性に傾くのはなぜか。　過度の呼吸をすると，炭酸ガスが余計に吐き出されてしまう。　そうすると，その分，水素イオンが余計に片づけられてしまうのだ。　水素イオンが減ると水酸化物イオンが増える。　これでアルカリ性に傾くのだ。　やはり酸素は関係なかった。

※炭酸でちょっとややこしいのは，「炭酸水」は弱酸性を示す一方，「炭酸ナトリウム」は「酸」という言葉がはいっているけれど，その水溶液は酸性ではなくて，弱アルカリ性になる，みたいなことがあることだ。

※赤い●は炭酸脱水酵素が働いているところを示すけれど，あまり厳密ではない。　だいたいの目安だ。分子の共鳴についての表現は要注意．【引用】誤解：共鳴構造が分子の実在の過渡状態であり、分子はそれらの共鳴構造の間で振動している、あるいはそれらの間の平衡構造して存在しているという一般的誤解がある。しかしながら、これらの個々の寄与構造は実在の共鳴安定化された分子において観測することはできない。いかなる分子あるいはイオンもたった一つの形、共鳴混成体で存在する。共鳴という単語の物理学的意味との混乱のため、共鳴という用語を廃止し「非局在化」と呼ぼうという提案がなされている。（wikipedia 共鳴理論）。

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