pH, pis en alkalisch-dieet

Verzuren, alkalisch, pH en pseudowetenschap

Inmiddels hebben woorden als ‘verzuring’ en ‘alkalisch’ al enige tijd hun entree gemaakt in de grote boze wereld van pseudowetenschap. Tal van ziektebeelden worden toegeschreven aan ‘verzuring’ van het lichaam door een ‘verzurend-dieet’ en er is inmiddels een hele commerciële markt omheen gebouwd om dit te lijf te gaan. Deze markt weet mensen zelfs zo gek te krijgen om de pH van hun urine te meten met pH-strips… Ook wordt er vaak mysterieus gedaan over wat voor effect sommige stoffen hebben op de pH van het lichaam.

In dit artikel ga ik je uitleggen wat pH nu precies is, en wat je lichaam er nou eigenlijk meedoet.

Zuren en basen: een introductie

Een korte uitleg over de definitie van zuren en basen lijkt mij op z’n plek. In de chemie kent men drie definities van zuren en basen. De eerste definitie is afkomstig van de Nobelprijswinnaar Svante Arrhenius. Hij definieerde zuren als waterstof-houdende moleculen die, opgelost in water, protonen (H⁺) geven (die direct reageren met H₂O en zo H₃O⁺ vormen). Basen definieerde hij als hydroxide-houdende moleculen die, opgelost in water, hydroxide ionen (OH^–) geven. De mate van dissociatie bepaalt of het een sterke of zwakke base/zuur betreft. Bij een (bijna) volledige dissociatie van een Arrhenius-zuur in water spreekt men over een sterk zuur, en bij een gedeeltelijke dissociatie van een zwak zuur. Hetzelfde riddeltje geldt voor de Arrhenius-basen.

Een voorbeeld van een (zwak) Arrhenius-zuur is azijnzuur:

De definitie van Svante Arrhenius was echter niet volmaakt. Arrhenius-zuren en -basen moeten oplossen in water; een eigenschap die niet voor alle zuren en basen geldt. Bovendien beschikken niet alle basen over een hydroxidegroep (e.g. ammoniak [NH3]). Later verscheen dan ook een nieuwe definitie geformuleerd door Johannes Brønsted en Thomas Lowry. De definitie luidt dat zuren protonen kunnen doneren aan een ander molecuul (protondonor) en basen protonen accepteren van een ander molecuul (protonacceptor). Een zuur die zijn proton heeft afgestaan noemt men een geconjugeerde base en een base die een proton heeft opgepikt noemt men een geconjugeerd zuur.

De Brønsted-Lowry-definitie is het meest gangbaar in de organische chemie/biochemie/fysiologie. Doch schiet ook deze tekort op enkele vlakken. Zo is er ook de nog de Lewis-definitie geformuleerd door Gilbert Lewis. Lewis definieerde zuren als moleculen die elektronen accepteren (elektrofielen) en basen als moleculen die elektronen doneren (nucleofielen). Gezien eigenlijk vooral de Brønsted-Lowry-definitie van belang is ga ik deze verder niet behandelen. Maar now you know. In de rest van dit artikel werken we met de Brønsted-Lowry-definitie.

Maar wat maakt een zwakke base een zwakke base en een zwak zuur een zwak zuur? En is een zuur altijd een zuur en een base altijd een base? En wat is pH verdomme nou? Nu we de definities kennen kunnen we verder deze kennis verbreden. Hoe sterk of zwak een zuur/base is (en of het uberhaupt een zuur of base is) hangt af van een aantal factoren. In principe hangt de sterkte van een zuur af van de stabiliteit van zijn geconjugeerde base, en hangt de sterkte van een base af van de stabiliteit van zijn geconjugeerde zuur. Immers als een geconjugeerde base niet stabiel is, ‘vervalt’ het weer naar zijn zuur.

Maar wat bepaalt die stabiliteit nou? Laten we de simpele organische moleculen methanol (CH₃-OH) en ethaan (CH₃-CH₃) als voorbeeld nemen om een belangrijke factor, het effect van elektronegativiteit, toe te lichten. Elektronegativiteit komt simpelweg neer op hoe ‘graag’ een atoom elektronen naar zich toe trekt. Des te hoger de elektronegativiteitwaarde, des te grager trekt het atoom elektronen naar zich toe. Koolstof heeft een elektronegativiteit van 2.5, zuurstof van 3.5 en waterstof van 2.1. Zuurstof trekt dus een stuk grager elektronen naar zich toe dan koolstof. De geconjugeerde base van methanol is CH3-O^– en die van ethaan is CH₃-CH₂^–. Zoals je ziet zijn beide negatief geladen (wat dikwijls het geval is voor geconjugeerde basen). Een negatieve lading is stabieler op zuurstof dan op koolstof door de hogere elektronegativiteit (zuurstof trekt de elektronen ‘goed’ naar zich toe, wat minder ruimte laat voor deze elektronen om te reageren met andere moleculen om een binding aan te gaan). De geconjugeerde base van methanol is stabieler en bijgevolg is methanol een sterker zuur dan ethaan.

Een andere factor betreft de orbitale-binding van de negatief geladen groep op de geconjugeerde base. Des te dichter een elektron is bij de atoomkern, des te stabieler. Ik ga dit hier verder niet toelichten. Hetzelfde geldt voor de rol van resonantie van een molecuul. Resonantie stabiliseert eveneens de geconjugeerde base, doordat de negatieve lading over een groter gedeelte van het molecuul gedeeld kan worden. Atoomgrootte speelt analoog hieraan een vergelijkbare rol. De negatieve lading kan over een groter stuk ruimte ‘gedeeld’ worden, wat eveneens leidt tot stabilisatie (minder interventie met de andere elektronen; delocalisatie). Ook hier zie ik af van verdere uitleg, voordat dit artikel de vorm van een chemieboek aanneemt.

pH en pKa: zuur meten

De pH-waarde van een wateroplossing geeft weer hoe ‘zuur’ deze is en wordt bepaald door de concentratie hydronium-ionen (H₃O⁺; water wordt vrijwel direct geprotoneerd). De formule is simpel te onthouden en is als volgt:

De pH-waarde van water is ongeveer 7, wat dus betekent dat de hydroniumconcentratie 10^-7 M is. Een pH-waarde hoger dan 7 wordt beschouwd als basisch en lager dan 7 als zuur. Gezien het een logaritmische schaal met grondtal 10 is, betekent het dat een wateroplossing met een pH-waarde van 6 een tienmaal hogere hydroniumconcentratie (10^-6 M) heeft dan eentje met een pH-waarde van 7.

Nu weet je wat de pH-waarde inhoudt: de ‘zuurheid’ van een wateroplossing, i.e. een afbeelding van de hydroniumconcentratie. Naast de pH-waarde bestaat ook nog de zogehete pKa-waarde. Deze geeft weer hoe zuur een molecuul is. Deze waarde is afgeleid van de mate waarmee het zuur dissocieert (Ka-waarde), gegeven door:

Met HA het zuur en A^– als de geconjugeerde base. De formule voor de pKa is vervolgens gegeven door:

Welnu, de hoeveelheid H₂O is doorgaans dermate groot dat deze onveranderd blijft, waardoor je die kunt wegstrepen uit de formule om de Ka-waarde te berekenen. Wat er dus feitelijk staat is, des te meer een zuur dissocieert tot zijn geconjugeerde base en hydroniumionen, des te hoger is de Ka-waarde. Sterke zuren dissocieren bijna volledig, en hebben dus een hoge Ka-waarde. Door het min-teken in de formule voor pKa betekent dit dat een sterk zuur een lage pKa-waarde heeft. En nu komt het leuke (ik zal de wiskunde achterwege laten); de pKa-waarde van een zuur is gelijk aan de pH-waarde van de oplossing waarin het voor de helft gedissocieerd is. Bij een pH-waarde boven de pKa-waarde bestaat het zuur vooral in de vorm van zijn geconjuugeerde base.

In hoeverre een zuur dus dissocieert in een gegeven oplossing waarvan de pH-waarde bekend is, kun je afleiden van de pKa-waarde van het betreffende zuur (die je lekker op internet kunt vinden). Laten we als voorbeeld melkzuur (lactaat) nemen, hetgeen gegenereerd wordt bij reductie van pyruvaat onder anaerobe omstandigheden in de spiercellen. Als we googlen komen we al snel een pKa-waarde van 3.86 tegen. Dit is een veel lagere waarde dan de pH in een spiercel (en circulatie); melkzuur is dus altijd vrijwel volledig aanwezig in de vorm van de geconjugeerde base (lactaat) en een proton in het menselijk lichaam. Merk echter op dat de reductie van pyruvaat door lactaatdehydrogenase een proton kost, en dus zodoende juist ‘ontzurend’ werkt voor de spiercel. Dezelfde groep waarvan het proton gedissocieerd is bij lactaat is ook al gedissocieerd bij pyruvaat .

Zuur-base-regulatie en de onzin van urine pH-metingen

Het leven vereist een zeer stricte regulatie van de pH-waarde, die (in de circulatie) rond de 7.4 moet liggen (tussen de 7.35 en 7.45 ongeveer). Een lagere pH-waarde noemt men een staat van acidose (verzuring, acidemie), en een hogere waarde noemt men een staat van alkalose (alkalemie). De pH-waarde wordt beïnvloedt door onze voeding (en daaropvolgend metabolisme) en ademhaling. Dit laatste kunnen we mooi illustreren aan de hand van de volgende vergelijking die plaatsvindt in het menselijk lichaam:

Er wordt continu CO₂ in ons lichaam gegenereerd, hetgeen wordt uitgewisseld met de lucht door de longen met uitademing. Wanneer je je ademhaling vermindert (hypoventilatie), zal de concentratie CO₂ stijgen, hierdoor verschuift de richting van bovenstaande reactie naar rechts, waardoor er meer protonen ontstaan en dus de pH daalt (respiratoire acidose). Evenzo zal een verhoogde ademhaling (hyperventilatie) het CO₂ doen dalen, met als gevolg dat de reactie naar links verschuift en de pH dus stijgt (respiratoire alkalose).

De meeste voeding werkt verzurend doordat er protonen vrijkomen tijdens het metabolisme, m.u.v. enkele middelen die netto HCO₃^– leveren of protonen bufferen (e.g. glutamine door vorming van ammonium). Gelukkig is je lichaam prima in staat om de extra protonen die geleverd worden uit te scheiden via de nieren in de urine; hiervoor beschikt het lichaam over verscheidene mechanismen. De effectiviteit van dit mechanisme is eenvoudig af te leiden van een pH-meting van de urine tijdens een ‘verzurend’-dieet. Deze pH van de urine zal lager zijn dan die van het lichaam, waaruit we makkelijk kunnen concluderen dat het lichaam effectief de extra protonen weet uit te scheiden. Bij een normaal dieet is de urine dan ook zuur, met een pH-waarde rond de 5.5 – 6.5 (het overgrote deel van de protonen wordt echter gebufferd in de urine bijv. in de vorm van H₂PO₄^–).

Ironisch genoeg is het in de pseudowetenschap gebruikelijk om af te leiden of je ‘verzuurd’ bent aan de hand van de pH-waarde van de urine. Is je urine zuur? Dan is je lichaam verzuurd! Gelukkig is de samenstelling van de urine geen reflectie van de samenstelling van de rest van het menselijk lichaam. De urine dient juist om afvalstoffen uit te scheiden. Als je meet dat je urine zuur is, dan is dit nu net het bewijs dat je lichaam effectief protonen weet uit te scheiden.

Als je lichaam ‘verzuurt’ zullen andere verschijnselen snel opvallen. Zoals eerder gezegd leidt hyperventilatie tot een stijging van de pH; een reactie van het lichaam op verzuring is dan ook om de ademhaling op te schroeven, i.e. de persoon begint te hyperventileren. Als dit niet leidt tot voldoende compensatie zal de persoon verward overkomen doordat neuronen zeer gevoelig zijn voor pH-schommelingen (ze raken minder gevoelig bij een daling van de pH en overgevoelig bij een stijging van de pH); met in het slechtste geval een coma (dan wel de dood) tot gevolg. Naast dat pH-strips totaal geen beeld bieden van het zuur-base-evenwicht van het lichaam, zijn er genoeg symptomen die al snel een indicatie zullen geven! (Hier hoor ik eigenlijk wat nuance op toe te passen, maar daar voel ik weinig voor).

Verzuring van het lichaam vanuit de voeding (metabole acidose) komt dan ook niet voor onder fysiologische omstandigheden. Alleen enkele ziektebeelden weten deze uit te lokken, zoals diabetes en ernstige diarree. Deze eerste leidt tot een stijging van glucose in het bloed (hyperglycemie) en een verhoogde verbranding van vetzuren met vorming van ketonen tot gevolg. De hyperglycemie zorgt ervoor dat niet alle glucose uit het filtraat van de nieren terug geresorbeerd wordt, met als gevolg osmotische diurese wat er ook toe leidt dat kalium- en natriumverlies optreedt. Zowel kalium als natrium worden gebruikt door de nieren voor resorptie van HCO₃^– en excretie van protonen, waardoor de diurese dus, tezamen met de vorming van ketonen, de lichaam-pH verhoogt. Ernstige diarree kan er ook toe leiden dat er teveel HCO₃^– verloren gaat, met eveneens metabole acidose tot gevolg. Ben je geen (onbehandelde) diabeet, schijt je je niet de tiefus, adem je normaal, en heb je geen rare afwijkingen die bijv. leiden tot hypokaliëmie ed.? Maak dan vooral je leven niet zuur door een alkalisch-dieet te volgen en vreet er lekker op los en laat je gaan met dat verzurende voer. (Zolang je er maar geen ernstige diarree van krijgt he).

Zodra ik zin heb schrijf ik het vervolgartikel, waarin ik verzurend voedsel beschouw.