Säure-Basen-Haushalt

Corinna Bernard

Inhaltsverzeichnis

Der pH-Wert

Puffer

Definition

Pufferkurve

Puffersysteme im Körper

Puffer und pH-Homöostase

Physiologische Puffer

Nichtbicarbonatpuffer

Bicarbonatpuffer

Säure-Basen-Paare und ihr pK-Wert

Offenes und geschlossenes System

Störgrößen des pH-Wertes

Bilanz der Säuren und Basen

Ausscheidung in der Niere

Titrationsazidität

NH₃/NH₄⁺-System

Störungen des Säure-Basen-Haushaltes und ihre Kompensation

Übersicht der Störungen und ihrer Beeinflussung der Blutparameter

Primär respiratorische Störung

Primär nichtrespiratorische Störung

Diagnostik der Störungen des Säure-Basen-Haushaltes

Einleitung

Parameter

Der pH-Wert

pH = - log [H⁺]

Der pH-Wert muss konstant gehalten werden um die Strukturveränderung von Proteinen durch die Zerstörung der Wasserstoffbrückenbindungen zu verhindern!

® Funktion der Enzyme, Struktur der Zelle, Permeabilität der Membran [2]

Puffer

Definition [2]:

Puffer bestehen aus einer schwachen Säure/Base plus ihrer dissoziierten Form:

- H⁺ + A^- « HA

- A^- : Base, Protonenakzeptor (bei Zugabe von H⁺ zu HA)

- HA: Säure, Protonendonator (bei Zugabe von OH^- zu A^- + H⁺)

- K_a ist die Dissoziationskonstante des Säuren-Basen-Paares und ein Maß für die Stärke der Säure/Base

Henderson-Hasselbalch:

Aus der Gleichung geht hervor [3]:

1. der pH-Wert hängt vom Verhältnis [A^-]/[HA] ab

2. der pH-Wert ist unabhängig von der Verdünnung/Konzentration des Puffers
3. bei äquimolaren Mengen von [A^-] und [HA] ist der pH-Wert gleich dem pK_a-Wert
4. die Pufferkapazität ist in diesem Fall am grössten ([A^-]/[HA]=1)

Rechenbeispiel:

- pK_a =7,0

- Pufferlösung:

- + 1mmol/l HCl « H⁺ + Cl^-

Þ

Ungepuffert ergäbe sich ein pH von 3,0 ()

Pufferkurve

beschreibt die Änderung des pH-Wertes bei einer Änderung des Verhältnisses von [A^-] zu [HA].

Die Pufferkapazität entspricht der Steilheit der Pufferkurve (um den pK_a-Wert am größten) und beschreibt die Möglichkeit des Puffers den pH-Wert konstant zu halten [2].

® Sie entspricht der Menge an H⁺-Ionen, die man einer Lösung unter Verschiebung um eine pH-Einheit zusetzen oder entziehen kann! [5]

Puffersysteme im Körper

Puffer und pH-Homöostase

Temporale und lokale pH-Schwankungen werden durch die Puffersysteme ausgeglichen, während jedoch die H⁺-Bilanz und damit die pH-Homöostase durch Lunge und Niere reguliert wird:

1. Die Lunge entfernt etwa 10 Mol CO₂ am Tag

2. Die Niere entsorgt über den Urin etwa 60 Mol H⁺/HCO₃^- am Tag

Physiologische Puffer

1. Nichtbicarbonatpuffer

1. Phosphatpuffer (intrazellulär und im Urin)

- anorganisches Phosphat

- organische Phosphate: ATP, Kreatinphosphat, Phosphatide, Nucleinsäuren, phosphorylierte Intermediärprodukte

® anorganisches Phosphat liegt intrazellulär in größerer Konzentration vor und auch das organische Phosphat puffert in den Zellen, damit ist Phosphat der wichtigste intrazelluläre Puffer.

® anorganisches Phosphat puffert v.a. bei der H⁺-Ausscheidung im Harn.

2. Proteinat (v.a. intrazellulär)

- nur Histidin puffert im physiologischen pH-Bereich (pK 6,5) [1]

- Proteine machen die Hälfte der Pufferkapazität des Blutes aus [4]

1. Albumin puffert im Plasma

2. Hämoglobin ist in den Erythrozyten der wichtigste Puffer [1]:

® DesoxyHb ist eine stärkere Base als OxyHb und nimmt im Gewebe besser Protonen auf, letzteres gibt sie in der Lunge wieder ab.

2. Bicarbonat HCO₃^- (im Plasma)

ist als Puffersystem am wirkungsvollsten, da es sich um ein offenes System handelt:

® CO₂ wird in der Lunge abgeatmet

® HCO₃^- kann in der Niere ausgeschieden werden

Im Erythrozyten wird CO₂ in Bicarbonat umgewandelt [1]:

® Carboanhydrase-Reaktion: CO₂ + H₂O ® H⁺ + HCO₃^-

® HCO₃^- diffundiert ins Blut und wird zur Lunge transportiert
(liegt im Plasma in hoher Konzentration vor (25,2 mmol/l) und puffert dort)

® dort wird im Erythrozyten die Reaktion umgekehrt und CO₂ abgeatmet
(H⁺ kann entfernt werden, aber HCO₃^- geht dabei als Puffer verloren)

Bicarbonat puffert im physiologischen pH-Bereich, obwohl der pK bei 6,1 liegt:

®

® Die Konzentrationen von HCO₃^- bzw. CO₂ werden durch die Niere bzw. Lunge
auf bestimmten Werten konstant gehalten:

= 6,1+1,3 = 7,4

Þ dadurch puffert Bicarbonat genau im physiologischen pH-Bereich!

Þ Bei einem Verhältnis von 20:1 zwischen HCO₃^- und CO₂ liegt der pH bei 7,4,
auch wenn die Konzentrationen der beiden Stoffe abweichen!

3. Säure-Basen-Paare und ihr pK-Wert

- HLa / La^- pK 3,9 Þ pK-Wert liegt zu weit vom

- NH₄⁺ / NH₃ pK 9,4 physiologischen pH des Blutes entfernt

- H₂PO₄^- / HPO₄^2- pK 6,8 Þ puffert als einziges im physiologischen Bereich (v.a. intrazellulär und im Urin)

Offenes und geschlossenes System [2]

Das anfallende H⁺ bindet an:

- Bicarbonat (HCO₃^- wird zu CO₂) und

- Nichtbicarbonatpuffer (Base B^- wird zu HB)

1. geschlossenes System:

CO₂ und HB können nicht entweichen

® Pufferung v.a. über Nichtbicarbonatpuffer, da diese eine grössere Pufferkapazität besitzen

® pCO₂ steigt aber ebenfalls an

2. offenes System:

CO₂ kann über die Lungen entweichen und es kann mehr gebildet werden

® Pufferung durch Bicarbonatpuffer steigt an, da durch die Entfernung von CO₂ die Pufferkapazität steigt

® pCO₂ sinkt wieder

Störgrößen des pH-Wertes:

Bilanz der Säuren und Basen [2]:

Die Bilanzierung betrachtet die Nettoladung der aufgenommenen Nahrungsstoffe im Vergleich zu den ausgeschiedenen Stoffwechselendprodukten.

H⁺- und OH^--Ionen entstehen beim Abbau oder Umbau von Aminosäuren in der Leber:

Bei normaler proteinreicher Mischkost westlicher Länder pro Tag:

® S-haltige AS (Methionin, Cystein) : 70 mmol H⁺

® Kationische AS (Lysin, Arginin): 140 mmol H⁺

® Anionische AS (Glutamat, Aspartat): 100 mmol OH^-

® Salze organischer Säuren (Lactat, Malat,...): 60 mmol OH^-

Þ Netto verbleiben also 50 mmol H⁺ im Organismus, die ausgeschieden werden müssen (fixe Säuren, da sie nicht durch die Lunge eliminiert werden können).
Diese werden in der Leber durch HCO₃^- gepuffert und in der Niere ausgeschieden!

CO₂ aus der Endoxidation von Fetten und Kohlenhydraten (ca. 15 Mol/Tag) wird direkt abgeatmet und belastet den Säuren-Basen-Haushalt netto nicht!

Ausscheidung in der Niere [2]:

Ausscheidung von H⁺ und gleichzeitige Regenerierung des Puffers HCO₃^-

1. Titrationsazidität (HPO₄^2-/H₂PO₄-System)

- Carboanhydrase-Reaktion (CA) in der Tubuluszelle:

CO₂ + H₂O « H⁺ + HCO₃^-

- Die Tubuluszellen sezernieren H⁺ ins Tubuluslumen und HCO₃^- ins Blut

Die H⁺-Ionen gelangen durch den Na⁺/H⁺-Austauscher ins Tubuluslumen und erfüllen dort zwei Funktionen:

1. Ein kleiner Teil der H⁺-Ionen wird an Puffer gebunden (Säureanionen, v.a. HPO₄^2-) ausgeschieden

® Dieser Teil ist durch Rücktitration des Harns zum pH des Plasmas bestimmbar: Titrationsazidität

(10 – 40 mmol/Tag = 30% der täglichen H⁺-Ausscheidung)

® bei Azidose: vermehrte Mobilisation von Phosphat aus den Knochen

2. Zum großen Teil dienen die H⁺-Ionen der Resorption von glomerulär gefiltertem HCO₃^-

® Sie gelangen als CO₂ (durch eine Carboanhydrase in den Mikrovilli gebildet) in die Tubuluszelle zurück
(für Bilanz unwichtig; würden aber sonst als Puffer verloren gehen)

® bei Azidose vermehrte Genexpression des Na⁺/H⁺-Austauschers und dadurch vermehrte HCO₃^- -Rückresorption

® bei Alkalose verminderte Resorption und dadurch vermehrte
HCO₃^- - Ausscheidung

2. NH₃/NH₄⁺-System (nicht titrierbar):

- in der Tubuluszelle: Glutamin ® 2 NH₄⁺ + a-Ketoglutarat^2- (Glutaminase)

- NH₄⁺ wird in der Tubulusflüssigkeit ausgeschieden
® Als NH₄⁺ über Carrier oder als NH₃⁺ und H⁺ über nichtionische Diffusion

- 2 H⁺ aus der Carboanhydrase-Reaktion sind für die Umwandlung von a-Ketoglutarat^2- in Glucose notwendig:
® 2 HCO₃^- werden ins Blut freigesetzt

(20 – 50 mmol/Tag = 60% der täglichen H⁺-Ausscheidung)

® bei Azidose kommt es zu einer vermehrten Ausscheidung von NH₄⁺ durch eine vermehrte Glutaminbildung in der Leber (dadurch spart der Körper HCO₃^- ein, das bei der Harnstoffsynthese verbraucht würde)

® bei Alkalose bildet die Leber Harnstoff und es wird kein NH₄⁺ ausgeschieden

Störungen des Säure-Basen-Haushaltes und ihre Kompensation

Azidose (pH <7,37) und Alkalose (pH >7,47) werden im arteriellen Blut diagnostiziert.

Eine klinisch sehr bedeutende Auswirkung ist die Hyperkaliämie bei einer Azidose bzw. die Hypokaliämie bei einer Alkalose.

Die Auswirkung der Störung wird passiv und schnell durch Pufferung gemildert, während die aktive Kompensierung 1-2 Tage dauert.

Das Ziel der Kompensation ist die Normalisierung des pH-Wertes (bzw. des Verhältnisses [HCO₃^-]/[CO₂] = 20:1)

® dabei kommt es zu Abweichungen der Bicarbonat-Konzentration und des pCO₂, auch wenn das Verhältnis wieder hergestellt wurde.
Erst wenn auch die Konzentrationen der Stoffe wieder korrigiert sind, spricht man von einer vollständigen Kompensation!

Übersicht der Störungen und ihrer Beeinflussung der Blutparameter

Primär respiratorische Störungen:

® Azidose entsteht bei Störungen des zentralen Atemantriebes, der peripheren Nerven und Atemmuskeln, der Atemwege, der Beweglichkeit des Thorax oder des Gasaustausches [2].

- Primäre Störung: pCO₂

- dadurch läuft Bicarbonatreaktion rückwärts

- aktuelles HCO₃^-

® nur die Nichtbicarbonatpuffer können puffern!

® Alkalose genau umgekehrt, durch Reizung der Atemzentren bei Hirnschädigung oder verstärkter Atmung in großer Höhe verursacht.

Kompensation der Azidose:

- direkte gegenregulatorische Kompensation durch Stimulation der Atmung (soweit dies möglich ist) Þ KUSSMAUL’sche Atmung

- renale Kompensation: vermehrte Ausscheidung von H⁺ und NH₄⁺

Primär nichtrespiratorische Störungen:

® Azidose durch [2]:

- Additionsazidose: vermehrte Zufuhr oder Bildung von Säure (Laktat bei Arbeit oder Hypoxie; Ketonkörper bei Diabetes)

- Retentionsazidose: verminderte Ausscheidung in der Niere

- Subtraktionsazidose: Verlust von HCO₃^- z.B. bei Diarrhö

® primäre Erhöhung der H⁺-Konzentration wird durch beide Systeme gepuffert, deshalb kommt es zu einer Abnahme des aktuellen [HCO₃^-] und der Basen der Nichtbicarbonatpuffer.

® Alkalose entsteht durch Erhöhung der OH^--Konzentration oder Erniedrigung der H⁺-Konzentration, v.a. bei Verlust von H⁺-Ionen durch Erbrechen oder über die Niere

Kompensation der Azidose:

- direkte gegenregulatorische Kompensation durch vermehrte Ausscheidung von H⁺ über die Niere, dadurch werden wieder Pufferbasen zur Verfügung gestellt (nur möglich, wenn die Schädigung nicht in der Niere selber liegt)

- respiratorische Kompensation: vermehrte Ventilation führt zu Absinken von pCO₂ und gleichzeitig weiterem Absinken des aktuellen [HCO₃^-], aber das Verhältnis wird besser (Die Lunge kann die Azidose nur verzögern, aber nicht verhindern, da sie HCO₃^- mit entfernt; KUSSMAUL’sche Atmung)

Diagnostik der Störung des Säure-Basen-Haushaltes

Einleitung:

Gesamtkonzentration der Pufferbasen im arteriellen Blut: 48 mmol/l [2]

(HCO₃^-, Plasmaproteine, Hämoglobin)

® von der Hb-Konzentration abhängig, da dieses der wichtigste Nichtbicarbonatpuffer ist

® nicht von pCO₂ abhängig, da bei einer Erhöhung von pCO₂ zwar die HCO₃^--Konzentration vermehrt wird, aber im gleichen Maß die Nichtbicarbonatbasen vermindert werden.

® im oxygenierten Blut niedriger als im desoxygenierten Blut

Parameter [2]:

1. pH-Wert: wird im Blut gemessen (7,4)
   ® zeigt Veränderung des Säuren-Basen-Status
2. pCO₂-Wert: wird im Blut gemessen (5,3 kPa; 40 mmHg)
   ® gibt Aufschluss über resp. oder nichtresp. Störung
3. [HCO₃^-]_aktuell: durch Henderson-Hasselbalch errechnet (24 mmol/l)
   ® bei resp. Störung ; bei nichtresp. Störung ¯
4. [HCO₃^-]_standard: (24 mmol/l)
   Bicarbonatkonzentration beim normalen pCO₂ von 40 mmHg
   ® unabhängig vom aktuellen pCO₂, deshalb bei resp. Azidose nicht verändert
5. Pufferbasen (Buffer base, BB) = Gesamtkonzentration der BB (48 mmol/l)
   ® unabhängig von pCO₂ und deshalb bei resp. Azidose nicht verändert
6. Basenabweichung (Base excess, BE): (0 mmol/l)
   Differenz zwischen aktueller Pufferbase und der Pufferbase unter Standardbedingungen
   ® BE ist pCO₂-unabhängig und deshalb bei resp. Azidose nicht verändert
7. Anionenlücke: (12 ± 2 mmol/l)
   Na⁺ - (Cl^- + HCO₃^-) ® hohe Anionenlücke bei Säureüberschuss

Literatur:

1. Horn et al.: Biochemie des Menschen. Thieme-Verlag, 2. Auflage, Stuttgart 2002/2003
2. Klinke R., Silbernagl S.: Lehrbuch der Physiologie. Thieme-Verlag, 2.Auflage, Stuttgart 1996
3. Schmidt R. F., Unsicker K.: Lehrbuch Vorklinik. Deutscher Ärzte-Verlag, 1. Auflage, Köln 2003
4. Schmidt R. F., Lang F., Thews G.: Physiologie des Menschen. Springer-Verlag, 29. Auflage, Heidelberg 2005
5. Davenport H. W.: Säure-Basen-Regulation. Thieme-Verlag, 2. Auflage, Stuttgart 1979