Säure-Basen-Haushalt und pH-Wert
Der Säure-Basen-Haushalt (SBH) bzw. das Säure-Basen-Gleichgewicht ist die Konstanz des Verhältnisses von Säuren und Basen im inneren Milieu des Organismus. Er wird anhand des pH-Werts bewertet — des negativen dekadischen Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration. So beträgt bei einer H⁺-Konzentration von 10⁻⁷ mol/l der pH-Wert 7.
Normalerweise liegt der pH-Wert des arteriellen Blutes bei 7,40 und des venösen Blutes bei 7,35. Der niedrigere Wert im venösen Blut ist auf dessen Anreicherung mit Kohlenstoffdioxid zurückzuführen: Unter Einwirkung des Enzyms Carboanhydrase verbindet sich CO₂ mit Wasser zu Kohlensäure H₂CO₃, die teilweise in HCO₃⁻ und H⁺ dissoziiert.
Die Strenge der pH-Konstante ist durch die Abhängigkeit der Proteinfunktionen — Enzyme, Transporter, Rezeptoren — von einem streng definierten pH-Optimum bedingt. Eine pH-Verschiebung stört oder sistiert deren Funktion vollständig. Die Aufrechterhaltung des pH-Werts wird durch Todessysteme gewährleistet: Lungenventilation, Blutfuersysteme, Ausscheidungsfunktion der Nieren, Schweißsekretion und die Aktivität des Magen-Darm-Trakts.
Hydrogencarbonat-Puffersystem
Besteht aus Kohlensäure H₂CO₃ und Natriumhydrogencarbonat NaHCO₃ (in dissoziierter Form — als HCO₃⁻-Ion) in einem Verhältnis von etwa 1 : 20.
- Bei einem Überschuss an H⁺ bindet das HCO₃⁻-Ion das Wasserstoffion unter Bildung von H₂CO₃, die unter Einwirkung der Carboanhydrase in H₂O und CO₂ zerfällt; Kohlenstoffdioxid wird über die Lunge abgeatmet.
- Bei einem Überschuss an Basen (OH⁻) gibt die Kohlensäure H⁺ ab, das sich mit dem Hydroxylion zu Wasser verbindet.
Dieses System arbeitet in enger Kooperation mit der Lungenventilation.
Proteinpuffersystem
Die PufferEigenschaften der Proteine sind auf deren Amphoterie zurückzuführen — die Fähigkeit, sich sowohl als Säuren als auch als Basen zu verhalten.
- Im alkalischen Milieu fungieren Proteine als H⁺-Donatoren: Das abgegebene Wasserstoffion neutralisiert OH⁻ unter Bildung von Wasser.
- Im sauren Milieu dissoziieren Proteine unter Bildung von OH⁻, das den H⁺-Überschuss bindet und ebenfalls Wasser bildet.
Phosphatpuffersystem
Gebildet aus Dihydrogenphosphat NaH₂PO₄ und Hydrogenphosphat Na₂HPO₄ im Verhältnis von ca. 1 : 4. Bei einem Überschuss an Basen gibt das Dihydrogenphosphat H⁺ ab, wandelt sich in Hydrogenphosphat um und bildet Wasser. Bei einem Überschuss an H⁺ lagert das Hydrogenphosphat ein Wasserstoffion an und geht in Dihydrogenphosphat über.
Der Phosphatpuffer funktioniert überwiegend in den Nierentubuli und intrazellulär, wo die Phosphatkonzentration höher ist als im Plasma. In den Tubuli wird das Na⁺-Ion aus Na₂HPO₄ ins Blut reabsorbiert, und an dessen Stelle tritt das H⁺-Ion, das bei der Dissoziation der Kohlensäure in den Tubuluszellen entsteht. Das entstehende NaH₂PO₄ wird über den Urin ausgeschieden, während das HCO₃⁻-Ion ins Blut gelangt und den Hydrogencarbonatpuffer auffüllt. So unterstützt das Phosphatsystem die Arbeit des Hydrogencarbonatpuffers.
Hämoglobin-Puffersystem
Hämoglobin ist fähig, Wasserstoffionen an- und abzugeben, wobei es seine Affinität in Abhängigkeit von der Sauerstoffsättigung ändert.
- Im Gewebe: Die Verbindung KHbO₂ gibt O₂ für die Gewebeatmung ab. Das als Ergebnis des Stoffwechsels entstehende CO₂ gelangt in das Erythrozyt, wo es unter Einwirkung der Carboanhydrase in H₂CO₃ umgewandelt wird, gefolgt von einer Dissoziation in HCO₃⁻ und H⁺. Das Wasserstoffion verdrängt K⁺ aus dem Hämoglobin und bindet sich daran — es entsteht HHb.
- In der Lunge: Der hohe O₂-Partialdruck begünstigt die Oxygenierung des Hämoglobins. Die Konformationsänderung des Proteins führt zur Freisetzung von H⁺. Das einströmende KHCO₃ dissoziiert in K⁺ und HCO₃⁻; das Hydrogencarbonat bindet H⁺ unter Bildung von H₂CO₃, die in H₂O und CO₂ zerfällt (letzteres wird abgeatmet). Kalium bindet sich erneut an das Hämoglobin und stellt die Verbindung KHbO₂ wieder her.
Kooperation von Puffersystemen und Effektororganen
Alle Blutfuersysteme arbeiten abgestimmt: Das Hämoglobinpuffersystem gewährleistet den CO₂-Transport und ist eng mit dem Hydrogencarbonatpuffer verbunden, das Phosphatpuffersystem füllt den Hydrogencarbonatvorrat über die Nierentubuli auf, und das Proteinpuffersystem ergänzt die Wirkung der übrigen im Plasma und Gewebe.
Die Aufrechterhaltung des pH-Werts ist ohne die Beteiligung von Effektsystemen undkierbar: Lungenventilation (CO₂-Elimination), Nieren (H⁺-Sekretion, HCO₃⁻-Reabsorption), Magen-Darm-Trakt (Säure- und Basensekretion durch Drüsen), Schweißsekretion (Ausscheidung eines Teils der Säuren und Basen). Das gemeinsame Wirken dieser Mechanismen gewährleistet den engen physiologischen Rahmen des Blut-pH-Werts.
Schlüsselpunkte
- pH des arteriellen Blutes — 7,40, des venösen — 7,35; die Differenz ist durch den CO₂- und H⁺-Gehalt bedingt.
- Die Strenge des pH-Werts ist für die Funktion von Enzymen und anderen Proteinen bei deren pH-Optimum notwendig.
- Der Hydrogencarbonatpuffer (H₂CO₃ / NaHCO₃, 1:20) arbeitet in Kooperation mit der Lunge.
- Der Proteinpuffer wird über die Amphoterie der Proteine realisiert.
- Der Phosphatpuffer (NaH₂PO₄ / Na₂HPO₄, 1:4) überwiegt in den Nierentubuli und intrazellulär.
- Der Hämoglobinpuffer bindet H⁺ im Gewebe und setzt es bei der Oxygenierung in der Lunge frei.
- Die Carboanhydrase katalysiert die Schlüsselreaktion CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ bei allen Pufferwechselwirkungen.
- Die pH-Konstanz wird durch das gemeinsame Zusammenspiel von Blutpuffern, Lunge, Nieren, Magen-Darm-Trakt und Haut aufrechterhalten.