Allgemeines Funktionsprinzip der Puffer
Die Aufrechterhaltung der Homöostase des inneren Milieus erfordert sofortige Reaktionen. Puffersysteme fungieren als chemische „Stoßdämpfer“. Strukturell besteht jeder Puffer aus einer schwachen Säure und einer korrespondierenden Base, die in einem streng definierten Verhältnis zueinander stehen.
Wenn dem Puffer eine kleine Menge einer fremden Säure oder Base zugefügt wird, reagiert das Puffersystem darauf. Die $H^+$- oder $OH^-$-Ionen werden von den Pufferkomponenten gebunden und in schwach dissoziierte Verbindungen oder Wasser überführt. Auf diese Weise verschwinden freie aggressive Ionen, während der pH-Wert stabil bleibt.
Hydrogencarbonat-Puffersystem
Dieses Puffersystem besteht aus schwacher Kohlensäure ($H_2CO_3$) und Hydrogencarbonat-Ionen ($HCO_3^-$) in einem Verhältnis von 1:20 (Säure zu Ion).
Der Wirkungsmechanismus hängt von der Art der Verschiebung ab:
- Bei Azidose (Übersäuerung): Überschüssige $H^+$-Ionen werden von der Base ($HCO_3^-$) gebunden. Es entsteht Kohlensäure ($H_2CO_3$). Anschließend zerfällt sie durch das Enzym Carboanhydrase in Wasser und Kohlenstoffdioxid. Da überschüssiges $CO_2$ kontinuierlich über die Lunge abgeatmet wird, bezeichnet man das Hydrogencarbonatsystem als „offenes“ System.
- Bei Alkalose (Basenüberschuss): $OH^-$-Ionen reagieren mit den in der Kohlensäure enthaltenen Wasserstoff-Ionen unter Bildung von Wassermolekülen ($H_2O$).
Obwohl dieses System nur 7–9% zur Gesamtpufferkapazität des Vollbluts beiträgt, ist es für extrazelluläre Flüssigkeiten von entscheidender Bedeutung. In Plasma, Lymphe und Liquor macht sein Anteil beeindruckende 97–98% der gesamten Pufferkapazität aus.
Phosphat- und Protein-System
Die beiden anderen Systeme spielen eine unterstützende, aber wichtige Rolle in verschiedenen Flüssigkeitskompartimenten.
Das Phosphatpuffersystem besteht aus Dihydrogenphosphat-Ionen ($H_2PO_4^-$) und Monohydrogenphosphat-Ionen ($HPO_4^{2-}$). Ihr normales Verhältnis beträgt 1:4. Die Hauptaufgabe dieses Systems im Blut besteht darin, ein optimales Verhältnis der Komponenten des Hydrogencarbonatpuffers aufrechtzuerhalten. Dies wird durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben: $H_2CO_3 + HPO_4^{2-} \leftrightarrow H_2PO_4^- + HCO_3^-$
Das Protein-Puffersystem funktioniert aufgrund der Amphoterie von Proteinen. Je nach Milieu verhalten sich Proteine unterschiedlich:
- In basischem Milieu dissoziieren sie unter Bildung von $H^+$-Ionen, wirken also als Säuren.
- In saurem Milieu spalten sie $OH^-$-Ionen ab.
Bei steigender $H^+$-Konzentration bilden Proteine schwach dissoziierte Säuren, während sie bei $OH^-$-Überschuss die Bildung von Wasser unterstützen. Die Pufferkapazität der Plasmaproteine ist mit etwa 2% der Pufferkapazität der extrazellulären Flüssigkeit relativ gering.
Hämoglobin-Puffersystem
Dies ist das leistungsstärkste Puffersystem, das 75% (3/4) der gesamten Pufferkapazität des Blutes ausmacht. Seine enorme Effizienz beruht auf zwei Faktoren: den amphoteren Eigenschaften des Proteinanteils (Globin) und dem Einfluss der Oxygenierung auf die Säure-Basen-Eigenschaften des Hämoglobins.
Schlüsseleigenschaften verschiedener Hämoglobinformen:
- Desoxyhämoglobin ($Hb$) — ist eine stärkere Base und bindet daher freie Wasserstoff-Ionen ($H^+$) wesentlich leichter.
- Oxyhämoglobin ($HbO_2$) — verhält sich im Vergleich zur reduzierten Form wie eine stärkere Säure.
Physiologischer Mechanismus im Gewebe: Wenn das Blut die Gewebekapillaren passiert, gibt es Sauerstoff ab und nimmt Kohlenstoffdioxid auf. Oxyhämoglobin wird zu Desoxyhämoglobin reduziert. Das in das Erythrozyt einströmende Kohlenstoffdioxid (das als saure Komponente wirkt) wird fast vollständig und augenblicklich neutralisiert, da das gebildete Desoxyhämoglobin als starke Base fungiert und den Stoß abfängt.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
Anhand welcher Parameter wird der Säure-Basen-Haushalt des Blutes in der klinischen Praxis bewertet (Astrup-Methode)?
Die Beurteilung des Säure-Basen-Status und seiner Verschiebungen in der Klinik erfolgt unter Berücksichtigung des Normbereichs folgender Parameter:
- pH.
- pCO2.
- SB (Standard Bicarbonate) — Standardbikarbonat des Blutplasmas.
- BB (Buffer Base) — Pufferbasen des Kapillarblutes.
- BE (Base Excess) — Basenüberschuss des Kapillarblutes.
Welche Rolle spielen die Nieren bei der Regulation des Säure-Basen-Haushalts des Organismus?
Die Nieren regulieren den Säure-Basen-Haushalt über Prozesse in den Nierentubuli.
Die wichtigsten Prozesse der renalen Regulation:
- Reabsorption — Rückresorption von Bikarbonat und anderen Metaboliten aus dem Primärharn.
- Sekretion — Ausscheidung von Wasserstoff-Ionen in das Tubuluslumen im Austausch gegen reabsorbierte Natriumionen.
Die Hauptmechanismen zur Reduktion oder Behebung von SBH-Verschiebungen in den Nephronen:
- Azidogenese.
- Ammoniogenese.
- Phosphatsekretion.
- K+, Na+-Austauschmechanismus.
Als Merkhilfe für die Kapazitäten: Hämoglobin ist der Hauptpuffer im Blut (75%), Hydrogencarbonat der Hauptpuffer extrazellulär (98% des Plasmas).
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Weil eines der Endprodukte seiner Reaktion — Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) — nicht akkumuliert, sondern kontinuierlich über das Atmungssystem (Lunge) aus dem Körper eliminiert wird.
Weil eines der Endprodukte seiner Reaktion — Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) — nicht akkumuliert, sondern kontinuierlich über das Atmungssystem (Lunge) aus dem Körper eliminiert wird.
Aufgrund der Amphoterie von Proteinen: Im sauren Milieu können sie Hydroxyl-Ionen abspalten, während sie im alkalischen Milieu als Säuren dissoziieren und Wasserstoff-Ionen abgeben.
Aufgrund der Amphoterie von Proteinen: Im sauren Milieu können sie Hydroxyl-Ionen abspalten, während sie im alkalischen Milieu als Säuren dissoziieren und Wasserstoff-Ionen abgeben.
Im Gewebe gibt Hämoglobin Sauerstoff ab und geht in die reduzierte Form ($Hb$) über. Diese Form ist eine starke Base und bindet leicht Wasserstoff-Ionen aus dem einströmenden Kohlenstoffdioxid, wodurch ein Absinken des pH-Werts verhindert wird.
Im Gewebe gibt Hämoglobin Sauerstoff ab und geht in die reduzierte Form ($Hb$) über. Diese Form ist eine starke Base und bindet leicht Wasserstoff-Ionen aus dem einströmenden Kohlenstoffdioxid, wodurch ein Absinken des pH-Werts verhindert wird.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Die Rolle des Enzyms Carboanhydrase in Erythrozyten
- Mechanismen der Entstehung einer Gewebeazidose
- Zusammenhang zwischen Gasaustausch und Säure-Basen-Haushalt
- Unterschiede der Pufferkapazität von intra- und extrazellulärer Flüssigkeit
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