Säure – Basen – Haushalt

Der pH – Wert der extrazellulären Flüssigkeit beträgt durchschnittlich etwa 7,4 und wird unter physiologischen Bedingungen konstant gehalten. Der Grund dafür ist, dass bereits bei geringen Abweichungen die Funktionen der einzelnen Zellen und somit der Organe gestört werden und bei einem Abfall unter 7,0 oder einem Anstieg auf über 7,8 treten schwere Dysfunktionen ein, welche zum Exitus führen können.

Der Grund für die pH – Empfindlichkeit des Körpers ist größtenteils die Instabilität der Proteine gegenüber pH – Schwankungen, da sie gegenüber einem überschuss oder Mangel an Protonen empfindlich sind. Um den pH – Wert konstant zu halten muss die Konzentration der H+ - Ionen durch Abgabe oder Aufnahme stabil bleiben. Sind zu viele H+ vorhanden, spricht man von einer Acidose, sind zu wenige vorhanden, von einer Alkalose.

H+ können durch Säuren in flüchtiger und in nichtflüchtiger Form entstehen. Eine flüchtige Säure wäre CO2, welches mit H2O zu Kohlensäure (H2CO3) reagiert und anschließend in HCO3- und H+ zerfällt. Im Körper wird sehr viel CO2 produziert, allerdings wird es schnell über die Lungen ausgeatmet und stellt somit kein Problem dar.

Nichtflüchtige Säuren wie H3PO4 oder H2SO4 entstehen durch die Oxidation von schwefelhaltigen Aminosäuren bzw. der Hydrolyse von Phosphorsäuren und geben bei der Verstoffwechslung unter anderem Protonen frei, die dann über die Niere ausgeschieden werden müssen. Zu einer verstärkten Ansammlung von nichtflüchtigen Säuren kommt es bei proteinreicher Ernährung, da diese Aminosäuren mit SH – Gruppen, wie Methionin oder Cystein, enthalten und Phosphate ein wichtiger Bestandteil der DNA und RNA sind. Daher ist der Urin von Fleischfressern in der Regel auch sauer.

Wird pflanzliche Nahrung aufgenommen, ist der Urin hingegen basisch. Das liegt darin, dass in den Pflanzen Salze von organischen Säuren sind, die mit Protonen zu ihren jeweiligen Säuren verbunden werden, um sie für den Stoffwechsel brauchbar zu machen. Wenn vermehrt Protonen verbraucht werden, enthält der Körper zu viel Bicarbonat, welches die Protonen normalerweise abpuffern würde. Da zu viel Bicarbonat den pH – Wert ansteigen lassen würde, wird es ebenfalls über die Nieren ausgeschieden, womit der Harn alkalisch wird.

Um eine Acidose oder Alkalose zu vermeiden, hat der Körper mehrere Mechanismen und Systeme entwickelt. Zum einen enthalten alle Körperflüssigkeiten Puffer, wobei vor allem der Bicarbonat – Kohlensäure – Puffer bedeutend ist. Andererseits kann durch verstärkte Atmung auch vermehrt CO2 an die Umgebung abgegeben werden und last but not least können die Nieren je nachdem, was gerade zu viel vorhanden ist, Bicarbonat oder Protonen ausscheiden.

1. Puffersysteme

Im Blut befinden sich 4 wichtige Puffersysteme:

1. Hämoglobin – Puffer

Hämoglobin, ein wichtiger Bestandteil der Erythrocyten, ist ein Protein und besteht daher aus Aminosäuren, welche 2 Enden haben: eine Aminogruppe und eine Carboxygruppe. Die Carboxygruppe ist negativ geladen und kann somit H+ aufnehmen, die Aminogruppe ist positiv geladen und kann daher H+ abgeben, vor allem, wenn sie als Seitenketten des Proteins in den Raum ragen.

Hämoglobin kann nun als Desoxyhämoglobin und als Oxyhämoglobin vorliegen. Desoxyhämoglobin hat es eine größere Affinität H+ aufzunehmen verglichen mit Oxyhämoglobin. Das hat den praktischen Nutzen, dass Gewebe, wo O2 abgegeben wird und somit Oxyhämoglobin zu Desoxyhämoglobin wird, Protonen durch seine Stoffwechselvorgänge erzeugt. Desoxyhämoglobin nimmt diese H+ auf und wird dann mit dem Blutstrom wieder zur Lunge transportiert, wo es mit O2 beladen wird, zu Oxyhämoglobin umgewandelt wird und somit auch in seiner Affinität für Protonen nachlässt. Dadurch löst sich das H+ und reagiert mit HCO3- zu Kohlensäure, welche in H2O und CO2 dissoziiert. CO2 kann sofort durch die Lunge abgeatmet werden und wird somit aus dem System entfernt.

2. Protein – Puffer

Die meisten Plasmaproteine liegen bei physiologischem pH als Anionen vor und können daher H+ aufnehmen. Generell ist jedoch der Hämoglobin – Puffer 6 Mal stärker als der Plasmaproteinpuffer, intrazellulär spielt er allerdings eine größere Rolle.

3. Phosphat – Puffer

Phosphorsäure (H3PO4) hat 3 Protonen und dadurch auch 3 Dissoziationsstufen (H3PO4, H2PO4-, HPO42-), allerdings liegen diese in so unterschiedlichen pH – Werten vor, dass nur H2PO4-/HPO42- als Puffer für den Körper in Frage kommt. Dihydrogenphosphat/Hydrogenphosphat liegt nur in geringen Konzentrationen im Plasma vor, wodurch seine Pufferwirkung im Blut nicht sonderlich stark. Allerdings kann HPO42- in der Niere filtriert werden und bleibt während der gesamten Harnkonzentration im Tubulussystem, wodurch hier seine Konzentration und somit auch seine Pufferkapazität zunimmt. Es bindet die sezernierten Protonen, sodass sie ausgeschieden werden können.

Der Phosphat – Puffer existiert jedoch nicht nur im Blut, sondern auch in den Körperzellen.

Diese 3 Puffer sind geschlossene Systeme, das bedeutet, dass die jeweilige Gesamtkonzentration ihrer Bestandteile konstant bleibt. Der Bicarbonat/Kohlensäure – Puffer dagegen ist ein offenes System, das heißt, dass seine Bestandteile sich durch die Atmung und durch die Niere mit der Umgebung austauschen und somit keine konstante Konzentration haben.

4. Bicarbonat/Kohlensäure – Puffer

Da Kohlensäure sofort zu Wasser und CO2 oder Bicarbonat und H+ zerfällt, ist dieser Puffer eher als CO2/Bicarbonat – Puffer zu bezeichnen. Es handelt sich um ein offenes System, wodurch sowohl Bicarbonat als auch CO2 durch Regulationsmechanismen aus dem Körper geschleust werden können. Vor allem die Konzentration von Kohlendioxid kann sehr schnell durch die Atmung reguliert werden. Wird vermehrt geatmet, kann der pH – Wert des Blutes angehoben werden, wird die Atemfrequenz und – tiefe verringert, bleibt mehr CO2 im Körper und der pH – Wert sinkt.

Die normale Konzentration für HCO3- liegt bei 24mmol/l, die von CO2 bei 1,2mmol/l. Durch den Stoffwechsel der Zellen wird sowohl H+ als auch CO2 produziert. H+ kann von HCO3- abgefangen werden, wodurch H2CO3 entsteht, das nun zu CO2 und H2O zerfällt. CO2 wird anschließend abgeatmet, wodurch seine Konzentration konstant bleibt. Wird vermehrt CO2 produziert, wird es einerseits über die Lunge abgeatmet, andererseits bildet es mit Wasser H2CO3 und zerfällt zu Bicarbonat und H+. Beides kann über die Nieren ausgeschieden werden, wobei dieser Vorgang nicht ganz so schnell abläuft, wie die Abatmung von CO2.

1.1. Pulmonale Regulation

Wenn durch die Stoffwechselaktivität der Gewebe vermehrt CO2 gebildet wird, steigt auch der Partialdruck von CO2 in der extrazellulären Flüssigkeit. Dadurch steigt auch die Bindung von CO2 an Hämoglobin und die Abgaberate in die Lungenalveolen, einzig aufgrund der größeren Konzentrationsdifferenz zwischen dem CO2 - Partialdruck im Blut und dem in der eingeatmeten Luft. Somit erfolgt eine Regulation des Puffersystems ohne Veränderung der Atmung.

Andererseits kann die Lunge zusätzlich dazu noch aktiv dazu beitragen. Im Glomus caroticum messen Chemorezeptoren den CO2 – Partialdruck und den pH – Wert des Blutes. Sobald der Druck sich erhöht bzw. der pH – Wert fällt wird das Atemzentrum in der Medulla oblongata aktiviert worauf die alveoläre Ventilation erhöht wird. Dadurch kann ebenfalls vermehrt CO2 abgeatmet werden.

1.2. Renale Regulation

Die Niere sorgt ständig durch Rückresorption dafür, dass Bicarbonat nicht verloren geht. Sobald das Bicarbonat sich im Tubulus befindet, reagiert es mit H+ zu Kohlensäure, welche zu Wasser und CO2 zerfällt. Diese Reaktion würde nur sehr langsam ablaufen, daher wird sie von der membranständigen Carboanhydrase beschleunigt. CO2 kann problemlos durch die Membranen der Tubulusepithelzellen diffundieren und wird dann intrazellulär ebenfalls durch die Carboanhydrase zu Kohlensäure umgewandelt, welche diesmal zu HCO3- und H+ zerfällt. H+ wird durch einen Na+/H+ - Antiporter ins Lumen transportiert, um hier wieder mit Bicarbonat reagieren zu können, Bicarbonat wird jedoch gemeinsam mit Na+ oder im Austausch gegen Cl- ins Blut geschleust.

Die Niere kann jedoch auch Bicarbonat ausscheiden, um einer Alkalose vorzubeugen, beispielsweise bei größtenteils pflanzlicher Ernährungslage. Dafür wird HCO3- aus dem Blut ins Tubulusepithel aufgenommen und anschließend ins Lumen transportiert. Phosphate werden in einer solchen Situation als HPO42- ausgeschieden, um möglichst viele Protonen im Körper zu behalten.

Um einer Acidose vorzubeugen, beispielsweise durch proteinreiche Ernährung, scheidet die Niere Protonen aus. Dabei können sowohl der proximale und distale Tubulus als auch das Sammelrohr Protonen im Austausch gegen Na+ oder K+ ins Lumen transportieren. Diese werden durch das filtrierte HPO42- und NH3 aufgenommen, wodurch H2PO4-...