Bei den Stoffwechselprozessen im menschlichen Körper entstehen ständig Säuren und in geringerem Maße auch Basen. Das Hydron H+ ist hierbei besonders reaktionsfreudig; es kann an negativ geladene Proteine binden und in hohen Konzentrationen deren gesamte Ladung, Struktur und Funktion verändern. Um die Zellfunktionen aufrechtzuerhalten, verfügt der Körper über komplexe Mechanismen, die die H+-Konzentration im Blut in einem engen Rahmen halten – in der Regel 37–43 nEq/l (37–43 nmol/l) mit einem pH-Wert von 7,43–7,37, wobei pH = −log [H+]. Idealerweise beträgt H+ 40 nEq/l (40 nmol/l) und pH = 7,40. Störungen dieser Regulationsmechanismen können schwerwiegende klinische Folgen haben.
Das Säure-Basen-Gleichgewicht ist eng an den Flüssigkeitsstoffwechsel und den Elektrolythaushalt gekoppelt und durch Störungen des einen Systems wird häufig auch das andere System beeinträchtigt.
Säure-Basen-Physiologie
Meistens sauer kommt aus dem Metabolismus von
Kohlenhydrate
Fette
Kohlenhydrat- und dem Fettstoffwechsel generieren täglich zwischen 15.000 und 20.000 mmol Kohlendioxid (CO2). CO2 an sich ist keine Säure, aber bei Anwesenheit eines der Enzyme, die zu den Carboanhydrasen gezählt werden, verbindet sich CO2 im Blut mit Wasser (H2O), wodurch Kohlensäure entsteht (H2CO3), welche sich in Wasserstoffion (H+) und Bicarbonat (HCO3−) trennt. Das H+ bindet an das Hämoglobin in den Erythrozyten und wird im Zuge der Oxygenierung in den Alveolen freigelassen, wobei durch eine andere Carboanhydrase eine Umkehr der vorangegangenen Reaktion stattfindet. Hierbei entstehen Wasser (H2O), das durch die Nieren ausgeschieden wird, und Kohlenstoff (CO2), der bei jedem Atemzug abgeatmet wird.
Geringere Mengen an organischer Säure enstehen aus folgenden Gründen:
Unvollständiger Stoffwechsel von Glukose und Fettsäuren in Milchsäure und Ketosäuren
Stoffwechsel von schwefelhaltigen Aminosäuren (Cystein, Methionin) zu Schwefelsäure
Metabolismus von kationischen Aminosäuren (Arginin, Lysin)
Hydrolyse von durch die Nahrung aufgenommenem Phosphat
Diese „fixe“ oder „metabolische“ Säurebelastung kann nicht abgeatmet und muss daher neutralisiert oder durch die Nieren ausgeschieden werden.
Die meisten Basen stammen aus
Metabolismus von anionischen Aminosäuren (Glutamat, Aspartat)
Oxidation und Verbrauch organischer Anionen wie Laktat und Citrat, was zur Bildung von HCO3− führt
Säure-Basen-Gleichgewicht
Das Säure-Basen-Gleichgewicht wird aufrechterhalten durch
chemische Pufferung
pulmonale Aktivität
renale Aktivität
Chemische Pufferung
Chemische Puffer sind Lösungen, die Veränderungen des pH-Wertes widerstehen. Intra- und extrazelluläre Puffer können unmittelbar auf ein Säure-Basen-Ungleichgewicht reagieren. Knochen spielen auch eine wichtige Rolle bei der Pufferung, insbesondere bei Säurebelastungen.
Ein Puffer besteht aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base. Die konjugierte Base kann H+ binden und die schwache Säure kann es abgeben, wodurch Veränderungen in der freien H+ Konzentration minimiert werden. Ein Puffersystem minimiert pH-Änderungen am besten in der Nähe seiner Gleichgewichtskonstanten (pKa). Daher sind, obwohl es möglicherweise viele Pufferpaare im Körper gibt, nur einige physiologisch relevant.
Die Beziehung zwischen dem pH-Wert eines Puffersystems und der Konzentration seiner Komponenten wird durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben:
wobei pKa die Dissoziationskonstante der schwachen Säure ist
Der wichtigste extrazelluläre Puffer ist das HCO3−/CO2 System welches durch folgende Gleichung beschrieben wird:
Ein Anstieg der H+-Konzentration verschiebt die Gleichung nach rechts und generiert CO2.
Dieses wichtige Puffersystem ist stark reguliert. Die CO2-Konzentrationen können durch die alveoläre Ventilation genau kontrolliert werden, während H+und HCO3−-Konzentrationen durch renale Exkretion exakt reguliert werden können.
Die durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschriebene Beziehung zwischen pH-Wert, HCO3− und CO2 in dem System lautet also:
Ähnlich wird die Beziehung durch die Kassirer-Bleich-Gleichung beschrieben, die von der Henderson-Hasselbalch-Gleichung abgeleitet wurde:
MERKE: Um den arteriellen pH-Wert in [H+] zu konvertieren, verwenden Sie:
oder
Beide Gleichungen zeigen, dass das Säure-Basen-Gleichgewicht auf dem Verhältnis zwischen Kohlendioxidpartialdruck (PCO2) und HCO3− beruht und nicht auf dem absoluten Wert von nur einem der beiden Werte allein. Mit diesen Formeln können zwei beliebige der Variablen verwendet werden, um die dritte zu berechnen.
Weitere wichtige chemische Puffer sind intrazelluläre organische und anorganische Phosphate und Proteine, einschließlich des Hämoglobins in den Erythrozyten. Weniger wichtig sind extrazelluläres Phosphat und Plasmaproteine.
Knochen werden zu einem wichtigen Puffer, sobald durch die Nahrungsaufnahme eine Säurebelastung entstanden ist. Knochen setzen zunächst Natriumhydrogenkarbonat (NaHCO3) und Kaliumbikarbonat (KHCO3) im Austausch für H+ frei. Bei längerer Säurebelastung setzen Knochen Kalziumkarbonat (CaCO3) und Kalziumphosphat (CaPO4) frei. Eine fortdauernde Azidämie trägt daher zu Knochendemineralisation und Osteoporose bei.
Pulmonale pH-Regulation
Die CO2-Konzentration wird durch Veränderungen des Atemzugvolumens und der Atemfrequenz (Atemminutenvolumen) genau reguliert. Ein pH-Abfall wird durch arterielle Chemorezeptoren registriert und führt zu einem Anstieg des Atemzugvolumens oder der Atemfrequenz; CO2 wird abgeatmet und der pH-Wert im Blut steigt an. Im Gegensatz zur sofort einsetzenden chemischen Pufferung benötigt die respiratorische Regulation Minuten bis Stunden. Sie hat einen Wirkungsgrad von 50–75%, vermag den pH-Wert aber nicht vollständig zu normalisieren.
Renale pH-Regulation
Die Nieren steuern den pH-Wert durch die Regulation der Menge von HCO3−, die ausgeschieden oder reabsorbiert wird. Die Reabsorption von HCO3− ist gleichbedeutend mit der Ausscheidung von freiem H+. Veränderungen der renalen Säure-Basen-Verarbeitung erfolgen Stunden bis Tage nach dem Beginn der Veränderungen des Säure-Basen-Gleichgewichts.
Das komplette HCO3− im Serum wird filtriert, während es durch den Glomerulus transportiert wird. Die HCO3−-Reabsorption erfolgt meist im proximalen Tubulus und in einem geringeren Ausmaß in den Sammelrohren. Das H2O in den Zellen der distalen Tubuli spaltet sich in H+ und Hydroxid (OH−). Bei Anwesenheit von Carboanhydrase verbindet sich das OH− mit CO2 und bildet HCO3−, das zurück in die peritubulären Kapillaren transportiert wird, während das H+ in das Tubuluslumen sezerniert wird und mit frei gefiltertem HCO3− zu CO2 und H2O reagiert, welche ebenso reabsorbiert werden. Auf diese Weise distal reabsorbierte HCO3−-Ionen werden neu gebildet und sind nicht mit den vorher filtrierten Ionen identisch.
Ein Abfall des effektiven Zirkulationsvolumens (wie z. B. bei Diuretikatherapie) erhöht die HCO3−-Reabsorption, während ein Anstieg des Parathormons, als Antwort auf eine Säurebelastung, die HCO3−-Reabsorption vermindert. Ebenso führt ein Anstieg des PCO2 zu einer vermehrten HCO3−-Reabsorption, während ein Abbau von Chloridionen (Cl−) (meist durch Volumendepletion) zu einer vermehrten Natriumionen (Na+)-Reabsorption und vermehrter HCO3−-Produktion im proximalen Tubulus führt.
Säure wird aktiv in die proximalen und distalen Tubuli ausgeschieden, wo sie an Harnpuffer bindet - in erster Linie frei filtriertes Phosphat (HPO4−2), Kreatinin, Harnsäure und Ammoniak -, um aus dem Körper transportiert zu werden. Das Ammoniak-Puffersystem ist besonders wichtig, da die anderen Puffer in definierten Konzentrationen filtriert werden und bei hoher Säurebelastung aufgebraucht werden können; im Gegensatz dazu steuern die Tubuluszellen bei Veränderungen der Säurebelastung aktiv die Ammoniakproduktion. Der arterielle pH-Wert ist die Hauptdeterminante der Säureausscheidung, aber die Ausscheidung wird auch durch die Kalium (K+), Cl−- und Aldosteron-Spiegel gesteuert. Die intrazelluläre K+-Konzentration und H+-Sekretion sind reziprok voneinander abhängig; K+-Verluste verursachen eine vermehrte H+-Sekretion und somit eine metabolische Alkalose.