Physiologie des Säure-Basen-Haushalts

pH-Überblick

Der pH-Wert ist das quantitative Maß für den Säure- oder Basengehalt einer Lösung.

• pH = –log ₁₀ [H ⁺ ]:
  • [H ⁺ ] = Konzentration von Wasserstoffionen (d.h. Protonen) in Lösung
  • Logarithmische Skala von 1 bis 14
    • 1 = maximal sauer, 14 = maximal basisch
    • 7 = Neutralpunkt: gleiche Konzentrationen von H ⁺ und OH ^–
• Der normale pH-Wert des arteriellen Blutes beträgt ungefähr 7,40.
• Der physiologische Bereich ist eng reguliert und liegt zwischen 7,35 und 7,45.
  • Azidämie: mehr Wasserstoffionen (H ⁺ ) im Blut = pH< 7,35
  • Alkalämie: mehr Hydroxidionen (OH ^– ) im Blut = pH> 7.45
• „-ämie“ vs. „-ose“
  • „-ämie“ bedeutet „im Blut“.
  • „-ose“ bezieht sich auf einen Prozess: Azidose und Alkalose beziehen sich auf die Prozesse, die Azidämie und Alkalämie verursachen.

Säuren, Basen und Puffer

Die relative Konzentration von Säuren und Basen im Blut bestimmt seinen pH-Wert. Puffersysteme bieten eine kurzfristige Lösung für Störungen dieses Gleichgewichts, bevor Lunge Lunge Lunge: Anatomie und Nieren Nieren Niere endgültig eingreifen, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Säuren

Säuren sind Verbindungen, die Protonen (H ⁺ ) abgeben oder Elektronen aufnehmen können.

• H ⁺ werden freigesetzt, wenn Säuren in Lösung dissoziieren → ↓ pH
• Unterteilung nach Stärke und Volatilität:
  • Starke Säuren:
    • Ionisieren vollständig in Wasser
    • Geben mehr H ⁺ ins Wasser ab → stärkere Wirkung auf den pH-Wert
    • Beispiel: Salzsäure (HCl)
  • Schwache Säuren:
    • Ionisieren teilweise in Wasser
    • Geben weniger H ⁺ ins Wasser ab → relativ geringer Einfluss auf den pH-Wert
    • Beispiel: Kohlensäure (H ₂ CO ₃)
  • Flüchtige Säuren:
    • Können in gasförmigen Zustand übergehen → durch die Lunge Lunge Lunge: Anatomie entfernbar
    • Primäres Beispiel: CO ₂
    • Der Körper produziert durch den aeroben Stoffwechsel etwa 15.000 mmol flüchtige Säuren pro Tag.
  • Nichtflüchtige (fixe) Säuren:
    • Können nicht in gasförmigen Zustand übergehen → nicht durch die Lunge Lunge Lunge: Anatomie entfernbar
    • Werden durch die Nieren Nieren Niere entfernt
    • Der Körper produziert über den anaeroben Stoffwechsel und den GI-Trakt etwa 70 mmol nichtflüchtige Säuren pro Tag.
    • Beispiele: Milchsäure, Harnsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure

Basen

Basen sind Verbindungen, die Protonen (H ⁺ ) aufnehmen oder Elektronen abgeben können.

• Hydroxidionen (OH ^– ) werden freigesetzt, wenn Basen in Lösung dissoziieren:
  • OH ^– verbindet sich mit freiem H ⁺, um H ₂ O zu bilden.
  • Ergebnis ist weniger [H ⁺ ] → ↑ pH (wird basischer)
• Unterteilung nach Stärke:
  • Starke Basen:
    • Ionisieren vollständig in Wasser
    • Geben mehr OH ^– ins Wasser ab → stärkere Wirkung auf den pH
    • Beispiel: Natriumhydroxid (NaOH)
  • Schwache Basen:
    • Ionisieren teilweise in Wasser
    • Geben weniger OH ^– ins Wasser ab → relativ geringer Einfluss auf pH
    • Beispiele: Bicarbonat (HCO ₃^– ), Ammoniak (NH ₃ )

Puffer

Puffer sind Substanzen, die Wasserstoffionen (H ⁺) binden oder freisetzen, um den pH-Wert zu stabilisieren.

• Die Pufferkapazität bezieht sich auf die Menge an H ⁺, die hinzugefügt oder entfernt werden kann.
• Eingeteilt in Bicarbonat- und Nicht-Bicarbonat-Puffer:
  • Bicarbonat (HCO ₃^– ):
    • Physiologisch wichtigster Puffer
    • HCO ₃^– + H ⁺ H ₂ CO ₃ ⇆ CO ₂ + H ₂ O
  • Nicht-Bicarbonat-Puffer:
    • Physiologisch weniger wichtig
    • Beispiele: Proteine Proteine Proteine und Peptide (zB Albumin, Hämoglobin), Phosphate
• pK: pH-Wert eines Puffers, wenn er zu 50 % ionisiert ist
  • Beispiel: Bicarbonat
    • HCO ₃^– + H ⁺ ⇆ H ₂ CO ₃
    • 50 % HCO ₃^– und 50 % H ₂ CO ₃ finden sich bei pH 6,1.
    • pK von Bicarbonat = 6,1
  • Definiert den optimalen pH-Bereich für die Pufferfähigkeit eines bestimmten Puffers
  • Puffer funktionieren am besten, wenn der pK-Wert nahe dem pH-Wert der Flüssigkeit liegt, die sie puffern.
• Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
  • Formel zur Bestimmung des Blut-pH-Werts
  • Der pH-Wert des Blutes hängt in erster Linie vom Verhältnis der Mengen an HCO ₃^– (Base) und CO ₂ (Säure) im Blut ab.
  • Gleichung: pH = 6,1 + log ([HCO ₃^– ]/[0,03 × PCO ₂ ] )
    • 6,1 = pK von HCO ₃^– (entscheidender Puffer im Blut)
    • [HCO ₃^– ] = Konzentration von Bicarbonat im Blut gemessen in mEq/L
    • PCO ₂ = CO ₂ -Partialdruck im Blut gemessen in mmHg
    • 0,03 = Löslichkeitsfaktor für CO ₂
  • Wird verwendet, um Titrationskurven zu erstellen

Regulation des Säure-Basen-Haushalts durch die Lunge

Der Körper produziert täglich etwa 15.000 mmol flüchtige und 70 mmol nichtflüchtige Säuren. Die Lunge Lunge Lunge: Anatomie und die Nieren Nieren Niere arbeiten zusammen, um diese täglich anfallenden Säuren zu eliminieren, wodurch die Pufferkapazität des Blutes nicht überlastet wird und ein normaler pH-Wert aufrechterhalten werden kann.

• Über den aeroben Stoffwechsel werden täglich flüchtige Säuren in Form von CO ₂ produziert, die eliminiert werden müssen, um den Blut-pH konstant zu halten
• CO ₂ wird über die Atemwege ausgeschieden.
• ↑ CO ₂ → ↑ Atmung

Regulation des Säure-Basen-Haushalts durch die Nieren

Die Nieren Nieren Niere sind hauptsächlich für die Ausscheidung der täglich etwa 70 mmol nichtflüchtigen (fixe) Säuren verantwortlich. Durch die Aufrechterhaltung der Bicarbonat-Konzentration im Blut sorgen sie dafür, dass das Bicarbonat-Puffersystem immer mit voller Kapazität zur Verfügung steht.

Bicarbonat-Resorption

Bicarbonat wird im Glomerulum frei filtriert und durch den folgenden Prozess vollständig resorbiert (80 % im proximalen Tubulus):

1. Natrium-Wasserstoff-Antiporter 3 (NHE3) resorbiert Na ⁺ und sezerniert H ⁺.
2. Ausgeschiedenes H ⁺ verbindet sich im Lumen mit dem filtrierten HCO ₃^– zu H ₂ CO ₃.
3. H ₂ CO ₃ wird durch die apikale Carboanhydrase IV in H ₂ O und CO ₂ umgewandelt.
4. CO ₂ diffundiert frei über die apikale Membran zurück in die Zelle.
5. Intrazelluläre Carboanhydrase II wandelt CO ₂ + H ₂ O wieder in H ₂ CO ₃ um.
6. H ₂ CO ₃ kann dann in H ⁺ und HCO ₃^– dissoziieren:
   • H ⁺ werden durch den Prozess des NHE3 recycelt.
   • HCO ₃^– wird durch die basolaterale Membran absorbiert via:
     • Na ⁺ -HCO ₃^– Symporter
     • HCO ₃^– -Cl ^– Antiporter
7. Nettoeffekte des gesamten Prozesses:
   • Ausscheidung von H ⁺
   • Resorption von HCO ₃^–
8. Hinweis: Bicarbonat ist durch die apikale Membran nicht frei durchlässig, da es sich um ein geladenes Molekül handelt.
9. Orte der HCO ₃^– Rückresorption:
   • Proximaler Tubulus: 80 %
   • Dicker aufsteigender Teil der Henle-Schleife: 10 %
   • Distaler Tubulus: 6 %
   • Sammelrohr: 4 %

Ammoniak ( _NH3 )

NH ₃ ist in der Lage, fixe Säuren auszuscheiden.

• Macht 60 % der Ausscheidung von fixen Säuren aus
• Tritt hauptsächlich im proximalen Tubulus auf
• NH ₃ kann H ⁺ binden, das dann mit dem Urin ausgeschieden wird:
  • Im Tubulus kann NH ₃ an H ⁺ binden → wird zu NH ₄⁺, das im Urin verbleibt und ausgeschieden wird
  • NH ₄⁺ kann innerhalb der proximalen Tubuluszelle erzeugt und in die tubuläre Flüssigkeit ausgeschieden werden.
• NH ₄⁺ (Ammonium) und HCO ₃^– entstehen aus dem Glutaminstoffwechsel in den Mitochondrien:
  • Glutamindehydrogenase: Glutamin Glutamin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren → Glutamat + NH ₄⁺, dann
  • Glutamat-Dehydrogenase: Glutamat → Alpha-Ketoglutarat + NH ₄⁺, dann
  • Alpha-Ketoglutarat tritt in den Citrat-Zyklus ein → 2 Moleküle HCO ₃^– wurden erzeugt
• NH ₄⁺ wird über 2 Mechanismen in die tubuläre Flüssigkeit sezerniert:
  • NHE3 tauscht Na ⁺ direkt gegen NH ₄⁺ .
  • NH ₃ ist membrandurchlässig:
    • Diffundiert frei von der Innenseite der Zelle in das röhrenförmige Lumen
    • Verbindet sich mit freiem H ⁺ zu NH ₄⁺
• HCO ₃^– das im Citrat-Zyklus produziert wird, wird über die basolaterale Membran in den Blutkreislauf resorbiert.
• Dieser Prozess ist sehr anpassungsfähig: Wird bei chronischer Azidose hochreguliert.

Titrierbare Säuren

• Macht 40 % der Ausscheidung von fixen Säure aus
• Tritt im proximalen Tubulus, im distalen Tubulus und im Sammelrohr auf
• Titrierbare Säuren puffern ein H ⁺ und werden dann mit dem Urin ausgeschieden:
  • Intrazelluläres H ₂ CO ₃ dissoziiert in H ⁺ und HCO ₃^– .
  • H ⁺ -Ionen werden in das röhrenförmige Lumen sezerniert durch:
    • V-Typ H ⁺ -ATPase
    • NHE3
  • Titrierbare Säure bindet H ⁺.
  • Gebundene Verbindungen werden mit dem Urin ausgeschieden.
  • HCO ₃^– (aus dem ersten Schritt) bleibt in der Zelle übrig und gilt als „regeneriert“.
• Beispiele für titrierbare Säuren:
  • pK ist dem pH-Wert von normalem Urin am nächsten → am nützlichsten für die Bindung von H ⁺ unter normalen Bedingungen:
    • Phosphat Phosphat Elektrolyte (pK 6,8)
  • pK weiter vom normalen Urin-pH-Wert entfernt → weniger nützlich:
    • Urat (pK 5,8)
    • Kreatinin (pK 5.0)
  • pK kleiner als der minimal mögliche pH-Wert des Urins (ca. 4,4) → nicht sinnvoll:
    • Laktat (pK 3,9)
    • Pyruvat Pyruvat Glykolyse (pK 2,5)
• Dieses System wird bei chronischer Azidose nicht hochreguliert (im Gegensatz zum Ammoniaksystem).

Klinische Relevanz

Wenn ein Krankheitsprozess die normale Fähigkeit zur pH-Regulierung überfordert, treten die unten aufgeführten primären Säure-Basen-Störungen auf. Es treten auch Kompensationsmechanismen in Kraft, die helfen, die pH-Änderung auszugleichen.

• Metabolische Azidose Metabolische Azidose Metabolische Azidose: Prozesse, die zur Ansammlung von H ⁺ führen und im Allgemeinen eine Azidämie (dh die Senkung des pH-Werts im Blut) verursachen: Dieser Prozess kann entweder das Ergebnis eines übermäßigen Pufferverlusts (z. B. Durchfall Durchfall Durchfall (Diarrhö)) oder einer erhöhten Säureproduktion (z , Ketoazidose und Laktatazidose) sein.
• Metabolische Alkalose Metabolische Alkalose Metabolische Alkalose: Prozesse, die zur Ansammlung von HCO ₃ – führen und in der Regel eine Alkaliämie (dh Anstieg des pH-Werts im Blut) verursachen: Dieser Prozess kann die Folge einer übermäßigen Pufferversorgung oder einer erhöhten Ausscheidung von Wasserstoffionen sein. Häufige Ursachen sind Erbrechen Erbrechen Erbrechen im Kindesalter und Calcium-Alkali-Syndrom.
• Respiratorische Azidose Respiratorische Azidose Respiratorische Azidose: Prozesse, die zu einer Ansammlung von arteriellem CO ₂ führen und im Allgemeinen eine Azidämie (d.h. eine Senkung des pH-Werts im Blut) verursachen: Dieser Prozess kann das Ergebnis einer mangelhaften CO ₂ -Clearance durch die Lunge Lunge Lunge: Anatomie sein. Häufige Ursachen sind chronisch obstruktive Lungenerkrankungen und Asthma.
• Respiratorische Alkalose Respiratorische Alkalose Respiratorische Alkalose: Prozesse, die zu einer Abnahme des arteriellen CO ₂ führen und im Allgemeinen eine Alkaliämie (d.h. Anstieg des pH-Werts im Blut) verursachen: Dieser Prozess kann das Ergebnis einer übermäßigen Clearance von CO ₂ aus dem Blut durch erhöhte Ventilation Ventilation Atemmechanik sein. Häufige Ursachen sind Schwangerschaft Schwangerschaft Schwangerschaft: Diagnostik, mütterliche Physiologie und Routineversorgung, Angstzustände und eine Überdosierung von Aspirin Aspirin Nichtsteroidale Antirheumatika/Antiphlogistika.