Physiologie des Säure-Basen-Haushalts

Der pH-Wert des Blutes wird im Bereich von 7,35-7,45 streng reguliert, um die normalen Funktionen des Körpers zu gewährleisten. Durch physiologische Prozesse (aerobe/anaerobe Atmung und Nahrungsaufnahme) werden täglich große Mengen an Säuren erzeugt, die durch Puffer im Blut, Atmung und Nierenfunktion effizient eliminiert werden. Wenn diese Regulationssysteme gestört sind, kommt es zu Störungen des Säure-Basen-Haushalts wie respiratorischer Azidose, respiratorischer Alkalose, metabolischer Azidose und metabolischer Alkalose.

Aktualisiert: 23.05.2023

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

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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.
Zusammenhang zwischen Blut-pH-Wert und Konzentration von Wasserstoffionen

Zusammenhang zwischen Blut-pH-Wert und Konzentration von Wasserstoffionen

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Tabelle: Beispiele für pH-Werte verschiedener Flüssigkeiten
Kompartiment pH
Magensekrete (unter Bedingungen maximaler Säure) 0.7
Lysosom 5.5
Chromaffin-Granulat 5.5
Neutrales H 2 bei 37 °C 6.81
Zytosol Zytosol Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett einer typischen Zelle 6,0–7,4
Liquor 7.3
Arterielles Blutplasma 7,35–7,45
Matrixraum im Inneren der Mitochondrien 7.5
Pankreas-Sekrete 8.1

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:
  • 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
Tabelle: Henderson-Hasselbalch-Beispiele
Normale ABG Saure ABG Alkalische ABG
HCO 3 24 mEq/l 26 mEq/l 22 mEq/l
PaCO 2 40 mm Hg 60 mm Hg 20 mm Hg
pH 7.40 7.26 7.66
ABG: arterielle Blutgase
HCO 3 : Bicarbonat
PaCO 2 : CO 2 -Partialdruck im arteriellen Blut
Titrationskurve für Bicarbonat im Blut

Titrationskurve für Bicarbonat im Blut

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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
Umgang mit Säure in der Lunge

Faktoren, die am täglichen Säure-Basen-Haushalt beteiligt sind

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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 %
Bicarbonat-Reabsorption im proximalen Tubulus

Bicarbonat-Resorption im proximalen Tubulus

CA-IV: Carboanhydrase IV
CA-II: Carboanhydrase II

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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.
NH3 und NH4+ Transport zum Lumen zur Ausscheidung

NH 3 und NH 4+ Transport ins Lumen zur Ausscheidung

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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:
    • 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:
  • 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.

Quellen:

  1. Emmett, M., Palmer B.F. (2020). Simple and mixed acid–base disorders. UpToDate. 
    https://www.uptodate.com/contents/simple-and-mixed-acid-base-disorders (Zugriff am 01.04.2021)
  2. Theodore, A. C. (2020). Arterial blood gases. UpToDate. Retrieved April 1, 2021, from https://www.uptodate.com/contents/arterial-blood-gases
  3. Behrends JBischofberger JDeutzmann REhmke HFrings SGrissmer SHoth MKurtz ALeipziger J et al., Hrsg. Duale Reihe Physiologie. 3., vollständig überarbeitete Auflage. Stuttgart: Thieme; 2016. doi:10.1055/b-004-132217

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