Säure-Base-Haushalt

Hyperventilation führt durch Abatmen der schwachen Säure CO2 zu einem pH-Anstieg (Alkalose), während bei Hypoventilationvermehrt CO2 im Körper verbleibt und es so zu einem pH-Abfall kommt (Azidose)!

Die Nieren regulieren den pH-Wert über zwei Mechanismen: Einerseits scheiden sie überschüssige H+-Ionen größtenteils in Form von NH4+ und HPO42− aus. Andererseits halten sie die HCO3−-Konzentration im Blut aufrecht, indem sie es aus dem Harn reabsorbieren und HCO3−-De-novo-Synthese betreiben. 

Protonensekretion: Über den Na+/H+-Antiporter im proximalen Tubulus und eine H+-ATPase sowie H+/K+-ATPase der Schaltzellen im späten distalen Tubulus und Sammelrohr

• Pufferung im Harn über Bindung an Ammoniak und Phosphat

Bei Azidose: Ausscheidung von NH4+ und PO43− steigt durch vermehrte Ammoniakproduktion in der Niere (Glutaminaseaktivität↑) und verminderte Phosphatreabsorption im proximalen Tubulus

• Enzyminduktion: Chronische Azidose → Renale Glutaminase und Glutamat-Dehydrogenase werden verstärkt exprimiert

• HCO3--De-Novo-Synthese der Niere: Durch den renalen Abbau von einem Molekül Glutamin zu einem Molekül α-Ketoglutarat (vgl. NH4+-Ausscheidung, Ablauf) gewinnt der Körper zwei Moleküle HCO3- 
• HCO3--Reabsorption:  Indirekte Reabsorption im proximalen Tubulus über Umwandlung zu CO2 unter Protonenverbrauch

Regulation

• Bei Azidose: HCO3− wird zu annähernd 100% wieder resorbiert 
• Bei Alkalose: HCO3−-Reabsorption↓ und Stimulation des Cl−-/HCO3−-Austauschers 

Die Rolle der Leber bei der pH-Regulation ist direkt an ihre NH3-Entgiftungsfunktion gekoppelt. Die Leber hat zwei Möglichkeiten der NH3-Entgiftung: Über den Harnstoffzyklus und über die Glutaminsynthese. Unter normalen Umständen werden 95% des anfallenden NH3 im Harnstoffzyklus und 5% über die Glutaminsyntheseverstoffwechselt. Bei Blut-pH-Abweichung kann z.B. die Glutaminsynthese gesteigert und gleichzeitig der Harnstoffzyklus gehemmt werden, um HCO3− einzusparen.

• Ablauf: Aus zwei Molekülen NH3 und einem Molekül HCO3− wird in fünf Reaktionen Harnstoff synthetisiert
• Bedeutung für den Organismus: Hauptmechanismus der NH3-Entgiftung (= toxisches Abbauprodukt des Aminosäurestoffwechsels) 
• Einfluss auf Säure-Basen-Haushalt: Benötigt die Base HCO3− 

Ablauf: Die Synthese der AminosäureGlutamin aus der Vorstufe Glutamat unter Einbau von NH3 ist eine Möglichkeit der NH3-Entgiftung, ohne dabei HCO3- zu verbrauchen

1. In der Leber: Glutamat + NH3 → Glutamin(Enzym: Glutaminsynthetase)
2. Glutamin gelangt über das Blut zu den Nieren
3. In den Nieren: Abspaltung von NH3 aus Glutamin → NH3 + H+ werden in Form der Säure NH4+ ausgeschieden, ohne dabei HCO3− zu verbrauchen (für genauen Ablauf in den Nieren vgl. Protonensekretion)

Einfluss auf Säure-Basen-Haushalt: Benötigt kein HCO3− → Mechanismus der Baseneinsparung bei Azidose

• Azidose: Harnstoffsynthese↓ und Glutaminsynthese↑
  • Harnstoffsynthese wird reduziert, um HCO3−einzusparen (z.B. für Pufferung des Blut-pH),
  • In der Leber wird vermehrt Glutamingebildet und übers Blut an die Niereabgegeben  → NH3 wird renal vermehrt in Form der Säure NH4+ ausgeschieden

Alkalose: Harnstoffsynthese↑ und Glutaminsynthese↓

• Harnstoffsynthese wird gesteigert, daHCO3− zur Genüge vorhanden ist → NH3wird vermehrt in Form von Harnstoffausgeschieden
• Glutaminsynthetase wird gehemmt, sodass weniger Glutamin zur Niere gelangt → Renale NH4+-Ausscheidung sinkt

Stoffwechsel: Glycolyse gehemmt, Hexosemonophosphatweg stimuliert, DNA-Synthese/Zellteilung gehemmt

Elektrolyte: Hyperkaliämie, Hemmung der Na+-K+-ATPase

Durchblutung gesteigert durch Vasodilatation (gilt besonders für cerebrale Gefässe)

O2-Affinität des Hämoglobins: Vermindert ("Rechtsverschiebung" der O2-Bindungskurve). Dadurch kann der Sauerstoff leichter an das bedürftige azidotische Gewebe abgegeben werden.

Stoffwechsel: Glykolyse stimuliert, Lactatsynthese stimuliert, Gluconeogenese gehemmt

Elektrolyte: Hypokaliämie, Hypokalzämie (Die Hypokalzämie bei Alkalose entsteht durch zwei Mechanismen: Erstens führt die Alkalose zu Konformationsänderungen der Plasmaproteine, die dann vermehrt Ca2+binden. Zweitens geht Ca2+Komplexbindungenmit HCO3− ein. Letzteres ist vor allem bei metabolischer Alkalose im Überschuss vorhanden) 

Durchblutung: Gesenkt durch Vasokonstriktion (besonders für cerebrale Gefässe) 

O2-Affinität des Hämoglobins: Gesteigert (="linksverschiebung" der O2-Bindungskurve)

• Ernährung
  • Stoffwechsel von Kohlenhydraten, Fett- und Aminosäuren zu CO2 (CO2 = „Flüchtige“ Säure) 
  • Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren (z.B. Methionin) aus proteinreicher Kost zu SO42− und H+ (Fixe Säuren) 
• Nahrungskarenz 
• Schwere körperliche Arbeit 

Durch Abatmung von CO2

Vegetarische Ernährung mit hohem Sojaanteil

• Neutralisierung saurer Magen- und Darmsekrete 
• Synthese von Harnstoff 

Offene Puffersysteme zeichnen sich dadurch aus, dass ein Reaktionspartner aus dem System entfernt werden kann (z.B. über die Lunge oder über die Nieren), wodurch die Pufferkapazitätgesteigert wird. Die zwei wichtigsten offenen Puffersysteme des Menschen sind das Bicarbonat- und das Ammonium-Ionen-Puffersystem.

Der Bicarbonatpuffer ist das wichtigste Puffersystem des Menschen. Er wirkt als offenes Puffersystem an der Ausscheidung saurer Valenzen über die Lunge durch Abatmen von CO2mit. Mit 20–28 mmol/L stellt das Bicarbonatpuffersystem etwa 50% der Gesamtpufferkapazität des Bluts.

Funktion: Pufferung des Blut-pH-Werts durch im Blut gelöstes CO2 

• Überschuss an Säuren: HCO3− nimmt vermehrt Protonen auf und wird als CO2abgeatmet
• Überschuss an Basen: Gelöstes CO2 geht über H2CO3 in seine deprotonierte Form (HCO3−) über , dabei wird weniger CO2 abgeatmet
• Erhöhter CO2-Partialdruck im Blut: Die Gesamtkonzentration der Pufferbasen bleibt konstant 

Effektivität des Puffers: Steigt bei Alkalose (pH↑) und sinkt bei Azidose (pH↓). Denn bei konstantem pCO2 nimmt die Konzentration von HCO3− mit steigendem pH-Wert exponentiell zu. Daher erhöht sich die Pufferkapazität mit steigendem pH-Wert exponentiell.

Das Ammoniumpuffersystem ist ein wichtiges Regulationssystem der renalen Säure-Basen-Ausscheidung, mit dem saure Stoffe zwar nur in geringer Menge, dafür aber dauerhaft ausgeschieden werden können. Zusätzlich ist das System an der renalen Gluconeogenese, der De-novo-Synthese von Bicarbonat und der Regulation des intrazellulären pH-Werts beteiligt.

• Reaktion: NH3 + H+ ⇄ NH4+
• Funktion
  • Ermöglicht H+-Ausscheidung über den Harn in Form von NH4+
  • HCO3−-sparende Methode der NH3-Ausscheidung 

Bei den geschlossenen Puffersystemen ist der Gehalt der korrespondierenden Säure-Basen-Paare konstant, denn kein Reaktionspartner kann das System über die Lungen oder Nieren verlassen.

Proteine im Blut können über ionisierbare Seitengruppen als Puffer fungieren. Das Hämoglobin der Erythrozyten und Albumin spielen durch ihre hohe Konzentration die größte Rolle in der Pufferung des Blutplasmas.

Reaktion: H+-Aufnahme über reaktive Gruppen der Aminosäuren (bei Interesse siehe: Säure-Basen-Eigenschaften der Aminosäuren)

• Basischer Imidazolring von Histidin: Der Imidazolring von Histidin hat einen pKS-Wertvon 6,0 nahe dem physiologischen pH-Bereich, weshalb Histidin einen besonders hohen Stellenwert für die Pufferfunktion der Plasmaproteine hat

Funktion: Regulation des Blut-pH-Werts (stellt 50% der Gesamtpufferkapazität des Bluts)

Der Pufferbasengehalt des Blutsbeträgt insg. 48 mmol/L. Das Proteinpuffersystem hat eine Kapazität von 20–28 mmol/L; die andere Hälfte stellt das Bicarbonatpuffersystem.

Hauptvertreter

• Albumin
• Hämoglobin: Desoxygeniertes Hämoglobin (= Hb) weist eine geringere Azidität auf als oxygeniertes Hb → Desoxy-Hb nimmt bei gleichem pH-Wert eher H+ auf als Oxy-Hb
  • Daraus ergibt sich auch der Zusammenhang von pH-Wert und der Hb-Sauerstoffbindungskurve: pH↓ → Begünstigt Desoxy-Hb → Rechtsverschiebung; pH↑ → Begünstigt Oxy-Hb → Linksverschiebung