Säure-Basen-Haushalt
(für Veterinärmediziner/innen)
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Definition Säure & Base
- Bronstedt
- Lewis
Säure: Protonendonator (Brønstedt) oder Elektronenakzeptor (Lewis)
Base: Protonenakzeptor (Brønstedt) oder Elektronendonator (Lewis)
Was passiert mit den Protonen im Wasser?
Wie lautet die Reaktionsgleichung?
Was gilt in reinem Wasser?
Protonen binden sich an H2O --> es gibt also keine freien H+-Ionen in wässriger Lösung
H+ + H2O --> H3O+
in reinem H2O gilt daher: 2 H2O ⇌ H3O+ + OH
Was ist ein Ampholyt?
Nennen Sie ein Beispiel
Ein Ampholyt kann sowohl als Base wie auch als Säure fungieren.
z.B. Wasser kann Protonen aufnehmen aber auch abgeben.
Was bedeutet Wasser ist "neutral"?
--> im destillierten Wasser?
"Neutral" bedeutet: die Konzentration von H3O+ und OH- sind exakt gleich
--> in dest. Wasser sind sie: [H3O+] = 10-7 mol/l; [OH-] = 10-7 mol/l
Definition Ionenprodukt
Ionenprodukt des Wassers KW
Ionenprodukt: Aus dem Massenwirkungsgesetz (MWG) abgeleitete Bezeichnung für das Produkt der Konzentration c aller infolge elektrolytischer Dissoziation in einer Lösung vorliegender Ionen.
Ionenprodukt des Wassers KW: ergibt sich aus der Anwendung des MWG auf das Autoprotolyse-Gleichgewicht.
Was ist das Produkt der Konzentration von H3O+ und OH- für dest. Wasser bei 25°C?
Was passiert wenn Säure zum dest. Wasser gegeben wird?
Was folgt daraus?
[H3O+] ⋅ [OH-] = 10-14 mol/l
Wenn eine Säure zu dest. Wasser gegeben wird, steigt [H3O+] und [OH-] fällt, das Ionenprodukt bleibt aber gleich. Deshalb ist nur möglich:
Maximale [H3O+] = 10-0 mol/l
Maximale [OH-] = 10-0 mol/l
Minimale [H3O+] = 10-14 mol/l
Minimale [OH-] = 10-14 mol/l
Definition pH
Was sagt uns der pH-Wert?
Was kann damit erfasst werden, was nicht?
pH ist der negative dekadische Logarithmus der H3O+-Konzentration: pH = -log[H3O+]
Der pH-Wert sagt uns, wie basisch bzw. sauer eine Lösung ist.
Hiermit kann nur die so genannte „aktuelle“ Azidität erfasst werden, nicht die „potentielle“ Azidität, die der noch nicht dissozierten Säure entspricht.
Dissoziation von schwachen bzw. starken Säuren in Wasser
Nennen Sie die Dissoziationsgleichung für Säuren
Manche Säuren dissozieren in Wasser praktisch vollständig (= „starke“ Säuren, z.B. HCl, HNO3, H2SO4) andere unvollständig (= „schwache“ Säuren, z.B. H2CO3, H3C-COOH, HCOOH).
Dissoziationsgleichung für Säuren: HA ⇌ A- + H+
Titrationsgrad
Titrationsgrad: wird in der Titrimetrie gebraucht; das Verhältnis der Äquivalentstoffmenge nR(eq) der zugegebenen Masslösung zur Ausgangs-Äquivalentstoffmenge n0(eq) des zu bestimmenden Stoffes in der Probelösung:
Titrationsgrad = [zugegebene Lauge] / [Säure in der Lösung])
Pufferbereich
Was ist ein Puffer?
Bei welchem pH puffern schwache Säuren am besten?
--> Wodurch wird dieser bestimmt?
Pufferbereich (grauer Bereich): bei schwachen Säuren gibt es einen Bereich mit geringer pH-Änderung bei Zugabe von
Lauge oder Säure.
Puffer sind schwache Säuren (HA) mit ihrer korrespondierenden Base (A-)
An dem pH-Wert an dem [HA] gleich [A-] ist.
--> Dies wird bestimmt durch eine Stoffkonstante, die Dissoziationskonstante KS.
Definition Dissoziationskonstante KS
Wie lautet die Henderson-Hasselbalch Gleichung?
--> Was beschreibt sie?
Dissoziationskonstante: ein Spezialfall der Gleichgewichtskonstante aus dem Massenwirkungsgesetz für die Dissoziation eines Elektrolytes (Säure, Base, Salz) in einem Lösungsmittel (Flüssigkeit z.B. Wasser).
KS = [A-] ⋅ [H+] / [HA]
Henderson-Hasselbalch Gleichung: pH = pKS + log [A-] / [HA]
--> beschreibt den Zusammenhang zwischen dem pH-Wert und der Lage des Gleichgewichts einer Säure-Base-Reaktion zwischen einer mittelstarken Säure und ihrer korrespondierenden mittelstarken Base in verdünnten wässrigen Lösungen.
Welche Säure- bzw. Laugenmenge kann ein Puffersystem abpuffern?
Pufferkapazität
Das hängt schlicht von seiner Konzentration ab.
--> Je höher die Konzentration ist, desto mehr Säure bzw. Lauge kann abgepuffert werden.
Die Konzentration eines Puffers wird daher auch mit dem Begriff „Pufferkapazität“ umschrieben.
Pufferkapazität = Stabilität des pH-Werts einer Lösung bei Zugabe von starken Basen oder starken Säuren.
Was ist das Kohlensäure-Bicarbonat-System?
Woraus besteht es?
Was passiert wenn ... zu basisch bzw. sauer ist?
- der wichtigste Blutpuffer zum Auffangen von pH-Schwankungen im Blutkreislauf
- besteht aus der Kohlensäure (H2CO3) als Säure und dem Bicarbonation (auch Hydrogencarbonation, HCO3−) als Base
- wenn das Blut nicht sauer genug ist, löst sich ein Proton (H+) von der Kohlensäure, die daraufhin zum Bicarbonation wird
- wenn das Blut zu viele Protonen enthält, also zu sauer ist, bindet das Bicarbonation ein Proton und wird zur Kohlensäure --> diese zerfällt zu Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2)
Durch verstärkte Atemtätigkeit wird dann vermehrt Kohlenstoffdioxid abgeatmet.
Umgekehrt wird die Lungenaktivität gedrosselt, wenn zu wenig Säure im Blut ist.
Was versteht man unter Hydratisierung?
Wodruch wird sie beim Säuger katalysiert?
Hydratisierung = Anlagerung von Wassermolekülen an Ionen in Lösung
Die Hydratisierung wird in Säugetieren durch die Carboanhydrase katalysiert.
Was beschreibt das Henry’sches Gesetz?
Wie lautet die Gleichung?
Ein physikalisches Gesetz, das die Löslichkeit von Gasen in einer Flüssigkeit bei konstanter Temperatur beschreibt.
CGas = αGas ⋅ pGas
--> CGas = die Konzentration eines Gases in einer Lösung
--> αGas = der Bunsen’sche Löslichkeitskoeffizient
--> pGas = der Partialdruck
Wie lautet die Henderson-Hasselbalch-Gleichung für Kohlendioxid-Hydrogencarbonat-Kohlensäure?
pH = pK1‘ + log [HCO3-] / (αCO2 ⋅ pCO2)
αCO2 in Plasma bei 37°C = 0,03 mmol/l/mmHg
pH-Wert im Organismus
(3 Punkte)
- der pH-Wert wird in engen Grenzen konstant gehalten --> Enzyme sind sehr pH-empfindlich
- pH = 7,4 ±0,03 – 0,04 ist normal
- pH = 7,4 ±0,5 ist gerade noch mit dem Leben vereinbar
Bedrohung der pH-Konstanz (physiologischerweise)
durch saure Stoffwechselprodukte
• Oxidation von Nährstoffen => CO2-Produktion => [H2CO3]↑ => CO2-Ausscheidung über Lunge (ca. 20‘000 mmol/d)
• „fixe“ Säuren (z.B. aus S-haltigen Aminosäuren => H2SO4 -Produktion => Ausscheidung über Niere (ca. 80 mmol/d)
Wie wird die pH-Konstanz erreicht?
(2 Möglichkeiten)
- durch Pufferung
- durch Ausscheidung (vgl. Atmung und Niere)
Wie wird CO2 im Blut transportiert?
CO2 wird auf dreierlei Weise transportiert:
1. Physikalisch gelöst: ca. 10%
2. Chemisch gebunden: ca. 10%
--> Bindung an NH2-Gruppen von Proteinen; da [Hb] >> [andere Plasmaproteine] und Hb mehr NH2-Gruppen hat:
HB-NH2 + CO2 ⇌ Hb-NHCOO- + H+
--> auf welche Seite das Gleichgewicht verschoben wird, hängt auch von der O2-Sättigung des Hb ab (Christiansen-Douglas-Haldane-Effekt)
3. als Hydrogencarbonat: ca. 80%
CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+ (1.Reaktionsschritt wird von Carboanhydrase katalysiert)
--> Das Enzym ist im Erythrozyten. => Verschiebung von HCO3- aus dem Erythrozyten im Austausch mit Cl- im Gewebe und umgekehrt in der Lunge (Hamburger-Shift).
Hamburger-Shift
Der Begriff Hamburger-Shift bezeichnet den Austausch von Bicarbonat gegen Chlorid an der Zellmembran von Erythrozyten.
Was für Puffersysteme gibt es im Blut?
Man unterscheidet ein „offenes“ und ein „geschlossenes“ Sytem.
„offenes System“
CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+
--> Über CO2 ist das Puffersystem in offenem Kontakt mit der Umwelt. => Trotz des ungünstigen pKS-Wertes (6,1) im Vergleich zum Soll-pH des Plasmas (7,4) sehr effektiver Puffer.
„geschlossenes System“
--> besteht im Wesentlichen aus Prot- /HProt Puffern (das können insofern alle Blutproteine)
--> Am wichtigsten ist das Imidazol des Histidins (pKS = 6,8) und andere NH2-Gruppen aber auch COOH- und SH- Gruppen sind von Bedeutung
Was passiert mit dem pH-Wert bzw. dem Puffer im Blut nach dem Blutspenden?
- der pH-Wert ist normal
- weniger Puffer vorhanden
Was ist HPO4- /H2PO4?
--> Konzentration/Pufferkapazität?
--> Rolle im Säure-Basen-Haushalt
--> Ausscheidung
--> Wichtig für?
Ein Phosphatpuffer.
- die Plasmakonzentration ist sehr gering
- geringe Pufferkapazität
--> weshalb er für den Säure-Basen-Haushalt des Blutes keine Rolle spielt
- da die Ausscheidung über die Niere erfolgt, ist er ein wichtiger Urinpuffer
- ausserdem ist er ein wichtiger intrazellulärer Puffer
Base Excess (BE)
(3 Punkte)
- ein diagnostischer Parameter der Blutanalyse, der eine Aussage über das Säure-Base-Gleichgewicht des Blutes trifft
- er gibt die Menge an Säure oder Base an, die theoretisch dafür notwendig ist, um einen Liter Blut auf einen pH-Wert von 7,4 zu titrieren
- bei einem pCO2 von 40mmHg und einer Temperatur von 37° Celsius
Wie berechnet man die Basenabweichung (BE)? Welche Einheit hat sie?
Basenabweichung (base excess) BE = PBaktuell – PBnormal [mmol/l]
(--> der BE ist Hb-unabhängig)
PB = Gesamtpufferbasen im Blut (--> der PB ist Hb-abhängig)
Bestimmung des Säure-Basen-Status
- Welche Werte braucht es dazu?
- Wie geht man dabei vor?
- Wie kann man diese Werte auch noch bestimmen?
- In Europa werden drei Werte bestimmt, um den Säure-Basen-Status eines Patienten festzulegen: pH, pCO2, BE
- Moderne Blugasanalysatoren messen pH und pCO2 und errechnen daraus den BE.
- Alle diese Werte können auch mit dem Astrup-Verfahren und mit Hilfe des Siggaard-Andersen-Nomogramms bestimmt werden.
Astrup-Verfahren
- Wozu dient es?
- 5 Schritte
- Wann wurde dieses Verfahren genutzt?
--> Bestimmung des Säure-Basen-Status --> ermöglicht die indirekte Bestimmung des pCO2
1. pH messen
2. äquilibrieren mit hohen pCO2 und pH messen (= Ausgleichen einer Gleichgewichtsverschiebung)
3. äqulibrieren mit niedWrigem pCO2 und pH messen
4. mit Äquilibrationspunkten aus 2. und 3. Gerade (Isopufferbasenlinie) in’s Nomogramm zeichnen, BE ablesen
5. pCO2 mittels pH aus 1. ablesen
--> Dieses Verfahren stammt aus einer Zeit als es nicht möglich war, den pCO2 im Blut direkt zu messen.
Siggaard-Andersen-Nomogramm
Mit dem Siggaard-Andersen-Nomogramm ist es möglich, den pH-Wert, den pCO2 oder die Konzentration von Bikarbonat (HCO3-) im Blut oder in einer von der Zusammensetzung her blutähnlichen Lösung auszurechnen - vorausgesetzt die beiden jeweils anderen Werte sind bekannt.
Säure-Basen-Störungen
Man unterscheidet zwei Gruppen von Störungen (es sind aber auch Kombinationen möglich):
- respiratorische Störungen (rein): Verschiebung auf einer Isopufferbasenlinie
- mtabolische Störungen (rein): Verschiebung der Isopufferbasenlinie
Wie kann es zur Abweichung im Säure-Basen-Haushalt kommen?
(2 Möglichkeiten)
Azidose (Übersäuerung) --> kann auf zwei Arten herbeigeführt werden:
- hinzufügen von Kohlensäure oder
- entfernen von Basen (Pufferbasen)
Alkalose (pH-Wert steigt auf über 7,45 an) --> kann auf zwei Arten herbeigeführt werden:
- entfernen von Kohlensäure oder
- hinzufügen von Basen (Pufferbasen)
Was passiert wenn man zum Blut Kohlensäure bzw. Basen hinzufügt oder entfernt?
Wie funktionieren die Kompensationsmechanismen im Blut?
Kohlensäure hinzufügen = pCO2↑ (bei Hypoventilation)
Kohlensäure entfernen = pCO2↓ (bei Hyperventilation)
Basen hinzufügen = BE↑ (diverse Ursachen, z.B. Erbrechen (eigentlich Entfernen von H+-Ionen))
Basen entfernen = BE↓ (diverse Ursachen, z.B. Durchfälle (HCO3- - Verlust (Pankreassaft)))
--> Ebenso funktionieren die Kompensationsmechanismen.
Wenn z.B. bei einer Lungenerkrankung der pCO2 ansteigt und es dadurch zu einer Ansäuerung des Blutes kommt, kann (und wird) das durch eine Zufuhr von Basen ausgeglichen. Daher steigt dann der BE kompensatorisch an.
Diagnostisches Vorgehen bei Säure-Basen-Störungen
(3 Schritte)
1. pH ansehen:
- Weicht der pH z.B. nach unten ab, so steht der Diagnosenteil „Azidose“.
- Normaler pH heißt nicht, dass keine Störung vorliegt, also weiter machen!
2. pCO2 ansehen:
- Der pCO2 sei beispielsweise erhöht, was bedeutet, dass mehr Kohlensäure im Blut ist.
--> Das passt zu Azidose. --> Die Diagnose erweitert sich: „respiratorische Azidose“.
3. BE ansehen:
- Dieser sei z.B. erhöht, was bedeutet, dass mehr Basen im Blut sind.
--> Das passt nicht zur Azidose, kann also nicht Ursache für die Säure-Basen-Störung sein, sondern muß die Kompensation sein.
==> Die vollständige Diagnose lautet also: „respiratorische Azidose mit (metabolischer) Teilkompensation“.
Wann spricht man von einer Teilkompensation, wann von einer Vollständigen?
(Nach einer Säure-Basen-Störung)
Teilkompensation, wenn der pH-Wert nicht normal ist.
Vollständigen Kompensation, wenn der pH wieder normal ist.
Stellen Sie eine Diagnose für folgende Situationen fest:
pH↓ pCO2↑ = BE?
pH↑ pCO2↓ = BE?
pH↓ pCO2↓ = BE?
pH↑ (pCO2↑) = BE?
pH↓ pCO2↑ = BE↑ Diagnose: resp. Azidose unkompensiert / metabolisch kompensiert
pH↑ pCO2↓ = BE↓ Diagnose: resp. Alkalose unkompensiert / metabolisch kompensiert
pH↓ pCO2↓ = BE↓ Diagnose: metabolische Azidose unkompensiert / resp. kompensiert
pH↑ (pCO2↑) = BE↑ Diagnose: metabolische Alkalose unkompensiert/ resp
- Was ist die Ursache für eine nichtrespiratorische Azidose? Was passiert mit dem pH?
- Was macht der Körper, wenn der pH im Blut abfällt?
--> Was passiert dadruch mit dem pCO2 und dem pH?
- Was passiert bei einer respiratorischen Azidose?
--> Was ist die Ursache dafür?
- Ursächlich für eine nichtresp. Azidose ist ein Basenverlust, wodurch der pH absinkt.
- pH-Abfall im Blut ist ein Atemantrieb.
--> Durch die erhöhte Atmung fällt der pCO2 und der pH normalisiert sich wieder.
- Analoges, nur umgekehrt, passiert bei der resp. Alkalose.
--> Ursache einer respir. Azidose ist ein pCO2-Anstieg.
Behandlung einer metabolischen Azidose / Alkalose
(4 Punkte)
- Infusion einer NaHCO3 – Lösung.
- Wenn die Lösung 8,4%-ig ist (was bei käuflichen Lösungen üblicherweise der Fall ist), dann errechnet sich der Bedarf an Lösung so: Basenbedarf (ml) = -BE ⋅ 0,3 l/kg ⋅ Körpergewicht
- Langsam zunächst nur die Hälfte infundieren, dann erneut messen und evtl. den Rest verabreichen!
- Bei einer Alkalose analog verfahren und Arginin-Hydrochlorid (oder HCl) infundieren.
Basensparmechanismus der Niere - 1.Schritt
(6 Punkte)
1. HCO3--Resorption
- erster Schritt: H+-Sekretion (Carboanhydrase (CA) in Zelle = CAII; Carboanhydrase im Bürstensaum = CAIV)
- die H+-Sekretion findet nicht nur im Austausch gegen Na+ statt; sondern auch aktiv durch H+-ATPase in luminaler Membran
--> diese wird (neben H+-K+-ATPase) im distalen Tubulus und Sammelrohr (Schaltzellen) wichtig bei vermehrter H+-Sekretion bei metabolischer Azidose
- HCO3- Resorption ist abhängig vom pCO2
--> sie ist hoch bei hohem pCO2 (es stehen mehr H+ für die Sekretion zur Verfügung) und niedrig bei niedrigem pCO2
- wichtig! es geschieht nur HCO3--Resorption, aber keine H+-Ausscheidung
(was aber beim 2. und 3. Schritt des Basensparmechanismuses passiert!)
Basensparmechanismus der Niere - 2.Schritt
(3 Punkte)
2.Bildung titrierbarer (massanalysierbarer) Säuren
- der einzige hierzu vorhandener Puffer ist der Phosphatpuffer (aus dem Eiweißstoffwechsel)
- Ausscheidung von H+ über die Atmung und über den Urin --> max.möglicher pH des Urins: 4.5
- Je saurer der Urin ist (= je mehr HCO3- resorbiert wurde), desto mehr titrierbare Säure wurde gebildet
Basensparmechanismus der Niere - 3.Schritt
(4 Punkte)
3. Ammoniakausscheidung --> ein sehr effektiver Mechanismus
- Glutamin wird hauptsächlich über Na+ Cotransport aufgenommen.
- Gebildete NH4+-Ionen (Ammonium) werden mit Cl- ausgeschieden und können schlechter zurück diffundiern als NH3 (Ammoniak).
- das Gleichgewicht ist weit auf der ionisierten Seite (non ionic diffusion des NH3)
- Normal: ca. 66% der Säureausscheidung durch NH4+ und ca. 33% als titrierbare Säure.