Säure-Basen-Haushalt

Basenabweichung (base excess) BE = PB_aktuell – PB_normal [mmol/l] 
(--> der BE ist Hb-unabhängig)

PB = Gesamtpufferbasen im Blut (--> der PB ist Hb-abhängig)

- 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.

--> 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.

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.

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

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)

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.

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“.

Teilkompensation, wenn der pH-Wert nicht normal ist.

Vollständigen Kompensation, wenn der pH wieder normal ist.

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

- 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.

- 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.

1. HCO₃^--Resorption
- erster Schritt: H⁺-Sekretion (Carboanhydrase (CA) in Zelle = CA^II; Carboanhydrase im Bürstensaum = CA^IV)
- 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!)

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

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.

NH_4⁺-Ausscheidung kann auf 10-faches ansteigen
= gesteigerte NH₃-Produktion
= gesteigerte Glutaminbildung in Leber

- starke Ionen = diejenigen Ionen die in einer bestimmten Lösung beim zu untersuchenden pH total dissoziieren
- im Blut (pH 7.4): starke Kationen: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ und starke Anionen: Cl^- und SO₄^2-
- SID = der Unterschied zwischen der Konzentration von starken Kationen und starken Anionen

- erlaubt die Diagnostik des Säure-Basen-Haushalts aus venösem (!) und nicht nur aus arteriellem Blut mittels der Bestimmung von [Na+], [K+]und [Cl-]
- hat den Vorteil, dass es den engen Zusammenhang zwischen Säure-Basen- und Elektrolythaushalt berücksichtigt – besonders auch die Konsequenzen eines Eingriffs in den Elektrolythaushalt durch Infusions- oder Diuresetherapie auf den Säure-Basen-Status

- Es kann keine Änderung der Pufferbasenkonzentration geben, ohne dass sich die SID ändert (und umgekehrt!).
- Dies ergibt sich zwingend aus der Regel der Elektroneutralität, wonach die Summe aller Kationenladungen gleich der der Anionenladungen sein muss.
- Verluste von HCO₃^- (z.B. Durchfall) oder H⁺ (z.B. Erbrechen) führen daher immer zum Verlust äquimolarer Mengen an Na⁺ und K⁺ bzw. Cl^- -Ionen.

--> Vereinfacht gesagt, weist eine Verminderung der SID auf eine metabolischen Azidose, eine Vergrösserung auf eine metabolische Alkalose hin.

Schnelle NaCL–Infusion (30ml/kg/h)
- führt zu hyperchlorämischer metabolischer Azidose
  --> da sie SID absinkt (Verdünnung der Bufferbasen)
Bei Gabe von Diuretika
- können ebenso Änderungen der SID entstehen

--> schnelle therapeutische Volumenänderungen mit starken Elektrolyten verändern den Säure-Basen-Haushalt!

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

Ein Ampholyt kann sowohl als Base wie auch als Säure fungieren.

z.B. Wasser kann Protonen aufnehmen aber auch abgeben.

"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

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 K_W: ergibt sich aus der Anwendung des MWG auf das Autoprotolyse-Gleichgewicht.

[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

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.

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: wird in der Titrimetrie gebraucht; das Verhältnis der Äquivalentstoffmenge n_R(eq) der zugegebenen Masslösung zur Ausgangs-Äquivalentstoffmenge n₀(eq) des zu bestimmenden Stoffes in der Probelösung:
Titrationsgrad = [zugegebene Lauge] / [Säure in der Lösung])

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 K_S.

Dissoziationskonstante: ein Spezialfall der Gleichgewichtskonstante aus dem Massenwirkungsgesetz für die Dissoziation eines Elektrolytes (Säure, Base, Salz) in einem Lösungsmittel (Flüssigkeit z.B. Wasser).
K_S = [A^-] ⋅ [H⁺] / [HA]

Henderson-Hasselbalch Gleichung: pH = pK_S + 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.

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.

- 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.

Hydratisierung = Anlagerung von Wassermolekülen an Ionen in Lösung

Die Hydratisierung wird in Säugetieren durch die Carboanhydrase katalysiert.

Ein physikalisches Gesetz, das die Löslichkeit von Gasen in einer Flüssigkeit bei konstanter Temperatur beschreibt.

C_Gas = α_Gas ⋅ p_Gas
--> C_Gas = die Konzentration eines Gases in einer Lösung
--> α_Gas = der Bunsen’sche Löslichkeitskoeffizient
--> _pGas = der Partialdruck

pH = pK1‘ + log [HCO3^-] / (α_CO2 ⋅ p_CO2)

α_CO2 in Plasma bei 37°C = 0,03 mmol/l/mmHg

- 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

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)

- durch Pufferung
- durch Ausscheidung (vgl. Atmung und Niere)

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).