Blutdruck, Wasserhaushalt, Säure-Basen-Status

Zusammenhänge zwischen pH-Wert, Metabolismus und Organfunktionen


 
© H. Hinghofer-Szalkay

metabolisch: μετα = (her)um, βάλλειν = werfen
katabol: κατα = herab, βάλλειν = werfen
Ketonkörper: Von "Aketon" = Azeton, von "acetic acid" + "on" (acidum = Säure)
pH: potentia hydrogenii - negativer (dekadischer) Logarithmus der molaren Wasserstoffionenkonzentration




Metabolische Zusammenhänge zwischen Organen und Geweben sind zahlreich und intensiv; besonders stechen Interaktionen zwischen Skelettmuskulatur, Fettgewebe, Leber, Pankreas, Nieren, Herzmuskel und Gehirn hervor, zum Beispiel:

   -- Fettsäuren dienen Skelett- und Herzmuskel als bedeutende Energiequelle und werden von der Leber nachgeliefert
   -- Glukose dient vor allem dem Gehirn als "Brennstoff", im chronischen Hungerzustand bzw. bei Insulindefizienz z.T. ersetzt durch Ketonkörper - beides wird von der Leber nachgeliefert
   -- Atmung, Nieren-, Leber-, Pankreas-, Magen- und Darmfunktion kooperieren bei der Balancierung des pH-Wertes; interorganischer Austausch betrifft vor allem Kohlendioxid, Ammonium, Harnstoff, Bikarbonat.

Einer der klinisch relevanten Begleiteffekte ist die Wirkung des pH-Wertes auf den Kaliumspiegel: Steigt bei azidotischer Stoffwechsellage die H+-Ionenkonzentration (sinkt der pH-Wert) in den Zellen (z.B. Myozyten), kompromittiert das - über verschiedene Wirkungen - die Fähigkeit der Zelle, Kaliumionen aufzunehmen. Das senkt den intrazellulären, und hebt den extrazellulären Kaliumspiegel (Hyperkaliämie).

Azidose steigert, Alkalose senkt den Kaliumspiegel im Blut - wird eine Azidose therapiert (Pufferinfusion), sinkt dabei automatisch der Kaliumspiegel. Deshalb müssen Hyperkaliämien bei Azidosepatienten meist nicht eigens behandelt werden: Die Normalisierung des pH befördert Kalium in die Zellen.


Extrazellulärer vs. intrazellulärer pH pH und Kaliumwert



>Abbildung: Metabolische Verbindung zwischen Herzmuskel, Nervensystem, Fett- und Muskelgewebe

Nach einer Vorlage in VirginiaEdu

Rote Pfeile: Substratflüsse nach Nahrungsaufnahme

Präzises Einstellen des pH-Wertes ist notwendig, um die normale Funktion von Enzymsystemen, Zellen und Geweben zu ermöglichen. Dabei sind die Anforderungen an den optimalen pH-Wert abhängig von dem jeweiligen Kompartiment - z.B.

  intrazellulär: Zytoplasma (pH=7,2), Lysosomen (pH=5-6), Mitochondrien (pH=8)

  extrazellulär: Blutplasma (pH=7,3), Pankreassaft (pH=8,2), Magenlumen (pH bis ≈1)

Je nach Kompartiment stehen entsprechende Mechanismen zur Stabilisierung des pH zur Verfügung (Pufferung, Metabolisierung , Weitertransport, Ausscheidung). Dabei kommt es zur Kooperation zwischen verschiedenen Geweben und Organen.

So bestehen zwischen folgenden Geweben / Organen
zahlreiche metabolische Verbindungen und Abhängigkeiten:

  Leber

  Nieren

  Fettgewebe

  Muskulatur

  Herz

  Gehirn

(>Abbildung und vgl. dort).

  Insbesondere die Energieversorgung des Gehirns hängt primär von laufender Versorgung mit Glukose (und Ketonkörpern ) ab, es ist ein reiner Verbraucher; das andere Extrem ist das Fettgewebe, das den größten Speicher von Stoffwechselenergie darstellt (Energiebedarf für mehrere Wochen, s. dort).

  Stellt die Leber auf Hungerstoffwechsel um (Substratmangel wie im Hunger, oder mangelnder Eintritt von Substrat in die Zellen wie bei Diabetes mellitus), entstehen aus Fetten Ketonkörper (Azetessigsäure, Beta-Hydroxy-Buttersäure). Diese können vom Nervengewebe zur Energiegewinnung herangezogen werden, nachdem eine entsprechende Umstellung (Expression der nötigen Enzyme) erfolgt ist.

Im Stoffwechsel entstehende Säuren senken den pH-Wert und belasten den Stoffwechsel in Richtung metabolischer Azidose. (Dabei ist nicht der pH-Wert aufgenommener Stoffe entscheidend, sondern die Summe der Valenzen, die im Stoffwechsel anfallen - so sind saure Fruchtsäfte im Metabolismus basenüberschüssig). Die Niere scheidet saure Valenzen aus, die anderweitig nicht (ausreichend) aus dem Körper entfernt werden können (Ammoniumsalze und "titrierbare" Säure wie Schwefel- oder Phosphorsäure).

Andererseits können chronische Lebererkrankungen - aus nicht ganz klaren Gründen (mangelnder Progesteronabbau, Wirkung
unzureichend abgebauter Stoffwechselprodukte auf Atemzentrum?) zu Hyperventilation und respiratorischer Alkalose führen (typisch ein Abfall des pCO2 um 5-10 mmHg, bei schwerer Fehlfunktion auch mehr und kombiniert mit Enzephalopathie). Auch metabolische Azidosen sind möglich (herabgesetzter Laktatmetabolismus).
 




<Abbildung: Wie Azidose den Serum-K-Spiegel hebt
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Beispiel: Muskelzelle. Wasserstoffionen hemmen den Kalium-Einwärtstransport (Na-K-Pumpe, Na-K-2Cl-Symport) und verdrängen gleichzeitig K+ von der Bindung an zelluläre Eiweißmoleküle. So wird einerseits die Aufnahme von Kalum in die Zelle behindert, andererseits Kalium verdrängt, sodass es zu Hyperkaliämie kommen kann

  Der pH-Wert des Blutes hat eine wichtige Konsequenz für die Kaliumspeicherung der Zellen (<Abbildung): Dringen vermehrt H+-Ionen aus dem Interstitium in Zellen ein, verringern sie z.B. an Muskelzellen den Na-K-2Cl-Symport zusammen mit der Na-K-ATPase und senken so die Kaliumaufnahme. Gleichzeitig treiben sie K+ von seiner Bindung an Protein und in den Extrazellulärraum. Resultat ist ein Anstieg des extrazellulären Kaliumspiegels.

  Im Magen sezernieren Belegzellen (parietal cells) - getrennt - H-Ionen und Chloridionen. Dabei wird ein pH-Gradient von >6 überwunden, d.h. ein Unterschied in der Protonenkonzentration von bis zu über 1 zu einer Million. Dies ist einer der größten Konzentrationsunterschiede, die über eine Biomembran aufgebaut werden kann.

  Die Nieren sind an der nicht-respiratorischen Regulation des pH-Gleichgewichts prominent beteiligt (tubuläre Mechanismen), so dass sich Nierenerkrankungen in vielfacher Weise im Säure-Basen-Haushalt bemerkbar machen können - z.B. tubuläre Azidose.

Die Bindung von (freien, d.h. biologisch aktiven) Kalzium-Ionen an Plasmaproteine hängt vom pH ab: Je saurer, desto mehr H
+-Ionen konkurrenzieren um negative Bindungsstellen am Eiweißmolekül.

Das bedeutet, Azidose erhöht die Konzentration von [Ca++], während sie durch Alkalose sinkt (Krampfanfälle durch Hyperventilation!).

Bei alkalotischen Patienten ist [Ca++] erniedrigt, obwohl der Gesamt-Kalziumspiegel normal sein kann.

 
  Weiteres zum Säure-Basen-Haushalt s. dort.


Eine Reise durch die Physiologie


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