Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Blutdruck, Wasserhaushalt, Säure-Basen-Status

 pH-Wert, Metabolismus und Organfunktionen
© H. Hinghofer-Szalkay

metabolisch: μετα = (her)um, βάλλειν = werfen
katabol: κατα = herab, βάλλειν = werfen
Ketonkörper: Von "Aketon" = Aceton, von "acetic acid" + "on" (acidum = Säure)




Organe / Gewebe sind metabolisch, mechanisch, neuroendokrin oder immunologisch miteinander verknüpft. Beispiele:

    -- Fettsäuren dienen Skelett- und Herzmuskel, Glucose vor allem dem Gehirn als Energiequelle; diese Substrate werden von der Leber nachgeliefert

    -- Atmung, Nieren-, Leber-, Pankreas-, Magen- und Darmfunktion stimmen ihre Funktionen bei der Balancierung des pH-Wertes aufeinander ab; interorganischer Austausch betrifft vor allem Kohlendioxid, Ammonium, Harnstoff, Bicarbonat

   -- Haut, Schleimhäute und lymphatische Organe kooperieren bei der Abwehr potentieller Infektionserreger

 Ein klinisch besonders relevanter Begleiteffekt 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 - eine Infusion von Pufferbasen senkt den Kaliumspiegel. Deshalb erübrigt sich oft die Behandlung einer Hyperkaliämie bei Azidose: Die Normalisierung des pH befördert automatisch Kalium aus dem Extra- in den Intrazellulärraum.


Endogene Säureproduktion  Extrazellulärer vs. intrazellulärer pH  pH und Kaliumwert

Core messages
 
Bei der Stabilisierung optimaler pH-Werte an verschiedenen Stellen des Körpers wirken zahlreiche Organe bzw. Vorgänge zusammen, insbesondere die Atmung (Entfernung von Kohlensäure), Nieren (Ausscheidung saurer oder auch basischer Valenzen), Leber (Stickstoffmanagement), Muskulatur (Lactatbildung). Der Magen synthetisiert im Rahmen seiner Säuresekretion Bicarbonat, folgende Darmabschnitte sezernieren Bicarbonat und geben Wasserstoffionen an das Blut ab. Klinisch bedeutsam ist auch die wechselseitige Auswirkung des Kaliumhaushaltes und des Blut-pH (z.B. erhöht Azidose den Kaliumspiegel im Blutserum).
 
Endogene Säureproduktion
 vgl. dort
 
Zwei Vorgänge bringen H+ in den Blutkreislauf: Einerseits die metabolische Produktion von CO2 (das als schwache Säure wirkt), andererseits die Bildung stärkerer Säuren. Letzteres wird als endogene Säurebildung (endogenous acid production EAP) bezeichnet - diese "nichtflüchtigen" Säuren (organische, wie Lactat oder ß-Hydroxybutyrat, oder "anorganische" wie  HCl oder oder H2SO4) verbrauchen Bicarbonat zur Pufferung des pH (im Gegensatz zu Kohlendioxid, das den Bicarbonatspiegel nicht absenkt).
 

Abbildung: Säurebilanz des gastrointestinalen Systems
Nach einer Vorlage in Abelow B, Understanding Acid-Base. Lippincott Williams & Wilkins 1998
Die Schleimhaut des Magencorpus produziert im Ruhezustand etwa 10 mmol Wasserstoffionen pro Stunde, postprandial steigt dieser Wert bis auf 50 mmol/h. Dementsprechend gibt sie Bicarbonat an das Blut ab, wirkt also alkalisierend (hebt den Pufferbasengehalt des Blutes an).
 
Bicarbonat wird dem Chymus aus drei Quellen beigemischt: Pankreassekret, Gallensaft sowie Sekret der Zwölffingerdarmschleimhaut.
 
Der Pankreassaft enthält im Ruhezustand ~25, postprandial bis zu 150 mmol/l Bicarbonat; pro Tag bildet das Pankreas ~200 mmol HCO3-. Blasengalle hat ~40 mmol/l.
  
Das Jejunum sezerniert etwas H+ in den Darm (und alkalinisiert damit das Blut), das Ileum hingegen Bicarbonat (und senkt etwas den Blut-pH). Ausgiebig azidifizierend wirkt das Colon, es scheidet in 24 Stunden ~200 mmol Bicarbonat in das Darmlumen aus

Die Tatsache, dass der Stuhl - trotz der hohen Bicarbonatproduktion des Colons - eine [HCO3-] von nur etwa 15-30 mmol aufweist, erklärt sich durch den Verbrauch von Bicarbonat durch Darmbakterien (diese bilden aus unverdauten Nahrungsresten organische Säuren wie Butter- oder Essigsäure, die einen Teil des Bicarbonats zur Pufferung aufbrauchen - die Konzentration an organischen Säuren im Stuhl kann mehr als 100 mmol/l betragen).

Zelluläre und extrazelluläre Kompartimente haben unterschiedliche pH-Werte
 
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).


Abbildung: Metabolische Verbindung zwischen Herzmuskel, Nervensystem, Fett- und Muskelgewebe
 Nach einer Vorlage bei VirginiaEdu
Der Herzmuskel konsumiert Fettsäuren, Glucose und fallweise Ketonkörper; das Gehirn Glucose und fallweise Ketonkörper. Diese Substrate werden von der Leber geliefert. Das Fettgewebe speichert Energie und gibt bei Bedarf Fettsäuren und Glycerin an die Leber ab. Die Leber nimmt Interkonversionen im Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel vor. Das Muskelgewebe verbraucht Fettsäuren und Glucose und kann fallweise Aminosäuren für den Energiestoffwechsel abgeben.
 
Zur Ausscheidung gelangen vor allem CO2 (plus Oxidationswasser) und Harnstoff.
 
Gelbe Pfeile: Substratflüsse nach Nahrungsaufnahme

       Insbesondere die Energieversorgung des Gehirns hängt primär von laufender Versorgung mit Glucose (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 (Acetessigsäure, 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 Azidose kann auftreten (herabgesetzter Lactatmetabolismus).
 

Interaktionen Kaliumspiegel und pH
 
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.
 

Abbildung: Wie Azidose den Serum-K-Spiegel hebt
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Beispiel Muskelzelle: Bei (Plasma-pH sinkt) azidotischer Stoffwechsellage hemmen Wasserstoffionen den Na/HCO3-Cotransporter (NBC) sowie den Na/H-Austauscher (NHE) und senken so  intrazellulär pH-Wert und Natriumkonzentration.
 
Die so auftretende intrazelluläre Azidose hemmt den Kalium-Einwärtstransport (Na/K-ATPase, Na/K/2Cl-Symport) und verdrängt gleichzeitig K+ von der Bindung an zelluläre Eiweißmoleküle - K+-Ionen diffundieren (via Kaliumkanäle) aus der Zelle.
 
Dazu kommt, dass der Abfall der intrazellulären [Na+] den Kalium-Einwärtstransport durchj die Na/K-ATPase verringert.
 
So wird einerseits die Aufnahme von Kalium in die Zelle behindert, andererseits Kalium verdrängt, sodass es zu Kaliumverlust aus den Zellen und Hyperkaliämie kommen kann


Metabolische Azidose: Ein durch Einwirken einer anorganischen Säure bewirktes Absinken des pH um 0,1 bewirkt einen Anstieg der extrazellulären Kaliumkonzentration um 0,7 mM. Respiratorische Azidose (Anstieg des pCO2: Hyperkapnie) hat einen schwächeren Effekt (Absinken des pH um 0,1 bewirkt einen Anstieg des extrazellulären [K+] um 0,3 mM). Als Faustregel kann gelten: Änderungen des Blut-pH um einen Wert von 0,1 bewirken eine gegensinnige Änderung des Kaliumspiegels um ~0,5 mM.
 
   Das bedeutet z.B., dass eine Reduktion des pH-Wertes im Blut von 7,4 auf 7,0 einen Serum-Kaliumwert von 4,5 auf etwa 6,5 erhöhen würde.
 
       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) Calcium-Ionen an Plasmaproteine hängt vom pH ab: Je saurer, desto mehr H+-Ionen konkurrieren 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-Calciumspiegel normal sein kann.
 
  Weiteres zum Säure-Basen-Haushalt s. dort
 

 
      Der pH-Wert beträgt im Zytoplasma 7,2, in Lysosomen 5-6, Mitochondrien ~8, Blutplasma 7,3, arteriellem Blut 7,4, Pankreassaft 8,2, Magensekret ~1
 
      Metabolische Interdependenz besteht zwischen allen Geweben, vor allem Leber, Nieren, Fettgewebe, Muskulatur, Gehirn: Muskelgewebe konsumiert Fettsäuren und Glucose, das Gehirn Glucose, alle auch fallweise Ketonkörper. Die Leber bildet postabsorptiv aus Fettsäuren und Glycerin (aus Fettgewebe) sowie Aminosäuren Glucose; Acetessigsäure und ß-Hydroxy-Buttersäure werden nach Expression der nötigen Enzyme (längerer Hungerzustand) zur Energiegewinnung herangezogen (vor allem im Gehirn) und belasten den Stoffwechsel (metabolische Azidose). Die Niere scheidet saure Nicht-CO2-Valenzen aus (Ammonium, Sulfat, Phosphat)
 
      Wenn Wasserstoffionen vermehrt in Zellen eindringen (Azidose), reduzieren sie deren Kaliumaufnahme (Na/K-Pumpe, Na/K/2Cl-Symport) und verdängen K+ von der Bindung an Protein. K+ gelangt vermehrt in den Extrazellulärraum, wo der Kaliumspiegel ansteigt (Hyperkaliämie). Insgesamt gilt: Änderungen des Blut-pH um [0,1] verändern den Kaliumspiegel um ~0,5 mM (z.B. Blut-pH 7,4 → 7,0: Serum-Kalium 4,5 → 6,5 mM). Wird die Azidose behoben, nimmt der Kaliumspiegel entsprechend ab
 
      Im Magen überwinden Belegzellen einen pH-Gradienten von >6 (Anstieg der [H+] um >106). Die Nieren regulieren den pH über tubuläre Mechanismen. Der pH wirkt sich auf den Calciumhaushalt aus: Je niedriger (höhere [H+], desto weniger Ca++ bindet an Protein (Konkurrenz um anionische Bindungsvalenzen), der Anteil freier Ca++-Ionen (biologisch aktiv) nimmt zu
 

 




  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.