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

     
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" = Aceton, von "acetic acid" + "on" (acidum = Säure)
pH: potentia hydrogenii - negativer (dekadischer) Logarithmus der molaren Wasserstoffionenkonzentration




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

   -- Fettsäuren dienen Skelett- und Herzmuskel, Glukose 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.


Extrazellulärer vs. intrazellulärer pH pH und Kaliumwert

Core messages
 
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).


>Abbildung: Metabolische Verbindung zwischen Herzmuskel, Nervensystem, Fett- und Muskelgewebe
Nach einer Vorlage bei VirginiaEdu

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

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 (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 Laktatmetabolismus).
 

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, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Beispiel Muskelzelle: Bei azidotischer Stoffwechsellage (Plasma-pH sinkt) hemmen vermehrt in der Zelle auftretende Wasserstoffionen 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 Kalium in die Zelle behindert, andererseits Kalium verdrängt, sodass es zu Kaliumverlust aus den Zellen und Hyperkaliämie kommen kann



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/l.
 
   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 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-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 Glukose, das Gehirn Glukose, alle auch fallweise Ketonkörper. Die Leber bildet postabsorptiv aus Fettsäuren und Glyzerin (aus Fettgewebe) sowie Aminosäuren Glukose; 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/l (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
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


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