Blutdruck, Wasserhaushalt, Säure-Basen-Status


Physiologie und Untersuchung des Säure-Basen-Haushalts


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Azidose: acidus = sauer, unangenehm
Alkalose:
القلية‎ "al-qalya", (alkalische) Pflanzenasche
meta-bolisch: μετα-βολισμός = Um-wurf
pH: potentia hydrogenii (Konzentration der Wasserstoffionen, ausgedrückt als deren negative Hochzahl auf der Basis 10)
re-spiratorisch: spirare = blasen, wehen, hauchen
Titration: titulus = Inschrift, Titel ("Rang" einer Lösung in Relation zu Wasser mit pH=7)
Van Slyke-Nomogramm: Donald D. Van Slyke


Der Stoffwechsel bildet und verbraucht Wasserstoffionen; im Endeffekt überwiegt die Säurebildung, also muss der Körper saure Valenzen ausscheiden, um im Säure-Basen-Gleichgewicht zu bleiben. Das geschieht ganz überwiegend in Form von Kohlendioxid (=Anhydrid der Kohlensäure): Rund 15.000 mM Säurevalenzen werden täglich ausgeatmet (bei körperlicher Belastung entsprechend mehr). Nur etwa 0,5% der Säure (≈70 mM) fällt in "nichtflüchtiger" Form an (Ammonium, Sulfat, Phosphat, organische Säuren) und wird von den Nieren ausgeschieden (Harn-pH bei gemischter Kost 5 bis 6).

Da also Atmung und Harnbildung Hauptakteure in diesem Spiel sind, kann die pH-Balance als ein Funktionsgleichgewicht Lunge / Niere gesehen werden. Je stärker sie Säure ausscheiden, desto mehr verschiebt sich dieses zu höheren pH-Werten (Alkalose); entfernen sie weniger Säure, zu niedrigeren pH-Werten (Azidose).

Der physiologische Blut-pH beträgt 7,4, ist also leicht basisch. Ursache ist das Vorhandensein puffernder Stoffe im Blut, die basisch reagieren (Pufferbasen: Bikarbonat, Proteine, Phosphat). Als Azidose definiert man einen pH<7,35, als Alkalose einen pH>7,45. Ist die Ursache einer solchen Störung in der Atmung zu sehen, bezeichnet man sie als respiratorisch; andernfalls als nicht-respiratorisch ("metabolisch").

Eine solche Störung kann auch dann vorliegen, wenn der Blut-pH noch nicht aus dem Normbereich abgewichen ist. Die Störung ist dann kompensiert, z.B. erhöhte Säureproduktion infolge starker Muskeltätigkeit durch vermehrte Atmung (kompensierte nicht-respiratorische Azidose).

Ist die Ventilation nicht in der Lage, genügend CO2 abzuatmen, bezeichnet man diese Atemform als Hypoventilation. Folge ist ein Anstieg des pCO2 im Blut (Hyperkapnie: pCO2>45 mmHg). Umgekehrt führt Überatmung (Hyperventilation) zu Hypokapnie (pCO2<35 mmHg). Hyperkapnie bedingt respiratorische Azidose (und z.B. erhöhte Hirndurchblutung), Hypokapnie respiratorische Alkalose (und z.B. verringerte Hirndurchblutung).


Säurewirkung Pufferbasen Blutgasanalyse Bikarbonat-pH-Diagramm Puffergleichung Niere und pH-Regulation Störungen


>Abbildung: Bilanz der Säureausscheidung
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Etwa 70 mM "nichtflüchtige" Säuren scheidet die Niere täglich aus - ≈40 mM als Ammoniumionen, ≈30 mM als "titrierbare" Säure (Schwefel-, Phorphorsäure u.a.). Über die Nahrung nimmt man ca. 20 mM/d saure Valenzen auf; der Stuhl entfernt ≈10 mM OH-Ionen pro Tag (Bilanz im Gastrointestinaltrakt: 30 mM/d Säure - zum Vergleich: 70 mM/d Verlust über die Niere, 15.000 mM/d über die Atmung)

Entscheidend ist nicht, wie viel Säure mit Essen und Trinken aufgenommen wird,
sondern was der Metabolismus aus den resorbierten Stoffen macht, d.h. die Gesamtbilanz im Stoffwechsel. Die bei weitem intensivste Säureausscheidung erfolgt - als Kohlendioxid - über die Atmung (hier: 15.000 mM/d)

Saure Nahrung kann basisch wirken: Bezüglich der Säurewirkung von Speisen und Getränken kommt es nicht auf deren pH-Wert an, sondern darauf, was im Stoffwechsel daraus entsteht - CO2 wird abgeatmet und verliert dadurch seine biologische Säurewirkung. So hat etwa Orangenjuice einen niedrigen pH (≈4.0), aber die im Körper verbleibenden metabolischen Produkte wirken als Pufferbasen.


Sämtliche Stoffwechselschritte im Körper haben jeweils einen der drei folgenden Effekte:

  Sie produzieren H+ (als Abfallprodukt) → Säurebildung (Bikarbonatverbrauch, gesenkter Pufferbasenwert)

     oder

  Sie verbrauchen H+ (als Reaktionspartner) → Basenbildung (Bikarbonatzuwachs, gesteigerter Pufferbasenwert)

     oder

  Keines von beiden (pH-neutral, z.B. Abbau von Zucker zu CO2 - das ausgeatmet wird).

Ob eine Nahrung "säureüberschüssig" wirkt oder nicht, hängt nicht von den aufgenommenen Stoffen (deren pH-Wert) ab, sondern von den Substanzen, zu denen diese verstoffwechselt werden. Normalerweise stammen die meisten sauren Valenzen des Metabolismus aus dem Eiweißabbau (besonders bei katabolen Patienten, die wenig Nahrung aufnehmen und körpereigenes Protein für ihren Energiestoffwechsel verwenden). Früchte und Gemüse hingegen liefern bei ihrer Verstoffwechslung eher basische Valenzen (Bikarbonat). So wirken "saure" Fruchtgetränke, die reichlich Zitrat, Laktat usw. enthalten, alkalisierend und steigern den Harn-pH.
  Der Großteil der metabolisch generierten sauren Valenzen (rund 15.000 mM/d, >Abbildung) fällt als CO2 aus dem Abbau neutraler Kohlenhydrate und Fette sowie der meisten neutralen Aminosäuren an - das ist mehr als das 100-fache der im Körper gelösten CO2-Menge. CO2 wird ausgeatmet und belastet den Säure-Basen-Haushalt bzw. die Pufferfähigkeit des Blutes überhaupt nicht. Die Atmung ist der beiweitem wichtigste Mechanismus der Säureausscheidung.

"Endogene" Säuren: Lediglich Ammoniumionen (NH4+) und "titrierbare"
Säure - das ist die durch Rücktitration des Harns mit NaOH bestimmbare Säuremenge (Phosphat, Harnsäure, Kreatinin..) - müssen renal ausgeschieden werden (>Abbildung: ≈70 mM/d) - rund 1 mM / kg Körpergewicht / Tag oder ≈0,5% der gesamten Säureausscheidung. Diese "nichtflüchtigen" Säuren entstehen bei

      Abbau phosphorhaltiger Stoffe,

      unvollständiger Oxidation von Kohlenhydraten und Fetten (Laktat, Ketosäuren), oder

      Oxidation schwefelhaltiger Aminosäuren

und
werden mit dem Harn ausgeschieden:

  ≈40 mM/d als Ammonium (aus Glutamin), das als Kation nicht mehr rückresorbiert und damit ausgeschieden wird (ion trapping - besonders bei Azidose ), und

  bis zu ≈30 mM/d als "titrierbare Säure" - Phosphat (≈80%), Harnsäure (≈20%), andere organische Säuren, Sulfat (Harm-pH bis 4,7).

Die Säureausscheidung in Form von freien Wasserstoffionen spielt mengenmäßig keine Rolle (Rechenbeispiel: pH 4 entspricht einer H+-Konzentration von lediglich 0,1 mM/l - um 70 mM in Form von Protonen auszuscheiden, müssten dann mindestens 700 l Harn produziert werden).
 
   
  Über die Zusammensetzung des Urins s. dort.

      Zum Ammoniummechanismus s. auch dort.
 
Die "endogene" Säurebildung (ESB) bezieht sich auf relativ starke "nichtflüchtige" Säuren und beruht auf zwei Komponenten:

      "Metabolische" Säurebildung (MSB) - z.B. Laktatproduktion bei körperlicher Belastung - sowie

      Säure, die im Rahmen der Verdauungsfunktion (netto) entsteht (gastrointestinale Säurebildung, GSB). Daher ergibt sich
   
  ESB = MSB + GSB
 
wobei die beiden zu etwa gleichen Teilen zur Belastung des Säure-Basen-Haushalts durch nichtflüchtige Säuren beitragen.




  Pufferbasen halten Störungen des pH-Wertes gering. Ihre Konzentration beträgt 48 mM, die Hälfte davon (24 mM) geht auf das Konto von Bikarbonat. Die anderen werden als Nichtbikarbonatpuffer zusammengefasst, diese sind vorwiegend intrazellulär aktiv.


Pufferbasen im Blut (Gesamt: 48-50 mM/l)
Bikarbonatpuffer
24-25 mM/l
Nichtbikarbonatpuffer
(Hämoglobin, Phosphat u.a.)
24-25 mM/l

Die Nieren bilden ≈70 mM/d Bikarbonat neu (außer, wenn basische Valenzen ausgeschieden werden müssen, z.B. nach massivem Erbrechen). Dies dient der Pufferung des Blutes, das die Niere durchströmt: Würde die Niere nämlich die in das Tubulussystem sezernierten Säuren nicht puffern, müsste sie den Harn auf pH=1,3 ansäuern (70 mM H+ in 1,5 Liter Harn) - tatsächlich ist die maximal mögliche H+-Konzentration um mehrere Zehnerpotenzen geringer (Harn-pH meist über 5,0).

Glomerulär filtriertes Bikarbonat (4320 mM/d in der >Abbildung oben) wird in der Niere so gut wie vollständig rückresorbiert (80% im proximalen Tubulus, 10% im aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife, 10% im distalen Tubulus). Die Neubildung von Bikarbonat (hauptsächlich im proximalen Tubulus) erfolgt vor allem über den Ammoniummechanismus (Bikarbonatbildung durch NH3 NH4+) sowie den Phosphatmechanismus (Bikarbonatbildung durch Hydrogenphosphat Dihydrogenhosphat).




Glomerulär filtriertes Phosphat wird zu 90% renal rückgewonnen; 10% werden ausgeschieden und dienen der Pufferung. Phosphat ist als Puffer vor allem intrazelluläer sowie in der Niere von Bedeutung; die Konzentration im Plasma ist gering (≈1 mM/l), daher ist die Beteiligung des Phosphatpuffers an der Stabilisierung des Blut-pH trotz des günstigen pK-Wertes des Systems primäres / sekundäres Phosphat (7,1) gering.
 

Plasmaproteine haben im Extrazellulärraum, zelluläre Proteine im Intrazellulärraum puffernde Wirkung (
s. dort). Hämoglobin ist eine besonders bemerkenswerte Pufferbase, da es seine Pufferkapazität mit der Sauerstoffbeladung ändert (Haldane-Effekt).

Aktive Muskelzellen konsumieren oft mehr Sauerstoff, als der Blutfluss akut anbietet ("Sauerstoffschuld"). In derart "unterversorgten" Regionen steigt die Anforderung an die Pufferkapazität des Blutes, pH-Wert, Pufferbasenkonzentration und BE-Wert in venösen Blutproben aus solchem Gewebe sinken - natürlich auch pO2 und die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins.


pH und Gesundheit. Die Erhaltung des Säure-Basen-Gleichgewichts ist von großer Bedeutung für den Gesundheitszustand des Körpers, und Störungen können u.a. Wachstumsstörungen bei Neugeborenen, Elektrolytstörungen, Übelkeit, Herzrhythmusstörungen, Kreislaufunempfindlichkeit gegenüber Noradrenalin / Adrenalin,
Muskelatrophie, Osteoporose, Nierensteinbildung, Parästhesien, im Extremfall Koma bedingen; Abweichungen des Bikarbonatspiegels im Blut sind mit erhöhter Mortalität korreliert.




  Blutproben (analog zu Gewinnung von Blut aus Arterien: Blut in Kapillaren abgenommen, daher "Kapillarblut") spiegeln den systemischen Zustand des Säure-Basen-Haushalts wider. Dazu ist es nicht notwendig, eine Arterie zu punktieren. Beim Einstechen in gut durchblutete Akren (Fingerbeere, Ohrläppchen, Ferse bei Babys) werden kleine Arterien geöffnet, aus denen - bedingt durch den arteriellen Druck - arterielles (hellrotes) Blut austritt. Durch Kapillarwirkung fließt es leicht in enge Kunststoff- oder heparinisierte Glasröhrchen.
Eine lokale Störung des Säure-Basen-Haushalts (z.B. Säurebildung bei Herzinfarkt oder in Tumoren) muss nicht zu systemischen Abweichungen des Blut-pH führen; die Blutwerte "mitteln" vielmehr über den Stoffwechswel des gesamten Organismus (zentral durchmischt). Nur wenn sich massive Veränderungen ergeben (z. B. Muskelarbeit, veränderte Atmung, Erbrechen, Nierenfunktionsstörung), sind auch pH und Blutgase merklich beeinträchtigt.

Die Bestimmung von
pH-Wert, Sauerstoff- und CO2-Partialdruck nennt man Blutgasanalyse. Aus diesen Werten werden die Pufferkapazität (buffer bases, BB, normalerweise ≈50 mM) und vom Messgerät die Bikarbonatkonzentration (≈25 mM) ermittelt. Weicht der BB-Wert ab, wird die Abweichung als Basenabweichung (BE, base excess) - positiv oder negativ - in mM angegeben.

Die Bikarbonatkonzentration ist ein wichtiger Kennwert des "metabolischen Schenkels" des Säure-Basen-Status. Sie ändert sich mit Temperatur, pH-Wert und
pCO2. Standardbikarbonat: Die Bikarbonatkonzentration, den man in einer Blutprobe bei Standardbedingungen, d.h.

  37°C

  vollständiger Sauerstoffsättigung des Hämoglobins

  pCO2 = 40 mmHg

findet, heißt Standardbikarbonat. Dieser Wert lässt sich aus dem Blut-pH über die Henderson-Hasselbalch-Gleichung (s. unten) berechnen (vorausgesetzt, die Standardbedingungen sind eingehalten).

Der tatsächlich in einer Blutprobe vorliegende Bikarbonatwert wird als Aktualbikarbonat oder aktuelles Bikarbonat bezeichnet.

 

< Abbildung: Van Slyke-Diagramm

Nach einer Vorlage in New Human Physiology

Blaues Band: Pufferbasenkonzentration im Normbereich, rein respiratorische Störung    Gelbes Band: Metabolisch kompensierte respiratorische Störung (Pufferbasengehalt verändert)    Helle Bänder: Akut metabolische Störung    Rote BänderRespiratorisch kompensierte metabolische Störung (pCO2 verändert)

Linien gleichen Base excess blau; Linien gleichen pCO2 (isokapnische Linien) horizontal (Werte links in mmHg, rechts in kPa angegeben; 1 kPa = 7,5 mmHg)

Typische Positionen klinischer Zustandsbilder sind gezeigt (AMS = acute mountain sickness )


Ein Van Slyke-Nomogramm (<Abbildung) stellt den pCO2 als Funktion des pH-Wertes dar (pCO2 logarithmisch, da der pH ein Logarithmus ist). Normalerweise beträgt der pCO2 ≈40 mmHg und der pH ≈7,4 (<grüner Bereich: "normal"). Ändert man an dieser Blutprobe den pCO2, kommt es - bei gegebener Pufferbasenkonzentration - zu entsprechenden pH-Änderungen (blauer Bereich: akute respiratorische Störung).

Ändert man umgekehrt die
Pufferbasenkonzentration (entspricht einer "metabolischen" Störung), bleibt der pCO2 (zunächst) gleich, der Zustandspunkt im Diagramm rückt "isokapnisch" (gleich bleibender pCO2) nach links (Azidose) oder rechts (Alkalose).




 
>Abbildung: Bikarbonat-pH-Plot einer normalen Blutprobe

Die grüne Linie stellt den Pufferstatus der Blutprobe dar, die Kurven entsprechen einem pCO2 von 60, 40 (arterieller Normalwert) und 27 mmHg. Solche Werte können durch Äquilibrierung einer Blutprobe vorgegeben werden. Der Normalpunkt in der Mitte liegt bei einem pH=7,4 und einem Aktualbikarbonat von 24 mM

Der Pufferstatus einer Blutprobe kann auch in Form eines Bikarbonat-pH-Plots dargestellt werden (>Abbildung). Der Normalpunkt liegt in der Mitte des Diagramms (pH 7,4 und aktueller Bikarbonatwert 24 mM). Die grüne Linie gilt für einen bestimmten Pufferbasengehalt der Probe bei variierendem pCO2, die rote Kurve für einen pCO2 = 40 mmHg bei unterschiedlichem Pufferbasengehalt.

Mittels Durchströmung einer (motorisch geschüttelten) Blutprobe mit einem Testgas ("Äquilibrierung") kann der pCO2 beliebig eingestellt werden. Die in der Abbildung grau gezeigten Kurven stellen den Effekt eines Einstellens auf 60 bzw. 27 mmHg
pCO2 dar. Diese Werte entsprechen der Auswirkung respiratorischer Störungen und der damit einhergehenden Hyper- bzw. Hypokapnie (bei unverändertem Pufferbasengehalt).

Mit dem pH ändert sich auch ein wenig der Aktualbikarbonatwert. Steigt z.B. infolge einer Hypoventilation der pCO2 (Pfeil nach links: Hyperkapnie, respiratorische Azidose), entstehen vermehrt H2CO3, Bikarbonat und Wasserstoffionen (Formeln in der >Abbildung links unten). Die vermehrt gebildeten H+-Ionen verbrauchen Nichtbikarbonatpuffer, und zwar in dem Ausmaß, in dem [HCO3-] ansteigt (Pufferlinie nach links) - die Gesamtpufferkonzentration bleibt unverändert (und der BE bleibt bei Null), solange keine Kompensation einsetzt. (Umgekehrtes gilt für respiratorische Alkalose - Pfeil nach rechts.)

Kompensation. Hält eine Störung an, wird sie vom Körper kompensiert - durch veränderte Atmung (respiratorisch, Auswirkung auf den
pCO2) oder andere Organfunktionen, z.B. der Niere (nichtrespiratorisch, "metabolisch" - Änderung der Pufferkapazität).

 
<Abbildung: Beispiel einer Kompensation im
Bikarbonat-pH-Plot
Theoretisch: Schritt 1: Störung - respiratorische Alkalose durch Hyperventilation, Pufferbasengehalt (grüne Kurve) unverändert (Punkt A→C). Schritt 2: Kompensation (Punkt C→F) - nichtrespiratorisch, durch Erniedrigung des Pufferbasengehalts (negativer BE) - Bikarbonat sinkt auf ≈18 mM, pH wird von 7,55 (Alkalose) auf 7,42 reduziert (kompensierte Alkalose, pH im Normbereich).

Physiologischerweise würde die Kompensation kontinuierlich mit dem Ausmaß der Störung greifen
(Punkt A→F), der pH den Normbereich nicht verlassen (vollständig kompensierte Störung)

Kompensationen bezwecken eine Normalisierung des pH. Bei "unvollständig" kompensierten Störungen wird die Abweichung des pH vom Normwert 7,4 nur teilweise aufgefangen. Vollständig kompensierte Störungen zeichnen sich durch einen arteriellen pH-Wert im Normbereich (7,36 bis 7,42) aus. Im Idealfall wird die Störung kontinuierlich mit ihrem Ausmaß kompensiert, sodass der Normbereich des Blut-pH gar nicht erst verlässt (in der <Abbildung direkte Verbindung von Punkt A zu Punkt F).




  Puffer sind Stoffe, welche in der Lage sind, die Wasserstoffionenkonzentration zu stabilisieren - d.h. Änderungen des pH bei Zugabe von sauren oder basischen Stoffen in engem Rahmen zu halten. Die allgemeine Puffergleichung lautet:

pH = pKa + log ([A-] / [HA])

Im Fall des Kohlensäuresystems (CO2 <--> H2CO3 <--> H+ + HCO3-) beträgt pKa 6,1, wenn man die molaren Werte von H2CO3 (ein Zwischenprodukt mit sehr geringer Konzentration) und CO2 (physiologisch relevant, s. Atmung) zusammenzählt. Diese Sonderform der allgemeinen Puffergleichung heißt Henderson-Hasselbalch-Gleichung: Die Antionenkonzentration [A-] ist der Bikarbonatwert (in mM - z.B. 24 mM). Für die undissoziierte Säure [HA] setzt man den pCO2 (in mmHg, also z.B. 40) mal einem Umrechnungsfaktor (Partialdruck molare Konzentration, d.h. Lösungskoeffizient entsprechend dem Henry-Gesetz - in diesem Fall 0,03) ein:



Dann ergibt sich z.B. als pH-Wert
7,4 aus 6,1 + log (24 / 1,2), weil

     0,03 x 40 = 1,2

und

     24 / 1,2 = 20

und

     log 20 = 1,3


Der pH-Wert hängt also vom Gleichgewicht zwischen Bikarbonat und CO2 (molares Verhältnis 20 : 1) ab - dieses steuert den pH-Wert:
Gleichgewicht zwischen "metabolischer" (Bikarbonat) und respiratorischer Komponente (Kohlendioxid) oder anders ausgedrückt:

Gleichgewicht Nierenaktivität, Leberfunktion, Muskeltätigkeit etc. einerseits (nichtrespiratzorisch), Atmung (respiratorisch) andererseits (>Abbildung).


>Abbildung: pH-Gleichgewicht als "römische Schnellwaage"
Aus:
Praktische Physiologie

Diese Darstellung stellt schematisch das pH-relevante Funktionsgleichgewicht Atmung / renale Säureausscheidung bei körperlicher Ruhe dar (andere metabolische Faktoren wie z.B. Muskelarbeit sind ausgeklammert). Beträgt das molare Verhältnis CO2 / HCO3- 1:20, ergibt sich ein pH-Wert von 7,4 (Henderson-Hasselbalch-Gleichung)



Bedeutung der Niere für die pH-Stabilität: Die Nieren können über den Harn saure (bei üblicher Ernährung) oder auch basische Valenzen (bei vegetarischer Ernährungsweise) aus dem Körper entfernen, und Gluko- sowie Mineralkortikoide regen über verschiedene Mechanismen die renale Säureausscheidung an.

Vor allem aber beteiligen sich d
ie Nieren durch ihr Bikarbonathandling an der Regulierung des Säure-Basen-Gleichgewichts: Täglich filtrieren die Glomeruli einer erwachsenen Person etwa 4200 mM Bikarbonat, dieses wird zum Großteil tubulär wieder aufgenommen (Bikarbonatresorption) und neues HCO3- wird tubulär gebildet (Bikarbonatsynthese).

Die Rückgewinnung filtrierten Bikarbonats ist für die Erhaltung des Blut-pH kritisch, jedoch bei einer Ernährungsweise (viel Fleisch), die intensive endogene Säurebildung zur Folge hat (rund 1 mM pro kg Körpergewicht täglich), für die Aufrechterhaltung der Säure-Basen-Balance nicht ausreichend. Daher die Notwendigkeit zur Synthese "neuen" Bikarbonats im Zuge der Pufferung saurer Valenzen im Körper (wobei
HCO3- laufend verbraucht wird).

Die renale Neubildung von Bikarbonat beruht sowohl auf der Ausscheidung titrierbarer Säurevalenzen als auch auf dem Ammonium-Mechanismus. Letzterer hat quantitativ größere Bedeutung, vor allem wenn das System zusätzlich belastet wird.





  Abweichungen des pH-Wertes können in Richtung Azidose (pH<7,36) oder Alkalose gehen (pH>7,42). Eine weitere Unterscheidung berücksichtigt die Ursache der Störung: durch die Atmung, d.h. den pCO2 (respiratorische Störung) oder den Metabolismus ("metabolische" Störung), d.h. über den Bikarbonatwert.

Insgesamt unterscheidet man also (bei Verlassen des pH-Referenzbereichs)
 
  Respiratorische Azidose (Hypoventilation = Steigerung des pCO2 auf >45 mmHg - Hyperkapnie - infolge ungenügender Abatmung). Beispielsweise ergibt sich beim Apnoetauchen (Luftanhalten) eine respiratorische Azidose: Kohlendioxid kann nicht abgeatmet werden, der resultierende Anstieg des pCO2 erhöht im Atemzentrum den Atemantrieb ("Lufthunger").
Durch den Anstieg des pCO2 entstehen vermehrt H2CO3, Bikarbonat und Wasserstoffionen (CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> HCO3- + H+). Die H+-Ionen binden vorwiegend an Nichtbikarbonatpuffer, und deren Konzentration sinkt in dem Ausmaß, in dem [HCO3-] ansteigt. Solange keine Kompensation eingesetzt hat, bleiben die Gesamt-Pufferbasenkonzentration unverändert und der BE (base excess) im Normalbereich (d.h. nahe 0).

Weitere Beispiele: Lungenemphysem, Lungenödem, Pneumothorax, Kyphoskoliose, Asthma bronchiale, Verlegung der Atemwege, neuromuskuläre Erkrankungen, Hemmung des Atemzentrums

  Nicht-respiratorische ("metabolische") Azidose durch erhöhte Zufuhr saurer Valenzen in den Kreislauf, z.B. durch starke Muskeltätigkeit: Laktatanstieg, pH-Abfall.

Ein Kennzeichen der nichtrespiratorischen Azidose ist ein Absinken der Pufferbasen und ein negativer BE- (base excess-) Wert.

Weitere Beispiele: Ketoazidose (chronischer Hungerzustand), Diarrhoe mit Bikarbonatverlust, Niereninsuffizienz mit Urämie

  Respiratorische Alkalose (Hyperventilation = Senkung des pCO2 auf <35 mmHg - Hypokapnie - infolge ungenügender Abatmung). Dies kann z.B. durch psychische Belastung bedingt sein - extrem aufgeregte Menschen können "schnaufen", bis die Gehirndurchblutung durch verstärkte Atmung und pCO2-Abfall kritisch absinkt.
 
Forcierte Atmung kann durch die dadurch ausgelöste Alkalose und das Absinken des freien Kalziumspiegels eine Hyperventilationstetanie auslösen (zum Mechanismus der hypokalzämischen Krampfauslösung s. dort).
 
Umgekehrt wie bei respiratorischer Azidose, verringert das Absinken des pCO2 sowohl [H2CO3], [HCO3-]  als auch die Wasserstoffionenkonzentration. Die Bindung von H+-Ionen an Nichtbikarbonatpuffer sinkt, deren Konzentration steigt in dem Ausmaß, in dem [HCO3-] absinkt. Auch hier gilt: Solange keine Kompensation eingesetzt hat, bleibten die Gesamt-Pufferbasenkonzentration unverändert und der BE im Normalbereich.

Weitere Beispiele: Enzephalitis, Fieber, Hypoxie

  Nicht-respiratorische ("metabolische") Alkalose durch Verlust von Säure, z.B. durch starkes Erbrechen. Der HCl-Verlust aus dem Magen wird wettgemacht (erhöhte Sekretionstätigkeit der Belegzellen), was die Bikarbonatproduktion Richtung Blut steigert und zu Alkalose führt.

Ein Kennzeichen der nichtrespiratorischen Alkalose ist ein Ansteigen der Pufferbasen und ein positiver BE- (base excess-) Wert.

Weitere Beispiele: Milch-Alkali-Syndrom, Hypokaliämie, Hyperaldosteronismus
 

 
<Abbildung: Störungen und Kompensationen im
Bikarbonat-pH-Plot (schematisch)
Nach einer Vorlage bei memorangapp.com

Comp. = Kompensation, "Renal" = nichtrespiratorisch, "Resp" = respiratorisch
Acid. = Azidose, Alk. = Alkalose
Rote Punkte: Nichtkompensierte Störungen (Azidose bzw. Alkalose)
Grüne Punkte: Kompensierte Störungen (pH im Normbereich)
Linie D-E: Positiver BE (erhöhte Pufferbasenkonzentration)
Linie B-A-C: BE = 0 (normale
Pufferbasenkonzentration)
Linie G-F: Negativer BE (erniedrigte Pufferbasenkonzentration)
Rosa Fläche: Erhöhte Pufferbasen (positiver BE)
Blaue Fläche: Erniedrigte Pufferbasen (negativer BE)

A: Normalpunkt
B: Nichtkompensierte respiratorische Azidose
C:
Nichtkompensierte respiratorische Alkalose
D: Kompensierte
respiratorische Azidose / nichtrespiratorische Alkalose
E: Nichtkompensierte nichrespiratorische Alkalose
F:
Kompensierte respiratorische Alkalose / nichtrespiratorische Azidose
G: Nichtkompensierte nichrespiratorische Azidose

Auch hier gilt: Physiologischerweise werden - ausgehend vom Normalpunkt A - die Punkte D bzw. F direkt erreicht, der pH-Normbereich nicht verlassen. Die Abbildung verdeutlicht das gedankliche 2-Stufen-Schema - zuerst kompletter Störungseffekt ohne Kompensation (rote Punkte), dann vollständige Kompensation (grüne Punkte)

Die Kompensation einer Störung erfolgt durch den Organismus selbst, indem das Gleichgewicht von pCO2 und [HCO3-] in der Henderson-Hasselbalch-Gleichung bestehen bleibt bzw. wiederhergestellt wird:

  Respiratorische Azidose wird (abgesehen von Steigerung der CO2-Abatmung) durch Erhöhung des Bikarbonatgehalts im Blut, d.h. "metabolisch" kompensiert (renal) → BE wird positiv


  Nicht-respiratorische Azidose wird respiratorisch kompensiert, d.h. durch Steigerung der CO2-Abatmung → pCO2 sinkt


  Respiratorische Alkalose wird (abgesehen von Senkung der CO2-Abatmung) durch Senkung des Bikarbonatgehalts im Blut, d.h. "metabolisch" kompensiert (renal) → BE wird negativ


  Nicht-respiratorische Alkalose wird respiratorisch kompensiert, d.h. durch Senkung der CO2-Abatmung pCO2 steigt
  


Säure-Basen-Haushalt: Störungen und Kompensationen
Störung / Kompensation
Ursache (Beispiele)
pH
pCO2
Base excess
aktuelles Bikarbonat
nichtrespiratorische Azidose Vermehrt anfallende Säuren
(Muskelarbeit
Niereninsuffizienz
Diabetes mellitus)
 
Basenverlust
(Diarrhoe)

---


   kompensiert ---


nichtrespiratorische Alkalose
Verlust von Säure
(vegane Ernährung
Erbrechen)


---

   kompensiert ---



respiratorische Azidose Hypoventilation
(verringerte Diffusionskapazität
Ventilations-Perfusions-Störung)


---

   kompensiert ---



respiratorische Alkalose
Hyperventilation
(Hypoxie
Angst)

---
   kompensiert ---






<Abbildung: Azidose verlagert Kalium in den Extrazellulärraum
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Einerseits verdrängt H+ Kaliumionen von zellulärem Protein, andererseits hemmt es die Na-K-Pumpe - Ergebnis ist einerseits verstärkter Ausstrom, andererseits abgeschwächter Einstrom von Kalium

Veränderungen des pH-Wertes im extrazellulären Raum beeinflussen auch den Kaliumhaushalt:

     H+-Ionen dringen durch die Zellmembran und senken den intrazellulären pH.

  
  Dies beeinflusst sowohl die Tätigkeit der Na+-K+-ATPase (Na-K-Pumpe) als auch (wo vorhanden) der Na+-K+-Kotransporter. Beide werden durch Anstieg der intrazellulären H+-Ionenkonzentration gehemmt, die Aufnahme von Kalium in die Zelle sinkt.

  
  Weiters konkurrieren Wasserstoffionen mit Kaliumionen um Bindungsstellen an zellulärem Eiweiß.

Im Fall einer Azidose (<Abbildung) bedeutet das, dass einerseits weniger Kalium in die Zelle aufgenommen wird und andererseits mehr Kaliumionen von intrazellulären Bindungsstellen freiwerden und die Zelle verlassen können.
  Die wichtige praktische Konsequenz: Azidose führt zu einer Umverlagerung von Kalium aus dem Intra- in den Extrazellulärraum. Umgekehrt senkt Alkalose den Kaliumspiegel.

Azidose → Hyperkaliämie

Alkalose → Hypokaliämie

(Merkhilfe: Wasserstoffionen treiben der Zelle das Kalium aus.)




Behandlung einer Azidose (=pH-Wert <7,35, erhöhte [H+]) führt aufgrund des oben geschildertern Mechanismus automatisch zu einer Aufnahme von Kalium in die Zellen. Die Beseitigung einer Azidose senkt den Kaliumspiegel im Blut, eine allenfalls mit der Azidose bestehende Hyperkaliämie muss u.U. nicht eigens behandelt werden - oft normalisiert sich der Kaliumspiegel schon durch eine Puffergabe.
 
  Über physiologische Kompensationsmechanismen bei Vorliegen einer Hyperkaliämie (Serum-[K+] > 5 mM/l) s. dort.

Bei einem Mangel an Sauerstoff (oxidativer Apparat) oder Insulin (Glukoseaufnahme) fallen vermehrt nichtflüchtige ("fixe", endogene) Säuren an: z.B. bei vermehrter Bildung von Milchsäure (Laktazidose) oder Ketonkörpern (hungerbedingte oder diabetische Ketoazidose). Folge ist eine metabolische Azidose, die sowohl renal (vermehrte Rückgewinnung von Bikarbonat) als auch respiratorisch kompensiert wird (Mehratmung).

Ein solcher vermehrter Anfall von nichtflüchtigen Säuren führt auch zu einer Vergrößerung der Anionenlücke. Diese kann man definieren als die Differenz von
Serum-Natriumkonzentration einerseits und der Summe von Bikarbonat- und Chloridkonzentration andererseits; manchmal wird zur Natrium- auch die Kaliumkonzentration gezählt. Bedenkt man das normale Ionenmuster im Blutplasma, ergibt sich für die Anionenlücke ein Normalwert von ≈10 mM, auch je nachdem, ob man Kalium in die Definition einbezieht oder nicht.

Die Anionenlücke ist bedingt durch die Konzentrationswerte an Aminosäuren (≈2,4 mM), Protein (≈2 mM), Laktat (≈1,5 mM), Phosphat (≈1 mM), Sulfat (≈0,5 mM), Ketonkörpern (≈0,4 mM), Pyruvat und Zitrat (zusammen ≈0,3 mM) und anderen Anionen geringer Konzentration, also in Summe etwas weniger als 10 mM.


Eine Reise durch die Physiologie


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