Der allergrößte Teil der im Stoffwechsel auftauchenden sauren Valenzen wird in Form von CO₂ abgeatmet (>Abbildung) und verliert dadurch seinen pH-Effekt.

Tatsächlich kann saure Nahrung basisch wirken: Bezüglich der Säurewirkung von Speisen und Getränken kommt es nicht auf deren pH-Wert an, sondern darauf, was im Stoffwechsel daraus entsteht - das Endprodukt CO₂ verschwindet laufend aus dem System. So hat etwa Orangenjuice einen niedrigen pH (~4.0), aber die daraus entstehenden Metabolisierungsprodukte (vor allem Bikarbonat) wirken als Pufferbasen.


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

   

Ob Nahrungen / Getränke "säureüberschüssig" wirken oder nicht, hängt vor allem vom pH-Wert ihrer Stoffwechselprodukte ab   Saure Valenzen werden vorwiegend als CO2 abgeatmet

  
Wasserstoffionen (H+) sind winzig (Atommasse 1) und im Körper 10⁶-fach geringer konzentriert als Bikarbonat (HCO₃^-); sie sind aber von entscheidender Bedeutung, z.B. im Rahmen des Energiestoffwechsels (Regenerierung von ATP durch gekoppelte oxidative Phosphorylierung): Wasserstoff- und Phosphationen betreten Mitochondrien über einen Symporter, und H⁺ wird zur Oxidation von NADH verwendet. Das stellt den ersten Schritt für die Elektronen-Transportkette im Mitochondrium dar, an deren Ende Zytochrom B die Energie zum Hinauspumpen von H⁺ aus der Mitochondienmatrix liefert. Die im mitochondrialen Spaltraum angereicherten Wasserstoffionen treiben schließlich die H⁺-ATP-Synthase zur ATP-Neubildung an.

Die H⁺-Konzentration liegt im Organismus im nanomolaren Bereich (10^-7,4 Mol, entsprechend ~40 nM). Sie wird in fast allen Kompartimenten des Körpers niedrig gehalten, da Protonen eifrig mit Histidinresten in Proteinen reagieren und diese positiv aufladen, was ihre Gestalt und Funktion verändern kann. Weil Proteine wichtige Funktionsträger sind (Transporter, Enzyme, Strukturelemente..), wäre dies rasch lebensbedrohlich. Die Wasserstoffionenkonzentration im intrazellulären Raum beträgt meist ~80 nM/l, liegt also rund doppelt so hoch wie im Extrazellulärraum.

Vergleicht man diese Zahlen mit dem täglichen Umsatz des Körpers (etwa 15 Milliarden nM H⁺/d), wird klar, wie intensiv der Protonenstoffwechsel im Organismus ist. Das wird an folgendem Beispiel klar: Das (zu 80% aus Intrazellulärvolumen bestehende) Gehirn (~1,5 kg) enthält nur einige Gramm ATP (molare Masse ~700, Konzentration ~5 mM/l). Die zerebrale ATP-Synthese erreicht hingegen fast 20 kg/d - Adenosintriphosphat wird im Gehirn in 24 Stunden mehrere tausend mal umgesetzt.

    Als nichtflüchtige Säuren (nonvolatile / metabolic / fixed acids) bezeichnet man im Körper gebildete Säuren, die nicht als CO₂ mit der Atmung ausgeschieden werden können (Sulfat, Phosphat, organische Säuren). Der Organismus kann auch nichtflüchtige Basen erzeugen, die dann als Bikarbonat anfallen.

Normalerweise stammen die meisten nichtflüchtigen 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 Citrat, Laktat usw. enthalten, alkalisierend und steigern den Harn-pH.

Ein 70 kg schwerer Mensch unter typischer Kost produziert netto (d.h. saure minus basische Valenzen) etwa 40 mM nichtflüchtige saure Valenzen pro 24 Stunden. 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 bei weitem wichtigste Mechanismus der Säureausscheidung

  
Lediglich Ammoniumionen (NH⁺) 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 (~99,5% erfolgen über die Armung). Zur Gesamtbilanz des Körpers kommt noch,  dass mit dem Stuhl pro Tag typischerweise ~10 mM basische Valenzen (OH^-) verloren gehen (das bedeutet für den Organismus eine zusätzliche Säurelast von 10 mM/d).
 

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Diese "nichtflüchtigen" Säuren entstehen bei

      Abbau phosphorhaltiger Stoffe (Nukleinsäuren)
 
      unvollständiger Oxidation von Kohlenhydraten und Fetten (Laktat, Ketosäuren)
 
      Oxidation schwefelhaltiger (Zystin, Methionin - Ausscheidung von Sulfat) oder kationischer (wie Lysin, Arginin) 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).
  
      Unter titrierbarer Säure versteht man Anionen, die als Puffer im Harn wirken - sie binden Wasserstoffionen und ermöglichen der Niere die Ausscheidung von Säuren bei nur mäßiger Reduktion des Harn-pH.

   Dass die renale Ausscheidung nichtflüchtiger saurer Valenzen für die Aufrechterhaltung des Säure-Basen-Gleichgewichts im Körper entscheidend ist, wird durch die Tatsache unterstrichen, dass Nierenversagen zum Rückstau saurer Valenzen und metabolischer Azidose führt.

 
Um das pH-Gleichgewicht im Körper zu stabilisieren, muss die Niere so gut wie das gesamte (>99,9%) glomerulär filtrierte Bicarbonat (die mengenmäßig führende Pufferbase) aus den Tubuli wieder zurückgewinnen (>Abbildung) - das sind mehr als 4000 mM in 24 Stunden ( s. dort). Der Mechanismus ist immer derselbe: Unter der beschleunigenden Wirkung von Carboanhydrase (CA), die in mehreren Nephronabschnitten exprimiert wird, entsteht im Tubulus aus Bicarbonat und H⁺ einer Säure CO₂; dieses diffundiert durch die apikale Membran (die für CO₂ hohe Durchlässigkeit hat) in Tubulusepithelzellen; hier entsteht wieder Bicarbonat (CA sei Dank), das basolateral die Zelle verlässt; das entstandene H⁺ rezirkuliert in das Tubuluslumen.

Das Bikarbonat kümmert sich um die laufende Säurelast (acid challenge) durch
 
      Neutralisierung des Großteils saurer Valenzen durch Bildung (und Ausatmung) von CO₂
 
      Bildung neuen Bikarbonats in den Nieren

Die renale Netto-Säureausscheidung stellt sich dar als


Der erste Klammerausdruck entspricht der titrierbaren Säure - die Anionen sind Nicht-Ammoniak- und Nicht-Bikarbonat-Puffer, hauptsächlich HPO₄^2-, Creatinin und Urat. Saure Valenzen dieser Kategorie werden vor allem in der monovalenten Form von H₂PO₄^- ausgeschieden. Für jedes ausgeschiedene H₂PO₄^- gelangt ein neu gebildetes HCO₃^- in Richtung Blut (>Abbildung).

Was den zweiten Klammerausdruck betrifft, liegt dieser praktisch vollständig als Ammoniumionen vor, da der pK-Wert des NH₃/NH₄⁺-Systems bei >9,0 (also weit über dem Harn-pH) liegt ( vgl. dort). Ammoniak ist ein Protonenakzeptor; da die Konzentration an freiem Ammoniak (NH₃) im glomerulären Filtrat sehr niedrig ist (Plasmaspiegel <1 µM/l), stammt das tubuläre Ammoniak im Wesentlichen aus den Tubuluszellen durch Abspaltung von H⁺ - das in den Tubulus wandert und dort wieder NH₄⁺ bildet (>Abbildung).

Proximale Tubuluszellen können Glutamin zu α-Ketoglutarat und 2 NH₄⁺ umwandeln, Quelle für je zwei Protonen und Ammoniakmoleküle; und zwei dabei entstandene OH--Ionen werden mit CO₂ (CA-Wirkung) zu Bicarbonat, das wiederum über die basolaterale Membran Richtung Blut wandert (>Abbildung).

Anionische Aminosäuren (wie Glutamat oder Aspartat) werden zu neutralen Stoffwechselprodukten verwandelt (Harnstoff, Glucose, CO₂, H₂O).

      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.
      Unter einem Puffer versteht man eine Substanz, die bei Zusatz von Säure (pH sinkt) oder alkalischer Stoffe (pH steigt) Wasserstoffionen (H⁺) so aufnimmt (Protonenakzeptor) oder abgibt (Protonendonator), dass die Änderung des pH dabei geringer ist als das ohne Anwesenheit des Puffers der Fall wäre. Der Puffer stabilisiert also den pH-Wert - Blutpuffer (buffer bases) tun das im Kreislauf.

Pufferbasen halten Störungen des pH-Wertes gering. Ihre Konzentration im Blut 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.


Bikarbonat: 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).

Durch die Offenheit des Bikarbonatsystems (CO₂ kann abgeatmet, Bikarbonat von den Nieren nachgebildet werden) beträgt seine Kapazität 55 mM/l pro ΔpH (als geschlossenes System würde dieser Wert lediglich 2 mM/l pro ΔpH betragen).

Nichtbikarbonatpuffer: Glomerulär filtriertes Phosphat wird zu 90% renal rückgewonnen; 10% werden ausgeschieden und dienen der Pufferung. Phosphat ist 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. Im Intrazellulärraum spielt der Phosphatpuffer wegen seiner höheren Konzentration und der Nähe zum pK-Wert die Hauptrolle als Puffer.
 
    Als pK-Wert kann man denjenigen pH-Wert bezeichnen, bei dem eine schwache Säure oder Base zu 50% in dissoziierter und zu 50% in undissoziierter Form vorliegt (Halbäquivalenzpunkt).
 
Proteine puffern vor allem über Imidazol-, Sulfhydryl- und NH₂-Gruppen. Bei den Plasmaproteinen ( s. dort) - Kapazität 5 mM/l pro ΔpH - puffert vor allem Albumin.

Hämoglobin ist eine besonders bemerkenswerte Pufferbase, da es seine Pufferkapazität mit der Sauerstoffbeladung ändert (Haldane-Effekt). Dadurch ist seine physiologische Bedeutung besonders hoch: Die Pufferkapazität beträgt in den Erythrozyten 60 mM/l (Erys) pro ΔpH.

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 Stoffwechsel 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.
 

Der BE ist negativ bei respiratorischen Alkalosen (als Kompensation) oder bei metabolischen Azidosen (als Ursache)

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.
 

findet, heißt Standardbikarbonat.

Folgende Normalwert(bereich)e für den Säure-Basen-Status sollte man sich merkern:

Blut-pH-Wert: 7,4 (7,37-7,43) arterieller pCO2: 5,3 kPa (40 mmHg)   (Standard-) Bicarbonatkonzentration: 24 mM/l (21-28)   Pufferbasen (BB): 48 mM/l (42-56)   Basenüberschuss (BE): 0 mM/l (-2,5 bis +2,5)

 

< Abbildung: Störungen des Säure-Basen-Haushalts im Van Slyke-Diagramm
Nach einer Vorlage in New Human Physiology

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Durch doppelt-logarithmische Darstellung des Kohlendioxidpartialdrucks als Funktion des pH (= -log [H⁺]) ergeben sich Pufferlinien, die schräg durch das Diagramm ziehen (je weniger Pufferbasen, desto weiter links, d.h. im saureren Bereich).
 
  Blaues Band: Pufferbasenkonzentration im Normbereich, rein respiratorische Störungen 
 
  Braunes Band: Metabolisch kompensierte respiratorische Störungen (Pufferbasengehalt verändert) 
 
  Violette Bänder: Akute metabolische Störungen 
 
  Rote Bänder: Respiratorisch kompensierte metabolische Störungen (pCO₂ verändert)
 
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)

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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. 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).

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

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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)

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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 Blut-pH den Normbereich 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 Anionenkonzentration [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:
 

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 Bicarbonatwert.
 
      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.
 
Durch den pH-Anstieg (=Sinken der H⁺-Konzentration) werden negative Bindungsstellen an Plasmaproteinen frei, es werden vermehrt Calciumionen gebunden, der Plasma-[Ca⁺⁺] sinkt ab, was zu Krampfneigung führt (Steigerung der neuromuskulären Erregbarkeit, tetanische Krämpfe, Hyperventilationstetanie). Zum Mechanismus der hypocalcämischen 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 Nichtbicarbonatpuffer sinkt, deren Konzentration steigt in dem Ausmaß, in dem [HCO₃^-] absinkt. Auch hier gilt: Solange keine Kompensation eingesetzt hat, bleibt die Gesamt-Pufferbasenkonzentration unverändert und der BE im Normalbereich.

Weitere Beispiele: Enzephalitis, Fieber, Hypoxie
 

Alveoläre Hyperventilation → Hypokapnie → respiratorische Alkalose, Abfall Plasma-[Ca++] → erhöhte Erregbarkeit von Nerven und Muskeln

  
Die folgenden Abbildungen stellen verschiedene Ursachen dar, welche Alkalose bzw. Azidose bewirken können. Hyper- oder Hypoventilation bedingen respiratorische Störungen, alle anderen sind nicht-respiratorisch (früher: "metabolisch"):
 

<Abbildung: Mögliche Ursachen einer Alkalose
Nach einer Vorlage bei Roger TannerThies: Physiology - An Illustrated Review. Thieme 2012

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1: Die Metabolisierung von Säuren kann in Kombination mit der Entfernung von H-Ionen zu Basenüberschuss und damit zu Alkalose führen.

2: Ebenso die Herauslösung basischer Salze aus dem Knochen, z.B. bei Immobilisierung (mangelnde Knochenbelastung)

3: Hyperventilation entfernt mehr CO2 aus dem Körper als nachgebildet wird, Hypokapnie und respiratorische Alkalose ist die Folge.

4: Hypokaliämie erhöht den chemischen Gradienten des K⁺-Ausstroms aus den Zellen. Einige Zellen laden sich dann stärker auf, was Anionen wie Bikarbonat aus der Zelle treibt und den extrazellulären pH-Wert anhebt.

5: Intrazellulär sinkt der pH-Wert; das regt in der Niere (proximale Nierentubuli) H⁺-Sekretion (Na/H-Austauscher der apikalen Membran) und Bikarbonatproduktion an (Na/HCO3- Cotransport der basolateralen Membran); Aldosteron regt die apikale H⁺-Sekretion in distalen Tubuli an; all das führt zu Alkalose.

6: Erbrechen führt zu Verlust von Salzsäure und damit Alkalose.

7: Bei gestörter Harnstoffsynthese in der Leber verbraucht diese weniger Bikarbonat, erhöhte Bikarbonatwerte im Blut heben dessen pH-Wert.

8: Wird weniger Protein abgebaut als üblich (z.B. Mangel an Nahrungseiweiß), favorisiert das eine sinkende H⁺-Konzentration (pH-Anstieg) im Extrazellulärraum

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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 Bicarbonatgehalts im Blut, d.h. "metabolisch" kompensiert (renal) → BE wird positiv. Renale Kompensation schließt ein: Erhöhte Produktion "neuen" Bicarbonats, vermehrte Ausscheidung von NH4⁺, vermehrte Ausscheidung titrierbarer Säuren, vermehrte Resorption von Bicarbonat aus dem Tubulus.
 
     Nicht-respiratorische Azidose wird respiratorisch kompensiert, d.h. durch Steigerung der CO₂-Abatmung (Hyperpnoe) → pCO₂ sinkt. Renale Kompensation schließt ein: Erhöhte Produktion "neuen" Bicarbonats, vermehrte Ausscheidung von NH4⁺, vermehrte Ausscheidung titrierbarer Säuren.
 

Nichtrespiratorische Azidose vertieft und beschleuningt die Atmung (Kußmaul-Atmung)

  

     Respiratorische Alkalose wird (abgesehen von Senkung der CO₂-Abatmung) durch Senkung des Bicarbonatgehalts im Blut, d.h. "metabolisch" kompensiert (renal) → BE wird negativ. Renale Kompensation schließt ein: Reduzierte Resorption von Bicarbonat aus dem Tubulus, verringerte Ausscheidung von NH4⁺, verringerte Ausscheidung titrierbarer Säuren.
 
     Nicht-respiratorische Alkalose wird respiratorisch kompensiert, d.h. durch Senkung der CO₂-Abatmung (Hypopnoe) → pCO₂ steigt. Renale Kompensation: Vermehrte Bicarbonatausscheidung.

Säure-Basen-Haushalt: Störungen und Kompensationen
Störung / Kompensation	Ursache (Beispiele)	pH	pCO2	Base excess	Aktual- Bicarbonat
nicht- respiratorische Azidose	Vermehrt anfallende Säuren (Muskelarbeit Niereninsuffizienz Diabetes mellitus)   Basenverlust (Diarrhoe)		---
kompensiert		---
nicht- respiratorische Alkalose	Verlust von Säure (vegane Ernährung Erbrechen)		---
kompensiert		---
respiratorische Azidose	Hypoventilation (verringerte Diffusionskapazität Ventilations- Perfusions- Störung)			---
kompensiert		---
respiratorische Alkalose	Hyperventilation (Hypoxie Angst)			---
kompensiert		---

Veränderungen des pH-Wertes im extrazellulären Raum beeinflussen auch den Kaliumhaushalt (vgl. dort):

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

      Die erhöhte Wasserstoffionenkonzentration hemmt sowohl die Tätigkeit der Na⁺-K⁺-ATPase (Na-K-Pumpe) als auch (wo vorhanden) der Na⁺-K⁺-Cl^--Cotransporter, die Aufnahme von Kalium in die Zelle sinkt.

      Weiters konkurrieren Wasserstoffionen mit Kaliumionen um Bindungsstellen an zellulärem Eiweiß.

      Kalium diffundiert aus den Zellen, die extrazelluläre [K⁺] steigt an und kann zu Hyperkaliämie führen.

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.
 
     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.)

Der pH-Wert in den Zellen liegt meist um 7,1, der Blut-pH um 7,4 - die Wasserstoffionenkonzentration im intrazellulären Raum liegt doppelt so hoch wie im Extrazellulärraum. Die biochemischen Systeme reagieren empfindlich auf Änderungen des pH, der durch Pufferbasen stabilisiert und durch Atmung, Leber- und Nierentätigkeit reguliert wird (Werte <6,9 und >7,8 sind lebensbedrohlich). Pro Tag fallen im Körper ~70 mM nichtflüchtige Säuren zur Ausscheidung an (~40 mM Ammonium, ~30 mM titrierbare Säure - Sulfat, Phosphat). Etwa 15.103 mM (>200mal so viel) verlassen den Körper über die Atmung (CO2: Anhydrid der Kohlensäure)         Wie Speisen / Getränke den pH-Wert beeinflussen, hängt davon ab, was im Stoffwechsel aus ihnen entsteht - CO2 wird exspiriert, entstehendes Bicarbonat ist eine Pufferbase ("säureüberschüssiges" Essen kann als Base wirken). Stoffe wirken säureüberschüssig (z.B. Glucose → Laktat, Zystin → Sulfat → saurer Harn), säureverbrauchend (z.B. Milchsäure → Glucose, Citrat → CO2 →) oder pH-neutral (z.B. Triglyzeride, Zucker → CO2 →)         Wasserstoffionen werden im Rahmen der mitochondrialen Elektronentransportkette zur Oxidation von NADH / NADPH benötigt. H+ wird aus der Mitochondienmatrix befördert (Zytochrom), die im Intermembranraum angereicherten Wasserstoffionen treiben bei ihrer Rückdiffusion H+-ATP-Synthase an         Pufferbasen halten Störungen des pH-Wertes gering. Ihre Konzentration beträgt 48 mM, jeweils zur Hälfte (24 mM) Bicarbonat und Nichtbicarbonatpuffer (Hämoglobin, ~10% des glomerulär filtrierten Phosphats). Hämoglobin ändert seine Pufferkapazität mit der Sauerstoffbeladung (Haldane-Effekt), das macht es zu einem effizienten Blutpuffer. Im Intrazellulärraum ist Phosphat wegen seiner Konzentration und Nähe zum pK-Wert der wichtigste Puffer         Die Bestimmung von pH-Wert, pO2 und pCO2 nennt man Blutgasanalyse. Dazu wird meist "Kapillarblut" (in eine Kapillare abgefülltes arterielles Blut) verwendet. Pufferkapazität (~48 mM), Aktualbicarbonat (~24 mM) und Basenabweichung werden berechnet. Standardbikarbonat gilt für 37°C, pCO2 = 40 mmHg, 100% O2-Sättigung des Hämoglobins. Das Van Slyke-Nomogramm stellt den pCO2 (Maßstab logarithmisch) als Funktion des pH-Wertes (pH ist ein Logarithmus) dar. Störungen des pH-Gleichgewichts werden respiratorisch (pCO2) oder nichtrespiratorisch ("metabolisch": Pufferkapazität) kompensiert. Unvollständige Kompensation fängt die Abweichung des pH vom Normwert nur teilweise auf, vollständig kompensierte Störungen stellen den Normbereich (pH 7,36 bis 7,42) wieder her         Die Nieren entfernen über den Harn (je nach Ernährung und Stoffwechsellage) saure oder auch basische Valenzen aus dem Körper. Der [Harn-pH] liegt zwischen 4,5 und 8,2. Harn wäre ohne renale Pufferung sehr sauer (pH 1,3: 70 mM H+ in 1,5 l/d). Bicarbonat wird vor allem im proximalen Tubulus zur Pufferung verbraucht, zur Stabilisierung der Pufferbasen im Blut dient sowohl seine Rückresorption als auch die Neusynthese (~70 mM/d). Der proximale Tubulus gewinnt aus Glutamin Bicarbonat und Ammoniumionen; Bicarbonatsynthese erfolgt vor allem über den Ammonium- und Phosphatmechanismus. Der Ammonium-Mechanismus scheidet Protonen als Ammonium aus (Ammoniak diffundiert durch Zellmembranen; Ammonium kaum, zirkuliert im Nierenmark und kann vom Sammelrohrsystem genützt werden). Die Schaltzellen im Sammelrohr können je nach Säure-Basen-Status zwischen Typ-A-Zelle (Sekretion saurer Valenzen) und Typ-B-Zelle (Sekretion von Bicarbonat) wechseln. Phosphat ist das bedeutsamste Puffersystem im Harn (pK-Wert des primär / sekundären Phosphatsystems 6,8; bei niedrigerem pH (Harn) überwiegt primäres Phosphat (H2PO4-), bei höherem sekundäres Phosphat (HPO4--: Blut 80%)         Azidose liegt bei pH<7,36 vor, Alkalose bei pH>7,42. Störungen können respiratorisch (pCO2) oder nicht-respiratorisch bedingt sein (Pufferbasen). Hypoventilation (pCO2 >45 mmHg - Hyperkapnie) bewirkt respiratorische Azidose, Hyperventilation (pCO2 <45 mmHg - Hypokapnie) respiratorische Alkalose, sinkende Hirndurchblutung  und Hypocalcämie (Krampfneigung). Nicht-respiratorische (metabolische) Störungen äußern sich primär in verändertem Pufferbasengehalt und können respiratorisch kompensiert werden. Veränderungen des extrazellulären pH beeinflussen den Kaliumhaushalt: Dringen H+-Ionen in die Zelle, nimmt deren Kaliumaufnahme ab; bei Alkalose ist es umgekehrt: Azidose → Hyperkaliämie; Alkalose → Hypokaliämie

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