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MedizinweltMedizinstudenten CharitePhysiologieBuchkapitelSäure-Basen-Haushalt

B978-3-437-41357-5.00012-0

10.1016/B978-3-437-41357-5.00012-0

978-3-437-41357-5

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Dissoziationskurve (Pufferkurve) von Dissoziationskurve:Bikarbonat\"\iBikarbonat:Dissoziationskurve\"\iBikarbonat. Der pH-Wert, bei dem gleiche Konzentrationen von HCO3– und undissoziiertem H2CO3 bzw. CO2 vorliegen, ist durch den pK-Wert angegeben.

Kohlendioxidpartialdruck:Bikarbonatkonzentration\"\iBikarbonatkonzentration:Kohlendioxidpartialdruck\"\iBikarbonatkonzentration im Plasma in Abhängigkeit vom CO2-Druck. Der Kurvenverlauf (rot) entspricht der CO2-Bindungskurve in Abb. 10.23. Standardbikarbonat\"\iKohlendioxidpartialdruck:Standardbikarbonat\"\iStandardbikarbonat ist jene Bikarbonatkonzentration, die sich bei einem normalen CO2-Partialdruck von 40 mmHg, 37 °C und bei vollständiger Sättigung des Hb mit Sauerstoff einstellt. Die grüne Gerade entspricht der hypothetischen Plasma-HCO3–-Konzentration bei vollständigem Fehlen der NBP = Nicht-Bikarbonat-Nicht-Bikarbonat-Puffer:Bikarbonatkonzentration\"\iPuffer; blaue Geraden entsprechen den Isohydren für 3 verschiedene pH-Werte.

Auswirkung der Nicht-Bikarbonat-Puffer (NBP). Wird der CO2-Druck von 40 mmHg (1,2 mmol/l) auf 100 mmHg (3 mmol/l) erhöht, würde sich die Bikarbonatkonzentration ohne NBP nicht signifikant ändern, und der pH-Wert würde von 7,4 auf 7,0 fallen. Sind dagegen NBP vorhanden, steigt die Bikarbonatkonzentration auf 39 mmol/l, und der pH-Wert sinkt nur auf 7,2. Die angenommene Konzentration und Pufferkapazität der NBP entsprechen physiologischen Größenordnungen. Konzentrationsangaben in mmol/l bzw. pH-Einheiten.

Störungen des Säure-Basen-Säure-Basen-Haushalt:Störungen\"\iHaushalts und ihre Kompensation im pH-Wert-log-PCO2-Diagramm. 1 = rein respiratorische Azidose:respiratorische\"\iAzidose, 2 = rein respiratorische Alkalose:respiratorische\"\iAlkalose, 3 = rein metabolische Azidose:metabolische\"\iAzidose, 4 = rein metabolische Alkalose:metabolische\"\iAlkalose, 5 = kompensierte respiratorische AzidoseAzidose:respiratorische oder kompensierte metabolische AlkaloseAlkalose:metabolische, 6 = kompensierte respiratorische AlkaloseAlkalose:respiratorische oder kompensierte metabolische AzidoseAzidose:metabolische, 7 = Kombination einer respiratorischen und metabolischen Azidose, 8 = Kombination einer respiratorischen und metabolischen Alkalose. Der BE ist positiv bei nichtrespiratorischer Alkalose und negativ bei nichtrespiratorischer Azidose (Kap. 12.3.3).

Renale RegulationRegulation:Säure-Basen-Haushalt des Säure-Basen-Haushalts im proximalen Tubulus. a Bikarbonatresorption:Säure-Basen-Haushalt\"\iBikarbonatresorption. b Ausscheidung von ProtonenProtonen:Ausscheidung mithilfe des Phosphatpuffers (im Endharn erscheint H2PO4– als sog. titrierbare Säure). c Ausscheidung von Protonen mithilfe des Ammoniakmechanismus.

Bikarbonatausscheidung durch die Niere. Bei normalem PCO2 von 40 mmHg liegt die Schwellensubstanz:Bikarbonat\"\iBikarbonatschwelle\"\iBikarbonatschwelle bei 24 mmol/l. Sie fällt bei erniedrigtem und steigt bei erhöhtem PCO2.

Zusammenspiel von Niere:Säure-Basen-Störungen\"\iNiere und Leber:Säure-Basen-Störung\"\iLeber bei der Regulation von Säure-Basen-Säure-Basen-Störung, Kompensation\"\iStörungen. a Bei Azidose wird in der Leber:Ammoniakausscheidung\"\iLeber vermehrt aus Ammoniak (NH4+) und Glutamat (Glu) das Glutamin (Gln) gebildet; gleichzeitig werden die Harnstoffsynthese und der Bikarbonatverbrauch gedrosselt. In der Niere:Ammoniakausscheidung\"\iNiere wird aus Gln NH4+ abgespalten und ausgeschieden. b Bei Alkalose wird in der Leber vermehrt Bikarbonat zur Harnstoffsynthese verbraucht, während die Glutaminsynthese gedrosselt ist. In der Niere wird unterstützend so lange Bikarbonat ausgeschieden, bis die erhöhte Bikarbonatkonzentration in Plasma und Ultrafiltrat wieder unter die Nierenschwelle abgesunken ist. Gleichzeitig ist die H+-Elimination über den Ammoniakmechanismus weitgehend gedrosselt.

Pufferkonzentrationen im Blutplasma:Pufferkonzentrationen\"\iPlasma, Erythrozyten:Pufferkonzentrationen\"\iErythrozyten und Vollblut, Pufferkonzentrationen\"\iVollblut.

Abhängigkeit der Puffer im Blut vom Kohlendioxidpartialdruck:Gesamtpufferbasen\"\iGesamtpufferbasen:Kohlendioxidpartialdruck\"\iKohlendioxidpartialdruck. Bei erhöhtem PCO2 wird vermehrt Bikarbonat gebildet. Durch Pufferung der gleichzeitig entstehenden H+-Ionen durch die Proteinate nimmt deren Konzentration im gleichen Maße ab, sodass die Gesamtpufferbase konstant bleibt. Im Normalfall liegt sie im vollständig oxygenierten Blut bei 48 mmol/l.

pH-Wert-log-PCO2-pH-Wert-log-PCO2-Diagramm\"\iDiagramm. Die schrägen Geraden sind die Linien gleicher Bikarbonatkonzentration:pH-Wert-log-PCO2-Diagramm\"\iBikarbonatkonzentration. Aufgrund der doppellogarithmischen Auftragung ergibt sich eine Steigung dieser Geraden von –1 und bei geeigneter Achsenskalierung ein Winkel von –45°, was eine einfache grafische Darstellung im Siggaard-Andersen-Nomogramm (Abb. 12.11) für die Diagnostik ermöglicht.

Siggaard-Andersen-Siggaard-Andersen-Nomogramm\"\iNomogramm. Das Nomogramm entspricht der Abb. 12.10, nur dass hier zusätzlich die Kurven der Gesamtpufferbasen:Siggaard-Andersen-Nomogramm\"\iPufferbasen und des Base Basenüberschuss:Siggaard-Andersen-Nomogramm\"\iBase Excess:Siggaard-Andersen-Nomogramm\"\iExcess eingetragen sind. Die schwarze Linie entspricht jener Eichgeraden, die durch Äquilibrierung einer Blutprobe mit 2 definierten CO2-Gasdrücken konstruiert wurde (Eichpunkte nicht eingezeichnet). Dieselbe Blutprobe weist im konkreten Fall einen normalen aktuellen pH-Wert bei erniedrigtem PCO2 auf (grüner Punkt). Sowohl aktuelles Bikarbonat (roter Punkt) als auch Standardbikarbonat (blauer Punkt) sind erniedrigt, der Base Excess (Schnittpunkt der schwarzen Gerade mit der Kurve) leicht negativ. Es könnte sich hier sowohl um eine metabolische Azidose handeln, die vollständig respiratorisch kompensiert wurde, als auch um eine respiratorische Alkalose, die vollständig metabolisch kompensiert wurde. Eine genaue Diagnose ist in diesem Fall nur im Zusammenhang mit Anamnese/zusätzlichen Befunden möglich.

Charakteristika der typischen Störungen des Säure-Basen-Haushalts. Die Pfeile geben die Erhöhung bzw. Erniedrigung an, die über die Normalwerte hinausreichen (weitere Veränderungen bei Störungen des Säure-Basen-Haushalts in Tab. 12.2).Azidose:respiratorischeAzidose:metabolischeAlkalose:respiratorischeAlkalose:metabolische

Tab. 12.1
Störung Respiratorische Azidose Respiratorische Alkalose Metabolische Azidose Metabolische Alkalose
PCO2 ↑ (Hyperkapnie) ↓ (Hypokapnie) ↔ ↔
Pufferbasen ↔ ↔ ↓ ↑
pH-Wert ↓ ↑ ↓ ↑
Ursachen(Beispiele)

  • •

    Störungen des zentralen Atemantriebs

  • •

    Störungen der Atemmuskulatur und der Thoraxbeweglichkeit

  • •

    Störungen der zuführenden Nerven

  • •

    schwere Formen von Asthma bronchiale

  • •

    Störungen des Gasaustauschs

  • •

    Höhenhyperventilation infolge O2-Mangels

  • •

    psychogene Ursachen

  • •

    vermehrte Bildung von Ketosäuren bei Diabetes mellitus

  • •

    vermehrte Laktatbildung bei Gewebehypoxie

  • •

    Niereninsuffizienz mit unzureichender H+-Elimination

  • •

    Diarrhö mit Verlust alkalischen Darmsafts

  • •

    länger andauerndes Erbrechen

  • •

    iatrogen durch überhöhte HCO3–-Infusion

  • •

    Hyperaldosteronismus

Parameter zur Beurteilung des Säure-Basen-Status. Physiologische Schwankungsbreiten und Veränderungen der Parameter bei Störungen des Säure-Basen-Haushalts. Die Pfeile geben die Erhöhung bzw. Erniedrigung an, die über die Normalwerte hinausreichen; BB = Gesamtpufferbasen.Standardbikarbonat:Säure-Basen-StatusSäure-Basen-Haushalt:BeurteilungGesamtpufferbasen:Säure-Basen-StatusBikarbonatkonzentration:Säure-Basen-StatusBasenüberschuss:Säure-Basen-StatusBase Excess:Säure-Basen-Status

Tab. 12.2
pH PCO2 [mmHg] Bikarbonatkonzentration [mmol/l] Standardbikarbonat [mmol/l] BB [mmol/l] BE [mmol/l]
Normalwert 7,40 40 24 24 48 0
physiologische Toleranzbreite 7,35–7,45 32–45 20–27 21–26 42–54 –3 bis +3
respiratorische Azidose ↓ ↑ ↑ ↔ ↔ ↔
respiratorische Alkalose ↑ ↓ ↓ ↔ ↔ ↔
metabolische Azidose ↓ ↔ ↓ ↓ ↓ ↓
metabolische Alkalose ↑ ↔ ↑ ↑ ↑ ↑

Säure-Basen-Haushalt

P. Dietl

  • 12.1

    pH-Wert und Puffer503

  • 12.2

    Bikarbonat-Kohlensäure-System503

  • 12.3

    Störungen des Säure-Basen-Haushalts506

    • 12.3.1

      Definition der Störungen506

    • 12.3.2

      Kompensationen der Störungen507

    • 12.3.3

      Analyse des Säure-Basen-Status512

  • 12.4

    Ausblick513

Zur Orientierung

Säure-Basen-Haushalt\bWasserstoffionen in Zellen und extrazellulärer Flüssigkeit müssen zur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse in einem ganz engen Konzentrationsbereich kontrolliert und konstant gehalten werden. Dafür sorgen Puffer und die Regulationsorgane Niere, Leber und Lunge.

12.1

pH-Wert und Puffer

Zur Orientierung

Zahlreiche vitale Prozesse wie Enzymaktivitäten oder Ionenleitfähigkeiten von Membranen sind von der Wasserstoffionenkonzentration abhängig. Diese muss daher präzise kontrolliert und reguliert werden.

SchwankungsbreitepH-WertDer pH-Wert ist als der negativ-dekadische Logarithmus der H+-H+-Konzentration:pH-WertKonzentration pH-Wert:Definitiondefiniert. In der extrazellulären Flüssigkeit liegt der pH-Wert bei 7,4 und schwankt normalerweise nur in dem engen Bereich zwischen 7,35 und 7,45. Die Wasserstoffionenkonzentration:pH-WertWasserstoffionenkonzentration wird also mit einer Schwankungsbreite von nur wenigen nmol/l sehr präzise reguliert.

MERKE

Die Grenzen, die für die Lebensprozesse gerade noch tolerabel sind, liegen mit pH 7,0 und pH 7,8 nur rund 50 nmol/l vom Normalwert entfernt.

PufferPuffer:pH-WertFür die notwendige Konstanz der H+-Konzentration sorgen chemische und physiologische Puffermechanismen sowie die Niere, die Lunge und die Leber als Regulationsorgane. Die Puffer sind etwa zu gleichen Teilen im Intrazellulärraum:PufferIntrazellulärraum (IZR) und im Extrazellulärraum:PufferExtrazellulärraum (EZR) verteilt. Während im IZR Proteine und organische Phosphate als Puffer wirken, ist es in Blut und EZR neben Hämoglobin und Plasmaproteinen vornehmlich das Bikarbonat (Abb. 12.8).

MERKE

Ein Puffer ist ein chemisches System, das einen konstanten pH-Wert anstrebt, wenn kleinere Mengen Säure oder Base zugefügt werden.

12.2

Bikarbonat-Kohlensäure-System

Zur Orientierung

Mit dem Bikarbonat-Kohlensäure-System besitzt der Organismus ein regulierbares Puffersystem. Die Bikarbonatkonzentration wird über die Niere kontrolliert, der Gehalt an CO2, dem Anhydrat der Kohlensäure, wird über die Lunge eingestellt. Aus der gesetzmäßigen Beziehung zwischen pH-Wert, Bikarbonatkonzentration und CO2-Partialdruck, wie sie in der Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben wird, ist der jeweilige Status des Säure-Basen-Haushalts feststellbar.

Henderson-Hasselbalch-Gleichung
Kohlensäure:Bikarbonat-Kohlensäure-SystemBikarbonat-Kohlensäure-SystemBikarbonat:Bikarbonat-Kohlensäure-SystemHenderson-Hasselbalch-GleichungGleichung(en):Henderson-Hasselbalch-GleichungBikarbonat wird in den Erythrozyten gebildet. Die Bildungsreaktion
(1)CO2+H2O↔H2CO3↔HCO3+H+
kann im Gleichgewichtszustand nach dem Massenwirkungsgesetz behandelt werden.
H2CO3 als Zwischenprodukt ist dabei quantitativ vernachlässigbar:
Da der menschliche Organismus zu 60% aus Wasser besteht und sich durch das Ablaufen obiger Reaktion der Wasserbestand nicht messbar verändert, kann der Wasserumsatz in Gleichung (2) unberücksichtigt bleiben. So vereinfacht lässt sich folgende Beziehung aufstellen:
Logarithmiert und entsprechend umgestellt, ergibt sich daraus die Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
pK-WertpK-WertpK ist der entsprechend dem pH-Wert symbolisierte negativ-dekadische Logarithmus der Massenwirkungskonstante K. Der pK-Wert gibt an, bei welchem pH-Wert die Konzentrationen beider Parameter unter dem Logarithmus gleich sind (log n/n = log 1 = 0). Wird die Gleichung (4) grafisch dargestellt (Abb. 12.1), ergibt sich eine Kurve, die um den pK-Wert (6,1) am steilsten ist. Hier liegt die größte Pufferkapazität vor, und die Aufnahme oder Abgabe von H+-Ionen führt hier zu den relativ geringsten pH-Änderungen. Außerhalb einer pH-Einheit von pK entfernt ist keine nennenswerte Pufferwirkung mehr vorhanden. Das Bikarbonat-Kohlensäure-System hat einen pK-Wert von 6,1 und ist in einem geschlossenen System als chemischer Puffer im Bereich von pH 7,4 praktisch wirkungslos.
Auswirkung für das Konzentrationsverhältnis HCO3– und CO2Mit seinen getrennt regulierbaren Komponenten (HCO3– über die Niere, CO2 über die Lunge) stellt der Bikarbonat-Kohlensäure-Puffer ein sog. offenes System mit hervorragenden physiologischen Puffereigenschaften dar. Laut Henderson-Hasselbalch-Gleichung kommt es für die Einstellung eines pH-Werts nämlich nicht auf die absoluten Konzentrationen der Pufferbestandteile an, sondern auf deren Konzentrationsverhältnis: Da der pK-Wert von 6,1 vorgegeben ist, kann ein pH-Wert von 7,4 nur erreicht werden, wenn nach der Gleichung (4) der Logarithmus des Konzentrationsquotienten 1,3 ergibt. Daraus ergibt sich, dass das Konzentrationsverhältnis von HCO3– zu CO2 20 : 1 betragen muss (der Logarithmus von 20 ist 1,3).
Die Konzentration von physikalisch gelöstem CO2 ist nach dem Henry-Henry-Gesetz:Säure-Basen-HaushaltGesetzGesetz(e):Henry-Gesetz (Kap. 10.1) dem PCO2 proportional:
(5)[CO2]=αCO2×PCO2
α bezeichnet hier den Löslichkeitskoeffizient:KohlendioxidLöslichkeitskoeffizienten. Dies ist eine Materialkonstante, die angibt, wie viel des betreffenden Gases pro mmHg Partialdruck in einem bestimmten Lösungsmittel gelöst wird.
Da der CO2-Partialdruck infolge der guten Diffusibilität des CO2 im arteriellen Blut und im Alveolarraum fast gleich ist, lässt sich die Henderson-Hasselbalch-Gleichung auch folgendermaßen schreiben:
Die Bikarbonatkonzentration im Plasma [HCO3–]Pl wird durch Niere und Leber reguliert und liegt im Normalzustand bei 24 mmol/l. Der PACO2 ist eine Funktion der alveolären Ventilation (Kap. 11.1) und wird normalerweise auf 40 mmHg eingestellt. Bei einem αCO2 im Plasma von 0,03 mmol × l–1 × mmHg–1 ergibt sich somit:
Säure-Basen-Haushalt einer Sodaflasche im Vergleich
Sodaflasche, Säure-Basen-HaushaltSäure-Basen-Haushalt:SodaflascheDie Henderson-Hasselbalch-Gleichung gilt – wenn auch mit unterschiedlicher Kinetik aufgrund des Fehlens von Carboanhydrase – für eine Sodaflasche ebenso wie für unseren Körper. Ein Vergleich mit Sodawasser soll dazu beitragen, die Konsequenz sowohl der Bikarbonatretention im Körper als auch der Nicht-Bikarbonat-Puffer (NBP) besser zu verstehen.
Bikarbonatretention im Körper
Bikarbonat und CO2 im WasserIm Sodawasser (reines Wasser mit CO2 angereichert) ist die Bikarbonatkonzentration immer identisch mit der Protonenkonzentration, da aus jedem Molekül CO2 ein Molekül Bikarbonat und ein Proton entstehen. Es gilt also: [HCO3–] = 10–pH, und die Henderson-Hasselbalch-Gleichung kann folgendermaßen reduziert werden:
Um eine „physiologische“ HCO3–-Konzentration von 24 mmol/l (und somit dieselbe H+-Konzentration, pH = 1,62) zu erreichen, müsste das CO2 mit einem etwa 32.000-fachen Atmosphärendruck ins Wasser eingeleitet werden. Umgekehrt würde eine Sodaflasche mit einem „physiologischen“ CO2-Druck von 40 mmHg eine HCO3–-Konzentration von gerade 30 μmol/l erzeugen, die entsprechende H+-Konzentration ergäbe einen pH von 4,51.
Bikarbonat und CO2 im BlutDie physiologische Bikarbonatkonzentration:BlutBikarbonatkonzentration im Blut ist also um das ca. 800-Fache höher, als sie aus dem vorhandenen CO2 entstehen würde.
Für diese enorme Bikarbonat:AkkumulationBikarbonatakkumulation im Körper ist hauptsächlich die Niere verantwortlich (Kap. 11.5.5), indem Protonen, die aus der Dissoziation von CO2 entstehen, aktiv in den Harn sezerniert werden, während die Bikarbonationen ins Blut abgegeben werden.
Bedeutung der Nicht-Bikarbonat-Puffer (NBP)
Bikarbonat und CO2 im WasserNicht-Bikarbonat-PufferBei einem „physiologischen“ CO2-Druck in Wasser entsteht nur wenig HCO3– (s.o.). Diese geringe Abhängigkeit der HCO3–-Konzentration vom CO2-Druck ändert sich auch dann nicht, wenn man dem Wasser physiologische Mengen von HCO3– in Form des Na+-Salzes (NaHCO3) beimengt. Erhöht man beispielsweise den CO2-Druck in Anwesenheit von 24 mmol/l NaHCO3 von 40 auf 100 mmHg, sinkt der pH von 7,4 auf 7,0. Dies entspricht der Bildung von 60 nmol/l H+ aus CO2. Da bei dieser Reaktion ebenso viel HCO3– entstehen muss, nimmt die HCO3–-Konzentration von 24 mmol/l auf 24,00006 mmol/l zu, eine vernachlässigbare Größe.

MERKE

Die Bikarbonatkonzentration in reinem Wasser ist im physiologischen Konzentrationsbereich von CO2 und HCO3– de facto nicht vom CO2 abhängig.

Bikarbonat und CO2 im BlutIm Plasma ist die Bikarbonatkonzentration stark vom CO2-Druck abhängig (Abb. 12.2). Diese Abhängigkeit ist auf die NBP zurückzuführen (Kap. 12.3).
Weil die NBP Protonen binden, wird bei Erhöhung des CO2-Drucks so lange HCO3– produziert, d.h., die Reaktion in Gleichung (1) läuft nach rechts, bis ein neues Gleichgewicht erreicht ist (Abb. 12.3). Wie stark sich pH-Wert und Bikarbonatkonzentration verändern, hängt von der Konzentration und Pufferkapazität der NBP ab (die in Abb. 12.3 dargestellten Veränderungen stellen physiologische Größenordnungen dar).

MERKE

Im Plasma ist die Bikarbonatkonzentration:Nicht-Bikarbonat-PufferBikarbonatkonzentration aufgrund der NBP stark vom CO2-Druck abhängig (Abb. 12.2).

Aktuelle und StandardbikarbonatkonzentrationStandardbikarbonatDie aktuelle Bikarbonatkonzentration:aktuelleBikarbonatkonzentration ist also sowohl abhängig vom HCO3–-Metabolismus (z.B. renale Säureelimination, Kap. 12.3) als auch vom CO2-Partialdruck (Atmung) und von der CO2-Bindung an Hämoglobin (Haldane-Haldane-Effekt:StandardbikarbonatEffektEffekt:Haldane-Effekt, Kap. 10.5.2). Um den Einfluss der Atmung zu standardisieren, wurde der Begriff „Standardbikarbonat“ eingeführt.
Die Standardbikarbonatkonzentration ist jene Bikarbonatkonzentration:StandardbikarbonatBikarbonatkonzentration, die sich bei einem normalen CO2-Druck von 40 mmHg einstellt (Abb. 12.2). Sie ist also unabhängig von der Atmung und reflektiert ausschließlich den Bikarbonatmetabolismus. Zu den Standardbedingungen zählen außerdem die Temperatur von 37 °C und die vollständige Sättigung des Hb mit O2 (zur Korrektur des Haldane-Effekts Kap. 10.5.2).

MERKE

Standardbikarbonat ist die Bikarbonatkonzentration unter Standardbedingungen: CO2-Druck von 40 mmHg, Temperatur von 37 °C, vollständige Sättigung des Hb mit O2.

12.3

Störungen des Säure-Basen-Haushalts

Zur Orientierung

Störungen des Säure-Basen-Gleichgewichts im Körper können durch Funktionsstörungen der Regulationsorgane Niere, Lunge und Leber wie auch durch Verluste oder Überproduktion von sauren Valenzen bzw. Bikarbonat entstehen. Abweichungen des pH-Werts von 7,4 in den sauren Bereich werden als Azidosen, Abweichungen in den alkalischen Bereich als Alkalosen bezeichnet. Abweichungen können primär über den PCO2 durch Änderungen der Ventilation eintreten und werden dann als respiratorische Störungen bezeichnet. Ist primär die Bikarbonatkonzentration verändert, handelt es sich um nichtrespiratorische Störungen. Diese können durch Störungen in der Säureelimination oder durch Stoffwechselstörungen verursacht sein. In beiden Fällen spricht man im klinischen Jargon etwas ungenau von metabolischen Störungen.

12.3.1

Definition der Störungen

Einteilung und Ursachen
Steigt die Säure-Basen-Haushalt:StörungenWasserstoffionenkonzentration:AzidoseH+-Konzentration:AzidoseAzidose:DefinitionWasserstoffionenkonzentration über den physiologischen Normalwert, d.h., sinkt der pH-Wert, spricht man von einer Azidose (Abweichung in den sauren Bereich), im umgekehrten Fall (sinkende Wasserstoffionenkonzentration:AlkaloseH+-Konzentration:AlkaloseAlkalose:DefinitionWasserstoffionenkonzentration, steigender pH-Wert) von einer Alkalose. Je nach Ursache dieser Abweichungen handelt es sich um respiratorische Störungen, wenn primär die Atmung:Säure-Basen-StörungenAtmung betroffen ist, bzw. um nichtrespiratorische Störungen, wenn primär die Säureelimination oder der Stoffwechsel gestört ist. Damit sind die folgenden Kombinationen möglich (Tab. 12.1):
Respiratorische AzidoseZuAzidose:respiratorische einer respiratorischen Azidose kommt es, wenn die alveoläre VentilationVentilation:alveoläre nicht ausreicht, um einen ausreichenden Gasaustausch sicherzustellen und das anfallende CO2 abzuatmen. Der arterielle Kohlendioxidpartialdruck:respiratorische AzidosePCO2 ist dann erhöht. Dieser Zustand wird auch als Hyperkapnie:respiratorische AzidoseHyperkapnie bezeichnet. Als Ursache kommen Störungen des zentralen Atemantriebs, der Atemmuskulatur, der Thoraxbeweglichkeit oder der zuführenden Nerven infrage, jedoch auch schwere Formen von Asthma bronchiale und Störungen des Gasaustauschs.
Respiratorische AlkaloseAlkalose:metabolischeUmgekehrt tritt eine respiratorische Alkalose dann auf, wenn CO2 durch eine Hyperventilation:respiratorische AlkaloseHyperventilation vermehrt abgeatmet wird und der PCO2 im Blut dadurch vermindert ist (Hypokapnie:respiratorische AlkaloseHypokapnie). Ein solcher Zustand stellt sich z.B. bei der Höhenhyperventilation infolge O2-Mangels ein, kann aber auch psychogene Ursachen haben.
Nichtrespiratorische AzidoseAzidose:metabolischeEine relativ häufige Störung ist die nichtrespiratorische Azidose, die bei primär ungestörter Atmungsfunktion und normalem PCO2 durch eine Abnahme der Pufferkonzentration charakterisiert ist. Sie kann viele Ursachen haben, z.B. eine Niereninsuffizienz mit unzureichender H+-Elimination, eine Diarrhö mit Verlust alkalischen Darminhalts, das vermehrte Auftreten von Ketosäuren bei Diabetes mellitus oder die verstärkte Milchsäurebildung bei schwerer körperlicher Arbeit. Da also oft metabolische Störungen zugrunde liegen, spricht man auch von metabolischer Azidose.
Nichtrespiratorische AlkaloseAlkalose:metabolischeSeltener kommt es zu einer nichtrespiratorischen Alkalose, etwa bei länger andauerndem Erbrechen. Obwohl die Salzsäure des Magens mit einem pH von etwa 1,0 eine starke Säure ist, beeinflusst ihre Produktion das Säure-Basen-Gleichgewicht des Organismus normalerweise kaum (dass das Blut postprandial etwas alkalischer ist, wird im Englischen als „alkaline tide“ bezeichnet). Im Pankreas- und Darmsekret ist Bikarbonat enthalten, das die Magensäure in etwa neutralisiert. Somit halten sich H+- und HCO3–-Ionen-Verluste aus dem Blut annähernd die Waage. Kommt es aber bei stärkerem Erbrechen zum endgültigen Verlust von Magensalzsäure nach außen, kann ein HCO3–-Überschuss im Blut, also eine Alkalose, entstehen.
Kennzeichen primärer Säure-Basen-Störungen
Liegt eine nichtrespiratorische Störung des Säure-Basen-Haushalts vor, dann ist das Standardbikarbonat:Säure-Basen-StörungenStandardbikarbonat verändert. Bei metabolischer Alkalose ist es erhöht, bei metabolischer Azidose ist es vermindert.
Kommt es zu einer respiratorischen Störung, dann bleibt zunächst das Standardbikarbonat unverändert, aber die aktuelle Bikarbonatkonzentration:Säure-Basen-StörungenBikarbonatkonzentration im Plasma ändert sich (Kap. 12.2). Bei Hyperventilation mit vermehrtem Abatmen von CO2 und entsprechender Verminderung des arteriellen PCO2 nimmt der pH zu, die Bikarbonatkonzentration ab. Kommt es umgekehrt bei Hypoventilation zu einem Anstieg des arteriellen PCO2, dann nimmt der pH ab, die Bikarbonatkonzentration zu.

12.3.2

Kompensationen der Störungen

Alle Kompensationsmechanismen des Organismus müssen darauf ausgerichtet sein, möglichst wieder den optimalen pH-Wert von 7,4 einzustellen (Abb. 12.4). Nach der Henderson-Hasselbalch-Gleichung entspricht jeder pH-Wert einem bestimmten Quotienten von [HCO3–] zu [CO2]. Diese Quotienten sind als sog. Isohydren für unterschiedliche pH-Werte in Abb. 12.2 dargestellt (bei pH 7,4 ist der Quotient 20 : 1, bei pH 7,1 10 : 1 oder bei pH 7,7 40 : 1).

MERKE

Ziel des Kompensationsmechanismus ist es, einen [HCO3–]/[CO2]-Quotienten herzustellen, der auf der pH-7,4-Isohydre liegt.

Dabei bestehen folgende Möglichkeiten der Regulation:

  • •

    Die Niere:Säure-Basen-StörungenNiere kann verstärkt H+-Ionen oder Bikarbonat ausscheiden oder aber zusammen mit der Leber Bikarbonat erzeugen.

  • •

    Die Lunge:Säure-Basen-StörungenLunge kann vermehrt CO2 abatmen.

Säureausscheidung durch die Niere
Säure-Basen-Haushalt:SäureausscheidungSäureausscheidung, NiereNiere:SäureausscheidungProtonen:AusscheidungDie Niere hat 3 Möglichkeiten, saure Valenzen zu eliminieren:

  • •

    die Ausscheidung von freier Säure

  • •

    die Ausscheidung von titrierbarer Säure

  • •

    die Ausscheidung von Ammoniak (in Zusammenarbeit mit der Leber)

Die Menge renal ausgeschiedener Protonen pro Tag (H+ [mol/d]) berechnet sich nach:
(9)H+[mol/d]=NH4+[mol/d]+titrierbareSäure[mol/d]−HCO3−[mol/d]
H+-Sekretion und Bikarbonatresorption
Treibende KraftSäure-Basen-Haushalt:ProtonensekretionSäure-Basen-Haushalt:Bikarbonatresorption\bNiere:BikarbonatresorptionBikarbonatresorption:NiereH+-Ionen können in der Niere von praktisch allen Tubuluszellen produziert und sezerniert werden (Kap. 11.5.5). Weitaus dominierend sind aber die Zellen des proximalen TubulusNephron:proximales (Abb. 12.5). Hier werden die H+-Ionen über einen v.a. in der Bürstensaummembran von Darm und Niere gelegenen Subtyp des Na+/H+-Austauschers, dem NHE3 (NHE = Na+/H+-Exchanger), in die Tubulusflüssigkeit sekundär aktiv sezerniert. Die treibende Kraft dafür wird von der Na+/K+-ATPase an der basolateralen Zellseite bereitgestellt, die in einem von Stoffwechselenergie angetriebenen aktiven Prozess K+-Ionen in die Zelle und Na+-Ionen aus der Zelle pumpt und so einen Gradienten für den Einstrom von Na+ aus der Tubulusflüssigkeit in die Zelle schafft. Die gleichzeitig über den Na+/H+-Austauscher in die Tubulusflüssigkeit gelangenden H+-Ionen verbinden sich zum größten Teil mit den HCO3–-Ionen des Glomerulusfiltrats zu Kohlensäure, welche unter Einwirkung der im Bürstensaum reichlich vorhandenen Carboanhydrase in CO2 und Wasser zerfällt. Das gut membranpermeable CO2 kann leicht in die Zellen diffundieren, wo es über eine dort ebenfalls vorhandene Carboanhydrase wiederum in H+- und HCO3–-Ionen dissoziieren kann, sodass H+-Ionen dem Na+/H+-Austauscher erneut zur Verfügung stehen und somit über die apikale Membran rezirkuliert werden. Das aus dieser Reaktion entstehende HCO3– wird auf der basalen Zellseite zum Blut hin transportiert, wobei in einem Kotransport auch noch Na+-Ionen (in einem Verhältnis 3 HCO3–/1 Na+) mitgenommen werden (Abb. 12.5a). In der Bilanz steht so die luminale H+-Sekretion ganz im Dienste der Bikarbonat- und Natriumresorption, ohne dass im Normalfall das Säure-Basen-Gleichgewicht beeinflusst wird.
IonenverfügbarkeitWährend die basolaterale Na+/K+-Pumpe die treibende Kraft für den luminalen Na+/H+-Austauscher aufbaut, hängt dessen Umsatzgeschwindigkeit von der Verfügbarkeit beider Ionen ab. Bei konstantem Glomerulusfiltrat und damit gleichbleibender proximaler Na+-Resorption sind auch H+-Sekretion und HCO3–-Resorption konstant. Am Ende des proximalen Konvoluts sind dann über 90% des filtrierten Bikarbonats resorbiert, und die Konzentration in der Tubulusflüssigkeit ist von 25 auf etwa 5 mmol/l vermindert.
Metabolische AlkaloseLiegtAlkalose:metabolische nun eine nichtrespiratorische (metabolische) Alkalose vor, dann ist die Bikarbonatkonzentration:metabolische AlkaloseBikarbonatkonzentration im Glomerulusfiltrat erhöht. Da der Na+/H+-Mechanismus Bikarbonat aber nur bis zu einem Gradienten von rund 20 mmol/l resorbieren kann (sog. Schwellensubstanz:BikarbonatBikarbonatschwelleBikarbonatschwelle), bleibt der Überschuss an Bikarbonat unresorbiert in der Tubulusflüssigkeit und wird mit dem Endharn so lange ausgeschieden, bis schließlich wieder die normale Bikarbonatkonzentration im Plasma eingestellt ist.
Respiratorische AlkaloseAlkalose:respiratorischeIm Fall einer respiratorischen Alkalose, die nach einer Hyperventilation auftreten kann, ist der alveoläre und damit der arterielle PCO2 und proportional auch der PCO2 in den Tubuluszellen erniedrigt. Die Bikarbonatresorption:respiratorische AlkaloseBikarbonatresorption hängt von der Rate der intrazellulär gebildeten und über den NHE3 sezernierten H+-Ionen ab. Bei erniedrigtem PCO2 werden weniger H+-Ionen gebildet und sezerniert, und es kann entsprechend weniger Bikarbonat resorbiert werden. Damit sinkt die Bikarbonatschwelle der Niere (Abb. 12.6), und es kommt trotz „normaler“ Bikarbonatkonzentration:respiratorische AlkaloseBikarbonatkonzentration zur Bikarbonatausscheidung. Stellt sich auf dem jetzt niedrigeren Niveau wieder ein Verhältnis von etwa 20 : 1 zwischen Bikarbonatkonzentration und physikalisch gelöstem CO2 ein, besteht gemäß der Henderson-Hasselbalch-Gleichung wieder ein pH von 7,4.
Respiratorische AzidoseAzidose:respiratorischeGrundsätzlich anders liegen die Verhältnisse bei der Kompensation von Azidosen. Eine respiratorische Azidose entwickelt sich nach einer CO2-Retention. Das Standardbikarbonat ist unverändert, die aktuelle Bikarbonatkonzentration:respiratorische AzidoseBikarbonatkonzentration ist etwas erhöht. Aufgrund des erhöhten PCO2 sinkt der intrazelluläre pH-Wert, wodurch der NHE3 aktiviert wird. Somit ist zwar auch die Nierenschwelle für Bikarbonat erhöht (Abb. 12.6), dies hat aber keinen Effekt auf die Kompensation, da schon bei normalem PCO2 nahezu das gesamte Bikarbonat resorbiert wird. Die respiratorische Azidose lässt sich nur kompensieren, indem saure Valenzen (z.B. NH4+) eliminiert werden und gleichzeitig die Bikarbonatkonzentration steigt.
Metabolische AzidoseGleichesAzidose:metabolische gilt prinzipiell für nichtrespiratorische (metabolische) Azidosen. Bei einer solchen Störung ist bei primär nicht verändertem PCO2 die H+-Ionen-Konzentration im Blut und im Gewebe erhöht. Es werden die Puffer beansprucht, entsprechend erniedrigt ist die Bikarbonatkonzentration. Durch Aktivierung von NHE3 wird vermehrt H+ sezerniert.
Ausscheidung titrierbarer Säure
Der Harn des Menschen kann maximal auf einen pH-pH-Wert:HarnWert von 4,5 gebracht werden. Das entspricht einer Wasserstoffionenkonzentration:HarnH+-Konzentration:HarnWasserstoffionenkonzentration von 0,03 mmol/l. Bei einem Harnvolumen von 1,5 l pro Tag werden also nur 0,05 mmol an freier Säure pro Tag ausgeschieden. Aber schon im Stoffwechsel eines gesunden, erwachsenen Menschen fällt pro Tag ein Überschuss von 60–100 mmol an sauren Valenzen an, vorwiegend aus dem Proteinstoffwechsel (sog. nichtflüchtige oder fixe Säuren). Da Protonen, die im tubulären Harn mit Bikarbonat reagieren, nicht mit dem Endurin ausgeschieden werden, müssen nicht flüchtige Säureäquivalente mithilfe anderer Puffersysteme aus dem Organismus eliminiert werden. Dies geschieht in Form sog. titrierbarer Säuren. Hierbei werden H+-Ionen in der Tubulusflüssigkeit mit Nicht-Bikarbonat-Puffern, vornehmlich Phosphat, abgepuffert (Abb. 12.5b). Das Pufferpaar HPO42–/H2PO4– hat einen pK von 6,85. Wie sich aus der Henderson-Hasselbalch-Gleichung errechnen lässt, liegen bei einem pH von 7,4 nur 20% des Puffers als H2PO4– vor, bei pH 4,5 aber 99,5%. Auf diese Weise können bis zu etwa 50% der anfallenden nichtflüchtigen Säure eliminiert werden.
Ammoniakausscheidung durch Niere und Leber
Säure-Basen-Haushalt:AmmoniakausscheidungAmmoniakausscheidung, Säure-Basen-HaushaltDie effektivste Möglichkeit, saure Valenzen zu eliminieren, bietet der Ammoniakmechanismus, da er sich bei Bedarf auf das über 10-Fache steigern lässt. Ammoniak (NH3) fällt reichlich beim Aminosäureabbau an und ist giftig. In der Leber wird NH3 unter Verbrauch von äquimolaren Mengen an Bikarbonat in den inerten Harnstoff:Säure-Basen-HaushaltHarnstoff umgewandelt.
AzidoseBei einem absoluten (metabolische AzidoseAzidose:metabolische) bzw. relativen Bikarbonatmangel (respiratorische AzidoseAzidose:respiratorische) ist die Harnstoffbildung aus Ammoniak eingeschränkt (Abb. 12.7a). Stattdessen koppelt die Leber:AmmoniakausscheidungLeber (in den um die Zentralvenen gelegenen Leberzellen) mithilfe von Glutaminsynthetase mehr Ammoniak an Glutamat und bildet dabei Glutamin. In der Niere wird in den Mitochondrien der proximalen Tubuluszellen aus Glutamin mithilfe von Glutaminase ein Ammonium-Ion (NH4+) abgespalten (Abb. 12.5c). Eine ebenfalls in den Tubuluszellen lokalisierte Glutamatdehydrogenase spaltet ein weiteres NH4+-Ion ab. Das verbleibende α-Ketoglutarat wird unter Aufnahme von 2 H+-Ionen zu Glukose umgebaut (Glukoneogenese). Diese H+-Ionen werden in der üblichen Weise aus der durch Carboanhydrase katalysierten Reaktion von CO2 mit Wasser bereitgestellt, wobei 2 Bikarbonationen entstehen.
Das zellulär gebildete NH4+ kann auf 2 Wegen in das Tubuluslumen gelangen. NH4+ steht mit Ammoniak im Gleichgewicht:
Daher können H+-Ionen über den Na+/H+-Austauscher in die Tubulusflüssigkeit transportiert werden. Das gut membrangängige NH3 folgt durch Diffusion (sog. nichtionische Diffusion) und verbindet sich in der sauren Tubulusflüssigkeit sofort wieder mit H+-Ionen zu NH4+. Andererseits kann der Na+/H+-Austauscher auch das NH4+-Ion als solches transportieren. In der Bilanz werden mit jedem ausgeschiedenen Ammonium-Ion ein H+-Ion eliminiert und ein Bikarbonation regeneriert. Während diese Prozesse in der Niere stattfinden, spielt sich der Gewinn für den Säure-Basen-Haushalt auch gleichzeitig in der Leber ab. Denn jedes renal eliminierte NH3/NH4+ braucht in der Leber nicht zu Harnstoff umgewandelt zu werden und erspart daher den Verbrauch von Bikarbonat.
AlkaloseBei einer Alkalose wird NH4+ kaum in den Glutaminzyklus eingeschleust, sondern zur Harnstoffsynthese herangezogen (Abb. 12.7b). Nach der Summenformel 2 NH4+ + 2 HCO3– → H2N-CO-NH2 + CO2 + H2O wird dabei Bikarbonat verbraucht und so die absolut (metabolische AlkaloseAlkalose:metabolische) oder relativ erhöhte Bikarbonatkonzentration (respiratorische AlkaloseAlkalose:respiratorische) gesenkt. Zusätzlich scheidet die Niere bei Alkalosen so lange Bikarbonat aus, bis die Bikarbonatkonzentration der Tubulusflüssigkeit wieder den Schwellenwert erreicht hat (Abb. 12.6).
Abatmung von CO2 durch die Lunge
Lunge:Säure-Basen-Störungen\bAtmung:CO2-AbatmungStörungen des Säure-Basen-Haushalts sind letztendlich nur zu beheben, wenn sowohl die renale Säure- und Bikarbonatausscheidung als auch der Bikarbonatverbrauch in der Leber angepasst werden. Für die akute Kompensation einer pH-Störung hingegen spielt die Atmung eine wesentliche Rolle.
Nichtrespiratorische AzidoseAzidose:metabolischeBei einer nichtrespiratorischen Azidose werden die Chemorezeptoren in der Medulla oblongata durch die erhöhte extrazelluläre H+-Ionen-Konzentration erregt (Kap. 10.6). Sie lösen eine rhythmische, sehr tiefe und geräuschvolle Atmung aus, die als große Atmung, Azidosenatmung oder Kußmaul-Kußmaul-Atmung:Säure-Basen-StörungAtmung bezeichnet wird (s.a. Abb. 10.27). Durch die vermehrte Abatmung von CO2 verringert sich der alveoläre Kohlendioxidpartialdruck:alveolärer, metabolische AzidosePCO2 und damit auch der arterielle PCO2. Es wird wieder ein normaler pH-Wert angestrebt. Wenngleich dadurch ein „normales“ Verhältnis von HCO3– zu CO2 von 20 : 1 zustande kommen kann, ist diese sog. respiratorische Kompensation doch bei weiter abnehmendem Bikarbonatbestand begrenzt. Zur weiteren Kompensation muss Bikarbonat erzeugt werden.
Nichtrespiratorische AlkaloseAlkalose:metabolischeBei der nichtrespiratorischen Alkalose wäre im Prinzip auch eine respiratorische Kompensation möglich. Die dazu notwendige Hypoventilation würde aber zum einen die O2-Versorgung gefährden, zum anderen aber zuweilen auch auf praktische Schwierigkeiten stoßen. Wenn z.B. häufiges Erbrechen die Ursache einer solchen Alkalose ist, kann darauf nicht mit Luftanhalten reagiert werden. Auch hier können nur die Niere und die Leber kompensieren.
Gesamtpufferbasen
Säure-Basen-Haushalt:GesamtpufferbasenGesamtpufferbasenGegenüber dem Bikarbonatpuffersystem gehören die anorganischen Phosphate und die Proteine zu den NBP im Blut. Alle haben sie die Eigenschaft, als Anionen schwacher Säuren H+ binden zu können. Bikarbonat:GesamtpufferbasenBikarbonat und NBP werden als Gesamtpufferbasen oder kurz Pufferbasen (BB, „buffer base“) zusammengefasst. Die Phosphatpuffer spielen quantitativ im Plasma und in der interstitiellen Flüssigkeit nur eine geringe Rolle. Zu dem Verhältnis von Proteinat- und Bikarbonatpuffern im arteriellen Blut tragen das Plasma infolge seiner niedrigeren Proteinkonzentration und die Erythrozyten infolge ihrer hohen Hb-Konzentration sowie des begrenzten Lösungsraums für Bikarbonat in unterschiedlicher Weise bei (Abb. 12.8). Auch wenn sich der PCO2 ändert, verschiebt sich das Verhältnis zwischen Bikarbonat- und Nicht-Bikarbonat-Puffern. Steigt z.B. der PCO2, dann ist in dem Maße, in dem Bikarbonat entsteht, die Pufferkapazität des Proteins reduziert. Die Gesamtpufferbase bleibt aber konstant (Abb. 12.9). Da sie unabhängig von Änderungen des PCO2 ist, eignet sie sich als Bezugssystem für nichtrespiratorische Störungen des Säure-Basen-Haushalts.

MERKE

Die Gesamtpufferbase ist unabhängig von Änderungen des PCO2. Im Normalfall liegt die Konzentration der Pufferbasen im arteriellen Blut bei 48 mmol/l.BasenüberschussBase Excess

Klinik

BasenüberschussEinen Mehrbetrag im Fall einer metabolischen Alkalose bezeichnet man als Basenüberschuss (BE = Base Excess). Man hat damit eine Maßzahl, die sich in der Klinik als praktisch erwiesen hat, um das Ausmaß der Störung zu quantifizieren (Tab. 12.2). Bei einer metabolischen Azidose misst man entsprechend das Basendefizit.

12.3.3

Analyse des Säure-Basen-Status

InSäure-Basen-Haushalt:Beurteilung\b der Henderson-Hasselbalch-Gleichung ist die Beziehung zwischen den 3 veränderlichen Größen pH, PCO2 und Bikarbonatkonzentration erfasst. Sind 2 Größen bekannt, ist die dritte leicht zu errechnen.
PCO2-pH-DiagrammFür die praktische Diagnostik des Säure-Basen-Status hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Henderson-Hasselbalch-Gleichung grafisch so darzustellen, dass pH und PCO2 als direkt messbare Größen die Koordinaten darstellen (Abb. 12.10). In der doppellogarithmischen Auftragung ergibt sich für jedes Verhältnis pH/log PCO2 eine Gerade mit einer Steigung von –1, entlang der die Bikarbonatkonzentration konstant ist. Aus den Schnittpunkten aller Bikarbonatgeraden mit einer zur x-Achse parallelen Geraden lässt sich eine Skala für die Bikarbonatkonzentration herstellen.
Siggaard-Andersen-NomogrammSiggaard-Andersen-NomogrammDiese Art der grafischen Darstellung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung Henderson-Hasselbalch-Gleichung:Siggaard-Andersen-Nomogrammist auch die Basis für das Siggaard-Andersen-Nomogramm (Abb. 12.11), in dem auch die NBP berücksichtigt werden: Dabei wird zunächst der pH-Wert der Blutprobe bestimmt. Anschließend wird die Blutprobe nach dem sog. Astrup-Verfahren mit 2 bekannten CO2-Konzentrationen Kohlendioxidkonzentration:Siggaard-Andersen-Nomogrammäquilibriert und der jeweilige pH-Wert gemessen. Aus diesen Messwerten ergeben sich 2 Eichpunkte im Siggaard-Andersen-Nomogramm, die mit einer Geraden verbunden werden (Abb. 12.11, schwarze Gerade), deren Steilheit (> 45°) ein Maß für die Konzentration der NBP darstellt (je mehr NBP, desto steiler). Die Kreuzung der Eichgeraden mit der Bikarbonatlinie bei 40 mmHg ergibt das Standardbikarbonat. Der Partialdruck PCO2 der Blutprobe ergibt sich als Funktionswert auf dieser Geraden zum gemessenen pH-Wert der Blutprobe (Abb. 12.11, grüner Punkt). Legt man durch diesen Punkt eine Gerade mit der Steigung –1 (Abb. 12.11, rote Gerade), deren Winkel zur Bikarbonatlinie –45° beträgt, entspricht deren Schnittpunkt mit der Bikarbonatlinie der aktuellen Bikarbonatkonzentration. Pufferbase und Base Excess (s.u.) sind direkt abzulesen.
Da sich der pH-Wert und der PCO2 einfach und verlässlich bestimmen lassen, kann man 2 der 3 voneinander abhängigen Parameter der Henderson-Hasselbalch-Gleichung (6) direkt messen und die Bikarbonatkonzentration leicht errechnen.
PufferbasenBei der Pufferbase (BB) sind sowohl Bikarbonatpuffer als auch NBP enthalten (Abb. 12.9). Neben der grafischen Bestimmung im Siggaard-Andersen-Nomogramm kann sie auch durch Addition von Standardbikarbonat- und Hämoglobinkonzentration des Blutes grob bestimmt werden. Die Pufferbasen sind vom PCO2 unabhängig. Sie sind bei nichtrespiratorischer Azidose erniedrigt, bei Alkalose erhöht.
Titriert man bei einer solchen nichtrespiratorischen Störung die aktuelle Pufferbase mit einer starken Säure bzw. Base auf den Normal-pH von 7,4, bei dem normalerweise die Pufferbase 48 mmol/l betragen sollte, dann ergibt die Differenz den sog. Base Excess (BE). Als Basenüberschuss hat dieser einen positiven Wert bei nichtrespiratorischer Alkalose und einen negativen Wert als Basendefizit bei nichtrespiratorischer Azidose.

MERKE

Basenüberschuss = positiver Base Excess bei nichtrespiratorischer Alkalose, negatives Basendefizit bei nichtrespiratorischer Azidose.

Klinik

Diagnostik des Säure-Basen-StatusBei der Diagnostik des Säure-Basen-Status ist darauf zu achten, dass das gewonnene Blut entweder rasch analysiert oder so verschlossen wird, dass das CO2 nicht aus der Probe entweichen kann. Entweicht das CO2 durch Diffusion, wird eine „respiratorische Alkalose“ vorgetäuscht, die jedoch erst in vitro entstanden ist.

12.4

Ausblick

Die vielseitigen renalen und hepatischen Kompensationsmechanismen von Azidosen bzw. Alkalosen beruhen auf einem komplexen Zusammenspiel von zellulären Antworten, die durch pH-Veränderungen ausgelöst werden. Im Gegensatz zu anderen Ionen oder organischen Molekülen, für die das zelluläre Messprinzip bekannt ist (z.B. Ca2+-Rezeptor, Glukosemessung in pankreatischen β-Zellen), ist noch weitgehend unbekannt, auf welche Art und Weise der pH-Wert von Körperzellen gemessen wird und welche daran gekoppelten Signalkaskaden aktiviert werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Regulierung des pH-Werts

Der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeit wird in einem engen Bereich zwischen 7,35 und 7,45 konstant gehalten. Im Bikarbonat-Puffer-System sind CO2 und HCO3– getrennt kontrollierbare Komponenten eines offenen Systems (CO2 + H2O ↔ HCO3– + H+), wobei CO2 über die Lunge (Atmung) und HCO3– über die Niere (Urin) reguliert werden können. Damit kann der pH-Wert präzise eingestellt werden, obwohl der pK-Wert dieser Reaktion (pK = 6,1) relativ weit vom pH-Wert (pH = 7,4) entfernt ist. Dabei gilt nach der Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
Die physikalisch gelöste CO2-Konzentration [CO2] ist das Produkt aus CO2-Löslichkeitskoeffizient [α] und CO2-Partialdruck [PCO2], sodass folgende numerische Werte in die Gleichung eingesetzt werden können:
In diesem System wird normalerweise der PCO2 durch die Kontrolle der alveolären Ventilation konstant bei 40 mmHg gehalten (CO2-Antwortkurve der zentralen Chemorezeptoren, Kap. 10.4.1). Die physiologische Bikarbonatkonzentration ist mit 24 mmol/l ca. um das 800-Fache höher, als es der Dissoziation vom CO2 bei 40 mmHg Druck in reinem Wasser entspricht. Für diese HCO3–-Akkumulation ist hauptsächlich die Niere verantwortlich.

Nicht-Bikarbonat-Puffer

Im Blut, nicht jedoch in reinem H2O, ist die HCO3–-Konzentration stark vom PCO2 abhängig. Diese Eigenschaft verdankt das Blut den sog. Nicht-Bikarbonat-Puffern (NBP), indem diese bei einem PCO2-Anstieg anfallende Protonen binden und somit die Dissoziation von CO2 in H+ und HCO3– aufrechterhalten. Erythrozyten nehmen in der HCO3–-Produktion eine zentrale Rolle ein, indem sie sowohl den wichtigen NBP Hämoglobin als auch das Enzym Carboanhydrase enthalten (CO2-Transport, Kap. 10.5.2). Die aktuelle HCO3–-Konzentration ist also sowohl von metabolischen (z.B. Nierenfunktion) als auch von respiratorischen Einflüssen abhängig. Um jene HCO3–-Konzentration anzuzeigen, die ausschließlich von metabolischen Faktoren bestimmt wird, gibt man die sog. Standardbikarbonatkonzentration an. Sie kann entweder indirekt bestimmt werden (Siggaard-Andersen-Nomogramm) oder durch Begasung der Blutprobe mit einem Gasgemisch, das 40 mmHg CO2 enthält.

Respiratorische Störungen

Abweichungen des pH vom Normalwert nach unten oder oben werden als Azidosen bzw. Alkalosen bezeichnet. Bei einer respiratorischen Störung ist primär der PCO2 erhöht (Hyperkapnie) oder erniedrigt (Hypokapnie), meist infolge einer veränderten alveolären Ventilation. Eine Hyperkapnie (z.B. bei herabgesetztem Atemantrieb, Lähmungen der Atemmuskulatur) hat eine respiratorische Azidose zur Folge, bei der die HCO3–-Konzentration erhöht, das Standardbikarbonat normal ist. Eine respiratorische Azidose kann dadurch kompensiert werden, dass die Niere vermehrt saure Valenzen eliminiert. Dabei werden HCO3–-Konzentration und die Standardbikarbonatkonzentration weiter angehoben. Da die Niere bereits unter normalen Bedingungen 60–100 mmol saure Valenzen pro Tag aus dem Proteinstoffwechsel eliminieren muss, ist die Pufferkapazität der über den Urin ausgeschiedenen NBP (hauptsächlich HPO42–/H2PO4–, „titrierbare Säure“) begrenzt nutzbar. Es wird deshalb der Ammoniakmechanismus angekurbelt, da damit die Säureelimination auf das 10-Fache gesteigert werden kann. Dieser beruht darauf, dass bei Azidosen das Ammoniak aus dem Aminosäureabbau in der Leber vermindert in Harnstoff umgewandelt wird (diese Reaktion würde HCO3– verbrauchen). Stattdessen wird es vermehrt an Glutamat gekoppelt, wodurch Glutamin entsteht. Gleichzeitig wird durch die Azidose in den proximalen Tubuluszellen die Glutaminase aktiviert, sodass in Kombination mit dem Enzym Glutamatdehydrogenase aus dem von der Leber kommenden Glutamin das 2-Oxoglutarat2– entsteht. Dieses wird unter Verbrauch von 2 H+-Ionen (aus der CO2-Dissoziation) zu Glukose umgebaut (Glukoneogenese), was einem Nettogewinn von 2 HCO3–-Ionen entspricht. Ammoniak aus dem Glutaminabbau diffundiert ins Tubuluslumen und wird durch den sauren pH in Ammonium-Ionen (NH4+) umgewandelt, welche in dieser Form nicht mehr ins Blut zurückdiffundieren können („trapping“). Auch dadurch werden H+-Ionen vermehrt eliminiert.
Respiratorische Alkalosen treten bei einer Hyperventilation (z.B. O2-Mangelatmung in der Höhe, Kap. 10.6.2). Dabei ist die aktuelle HCO3–-Konzentration erniedrigt. Auch sie können renal kompensiert werden, indem vermehrt HCO3– ausgeschieden wird. HCO3– ist eine Schwellensubstanz und wird bei normalem PCO2 dann ausgeschieden, wenn die HCO3–-Konzentrationsdifferenz zwischen Blut und endproximaler Tubulusflüssigkeit ca. 20 mmol/l übersteigt. Ist jedoch, wie bei der respiratorischen Alkalose, der PCO2 erniedrigt, stehen weniger intrazelluläre H+-Ionen zur Verfügung, die durch den Na+/H+-Austauscher sezerniert werden könnten. Damit kann weniger HCO3– im Lumen des proximalen Tubulus zu CO2 umgewandelt und per diffusionem rückresorbiert werden, die HCO3–-Schwelle sinkt. Es wird also trotz der verminderten HCO3–-Konzentration vermehrt HCO3– ausgeschieden.

Metabolische Störungen

Gleiche Mechanismen können auch zur Kompensation von nichtrespiratorischen (= metabolischen) Störungen herangezogen werden. So wird bei einer metabolischen Alkalose (z.B. nach andauerndem Erbrechen) vermehrt HCO3– aufgrund der begrenzten Kapazität des Na+/H+-Austauschers ausgeschieden. Bei metabolischer Azidose (z.B. Diabetes mellitus, Ketoazidose) werden – ebenso wie bei der respiratorischen Azidose – vermehrt saure Valenzen ausgeschieden. Zusätzlich besteht bei metabolischen Störungen die Möglichkeit der respiratorischen Kompensation aufgrund der H+-Antwort-Kurve der Atmung durch zentrale pH-Chemorezeptoren (Kap. 10.6.1). Die bei starker metabolischer Azidose auftretende Hyperventilation wird als Kußmaul-Atmung bezeichnet. Naturgemäß ist die Kompensationsmöglichkeit von metabolischen Alkalosen durch Hypoventilation aufgrund der entstehenden Hypoxämie limitiert.

Analyse des Säure-Basen-Status

In der Analyse des Säure-Basen-Status gibt es mehrere grafische Verfahren, wobei beim Siggaard-Andersen-Nomogramm die Darstellung des pH-PCO2-Verhältnisses bei jeder beliebigen HCO3–-Konzentration eine Gerade mit –45° Steigung ergibt. Neben den bereits genannten Parametern sind hier auch die Pufferbase (BB, entspricht grob der Summe aus Standardbikarbonat- und Hämoglobinkonzentration) sowie der Base Excess (BE, entspricht der Menge an starker Säure/Base, die titriert werden muss, um pH 7,4 zu erreichen) ablesbar. BB sind deshalb nicht ausschließlich bei Störungen des Säure-Basen-Haushalts verändert, sondern können z.B. auch bei normalem Säure-Basen-Status bei Anämie vermindert bzw. bei Polyglobulie erhöht sein. Ein negativer Base Excess weist auf eine nichtrespiratorische Azidose hin, ein positiver auf eine nichtrespiratorische Alkalose.

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