Die Säure-Basen-Homöostase ist die homöostatische Regulation des pH-Werts der extrazellulären Flüssigkeit (EZF) des Körpers . [ 1 ] Das richtige Gleichgewicht zwischen Säuren und Basen (d. h. der pH-Wert) in der EZF ist entscheidend für die normale Physiologie des Körpers und für den Zellstoffwechsel . [ 1 ] Der pH-Wert der intrazellulären und der extrazellulären Flüssigkeit muss konstant gehalten werden. [ 2 ]

Die dreidimensionalen Strukturen vieler extrazellulärer Proteine, wie beispielsweise der Plasmaproteine ​​und Membranproteine ​​der Körperzellen , reagieren sehr empfindlich auf den extrazellulären pH-Wert. [ 3 ] [ 4 ] Daher existieren strenge Mechanismen, die den pH-Wert in sehr engen Grenzen halten. Außerhalb des zulässigen pH-Bereichs denaturieren die Proteine ​​(d. h. ihre dreidimensionale Struktur wird zerstört), was unter anderem zu Funktionsstörungen von Enzymen und Ionenkanälen führt .

Ein Säure-Basen-Ungleichgewicht wird als Azidämie bezeichnet, wenn der pH-Wert sauer ist, und als Alkalämie, wenn der pH-Wert alkalisch ist.

Verteidigungslinien

Bei Menschen und vielen anderen Tieren wird die Säure-Basen-Homöostase durch mehrere Mechanismen aufrechterhalten, die in drei Verteidigungslinien involviert sind: [ 5 ] [ 6 ]

  1. Chemisch: Die erste Verteidigungslinie greift unmittelbar und besteht aus verschiedenen chemischen Puffern , die pH-Wert-Änderungen minimieren, die andernfalls auftreten würden. Zu diesen Puffern gehören das Bicarbonat-Puffersystem , das Phosphat-Puffersystem und das Protein-Puffersystem . [ 7 ]
  2. Respiratorische Komponente: Die zweite Verteidigungslinie besteht in der schnellen Regulierung der Kohlensäurekonzentration (H₂CO₃ ) im Extrazellulärraum durch Anpassung von Atemfrequenz und -tiefe mittels Hyperventilation oder Hypoventilation . Dadurch wird Kohlendioxid (und somit Kohlensäure) je nach Bedarf aus dem Blutplasma abgegeben oder dort zurückgehalten . [ 5 ] [ 8 ]
  3. Metabolische Komponente: Die dritte Verteidigungslinie ist langsam, am besten über den Basenüberschuss messbar [ 9 ] und hängt hauptsächlich vom renalen System ab, das Bicarbonat- Ionen ( HCO₃⁻) hinzufügen oder ausscheiden kann .− 3Bicarbonat-Ionen gelangen in den extrazellulären Raum (EZR) oder aus diesem heraus. [ 5 ] Sie stammen aus dem Stoffwechselkohlendioxid, das in den Nierentubuluszellen enzymatisch in Kohlensäure umgewandelt wird . [ 5 ] [ 10 ] [ 11 ] Dort dissoziiert die Kohlensäure spontan in Wasserstoff- und Bicarbonat-Ionen. [ 5 ] Sinkt der pH-Wert im EZR, werden Wasserstoff-Ionen über den Urin ausgeschieden, während Bicarbonat-Ionen ins Blutplasma abgegeben werden, wodurch der pH-Wert des Plasmas ansteigt. [ 12 ] Umgekehrt verhält es sich, wenn der pH-Wert im EZR ansteigt: Dann werden Bicarbonat-Ionen über den Urin und Wasserstoff-Ionen ins Blutplasma abgegeben.

Die zweite und dritte Verteidigungslinie wirken durch Veränderungen der Puffer, die jeweils aus zwei Komponenten bestehen: einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base . [ 5 ] [ 13 ] Das Konzentrationsverhältnis der schwachen Säure zu ihrer konjugierten Base bestimmt den pH-Wert der Lösung. [ 14 ] Durch die gezielte Einstellung der Konzentration der schwachen Säure und anschließend der ihrer konjugierten Base lässt sich der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeit (EZF) sehr genau auf den gewünschten Wert einstellen. Der Bicarbonatpuffer besteht aus einer Mischung aus Kohlensäure (H₂CO₃ ) und Bicarbonat ( HCO₃⁻ ) .− 3) Salz in Lösung ist der am häufigsten vorkommende Puffer in der extrazellulären Flüssigkeit und ist auch der Puffer, dessen Säure-Base-Verhältnis sehr leicht und schnell verändert werden kann. [ 15 ]

Säure-Basen-Gleichgewicht

Der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeit, einschließlich des Blutplasmas , wird normalerweise durch chemische Puffer , das Atmungssystem und das Nierensystem streng zwischen 7,32 und 7,42 reguliert . [ 13 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 1 ] Der normale pH-Wert beim Fötus unterscheidet sich von dem beim Erwachsenen. Beim Fötus liegt der pH-Wert in der Nabelvene normalerweise zwischen 7,25 und 7,45 und in der Nabelarterie zwischen 7,18 und 7,38. [ 19 ]

Wässrige Pufferlösungen reagieren mit starken Säuren oder starken Basen durch Absorption von überschüssigem H+.+Ionen oder OH−Ionen ersetzen starke Säuren und Basen durch schwache Säuren und Basen . [ 13 ] Dadurch wird die Wirkung von pH-Wert-Änderungen gedämpft bzw. die pH-Wert-Änderung, die andernfalls aufgetreten wäre, reduziert. Puffer können jedoch abnormale pH-Werte in einer Lösung nicht korrigieren, sei es in einem Reagenzglas oder in der extrazellulären Flüssigkeit. Puffer bestehen typischerweise aus zwei gelösten Verbindungen, von denen eine eine schwache Säure und die andere eine schwache Base ist. [ 13 ] Der am häufigsten vorkommende Puffer in der extrazellulären Flüssigkeit besteht aus einer Lösung von Kohlensäure (H₂CO₃ ) und Bicarbonat ( HCO₃⁻ ) .− 3) Salz, üblicherweise Natrium (Na + ). [ 5 ] Wenn also ein Überschuss an OH vorliegt−Die Kohlensäure neutralisiert die Ionen in der Lösung teilweise durch Bildung von H₂O und Bicarbonat ( HCO₃⁻).− 3) Ionen. [ 5 ] [ 15 ] Ebenso wird ein Überschuss an H + -Ionen teilweise durch die Bicarbonatkomponente der Pufferlösung neutralisiert, wobei Kohlensäure (H 2 CO 3 ) entsteht, die aufgrund ihrer schwachen Säurestärke größtenteils in undissoziierter Form vorliegt und somit weitaus weniger H + -Ionen in die Lösung freisetzt, als es die ursprüngliche starke Säure getan hätte. [ 5 ]

Der pH-Wert einer Pufferlösung hängt ausschließlich vom Verhältnis der molaren Konzentrationen der schwachen Säure zur schwachen Base ab. Je höher die Konzentration der schwachen Säure in der Lösung (im Vergleich zur schwachen Base) ist, desto niedriger ist der resultierende pH-Wert. Überwiegt hingegen die schwache Base, ist der resultierende pH-Wert höher.

Dieses Prinzip wird genutzt, um den pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeiten zu regulieren (und nicht nur den pH-Wert zu puffern ). Beim Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer ergibt ein molares Verhältnis von schwacher Säure zu schwacher Base von 1:20 einen pH-Wert von 7,4; und umgekehrt – wenn der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeiten 7,4 beträgt, dann ist das Verhältnis von Kohlensäure- zu Bicarbonat-Ionen in dieser Flüssigkeit 1:20. [ 14 ]

Henderson-Hasselbalch-Gleichung

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung besagt , wenn sie auf das Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem in den extrazellulären Flüssigkeiten angewendet wird: [ 14 ]

Wo:

  • Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus (oder Kologithmus ) der molaren Konzentration von Wasserstoffionen in der extrazellulären Flüssigkeit.
  • Der pK <sub> a</sub>-Wert von H<sub> 2 </sub> CO <sub>3</sub> ist der Kologarithmus der Säuredissoziationskonstante der Kohlensäure . Er beträgt 6,1.
  • [HCO− 3] ist die molare Konzentration von Bicarbonat im Blutplasma.
  • [H 2 CO 3 ] ist die molare Konzentration der Kohlensäure in der extrazellulären Flüssigkeit.

Da die Kohlensäurekonzentration jedoch direkt proportional zum Partialdruck des Kohlendioxids ( ) in der extrazellulären Flüssigkeit ist, kann die Gleichung wie folgt umgeschrieben werden : [ 5 ] [ 14 ]

Wo:

  • Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der molaren Konzentration von Wasserstoffionen in der extrazellulären Flüssigkeit.
  • [HCO− 3] ist die molare Konzentration von Bicarbonat im Plasma.
  • P CO 2 ist der Partialdruck von Kohlendioxid im Blutplasma.

Der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeiten kann somit durch die Regulierung von und den anderen Stoffwechselsäuren kontrolliert werden.

Homöostatische Mechanismen

Die Homöostase kann den CO₂- Partialdruck (PCO₂ ) und damit den pH-Wert des arteriellen Plasmas innerhalb weniger Sekunden verändern. [ 5 ] Der Kohlendioxidpartialdruck im arteriellen Blut wird von den zentralen Chemorezeptoren der Medulla oblongata überwacht . [ 5 ] [ 20 ] Diese Chemorezeptoren reagieren auf die Kohlendioxidkonzentration und den pH-Wert der Zerebrospinalflüssigkeit . [ 14 ] [ 12 ] [ 20 ]

Die zentralen Chemorezeptoren senden ihre Informationen an die Atemzentren in der Medulla oblongata und der Pons des Hirnstamms . [ 12 ] Die Atemzentren bestimmen dann die durchschnittliche Ventilationsrate der Lungenalveolen , um den CO₂-Partialdruck (PCO₂) im arteriellen Blut konstant zu halten . Dies geschieht über Motoneuronen , die die Atemmuskulatur (insbesondere das Zwerchfell ) aktivieren . [ 5 ] [ 21 ] Ein Anstieg des CO₂ - Partialdrucks im arteriellen Blutplasma über 5,3 kPa (40 mmHg) führt reflexartig zu einer Steigerung von Atemfrequenz und -tiefe . Die normale Atmung setzt wieder ein, sobald der CO₂-Partialdruck wieder 5,3 kPa erreicht hat. [ 8 ] Umgekehrt verhält es sich, wenn der CO₂-Partialdruck unter den Normalbereich fällt. Die Atmung kann vorübergehend aussetzen oder sich verlangsamen, damit sich CO₂ wieder in Lunge und arteriellem Blut anreichern kann.

Der Sensor für das Plasma-HCO− 3Die genaue Konzentration ist nicht bekannt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Nierentubuluszellen der distalen Tubuli selbst pH-empfindlich auf den Plasma-pH-Wert reagieren. Der Stoffwechsel dieser Zellen produziert CO₂ , das rasch in H⁺ und HCO₃⁻ umgewandelt wird .− 3durch die Wirkung der Carboanhydrase . [ 5 ] [ 10 ] [ 11 ] Wenn die extrazellulären Flüssigkeiten in Richtung Säure tendieren, sezernieren die Nierentubuluszellen die H + -Ionen in die Tubulusflüssigkeit, von wo aus sie über den Urin den Körper verlassen. Das HCO3-− 3Gleichzeitig werden Bicarbonat-Ionen ins Blutplasma sezerniert, wodurch die Bicarbonat-Ionenkonzentration im Plasma ansteigt, das Verhältnis von Kohlensäure zu Bicarbonat-Ionen sinkt und folglich der pH-Wert des Plasmas steigt. [ 5 ] [ 12 ] Umgekehrt verhält es sich, wenn der pH-Wert des Plasmas über den Normalwert steigt: Bicarbonat-Ionen werden über den Urin ausgeschieden und Wasserstoff-Ionen gelangen ins Plasma. Diese verbinden sich mit den Bicarbonat-Ionen im Plasma zu Kohlensäure (H⁺ + HCO₃⁻).− 3H₂CO₃ ) , wodurch das Verhältnis von Kohlensäure zu Bicarbonat in den extrazellulären Flüssigkeiten erhöht und der pH-Wert wieder auf Normalwerte gebracht wird . [ 5 ]

Im Allgemeinen produziert der Stoffwechsel mehr saure als basische Stoffwechselprodukte. [ 5 ] Der ausgeschiedene Urin ist in der Regel sauer und wird teilweise durch Ammoniak (NH₃) neutralisiert, das bei der Desaminierung von Glutamat und Glutamin (Träger überschüssiger, nicht mehr benötigter Aminogruppen) durch die distalen Nierentubulus- Epithelzellen in den Urin gelangt. [ 5 ] [ 11 ] Ein Teil des Säuregehalts des Urins befindet sich somit im resultierenden Ammoniumionengehalt (NH₄⁺ ) , was jedoch keinen Einfluss auf die pH-Homöostase der extrazellulären Flüssigkeiten hat. [ 5 ] [ 22 ]

Ungleichgewicht

Ein Säure-Basen-Diagramm für menschliches Plasma, das die Auswirkungen auf den Plasma-pH-Wert zeigt, wenn P CO 2 in mmHg oder Standard-Basenüberschuss (SBE) im Plasma im Überschuss oder Mangel vorliegen [ 23 ].

Eine Störung des Säure-Basen-Gleichgewichts entsteht, wenn eine erhebliche Belastung den pH-Wert des Blutes aus dem Normbereich (7,32 bis 7,42 [ 16 ] ) verschiebt . Ein abnorm niedriger pH-Wert in der extrazellulären Flüssigkeit wird als Azidose , ein abnorm hoher pH-Wert als Alkalämie bezeichnet .

Azidämie und Alkalämie bezeichnen eindeutig die tatsächliche Veränderung des pH-Werts der extrazellulären Flüssigkeit (EZF). [ 24 ] Zwei ähnlich klingende Begriffe sind Azidose und Alkalose . Sie beschreiben die übliche Wirkung einer respiratorischen oder metabolischen Komponente. Eine Azidose würde von sich aus eine Azidämie verursachen (d. h., wenn sie nicht durch eine Alkalose kompensiert wird). [ 24 ] Ebenso würde eine Alkalose von sich aus eine Alkalämie verursachen . [ 24 ] In der medizinischen Terminologie sollten die Begriffe Azidose und Alkalose stets durch ein Adjektiv ergänzt werden, das die Ätiologie der Störung angibt: respiratorisch (bezogen auf eine Veränderung des Kohlendioxidpartialdrucks) [ 25 ] oder metabolisch (bezogen auf eine Veränderung des Basenüberschusses der EZF). [ 9 ] Es gibt daher vier verschiedene Säure-Basen-Störungen: metabolische Azidose , respiratorische Azidose , metabolische Alkalose und respiratorische Alkalose . [ 5 ] Eine oder mehrere dieser Erkrankungen können gleichzeitig auftreten. Beispielsweise wird eine metabolische Azidose (wie bei unkontrolliertem Diabetes mellitus ) fast immer teilweise durch eine respiratorische Alkalose (Hyperventilation) kompensiert. Ebenso kann eine respiratorische Azidose vollständig oder teilweise durch eine metabolische Alkalose korrigiert werden .

Referenzen

  1. Hamm LL, Nakhoul N, Hering - Smith KS (Dezember 2015). „Säure-Basen - Homöostase“ . Clinical Journal of the American Society of Nephrology . 10 ( 12): 2232–2242 . doi : 10.2215/CJN.07400715 . PMC 4670772. PMID 26597304 .  
  2. ^ Tortora GJ, Derrickson B (2012). Principles of anatomy & physiology . Derrickson, Bryan. (13. Aufl.). Hoboken, NJ: Wiley. S.  42–43 . ISBN 9780470646083OCLC  698163931 .​
  3. ^ Macefield G, Burke D (Februar 1991). „Parästhesien und Tetanie durch willkürliche Hyperventilation. Erhöhte Erregbarkeit menschlicher kutaner und motorischer Axone“ . Brain . 114 (Pt 1B) (1): 527–540 . doi : 10.1093/brain/114.1.527 . PMID 2004255 . 
  4. ^ Stryer L (1995). Biochemie (4. Aufl.). New York: WH Freeman and Company. S. 347, 348. ISBN 0-7167-2009-4Die
  5. Silverthorn DU ( 2016 ) . Humanphysiologie . Ein integrierter Ansatz ( 7. , globale Ausgabe )  . Harlow , England : Pearson . S. 607–608 , 666–673 . ISBN 978-1-292-09493-9Die
  6. ^ Adrogué HE, Adrogué HJ (April 2001). "Säure-Basen-Physiologie". Respiratory Care . 46 (4): 328– 341. PMID 11345941 . 
  7. ^ „184 26.4 Säure-Basen-Haushalt | Anatomie und Physiologie | OpenStax“ . openstax.org . Archiviert vom Original am 17.09.2020 . Abgerufen am 01.07.2020 .
  8. ^ a b MedlinePlus Enzyklopädie : Metabolische Azidose
  9. ^ a b Grogono A. „Terminologie“ . Säure-Base-Tutorial . Grog LLC . Abgerufen am 9. April 2021 .
  10. ^ a b Tortora GJ, Derrickson BH (1987). Principles of anatomy and physiology (Fifth ed.). New York: Harper & Row, Publishers. pp.  581 –582, 675– 676. ISBN 0-06-350729-3Die
  11. ^ a b c Stryer L (1995). Biochemie (4. Aufl.). New York: WH Freeman and Company. S. 39, 164, 630–631 , 716–717 . ISBN 0-7167-2009-4Die
  12. ^ a b c d Tortora GJ, Derrickson BH (1987). Principles of anatomy and physiology (Fifth ed.). New York: Harper & Row, Publishers. pp.  494 , 556– 582. ISBN 0-06-350729-3Die
  13. ^ a b c d Tortora GJ, Derrickson BH (1987). Principles of anatomy and physiology (Fifth ed.). New York: Harper & Row, Publishers. pp.  698–700 . ISBN 0-06-350729-3Die
  14. ^ a b c d e Bray JJ (1999). Lecture notes on human physiology . Malden, Mass.: Blackwell Science. p. 556. ISBN 978-0-86542-775-4Die
  15. ^ a b Garrett RH, Grisham CM (2010). Biochemie . Cengage Learning. S. 43. ISBN 978-0-495-10935-8Die
  16. ^ a b Diem K, Lentner C (1970). „Blood – Inorganic substances“. in: Scientific Tables (Seventh ed.). Basel, Schweiz: CIBA-GEIGY Ltd. S. 527.
  17. ^ MedlinePlus Enzyklopädie : Blutgase
  18. ^ Caroline N (2013). Nancy Carolines Notfallversorgung auf der Straße (7. Aufl.). Buffer Systems: Jones & Bartlett Learning. S.  347–349 . ISBN 978-1449645861Die
  19. ^ Yeomans ER, Hauth JC, Gilstrap LC, Strickland DM (März 1985). „Nabelschnur-pH-Wert, PCO2 und Bicarbonat nach unkomplizierten vaginalen Geburten zum Termin“. American Journal of Obstetrics and Gynecology . 151 (6): 798–800 . doi : 10.1016/0002-9378(85)90523-x . PMID 3919587 . 
  20. ^ a b Tortora GJ, Derrickson BH (2010). Principles of anatomy and physiology . Derrickson, Bryan. (12. Aufl.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. S. 907. ISBN 9780470233474OCLC  192027371 .​
  21. ^ Levitzky MG (2013). Lungenphysiologie (8. Aufl.). New York: McGraw-Hill Medical. S. Kapitel 9. Atemregulation. ISBN 978-0-07-179313-1Die
  22. Rose B, Rennke H (1994). Pathophysiologie der Niere . Baltimore: Williams & Wilkins. ISBN 0-683-07354-0Die
  23. ^ Grogono AW (April 2019). „Säure-Basen-Berichte benötigen eine textliche Erklärung“ . Anesthesiology . 130 (4): 668–669 . doi : 10.1097/ALN.0000000000002628 . PMID 30870214 . 
  24. ^ a b c Anderson DM (2003). Dorlands illustriertes medizinisches Wörterbuch (30. Aufl.). Philadelphia: Saunders. S. 17, 49. ISBN 0-7216-0146-4Die
  25. ^ Brandis K. „Säure-Basen-Physiologie“ . Respiratorische Azidose: Definition.