Regulation des Säure-Basen-Haushaltes

Die Lungen regulieren den Säure-Base-Haushalt über die Abatmung von CO₂. Wie bereits zuvor dargestellt, führt CO₂ zur Produktion von Säuren, der Gegenspieler ist HCO₃^-.

Gründe für eine Erhöhung von CO₂

CO₂ entsteht physiologisch im Stoffwechsel bei der Oxidation der C-Atome von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen. Es entsteht somit als Abbauprodukt im Rahmen der Energiegewinnung.

Eine Erhöhung des CO₂-Wertes im Blut bezeichnet man als Hyperkapnie.

Bei einer Hypoventilation steigt der CO₂-Gehalt in den Alveolen an und das Gleichgewicht verlagert sich auf die Seite der Kohlensäure (H₂CO₃). Es werden mehr Protonen frei und der pH im Blut sinkt. Bei einer metabolischen Alkalose kann das CO₂ kompensatorisch erhöht sein.

CO₂-Abatmung

Fällt vermehrt CO₂ an, z.B. im Rahmen von Sport, so kommt es zu einem Abfall des pH-Wertes. Über verschiedene Mechanismen wird die Atemfrequenz gesteigert, sodass das überschüssige CO₂ abgeatmet wird. Die Atemfrequenz wird über folgende Mechanismen gesteigert:

• pCO₂-Anstieg im Blut
• pH-Abfall im Blut
• Mechanorezeptoren in den Muskeln

Die Nieren regulieren den pH-Wert über eine Sekretion von Wasserstoffionen (H⁺) und eine Resorption und Synthese von Bicarbonat (HCO₃^-).

Die Wasserstoffionen (H⁺) werden in Form von Ammonium (NH₄⁺) und Hydrogenphosphat  (HPO₄²⁻) ausgeschieden.

Ausscheidung von Säuren

Über die Nieren können Wasserstoffionen (H⁺) ausgeschieden werden. Hierdurch verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Basen.

Im proximalen Tubulus können die H⁺-Ionen über einen Na⁺/H⁺-Antiporter und in den Schaltzellen über eine H⁺-ATPase sowie eine H⁺/K⁺-ATPase ausgeschieden werden.

Bei einer Azidose wird in der Niere vermehrt Ammoniak (NH₃ ) produziert und in den Harn abgegeben. Weiterhin wird die Phosphat- (PO₄³⁻-) Resorption vermindert. Es verbleiben also im Harn vermehrt NH₃ und PO₄³⁻. Diese binden H⁺-Ionen und werden zu Ammonium (NH₄⁺ ) und Hydrogenphosphat (HPO₄²⁻). Hierdurch wird der Harn gepuffert (siehe Ammonium-Puffersystem und Phosphat-Puffersystem).

Produktion und Resorption von Basen

Über die  Nieren kann Bicarbonat (HCO₃^-) neu synthetisiert und ausgeschieden, aber auch resorbiert werden.

Synthese: In den Nieren wird Glutamin zu a-Ketoglutarat abgebaut, es entstehen zwei Moleküle Ammoniak und indirekt zwei Moleküle Bicarbonat (HCO₃^-). Hierzu folgen auf der nächsten Seite mehr Informationen.

Bei einer Azidose wird die Aktivität der Glutaminase in der Niere gesteigert und so die Bicarbonat Konzentration erhöht.

Bei einer Alkalose wird die Aktivität vermindert.

Reabsorption: Im proximalen Tubulus kann Bicarbonat aus dem Harn resorbiert werden. Da HCO3^- selbst nicht durch die Membran diffundieren kann, wird es zunächst in Reaktion mit H⁺ zu CO₂ und H₂O umgewandelt. Diese Reaktion wird durch ein Enzym, die Carboanhydrase katalysiert. CO₂ und H₂O diffundieren durch die Membran und werden durch die Carboanhydrase wieder zu Bicarbonat und H⁺ umgewandelt. Das Bicarbonat kann nun ins Blut abgegeben werden.

Bei einer respiratorischen Azidose liegt vermehrt CO₂ im Harn vor, Bicarbonat wird daher nahezu 100% ins Blut resorbiert.

Bei einer Alkalose sinkt die Bicarbonatresorption. Hingegen steigt die Ausscheidung in den Harn über den Cl^-/HCO₃^- Antiporter.

Auch die Leber hat einen Einfluss auf den pH-Wert. Hierbei spielt der Ammoniak (NH₃ ) die entscheidende Rolle. Physiologisch wird ein Großteil des Ammoniaks über den Harnstoffzyklus und ein kleiner Teil über die Glutaminsynthese verstoffwechselt.

Harnstoffzyklus

Im Harnstoffzyklus werden aus 2 Molekülen NH₃ und einem Molekül HCO₃^- Harnstoff hergestellt. Der Harnstoff wird über die Nieren ausgeschieden. Durch die Ausscheidung von Harnstoff wird somit auch indirekt Bicarbonat ausgeschieden. Dies beeinflusst wiederum den Säure-Basen-Haushalt.

Glutaminsynthese

Eine alternative Entgiftungsmöglichkeit ist die Ausscheidung von Ammoniak (NH₃) über die Glutaminsynthese. Die Besonderheit ist, dass hierbei kein Bicarbonat verbraucht wird. Glutamat reagiert mit Ammoniak zu Glutamin. Das Glutamin gelangt anschließend von der Leber in die Nieren. Dort werden der Ammoniak und ein H⁺-Ion abgespalten. NH₄⁺ wird über den Harn ausgeschieden.

Bei der Ammoniakausscheidung über die Glutaminsynthese wird kein Bicarbonat verbraucht. Bei einer Azidose wird der Harnstoffzyklus runterreguliert und die Glutaminsynthese raufreguliert. Die Base Bicarbonat wird somit eingespart.

Bei einer Alkalose wird die Harnstoffsynthese gesteigert.

Im aeroben Stoffwechsel entsteht CO₂. Im anaeroben Stoffwechsel entsteht Laktat, das wiederum H⁺ freigibt. Diese spielen eine wichtige Rolle im Bicarbonat Puffer. Das CO₂ wird über die Lunge abgeatmet. HCO₃^- kann über die Nieren ausgeschieden und resorbiert werden.

• Aerobes Gewebe:
  • CO₂-Produktion: Kohlendioxid wird in aerobem Gewebe (z.B. Muskeln) durch Zellatmung produziert und in das Blut abgegeben
• Blut:
  • CO₂-Transport: CO₂ wird im Blut transportiert und reagiert mit Wasser (H₂O) zu Kohlensäure (H₂CO₃), die weiter zu Bicarbonat (HCO₃⁻) und einem Proton (H⁺) dissoziiert
• Anaerobes Gewebe:
  • Protonenproduktion: In anaerobem Gewebe entstehen Protonen (H⁺) durch anaerobe Stoffwechselprozesse und werden ins Blut abgegeben
• Lungen:
  • CO₂-Abgabe: In den Lungen wird CO₂ aus dem Blut in die Alveolen transportiert und ausgeatmet
• Leber:
  • Bicarbonat und Ammoniumproduktion: In der Leber wird Ammonium (NH₄⁺) durch Desaminierung von Aminosäuren produziert und in Harnstoff umgewandelt oder als Glutamin gespeichert
  • Bicarbonat-Regulation: Die Leber spielt somit indirekt über den Harnstoffzyklus eine Rolle bei der Regulierung von HCO₃⁻ im Blut
• Nieren:
  • Ammoniumausscheidung: In den Nieren wird Glutamin zu NH₄⁺ umgewandelt, welches in den Urin ausgeschieden wird
  • Bicarbonat-Reabsorption und Sekretion: Die Nieren reabsorbieren und sekretieren Bicarbonat (HCO₃⁻) und regulieren den Säure-Basen-Haushalt durch Ausscheidung von Protonen (H⁺) und Hydrogenphosphat (HPO₄²⁻) sowie Dihydrogenphosphat (H₂PO₄⁻)