Säure-Basen-Haushalt (Puffersysteme)

Da viele Prozesse im Körper vom pH-Wert abhängen und Schwankungen zu einer Denaturierung von Proteinen führen können, ist ein konstanter pH-Wert essentiell. Über verschiedene Puffersysteme und über die Ausscheidung von Bicarbonat über die Nieren sowie CO₂ über die Lungen können Schwankungen kompensiert werden. Bei einem Ausfall eines dieser Systeme oder einem übermäßig starken Anfall von Säuren oder Basen kann es zu einer Entgleisung des Systems kommen. Folgende Ursachen können zu einer Verschiebung des pH-Wertes beitragen:

Die Puffersysteme im Körper stabilisieren den pH-Wert, sie können Schwankungen abfangen. Ein Puffer besteht aus einem korrespondierenden Säure-Basen-Paar. Gibt man eine kleine Menge einer Säure oder einer Base zu einem Puffer hinzu, so ändert sich der pH-Wert zunächst nicht und bleibt konstant.

Offene und geschlossene Puffersysteme

Im Körper gibt es offene und geschlossene Puffersysteme.

Offene Puffersysteme

Bei offenen Puffersystemen kann ein Reaktionspartner aus dem System entfernt werden. Hierdurch wird die Pufferkapazität gesteigert. Die Ausscheidung kann z.B. über die Nieren oder Lungen erfolgen. Liegen z.B. im Rahmen einer Azidose vermehrt Säuren vor, so können diese über die Lungen oder die Nieren ausgeschieden werden und die Azidose kann kompensiert werden.

• Bicarbonat-Puffer
• Ammonium-Puffer

Geschlossene Puffersysteme

Bei geschlossenen Puffersystemen sind die Säuren-Basen-Paare konstant. Eine Ausscheidung über die  Nieren oder Lungen ist nicht möglich.

• Protein-Puffer
• Phosphat-Puffer

Das Bicarbonat-Puffersystem ist das wichtigste Puffersystem im Menschen. Es macht etwa 50% der Gesamtpufferkapazität des Blutes aus. Das Bicarbonat-Puffersystem ist ein offenes Puffersystem. Über die Lungen und Nieren können Säuren und Basen ausgeschieden werden.

Das Bicarbonat-Puffersystem besteht aus einem Gleichgewicht an CO₂, das über H₂CO₃ Säuren bildet und HCO₃^- als Base. Im peripheren Gewebe entsteht durch den oxidativen Metabolismus kontinuierlich CO₂. Im Bicarbonat Puffersystem reagiert das CO₂ (Kohlenstoffdioxid) mit H₂0 (Wasser). Es entsteht H₂CO₃ (Kohlensäure). Diese zerfällt zum Großteil zu H⁺ (Wasserstoffionen) und HCO₃^- (Bicarbonat).

Im Bicarbonat-Puffersystem bildet das CO₂ indirekt über die Kohlensäure Säuren. HCO₃^- ist die Base.

Steigt die Konzentration von CO₂ an, so sinkt der pH-Wert (Azidose).

Steigt die Konzentration von HCO₃^-, so steigt der pH-Wert (Alkalose).

Das Bicarbonat-Puffersystem ist ein offenes Puffersystem. Das CO₂ kann über die Lunge abgeatmet und somit der pH-Wert konstant gehalten werden. Macht man z.B. Sport, so kommt es aufgrund der vermehrten Muskelarbeit zu einem verstärkten Anfall von CO₂ als Abbauprodukt. In der Folge resultiert eine Steigerung der Atemfrequenz (Tachypnoe). Hierdurch wird das vermehrt anfallende CO₂ abgeatmet und der pH-Wert konstant gehalten. Bei einigen Erkrankungen, wie z.B. der COPD kann aufgrund einer Erschöpfung der Atemmuskulatur nicht mehr genug CO₂ abgeatmet werden. Es resultiert eine Azidose.

Das Ammonium-Puffersystem spielt eine wichtige Rolle in der dauerhaften Ausscheidung von Säuren über die Nieren. NH₃ (Ammoniak) reagiert mit H⁺ (Wasserstoffionen) zu Ammonium. Das Ammonium kann über den Harn ausgeschieden werden. Da das Ammonium H⁺ gebunden hat, kann somit über die Nieren die Ausscheidung von Säuren und somit der pH-Wert reguliert werden.

Proteine können über ionisierbare Seitengruppen Säuren und Basen aufnehmen. Sie können somit als Puffersystem fungieren und bilden das Protein-Puffersystem. Hierbei spielen, aufgrund ihrer hohen Konzentration im Blut, die Proteine Albumin und Hämoglobin die größte Rolle. Das Protein-Puffersystem macht genau wie das Bicarbonat-Puffersystem 50% an der Gesamtpufferkapazität des Blutes aus.

Das System gehört zu den geschlossenen Systemen, da kein Säure- oder Basen-Reaktionspartner das System über die Lungen oder Nieren verlassen kann.

Im obigen Beispiel ist der Protonierungszustand von der Aminosäure Valin dargestellt. Bei einem normwertigen pH-Wert liegt die Aminogruppe (-NH₂) als H₃N⁺ und die Carboxylgruppe (-COOH) als COO^- Seitenkette vor.

• Bei einem sauren pH-Wert (links) nimmt die Carboxylgruppe ein H⁺ Ion auf, um den pH-Wert zu erhöhen (Konzentration an saurem H⁺ sinkt).
• Bei einem basischen pH-Wert (rechts) gibt die Aminogruppe ein H⁺-Ion ab, um den pH-Wert zu erniedrigen (Konzentration an saurem H⁺ steigt).

Über das Phosphat-Puffersystem wird der intrazelluläre pH-Wert reguliert. Weiterhin können hierüber saure H⁺-Ionen über den Harn ausgeschieden werden.