Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
O. Müller-Plathe

Säure-Basen-Stoffwechsel

Säure-Basen-Stoffwechsel
Englischer Begriff
acid-base balance
Definition
Der Säure-Basen-Stoffwechsel beschreibt die Einflüsse von Stoffwechsel-, Verteilungs- und Eliminationsvorgängen auf die Acidität des Bluts und anderer Körperflüssigkeiten, sowie die Modifikation dieser Einflüsse durch Pufferung und Kompensation. Dabei wird der Säure-Basen-Terminologie nach Brønstedt (J. N. Brønstedt, 1879–1947, dänischer Chemiker) gefolgt, wonach eine Säure eine Substanz ist, die Wasserstoffionen freisetzen kann (Protonendonator), und eine Base dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Wasserstoffionen aufnehmen kann (Protonenakzeptor).
Beschreibung
Für viele biochemische Prozesse und nervale Funktionen beim Menschen ist die Einhaltung des normalen pH-Werts von ca. 7,40 im Plasma (Isohydrie) von vitaler Bedeutung. Abweichungen und Gefährdungen müssen daher frühzeitig erkannt und behandelt werden. Das gilt für die gesamte Intensivmedizin, für die Diabetologie, Nephrologie, Toxikologie und für die Überwachung besonderer Therapien wie Beatmung, Dialyse, Infusionstherapie und Medikation mit Hormonen und Diuretika.
Umsatz, Transport und Elimination
Zwei fortlaufend entstehende Metabolite wirken sich auf das Säure-Basen-Gleichgewicht aus:
  • Kohlendioxid (CO2): Bei mäßiger körperlicher Aktivität entstehen pro Minute etwa 350 mL CO2 entsprechend einem Säureäquivalent von 17 mmol/min bzw. 24000 mmol/Tag, bei starker Belastung ein Vielfaches dieser Menge. CO2 wird nur zu 10 % physikalisch gelöst im Plasma transportiert, 70 % werden in den Erythrozyten nach Hydratisierung durch Carboanhydratase in Form von HCO3 transportiert. Die dabei entstehenden H+ werden durch das bei der Gewebspassage entstehende und basisch wirkende Deoxyhämoglobin gepuffert. Die restlichen 20 % lagern sich dem Hämoglobin reversibel als Carbaminoverbindung an. Bei der Lungenpassage setzt das als Säure wirkende Oxyhämoglobin H+ frei und alle Vorgänge laufen in umgekehrter Richtung ab. Das dabei erneut gebildete CO2 wird durch die Lunge abgeatmet.
  • Nicht flüchtige („fixe“) Säuren: Normale Mischkost führt zu einem Überschuss an fixen Säuren von 40–80 mmol/Tag, dessen H+ durch die Nieren ausgeschieden werden. Die Säure stammt im Wesentlichen von schwefelhaltigen Aminosäuren tierischer Proteine sowie von Dihydrogenphosphat und organischen Phosphorverbindungen. Aus dem Intermediärstoffwechsel resultiert unter normalen Umständen keine zusätzliche Säurebelastung, wohl aber bei Störungen des Metabolismus, z. B. bei dekompensiertem Diabetes mellitus. Die Nieren können bei extremer Säurebelastung die Elimination bis auf etwa 400 mmol/Tag steigern (Säureausscheidung, renale).
Puffersysteme
Der Plasma-pH ist auf 7,40±0,04 eingestellt (Isohydrie). Er wird durch Puffersysteme stabilisiert, die man unter funktionellen Aspekten unterteilen kann in den Bikarbonat-Kohlensäure-Puffer und die Gruppe der Nichtbikarbonatpuffer. Erst wenn die Pufferfähigkeit überschritten wird, tritt die Kompensation durch Lunge oder Niere in Aktion.
Bikarbonat-Kohlensäure-Puffer
Dieses System hat eine Gesamtkonzentration (HCO3+H2CO3+CO2) von 25,4 mmol/L, die sehr schnell variiert werden kann. H2CO3 und CO2 stehen in einem Gleichgewicht, das mit einer Relation von etwa 700:1 stark in Richtung CO2 verschoben ist. Der Wirkungsschwerpunkt liegt im Plasma und in der Extrazellulärflüssigkeit. Die Säurekomponente ist in Form von CO2 über die Lungen rasch eliminierbar. In diesem „offenen System“ mit konstant gehaltenem pCO2 beträgt die Pufferkapazität des Bikarbonatpuffers 57 mmol/l bei pH 7,40. Von der gesamten Pufferkapazität der Extrazellulärflüssigkeit einschließlich des Plasmas entfallen bei Belastung mit fixer Säure oder Base auf den Bikarbonatpuffer etwa 80 %.
Seine Funktionsweise wird durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben:
$$ \mathrm{pH}=\mathrm{p}{\mathrm{K}}^{\prime }+\lg \frac{c{{\mathrm{HCO}}_3}^{-}}{p{\mathrm{CO}}_2\times \upalpha} $$
$$ \mathrm{pH}=6,105+\lg \frac{c{{\mathrm{HCO}}_3}^{-}\left(\mathrm{mmol}/\mathrm{L}\right)}{p{\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{mmHg}\right)\times 0,0307} $$
wobei pK′ (negativer Exponent der scheinbaren Dissoziationskonstante) = 6,105 und α (molarer Löslichkeitskoeffizient für CO2 in Plasma) = 0,0307 sind.
Bei pCO2 von 40 mmHg ergibt sich im Nenner cH2CO3 von 1,2 mmol/L. Bei 24 mmol/L cHCO3 im Zähler entspricht das einem Komponentenverhältnis von 20:1, dessen dekadischer Logarithmus 1,3 beträgt und somit zu einem pH=7,40 führt.
In der Henderson-Hasselbalch-Gleichung repräsentiert pCO2 ausschließlich die respiratorische Seite, während cHCO3 überwiegend von nicht respiratorischen („metabolischen“) Vorgängen bestimmt wird.
Nichtbikarbonatpuffer (NB-Puffer)
Im Gegensatz zum Bikarbonatpuffer sind die Konzentrationen der Nichtbikarbonatpuffer kurzfristig nicht variierbar. Der Wirkungsschwerpunkt liegt in den Erythrozyten. Von der gesamten Pufferkapazität der Extrazellulärflüssigkeit und der Erythrozyten entfallen bei Belastung mit fixer Säure oder Base auf diese Puffergruppe etwa 20 %.
NB-Puffer in den Erythrozyten:
  • Hämoglobin. Als wichtigster NB-Puffer stellt es über 80 % der Pufferkapazität der Erythrozyten. Seine Pufferwirkung geht vorwiegend von den Imidazolgruppen einiger Histidine aus. Sowohl Oxihämoglobin (pK=6,95) als auch Deoxyhämoglobin (pK=8,25) wirken als Puffer. Bei der Oxigenierung (in der Lungenkapillare) wirkt Hb als H+-Donator, bei der Deoxygenierung (in der Gewebskapillare) als H+-Akzeptor.
NB-Puffer im Plasma und der übrigen Extrazellulärflüssigkeit
  • Plasmaproteine. Sie stellen bei einem pK um 7,3 etwa 95 % der Pufferkapazität des Plasmas. Auch hier sind überwiegend die Imidazolgruppen des Histidins für die Pufferwirkung verantwortlich.
  • Anorganisches Phosphat. Das System H2PO4/HPO42− mit einem pH=6,8 spielt angesichts seiner niedrigen Konzentration im Plasma nur eine geringe Rolle. Es hat eine große Bedeutung als Puffersystem für die renale Säureausscheidung.
Interaktion der Puffersysteme
Die Pufferung bei respiratorischen Störungen wird ausschließlich von den NB-Puffern, also vorwiegend vom Hämoglobin geleistet. Zunahme von pCO2 (Hyperkapnie) bewirkt folgende Reaktion:
$$ {\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3+{\mathrm{H}\mathrm{b}}^{-}\to {{\mathrm{H}\mathrm{CO}}_3}^{-}+\mathrm{HHb} $$
Bei dieser Reaktion nimmt die Bikarbonatkonzentration auf Kosten des Hb-Puffers zu, ohne dass sich die Gesamtkonzentration der Pufferbasen ändert. Da sich das Bikarbonat jedoch auf den gesamten Extrazellulärraum verteilt, nehmen die Basenkonzentration und damit auch die auf das Blut bezogene Basenabweichung (BA) ab, wodurch eine zusätzliche metabolische Acidose vorgetäuscht werden kann. Dem wird begegnet durch den Bezug der BA auf den Extrazellulärraum.
Säure-Basen-Störungen
Eine Acidose ist gekennzeichnet durch Zunahme an Säure oder Mangel an Base, eine Alkalose durch Zunahme von Base oder Mangel an Säure im Blut und im Extrazellularraum.
Ist die Säure-Basen-Störung durch Veränderungen der pulmonalen CO2-Ausscheidung verursacht, nennt man sie respiratorisch, ist sie durch nicht respiratorische Einflüsse hervorgerufen, wird sie als metabolisch bezeichnet. Somit resultieren 4 Kategorien:
Kompensation von Säure-Basen-Störungen
Unter Kompensation versteht man die Abschwächung einer SB-Störung durch aktive Organleistungen mit dem Ziel, Abweichungen des pH möglichst klein zu halten, also dem Quotienten cHCO3/cH2CO3=20:1 möglichst nahe zu bleiben. Deshalb werden
  • respiratorische Störungen „metabolisch“ kompensiert, durch renale Anpassung der Bikarbonatkonzentration (Säureausscheidung, renale) und
  • metabolische Störungen respiratorisch kompensiert, durch pulmonale Anpassung von pCO2.
Das Verhalten primär und kompensatorisch veränderter Messgrößen ist in dem folgenden orientierenden Schema zur Diagnostik von Säure-Basen-Störungen (aus: Müller-Plathe 1982) dargestellt:
Die starken Pfeile markieren die jeweiligen primären Veränderungen. Die schräg weisenden dünnen Pfeile kennzeichnen das Verhalten der kompensierenden Messgröße und des pH-Wertes. Die Richtung der Kreisbögen zeigt an, in welcher Richtung sich die Messgrößen mit fortschreitender Kompensation ändern.
Das Diagramm in Abb. 1 dient der Diagnostik von Säure-Basen-Störungen. Der sich aus pCO2 auf der Abszisse und cHCO3 auf der Ordinate ergebende Statuspunkt erlaubt die Einordnung als Normalstatus, als normal-kompensierte Störung innerhalb der unterlegten Felder oder als kombinierte bzw. dekompensierte Störung außerhalb derselben. Liegt der Statuspunkt außerhalb, muss entschieden werden, ob
  • die Störung so kurz besteht, dass noch keine vollständige Kompensation stattfinden konnte,
  • die Funktion des kompensierenden Organsystems eingeschränkt ist oder
  • eine zweite Säure-Basen-Störung gleichzeitig vorliegt.
Literatur
Adrogué HE, Adrogué HJ (2001) Acid-base physiology. Respir Care 46:328–341PubMed
Müller-Plathe O (1982) Säure-Basen-Haushalt und Blutgase, 2. Aufl. Thieme, Stuttgart