Säure-Basen-Homöostase

Der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeit, einschließlich des Blutplasmas, wird normalerweise zwischen 7,32 und 7,42 durch die chemischen Puffer, das Atmungssystem und das Nierensystem streng reguliert.

Wässrige Pufferlösungen reagieren mit starken Säuren oder starken Basen, indem sie überschüssige Wasserstoff H+
−Ionen oder Hydroxid OH-
-Ionen absorbieren und die starken Säuren und Basen durch schwache Säuren und schwache Basen ersetzen. Dies hat den Effekt, die Wirkung von pH-Änderungen zu dämpfen oder die pH-Änderung zu reduzieren, die sonst aufgetreten wäre. Puffer können jedoch keine abnormalen pH-Werte in einer Lösung korrigieren, sei es in einem Reagenzglas oder in der extrazellulären Flüssigkeit. Puffer bestehen typischerweise aus einem Paar von Verbindungen in Lösung, von denen eine eine schwache Säure und die andere eine schwache Base ist. Der am häufigsten vorkommende Puffer im ECF besteht aus einer Lösung von Kohlensäure (H2CO3) und dem Bicarbonat (HCO−
3) -Salz von üblicherweise Natrium (Na +). Wenn also ein Überschuss an OH-
−Ionen in der Lösung vorhanden ist, neutralisiert Kohlensäure diese teilweise, indem sie H2O- und Bicarbonat (HCO-
3) -Ionen bildet. In ähnlicher Weise wird ein Überschuss an H + -Ionen durch die Bicarbonatkomponente der Pufferlösung teilweise neutralisiert, um Kohlensäure (H2CO3) zu bilden, die, da sie eine schwache Säure ist, weitgehend in der undissoziierten Form verbleibt und weit weniger H + -Ionen in die Lösung freisetzt als die ursprüngliche starke Säure.

Der pH-Wert einer Pufferlösung hängt allein vom Verhältnis der molaren Konzentrationen der schwachen Säure zur schwachen Base ab. Je höher die Konzentration der schwachen Säure in der Lösung ist (im Vergleich zur schwachen Base), desto niedriger ist der resultierende pH-Wert der Lösung. Ähnlich verhält es sich, wenn die schwache Base überwiegt, je höher der resultierende pH-Wert ist.

Dieses Prinzip wird ausgenutzt, um den pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeiten zu regulieren (anstatt nur den pH-Wert zu puffern). Für den 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, beträgt das Verhältnis von Kohlensäure zu Bicarbonationen in dieser Flüssigkeit 1: 20.

Diese Beziehung wird mathematisch durch die Henderson–Hasselbalch-Gleichung beschrieben, die, wenn sie auf das Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem in den extrazellulären Flüssigkeiten angewendet wird, besagt, dass:

p H = p K a H 2 C O 3 + log 10 ⁡ ( ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} ~\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}}+\log _{10}\links({\frac {}{}}\rechts),}

wobei:

• pH ist der negative Logarithmus (oder Cologarithmus) der molaren Konzentration von Wasserstoffionen im ECF. Es zeigt den Säuregehalt im ECF in umgekehrter Weise an: Je niedriger der pH-Wert, desto größer der Säuregehalt der Lösung.
• pKa H2CO3 ist der Logarithmus der Säuredissoziationskonstante von Kohlensäure. Es ist gleich 6.1.
• ist die molare Konzentration von Bicarbonat im Blutplasma
• ist die molare Konzentration von Kohlensäure im ECF.

Da die Kohlensäurekonzentration jedoch direkt proportional zum Partialdruck von Kohlendioxid ist ( P C O 2 {\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}

) in der extrazellulären Flüssigkeit kann die Gleichung wie folgt umgeschrieben werden: p H = 6,1 + log 10 ⁡ ( 0,0307 × P C O 2 ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+\log _{10}\left({\frac {}{0,0307\times P_{\mathrm {CO} _{2}}}}\right),}

wobei:

• pH der negative Logarithmus der molaren Konzentration von Wasserstoffionen im ECF ist, wie zuvor.
• ist die molare Konzentration von Bicarbonat im Plasma
• PCO2 ist der Partialdruck von Kohlendioxid im Blutplasma.

Der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeiten kann somit gesteuert werden, indem der Partialdruck von Kohlendioxid (der die Kohlensäurekonzentration bestimmt) und die Bicarbonationen-Konzentration in den extrazellulären Flüssigkeiten getrennt geregelt werden.

Es gibt daher mindestens zwei homöostatische negative Rückkopplungssysteme, die für die Regulierung des Plasma-pH-Wertes verantwortlich sind. Das erste ist die homöostatische Kontrolle des Blutpartialdrucks von Kohlendioxid, die die Kohlensäurekonzentration im Plasma bestimmt und den pH-Wert des arteriellen Plasmas innerhalb weniger Sekunden ändern kann. Der Partialdruck von Kohlendioxid im arteriellen Blut wird von den zentralen Chemorezeptoren der Medulla oblongata überwacht und ist somit Teil des Zentralnervensystems. Diese Chemorezeptoren reagieren empfindlich auf den pH-Wert und den Kohlendioxidgehalt in der Zerebrospinalflüssigkeit. (Die peripheren Chemorezeptoren befinden sich in den Aortenkörpern und Karotiskörpern neben dem Aortenbogen bzw. der Gabelung der Halsschlagadern. Diese Chemorezeptoren reagieren in erster Linie empfindlich auf Änderungen des Sauerstoffpartialdrucks im arteriellen Blut und sind daher nicht direkt an der pH-Homöostase beteiligt.)

Die zentralen Chemorezeptoren senden ihre Informationen an die Atmungszentren in der Medulla oblongata und Pons des Hirnstamms. Die Atemzentren bestimmen dann die durchschnittliche Beatmungsrate der Lungenbläschen, um den Partialdruck Kohlendioxid im arteriellen Blut konstant zu halten. Das Atemzentrum tut dies über Motoneuronen, die die Atmungsmuskeln (insbesondere das Zwerchfell) aktivieren. Ein Anstieg des Kohlendioxidpartialdrucks im arteriellen Blutplasma über 5,3 kPa (40 mmHg) führt reflexartig zu einer Erhöhung der Atemfrequenz und -tiefe. Die normale Atmung wird wieder aufgenommen, wenn der Kohlendioxidpartialdruck wieder 5,3 kPa beträgt. Das Gegenteil geschieht, wenn der Partialdruck von Kohlendioxid unter den normalen Bereich fällt. Die Atmung kann vorübergehend angehalten oder verlangsamt werden, damit sich Kohlendioxid wieder in der Lunge und im arteriellen Blut ansammeln kann.

Der Sensor für die Plasma-HCO-
3-Konzentration ist nicht sicher bekannt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Nierentubuluszellen der distalen Tubuli selbst empfindlich auf den pH-Wert des Plasmas reagieren. Der Stoffwechsel dieser Zellen produziert CO2, das durch die Wirkung von Carboanhydrase schnell in H + und HCO−
3 umgewandelt wird. Wenn die extrazellulären Flüssigkeiten zum Säuregehalt neigen, scheiden die Nierentubuluszellen die H + -Ionen in die tubuläre Flüssigkeit aus, von wo aus sie über den Urin aus dem Körper austreten. Die HCO-
3-Ionen werden gleichzeitig in das Blutplasma sezerniert, wodurch die Bicarbonat-Ionenkonzentration im Plasma erhöht, das Verhältnis Kohlensäure / Bicarbonat-Ionen gesenkt und folglich der pH-Wert des Plasmas erhöht wird. Das Gegenteil geschieht, wenn der Plasma-pH-Wert über den Normalwert ansteigt: Bicarbonationen werden in den Urin und Wasserstoffionen in das Plasma ausgeschieden. Diese verbinden sich mit den Bicarbonationen im Plasma zu Kohlensäure (H + + HCO−
3 = H2CO3), wodurch das Verhältnis von Kohlensäure zu Bicarbonat in den extrazellulären Flüssigkeiten erhöht und der pH-Wert wieder normalisiert wird.

Im Allgemeinen produziert der Stoffwechsel mehr Abfallsäuren als Basen. Der Urin ist daher im Allgemeinen sauer. Diese Harnsäure wird bis zu einem gewissen Grad durch das Ammoniak (NH3) neutralisiert, das in den Urin ausgeschieden wird, wenn Glutamat und Glutamin (Träger überschüssiger, nicht mehr benötigter Aminogruppen) von den distalen Nierentubulusepithelzellen desaminiert werden. Somit liegt ein Teil des „Säuregehalts“ des Urins im resultierenden Ammoniumionengehalt (NH4 +) des Urins, obwohl dies keinen Einfluss auf die pH-Homöostase der extrazellulären Flüssigkeiten hat.