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Puffersysteme des Blutes 
 

 
Die fortlaufend im Stoffwechsel entstehenden Säuren hätten eine verheerende Wirkung, wenn sie nicht unverzüglich abgepuffert und anschliessend eliminiert würden.

 

Puffersysteme 

Wird eine starke Säure, die praktisch vollständig in H+-Ionen und Säureanionen (A- ) dissoziiert ist, einer ungepufferten Lösung (oder Wasser) zugegeben, so nimmt erwartungsgemäss die H+-Ionenkonzentration dieser Lösung zu und damit der pH-Wert ab. Wird dieselbe Säure jedoch einer gepufferten Lösung zugegeben, so werden die H+-Ionen grösstenteils gebunden, so dass der pH-Wert unverändert bleibt oder nur gering ändert. Gleiches gilt sinngemäss natürlich auch für Laugen.

Chemisch ist ein Puffer ein Gemisch aus einer schwachen Säure und einem Salz mit gleichem Anion oder ein Gemisch aus einer schwachen Base und einem Salz mit gleichem Kation.

Im Blut werden vier Puffersysteme unterschieden: 

  • das Kohlensäure-Bicarbonatsystem

  • das Hämoglobin in den Erythrozyten

  • die Plasmaproteine und 

  • der Phosphatpuffer.

Die Henderson-Hasselbalch'sche Gleichung  
Der  pH-Wert einer Lösung wird durch das Konzentrationsverhältnis zwischen dissoziierter und undissoziierter Form einer Säure bestimmt und kann mit der Gleichung nach Henderson und Hasselbalch berechnet werden: 

 

           [A-]
 pH   =   pK + log   ---------------------
      [HA]

wobei: HA = undissoziierte Säure und A- = dissoziierte Säure

Der pK-Wert entspricht dem negativen, dekadischen Logarithmus der Dissoziationskonstanten Ka einer Säure (d.h. pKa = -log Ka). Ein Puffer ist am wirkungsvollsten, wenn der pH-Wert der Lösunggleich dem pKa des Puffers ist, d.h. wenn [HA] = [A-].

 

Das Kohlensäure-Bicarbonatsystem 

Die Carboanhydrase 
Sie katalysiert formal die Bildung von Kohlensäure aus Kohlendioxid (CO2)und Wasser. 

Die Kohlensäure dissoziiert anschliessend in Bicarbonat (HCO3-)und ein Wasserstoffion (H+). 

Das Zusammenspiel von Kohlendioxid (CO2), Kohlensäure (H2CO3) und Bicarbonat (HCO3-) kann mit der Gleichung nach Henderson und Hasselbalch beschrieben werden kann (pK = 6.1). 

 

           [HCO3-]
 pH   =   pK + log   ---------------------
      [H2CO3]

Das Verhältnis zwischen zwischen Bicarbonat und Kohlensäure beträgt normalerweise etwa 20:1. Chemisch gesehen ist dieses Puffersystem nur wenig wirksam. Die grosse physiologische Bedeutung dieses Puffers liegt darin, dass die Konzentration der beiden Pufferkomponenten weitgehend unabhängig voneinander verändert werden können, indem CO2 durch die Lunge abgeatmet und Bicarbonat durch die Niere ausgeschieden wird. Der Anteil des Bicarbonatpuffers an der gesamten Pufferkapazität macht daher etwa 75 % aus.

In der Praxis wird die Bicarbonatkonzentration nicht gemessen, sondern aus dem pH-Wert und dem pCO2 berechnet. Dazu muss der Löslichkeitskoeffizient (S) für CO2 bekannt sein.

 

Beispiel: Die Bicarbonatkonzentration für ein pCO2 von 40 mmHg und ein pH von 7.4 soll berechnet werden. Der molare Löslichkeitskoeffizient für CO2 bei 37°C in Plasma beträgt 0.0304 (falls Angabe in mmHg).

 

           [HCO3-]
 pH   =   pK + log   ---------------------
      [H2CO3]

Die Kohlensäure [H2CO3] wird durch S · pCO2 ersetzt:

 

           [HCO3-]
 pH   =   pK + log   ---------------------
      S · pCO2

Umformung der Gleichung

 

  [HCO3-]    
log   -----------------  =    pH - pK
  S · pCO2    

Entlogarithmieren der Gleichung:

 

[HCO3-]    
 -----------------  =    10pH - pK
S · pCO2    

in Zahlen: 

 

 [HCO3-      0.0304 · 40 · 107.4-6.1
  24.2 mmol/L

Anmerkung: wird der pCO2 in kPa angegeben, so beträgt der Löslichkeitskoeffizient 0,203.

 

Hämoglobinpuffer 

Rund 88 % des anfallenden CO2 werden vom Hämoglobin aufgenommen. Damit erfüllt das Hämoglobin neben dem O2- und CO2-Transport eine wichtige Funktion bei der Pufferung des Blutes. 

Abb. 1: Abtransport von CO2 aus den Zellen in die Lungen. CH2O steht für ein beliebiges Energiesubstrat. Die beiden Vierecke im Blut stellen Erythrozyten dar.

Das in den Zellen bei der Oxidation von Energiesubstraten freiwerdende CO2 diffundiert in das Plasma der Gewebskapillaren. Ein kleiner Teil dieses physikalisch gelösten CO2 wird zu Kohlensäure hydratisiert, ein weiterer, ebenfalls geringer Teil bindet sich an Plasmaproteine (Carbaminoverbindungen), der grösste Teil des CO2 diffundiert in die Erythrozyten. Dort bleibt ein geringer Teil physikalisch gelöst, ein Teil geht mit dem Hämoglobin eine Carbaminoverbindung ein. Der überwiegende Teil wird jedoch unter der katalytischen Wirkung der Carboanhydrase über Kohlensäure in Bicarbonat und H+ umgewandelt. Die Protonen werden vom Hämoglobin unter O2-Abgabe abgepuffert (Bohr-Effekt). Das Bicarbonat wird an das Plasma abgegeben, wobei zur Wahrung der Elektroneutralität Chlorid vom Erythrozyten aufgenommen wird. Von der gesamten Kohlensäure werden 95% als HCO3- und nur 5% als CO2 transportiert. Rund 75% des Bicarbonats sind dabei im Plasma und 25% in den Erythrozyten.

In der Lunge wird das Bicarbonat des Plasmas wiederum im Austausch mit Chlorid von den Erythrozyten aufgenommen. Bei der Aufnahme von Sauerstoff gibt das Hämoglobin die gepufferten Protonen wieder ab (Bohr-Effekt). Die H+-Ionen reagieren mit Bicarbonat unter der Wirkung von Carboanhydrase zu Kohlensäure, die in H2O und CO2 dissoziiert. Das CO2 diffundiert leicht von den Erythrozyten in das Plasma und von dort in den Alveolarraum. 

 

Plasmaproteine 

Die Plasmaproteine wirken wegen ihres amphoteren Charakters als Puffer. Bei normalem Blut-pH liegen die meisten Proteine als Anionen vor. 
 

           [Protein-]
 pH   =   pK + log   ---------------------
      [HProtein]

 

Phosphatpuffer  

Chemisch betrachtet handelt es sich um ein wirksames Puffersystem (pKa= 6.7), physiologisch spielt es aber wegen der geringen Konzentration im Plasma nur eine untergeordnete Rolle, ist jedoch intrazellulär von grosser Bedeutung.

H2PO4- ---> H+ + HPO42- 

wobei: H2PO4- = primäres Phosphat und HPO42- = sekundäres Phosphat

 

           [HPO42-]
 pH   =   pK + log   ---------------------
      [H2PO4-]

 

Zusammenhänge zwischen den Puffersystemen  

Das beim Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel freiwerdende CO2 kann leicht über die Lungen eliminiert werden. Die vorwiegend aus dem Proteinabbau stammenden Schwefel- und Phosphorsäure werden primär durch Bicarbonat neutralisiert, wobei die entstehende Kohlensäure in Wasser und CO2 dissoziiert, das ebenfalls abgeatmet wird. Dadurch kommt es jedoch zu einem laufenden Verlust an Bicarbonat, der vor allem durch die Nieren ergänzt werden muss.

Abb. 2: Zusammenhänge zwischen den Puffersystemen. Die im Gewebe entstehenden CO2 und H+ sind über das Kohlensäure-Bicarbonat-System austauschbar. 

 


20.01.2001 / hpk