Regulation der H⁺-Konzentration

Im Stoffwechsel des Menschen werden laufend Säuren (H⁺-Donatoren) und Basen (H⁺-Akzeptoren) produziert, die die Konzentration freier H⁺-Ionen im Organismus und damit den pH-Wert (negativer dekadischer Logarithmus der H⁺-Konzentration) beeinflussen müssen. Neben dem obligatorischen Endprodukt H₂O sind dies im Metabolismus der Kohlenhydrate und der Lipide das Stoffwechselendprodukt Kohlendioxid (CO₂) und weiterhin Schwefeltrioxid (SO₃) und Ammoniak (NH₃) sowie Wasserstoffionen (H⁺) im Proteinstoffwechsel. Mit Ausnahme von H₂O unterliegen die aufgeführten Endprodukte zwangsläufig Reaktionen wie Hydratisierung (Reaktion mit H₂O), Assoziation (Aufnahme von H⁺) oder Dissoziation (Abgabe von H⁺), wie in der Tab. Stoffwechselendprodukte beschrieben. Beim physiologischen pH von 7,4 wird aus der Base NH₃ (Ammoniak) die Säure NH₄⁺ (Ammonium) (pK bei 9,0), aus CO₂ entsteht die dissoziierte Kohlensäure H⁺ + HCO₃^- (pK bei 6,1) und aus SO₃ die dissoziierte Schwefelsäure 2 H⁺ + SO₄^-- (pK₁ und pK₂ bei 1 - 2). Nicht die neutralen Stoffwechselendprodukte sondern die daraus zwangsläufig entstehenden geladenen Reaktionspartner sind dafür verantwortlich, dass es bei fehlender Elimination zu einer Störung des Säure-Basen-Gleichgewichtes kommt, die sich in einer Abnahme des pH-Wertes (Azidose) oder Zunahme des pH-Wertes (Alkalose) im Extrazellularraum äußert.

Auf dem Weg von ihrer Bildung bis zum Eliminationsorgan werden die drei genannten Endprodukte in spezielle Transportformen verpackt. Das Gas CO₂ wird im Blut vor allem in Form von HCO₃^- transportiert. Es findet sich deshalb in so hoher Konzentration im Blut, weil das zugehörige "respiratorische" (aus der Kohlensäure stammende) H⁺ praktisch unbegrenzt vom Hämoglobin abgepuffert werden kann. Unter physiologischen Bedingungen beträgt die HCO₃^--Konzentration im Blutplasma 24 mmol/l (im Vollblut nur ca. 20 mmol/l, weil die erythrozytäre HCO₃^--Konzentration deutlich niedriger ist). Dies ist der entscheidende Grund für die Tatsache, dass die CO₂-Transportkapazität des Blutes fast zehnmal höher ist als die für Sauerstoff. H⁺-Ionen anderer Genese hingegen werden praktisch vollständig gepuffert im Blut transportiert, d. h. an H⁺-Akzeptoren (Pufferbasen) gebunden. In Frage kommen dabei im Wesentlichen wie bei der H₂CO₃ wiederum das Hämoglobinat (die Pufferbase des Hämoglobins) und das Bikarbonat (HCO₃^-). Dieses HCO₃^- nimmt dabei offensichtlich eine bedeutende Sonderrolle ein: Einerseits ist es eine fast unbegrenzte Transportform für CO₂, andererseits eine ideale Pufferbase, weil die Reaktionsprodukte nach erfolgter Pufferung (H⁺ + HCO₃^- = H₂CO₃ = CO₂ + H₂O) sehr einfach über Lunge (CO₂) und Niere (H₂O) zu eliminieren sind. Trotzdem ist die Pufferbase Hämoglobin dem Bikarbonat überlegen, weil sie sowohl fixe ("nicht-respiratorische") H⁺-Ionen (z. B. aus Milchsäure, Hydroxy-Buttersäure, Schwefelsäure) als auch flüchtige ("respiratorische") H⁺-Ionen (aus H₂CO₃) puffern kann. Das dritte Reaktionsprodukt NH₄⁺ (Ammonium) kann wegen seiner extrem hohen Toxizität nicht im Blut transportiert werden (toxisch ist genaugenommen die als Ammoniak-Gas sehr gut diffusible korrespondierende Base NH₃). Aus diesem Grunde müssen spezielle Transportmoleküle von der Leber, dem Hauptlieferanten von NH₃ bzw. NH₄⁺, zur Niere produziert werden, Harnstoff einerseits und Glutamin andererseits. Kommt es z. B. zu einer Drosselung der Harnstoffsynthese in der Leber, wird Ammonium zunehmend über eine hepatische Glutaminbildung entgiftet und eine vermehrte Glutaminspaltung in der Niere führt zu einer Ammoniumausscheidung über die Niere. Somit dient Glutamin als nichttoxische Transportform für Ammonium zwischen Leber und Niere.

Werden pro Zeit mehr Stoffwechselendprodukte produziert als in den dafür vorgesehenen Organen eliminiert werden können, müssen überschüssiges CO₂ und H⁺-Ionen, nicht aber NH₃ bzw. NH₄⁺, vorübergehend im Blut und Extrazellularraum (EZR) zwischengelagert werden. Schlüsselsubstanz hierfür ist das Bikarbonat des Extrazellularraumes. Für den Fall eines Anstiegs des pCO₂ als Ergebnis einer mangelhaften CO₂-Elimination über die Lunge wird vermehrt HCO₃^- im Erythrozyten des Blutes gebildet, das überwiegend im Plasma und damit auch im gesamten Extrazellularraum erscheint. Da der gesamte EZR einschließlich Plasma ca. 15 Liter umfasst, können auf diese Weise sehr große Mengen von CO₂ als HCO₃^- gelagert werden. Bei einem Atemstillstand von 10 min Dauer mit Anstieg des pCO₂ von 40 auf 80 mmHg sind dies immerhin gut 90 % des gebildeten CO₂, also ca. 2,2 l CO₂ bzw. 100 mmol HCO₃^- [Zander 1994]; der pH von Plasma und EZR erreicht 7,21 mit einer HCO₃^--Konzentration von 31 mmol/l, also einer Zunahme von 7 mmol/l. Bei einem vermehrten Anfall fixer H⁺-Ionen hingegen werden diese vom HCO₃^- des gesamten EZR abgepuffert, wobei pro mol gepuffertem H⁺ jeweils 1 mol CO₂ entstehen muss. Die Folge dieser Zwischenlagerung ist also eine Abnahme der HCO₃^--Konzentration im EZR mit der Folge, dass das entstehende CO₂ über die Lunge abgegeben werden muss. Die Zwischenlagerung von H⁺ im EZR setzt also eine normale Lungenfunktion voraus. Die gleichzeitige Speicherung von CO₂ und H⁺ schließen sich somit gegenseitig aus.

Störungen des Säure-Basen-Haushaltes entstehen immer dann, wenn Produktion und Elimination von CO₂ und H⁺-Ionen aus dem Gleichgewicht geraten. Im ersten Falle spricht man von einer respiratorischen, im zweiten von einer nicht-respiratorischen Störung. Da die Bildung von Säuren (Protonen-Donatoren) im Metabolismus immer die der Basen (Protonen-Akzeptoren) überwiegt, sind die Entgleisungen zur sauren Seite, also die Azidosen, häufiger als die Alkalosen, d. h. Entgleisungen zur alkalischen Seite. Eine vermehrte CO₂-Bildung im Metabolismus kann als Folge einer malignen Hyperthermie einer zusätzlichen CO₂-Freisetzung sehr ähnlich sein. Letztere kommt immer dann zustande, wenn kurzfristig H⁺-Ionen im Organismus entstehen, die zwangsläufig beim Übertritt in den eiweißfreien Extrazellularraum mit HCO₃^- reagieren müssen und damit zusätzliches CO₂ (und H₂O) freisetzen, die mit dem Blut zur Lunge transportiert werden. Eine reduzierte CO₂-Abgabe über die Lunge im Sinne einer Hypoventilation, als Folge einer Lungenfunktionsstörung des Patienten oder als unzureichende Beatmung, wird ebenfalls eine respiratorische Azidose bedingen. Die Mehrzahl respiratorischer Alkalosen als Ausdruck einer Hyperventilation dürfte selten und dann beatmungsbedingt sein. Auch bei den nicht-respiratorischen Störungen überwiegen eindeutig die Azidosen, und zwar als

• metabolische, wenn eine Stoffwechselstörung vorliegt (z. B. Diabetes mellitus, Lakt-Azidose)
• renale, wenn eine Nierenfunktionsstörung besteht (z. B. Anurie)
• hepatische, wenn die Leberfunktion eingeschränkt ist (z. B. Milchsäure-Verwertungsstörung)
• intestinale, bei Verlust von HCO₃^- mit dem Duodenalsekret, oder
• iatrogene, wenn dem Patienten über Transfusionen oder Infusionen zusätzliche H⁺-Ionen zugeführt oder seine HCO₃^--Vorräte durch Infusionen großer Volumina verbraucht wurden.

Aber auch eine nicht-respiratorische Alkalose kann klinisch beobachtet werden als

• intestinale, wenn vermehrt H⁺-Ionen verloren gehen (Magensonde) oder
• metabolische (iatrogene), wenn große Mengen sogenannter metabolisierbarer Anionen wie Azetat, Glukonat, Laktat, Malat oder Zitrat parenteral zugeführt wurden.