Kohlensäure-Bicarbonat-System

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Das Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem ist der wichtigste Blutpuffer zum Auffangen von pH-Schwankungen im menschlichen Blutkreislauf. Es besteht aus der Kohlensäure (H2CO3) als Säure und dem Bicarbonation (auch Hydrogencarbonation genannt, HCO3) als Base. Wenn das Blut nicht sauer genug ist, löst sich ein Proton (H+) von der Kohlensäure, die daraufhin zum Bicarbonation wird. Wenn das Blut dagegen zu viele Protonen enthält, also zu sauer ist, bindet das Bicarbonation ein Proton und wird zur Kohlensäure. Diese zerfällt zu Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Durch verstärkte Atemtätigkeit wird dann vermehrt Kohlenstoffdioxid abgeatmet. Umgekehrt wird die Lungenaktivität gedrosselt, wenn zu wenig Säure im Blut ist. Nicht nur über die Atmung, auch über die Nieren kann der Säure-Basen-Haushalt beeinflusst werden. Denn sie sind in der Lage, Protonen und Bicarbonationen gezielt auszuscheiden oder im Körper zurückzuhalten. Auch bestimmte Bluteiweiße sind an der Regulation des Säure-Base-Haushalts beteiligt. Sie binden bei Bedarf Protonen oder setzen sie frei.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Dem Puffersystem liegt folgender chemischer Zusammenhang zugrunde:

\rm CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3 \rightleftarrows HCO_3^- + H^+

Vereinfacht kann die Kohlensäure (H2CO3) weggelassen werden, da deren Konzentration im Blut um den Faktor 400 geringer ist, als die von Kohlenstoffdioxid (CO2). Es ergibt sich diese Gleichung:

\rm CO_2 + H_2O \rightleftarrows HCO_3^- + H^+

Für das Puffersystem gilt die Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

pH = pK_S + \lg \frac{c(HCO_3^-)}{c(CO_2)}

Der pKs-Wert für das Gleichgewicht beträgt 6,1 bei 37 °C.[1]

Der Kohlenstoffdioxid-Partialdruck im Blut beträgt ungefähr 40 mmHg (40 Torr), das entspricht einer Konzentration von 1,2 mM. Bei einer Konzentration der Hydrogencarbonationen von 24 mM berechnet sich der pH-Wert zu 7,4.

Der Blutpuffer ist ein offenes System. Kohlenstoffdioxid wird hierbei dem Blut zu- oder abgeführt. Der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid wird unter normalen Bedingungen auf einem annähernd gleichbleibenden Wert gehalten (respiratorische Regulation). Daneben erfolgt eine metabolische Regulation des Puffersystems, sodass der pH-Wert in etwa im gleichen Bereich liegt. Über eine gesteigerte, bzw. verminderte Atemtätigkeit kann der Blut-pH-Wert schnell reguliert werden. Bei einer gesteigerten Atemtätigkeit (Hyperventilation) sinkt der Anteil von CO2 in der Atemluft, dadurch sinkt der Partialdruck von CO2 in der Lunge und dadurch auch der Anteil im Blut. Da das Massenwirkungsgesetz gilt, wird CO2 aus HCO3 und Protonen nachgebildet. Die Zahl der Protonen sinkt, dadurch steigt der pH-Wert im Blut an, es wird basischer (respiratorische Alkalose). Umgekehrt führt eine verminderte Atemtätigkeit (Hypoventilation) zu einem gesteigerten CO2-Partialdruck, nun verlaufen die Reaktion jeweils in die andere Richtung, der Blut-pH-Wert sinkt, es wird saurer (respiratorische Azidose).

Jedoch eignet sich das Kohlensäure-Bicarbonat-System nicht zu einer dauerhaften Regulation, da mit der Bildung von Kohlenstoffdioxid auch die Bicarbonationen verschwinden. Die Nieren sind daher an der Protonenausscheidung und vor allem der Rückgewinnung von Hydrogencarbonationen beteiligt, können allerdings erst nach 3-4 Tagen effektiv auf eine plötzliche Änderung des Blut-pHs reagieren.

Literatur[Bearbeiten]

  • Christoph Maulbetsch: Das Hydrogencarbonat-Puffersystem im menschlichen Blut, Praxis der Naturwissenschaften Chemie 2/61, März 2012, S. 26-30, Aulis Verlag

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. R. Klinke, H-C. Pape, St. Silbernagl: Physiologie Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-13-796005-3, S. 314.