Protonenstoffwechsel. Puffersysteme des Blutes und des Organismus. Puffersysteme des Blutes und des Organismus Bicarbonat-Puffer

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1 Protonenstoffwechsel Puffersysteme des Blutes und des Organismus Die Summe aller im biologischen ph-bereich im Blut zur Aufnahme von H + befähigten Valenzen Anteil an Konzentration system % 50 pk a 6,1! Die biologische Wertigkeit eines Puffers hängt ab von: 1. seiner Konzentration 2. seiner Verteilung in den Körperflüssigkeiten 3. seiner Beziehung zu Eliminationsprozessen Nicht-systeme 50 Hb - / O 2 Hb - 8,25 / 6, ,8 Pufferbase Σ 48 mmol/l Puffersysteme des Blutes und des Organismus H 2 O + H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Im Plasma werden 25,2 mmol/l Gesamtkohlensäure transportiert. Davon entfallen 1,2 mmol/l auf die freie Kohlensäure (= [H 2 CO 3 ] + [ ]) und 24 mmol/l auf das Bicarbonat. [HCO 3 - ] [H 2 CO 3 ] Puffersysteme des Blutes und des Organismus Gasaustausch und Zirkulation in der Lunge unter normalen Bedingungen

2 Puffersysteme des Blutes und des Organismus Puffersysteme des Blutes und des Organismus Im Plasma werden 25,2 mmol Gesamtkohlensäure (= [H 2 CO 3 ] + [ ]) transportiert. Davon entfallen 1,2 mmol/l auf die freie Kohlensäure und 24 mmol/l auf das Bicarbonat. [HCO 3 - ] [H 2 CO 3 ] Konzentrationsverhältnis von [HCO 3- ] und [ ] und daraus resultierendem ph bzw. Protonenkonzentration. Scheinbare Dissoziationskonstante der Kohlensäure [HCO - 3 ] S pco CO mmol/l [HCO 3 - ] p 24 ph = 6,1 + log = 7,4 1,2 40 mmhg : 20:1 oder 24 : 1,2 ph 7,4 Puffersysteme des Blutes und des Organismus Puffersysteme des Blutes und des Organismus Konzentrationsverhältnis von [HCO 3- ] und [ ] und daraus resultierender ph-wert bzw. Protonenkonzentration. + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Alveole Blut Verhältnis HCO - 3 / 10:1 12,5:1 16:1 20:1 25:1 32:1 40:1 Resultierender ph-wert 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 [H + ] nmol/l physiol. Bedingungen ph = 6,1 + log = 7,4 1,2 d.h. es kann kein abgeatmet werden! Geschlossenes System: Zugabe von mM Milchsäure ph = 6,1 + log = 6,1 + log 1, ,2 = 7,12 Zur Erinnerung: [H + ]=10 -ph

3 Puffersysteme des Blutes und des Organismus + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3-24 physiol. Bedingungen ph = 6,1 + log = 7,4 1,2 Alveole Blut Geschlossenes System Offenes System Die Bedeutung der Konstanthaltung der -Konzentration für die Menge Base, die benötigt wird, um den ph-wert eines Bicarbonatpuffers von 7,4 auf 7,7 zu erhöhen. Links: Der ursprüngliche Zustand bei einem ph von 7,4. Geschlossenes System: Zugabe von mM Milchsäure ph = 6,1 + log = 6,1 + log = 7,12 1, ,2 Offenes System: Zugabe von 1mM Milchsäure d.h. es kann kein abgeatmet werden! d.h. kann über die Lunge abgeatmet werden! ph = 6,1 + log = 6,1 + log 1,2 1,2 = 7,38 Mitte: Die Änderung nach Zugabe von Base im abgeschlossenen System. Rechts: Die Änderung nach Zugabe von Base im offenen System. (Modifiziert nach Hills AG, Reid EL (1967) John Hopkins Med J 120: 368) Zusammenwirken der Blutpuffer Nicht- Kopplung der Eliminationswege für und H + aus nicht-flüchtigen Säuren Überwiegend im Plasma wirksam Säurekomponente gut eliminierbar, da im offenen System an Alveolarluft gekoppelt. Gesamtkonzentration des Systems sehr anpassungsfähig, da die Elimination der laufend entstehenden Komponente variiert werden kann. pk S mit 6,1 relativ ungünstig zum physiol. ph-wert gelegen. Überwiegend in Erythrozyten. Säurekomponenten praktisch nicht eliminierbar. Gesamtkonzentration des Systems nichtvariabel. pk S mit 6,8 bis etwa 8,25 günstig zum physiol. ph-wert gelegen. Puffergleichung: [HCO - 3 ] S CO2 p Puffergleichung: ph = pk s + log [NB-Puffer] [NB-Puffer-H]

4 Diagnostische Messgrößen des Säure-Basen Status Klinisch wird des Säure-Basen-Gleichgewicht im Blut zumindest durch drei Parameter charakterisiert: 1. Parameter für die freie Protonenkonzentration: ph-wert 2. Parameter für die respiratorische Komponente: p 3. Parameter für die metabolische Komponente einer der folgenden Größen Plasmabicarbonat HCO Standardbicarbonat, StHCO Basenabweichung, BE Diagnostische Meßgrößen des Säure-Basen Status - Basenabweichung- Die Basenabweichung (base excess; BE) ist definiert als Basenkonzentration des Vollbluts, gemessen durch Titration bis zum Endpunkt ph 7,40 bei einem pc0 2 von 40 mmhg (5,33 kpa) und 37 C. Bei BE = 0 besteht keine Abweichung vom physiol. Zustand. Bei einem Überschuß an nicht-flüchtiger Säure im Blut wird BE negativ und damit zu base deficit (= es fehlen Basenäquivalente). metabolischer Einfluß Sie liefert die direkte Aussage, wieviel mmol Base pro Liter Blut überschüssig oder zu wenig vorhanden sind. [HCO - 3 ] S CO2 p respiratorischer Einfluß Die Basenabweichung ist daher hervorragend geeignet für Dosisberechnungen bei therapeutischen Massnahmen. Diagnostische Meßgrößen des Säure-Basen Status - Referenzbereiche - ph < 7,36 ph > 7,45 Azidose Alkalose (Säurezunahme (H + ) oder Basenverlust (B - )) Basenzunahme (B - ) oder (Säureverlust (H + ) ) metabolisch respiratorisch respiratorisch metabolisch primär bedingt durch Veränderung des p durch nicht-respiratorische Ursachen ; primär normaler p p [mmol/l] = (0,0304 mmol L -1 mmhg -1 ) ( 40 mmhg) = 1,2 mmol/l

5 - respiratorische Azidose - Klinisch: Mangelnde Abatmung von stärkster zentraler Atemstimulus meist hervorgerufen durch eine alveoläre Hypoventilation Partialinsuffizienz: d.h. pco2 ph Globalinsuffizienz: d.h. p + po 2 ph Hyperkapnie und Hypoxämie Ursachen: ZNS-Störungen (Hirntumor, Enzephalitis, SHT, Narkotika, etc.) Muskelstörungen (Muskelrelaxantien, Operationstrauma, etc.) Traumata (Rippenserienfraktur, etc.) Atemwege (Fremdkörper, Asthma, Brochialstenosen, etc.) Lunge (Pneumonie, Lungenödem, Emphysem, etc.) - Hypoventilation - - respiratorische Azidose - HHG: [HCO - 3 ] S CO2 p Hypoventilation -> p > 40 mmhg [ ]= 78 mmhg 0,0304 mmol/l -1 mmhg -1 = 2,37 mmol/l 24 ph = 6,1 + log = 7,10 2,37 Respiratorische Azidose

6 - respiratorische Azidose - - respiratorische Azidose - (erhöht durch alveoläre Hypoventilation) Ausgleichsmechanismen H + werden von NBP abgefangen - respiratorische Azidose - - respiratorische Azidose - HHG: [HCO - 3 ] S CO2 p Hypoventilation -> p > 40 mmhg [ ]= 78 mmhg 0,0304 mmol/l -1 mmhg -1 = 2,37 mmol/l Ausgleichsmechanismen 24 ph = 6,1 + log = 7,10 2,37 Respiratorische Azidose (zusätzlich renale Mechanismen zur Erhöhung der H + -Ausscheidung über den Urin) H + werden von NBP abgefangen Fehlen renaler Kompensationsmechanismen -> ph -Anstieg erreicht sofort intrazellulären Raum (gute Diffusion des ) Ggf. alveoläre Hypoventilation -> Sauerstoffminderversorgung. Die akute resp. Azidose = lebensbedrohlicher Zustand Sofortige Maßnahmen erforderlich!

7 - respiratorische Alkalose - - respiratorische Alkalose - Klinisch: Erhöhte Abatmung von durchalveoläre Hyperventilation Hypokapnie: p ph alkalisch Ursachen: Direkte Reizung des Atemzentrums (z.b. Hyperventilation durch emotionale Ursachen, Enzephalitis, Meningitis,SHT, Aspirin- Intox., Bakt. Toxine, Schilddrüsenüberfunktion). Reflektorische Reizung des Atemzentrums (Lungenfibrose, Pneumonie, Hypoxie bei Höhenaufenthalt). Mechanische Überbeatmung. - respiratorische Alkalose - - respiratorische Alkalose -

8 - respiratorische Alkalose - Blutgasanalysator HHG: [HCO - 3 ] S CO2 p Hyperventilation -> p < 40 mmhg [ ]= 30 mmhg 0,0304 mmol/l -1 mmhg -1 = 0,91 mmol/l 24 ph = 6,1 + log = 7,52 0,91 Respiratorische Alkalose Die akute resp. Alkalose ist im Ggs. zur Azidose meist kein akut lebensbedrohlicher Zustand, zieht aber bei Nichtbeseitigung schwere Folgen nach sich. Hauptfolge: zerebralen Durchblutung Maßnahmen: Beseitigung des Grundgeschehens (z.b. Beruhigen, ggf. Pneumonie- Behandlung, ordnungsgemäße maschinelle Beatmung. Ggf. Rückatmung, um den p zu erhöhen. Typische Befundberichte der Blutgasanalyse

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11 Gewebezelle Der Abtransport Gewebekapillare H 2 O ca. 45% als Na + HCO 3- im Plasma ca. 20% an Hb gebunden ca. 25% als K + HCO 3- im Ery. ca. 10% physikalisch gelöst O 2 Carbonanhydratase HHb H 2 CO 3 (20%) Hb H + HCO 3 (25%) O 2 Hb K + Cl (10%) HCO 3 Na + Cl (45%) Na + HCO 3

12 Die Abgabe pco 2 - Abatmung Alveole O 2 (10%) (45%) Na + HCO 3 Lungenkapillare Cl O 2 HHb HCO H + 3 Carbonanhydratase O 2 Hb +H 2 O Erythrozyt Die flüchtige Säure wird als Abfallprodukt des Stoffwechsels über die Lunge abgeatmet diffundiert von den Lungenkapillaren in die Alveolen und wird dann ausgeatmet Alveole p = 40 mmhg Kapillare p = 45 mmhg Der relativ langsame Spontanzerfall von Kohlensäure in Wasser und Kohlendioxyd wird durch die Carboanhydratase mit hoher Geschwindigkeit katalysiert. Die Kontaktzeit des Blutes mit den Lungenbläschen von ca. 1 Sekunde reicht aus, um das im Plasma als Bicarbonat transportierte wieder in und H 2 O umzusetzen und das Gleichgewicht der Partialdrücke der Blut-und der Alveolargase herzustellen. Säure-Basen Regulation Die Stellglieder für die Säure-Basen-Regulation sind die Ventilation der Lunge und die Bicarbonatrückresorption der Niere.

13 Enstehung Entsorgung von und H + Protonen Stoffwechsel als flüchtige Protonen in Form CO Extrazelluläres 2 H + Bett ph 7,4 ph 6,8 Säure nichtflüchtiger Säuren Blut u. ERZ + H 2 O H 2 CO 3 HCO H + + NBP- NBP - H Das Kohlensäure - Bikarbonat System Enzym Carbonanhydratase schnell und spontan Lunge H + Niere NBP = Eiweiß, Hämoglobin Oxihämoglobin Phosphatpuffer + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO mmol/24 h 60 mmol/24 h (NBP = Nichtbicarbonat Puffer neutralsiert Protonen durch Bindung an freie negative Ladungsstellen) Die Stoffwechselprodukte und H + werden getrennt über Lunge und Niere ausgeschieden. Beim Transport im Blut kommunizieren sie über die Puffersysteme wird ausgeatmet H 2 O bleibt zurück! Steuerung der HCO 3 Konzentration in der Niere Blut Nierenzelle Urin Die Regulation von HCO 3 vollzieht sich innerhalb von Stunden/Tagen