Kohlensäure-Bicarbonat-System

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

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.

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

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

Weblinks

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

12.01.2021
Quantenoptik
Schnellere und stabilere Quantenkommunikation
Einer internationalen Forschungsgruppe ist es gelungen, hochdimensionale Verschränkungen in Systemen aus zwei Photonen herzustellen und zu überprüfen.
11.01.2021
Quantenoptik - Teilchenphysik
Elektrisch schaltbares Qubit ermöglicht Wechsel zwischen schnellem Rechnen und Speichern
Quantencomputer benötigen zum Rechnen Qubits als elementare Bausteine, die Informationen verarbeiten und speichern.
11.01.2021
Galaxien
ALMA beobachtet, wie eine weit entfernte kollidierende Galaxie erlischt
Galaxien vergehen, wenn sie aufhören, Sterne zu bilden.
08.01.2021
Optik - Teilchenphysik
Umgekehrte Fluoreszenz
Entdeckung von Fluoreszenzmolekülen, die unter normalem Tageslicht ultraviolettes Licht aussenden.
08.01.2021
Festkörperphysik - Teilchenphysik
Weyl-Punkten auf der Spur
Ein Material, das leitet und isoliert – gibt es das? Ja, Forschende haben erstmals 2005 sogenannte topologische Isolatoren beschrieben, die im Inneren Stromdurchfluss verhindern, dafür aber an der Oberfläche äußerst leitfähig sind.
07.01.2021
Raumfahrt - Festkörperphysik - Quantenoptik
MOONRISE: Schritt für Schritt zur Siedlung aus Mondstaub
Als Bausteine sind sie noch nicht nutzbar – aber die mit dem Laser aufgeschmolzenen Bahnen sind ein erster Schritt zu 3D-gedruckten Gebäuden, Landeplätzen und Straßen aus Mondstaub.
07.01.2021
Astrophysik - Relativitätstheorie
Konstanz von Naturkonstanten in Raum und Zeit untermauert
Moderne Stringtheorien stellen die Konstanz von Naturkonstanten infrage. Vergleiche von hochgenauen Atomuhren bestätigen das jedoch nicht, obwohl die Ergebnisse früherer Experimente bis zu 20-fach verbessert werden konnten.
05.01.2021
Thermodynamik
Weder flüssig noch fest
E
05.01.2021
Quantenoptik
Mit quantenlimitierter Genauigkeit die Auflösungsgrenze überwinden
Wissenschaftlern der Universität Paderborn ist es gelungen, eine neue Methode zur Abstandsmessung für Systeme wie GPS zu entwickeln, deren Ergebnisse so präzise wie nie zuvor sind.
22.12.2020
Galaxien - Sterne
Wie sich Sterne in nahe gelegenen Galaxien bilden
Wie Sterne genau entstehen, ist nach wie vor eines der grossen Rätsel der Astrophysik.