Säure-Basen-Haushalt

Die Regulation des pH-Wertes im Extrazellularraum (außerhalb der Zelle) wird durch verschiedene Puffersysteme reguliert. Dies ist sehr wichtig, da der pH-Wert innerhalb eines engen Rahmens gehalten werden muss, nämlich zwischen 7,36-7,44. Sind die Werte unterhalb dieser Grenze, spricht man von Übersäuerung bzw. Azidose. Dies kann ernste gesundheitliche Beeinträchtigungen für den Organismus mit sich bringen. Das entscheidende Kriterium ist dabei die Höhe der Säurekonzentration im Vergleich zum Anteil der Basen. Als Parameter wird das Verhältnis von Kohlendioxid (CO2 ) zu Bikarbonat (HCO3-) im Blutkreislauf verwendet.

Kohlendioxid liegt infolge der Reaktion mit Körperwasser teilweise als Kohlensäure vor. Diese kann ihre Wasserstoffionen abgeben, was sie als Säure auszeichnet. Bikarbonat ist in der Lage ein Wasserstoff aufzunehmen und wird deshalb als Base bezeichnet. Die Konzentrationen von Säuren und Basen werden über verschiedene Puffersysteme reguliert, so dass, unter physiologischen Bedingungen, Ungleichgewichte des Säure-Basen-Verhältnisses sofort ausgeglichen werden.

Bedeutung von Puffersystemen

Als Pufferlösungen werden Flüssigkeiten bezeichnet, die trotz Zugabe von Säuren oder Basen kaum deren pH-Wert ändern. Diese bestehen aus Puffersäuren, die Protonen (H+) freisetzen und Pufferbasen, die Protonen aufnehmen können. Für den Körper sind Puffersysteme von entscheidender Bedeutung, da Enzyme pH-abhängig sind und viele Stoffwechselvorgänge nur in einem engen pH-Rahmen stattfinden.

Der Kohlensäure-Bikarbonat-Puffer ist das wichtigste Puffersystem des menschlichen Körpers. Es besteht aus Kohlensäure (H2CO 3)als Puffersäure und Bikarbonat (HCO3 -) als Pufferbase. Die Regulation erfolgt durch abatmen der Puffersäure in Form von CO2 bzw. durch renale Ausscheidung der Pufferbase HCO 3-.

Übersäuerung (Azidose): Das basische Bikarbonat nimmt Proton (H+) des umgebenden Milieus auf und wird selbst zu Kohlensäure. Diese zerfällt zu Wasser und Kohlendioxid, welches abgeatmet wird. Bei Übersäuerung kommt es zu einer verstärkten Atmung, um vermehrt anfallendes Kohlendioxid aus dem Körper zu entfernen. In geringerem Umfang können Protonen auch über die Niere ausgeschieden werden.

basisches Milieu (Alkalose): Kohlensäure gibt ein Proton an die basischen Hydridionen (OH-) ab, die so zu Wasser reagieren. Kohlensäure wird hierdurch zu Bikarbonat, welches verstärkt über die Niere ausgeschieden wird. Durch langsameres Atmen kann zudem Kohlendioxid im Körper zurückgehalten werden.

Regulation im Blut

Nach Abgabe des CO2 aus dem Gewebe ins Blut, wird es überwiegend von Erythrozyten (rote Blutkörperchen) aufgenommen und dort durch Reaktion mit Wasser zur Kohlensäure (H2CO3). Die Kohlensäure kann ihre Wasserstoffionen (H+) abgeben, was sie als Säure auszeichnet. Diese Abgabe von H+ führt zur Bildung von Bikarbonat, welches dann das Blutkörperchen verlässt und mit dem Blutkreislauf zur Lunge wandert.

HCO3- ist in der Lage ein Wasserstoffion aufzunehmen und wird deshalb als Base bezeichnet. Dieser Vorgang ist notwendig um Kohlendioxid über die Lunge abzuatmen. Dabei wird das freie Bikarbonat wieder in die Erythrozyten aufgenommen und dort erneut über die Bildung von Kohlensäure zu Kohlendioxid, was anschließend abgeatmet wird.

Ein kleiner Teil des Kohlendioxids verbleibt während des Transports zur Lunge in den Erythrozyten, genauer gesagt an Hämoglobin gebunden. Die übrigen Kohlendioxidmoleküle gelangen frei, in gelöster Form zu ihrem Ziel.

Da bei der Bindung an Hämoglobin und der Umwandlung zu HCO3-Protonen entstehen, ist auch im Blut ein Puffersystem notwendig, das den Abfall des pH-Wertes verhindert. Dabei spielt Hämoglobin eine große Rolle. Durch dessen Abgabe von Sauerstoff ins Gewebe entsteht Desoxyhämoglobin, was leicht überschüssige Wasserstoff-Ionen aufnimmt. In der Lunge liegt das Hämoglobin mit Sauerstoff gebunden vor, wodurch eine Wasserstoffionenabgabe stattfindet. Dies ist praktisch, da hier ja für die Bildung von Kohlendioxid und Wasser Wasserstoff-Ionen benötigt werden. Weitere Puffer im Blut stellen Bikarbonat, Albumine und Phosphat dar.

Regulation in den Organen

Um zu verstehen, wie die verschiedenen Formen einer Azidose entstehen können, bedarf es der Erläuterung der einzelnen Regulationsmechanismen des Säure-Basen-Haushalts in den Organen.

Lungen

Die Lungen stellen ein entscheidendes Regulationssystem des Säure-Basen-Haushalts dar. Sie gelten als offenes Puffersystem, das über Respiration die größte Menge an Säure ausscheidet. Kohlendioxid entsteht bei der Verstoffwechselung von Nährstoffen in großen Mengen. Durch eine hohe Lipidlöslichkeit einerseits und einen hohen Konzentrationsgradienten andererseits wird die rasche Abgabe von CO2 an die Außenluft gefördert, bis es der intrazellulären CO2-Produktion entspricht. Dadurch bleibt das notwendige Verhältnis von H2CO3 mit HCO3- aufrechterhalten und der pH-Wert stabil.

Nieren

Zu den zwei wichtigsten Funktionen der Nieren zählen die Bikarbonat-Rückresorption und -Produktion sowie die Protonen-Exkretion. Die Bildung von Bikarbonat erfolgt über die Verbindung von Kohlendioxid und Wasser. Dabei entsteht zunächst Kohlensäure und durch Abspaltung eines Protons Bikarbonat, welches rückresorbiert wird. Das Proton wird mittels Pufferionen (NH3, HPO42-) mit dem Harn ausgeschieden. Andererseits kann schon gebildetes Bikarbonat durch Bildung von Kohlensäure ein Proton aufnehmen und so zur Niere transportieren, wo das H+ entweder wieder freigesetzt und an andere Ionen gebunden ausgeschieden wird oder am Bikarbonat verbleibt und so exkretiert wird. Die Bikarbonat-Rückresorption wird durch verschiedene Mechanismen erleichtert:

  • Anwesenheit des Hormons Angiotensin II
  • eine erhöhte CO2-Konzentration im Blut
  • die Bikarbonatkonzentrationen im Harn sowie dessen Flussrate.

Nach der Aufnahme in den Tubulus wird HCO3- im Austausch mit Cl- , an das Blut abgegeben. Die H+- Ausscheidung mit dem Harn erfolgt aktiv mittels Na/K-ATPasen. Die Stimulation der ATPasen erfolgt direkt durch Angiotensin. Es existiert aber auch ein indirekter Regulationsmechanismus, der dafür sorgt, dass durch eine Veränderung des Membranpotentials mehr H+ ins Lumen diffundieren.

Damit der Harn-pH-Wert nicht extrem absinkt, werden die Protonen sofort an Pufferionen wie Hydrogenphosphate gebunden. Ist eine bestimmte Anzahl an Hydrogenphosphaten bereits mit Protonen gesättigt, wird ein Reservemechanismus aktiviert: die Ammoniumausscheidung. Dazu wird die im Körper vorhandene Aminosäure Glutamin zu Glutamat desaminiert, was Ammoniak freisetzt und mit einem Proton zum Ammoniumion (NH4+ ) umgewandelt wird. Diese Reaktion benötigt ADP, was von der Na/K-ATPase zur Verfügung gestellt wird, Natrium wird dabei aus der Tubuluszelle in den Extrazellulärraum transportiert und Kalium gelangt in die Zelle, dabei wird ADP frei. Daraus folgt: Je mehr NH4+ freigesetzt wird, desto mehr Na+  wird, durch die ATPase, rückresorbiert. Da die Ammoniumionen sauer sind, werden diese mit dem Harn ausgeschieden, sobald eine Sättigung an Dihydrogenphosphaten erreicht ist und eine Entsäuerung durch Hydrogenphosphat somit nicht mehr möglich ist. Ein Überschuss an NH4+ kann damit ein Hinweis auf eine systemische Azidose geben.

Leber

Dieses Organ stellt Säuren und Basen her, kann diese aber auch umwandeln. Damit ist die Leber der wichtigste Regulator des Säure-Basen-Haushalts. Einige wichtige Prozesse werden hier erläutert:

Protein-Synthese

Albumin wir am Meisten produziert und ist ein wichtiger Säurepuffer, der Kohlendioxid und Protonen bindet, sobald ein Überschuss an diesen Stoffen herrscht. Das Protein selbst ist leicht sauer.

Substratoxidation

Die Substratoxidation benötigt 1/5 des täglichen Gesamtbedarfs an Sauerstoff zur CO 2-Produktion. Beim gesunden Menschen werden Kohlenhydrate und Fette vollständig zu CO2 abgebaut. Eine Erkrankung der Leber, die diesen Abbau in bestimmter Weise beeinflusst, kann jedoch eine metabolische Azidose hervorrufen (siehe: metabolische Azidose.) Aminosäuren bewirken je nach Charakteristik entweder eine Ansäuerung des Gewebes, was bei den basischen Aminosäuren wie Arginin, Lysin und Histidin der Fall ist oder eine Alkalisierung, wie durch den Abbau von Glutaminsäure und Asparaginsäure. Da hier schon im Normalfall mehr Säuren als Basen anfallen, ergibt sich dadurch der tägliche Gehalt an ausscheidungspflichtigen Substanzen.

Ammonium-Stoffwechsel

Da überschüssige Aminosäuren nicht gespeichert werden können, müssen sie umgewandelt, abgebaut oder ausgeschieden werden. Dabei wird das Ammoniumion gebildet, welches vorwiegend über den Harnstoffzyklus, zu geringen Mengen auch mittels Glutamatzyklus, aus dem Körper geschleust wird. (Aminosäuren werden zu Alpha-Ketosäuren abgebaut, dabei wird gleichzeitig Alpha-Ketoglutarat zu Glutamat durch Übertragung der Aminogruppe, die in der ersten Reaktion frei geworden ist.) Da der Harnstoffzyklus Bikarbonat benötigt, wird dieser Weg bei metabolischer Azidose durch die Bildung von Glutamin ersetzt.

Knochensystem

Der größte Speicher an Mineralien besteht zu 2/3 aus anorganischem Hydroxylapatit (Ca 10[PO4 ]6 [OH] 2) und 1/3 aus organischem Material. Ersteres stellt ein großes Säure-Puffersystem dar, da seine aktive Oberfläche in der Knochensubstanz, durch die Bildung sehr kleiner Kristalle, stark vergrößert ist. Zudem können das Phosphat und die Hydroxylgruppe im Hydroxylapatit durch Karbonat ersetzt werden, wodurch die Körperreserve an Bikarbonat stark erhöht wird.

Kompensation einer akuten Azidose: Die zirkulierenden überschüssigen Protonen werden durch eingelagerte Kationen, wie Natrium, Kalium und etwas Calcium ausgetauscht. Auch ganze Moleküle aus der Hydrathülle des Hydroxylapatits, Na/KHCO3- und Na/KHPO4, können mobilisiert werden.

Kompensation einer chronischen metabolischen Azidose: Erhöhung der Osteoklastenaktivität. Dies wird durch Hormone wie Parathormon und Vitamin D3 gefördert und durch einen sauren pH-Wert stimuliert.

Verdauungssystem

Die Verdauung ist in ihrer Geschwindigkeit und Menge abhängig vom Säure-Base-Haushalt. Die hier benötigten Enzyme bedürfen eines bestimmten pH-Wertes, um richtig agieren zu können. Für die Aufschließung der Kohlenhydrate und des Fettes ist ein basisches Milieu notwendig, wohingegen die Proteine ein saures Verhältnis bevorzugen.

Magen

Um den extremen Säuregehalt im Magen aufrecht zu erhalten, ist ein hoher Protonengehalt notwendig. Dieser wird von den Parietalzellen (sezernierende Zellen des Magens) gesteuert, hierbei ist Kohlendioxid, aus dem mitochondrialem Zitratzyklus, und die H/K-ATPase notwendig. Mittels der Pumpe wird das vorher als KCl abgesonderte Kalium wieder in die Zellen geholt und im Austausch H+ abgegeben. Dieses Wasserstoffion kann durch die, aus Wasser und Kohlendioxid entstandene, Kohlensäure zur Verfügung gestellt werden. Dabei bleibt Bikarbonat übrig, welches an Natrium gebunden in die Blutbahn gelangt. Im Blut wird dadurch der pH-Wert und somit die Pufferkapazität erhöht. Dies entspricht dem Vorgang nach Nahrungsaufnahme. Dieses zirkulierende Bikarbonat wird von den anderen Verdauungsorganen benötigt, um den pH-Wert des Chymus zu entsäuern, wobei erneut Kohlensäure entsteht. Diese wird anschließend dehydratisiert und nach Aufnahme in den Blutkreislauf über die Lunge abgeatmet.

Die Funktion der Säure im Magen ist unter anderem die Aktivierung des Enzyms Pepsin, welches erst bei sehr niedrigem pH aktiv wird und für die Eiweißspaltung sorgt. Der angesäuerte Mageninhalt wirkt auch antiseptisch, so dass im weiteren Verlauf der Verdauung keine fremden Keime in den Körper eindringen können. Durch diese Säureschicht ist jedoch auch keine Resorption möglich, da die Schleimhaut mit einer schützenden Schutzschicht ausgelegt ist.

Dünndarm

In diesem Abschnitt des Verdauungstrakts herrschen alkalische Bedingungen. Der Grund hierfür ergibt sich aus der Tatsache, dass Gallensäuren und Pankreassaft einen hohen Gehalt an HCO3- aufweisen. Diese Säfte sorgen für die Zersetzung der Nahrung in kleine Partikel, die eine Aufnahme der Nährstoffe möglich macht.

Dickdarm

Durch die Bakterien in diesem Abschnitt wird das Milieu leicht sauer. Diese verwerten die unverdaulichen Nahrungsbestandteile. Außerdem wird hier der Darminhalt eingedickt.

Auswirkung der Ernährung

Beim vollständigen Abbau von Kohlenhydraten und Fetten entsteht Wasser und Kohlendioxid, was abgeatmet wird und so nur marginalen Einfluss auf den Säure-Basen-Haushalt hat. Bei Organerkrankungen oder bestimmten Stoffwechselsituationen werden diese Nährstoffe jedoch nur teilweise abgebaut und nicht abbaubare Säuren sammeln sich an. Bei der Verstoffwechselung von Proteinen bzw. Aminosäuren fallen hingegen immer Säuren und Basen an, die ausgeschieden werden müssen. Besonders hervorzuheben sind die schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin, bei deren Abbau Sulfat und H+- -Ionen entstehen. Diese müssen über die vorhandenen Puffersysteme aus dem Organismus transportiert werden. Kann der Organismus die überschüssigen Säuren nicht mehr abbauen, verbleiben diese im Körper und sorgen für eine Verschiebung des pH-Wertes (Übersäuerung/ Azidose).

Die Umstände, die zu einem unzureichenden Nährstoffabbau bzw. einer unzureichenden Ausscheidung führen können, werden im Folgenden erläutert.

Metabolische Azidose

Unter diesem Begriff versteht man ein Ungleichgewicht zwischen Säuren und Basen, welches erhöhte relative Säurekonzentrationen zur Folge hat. Diese Form der Azidose ist stoffwechselbedingt. Die wichtigsten Ursachen lassen sich verschiedene Weise unterteilen.

Bei einer Additionsazidose werden zu viele Säuren gebildet oder aufgenommen, reichern sich diese im Körper an. Gründe hierfür sind unter anderem

  • die Entstehung einer Ketoazidose (durch Diabetes mellitus, Hunger, Alkohol, Fieber, Hypermetabolismus, bestimmte Stoffwechselerkrankungen)
  • die Entstehung einer Laktatazidose (durch Hypoxie, Operationen, neurologische Erkrankungen, Leberzirrhose)
  • Stress
  • Intoxikationen (durch Salizylsäure, Ammoniumchlorid, Methylalkohol, Glykol)
  • Umweltschadstoffe
  • übermäßige Darmgärungen
  • Aufnahme über Nahrung

Die Verlustazidose ist durch einen verminderten Basengehalt charakterisiert, der durch einen erhöhten Verlust oder eine zu geringe Produktion entstanden ist (durch Durchfall, Darmverschluss, Darmentzündung, Fisteln des Darms, der Galle, des Pankreas, verringerte Bikarbonat-Ausscheidung der Parietalzellen)

Bei einer Retentions- oder renalen Azidose handelt es sich um die unzureichende Ausscheidung von H+ -Ionen aufgrund einer gestörten Nierenfunktion.

Ein extrazellulärer Kaliumüberschuss bewirkt ein Einströmen von Kalium in die Zellen, woraufhin Wasserstoffionen abgegeben werden und schließlich in die Blutbahn gelangen. Dann sprechen wir von einer Verteilungs- oder hyperkaliämischen Azidose.

Eine Verdünnungsazidose entsteht infolge der Senkung des HCO3- – Gehalts durch eine übermäßige Zufuhr neutraler Lösungen.

Eine Transfusionsazidose wiederum kann durch eine Bluttransfusion mit Erythrozytenkonzentrat auftreten.

Kompensationsmechanismen:

  • Kussmaul-Atmung zur gesteigerten Ausscheidung von CO2
  • erhöhte renale Bikarbonat-Reabsorption
  • verstärkter Glutamatzyklus
  • geringerer Harnstoffzyklus

Längerfristig kann es auch zum Knochenabbau kommen, da hier große alkalische Reserven mobilisiert werden können.

Respiratorische Azidose

Die respiratorische Azidose tritt selten auf, da bei erhöhten Kohlensäurespiegeln dieses einfach abgeatmet wird. Durch schwere Lungen- oder Thoraxerkrankungen, Vergiftungen, Behinderung der Ventilation, kriminellen Tätlichkeiten bzw. Unfällen kann es jedoch zu dieser Form der Azidose kommen.

Kompensationsmechanismen:

  • Aufnahme von CO2 in die Zellen
  • Bildung von Kohlensäure, die wieder neutralisiert werden muss (alle Stoffe werden hierfür herangezogen)
  • erhöhte Reabsorption von Bikarbonat in der Niere
  • gesteigerte Eliminierung von Chlorid
  • der Ammonium-Stoffwechsel wird vorwiegend über den Glutamatweg geregelt, wohingegen der Harnstoffzyklus weitestgehend eingestellt wird

Einfluss der Ernährung

Über den Stellenwert der Ernährung im Zusammenhang mit der Entwicklung einer Azidose gibt es unterschiedliche Meinungen. Da der Harn vor Übersäuerung durch die Niere geschützt wird, geben abweichende Säuregehalte in dieser Flüssigkeit keinen Aufschluss über die tatsächliche Säurelast im Körper. Dieser Parameter wird jedoch vielfach verwendet, wenn über saure Nahrung gesprochen wird. Eine sensitivere Größe ist das Blut, wo Abweichungen direkt registriert werden können. Darüber hinaus müssen diese Faktoren beachtet werden:

  • chemische Zusammensetzung der Nahrung (Mg, Ca, P, Na, Cl, Proteingehalte)
  • unterschiedliche Absorptionsrate der verschiedenen Nährstoffe

Einigkeit herrscht darüber, dass im Alter die Nierenfunktion abnimmt und die Ausscheidungsprodukte dadurch eine größere Belastung für die Nieren darstellen. Über die daraus resultierende adäquate Ernährung gibt es jedoch kontroverse Studienergebnisse. Da schwefelhaltige Aminosäuren, die viel in Fleisch enthalten sind, als Säurebildner gelten, werden viele Empfehlungen dahingehend gegeben, dass ältere Menschen sich fleischarm ernähren sollten. In Studien wie der Framingham Studie, die eine große Anzahl älterer Menschen über einen langen Zeitraum beobachtete, zeigte sich jedoch, dass die Personen mit dem geringsten Proteinkonsum (0.21-0.71 g/kg KG pro Tag) einen signifikant größeren Verlust an Knochendichte ( im Bereich Oberschenkelhals, Lendenwirbelsäule) zu verzeichnen hatte als die Personen, die hohe Eiweißmengen (1.24-1.78 g/kg KG pro Tag) konsumiert hatten. Die Art des Proteins war darüber hinaus ebenfalls ausschlaggebend, nur die Aufnahmemenge von tierischem Protein korrelierte mit einer höheren Knochendichte. Dies spricht dafür, dass eine ausreichende, wenn nicht sogar höhere Zufuhr an Eiweiß im Alter nötig ist, um die Knochengesundheit zu erhalten. Eine andere Studie beschreibt gegenteilige Ergebnisse bei Frauen im postmenopausalen Alter, >65 Jahre. Dabei wurde gezeigt, dass eine höhere Aufnahme an pflanzlichen und eine geringe Zufuhr an tierischen Proteinen ein geringeres Risiko für Knochenverlust am Oberschenkelhals und Hüftfrakturen darstellt. Gemessen wurde weiterhin die Frakturrate über die gesamte Zeit, wobei wieder die Probandinnen mit dem geringsten Quotienten die besten Ergebnisse erzielten.

Generell kann gesagt werden, dass eine ausgewogene Ernährung beim gesunden Menschen keine Azidose hervorrufen kann. Bei bestimmten Erkrankungen der Organe, die den Säure-Basen-Haushalt regeln, kann ein Überschuss an Säuren jedoch unter Umständen nicht mehr abgepuffert werden. Eine azidogene Ernährung belastet dann den Organismus zusätzlich. Für diese Personen ist es hilfreich zu wissen, welche Nahrungsmittel als basisch und welche als sauer gelten. Folgende Tabelle soll die wichtigsten Lebensmittelgruppen und ihre Zugehörigkeit darstellen:

Säure- und Basenbildner unter den Nahrungsmitteln 
SäurebildnerBasenbildner
tierische Lebensmittel (Fleisch, Milchprodukte, Eier, Fisch)Kartoffeln
VollkornprodukteGemüse
ColagetränkeKräuter
 Obst
 Mineralwasser ohne Kohlensäure

 

Hierbei spielt die Menge der Aufnahme eine entscheidende Rolle. Auch säurebildende Nahrungsmittel sollten, den geltenden Empfehlungen gemäß, zugeführt werden. Diese versorgen den Körper mit essentiellen Stoffen, die in anderen Lebensmitteln nicht oder unzureichend vorhanden sind.