Blutpuffer – Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer im Blut

Der pH-Wert des Blutes liegt physiologisch in einem sehr engen Bereich von 7,35–7,45. Schon geringe Abweichungen können lebensgefährlich sein, da die Funktion von Enzymen, Proteinen und Zellmembranen pH-abhängig ist.

Um diesen Wert trotz ständig anfallender Säuren (aus dem Stoffwechsel) aufrechtzuerhalten, verfügt das Blut über mehrere Puffersysteme:

• Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer (wichtigstes System, ca. 75 % der Pufferkapazität im Plasma)
• Hämoglobin-Puffer (in den Erythrozyten)
• Phosphat-Puffer (v.a. intrazellulär und in der Niere)
• Proteinat-Puffer (Plasmaproteine)

Das zentrale Puffersystem des Blutes beruht auf dem Gleichgewicht:

CO₂ + H₂O  ⇌  H₂CO₃  ⇌  H⁺ + HCO₃⁻

Bestandteile:

• Säure: Kohlensäure (H₂CO₃) bzw. gelöstes CO₂
• Konjugierte Base: Hydrogencarbonat (HCO₃⁻)

Normalwerte im arteriellen Blut:

• c(HCO₃⁻) ≈ 24 mmol/L
• pCO₂ ≈ 40 mmHg (entspricht c(CO₂) ≈ 1,2 mmol/L)
• Verhältnis HCO₃⁻ : CO₂ ≈ 20 : 1

Anwendung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung (pK_S der Kohlensäure = 6,1):

pH = 6,1 + lg(24 / 1,2) = 6,1 + lg(20) = 6,1 + 1,3 = 7,4

Der Blutpuffer ist ein offenes System, das sich fundamental von einem geschlossenen Puffer (z.B. im Reagenzglas) unterscheidet:

• Lunge (Abatmung von CO₂): Überschüssiges CO₂ wird über die Lunge abgeatmet. Dadurch wird die Säurekomponente aus dem System entfernt und der pH-Wert kann effektiv reguliert werden.
• Niere (HCO₃⁻-Resorption und -Neubildung): Die Niere reguliert die Hydrogencarbonat-Konzentration, indem sie HCO₃⁻ rückresobiert oder H⁺-Ionen ausscheidet.

Vorteil des offenen Systems: Die Pufferkapazität ist wesentlich größer als bei einem geschlossenen Puffer, weil die Konzentrationen beider Pufferkomponenten aktiv reguliert werden. Deshalb funktioniert der Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer trotz eines pK_S von 6,1 (weit entfernt vom Blut-pH 7,4) hervorragend.

CO₂ entsteht als Endprodukt der Zellatmung und muss von den Geweben zur Lunge transportiert werden. Der Transport erfolgt auf drei Wegen:

1. Physikalisch gelöst im Plasma: Ca. 5–10 % – direkt als CO₂-Moleküle.
2. Als Hydrogencarbonat (HCO₃⁻): Ca. 70 % – CO₂ diffundiert in die Erythrozyten, wird dort durch das Enzym Carboanhydrase rasch zu H₂CO₃ umgesetzt, das in H⁺ und HCO₃⁻ dissoziiert. Das HCO₃⁻ wird im Austausch gegen Cl⁻ ins Plasma transportiert (Chlorid-Shift). Die freigesetzten H⁺-Ionen werden vom Hämoglobin gepuffert.
3. An Hämoglobin gebunden (Carbaminohämoglobin): Ca. 20–25 % – CO₂ bindet direkt an Aminogruppen des Hämoglobins.

In der Lunge laufen alle Prozesse in umgekehrter Richtung ab: CO₂ wird freigesetzt und abgeatmet.

Störungen des Säure-Base-Haushalts werden nach Ursache und Richtung klassifiziert:

Azidose (pH < 7,35):

• Respiratorische Azidose: Ursache ist eine Hypoventilation (z.B. COPD, Asthma, Atemdepression). CO₂ wird nicht ausreichend abgeatmet → pCO₂ steigt → pH sinkt.
  Kompensation: Niere steigert HCO₃⁻-Rückresorption (langsam, Stunden bis Tage).
• Metabolische Azidose: Ursache ist ein Überschuss an Stoffwechselsäuren oder ein Verlust von HCO₃⁻ (z.B. diabetische Ketoazidose, Nierenversagen, Durchfall).
  Kompensation: Vertiefte Atmung (Kussmaul-Atmung) senkt den pCO₂.

Alkalose (pH > 7,45):

• Respiratorische Alkalose: Hyperventilation (z.B. Angst, Schmerz, Höhe) → zu viel CO₂ abgeatmet → pCO₂ sinkt → pH steigt.
  Kompensation: Niere scheidet mehr HCO₃⁻ aus.
• Metabolische Alkalose: Verlust von H⁺ (z.B. Erbrechen) oder Überschuss an HCO₃⁻ (z.B. Antazida).
  Kompensation: Flache Atmung erhöht pCO₂.

Der Körper reguliert den pH-Wert des Blutes auf drei zeitlich gestaffelten Ebenen:

1. Chemische Puffer (Sekunden): Sofortige Abfederung durch Kohlensäure-Hydrogencarbonat-, Hämoglobin-, Phosphat- und Proteinat-Puffer.
2. Lunge (Minuten): Anpassung der Atemfrequenz und -tiefe reguliert den pCO₂.
3. Niere (Stunden bis Tage): Rückresorption bzw. Ausscheidung von HCO₃⁻ und H⁺ für die langfristige Feinregulation.

Alle drei Ebenen arbeiten zusammen und ergänzen sich. Fällt eine Ebene aus (z.B. Lungenerkrankung), versuchen die anderen zu kompensieren.

Abitur-Tipp: Der Blutpuffer ist ein Standardthema im Chemie- und Biologieabitur. Präge dir die Henderson-Hasselbalch-Berechnung mit den Blut-Normalwerten ein (pK_S = 6,1; Verhältnis 20:1 → pH = 7,4). Erkläre, warum das offene System funktioniert, obwohl pK_S und pH weit auseinanderliegen. Bei Aufgaben zu Azidose/Alkalose: Bestimme zuerst die Ursache (respiratorisch vs. metabolisch), dann den Kompensationsmechanismus. Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung zeigt dir, welche Größe sich wie ändern muss.