Kohlensäure-Bicarbonat-System

Grundprinzip

Das Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem ist der wichtigste Blutpuffer im menschlichen Blutkreislauf. Ein Blutpuffer fängt Schwankungen des pH-Werts ab, also Veränderungen darin, wie sauer oder basisch das Blut ist. Das System besteht aus Kohlensäure (H_{2}CO_{3}) als Säure und dem Bicarbonation, genauer Hydrogencarbonation genannt (HCO_{3}^{−}), als Base.

Wenn das Blut nicht sauer genug ist, gibt Kohlensäure ein Proton (H^{+}) ab und wird dadurch zum Bicarbonation. Wenn das Blut dagegen zu viele Protonen enthält, also zu sauer ist, bindet Bicarbonat ein Proton und wird zur Kohlensäure. Diese zerfällt weiter zu Wasser (H_{2}O) und Kohlenstoffdioxid (CO_{2}). Das Kohlenstoffdioxid kann über die Lunge abgeatmet werden. Dadurch ist das Puffersystem eng mit der Atmung verbunden.

Chemische Funktionsweise

Dem Puffersystem liegt folgender chemischer Zusammenhang zugrunde:

CO_{2}+H_{2}O ⇌ H_{2}CO_{3} ⇌ HCO_{3}^{−}+H^{+}

Dabei steht das Zeichen ⇌ für ein chemisches Gleichgewicht: Die Reaktion kann in beide Richtungen ablaufen. Je nachdem, ob im Blut mehr oder weniger Protonen vorhanden sind, verschiebt sich das Gleichgewicht.

Vereinfacht kann die Kohlensäure (H_{2}CO_{3}) in der Gleichung weggelassen werden, weil ihre Konzentration im Blut um den Faktor 400 geringer ist als die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO_{2}). Dann ergibt sich:

CO_{2}+H_{2}O ⇌ HCO_{3}^{−}+H^{+}

Für dieses Puffersystem gilt die Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

pH = pK_{S} + lg(c(HCO_{3}^{−}) / c(CO_{2}))

Der pK_{S}-Wert für das Gleichgewicht beträgt 6,1 bei 37 °C. Der Kohlenstoffdioxid-Partialdruck im Blut beträgt ungefähr 40 mmHg beziehungsweise 40 Torr. Das entspricht einer Konzentration von 1,2 mM. Bei einer Konzentration der Hydrogencarbonationen von 24 mM berechnet sich ein pH-Wert von 7,4.

Regulation durch Atmung

Der Blutpuffer ist ein offenes System. Das bedeutet hier: Kohlenstoffdioxid wird dem Blut zugeführt oder aus dem Blut entfernt. Unter normalen Bedingungen wird der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid annähernd gleich gehalten. Diese Steuerung über die Atmung heißt respiratorische Regulation.

Über eine gesteigerte oder verminderte Atemtätigkeit kann der Blut-pH-Wert schnell reguliert werden. Bei gesteigerter Atemtätigkeit, also Hyperventilation, sinkt der Anteil von CO_{2} in der Atemluft. Dadurch sinkt der Partialdruck von CO_{2} in der Lunge und anschließend auch der Anteil von CO_{2} im Blut. Nach dem Massenwirkungsgesetz wird CO_{2} aus HCO_{3}^{−} und Protonen nachgebildet. Dadurch sinkt die Zahl der Protonen, und der pH-Wert im Blut steigt an. Das Blut wird basischer. Dieser Zustand heißt respiratorische Alkalose.

Umgekehrt führt eine verminderte Atemtätigkeit, also Hypoventilation, zu einem erhöhten CO_{2}-Partialdruck. Dann laufen die Reaktionen in die andere Richtung. Der Blut-pH-Wert sinkt, das Blut wird saurer. Dieser Zustand heißt respiratorische Azidose.

Regulation durch Nieren und Bluteiweiße

Neben der Atmung beeinflussen auch die Nieren den Säure-Basen-Haushalt. Sie können Protonen und Bicarbonationen gezielt ausscheiden oder im Körper zurückhalten. Besonders wichtig ist die Rückgewinnung von Hydrogencarbonationen. Die Nieren reagieren allerdings langsamer als die Atmung: Sie können erst nach 3–4 Tagen effektiv auf eine plötzliche Änderung des Blut-pH-Werts reagieren.

Auch bestimmte Bluteiweiße sind an der Regulation des Säure-Base-Haushalts beteiligt. Sie können bei Bedarf Protonen binden oder freisetzen. Das Kohlensäure-Bicarbonat-System eignet sich daher nicht als alleinige dauerhafte Regulation, weil bei der Bildung von Kohlenstoffdioxid auch Bicarbonationen über die Abatmung in der Lunge abgegeben werden.