Puffersysteme und Henderson-Hasselbalch

Ein Puffer ist eine Lösung, die pH-Änderungen widersteht, wenn Säure oder Base hinzugefügt wird, indem sie Wasserstoffionen reversibel bindet oder freisetzt. Körperflüssigkeiten enthalten mehrere solcher Systeme, und die Beziehung zwischen einem Pufferpaar und dem resultierenden pH-Wert wird durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben, die der Standardbeschreibung des Säure-Basen-Status zugrunde liegt.

Definition

Ein physiologischer Puffer ist ein konjugiertes schwaches Säure- und schwaches Basenpaar, das die Änderung der Wasserstoffionenkonzentration minimiert; die Henderson-Hasselbalch-Gleichung drückt den pH-Wert eines solchen Systems als Funktion des Verhältnisses der Base zur Säureform und der Dissoziationskonstante des Systems aus.

Scope

Das Thema behandelt das chemische Prinzip der Pufferung, die wichtigsten physiologischen Puffersysteme (Bicarbonat, Phosphat, Proteine und Hämoglobin), die auf das Bicarbonatsystem angewandte Henderson-Hasselbalch-Gleichung und warum das offene Bicarbonat-Kohlendioxid-System der wichtigste Puffer des Körpers ist. Es wird als grundlegende Physiologie und nicht als klinische Leitlinie dargestellt.

Core questions

• Was lässt eine Lösung als Puffer wirken und was bestimmt ihre Kapazität?
• Warum ist das Bicarbonat-Kohlendioxid-Paar der dominante extrazelluläre Puffer trotz einer ungünstigen Dissoziationskonstante?
• Wie verknüpft die Henderson-Hasselbalch-Gleichung den pH-Wert mit Bicarbonat und dem Kohlendioxidpartialdruck?
• Welche Rolle spielen Phosphat-, Protein- und Hämoglobinpuffer?

Key concepts

• Konjugiertes Säure-Basen-Paar
• Pufferkapazität
• Dissoziationskonstante (pKa)
• Offene versus geschlossene Puffersysteme
• Bicarbonat-Kohlendioxid-Puffer
• Phosphat- und Proteinpuffer
• Isohydrisches Prinzip

Key theories

Henderson-Hasselbalch-Beziehung

Drückt den pH-Wert als die Dissoziationskonstante des Puffers plus den Logarithmus des Verhältnisses von konjugierter Base zu Säure aus; angewendet auf das Bicarbonatsystem verknüpft es den arteriellen pH-Wert mit dem Verhältnis der Bicarbonatkonzentration zum Kohlendioxidpartialdruck.

Mechanisms

Ein Pufferpaar widersteht pH-Änderungen, weil hinzugefügte Wasserstoffionen von der Basenform aufgenommen und durch Kombination mit der Säureform entfernt werden, wobei die größte Kapazität nahe der Dissoziationskonstante liegt. Obwohl die Dissoziationskonstante des Bicarbonatsystems deutlich unter dem normalen Blut-pH-Wert liegt, dominiert es physiologisch, weil es ein offenes System ist: Die Lungen entfernen kontinuierlich das produzierte Kohlendioxid und die Nieren regenerieren Bicarbonat, sodass die beiden Komponenten unabhängig voneinander reguliert werden und das System nicht erschöpft wird. Die Phosphatpufferung ist in Zellen und in der Tubulusflüssigkeit wichtiger, während Plasmaproteine und Hämoglobin eine erhebliche intrazelluläre und Blutpufferung bieten; nach dem isohydrischen Prinzip teilen sich alle Puffer in einem Kompartiment dieselbe Wasserstoffionenkonzentration, sodass die Messung eines Paares das Ganze widerspiegelt.

Clinical relevance

Die Henderson-Hasselbalch-Beziehung ist die Grundlage für die Interpretation arterieller Blutgaswerte, und das Verständnis der Pufferung erklärt, warum der pH-Wert trotz großer Säure- oder Basenlasten aufrechterhalten werden kann. Dieser Eintrag beschreibt die zugrunde liegende Chemie und Physiologie und ist keine Grundlage für klinische Entscheidungen.

Evidence & guidelines

Die Pufferprinzipien und die Henderson-Hasselbalch-Gleichung sind Standard, gut etablierte Physiologie, die in Übersichten und Texten (Hamm und Kollegen, 2015; Berend und Kollegen, 2014) konsistent beschrieben wird; der physikochemische Rahmen von Stewart bietet eine alternative, auf starken Ionen basierende Erklärung dessen, was die Wasserstoffionenkonzentration bestimmt (Story, 2016).

History

Lawrence Henderson beschrieb das Kohlensäuregleichgewicht des Blutes im frühen zwanzigsten Jahrhundert, und Karl Hasselbalch formulierte es in logarithmischer (pH) Form um, wodurch die Gleichung ihren gemeinsamen Namen erhielt. Das Bicarbonat-zentrierte Puffermodell wurde zur Standarddarstellung; Peter Stewart argumentierte später, dass die Wasserstoffionenkonzentration besser als abhängige Variable zu verstehen ist, die durch starke Ionen, schwache Säuren und Kohlendioxid festgelegt wird.

Debates

Ist Bicarbonat ein unabhängiger pH-Determinant oder eine abhängige Variable?

Die traditionelle Ansicht behandelt Bicarbonat als regulierten Puffer, der zur Einstellung des pH-Werts beiträgt, während der Stewart-Rahmen Bicarbonat (wie den pH-Wert) als abhängig von der starken Ionendifferenz, der gesamten schwachen Säure und dem Kohlendioxidpartialdruck behandelt; beide beschreiben dieselben Messungen unterschiedlich.

Key figures

• Lawrence J. Henderson
• Karl Albert Hasselbalch
• Peter A. Stewart

Seminal works

• hamm-2015
• berend-2014

Frequently asked questions

Warum ist der Bicarbonatpuffer so wichtig, wenn sein pKa weit vom Blut-pH entfernt ist?

Weil es ein offenes System ist: Die Lungen entfernen kontinuierlich Kohlendioxid und die Nieren regenerieren Bicarbonat, sodass seine beiden Komponenten unabhängig voneinander gesteuert werden und es im Körper weitaus effektiver ist, als seine Dissoziationskonstante allein vermuten ließe.

Was sagt uns die Henderson-Hasselbalch-Gleichung?

Sie setzt den pH-Wert in Beziehung zum Verhältnis der Basenform eines Puffers zu seiner Säureform; für Blut hängt der pH-Wert vom Verhältnis der Bicarbonatkonzentration zum Partialdruck von Kohlendioxid ab.