Biologische Puffersysteme spielen eine essenzielle Rolle bei der Aufrechterhaltung der intrazellulären Homöostase lebender Organismen, indem sie es Zellen ermöglichen, ihren pH-Wert auf einem optimalen Niveau zu halten, um enzymatische Aktivitäten, Proteinfaltung und weitere lebenswichtige Prozesse zu unterstützen.
Eines der bedeutendsten humanbiologischen Blut-Puffersysteme stellt der Phosphatpuffer (Dihydrogen-/Hydrogenphosphatpuffer) dar.
Die Hauptkomponenten biologischer Puffersysteme sind im Allgemeinen schwache Säuren und ihre jeweils korrespondierenden Basen, die als konjugierte Säure-Base-Paarung dazu imstande sind, Protonen zu akzeptieren oder abzugeben, um einen möglichst stabilen pH-Wert aufrechtzuerhalten: Im Falle des Phosphatpuffersystems besteht die konjugierte Säure-Base-Paarung aus Dihydrogenphosphat und Hydrogenphosphat:
Generell liegt der optimale Bereich eines Puffersystems etwa bei einem Wert von +/-1 um den pKs-Wert der entsprechenden Säure. Da Hydrogenphosphat bei 25 °C einen pKs-Wert von 7,2 aufweist, bewegt sich der optimale Pufferbereich in diesem Fall zwischen pH-Werten von 6,2 und 8,2. Innerhalb des menschlichen Körpers verschiebt sich der pKs-Wert des Hydrogenphosphates leicht mit der Umgebungstemperatur: Bei 37 °C liegt der pKs-Wert bei etwa 6,8 und der optimale Pufferbereich damit bei 5,8 bis 7,8.
Da sich der pH-Wert des menschlichen Blutes im Normalfall zwischen Werten von 7,36 und 7,44 bewegt, deckt der optimale Leistungsbereich des Phosphatpuffers den pH-Bereich des Blutes gut ab.
Ein weiteres essenzielles biologisches Puffersystem ist der Bicarbonatpuffer (Kohlenstoffdioxid-Bicarbonat-System), mit dessen Hilfe ebenfalls pH-Schwankungen innerhalb des menschlichen Blutkreislaufes abgefangen werden können:
In diesem Fall besteht die konjugierte Säure-Base-Paarung aus Hydrogencarbonat und Kohlenstoffdioxid. Da die hier aufgeführte unbeständige Zwischenstufe (Kohlensäure) innerhalb des menschlichen Blutes in weitaus niedrigeren Konzentrationen vorkommt als Kohlenstoffdioxid kann die Gleichung bei Bedarf zusätzlich simplifiziert werden:
Bei dem Kohlenstoffdioxid-Bicarbonat-System handelt es sich um ein offenes Puffersystem: Überschüssiges Kohlenstoffdioxid kann über die Lungen abgeatmet werden, während der Hydrogencarbonat-Spiegel über die Niere reguliert werden kann. Der Vorteil eines offenen Puffersystems liegt entsprechend in einer beständigen Regeneration der Pufferfähigkeit.
Innerhalb des menschlichen Körpers beinhaltet der Bicarbonatpuffer einen Überschuss an Hydrogencarbonat (Konzentrationsverhältnis von Kohlenstoffdioxid und Hydrogencarbonat ca. 1:20). Damit eignet sich der Bicarbonatpuffer speziell, um Protonen bzw. Hydronium-Ionen zu neutralisieren, die im Rahmen verschiedener Stoffwechselvorgänge in nennenswerten Mengen entstehen. Das Abfangen der Protonen bzw. Hydronium-Ionen führt zu einer erhöhten Kohlenstoffdioxid-Bildung und damit zu einer Verlagerung des Gleichgewichts. Wenn überschüssige Mengen an Kohlenstoffdioxid in der Folge über die Lungen abgeatmet werden, wird die Pufferkapazität regeneriert.
Sinkt der pH-Wert des Blutes unter den Normbereich ab, spricht man von Azidose. Bei respiratorischer Azidose kommt es durch eine gestörte Kohlenstoffdioxid-Abatmung zu einer sogenannten Hyperkapnie (erhöhter Kohlenstoffdioxid-Partialdruck).
Eine Abweichung des Blut-pH-Wertes in den basischen Bereich entspricht dagegen einer Alkalose. Entsprechend geht eine respiratorische Alkalose mit einer Hypokapnie, also einem erniedrigten Kohlenstoffdioxid-Partialdruck des Blutes einher.
Sowohl Azidose als auch Alkalose können schwerwiegende lebensbedrohliche Folgen für den Organismus mit sich ziehen. Funktionsfähige Blutpuffersysteme tragen daher immense Bedeutung für die Aufrechterhaltung lebenswichtiger biologischer Funktionen.
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Literatur:
Engels, B., Fink, R., Schirmeister, T., Schmuck C. (2017). Chemie für Mediziner. München: Pearson.
Klinke, R., Kurtz, A., Pape, H.-C., Silbernagl, S. (2009). Physiologie. Stuttgart: Thieme.
Bildquellen: Eigene Darstellung