Protonenbildung Im Stoffwechsel2.docx PDF

**[Protonenbildung Im Stoffwechsel]** CO2-Bildung führt zur Bildung von Säureäquivalenten (in Form von freien H+) **Also: Im Stoffwechsel entsteht CO2 Dieses reagiert dann im Körper mit Wasser zu Kohlensäure Diese zerfällt in Bicarbonat und Protonen!!!** **CO2 + H2O \ H2CO3 \ HCO3- + H+** Gesamt...

**[Protonenbildung Im Stoffwechsel]** CO2-Bildung führt zur Bildung von Säureäquivalenten (in Form von freien H+) **Also: Im Stoffwechsel entsteht CO2 Dieses reagiert dann im Körper mit Wasser zu Kohlensäure Diese zerfällt in Bicarbonat und Protonen!!!** **CO2 + H2O \ H2CO3 \ HCO3- + H+** Gesamtmenge pro Tag: **13-20 mol** (= 850 mmol/h) Das entspricht einer H+-Menge, die in 13-20 Liter einer 1 molaren Salzsäure enthalten sind. [Herkunft der H+] 1. CO2-Produktion (Stoffwechsel, Abbau von KH, Lipiden, Proteinen (+entstehen im Citratzyklus) 2. Anhäufung von H+ aus dem Intermediärstoffwechsel (flüchtige organische Säuren wie Laktat) 3. Bildung von Netto-Protonen (=nicht flüchtige anorganische Säuren wie Schwefel und Phosphorsäure) **1)** *Kohlenhydrate* Glucose + 6 Sauerstoff ---\> **6 CO2** + 6 Wasser \ 6 HCO3- (Hydrogencarbonat) + 6 H+ *Lipide* Palmitat- + H+ + 23 Sauerstoff ---\> **16 CO2** + 16 Wasser \ 16 HCO3- + 16 H+ *Proteine* Alanin + 3 O2 + 2 Wasser ---\> **3 CO2** + 3 Wasser + NH3 \ 3 HCO3- + 2 H+ + NH4+ 2 NH3 + CO2 ---\> Harnstoff **2)** *Abbau des Zuckers unter anaeroben Bedingungen (bei O2-Mangel Glucose wird zu Lactat)* Glucose ---\> 2 Milchsäure \ 2 Lactat- + 2 H+ Palmitat- + H+ + 5 O2 ---\> 4 beta-OH-Buttersäure \ 4 beta-OH-Butyrat- + 4H+ Anaerobe Glykolyse bei O2-Mangel: Milchsäure ---\> Lactat ---\> Gluconeogenese in Leber und Niere ---\> Glucose ---\> Milchsäure **normal: 1 mM** Fettsäuren ---\> Ketogenese (Leber): Acetessigsäure ---\> Aceton (Ketolyse) ---\> Ketonkörper ---\> CO2 und Wasser **normal: \< 0,5 mM** Erhöht bei verstärktem Fettabbau / Fasten / Diabetes mellitus Ketonkörper entstehen beim verstärkten Fettabbau als Nebenweg, weil die Leber nicht genug Kapazität hat um das Fett abzubauen. Die Ketonkörper sind ein Notfallvorrat für kritische Systeme im Körper! **3)** S-haltige AS Phospholipide, Nucleotide, Nucleinsäuren [Protonenelimination aus dem Stoffwechsel] CO2 ---\> *Lunge (**Abatmung** von CO2)* Ketonkörper ---\> *Lunge **Acetongeruch** (Oxidation ---\> CO2 + H2O)* **Lactat** ---\> *Lunge (Lactat-Oxidation ---\> CO2 + H2O) / Leber (**Gluconeogenese: Glucose**)* Netto-Protonen ---\> *Niere (Oxidation von Stoffwechselbasen Lactat, Maltat, Citrat)* ---\> Nahrung und Stoffwechsel liefern eine H+-Menge von **60 +/- 20 mmol**, die täglich über die Nieren ausgeschieden werden muss. ---\> Der Gesamtbestand des Körpers an H+-Ionen beträgt etwa **105 mmol**. Diese sind an Basen gebunden, die als *Puffer* wirken. ---\> Insg. sind rd. **700 mMol** Pufferbasen vorhanden. [Bedeutung der Protonen] - - - - - H+-Gradient treibt ATP-Synthese voran (ADP3- + HPO4\^2- + H+ \ ATP + Wasser) - Es muss im Blut Puffersysteme geben, die die Entstehung von so vielen Protonen kompensiert, bevor sie abgegeben werden **[Säure-Base-Haushalt]** [pH-Wert des Blutplasmas] *Normbereich* Azidose \ Alkalose *Überlebensbereich* t \t - Der pH-Wert: Negativer dekadischer Logarithmus der H+-Ionen-Konzentration =Maß für aktuelle Konzentration von H+ in Lösung pH=-log(H+) **Der pKa/pKs-Wert: Die Säurestärke:** Je kleiner, desto stärker ist die Säure Z.B. Säure mit pks 3-4: Bei ph 7,4 vollständig dissoziiert Säure mit pks über 9 undissoziiert Säure mit pks kleiner 1: SEHR STARK **[Puffersysteme]** Definition: Lösung, die ph-Wert konstant halten kann, trotz Zugabe von Säure oder Base - Kann zusätzliche H+/OH- kompensieren! - Wichtig im Blut, um Stoffwechselprodukte auszuhalten, ohne physiologischen pH zu verlieren! Prinzip: Die zusätzlichen Säuren/Basen werden dem System gleich wieder entzogen, in dem sie wegreagieren! So wirken sie sich nicht auf die Konzentration aus! Berechnung pH-Wert einer Pufferlösung: Henderson-Hasselbalch-Gleichung: pH= pKs + log (Base/Säure) - Man sieht: pH nur abhängig von dem Verhältnis von der Base zur Säure, NICHT Konzentration! Merke: Liegen Säure und Base im gleichen Verhältnis vor, dann ist der Bruch = 1 - Dann entspricht der pH-Wert dem pKs-Wert, also der Säurestärke **[Pufferkapazität]** **Abhängig von:** 1. Gesamtkonzentration des Systems Je konzentrierter das System, desto größer Kapazität - Verdünnte Systeme weniger effektiv 2. Nähe des pH-Werts der Lösung zum pKs-Wert des Systems - Pufferkapazität am größten bei: pH=pKs (also wenn Säure-Base-Verhältnis gleich!)  **[Titrationskurve eines Puffersystems]** Umkehrpunkt = **Halbäquivalenzpunkt** Hier: Verhältnis Säure zu Base = 1 pH=pKs - Hier ist die Pufferung am STÄRKSTEN **Der Äquivalenz-Punkt:** Punkt an dem Säure komplett durch Base kompensiert wurde - Es liegt nur noch Base vor! - An diesem Punkt kann man also feststellen, wie viel Säure in einem System vorlag, wenn man g gleichzeitig misst, wie viel Base man zugeben muss, um diesen Punkt zu erreichen! (Titration) **Um den Halbäquivalenz-Punkt herum!** **[Puffersysteme im Blut]** Unterscheidung: 1. Bicarbonat-Puffer: 75% Pufferung Wichtigster Puffer 2. Nicht-Bicarbonat-Puffer: Mehrere Systeme mit 25% an Gesamtkapazität **Bicarbonat-Puffer:** 1. Im Metabolismus entsteht CO2 (siehe Protonenbildung) 2. CO2 reagiert und es kommt zur Protonenbildung 3. Protonen müssen kompensiert werden, da sie sonst pH-Wert torpedieren Also: H20+CO2 H2CO3 H+ + HCO3- ABER: Es gibt zwei Fragen zu klären! 1. Wieso so viel stärker als Nicht-Bicarbonat-Puffer 2. Wieso so effektiv, OBWOHL der pKs bei 6,1 liegt und der pH bei 7,4 - Wir wissen ja, Puffer sind dann stark wenn pH=pKs! **Erklärung:** Der Bicarbonat-Puffer ist ein OFFENES SYSTEM mit der Lunge! Die Säure-Komponente = CO2 kann abgeatmet werden So entsteht weniger Kohlensäure und dann weniger H+ Der Bicarbonat-Puffer wirkt vor allem im Blutplasma! Vergleich Nicht-Bicarbonat-Puffer: Geschlossenes System Säurekomponente nicht eliminierbar pKs aber günstiger: 6,8-8,25 **[Diagnostische Messgrößen des Säure-Base-Haushalts:]** Wir müssen prüfen: 1. Freie Protonenkonzentration: PH 2. Respiratorische Komponente: pCO2 3. Metabolische Komponente: Bicarbonat, Standardbicarbonat, Basenabweichung [Basenabweichung = Base Excess] **Gibt an wie viel Mol Base zu viel oder zu wenig vorliegen** BE = 0 Keine Abweichung vom phys. Zustand  -BE = Zu viel Säure Basenmangel +BE = Zu viel Base Säuremangel **[Diagnose Azidose/Alkalose]** **[Nicht-Bicarbonat-Puffer:]** 1. **Hämoglobin-System** 2. **Protein-System** 3. **Dihydrogenphosphat-System** **[Hämoglobin]** Wichtigster Nicht-Bicarbonat-Puffer: 75% der NBPs Hämoglobin verändert seinen pKs bei Bindung von O2 Oxy-Hb: Starke Säure Gibt Protonen ab Desoxy-Hb: Starke Base Bindet Protonen/nimmt auf **Bohr-Effekt:** Sauerstoffaffinität ändert sich mit Acidität Bsp: pCo2 steigt O2-Affinität von Hb sinkt! **System mit Lunge:** 1. Desoxy-Häm aus Gewebe kommt in Lunge, hat Protonen gebunden 2. In Lunge Oxygenierung Wird zu starker Stäure Gibt die Protonen ab Abatmung! 3. Geht jetzt oxygeniert ins Gewebe Versorgt Gewebe mit Sauerstoff Wird zu Desoxy-Hb = starke Base Nimmt neue Protonen auf, die dann wieder in Lunge abgegeben werden können! So werden Protonen aus dem Körper rausgeschafft Gleichzeitig: 1. Abatmung von Co2 aus dem Bicarbonat-Puffersystem in der Lunge **[Störungen des Säure-Base-Gleichgewichts]** **Respiratorische Azidose:** 1. Hypoventilation Co2-Partialdruck steigt (wird nicht abgeatmet) 2. Rückstau von Co2 ins Blut Hyperkapnie (pCo2 im Blut zu hoch!) 3. Co2 reagiert als Säure-Komponente mit H20 zu Kohlensäure 4. Kohlensäure zerfällt zu Bicarbonat und Protonen (H+) 5. Nicht-Bicarbonat-Puffer reichen nicht, um Azidose alleine auszugleichen! 6. Wegen der geringen Atmung wird auch zu wenig O2 aufgenommen Hypoxämie! **Respiratorische Alkalose:** 1. Hyperventilation Zu viel Co2 wird abgeatmet 2. pCo2 sinkt Hypokapnie 3. Bicarbonat-Puffer Gleichgewicht geht nach links Bicarbonat + H+ reagieren zu Kohlensäure Reagiert zu Co2 und H2O 4. Der pH-Wert steigt, weil dem System Protonen entzogen werden, um Co2 zu bilden! [Fallbeispiel:] 1. **pH zu niedrig Azidose! 5. HCO3- normal nicht metabolisch?** 2. **pCo2 zu hoch respiratorisch?** 3. **BE gut nicht metabolisch?** 4. **pO2 zu gering respiratorisch? Diagnose: Respiratorische Azidose!** 1. Blut AUFGABEN 1. 2. 3. 4. 5. a. Zelluläre Bestandteile: Erys, Leukozyten, Thrombozyten b. Erys: **5 Mio** / microliter Leukos: **4-10 000** / microliter Thrombos: **150-400 000** / microliter **Versuch I** **1.)** [ Photomertrische pH-Bestimmung] pH in Abhängigkeit des Verhältnisses Base : Säure p-Nitrophenol (farblose Säure) ---\> p-Nitrophenolat (gelb) Extinktion bei 405 am höchsten (blaues Licht wird absorbiert -\> gelbe Farbe) (Man sollte eine Absorption wählen, bei der Phenol nicht absorbiert) Den pH-Wert einer Lösung, die p-Nitrophenol und p-Nitrophenolat enthält, berechnet man mit der **Henderson-Hesselbach-Gleichung**: pH = pK + lg \* (p-Nitrophenolat / p-Nitrophenol) DeltaE = Extinktion des Nitrophenolats DeltaEmax = Extinktion wenn Nitrophenol vollständig umgewandelt bzw. neutralisiert wurde DeltaEmax --- DeltaE = proportional der Konzentration des nicht dissoziierten Nitrophenols **ÄP** (Äquivalenzpunkt) =\> Punkt an dem 100% Base vorliegt (am Diagramm = 2. Umkehrpunkt des Steigungsverhaltens) **pK** (ÄP/2) =\> Punkt an dem das erste Mal das Steigungsverhalten ändert (Säure:Base = 1:1) Wichtige Formel: Um die Konzentration des p-Nitrophenols zu messen, sieht man sich zunächst den ÄP an, und blickt auf die Konzentration und das Volumen der hinzugegebenen NaOH-Lösung. Man kann am Diagramm nun V (NaOH ablesen). Bei c = 1 mol/l und V= 1,9 ml liegt das p- Nitrophenol nun zu 100% als Base vor. Man verwendet die folgende Formel, da man weiß, dass man am Anfang 100 ml Säure hatte: **c1 \* V1 = c2 \* V2** 2. [Modellversuch zum Co2-Bicarbonat-Puffer] Im Gegensatz zum HCO3---Puffer, wirken nicht Bicarbonat Puffer (25%) auch bei ***respiratorischen Azidosen/Alkalose*** bei denen vermehrt/vermindert CO2 abgeatmet wird. NBP: Hämoglobin, Plasmaproteine, Phosphat 4 Küvetten werden begast: - 1 und 2 respiratorische Azidosen - 3: metabolische Azidose (Zugabe von Milchsäure ---\> es entsteht zusätzlich CO2) - 4: NBP (Phosphatpuffer) *Astrup-Methode:* mit 3 pH-Messungen kann eine unbekannte CO2-c gemessen werden. (Begasen mit Patientengasgemisch, dann mit 2 bekannten CO2-Gehalten begast). Ablesen beim halblogarythmischen Diagramm.