Der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeit, einschließlich des Blutplasmas, wird normalerweise durch die chemischen Puffer, das Atmungssystem und das Nierensystem streng zwischen 7,32 und 7,42 reguliert.
Wässrige Pufferlösungen reagieren mit starken Säuren oder starken Basen, indem sie überschüssige Wasserstoff H+
Ionen oder Hydroxid OH-
Ionen absorbieren und die starken Säuren und Basen durch schwache Säuren und schwache Basen ersetzen. Dadurch werden die Auswirkungen von pH-Änderungen gedämpft bzw. die pH-Änderung, die sonst eingetreten wäre, verringert. Puffer können jedoch keine abnormalen pH-Werte in einer Lösung korrigieren, sei es in einem Reagenzglas oder in der extrazellulären Flüssigkeit. Puffer bestehen in der Regel aus einem Paar von Verbindungen in Lösung, von denen eine eine schwache Säure und die andere eine schwache Base ist. Der am häufigsten vorkommende Puffer in der EZF besteht aus einer Lösung von Kohlensäure (H2CO3) und dem Bicarbonat (HCO-
3), in der Regel dem Natrium (Na+). Bei einem Überschuss an OH-
Ionen in der Lösung neutralisiert die Kohlensäure diese teilweise, indem sie H2O und Bicarbonat (HCO-
3)-Ionen bildet. In ähnlicher Weise wird ein Überschuss an H+-Ionen teilweise durch die Bicarbonatkomponente der Pufferlösung neutralisiert, um Kohlensäure (H2CO3) zu bilden, die, da sie eine schwache Säure ist, weitgehend in der undissoziierten Form verbleibt und weitaus weniger H+-Ionen in die Lösung abgibt, als es die ursprüngliche starke Säure getan hätte.
Der pH-Wert einer Pufferlösung hängt ausschließlich vom Verhältnis der molaren Konzentrationen der schwachen Säure und der schwachen Base ab. Je höher die Konzentration der schwachen Säure in der Lösung (im Vergleich zur schwachen Base), desto niedriger ist der resultierende pH-Wert der Lösung. Wenn die schwache Base überwiegt, ist der resultierende pH-Wert umso höher.
Dieses Prinzip wird genutzt, um den pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeiten zu regulieren (und nicht nur zu puffern). Für den Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer ergibt ein molares Verhältnis von schwacher Säure zu schwacher Base von 1:20 einen pH-Wert von 7,4; und umgekehrt – wenn der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeiten 7,4 beträgt, dann ist das Verhältnis von Kohlensäure zu Bicarbonat-Ionen in dieser Flüssigkeit 1:20.
Dieses Verhältnis wird mathematisch durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben, die, wenn sie auf das Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem in den extrazellulären Flüssigkeiten angewandt wird, Folgendes besagt:
p H = p K a H 2 C O 3 + log 10 ( ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} ~\mathrm {H} _{2}\mathrm {CO} _{3}}+\log _{10}\left({\frac {}{}}\right),}
wobei:
- Der pH-Wert ist der negative Logarithmus (oder Kologarithmus) der molaren Konzentration von Wasserstoffionen in der ECF. Er gibt den Säuregrad in der ECF in umgekehrter Weise an: je niedriger der pH-Wert, desto saurer ist die Lösung.
- pKa H2CO3 ist der Kologarithmus der Säuredissoziationskonstante der Kohlensäure. Sie ist gleich 6,1.
- ist die molare Konzentration von Bicarbonat im Blutplasma
- ist die molare Konzentration von Kohlensäure im ECF.
Da die Kohlensäurekonzentration jedoch direkt proportional zum Partialdruck von Kohlendioxid ist ( P C O 2 {\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}
) in der extrazellulären Flüssigkeit, kann die Gleichung wie folgt umgeschrieben werden: p H = 6,1 + log 10 ( 0,0307 × P C O 2 ) , {\displaystyle \mathrm {pH} =6,1+\log _{10}\left({\frac {}{0.0307\times P_{\mathrm {CO} _{2}}}}\right),}
wobei:
- pH ist der negative Logarithmus der molaren Konzentration von Wasserstoffionen in der ECF, wie zuvor.
- ist die molare Konzentration von Bikarbonat im Plasma
- PCO2 ist der Partialdruck von Kohlendioxid im Blutplasma.
Der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeiten kann also durch die getrennte Regulierung des Kohlendioxidpartialdrucks (der die Kohlensäurekonzentration bestimmt) und der Bicarbonat-Ionenkonzentration in den extrazellulären Flüssigkeiten gesteuert werden.
Es gibt also mindestens zwei homöostatische negative Rückkopplungssysteme, die für die Regulierung des Plasma-pH-Wertes verantwortlich sind. Das erste ist die homöostatische Kontrolle des Blutpartialdrucks von Kohlendioxid, der die Kohlensäurekonzentration im Plasma bestimmt und den pH-Wert des arteriellen Plasmas innerhalb weniger Sekunden verändern kann. Der Partialdruck des Kohlendioxids im arteriellen Blut wird von den zentralen Chemorezeptoren der Medulla oblongata überwacht und ist somit Teil des zentralen Nervensystems. Diese Chemorezeptoren reagieren empfindlich auf den pH-Wert und den Kohlendioxidgehalt in der Zerebrospinalflüssigkeit. (Die peripheren Chemorezeptoren befinden sich in den Aortenkörpern und den Karotiskörpern, die an den Aortenbogen bzw. an die Bifurkation der Karotis-Arterien angrenzen. Diese Chemorezeptoren reagieren in erster Linie auf Veränderungen des Sauerstoffpartialdrucks im arteriellen Blut und sind daher nicht direkt an der pH-Homöostase beteiligt.)
Die zentralen Chemorezeptoren senden ihre Informationen an die Atemzentren in der Medulla oblongata und der Pons des Hirnstamms. Die Atemzentren bestimmen dann die durchschnittliche Belüftungsrate der Lungenbläschen, um den Partialdruck des Kohlendioxids im arteriellen Blut konstant zu halten. Das Atemzentrum tut dies über motorische Neuronen, die die Atmungsmuskeln (insbesondere das Zwerchfell) aktivieren. Ein Anstieg des Partialdrucks des Kohlendioxids im arteriellen Blutplasma über 5,3 kPa (40 mmHg) führt reflexartig zu einer Erhöhung der Atemfrequenz und -tiefe. Die normale Atmung wird wieder aufgenommen, wenn der Partialdruck des Kohlendioxids auf 5,3 kPa zurückgegangen ist. Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn der Kohlendioxidpartialdruck unter den Normalbereich fällt. Die Atmung kann zeitweise unterbrochen oder verlangsamt werden, damit sich das Kohlendioxid wieder in der Lunge und im arteriellen Blut anreichern kann.
Der Sensor für die HCO-
3-Konzentration im Plasma ist nicht sicher bekannt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Nierentubuluszellen der distalen Tubuli selbst empfindlich auf den pH-Wert des Plasmas reagieren. Der Stoffwechsel dieser Zellen produziert CO2, das durch die Wirkung der Kohlensäureanhydrase schnell in H+ und HCO-
3 umgewandelt wird. Wenn die extrazellulären Flüssigkeiten zur Azidität neigen, scheiden die Nierentubuluszellen die H+-Ionen in die Tubulusflüssigkeit aus, von wo aus sie den Körper über den Urin verlassen. Die HCO-
3-Ionen werden gleichzeitig in das Blutplasma ausgeschieden, wodurch die Bicarbonat-Ionen-Konzentration im Plasma steigt, das Verhältnis zwischen Kohlensäure und Bicarbonat-Ionen sinkt und folglich der pH-Wert des Plasmas steigt. Das Gegenteil geschieht, wenn der pH-Wert des Plasmas über den Normalwert ansteigt: Bikarbonat-Ionen werden in den Urin und Wasserstoff-Ionen in das Plasma ausgeschieden. Diese verbinden sich mit den Bicarbonat-Ionen im Plasma zu Kohlensäure (H+ + HCO-
3 = H2CO3), wodurch sich das Verhältnis von Kohlensäure zu Bicarbonat in den extrazellulären Flüssigkeiten erhöht und sich der pH-Wert wieder normalisiert.
Im Allgemeinen produziert der Stoffwechsel mehr Abfall-Säuren als Basen. Der Urin ist daher im Allgemeinen sauer. Diese Säure im Urin wird bis zu einem gewissen Grad durch Ammoniak (NH3) neutralisiert, das in den Urin ausgeschieden wird, wenn Glutamat und Glutamin (Träger von überschüssigen, nicht mehr benötigten Aminogruppen) von den distalen Nierentubulusepithelzellen desaminiert werden. Ein Teil des „sauren Gehalts“ des Urins liegt also im resultierenden Ammonium-Ionen-Gehalt (NH4+) des Urins, obwohl dies keine Auswirkungen auf die pH-Homöostase der extrazellulären Flüssigkeiten hat.