2.2 Puffersysteme
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Gliederung Puffersysteme Wofür Puffersysteme? pH-Verhältnisse im Körper Referat von Christian Rubbert Puffersysteme Wofür Puffersysteme? Verschiedene Vorgänge im Körper, z.B.: Wofür Puffersysteme? Enzym ↔ Substrat Hormon ↔ Rezeptor Ion ↔ Ionenkanal sind abhängig von elektrostatischen Wechselwirkungen 1 Wofür Puffersysteme? • Wasserstoffionenkonzentration beeinflusst die Protonenabspaltung/-anlagerung und damit die Konformation von Proteinen → Der pH hat somit einen direkten Einfluss auf katalytische Aktivität von Enzymen, Bildung von Signalsubstanzen, Funktion der Ionenkanäle • Mittels (gemischten) Puffern (= Puffersystem) kann der pH in einem physiologischen Bereich gehalten werden Entstehung von Säuren • Katabole Reaktionen liefern 24 Mol CO2/Tag • Saure Lebensmittel – Phosphor-, Zitronen-, Ascorbin- & Milchsäure, anorganisches Phosphat (Fruchtsäfte) (H+-Abgabe spätestens im basischen Darmtrakt) • Proteinreiche Nahrung – Schwefelhaltige Aminosäuren wie Methionin, Cystein (Abbau: -SH Gruppe → H2S, oxidiert zu H2SO4) – Kationische Aminosäuren (Arginin, Lysin & Histidin) liegen als Salze (Chloride) vor → Entstehung von HCl • Proteinkatabolismus = Nicht flüchtige Säuren – Normale Mischkost liefert 60 ±20 mmol H+/Tag Einige Zahlen & Fakten • Blut/EZR haben einen physiologischen pH von 7,4 – Physiologische Schwankungsbreite pH 7,36 – 7,44 → Hohe Präzision der Regulation! – Puffersysteme im Blut: Bikarbonat, Hb, Plasmaproteine pH-Werte im Körper • Intrazellulärer pH = 7,0 – 7,2 – IZR zu 50% an Gesamtpufferkapazität des Organismus beteiligt – Geringe Kenntnisse auf Grund der Komplexität des IZR – Puffersysteme: Proteine und organische Phosphate • Grenzen der für Lebensprozesse tolerablen Wert sind mit 50 nmol H+/l Abweichung vom Normwert (pH 7,0 – 7,8) sehr eng gefasst – Freie Ionen/Körper = 2,1 µmol, an Puffer gebunden = 105 mmol – Pufferfähigkeit Organismus = 700 mmol 2 Puffersysteme Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+ • Wichtigster anorganischer Puffer • Über die Atmung kann CO2 abgegeben und somit die HCO3- Konzentration reguliert werden → Offenes System • Weitere Regulation über die Niere • HCO3- + H+ ⇌ CO2 + H2O – sehr langsam, katalysiert von der sehr schnellen Carboanhydrase I (nur im Erythrocyten) Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+ pH = pK H 2CO3 + log − [ HCO3 ] [ H 2CO3 ] pKa von H2CO3 = 6,1 pH-Wert des Blutes = 7,4 pKa über 1 pH Einheit vom Blut entfernt → keine Pufferwirkung 3 Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+ pH = pK H 2CO3 − [ HCO3 ] + log [ H 2CO3 ] pKa von H2CO3 = 6,1 pH-Wert des Blutes = 7,4 pKa über 1 pH Einheit vom Blut entfernt → keine Pufferwirkung 20 pH = 6,1 + log = 7, 4 1 Hämoglobin-Puffer • Wichtigstes organische Puffersystem – Hohe Konzentration (160 g/l) – Wesentlich: hohe Zahl Histidinreste (36, ≥50 mmol/l Blut), deren Imidazolgruppen die eigentliche Pufferfunktion ausüben – Pufferkapazität Hämoglobin 6x größer als Plasmaproteine • Desoxy-Hämoglobin pKa = 8,25 Oxy-Hämoglobin pKa = 6,95 – Desoxy-Hb als schwächere Säure kann nach Abgabe des Sauerstoffs besser abpuffern Histidin Titrationskurve (bei 25°C) Wirkung der Imidazol-Gruppe pK3 = 9,17 Zusätzlich zum Ampholyt-Verhalten einer Aminosäure: pK2 = 6,0 pK1 = 1,82 4 HydrogenCarbonat P. Hb-Puffer „Start“ Chlorid-Shift / Hamburger Zyklus Gleichgewicht Proteinatpuffer • Seitenketten: H2CO3 + Nicht-Bicarbonatpuffer - ⇋ – vor allem Imidazolgruppe des Histidins, SHGruppe des Cysteins haben Pufferwirkung (pKa = 6 - 7 je nach Lage der Gruppen) Nicht-Bicarbonatpuffer-H + HCO3- • Viele Plasmaproteine haben einen isoelektrischen Punkt bei pH = 4,9 - 6,4 – Liegen im Blut also als Anionen vor → Pufferkapazität von 5 mmol H+/l/pH 5 Dihydrogen-Hydrogenphosphatpuffer Ammoniak-/Ammoniumsystem H2PO4- ⇋ HPO42- + H+ NH3 + H+ ⇋ NH4+ • pK = 6,880 stimmt fast mit Zell-pH überein – EZR: Wirkung gering, da niedrige Konzentration im Blut (~1 mmol/l) • Sehr geringe Konzentration im EZR (~40 µmol/l), ungünstiger pK von 9,40 • Intrazellulär: – Konzentrationen von 100-150 mmol/l, Großteil an Makromoleküle gebunden, Forschung noch nicht sehr weit • Hohe Konzentration im Urin – Trotz ungünstigem pK ein effektiver Puffer • 50% der Protonen im Urin werden von diesem Puffersystem aufgenommen Puffersysteme des Blutes Protonenakzeptor Puffersystem mmol/l Anteil [HCO3-] / [H2CO3] ~24 50% Hämoglobin [Hb] / [HbO2] [Proteinat] / [Protein] ~16 33% Proteinat [Proteinat] / [Protein] ~7 15% [HPO42-] / [H2PO4] ~1 2% ~48 100% Hydrogencarbonat Hydrogenphosphat Gesamtpufferbasen = Literatur Pufferkapazität 75% 25% • Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie • Folien Prof. Schwenen • Deetjen/Speckmann: Lehrbuch der Physiologie (neuste Auflage, Kopien) • Unsere Vorträge: 100% – http://www.rubbert.de/ws0506/bcseminar/ 6
