BGA Version 1 - MTA

Institut für MTA-Ausbildung am Klinikum Osnabrück
Fachgebiet Klinische Chemie
Dr. Uwe Krämer
Säure-Basen-Status und Blutgase:
Einleitung
Durch die Blutgasanalytik erfasst man:
•
•
•
die Versorgung des Organismus mit Sauerstoff
den Abtransport des beim Stoffwechsels entstehenden Kohlendioxids
Störungen des Säure-Basen-Haushaltes
Blutgase
Für das Verständnis sind Kenntnisse der Atmungsphysiologie und des Transportes der
Atemgase im Blut erforderlich. Dazu wird auf den Physiologieunterricht verwiesen.
Säuren und Basen - Puffersysteme
Im Stoffwechsel werden Säuren gebildet (Lactat, Acetat u.v.a.m). Ferner werden mit der
Nahrung gleichfalls Säuren aufgenommen. Die zugehörigen H+ Ionen müssen zellulär und
in der Blutbahn abgepuffert werden. Folgende Puffersysteme halten den pH-Wert des in
einem Bereich von 7,35 bis 7,45 konstant:
- das Bikarbonatpuffersystem
- das Hämoglobinpufferssystem
- das Plasmaproteinpuffersystem
- das Phosphatpuffersystem
Bitte merken Sie sich die Puffersysteme in der hier aufgeführten Reihenfolge ihrer Bedeutung.
Löslichkeit von Gasen im Blut
Gase lösen sich in Flüssigkeiten. Ein Beispiel dafür sind die Gasbläschen im Mineralwasser.
Aber auch die Gase der Umgebungsluft lösen sich in Flüssigkeiten. So gelangt z.B. Luftsauerstoff
zur Freude der Fische durch Diffusion in das Wasser eines Aquariums. Die Gasdiffusion erfolgt
entsprechend einer Partialdruckdifferenz stets von Ort des höheren Partialdrucks zum Ort des
niedrigeren Partialdrucks. Der Gasübertritt erfolgt so lange, bis keine Partialdruckdifferenz mehr
besteht. Gaspartialdrucke werden in der Medizin z.Zt. in mm Hg oder Torr angegeben.
Gaspartialdrucke lassen sich berechnen. Am einfachsten geht das so:
Man messe mit einem Barometer den Gesamtluftdruck. Er betrage z.B. 760 mm Hg.
Sauerstoff hat einen Volumenanteil von 21% an der Atmosphärenluft. 21% von 760 mm Gesamtluftdruck ergeben ca. 160 mm Hg. Damit beträgt der Gaspartialdruck für Sauerstoff pO2 in diesem
Fall 160 mm Hg. Wegen der oben beschriebenen Gasdiffusion wird aus der Zimmerluft so lange
Sauerstoff in das Wasser eines Aquariums diffundieren, bis sich auch hier ein pO2 von 160 mm Hg
einstellt. Dieser Sauerstoff befindet sich in Form kleinster Bläschen im Aquariumwasser.
Ein Fisch im Aquarium zieht das Wasser durch seine Kiemen und entnimmt den Sauerstoff.
Dadurch nimmt der pO2 im Wasser ab. Es entsteht eine Partialdruckdifferenz zwischen der Umgebungsluft und dem Wasser. Diese wird ausgeglichen, indem nun wieder O2 aus der Luft in das
Wasser diffundiert. So wird der verbrauchte Sauerstoff im Wasser ständig ergänzt.
Was passiert wohl mit dem Fisch, wenn man das Aquarium mit Klarsichtfolie gasdicht abdeckt?
Gaspartialdrucke lassen sich mit Elektroden messen. Man kann also die Gaspartialdrucke für
Sauerstoff (pO2), für Kohlendioxid (pCO2) und für viele andere Gase unmittelbar in allen
möglichen Flüssigkeiten (so auch im Blut!) messen.
Aufgabe:
Finden Sie heraus, wie eine solche "Sauerstoffelektrode" funktioniert!
Hinweis:
Der pO2 in den Lungenalveolen liegt nicht bei 160 mm Hg, sondern nur bei ca. 100 mm Hg, da
sich die Einatmungsluft (pO2 160 mm Hg) mit der Ausatmungsluft (sauersoffarm) und dem
Wasserdampf (Atemfeuchtigkeit) mischt. Man misst bei Gesunden intraalveolär einen pO2 von
ungefähr 100 mm Hg. Dieser pO2 findet sich dann auch im arterialisierten Blut, sofern keine
Diffusionshindernisse bestehen.
Merke:
Der pO2 in der Alveole und im Arterienblut liegt bei Gesunden bei 100 mm Hg
Die Gasdiffusion für die wichtigen Atemgase O2 und CO2 zwischen Alveole und Blut erfolgt sehr
schnell (innerhalb weniger hundert Millisekunden). Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt ab von der
Molekülgröße des diffundierenden Gases (steht fest und ist konstant) sowie von der Diffusionsstrecke (Dicke der Alveolarmembran; bei manchen Krankheiten ist sie pathologisch verdickt.)
•
•
Im Blut physikalisch gelöst sind alle Gase, die in der Einatemluft enthalten sind. Wichtig
sind Sauerstoff und Kohlendioxid. Man kann deren Partialdrucke pO2 und pCO2 mit Hilfe
einer Sauerstoffelektrode bzw. eine CO2-Elektrode direkt messen.
Merke: Der pCO2-Wert im Arterienblut liegt zwischen 35 und 45 mm Hg.
Für Physikinteressierte:
Der Druck
Definition des Druckes
Der Druck (P) ist definiert, als die Kraft (F) dividiert durch die Fläche (A), auf welche diese Kraft
senkrecht wirkt:
Kraft
Druck
= -------------Fläche
Die Einheit des Drucks beträgt:
Newton
1 ------------- = 1 Pascal = 1 Pa
2
m
In der Medizin wird meist anstelle der S.I.-Einheit Pascal die alte Einheit mm Hg verwendet:
3
1 mmHg = 133.3 Pa bzw. 1 Pascal = 7.5 · 10 mm Hg
Der Partialdruck (das Gesetz von Dalton)
Liegen, wie beispielsweise bei der Luft, mehrere Gase als Gemisch vor, so leistet jedes Gas einen
entsprechenden Anteil zum Gesamtdruck.
Das Dalton’sche Gesetz beschreibt die Aufteilung des Gesamtdruckes eines Gasgemisches auf
die im Gemisch vorliegenden einzelnen Gase. Der auf das einzelne Gas entfallende Teil des
Druckes wird als Partialdruck (p) dieses Gases bezeichnet. Er ist gegeben durch den
Volumenanteil dieses Gases am Gesamtvolumen.
Beispiel: Ein Gasgemisch aus 20.0% O2, 5.6% CO2 und 74.4% N2 stehe unter einem Druck von
101 kPa (=757 mm Hg). Der Partialdruck der einzelnen Gase beträgt somit:
pO2
= 101· 0.200 = 20.2 kPa = 151 mm Hg
pCO2 = 101· 0.056 = 5.7 kPa = 42 mm Hg
pN2
= 101· 0.744 = 75.1 kPa = 546 mm Hg
Temperatur
Grundsätzlich gilt, dass bei gleichem Druck umso mehr Gas in einer Flüssigkeit gelöst werden
kann, je niedriger die Temperatur ist. Ohne spezielle klinische Angaben wird bei der Messung der
Blutgase von einer Temperatur von 37°C ausgegangen.
Auf modernen Blutgasgeräten kann die dem Patienten entsprechende Temperatur eingestellt
werden. Allgemein wird jedoch darauf verzichtet, bei Proben von Patienten mit Fieber oder
Unterkühlung (Lawinenopfer oder künstliche Unterkühlung bei Operationen auf beispielsweise
26°C) entsprechende Korrekturen vorzunehmen. Dies gilt insbesondere für den pH-Wert und den
Partialdruck des Kohlendioxids, wo der Einfluss der Temperaturänderung nur gering ist.
Falls bei einer anderen Temperatur als 37°C gemessen wird, sind zusätzlich immer auch die
Messwerte für 37°C anzugeben.
Löslichkeitskoeffizient
Der experimentell bestimmbare Löslichkeitskoeffizient wird auch als Bunsen’scherAbsorptionskoeffizient bezeichnet und entspricht der Anzahl der Milliliter eines Gases, die sich
in 1 ml Flüssigkeit bei einem Druck von 760 mm Hg lösen.
Das Volumen eines Gases, das sich physikalisch im Plasma löst, ist vom Partialdruck, der
Temperatur und dem Löslichkeitskoeffizienten (a) des betreffenden Gases abhängig und
berechnet sich daher wie folgt:
gelöstes Volumen (ml/L) = α · Druck (mm Hg) / 760 · 1000 oder
gelöstes Volumen (ml/L) = α · Druck (kPa) / 101.3 · 1000 oder
Für Blut und eine Temperatur von 37°C beträgt der Löslichkeitskoeffizient:
•
•
für O2 = 0,024
für CO2 = 0,49
Beispiel: Blut wird mit einem Gasgemisch, das 14% Sauerstoff enthält, bei einem Luftdruck von
757 mm Hg äquilibriert.
Da die Luft mit Blut im Gleichgewicht steht, ist sie mit Wasserdampf gesättigt. Zur
Berechnung, des durch das trockene Gas bedingten Druckes, muss zuerst der
Wasserdampfdruck vom Luftdruck subtrahiert werden.
Druck des trockenen Gases = 757 - 47 = 710 mm Hg
Anschließend wird der Partialdruck des Sauerstoffs berechnet:
pO2 = 710 · 0.14 = 99.4 mm Hg
Der Löslichkeitskoeffizient für Sauerstoff beträgt 0,024 :
Menge gelöstes O2 = 0.024 · 99.4/760 · 1000 = 3 ml O2/Liter
Fazit: Sauerstoff ist im Blut schlecht löslich: Die Menge des im Blut physikalisch löslichen
Sauerstoffs entspricht damit rund 1,5 % des arteriellen Sauerstoffs.
Lungenfunktion: pulmonaler Gasaustausch
Gasaustausch in der Lunge
Der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen der Atemluft und dem Blut geschieht
über die Lungen und wird als Gasaustausch bezeichnet. Er kann in folgende Teilfunktionen
unterteilt werden:
•
•
•
Ventilation
Diffusion und
Perfusion.
Ventilation
Die Ventilation sorgt für die Belüftung des Alveolarraumes, d.h. für den Zutransport von Sauerstoff
und den Abtransport von CO2. Dabei wird Luft durch die Atembewegungen zwischen Trachea,
Bronchien und Alveolen hin und her bewegt. Die Alveolarluft wird durch molekulare Diffusion
ständig durchmischt.
Diffusion
Unter Diffusion fasst man alle Vorgänge zusammen, durch die der Übertritt des Sauerstoffs von
den Alveolen ins Blut und die Abgabe von CO2 in umgekehrter Richtung möglich wird. CO2
diffundiert ca. 20 - 25 mal leichter als O2 , d.h. es gibt keine isolierten CO2-Diffusionsstörungen. In
den Bronchien findet kein Gasaustausch statt, zusammen mit Mund-, Nasen- und Rachenraum
sowie der Trachea bilden sie den sogenannten Totraum.
Perfusion
Die Perfusion sorgt für die Durchblutung der Lungen. Durch verschiedene
Regulationsmechanismen werden Belüftung und Durchblutung der Alveolen aufeinander
abgestimmt, indem die funktionelle Durchblutung in minder belüfteten Lungenbezirken gedrosselt
wird.
Zusammensetzung der Luft
Raumluft enthält rund 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff. Dazu kommen Spuren von CO2 und
weiteren Gasen, vor allem Edelgase.
Beim Einatmen wird die Luft in den Atemwegen angefeuchtet, so dass in den Bronchien bei einer
Körpertemperatur von 37°C der pH2O 47 mm Hg beträgt. Der Gasdruck für die trockenen Gase ist
demnach 760 - 47 = 713 mm Hg und entsprechend liegt der pO2 bei 149 mm Hg. Auf dem
weiteren Weg in die Alveolen wird die Luft noch erheblichen Mengen an CO2 ausgesetzt, so dass
sich zusammenfassend bei einem Gesamtdruck von 760 mm Hg folgende durchschnittliche Werte
ergeben (Abb. 1).
Einatmungsluft
pO2 = 160
pCO2 = 0.3
pH2O = 5.7
pN2 = 594
Alveolarluft
pO2
pCO2
pH2O
pN2
=
=
=
=
Ausatmungsluft
pO2 = 115
pCO2 = 33
pH2O = 47
pN2 = 565
100
40
47
573
Lungenarterie (venös)
pO2 = 40
pCO2 = 46
pH2O = 47
pN2 = 573
Lungenvene (arteriell)
pO2 = 100
pCO2 = 40
pH2O = 47
pN2 = 573
Abb. 1: Gasdrucke im Atmungssystem
Durchschnittliche Werte in mm Hg der einzelnen Partialdrucke im Atmungssystem und in venösem
bzw. arteriellen Blut. Die angegebenen Werte basieren auf dem „normalen“ Luftdruck von 760 Torr
Atemregulation
Die rhythmischen Bewegungen der Atemmuskulatur stehen vor allem unter der Kontrolle der
Medulla oblongata (= verlängertes Mark).
Wichtigster Reiz für eine Zunahme von Atemtiefe und Atemfrequenz ist ein Anstieg des pCO2 in
Blut und Liquor cerebrospinalis. Die CO2 -Konzentration wird von Chemorezeptoren der Medulla
oblongata und peripher an der Verzweigung der Arteria carotis communis (Glomus caroticum) und
am Aortenbogen (Glomera aortica) gemessen. Unter Normalbedingungen nimmt der
Sauerstoffpartialdruck, der ebenfalls von peripheren Chemorezeptoren registriert wird, weit
weniger Einfluss auf die Atmung als der pCO2.
Sauerstofftransport im Blut
In den Lungen diffundiert der Sauerstoff wegen der pO2-Differenz aus den Alveolen in das noch nicht
arterialisierte Blut. Sauerstoff wird im Blut auf zwei Arten transportiert, nämlich
•
•
physikalisch im Plasma gelöst und
chemisch an Hämoglobin gebunden.
Transport des physikalisch gelösten Sauerstoffs im Blut
Beim unbehinderten Gasaustausch in den Lungenalveolen gleicht sich der pO2 in den Lungenkapillaren
demjenigen der Alveolarluft an. Der Partialdruck des Sauerstoffs, der im venösen Mischblut ca. 40 mm
Hg beträgt, steigt in der kurzen Kontaktzeit von knapp 0,3 Sekunden auf einen Wert von 100 - 104 mm
Hg an. Bedingt durch physiologischerweise vorhandene arteriovenöse Kurzschlüsse und der nicht völlig
gleichmäßigen Belüftung aller Lungenabschnitte, stellt sich ein arterieller pO2 von 80 - 100 mm Hg (10,713,3 kPa) ein.
Sauerstoff ist im Blut schlecht löslich: Die Menge des im Blut physikalisch löslichen Sauerstoffs entspricht
lediglich rund 1,5 % des arteriellen Sauerstoffs.
Transport des chemisch im Hämoglobin gebundenen Sauerstoffs
Der weitaus größte Teil des Sauerstoffs wird durch Hämoglobin von den Lungen zu den Zellen
transportiert. Hämoglobin ist ein tetrameres Protein, dessen 4 Monomere aus einer Polypeptidkette und
dem Häm-Komplex als sauerstoffbindende Gruppe bestehen.
Normalerweise kommen 4 verschiedene Peptidketten vor: α-, β -, γ-, und δ-Ketten. Die α-Kette weist 141,
die β-Kette 146 Aminosäuren auf. In jedem Hämoglobinmolekül sind je zwei Ketten identisch. So besteht
HbA, das bei gesunden Erwachsenen etwa 96 - 98 % des Hämoglobins ausmacht, aus 2 α- und 2 βKetten (α2β2). HbA2 weist 2 α- und 2 δ-Ketten (α2δ2), HbF 2 α- und 2 γ-Ketten (α2γ2) auf.
HbF kommt bei Erwachsenen nur in Spuren vor, macht aber bei Neugeborenen 60 - 80 % des
Hämoglobins aus.
Das Eisen im Häm kann sich chemisch mit Sauerstoff verbinden, wobei Desoxyhämoglobin (Hb) in
Oxyhämoglobin (HbO2) überführt wird:
Hb + O2 ---> HbO2
Die Aufnahme von Sauerstoff durch das Hämoglobin wird als Oxygenierung, die Abgabe als
Desoxygenierung bezeichnet. Es handelt sich bei diesen Reaktionen nicht um eine Oxydation bzw.
2+
Reduktion, da das Eisen immer in zweiwertiger Form (Fe ) vorliegt (Hämoglobin mit oxydiertem d.h.
dreiwertigem Eisen wird als Methämoglobin bezeichnet und kann keinen Sauerstoff binden).
Jede der 4 Untereinheiten des Hämoglobins kann 1 mol Sauerstoff binden, so dass die Formel
korrekterweise folgendermaßen geschrieben werden müsste:
Hb + 4 O2 ---> Hb(O2)4
Es ist jedoch üblich, die Bindung des O2 an Hämoglobin bezogen auf eine Untereinheit anzugeben.
Von 1 g Hämoglobin können 1.34 ml O2 (= 0.060 mmol) gebunden werden. Der Wert 1.34 wird als
Hüfner’sche Zahl bezeichnet und wurde empirisch ermittelt.
Beispiel: Bei einem Hämoglobin von 15 g/dl können somit ca. 15 x 1.34 = 20,1 ml O2/dl Blut
mmol/Liter) chemisch gebunden transportiert werden.
(= 9
Die Hämoglobinkonzentration
Die gesamte Konzentration an Hämoglobin (ctHb) setzt sich zusammen aus dem oxygenierten
Hämoglobin (HbO2), dem desoxygenierten Hämoglobin (Hb) und den Dyshämoglobinen (HbCO und
MetHb).
Die Messung erfolgt photometrisch.
Die Sauerstoffsättigung
Der prozentuale Anteil des oxygenierten Hämoglobins (HbO2) bezogen auf das Hämoglobin, das
Sauerstoff transportieren kann, wird als Sauerstoffsättigung bezeichnet. Sie ist vor allem vom
Partialdruck des Sauerstoffs abhängig. Da die Sauerstoffsättigung jedoch keine lineare Funktion des pO2
ist, werden die jeweiligen Verhältnisse vorzugsweise in Form einer Kurve angegeben, die als ODK
(Sauerstoff-Dissoziations-Kurve) bezeichnet wird.
Hier ist eine solche Sauerstoffdissoziationskurve abgebildet:
Abb. 2: Die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins in Abhängigkeit vom pO2.
Der p50 entspricht dem pO2 bei Halbsättigung (Norm: 24 - 28 mm Hg bzw. 3.2 - 3.8 kPa). Eindrücklich zu
sehen ist, dass die Sauerstoffsättigung bei einer Steigerung des pO2 von 80 auf 100 mm Hg praktisch
nicht mehr zunimmt.
Aus dieser Kurve ist ersichtlich, dass erwartungsgemäß die prozentuale Sättigung des Hämoglobins mit
steigendem pO2 zunimmt. Bereits bei 4 kPa (30 mm Hg) ist mehr als die Hälfte des Hämoglobins mit O2
gesättigt.
Im Hämoglobinmolekül wirkt immer ein α-β-Dimer als Einheit. Befindet sich ein O2 an einer α-Kette, so
erhöht sich die Affinität der zugehörigen β-Kette. Daher wird das nächste O2 von der β-Kette dieses
Dimers gebunden und nicht von einer der beiden Ketten des anderen Dimers. Allerdings erhöht sich die
Affinität des zweiten Dimers, sobald das erste oxygeniert ist. Dieser Mechanismus beruht auf
Elektronenverschiebungen innerhalb des Hämoglobinmoleküls (zunehmende Oxygenierung fördert auch
die Tendenz des Hämoglobinmoleküls Protonen abzugeben). In der Dissoziationskurve resultiert daher
eine sigmoide Kurve, wenn der Partialdruck des O2 gegen die Sättigung aufgetragen wird.
Die Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin wird von mehreren Faktoren beeinflusst, in erster Linie durch:
•
•
•
•
pH (akute Azidose und Alkalose)
pCO2
Körpertemperatur (Fieber und Unterkühlung)
2,3-Diphosphoglycerat
2,3-Diphosphoglycerat (2,3-DPG) wird bei der Glykolyse vor allem in Erythrozyten gebildet. Es
vermindert durch allosterische Wirkung die Bindung von Sauerstoff an das Hämoglobin.
Abb. 3: Der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins. Die blaue und
die rote Kurve sind beispielhaft dargestellt, d.h. sie können mehr oder weniger von der grünen Kurve
abweichen.
Bei erhöhter Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff wird der p50-Wert kleiner, bei erniedrigter Affinität
wird er größer.
Zusammenfassend ergibt sich:
•
•
Hoher pH-Wert, niedriger pCO2, niedrige Temperatur und erniedrigte Werte an 2,3-DPG führen
zu einer Linksverschiebung der Kurve. Die Folge ist eine hohe Sauerstoffsättigung bei relativ
niedrigem pO2. Unter diesen Bedingungen ist die Beladung des Hämoglobins mit Sauerstoff
erleichtert.
Niedriger pH-Wert, hoher pCO2, höhere Temperatur und hohe 2,3-DPG Werte verursachen eine
Rechtsverschiebung der Kurve. Daraus resultiert eine niedrige Sauerstoffsättigung bei relativ
hohem pO2 sowie eine erleichterte Abgabe des Sauerstoffs von Hämoglobin.
p50: pO2 bei Halbsättigung
Ein Maß für die Lage der Sauerstoffdissoziationskurve und damit für die Hämoglobin-Sauerstoffsättigung
ist der p50. Er ist definiert als Sauerstoff-Partialdruck (pO2) bei 50% Sauerstoffsättigung. Der
Normbereich liegt zwischen 3.4 und 3.8 kPa (25-29 mmHg).
Ein erhöhter p50 Wert bedeutet eine Verschiebung der ODK nach rechts und damit eine Erniedrigung der
Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität. Umgekehrt heißt ein erniedrigter p50 Wert, dass wegen der erhöhten
Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität die Abgabe von Sauerstoff an das Gewebe erschwert ist. Der p50 wird
nicht gemessen, sondern vom Blutgasanalysegerät berechnet.
Die Sauerstoff-Konzentration (ctO2)
Die Sauerstoff-Konzentration, im deutschen Sprachgebrauch häufiger als Sauerstoff-Gehalt bezeichnet,
umfasst den vom Hämoglobin gebundenen und den physikalisch gelösten Sauerstoff (siehe SäureBasen-Status): (ct = Konzentration)
ctO2 = (ctHb · HbO2) + (pO2 · Faktor)
Dyshämoglobine
Die Hämoglobin-Derivate Carboxyhämoglobin (HbCO), Methämoglobin (MetHb) und Sulfhämoglobin sind
nicht in der Lage, Sauerstoff zu binden und werden daher als Dyshämoglobine bezeichnet. Falls diese beiden
Derivate im Blut ansteigen, können sie die Transportkapazität des Hämoglobins bedeutend vermindern und
damit zu einer Hypoxämie führen. Sowohl HbCO wie auch MetHb verschieben die Sauerstoffdissoziationskurve (ODK) nach links, so dass die Sauerstoffabgabe an das Gewebe erschwert ist.
Eine leichte Erhöhung der Dyshämoglobine ist ohne klinische Bedeutung.
CO-Hämoglobin
Die Bindungsfähigkeit des Hämoglobins für Kohlenmonoxyd (CO) ist ungefähr 200 mal grösser als diejenige für
Sauerstoff. Dies bedeutet eine nahezu irreversible Bindung des Kohlenmonoxyds an das Hämoglobin. Erst mit
dem Abbau des betreffenden Erythrocyten wird das HbCO aus dem Blutkreislauf ausgeschieden.
Met-Hämoglobin
Erhöhte MetHb-Werte entstehen durch Methämoglobin bildende Medikamente sowie bei Vergiftungen durch
Methämoglobinbildner , z.B. Nitrite, Nitroglycerin, Phenacetin und Phenol.
Sulfhämoglobin
Sulfhämoglobin entsteht durch eine nicht umkehrbare oxydative Aufspaltung des Häms bei Einwirkung von
Schwefelwasserstoff und Sauerstoff. Die häufig mit einer Methämoglobinämie kombinierte
Sulfhämoglobinämie tritt nach Vergiftung mit Schwefelwasserstoff und als Folge langzeitiger Einnahme
phenacetinhaltiger Schmerzmittel und Sulfonamiden auf. Es kann zur neben der Hypoxämie zu einer
hämolytischen Anämie kommen.
Säuren
Säuren und Basen
Säuren sind uns aus dem Alltag bekannt: die Zitronensäure verschiedener Früchte, die Essigsäure oder
die Kohlensäure des Mineralwasserwassers.
Säuren in der Chemie
+
Chemisch sind Säuren definiert als Substanzen, welche Protonen [H ] abgeben können. Allgemein
formuliert:
-
wobei: HA = Säure; A = Säureanhydrid
Wasserstoffatome besitzen nur ein Elektron, das um den aus einem Proton bestehenden Kern kreist.
Gibt das Wasserstoffatom sein Elektron ab, so verbleibt nur das positiv geladene Proton, auch als
+
Wasserstoffion oder H bezeichnet.
Die Salzsäure (HCl), bestehend aus Wasserstoff (chem. Zeichen H) und Chlor (Cl), kann somit Protonen
+
abgeben. Dabei entsteht aus HCl ---> H und Cl . Die negative Ladung des Chlorids kommt daher, dass
das Elektron des Wasserstoffs beim Chloratom geblieben ist.
Säuren im Stoffwechsel
im Stoffwechsel aller Organismen werden fortlaufend Säuren gebildet.
Speziell (und nicht zum eigentlichen Säure-Basen-Status zählend) ist die Bildung der Salzsäure (HCl) in
den Zellen der Magenschleimhaut. Die Salzsäure hilft bei der Verdauung der Nahrung.
Säuren im Säure-Basenstatus
die wichtigste Säure, die im Säure-Basen-Status erfasst wird, ist die Kohlensäure. Sie wird allerdings
nicht selber gemessen, sondern durch den pCO2 erfasst. Die "nichtflüchtigen" Säuren (z.B.
Schwefelsäure) werden, mit Ausnahme des Lactats, nicht gemessen. Ihr Ausmaß lässt sich aber über
den "Anionen gap" schätzen.
Basen
in der Chemie werden Basen als Substanzen bezeichnet, welche in der Lage Protonen aufzunehmen.
Die wichtigste Base im Stoffwechsel ist das Bicarbonat (HCO3 ).
Herkunft der Säuren
Säureproduktion
Durch den normalen Stoffwechsel werden fortlaufend Säuren gebildet, so dass ständig Wasserstoffionen
+
(H -Ionen) frei werden.
Für die Aufrechterhaltung geordneter biochemischer Reaktionsabläufe (enzymatische Reaktionen)
haben sich deshalb zur Regulation der Wasserstoffionenkonzentration verschiedene Mechanismen
ausgebildet.
Für die fortlaufende Säurebildung sind folgende Stoffwechselvorgänge verantwortlich:
•
•
•
•
Fett- und Kohlenhydratabbau
Ketogenese
Glykolyse
Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren und von Phospholipiden
Alle diese Protonen werden zunächst im Blut abgepuffert und dann vorwiegend über Lungen und Nieren
eliminiert.
Fett- und Kohlenhydratabbau
Unter Grundumsatzbedingungen werden durch den Fett- und Kohlenhydratmetabolismus über 13 mol
Kohlendioxid (CO2) pro Tag gebildet, und bei einer Nahrungsaufnahme von 3000 kcal sind es sogar
mehr als 23 mol CO2/d. Das CO2 reagiert mit Wasser zu Kohlensäure (H2CO3), aus der durch
Dissoziation Wasserstoffionen und Bicarbonat (HCO3 ) entstehen.
Beispiel: beim vollständigen Abbau von Glukose (C6H12O6) entstehen 6 Moleküle CO2 pro Molekül
Glucose.
C6H12O6 + 6 O2 ---> 6 CO2 + 6 H2O
+
6 CO2 + 6 H2O ---> 6 H2CO3 ---> 6 H + 6 HCO3
Ketogenese
aus der Beta-Oxidation vonFettsäuren entsteht Acetyl-CoA und aus dessen Überschüssen
Acetessigsäure und 2-Hydroxybuttersäure, die bei physiologischem pH vollständig zu Acetoacetat und
+
2-Hydroxybutyrat dissoziieren. Dabei entstehen ca. 600 mmol H pro Tag.
Glykolyse
Beim anaeroben Glukoseabbau werden täglich ca. 400 mmol Milchsäure gebildet, die bei
+
physiologischem pH zu Lactat- und H dissoziiert.
Schwefelhaltige Aminosäuren und Phospholipide
Beim Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren (Methionin und Cystein) und von Phospholipiden entstehen
+
50-100 mmol H in Form sogenannter nicht-flüchtiger Säuren, d.h. Säuren, welche über die Nieren im
Urin ausgeschieden werden müssen.
Der pH-Wert von Säuren
Der pH-Wert ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration.
Berechnung des pH-Wertes
Von der Definition her ist also der pH-Wert nichts anderes als die (für die Medizin unnötig) komplizierte
Angabe einer Wasserstoffionenkonzentration. Bekanntlich werden Wasserstoffionen bei der Dissoziation
+
von Säuren frei, also beispielsweise: HCl ---> H + Cl .
Wasserstoffionen werden, wie beispielsweise Natrium oder Calciumionen auch, in
Stoffmengenkonzentrationen (also mmol/l) gemessen. Anstatt dass man nun aber diesen Wert als
Resultat angibt, berechnet man zuerst den Logarithmus dieses Wertes. Da die Konzentration der
Wasserstoffionen im Blut kleiner ist als 1 wird der Logarithmus negativ. Damit man nicht mit negativen
Werten arbeiten muss, wird der negative Wert (minus mal minus gibt plus) dieses Logarithmus als
sogenannter pH-Wert verwendet (das kleine "p" weist demnach auf den negativen Logarithmus hin, das
groß geschriebene "H" auf die Wasserstoffionenkonzentration!).
Beispiel: eine Wasserstoffionenkonzentration von ergibt einen pH-Wert von
+
0
+
1.000 mol H /L = 10 mol H /L ; pH = 0
+
-3
+
0.001 mol H /L = 10 mol H /L ; pH = 3
Berechnung der Wasserstoffionenkonzentration aus dem pH-Wert
Da gemäß Definition gilt:
+
pH = -log[H ]
so ist:
+
-pH
[H ] = 10
Beispiel: ein pH-Wert von 7.35 entspricht einer Wasserstoffionenkonzentration
-pH
pH 7.4 ; [H+] = 10
-7.4
= 10
= 39 nmol/l
Puffersysteme des Blutes
Die fortlaufend im Stoffwechsel entstehenden Säuren hätten eine verheerende Wirkung, wenn sie
nicht unverzüglich abgepuffert und anschließend eliminiert würden.
Puffersysteme
+
-
Wird eine starke Säure, die praktisch vollständig in H -Ionen und Säureanionen (A ) dissoziiert ist,
+
einer ungepufferten Lösung (oder Wasser) zugegeben, so nimmt erwartungsgemäß die H Ionenkonzentration dieser Lösung zu und damit der pH-Wert ab. Wird dieselbe Säure jedoch einer
+
gepufferten Lösung zugegeben, so werden die H -Ionen größtenteils gebunden, so dass der pHWert unverändert bleibt oder nur gering ändert. Gleiches gilt sinngemäß natürlich auch für Laugen.
Chemisch ist ein Puffer ein Gemisch aus einer schwachen Säure und einem Salz mit gleichem
Anion oder ein Gemisch aus einer schwachen Base und einem Salz mit gleichem Kation.
Wir wiederholen noch einmal:
Im Blut werden vier Puffersysteme unterschieden:
•
•
•
•
das Bicarbonatpuffersystem
das Hämoglobinpuffersystem in den Erythrozyten
das Plasmaproteinpuffersystem und
das Phosphatpuffersystem
Die Henderson-Hasselbalch'sche Gleichung
Der pH-Wert einer Lösung wird durch das Konzentrationsverhältnis zwischen dissoziierter und
undissoziierter Form einer Säure bestimmt und kann mit der Gleichung nach Henderson und
Hasselbalch berechnet werden:
-
[A ]
pH = pK + log --------------------[HA]
-
wobei: HA = undissoziierte Säure und A = dissoziierte Säure
Der pK-Wert entspricht dem negativen, dekadischen Logarithmus der Dissoziationskonstanten Ka
einer Säure (d.h. pKa = -log Ka). Ein Puffer ist am wirkungsvollsten, wenn der pH-Wert der Lösung
gleich dem pKa des Puffers ist, d.h. wenn [HA] = [A ].
Das Kohlensäure-Bicarbonatsystem
Die Carboanhydrase
Sie katalysiert formal die Bildung von Kohlensäure aus Kohlendioxid (CO2)und Wasser.
-
+
Die Kohlensäure dissoziiert anschließend in Bicarbonat (HCO3 )und ein Wasserstoffion (H ).
-
Das Zusammenspiel von Kohlendioxid (CO2), Kohlensäure (H2CO3) und Bicarbonat (HCO3 ) kann
mit der Gleichung nach Henderson und Hasselbalch beschrieben werden kann (pK = 6.1).
-
[HCO3 ]
pH = pK + log --------------------[H2CO3]
Das Verhältnis zwischen zwischen Bicarbonat und Kohlensäure beträgt normalerweise etwa 20:1.
Chemisch gesehen ist dieses Puffersystem nur wenig wirksam. Die große physiologische
Bedeutung dieses Puffers liegt darin, dass die Konzentration der beiden Pufferkomponenten
weitgehend unabhängig voneinander verändert werden können, indem CO2 durch die Lunge
abgeatmet und Bicarbonat durch die Niere ausgeschieden wird. Der Anteil des Bicarbonatpuffers
an der gesamten Pufferkapazität macht daher etwa 75 % aus.
In der Praxis wird die Bicarbonatkonzentration nicht gemessen, sondern aus dem pH-Wert und
dem pCO2 berechnet. Dazu muss der Löslichkeitskoeffizient (S) für CO2 bekannt sein.
Beispiel: Die Bicarbonatkonzentration für einen pCO2 von 40 mm Hg und einen pH von 7.4 soll
berechnet werden. Der molare Löslichkeitskoeffizient für CO2 bei 37°C in Plasma
beträgt 0.0304 (falls Angabe in mmHg).
-
[HCO3 ]
pH = pK + log --------------------[H2CO3]
Die Kohlensäure [H2CO3] wird durch S · pCO2 ersetzt:
-
[HCO3 ]
pH = pK + log --------------------S · pCO2
Umformung der Gleichung:
-
[HCO3 ]
log ----------------- = pH - pK
S · pCO2
Entlogarithmieren der Gleichung:
-
[HCO3 ]
pH - pK
----------------- = 10
S · pCO2
in Zahlen:
-
[HCO3 ]
= 0.0304 · 40 · 107.4-6.1
=
24.2 mmol/L
Anmerkung: wird der pCO2 in kPa angegeben, so beträgt der Löslichkeitskoeffizient 0,203.
Hämoglobinpuffer
Rund 88 % des anfallenden CO2 werden vom Hämoglobin aufgenommen. Damit erfüllt das
Hämoglobin neben dem O2- und CO2-Transport eine wichtige Funktion bei der Pufferung des
Blutes. Hämoglobin ist ja bekanntlich ein Protein, und diese können Säuren und Basen abpuffern.
Auf der nächsten Seite folgt eine Schemazeichnung (Abb. 4), welche die Vorgänge der äußeren
Atmung darstellt. (Äußere Atmung = Gasaustausch zwischen Alveolen und Blut und zwischen Blu
und Zelle. Die "innere Atmung" beschreibt die Vorgänge der ATP-Erzeugung auf mitochondrialer
Ebene. Dabei entstehen als "Abfallprodukte" Kohlendioxid (wird ausgeatmet) und Wasser (wird
über Niere, Haut und Atmung ausgeschieden).
Abb. 4: Abtransport von CO2 aus den Zellen in die Lungen. CH2O steht für ein beliebiges
Energiesubstrat. Die beiden Vierecke im Blut stellen Erythrozyten dar.
Das in den Zellen bei der Oxidation von Energiesubstraten freiwerdende CO2 diffundiert in das
Plasma der Gewebskapillaren. Ein kleiner Teil dieses physikalisch gelösten CO2 wird zu
Kohlensäure hydratisiert, ein weiterer, ebenfalls geringer Teil bindet sich an Plasmaproteine
(Carbaminoverbindungen), der größte Teil des CO2 diffundiert in die Erythrozyten. Dort bleibt ein
geringer Teil physikalisch gelöst, ein Teil geht mit dem Hämoglobin eine Carbaminoverbindung
ein. Der überwiegende Teil wird jedoch unter der katalytischen Wirkung der Carboanhydrase über
+
Kohlensäure in Bicarbonat und H umgewandelt. Die Protonen werden vom Hämoglobin unter O2Abgabe abgepuffert (Bohr-Effekt). Das Bicarbonat wird an das Plasma abgegeben, wobei zur
Wahrung der Elektroneutralität Chlorid vom Erythrozyten aufgenommen wird. Von der gesamten
Kohlensäure werden 95% als HCO3 und nur 5% als CO2 transportiert. Rund 75% des Bicarbonats
sind dabei im Plasma und 25% in den Erythrozyten.
In der Lunge wird das Bicarbonat des Plasmas wiederum im Austausch mit Chlorid von den
Erythrozyten aufgenommen. Bei der Aufnahme von Sauerstoff gibt das Hämoglobin die
gepufferten Protonen wieder ab (Bohr-Effekt). Die H+-Ionen reagieren mit Bicarbonat unter der
Wirkung von Carboanhydrase zu Kohlensäure, die in H2O und CO2 dissoziiert. Das CO2 diffundiert
leicht von den Erythrozyten in das Plasma und von dort in den Alveolarraum.
Plasmaproteine
Die Plasmaproteine wirken wegen ihres amphoteren Charakters als Puffer. Bei normalem Blut-pH
liegen die meisten Proteine als Anionen vor.
-
pH =
[Protein ]
pK + log --------------------[HProtein]
Phosphatpuffer
Chemisch betrachtet handelt es sich um ein wirksames Puffersystem (pKa= 6.7), physiologisch
spielt es aber wegen der geringen Konzentration im Plasma nur eine untergeordnete Rolle, ist
jedoch intrazellulär von grosser Bedeutung.
-
+
2-
H2PO4 ---> H + HPO4
-
2-
wobei: H2PO4 = primäres Phosphat und HPO4 = sekundäres Phosphat
2-
[HPO4 ]
pH = pK + log --------------------[H2PO4-]
Zusammenhänge zwischen den Puffersystemen
Das beim Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel freiwerdende CO2 kann leicht über die Lungen
eliminiert werden. Die vorwiegend aus dem Proteinabbau stammenden Schwefel- und
Phosphorsäure werden primär durch Bicarbonat neutralisiert, wobei die entstehende Kohlensäure
in Wasser und CO2 dissoziiert, das ebenfalls abgeatmet wird. Dadurch kommt es jedoch zu einem
laufenden Verlust an Bicarbonat, der vor allem durch die Nieren ergänzt werden muss.
Abb. 5: Zusammenhänge zwischen den Puffersystemen. Die im Gewebe entstehenden CO2 und
+
H sind über das Kohlensäure-Bicarbonat-System austauschbar.
Funktion der Nieren im Säure-Basen-Haushalt
Die rasch funktionierende Regulierung des pH-Wertes im Blut wird durch Variation des pCO2 über
die Atmung erreicht, während die Nieren zwar langsamer, aber nachhaltiger reagieren.
Die Nieren kontrollieren den Säure-Basen-Haushalt durch drei Mechanismen:
•
•
•
Regulation der Bicarbonat-Ausscheidung
Neubildung von Bicarbonat
+
Ausscheidung von H -Ionen und Ammoniak bzw. Ammoniumchlorid.
Bezüglich Bicarbonat stellen sich den Nieren je nach Stoffwechsellage zwei verschiedene
Aufgaben:
•
bei Azidose (erniedrigter Blut-pH) ist das in das Tubuluslumen filtrierte Bicarbonat wieder
zurück zu resorbieren.
•
bei Alkalose (erhöhter Blut-pH) ist ein entsprechender Teil des filtrierten Bicarbonats im
Urin auszuscheiden und dem Primärharn hinzuzufügen.
Die Bicarbonatrückresorption
Bicarbonat wird durch nicht-ionische Diffusion in Form von CO2 in die proximale Tubuluszelle
aufgenommen:
Abb 6: Die Bicarbonatrückresorption: vom Natriumbicarbonat wird das Natrium im Austausch
gegen ein Wasserstoffion aufgenommen. Die dabei entstehende Kohlensäure dissoziiert in
Kohlendioxid und Wasser, das im Urin ausgeschieden wird. Das Kohlendioxid wird in die
Tubuluszelle aufgenommen, in Bicarbonat umgewandelt, das zusammen in das Blut übertreten
kann.
Die Neubildung von Bicarbonat in der Niere
Die Niere kann nicht nur Bicarbonat rückresorbieren, sondern die Tubuluszellen sind zudem in der
Lage, aus CO2 und Wasser mit Hilfe der Carboanhydrase neues Bicarbonat zu generieren, um die
Verluste zu ersetzen, die bei der Pufferung nicht-flüchtiger Säuren auftreten. Das Bicarbonat-Ion
+
wird in das Blut abgegeben, das H -Ion in das Tubuluslumen sezerniert. (Entsprechend der
Reaktion in der Tubuluszelle unten links in Abbildung 1).
Ausscheidung von Protonen und Ammoniak
Die Ausscheidung von H+-Ionen durch die Nieren kann in 3 Formen erfolgen:
•
•
•
+
freies H -Ion
titrierbare Säure
Ammoniumion
Freie H+-Ionen
+
+
Die Ausscheidung von H in Form von freien H -Ionen im Urin ist mengenmäßig nicht von
Bedeutung und würde niemals ausreichen, um ein physiologisches Blut-pH aufrechtzuerhalten.
+
Selbst bei maximal saurem Urin finden sich weniger als 1 mmol H /L.
+
Beispiel: bei einem Urin-pH von 5 werden wieviel H -Ionen ausgeschieden ?
H
+
-pH
= 10
=
-5
10
+
mol H /L
+
= 0.000 010 mol H /L
=
+
10 µmol H /L
Titrierbare (fixe) Säuren
Die beim Stoffwechsel anfallenden Protonen der Phosphor- bzw. Schwefelsäuren werden primär
durch das Bicarbonatsystem abgepuffert.
Pufferung :
H3HPO4 + 2 NaHCO3
---------------->
H2SO4 + 2 2 NaHCO3 ---------------->
Na2HPO4 + 2 CO2 + 2 H2O
Na2SO4 + 2 CO2 + 2 H2O
Die Ausscheidung der so entstandenen Natriumsalze Na2HPO4 und Na2SO4 würde zu einem
großen Natriumverlust für den Organismus führen. Sie werden daher im Primärurin zu Säuren
zurückverwandelt. Die Rückwandlung kann dabei nur bis zum NaH2PO4 erfolgen, wobei ein
geringer Natriumverlust in Kauf genommen wird, oder bis zu den reinen Säuren. Letztere werden
im Urin durch zusätzliche NH3 Ausscheidung abgepuffert und somit als (NH4)H2PO4 bzw.
(NH4)2SO4 ausgeschieden.
Primärharn: Rückwandlung
+
Na2HPO4 + 2 H + NH3 ---------------->
+
Na2SO4 + 2 H + NH3
---------------->
+
(NH4)H2PO4 + 2 Na
+
(NH4)2SO4 + 2 Na
+
Etwa ein Drittel bis die Hälfte der im normalen Stoffwechsel anfallenden H -Ionen werden auf
diesem Weg eliminiert. Die Kapazität dieser Ausscheidungsform ist begrenzt durch das
glomeruläre Angebot, sie spielt daher keine wesentliche Rolle für die Ausscheidung abnormaler
Säuremengen.
Ammoniumionen
Tubuluszellen produzieren beim Abbau von Aminosäuren (vor allem von Glutamin zu Glutamat)
Ammoniak, der frei durch die Zellmembran in das Tubuluslumen diffundiert. Dort verbinden sich
+
+
H -Ionen mit dem Ammoniak zu NH4 , das nicht mehr durch die Membran diffundieren kann und
demzufolge ausgeschieden wird.
Unter normalen Stoffwechselbedingungen werden die Hälfte bis zwei Drittel der nicht-flüchtigen
Säuren als Ammoniumsäuren sezerniert. Die Niere ist jedoch in der Lage, bei verstärktem
Säureanfall die Produktion von Ammoniumionen beträchtlich zu steigern. Allerdings dauert es 2 bis
5 Tage, bis die maximale Produktion erreicht ist. Dieser Mechanismus ermöglicht es der Niere,
große Mengen an Säuren auszuscheiden, ohne das Urin-pH auf einen Wert unter 4.5 abzusenken.
Die Entnahme der Probe
Die Zuverlässigkeit einer Blutgasanalyse wird von der Blutentnahme wesentlich beeinflusst. Dazu
gehören im weitesten Sinne die Vorbereitung des Patienten, die eigentliche Blutentnahme, die
Aufbewahrung und die Übertragung der Probe in das Analysengerät. Die Blutentnahmen werden
meistens von Ärzten bzw. Pflegepersonal durchgeführt, die Laborantin muss aber die möglichen
Quellen von Fehlern kennen, um bei Unstimmigkeiten die Klinik darauf aufmerksam machen zu
können.
Die Vorbereitung des Patienten
Der Patient soll, wie bei anderen Blutentnahmen auch, informiert werden über das, was man
vorhat. Ängstliche Patienten neigen zur Hyperventilation, was die Werte der Blutgasanalyse
wegen der Abatmung von CO2 drastisch beeinflussen kann.
Die Wahl der Punktionsstelle
Zur arteriellen Blutentnahme wird die Punktion der Speichenarterie (A. radialis) empfohlen. Die
Oberschenkelarterie ist zwar grösser und damit leichter abzutasten, kann aber bei der Blutstillung
Schwierigkeiten machen.
Geeignet ist auch arterialisiertes Kapillarblut, das dem Ohrläppchen oder bei Neugeborenen bis
zu einem Alter von 2-3 Monaten der Ferse entnommen werden kann.
Die Wahl des Entnahmematerials
Um eine Gerinnung des Blutes zu vermeiden, muss ein Antikoagulans verwendet werden.
Empfohlen werden heute Spritzen, die Na- oder Li-Heparin in lyophilisierter oder in kristalliner
Form enthalten. Die Benutzung von flüssigem Heparin kann zu Verdünnungsfehlern führen und ist
daher zu vermeiden.
Heparin ist allerdings chemisch schlecht definiert. Es ist eine Mischung aus verschiedenen
Makromolekülen, die an verschiedene Ionen gebunden sind. Heparin wird daher nicht durch das
Gewicht, sondern durch seine antikoagulatorische Wirkung beurteilt und in I.E. (internationale
Einheiten) oder USP-Einheiten angegeben. (USP=United States Pharmakopoe = US Arzneimittelbuch)
Natrium-Heparin enthält 11% Natrium, so dass Natrium der Probe hinzugefügt wird. Auch LithiumHeparin enthält kleine Mengen an Natrium und Kalium. Andererseits bindet Heparin Kationen
2+
2+
+
+
(Ca > Mg > K > Na ). Die beiden Effekte, die Addition und die Bindung von Ionen, sind bei
qualitativ guten Spritzen vernachlässigbar.
Entnahmetechnik
Die Probe darf nicht zu schnell angesaugt werden, da sonst ein zu starkes Vakuum entsteht, das
zu einer Entgasung des Blutes und damit zu falsch tiefen Blutgaswerten führt.
Sehr kritisch sind Luftblasen. Jede Luftblase in der Probe muss sofort, d.h. noch vor dem Mischen,
durch Ausspritzen entfernt werden. Da die Konzentration in der Luft von CO2 geringer und von O2
höher ist als im arteriellen Blut, führt der Kontakt mit einer Luftblase zu einer Erniedrigung des
pCO2 und zu einer Erhöhung des pO2 im Analysenmaterial.
Man kann davon ausgehen, dass eine Luftblase von nur 0,01 ml in einer Blutprobe von 1 ml zu
einer Erhöhung des pO2 von fast 15% führt.
Beispiel: Ein pO2 von 70 mm Hg kann bedingt durch eine Luftblase dieser Größe auf fast
80 mm Hg ansteigen.
Zu beachten ist, dass niedrige Aufbewahrungstemperaturen den Übertritt von O2 aus der Luftblase
in die Probe verstärken, da die Löslichkeit von Gasen mit abnehmender Temperatur zunimmt. Der
Austausch von Gasen wird auch durch heftige Bewegung der Probe verstärkt (Rohrpost).
Aufbewahrung der Probe
Proben für Blutgasanalysen sind umgehend, d.h. innerhalb von 10 Minuten bei Raumtemperatur
zu analysieren. Der Stoffwechsel der Blutzellen verbraucht Sauerstoff und produziert Kohlendioxid.
Dadurch sinkt nicht nur der pO2, sondern mit steigendem pCO2 nimmt auch das pH ab. Die
Aufbewahrung in Eiswasser oder im Kühlschrank bei 4°C verlangsamt den Stoffwechsel der Zellen
um mindestens das Zehnfache, erhöht aber die Löslichkeit der Blutgase, was bei der
unvermeidbaren Gasdurchlässigkeit von Kunststoffspritzen eine Rolle spielt (Glasspritzen sind
gasundurchlässig). Zu vermeiden ist eine Kühlung unter 0°C, z.B. durch direkten Kontakt mit Eis,
da es dadurch zu einer Hämolyse kommen kann.
Die Analyse
Vor der Analyse ist die Probe noch einmal gut zu mischen. Die ersten Blut-Tropfen werden
verworfen, z.B. durch Ausspritzen in einen Tupfer. Anschließend wird die Probe langsam und
gleichmäßig in den Blutgasanalysator eingespritzt. Bei Verwendung von Kapillaren entfällt das.
Säure-Basen-Status
Der Säure-Basen-Status soll Auskunft geben über den respiratorischen und metabolischen Zustand
bei Patienten in Bezug auf den Sauerstoff, das CO2 und den pH-Wert.
In der Regel wird arterielles, seltener selten gemischt-venöses Blut untersucht.
Arterielles Blut
Arterielles Blut wird bevorzugt, da es eine Aussage über die Sauerstoffversorgung des Blutes
durch die Lungen und eine Beurteilung der Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff erlaubt.
Gemischt-venöses Blut
Wird Blut einer Vene z.B. der Ellenbeuge entnommen, so sagt die Blutgasanalyse nur etwas aus
über die Sauerstoff bzw. CO2 Verhältnisse in diesem Arm.
Falls eine Aussage über den Sauerstoffverbrauch im gesamten Organismus verlangt wird, muss
vollständig gemischtes, d.h. aus allen Körperregionen stammendes venöses Blut untersucht
werden.
Dieses gemischt-venöses Blut wird über einen Katheter der A.pulmonalis entnommen. Der Begriff
gemischt-venös kommt daher, dass es sich um Blut handelt das aus der V.cava superior und der
V.cava inferior im rechten Vorhof “gemischt” wird, bevor es über die rechte Herzkammer in die
Pulmonalarterie gelangt. Die Untersuchung von gemischt-venösem Blut wird wegen der
aufwendigen Blutentnahme selten durchgeführt.
Messung und Berechnung
Aus messtechnischen Gründen wird mit Geräten, die zur Bestimmung des Säure-Basen-Status
verwendet werden, neben pH und pCO2 gleichzeitig auch der Partialdruck des Sauerstoffs (pO2)
gemessen. Die Analytik der Blutgase und des Säure-Basen-Status basiert demnach auf pH,
pCO2, Bicarbonat sowie pO2 und Sauerstoffsättigung.
Säure-Basen-Status
gemessen werden
pH-Wert
Maß für die H+Ionenkonzentration
pCO2
Partialdruck des des
Kohlendioxids
daraus können
berechnet werden
-
HCO3 aktuell
aktuelles Bicarbonat im Plasma
Die Berechnung basiert auf der Gleichung von Henderson und
Hasselbalch
Basenabweichung
= Base excess.
entspricht der Menge eine starken Säure oder Base, die erforderlich
ist, um den pH-Wert bei einer metabolisch bedingten Abweichung zu
normalisieren
-
HCO3 standard
Bicarbonatkonzentration im Plasma einer Blutprobe, die bei 37°C mit
einem pCO2 von 40 mm Hg und mit Sauerstoff zur Vollsättigung
äquilibriert wurde.
Gesamtpufferbasen
Summe der Konzentrationen all der Pufferformen, die H+-Ionen
aufnehmen können, wie HCO3 , Hb-, HBO2-, HPO4-
Gesamt CO2
Summe der Konzentrationen von CO2, H2CO3 und HCO3
-
Die Basenabweichung (BE, base excess) der Extrazellulärflüssigkeit errechnet sich aus
folgenden Größen: BE (mmol/l) = (cHCO3 - 24,2) + 16,2 (pH - 7,4). (c=Konzentration)
Sauerstoffversorgung
gemessen
werden
pO2
Partialdruck des Sauerstoffs
sO2
Sauerstoffsättigung
Prozentsatz des oxygenierten Hämoglobins bezogen auf das Hämoglobin, das
fähig ist Sauerstoff zu transportieren:
cO2Hb
sO2 = ----------------------------------- · 100
cO2Hb + cHHb
daraus können
berechnet werden
HbO2
Fraktion des oxygenierten Hämoglobins
Prozentsatz des oxygenierten Hämoglobins bezogen auf das gesamte
Hämoglobin (inkl. Dyshämoglobine):
cO2Hb
O2Hb = ---------------------------------------------------------- · 100
cO2Hb + cHHb + cCOHb + cMetHb
p50
Maß für die Lage der Sauerstoff-Dissoziationskurve (ODK).
Ist definiert als der pO2, der bei Halbsättigung des oxydierbaren
Hämoglobins vorhanden ist.
Normwerte des Säure-Basen-Status
Die folgenden Normwerte beziehen sich auf arterielles Blut.
Analyt
Neue Einheiten Alte Einheiten
pH
7.35 - 7.45
pCO2
4.67 - 6.00 kPa 32 - 45 mmHg
Bicarbonat aktuell
22 - 26 mmol/l
22 - 26 mmol/l
Bicarbonat standard
22 - 26 mmol/l
22 - 26 mmol/l
Base excess
-3 bis +2 mmol/l -2 bis + 3 mmol/l
pO2
10.7 - 12.0 kPa 80 - 90 mmHg
7.35 - 7.45
Sauerstoffsättigung (sO2) 95 - 99%
95 - 99%
p50
3.2 - 3.8 kPa
24 - 28 mmHg
Hämoglobin Frauen
120 - 160 g/l
Hämoglobin Männer
140 - 180 g/l
CO-Hämoglobin
< 2%
Met-Hämoglobin
< 5%
Der bei normaler Körpertemperatur mit dem Leben vereinbare pH-Bereich liegt zwischen pH 7.8
und pH 7.0 (entsprechend einer Wasserstoffionenkonzentration zwischen 16 nmol/l und
100 nmol/l).
Anmerkung: der intrazelluläre pH-Wert ist nicht genau messbar, dürfte aber im sauren Bereich
liegen.
Störungen der Sauerstoffversorgung
Überblick
Sauerstoff ist ein absolut lebensnotwendiges Element. Der Mensch besitzt jedoch nur kleine
Reserven, so dass bereits ein Unterbruch von wenigen Minuten genügt, um schwere Schäden vor
allem des Zentralnervensystems zu setzen oder sogar den Tod zu bewirken. Auf der anderen
Seite wirkt ein Zuviel an Sauerstoff ebenfalls schädlich (Lungenschädigung, Erblindung von
Frühgeborenen durch ein Überangebot an Sauerstoff im Brutkasten (retrolentale Fibroplasie).
Die Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff und die damit verbundenen Störungen lassen sich
didaktisch in 3 Phasen unterteilen:
•
•
•
Sauerstoff-Aufnahme
Die Aufnahme von Sauerstoff in das Blut wird durch die Lungen bestimmt. Ein gutes Maß
für die Lungenfunktion ist der pO2 im arteriellen [pO2(aB)] oder gemischt venösen Blut
[pO2(vB)].
Sauerstoff-Transport
Die Transport-Kapazität für Sauerstoff ist gegeben durch die Konzentration des
Hämoglobins, die Sauerstoffsättigung, die wiederum vom pO2 abhängig ist und die
Affinität des Hämoglobins.
Sauerstoffabgabe
Die Abgabe von Sauerstoff an die Gewebe ist einerseits von der Hämoglobin-SauerstoffAffinität und andererseits vom pO2-Gradienten zwischen den Kapillaren und dem Gewebe
abhängig.
Ursache der Störungen
Störungen der Sauerstoffaufnahme
Eine Hypoxämie kann bedingt sein durch eine alveoläre Hypoventilation, eine Verteilungsstörung,
vaskuläre Kurzschlüsse, Diffusionsstörungen oder eine Kombination dieser Faktoren.
•
•
•
•
•
Zu tiefer Gehalt an Sauerstoff in der Einatmungsluft
Kommt vor allem bei einem Aufenthalt in großer Höhe vor. Bei längerdauerndem
Höhenaufenthalt reagiert der Organismus mit der Erhöhung des Hämoglobins durch eine
Zunahme der Erythrozytenzahl.
Alveoläre Hypoventilation
Die verminderte Belüftung der Alveolen bewirkt, dass der pO2 in den Lungenalveolen
absinkt und der pCO2 zunimmt. Für die Diagnostik ist der daraus resultierende Anstieg
des arteriellen pCO2 (arterielle Hyperkapnie) von besonderer Bedeutung, weil sie im
Gegensatz zu den anderen Hypoxämieformen immer auftritt.
Alveoläre Hypoventilationen können bei Asthma bronchiale und Lungenemphysem
gesehen werden.
Ventilations- / Perfusions-Verteilungsstörungen
Unter Verteilungsstörungen versteht man eine Störung im Zusammenspiel zwischen
Belüftung und Durchblutung in den einzelnen Lungenabschnitten. Verteilungsstörungen
sind häufig und praktisch immer an der Entstehung der Hypoxämie bei chronischen
Lungenerkrankungen beteiligt. Bei allgemein verstärkter Atmung kann es zur Hypoxämie
ohne Hyperkapnie kommen.
Vaskuläre Kurzschlüsse
Als Rechts-Links-Shunts werden venoarterielle Kurzschlüsse bezeichnet, bei denen
venöses Blut direkt unter Umgehung der Lungen bzw. der Alveolarkapillaren direkt, d.h.
nicht arterialisiert, in die Lungenvene gelangt. Rechts-Links-Shunts kommen vor bei
Missbildungen des Herzens und der großen Gefäße. Bei M.Osler und bei Atelektasen
finden sich intrapulmonale Shunts.
O2-Diffusionsstörungen
Bekannte Ursachen für O2-Diffusionsstörungen sind das destruktive Lungenemphysem
(Schwund von Lungenkapillaren), interstitiell fibrosierende Erkrankungen und Anämien.
Störungen des Sauerstofftransportes
Der Sauerstofftransport in die Gewebe ist vermindert bei erniedrigtem Hämoglobin und
ungenügender Auswurfleistung des Herzens (kardiale Insuffizienz).
Die Transportfähigkeiten können durch Bluttransfusionen oder durch Reduzierung eventuell
vorhandener Dyshämoglobine verbessert werden.
Störungen der Sauerstoffabgabe
Die Sauerstoffabgabe von den Erythrozyten an die Zellen ist erschwert bei erhöhter HämoglobinSauerstoff-Affinität (Rechtsverschiebung der Sauerstoffdissoziationskurve).
Bei verschiedenen Erkrankungen die mit Fieber einhergehen und vor allem bei Sepsis kann der
Sauerstoffverbrauch ansteigen.
pO2 und Sauerstoffsättigung
Der arterielle pO2 ermöglicht die bessere Beurteilung des Gasaustausches in der Lunge als die
Sauerstoffsättigung. Bei der Beurteilung des pO2 sind auch Alter und Körperlage zu
berücksichtigen.
Die Sauerstoffsättigung ist bezüglich der Versorgung des Organismus mit O2 aussagekräftiger als
der pO2 .
Beispiel: Eine Verschlechterung der Lungenfunktion führt bei einem Patienten zur Abnahme des
arteriellen pO2 von 90 auf 70 mm Hg. Diese deutliche Verminderung des Partialdruckes um 20 mm
Hg dokumentiert zwar die Lungenerkrankung, hat jedoch nur eine Abnahme von 0,96 auf 0,93
(d.h. von 96% auf 93%) der Sauerstoffsättigung zur Folge.
Störungen des Säure-Basen-Haushalts
Prinzipien der Einteilung
Ein besonderes Risiko, Störungen des Säure/Basen-Haushaltes zu entwickeln, haben Patienten
mit insulinabhängigem Diabetes mellitus, chronischen Nierenerkrankungen, chronisch obstruktiven
Lungenerkrankungen, sowie Patienten, die unter Erbrechen und/oder Diarrhoe leiden und
Patienten, die Diuretika einnehmen.
Schwierig wird die Beurteilung, wenn gleichzeitig mehr als eine Störungsursache vorliegt.
Beispiel: Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung, die an Erbrechen, Diarrhoe oder
diabetischer Ketoazidose leiden.
Störungen des Säure-Basen-Haushalts lassen sich entsprechend der pH-Veränderung in
Azidosen (pH erniedrigt) und Alkalosen (pH erhöht) unterteilen. Entsprechend der auslösenden
Ursache spricht man von metabolisch oder respiratorisch bedingten Azidosen bzw. Alkalosen.
Grundsätzlich sind die respiratorischen Störungen immer durch pathologische Veränderungen der
Atmung bedingt, so dass primär die Lungenregulation des Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystems
gestört ist.
Bei metabolischen Störungen des Säure-Basen-Haushaltes gilt grundsätzlich, dass die
Lungenfunktion intakt ist und die primäre Änderung das Bicarbonatsystem betrifft.
Metabolische Azidose
Labor-Befunde
-
pH
pCO2
HCO3
nicht kompensiert
sauer
normal
erniedrigt
teilweise kompensiert
sauer
erniedrigt
erniedrigt
Ursachen
1. Mit vergrößerter Anionenlücke
(Anionenlücke=[ Na+]-([Cl-]+[HCO3 ]) = 8 -16 mmol/L)
•
•
•
Erhöhte Produktion von Wasserstoffionen
o Diabetische Ketoazidose
o Lactatazidose
o alkoholische Ketoazidose
o Langdauernder Hungerszustand
Verminderte Ausscheidung von metabolischen Säuren
o Nierenversagen, Urämie
Zufuhr von metabolischen Säuren
o Salicylatintoxikation
o Einnahme von Paraldehyd, Methanol, Ethylenglykol
2. Mit normaler Anionenlücke bzw. Hyperchlorämie
•
•
•
Gastrointestinaler Bicarbonatverlust
o Diarrhoe
o Gastrointestinale Fisteln
o Uretero-Sigmoidostomie: selten durchgeführte Operation, bei welcher der
Harnleiter in das Colon sigmoideum eingepflanzt wird.
Verabreichung von Ammoniumchlorid
Renaler Bicarbonatverlust
o Renale tubuläre Azidose
o Hemmung der Carboanhydrase
o Frühes Stadium des Nierenversagens
o Verminderte Mineralcorticoide: M. Addison, Hypoaldosteronismus
Primärstörung
Der Verbrauch oder Verlust von Bicarbonat führt zu einem Mangel an Basen und damit zu einem
Überwiegen der Säuren.
Kompensation
Der Abfall des pH führt zu einer Stimulation der Atmung, Hyperventilation, so dass der pCO2
abnimmt.
Zur Kompensation der metabolischen Azidose sollte der pCO2 um ungefähr 1,2 mmHg (0.16 kPa)
für jede Erniedrigung des Bicarbonats von 1,0 mmol/l abnehmen. Die
Kompensationsmechanismen setzen innerhalb von Minuten ein, es kann jedoch bis zu 24 Stunden
dauern, bis sie maximal wirken. Der pCO2 fällt dabei nicht unter einen Wert von 10 mmHg (1.3
kPa).
Eine Überprüfung der Situation erfolgt am einfachsten mit dem Säure-Basen-Diagramm. Ist der
gemessene pCO2 kleiner als für den vorliegenden Bicarbonatverlust zu erwarten wäre, so liegt
neben der metabolischen Azidose zusätzlich eine respiratorische Alkalose vor, nach deren
Ursachen (z.B. Sepsis), gesucht werden muss. Ist der pCO2 tiefer als erwartet, so liegt neben der
metabolischen auch eine respiratorische Azidose vor (z.B. bedingt durch eine chronisch
obstruktive Lungenerkrankung).
Falls die Niere nicht an der Genese der Azidose beteiligt ist, kann auch eine renale Kompensation
zur Normalisierung des pH beitragen. Die Niere reagiert auf die Azidose mit einem Anstieg der
Bicarbonatrückresorption und einer gesteigerten Ausscheidung von Wasserstoffionen.
Folgestörung
Durch den Austritt von Kalium aus der Zelle im Austausch mit Wasserstoffionen kommt es zudem
zu einer Hyperkaliämie.
Eine Ausnahme wird nicht selten bei der diabetischen Ketoazidose beobachtet, bei der es wegen
der osmotischen Diurese zu einem starken Kaliummangel kommen kann.
Respiratorische Azidose
Labor-Befunde
-
pH
pCO2
HCO3
nicht kompensiert
sauer
erhöht
erniedrigt
teilweise kompensiert
sauer
erhöht
erhöht
Ursachen
Die respiratorische Azidose beruht auf einer verminderten CO2-Ausscheidung durch die Lungen
(Hypoventilation):
•
•
•
•
mechanische Behinderung der Ventilation: Lungenfibrose, Lähmung der Atemmuskulatur
Störung der Blutversorgung: Lungenembolie, pulmonale Stauung
Diffusionsstörungen: Lungenödem
Diffusionsstörungen sind selten, da CO2 gut diffundiert.
Primärstörung
Erhöhung des pCO2 (Hyperkapnie) mit Erniedrigung des pH-Wertes.
Kompensation
Zunahme des Bicarbonats.
Kompensatorisch wird von der Niere vermehrt Bicarbonat rückresorbiert und vermehrt
Wasserstoffionen ausgeschieden.
Metabolische Alkalose
Labor-Befunde
-
pH
pCO2
HCO3
nicht kompensiert
alkalisch
normal
erhöht
teilweise kompensiert
alkalisch
erhöht
erhöht
Ursachen
Die metabolische Alkalose ist weitaus seltener als metabolische Azidose. Sie kann sich bei Verlust
von Wasserstoffatomen oder bei einer Anhäufung von Basen (Bicarbonat) entwickeln.
•
chronisches Erbrechen von saurem Magensaft
Primärstörung
erhöhte Bicarbonatkonzentration mit pH-Anstieg.
Kompensation
Hypoventilation
Die pH-Erhöhung verursacht eine Dämpfung der Atmung, was zum pCO2-Anstieg führt. Die
metabolische Alkalose ist mit einer Hypokaliämie gekoppelt, da intrazelluläre Wasserstoffionen
gegen extrazelluläres Kalium ausgetauscht werden.
Respiratorische Alkalose
Labor-Befunde
-
pH
pCO2
HCO3
nicht kompensiert
alkalisch
erniedrigt
erniedrigt
teilweise kompensiert
alkalisch
normal
erniedrigt
Ursachen
Die respiratorische Alkalose kommt durch eine gesteigerte CO2-Abgabe über die Lungen
zustande:
•
•
Hyperventilation
Hypoxie
Primärstörung
Abnahme des pCO2 (Hypokapnie)
Kompensation
erhöhte Bicarbonatausscheidung durch die Nieren.
Die Verminderung des pCO2 führt zu einer pH-Zunahme. Der Austritt von Protonen aus der Zelle
im Austausch mit Kalium hat eine Hypokaliämie zur Folge.
Die Nieren scheiden einen alkalischen Urin aus, da es wegen des verminderten pCO2 in den
Tubuluszellen zu einer Abnahme der Ausscheidung von Wasserstoffionen kommt.
Kombinierte Störungen
Die Abweichung von den Normwerten ist dann grösser als erwartet, wenn die kompensatorischen
Möglichkeiten eingeschränkt sind.
Beispiel: Ein Patient mit einer metabolischen Azidose kann bei einer bereits vorliegenden
Lungenerkrankung oder bei Rippenfrakturen nicht durch eine entsprechende Hyperventilation
vermehrt CO2 abatmen.
In der klinischen Beurteilung geht es darum, zuerst die auslösende Ursache der Säure/BasenStörung zu diagnostizieren und anschließend abzuschätzen, ob die Kompensationsmechanismen
erwartungsgemäß eingesetzt haben. Dazu eignen sich Säure-Basen-Diagramme. Fallen die
Messwerte außerhalb vorgesehener Regionen an, so haben entweder die
Kompensationsmechanismen noch nicht voll eingesetzt oder es liegt mehr als eine
Störungsursache vor.
Diese Diagramme versagen bei Vorliegen von mehr als 2 Störungsursachen oder wenn eine
Kombination von metabolischer Azidose und Alkohol vorliegen. In dieser Situation muss die
Chloridkonzentration oder die Anionenlücke gemessen werden.
Jede Störung des Säure/Basen-Haushaltes besteht aus einer primären Störung und einem
kompensatorischen Ereignis. Allerdings können kompensatorische Mechanismen, mit Ausnahme
einiger chronischer respiratorischer Alkalosen, den pH-Wert nicht wieder in den normalen Bereich
verschieben. Falls bei anormalen Bicarbonat- und pCO2-Werten der pH-Wert normal ist, liegt
wahrscheinlich mehr als eine Störungsursache vor.
Auswertung von Blutgasanalysen
Für die Auswertung einer Blutgasanalyse benötigt man den gemessenen pH-Wert, das
Standardbikarbonat in mmol/l und den pCO2-Wert in mm Hg. Ein mit ausgedruckter pO2-Wert in
mm Hg kann für die Beurteilung mit herangezogen werden. Nützlich ist ferner die Kenntnis des
aktuellen Hb-Wertes und des Base-Excess (BE).
1. Schritt:
Man betrachte den pH-Wert und ordne unter Kenntnis der Referenzbereiche (7,35 – 7,45) ein in
"Azidose" (pH <7,35), "Alkalose" (pH>7,45) oder "weder noch".
2. Schritt:
Man betrachte den pCO2-Wert und ordne ein in "respiratorische Azidose" (pCO2>45), "respiratorische
Alkalose" (pCO2<35) oder "weder noch".
3. Schritt:
Man betrachte das Standard-Bikarbonat und ordne ein "metabolische Azidose" (St.-Bic. < 22 mmol/l),
"metabolische Alkalose" (St-Bic. > 26 mmol/l) oder "weder noch"
4. Schritt:
Man betrachte den Base-Excess BE und prüfe, ob sich die unter Schritt 3 getroffene Einteilung
bestätigen lässt: BE > +2 passt zu einer metabolischen Alkalose, BE < -3 passt zu einer
metabolischen Azidose.
5. Schritt:
Man führe die Erkenntnisse der Schritte 1 bis 4 zu einer diagnostischen Aussage zusammen.
6. Schritt:
Plausibilitätskontrolle.
Dabei muss man folgendes wissen:
- Eine metabolische Störung versucht der Körper durch eine gegenregulierende respiratorische
Kompensation auszugleichen.
Also: eine metabolische Azidose wird durch eine respiratorische Alkalose kompensiert.
eine metabolische Alkalose wird durch eine respiratorische Azidose kompensiert.
- Eine respiratorische Störung versucht der Körper durch eine gegenregulatorische metabolische
Kompensation auszugleichen.
Also: eine respiratorische Azidose wird durch eine metabolische Alkalose kompensiert.
eine respiratorische Alkalose wird durch eine metabolische Azidose kompensiert.
Bei der Plausibilitätskontrolle werden auch (hoffentlich!) Analysenfehler aufgedeckt:
Hierfür ein Beispiel:
pH 7,25
St.-Bikarbonat 22 mmol/L
pCO2 34 mm Hg
pO2 92
Der pH-Wert weist auf erhebliche Azidose hin. Das Standardbikarbonat ist normal. Der pCO2-Wert
spricht für eine (leichte) respiratorische Alkalose. Das ist ein Widerspruch, der nur durch einen
Analysenfehler erklärt werden kann. Wahrscheinlich hat die pH-Elektrode einen Defekt.
Versuchen Sie nun, die folgenden BGA-Konstellationen auszuwerten:
Fall 1
Fall 2
Fall 3
Fall 4
Fall 5
Fall 6
Fall 7
Fall 8
Fall 9
Fall 10
7.29
7.48
7.35
6.90
7.15
7.60
7.40
7.45
7.45
7.10
65
95
100
50
100
21
100
120
100
120
pCO2 70
48
30
50
19
5
35
28
22
22
-7
-15
-22
+50
-5
0
-10
-15
pH
pO2
BE
+15
+12