pH und Temperatur

Ich erinnere mich noch gut an diese öden Physiologievorlesungen mit Gleichungen um Säuren und Basen, um Henderson-Hasselbalch und die Puffergleichungen für Kohlendioxid. Und ich muss zugeben, ich hab es eher nicht genossen.

Und es bleibt so, es ist mitunter ein konterintuitives Wissen, dass es da zu lernen gilt. Dennoch sind es wichtige Inhalte… 

pH

Fangen wir mit dem Normalbereich an: pH 7,35-7,45

Was heisst das eigentlich. Jeder kann den Merksatz im Schlaf herunterbeten:

„Der pH ist der negative dekadische Logarithmus der Protonenkonzentration“ – und jetzt? Ein Fleissbildchen ins Heft, oder wie?

pH = -log10 [H+]

Die Konzentration von Kalium im Blut liegt bei etwa 4 mmol/l (3,5-5,0 mmol/l)… weiss jeder. Und die Protonenkonzentration?

„Ja, die ist eng reguliert innerhalb des o.g. pH-Bereiches“ Nun eng reguliert ist relativ… die Protonenkonzentration liegt also bei 

10-7,4 mol/l oder 40 nmol/l [pH 7,4]

Die logarithmische Darstellung dieser unhandlichen Zahlen macht es einfach die Daten auf einer Skala darzustellen, aber schwierig intuitiv zu erfassen, was bei einer pH-Verschiebung passiert.

pH 7,4 heisst also, dass wir durchschnittlich 100000mal weniger Protonen als zum Beispiel Kaliumionen im Blut haben. [bei 4,0 mmol/l Kalum und pH 7,4]

Eine Verschiebung des pH um 0,3 bedeutet eine Verdopplung der Protonenkonzentration (ca. pH 7,1), bzw. deren Halbierung (ca. pH 7,7).

Der mit dem Leben vereinbare Konzentrationsbereich erstreckt sich etwa zwischen 20 und 80 nmol/l und deckt damit eine Vervierfachung der Konzentration ab… wie gesagt eng reguliert ist relativ… in der Analogie zum Kalium wird es da mit dem Leben bei entsprechenden Konzentrationssprüngen schwierig.

Temperatureffekte auf pH und pCO2

Lustig wird das ganze dann aber erst, wenn man sich bewusst macht, wie viele Einflussfaktoren man beachten muss, wenn man sich mit dem pH und seiner Regulation beschäftigen will, denn tatsächlich ist dieser zentrale chemische Parameter hochreguliert. 

Auf die einzelnen organgebundenen Regulationsmechanismen mag ich hier nicht eingehen, sie seien nur der Vollständigkeit halber genannt: 

  • Puffer: Bicarbonat-, Hämoglobin-, Protein- und Phosphatpuffer
  • Atemantwort
  • renale/ GIT Elimination/ Reabsorption Protonen/ Bikarbonat…

Zusätzlich zu den komplexen physiologischen Regulationen nimmt etwas viel Banaleres einen gewaltigen Einfluss auf den pH: die Temperatur!

Ende des 19. Jahrhunderts hat uns ein Niederländer eine wunderbare Regel beschert, die nach ihm benannt wurde:

Van`t Hoff`sche Regel: pro 10° K Temperaturanstieg verdoppelt (bis vervierfacht) sich die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen

Jetzt müsste man sich nur noch bewusst werden, warum uns das interessiert?

Nun, Gase lösen sich temperaturabhängig in Flüssigkeiten. Säuren dissoziieren temperaturabhängig zu Base und Protonen. Nun da es sich um physikochemische Eigenschaften handelt, gilt: 

1) Fällt die Temperatur, …

    • …steigt die Löslichkeit von CO2 und O2 in Blut damit fällt der Partialdruck von CO2 und O2 in Blut bei fixem Gasgehalt

Es gilt etwa: 

pro 1°C Temperaturabfall fällt der pCO2 um 4,5%

pro 1°C Temperaturabfall fällt der pO2 um etwa 6%

Aufgrund des sinkenden Kohlendioxidpartialdruckes steigt der pH. 

2) Fällt die Temperatur,…

    • …nimmt die Dissoziation von Wasser in Protonen und Hydroxylionen ab, die Protonenkonzentration sinkt, der pH steigt scheinbar.

Es gilt etwa:

pro 1°C Temperaturabfall steigt der gemessene pH um 0,015

Kurz bedeutet das, kühlen wir ein Blutprobe mit pH 7,4 und pCO2 40 mmHg auf 26,5°C ab (ΔpH 10°C), so liegt der pCO2 der Probe bei 18 mmHg, der pH wird bei etwa 7,55 gemessen.

„Gemessen“ ist der wichtige Aspekt beim pH, weil sich natürlich bei der temperaturabhängigen Dissoziation von Wasser der pH nicht verschiebt, schliesslich entstehen OH/H+ in äquimolarer Menge, aber tatsächlich ist der pH temperaturabhängig, der Neutralpunkt verschiebt sich mit steigender Temperatur, liegt also bei einer Temperatur jenseits von 22-25°C bei einer höheren Konzentration an Protonen. Da unsere pH-Meter auf fixe Temperaturen geeicht sind ergibt sich in der Messung ein falsch hoher pH in Hypothermie.

α-stat-Methode vs. pH-stat-Methode

Der geneigte Leser sagt jetzt natürlich triumphierend „Ja, aber die BGA liefert die Werte ja unter Standardbedingungen von 37° C“, was natürlich stimmt, aber leider nichts an der Tatsache ändert, dass unsere Physis auf die Realbedingungen reagiert. 

Sinkende Kohlendioxidpartialdrücke führen zu Vasokonstriktion in Cerebralgefässen und Proteine, Enzyme und ähnliche Entitäten verändern pH-abhängig ihren Protonierungsgrad und verlieren damit u.U. ihre Funktion. Relevantes Beispiel wäre hier das Hämoglobin, bei dem eine Alkalose und Hypocarbie zu einer Linksverschiebung der Oxyhämoglobindissoziationskurve und damit peripher erschwerter Sauerstoffabgabe führt.

Ein nettes Detail ist, dass das Verhältnis von Hydroxylierung zu Protonierung im physiologischen Bereich (intrazellulärer pH 6,8) bei etwa OH/H+: 0,55 liegt.

Wo ist das wichtig? Auf Intensivstation und im Herz-OP, kurz überall da, wo eine tiefe Hyperthermie eingesetzt wird.

Wie reagiert man nun auf oben genanntes? Prinzipiell gibt es 2 Herangehensweisen an die Regulation hypothermiebedingter Störungen des Säure-Basehaushalts: die pH-stat und die α-stat Methode.

pH-stat-Methode

In der Hypothermie sinkt der CO2-Partialdruck und der pH steigt. Nach der pH-stat Methode versucht man pH und pCO2 des hypothermen Bluts zu normalisieren. Wir betrachten also als Zielwert den pH des Patienten bei der tatsächlichen Temperatur und stellen ihn auf 7,4 ein. Man mischt dem kalten Blut via Oxygenator (HLM!) CO2 zu. Alternativ wäre eine Hypoventilation mit konsekutivem Anstieg des CO2 möglich, dieser Methode bedienen sich gleichwarme Tiere unter Winterschlafbedingungen um den pH stabil zu halten. 

Vorteilig hierbei ist die relative Zunahme des cerebralen Blutflusses durch vasodilatatorisches CO2 – pH-stat reduziert hier das Risiko cerebraler Minderperfusion und Ischämie. 

Gleichzeitig führen wie erwähnt Alkalose, Hypocarbie und Hypothermie zu einer ausgeprägten Linksverschiebung der Oxy-Hb-Dissoziationskurve, welche durch eine Erhöhung des CO2-Gehaltes und damit pH-Adaptation («Ansäuern») reduziert wird. pH-stat macht also cerebrale Minderperfusion und hypoxische Gewebeschäden weniger wahrscheinlich.

In der BGA unter Standardbedingungen (37°C) erscheint nun der pH niedriger und der pCO2 ist erhöht! 

α-stat-Methode

In der Hypothermie sinkt der CO2-Partialdruck und der pH steigt. Zu einem pH-Wert gehört ein bestimmter Protonierungs-, bzw. Ladungsgrad der Imidazolgruppen (in der Definition von Histidin), bzw. allgemeiner geladener Proteine. Der physiologische Ladungszustand bzw. das Verhältnis von OH- zu H+ bestimmt die Funktion von Proteinen, bzw. Enzymen. das „Alpha“ bezieht sich auf dieses Verhältnis.

Es wird also kein CO2 zugemischt. Der Gesamtgehalt an CO2 bleibt also konstant. Der pCO2 ändert sich analog der pH-Änderung in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Protonierungsgrad bleibt hierbei erhalten (isomolare Dissoziation!), damit die Enzymfunktion. Dazu passt man den Ventilationsgrad der abnehmenden Stoffwechselleistung an. Misst man also die Werte bei gegebener Temperatur (also nicht bei 37°C) so fällt der pCO2 und der pH steigt. Bei Standardtemperatur (also den 37°C der BGA) werden die Werte konstant gehalten (35-45 mmHg, pH 7,4). Diesen Mechanismus findet man in der Natur bei wechselwarmen Tieren. Unter den Bedingungen der Hypothermie besteht hier theoretisch die Gefahr cerebraler Minderperfusion und Ischämie mit hypoxischen Gewebeschäden. 

So, Zusammenfassung:

  • die Protonenkonzentration bei pH 7,4 beträgt 40 nmol/l

  • pH +/- 0,3 heisst Protonenkonzentration /2 bzw. *2

  • pH und Partialdrücke sind temperaturabhängig

  • pro 1°C kühler pCO2 -4,5%

  • pro 1°C kühler scheinbarer pH +0,015

  • BGA befunden Proben hypothermer Patienten falsch

    • sie messen zu hohe Partialdrücke und zu niedrige pH-Werte

  • pH-stat: „Hirnperfusion/ O2-Angebot“, gleichwarm

  • α-stat: „Enzymfunktion“, wechselwarm 

Und ein Nebensatz: Mikroembolisationen sind möglicherweise häufiger bei Vasodilatation, ergo unter pH-stat. 

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2 Kommentare

  1. Super Artikel! Glaube nur bei der Zusammenfassung am Ende kleiner Flüchtigskeitsfehler:
    die Protonenkonzentration bei pH 4 beträgt 40 nmol/l -> soll wshl pH 7,4 sein.

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