Puffersysteme im Blut – Chemie
Tagtäglich und rund um die Uhr fließt durch deinen Körper das Blut. Ein gesunder Körper hat ein ausgeklügeltes System der Pufferung, um den Säure-Base-Haushalt konstant zu halten. Doch warum ist der $pH$-Wert im Körper so wichtig? In diesem Text und Video lernst du, wie die Puffersysteme im Blut funktionieren,welche Puffersysteme es im Blut (Biochemie) gibt und wieso die Puffersysteme so wichtig sind.
Was sind Puffersysteme im Blut? – Definition
Der Blutpuffer ist ein komplexes Puffersystem, das den pH-Wert des Bluts in seinen Grenzen zwischen 7,35 und 7,45 hält. Ist der $pH$-Wert niedriger als 7,35, wird das als Azidose bezeichnet. Liegt der $pH$-Wert höher als 7,45, spricht man von Alkalose.
Doch warum muss der pH-Wert des Bluts konstant gehalten werden? Für den Organismus ist ein richtig eingestellter $pH$-Wert im Blut lebensnotwendig. Ein zu saurer Körper hat eine zu hohe Konzentration an Wasserstoffprotonen ($\ce{H+}$) und ein zu basischer Körper hat eine zu geringe Konzentration an Wasserstoffprotonen. Die Folge ist, dass sich der Protonierungsgrad der Proteine verändert. Dadurch ändert sich die Konformation der Proteine, was wiederum alle Funktionen des Körpers beeinflusst.
Pufferkapazität im Blut
Wie gut ein Puffer den $pH$-Wert bei der Zugabe starker Basen und Säuren halten kann, wird mit der sogenannten Pufferkapazität beschrieben. Im Blut liegen Alkalireserven vor. Das sind basisch puffernde Substanzen, um eine Pufferkapazität in Bezug auf Kohlenstoffdioxid $(\ce{CO2})$ zu erhalten.
Bei welchem Verhältnis von Puffersäure zu Pufferbase ist die Pufferwirkung am effektivsten? Optimal ist die Pufferwirkung, wenn der $pH$-Wert den Wert von $pK_s \pm 1$ hat. Und wann ist die Pufferkapazität am größten? Als Faustregel gilt hier, dass die Pufferkapazität am größten ist, wenn das Verhältnis der Säure-Base-Konzentration eins zu zehn ($1:10$) entspricht. Wann brauche ich die Puffergleichung? Du brauchst die Puffergleichung, wenn du den $pH$-Wert der Pufferlösung berechnen möchtest. Wie berechnet man die Pufferkapazität? Dazu verwendest du dann die Henderson-Hasselbalch-Gleichung.
Offene und geschlossene Puffersysteme im Blut
Es werden zwei Arten von Puffersystemen im Blut unterschieden: das geschlossene und das offene Puffersystem. Zum Beispiel ist der Essigsäure-Acetat-Puffer ein geschlossenes Puffersystem. Dabei reagieren die Protonen $(\ce{H+})$ bzw. die Hydroxidionen $(\ce{OH-})$ mit der Puffersubstanz zu einer konjugierten Säure oder Base des Puffers. Diese bleiben im Puffer.
Ein Beispiel für das offene Puffersystem ist der Bicarbonat-$\ce{CO2}$-Puffer in der Lunge. Die Komponenten, wie das $\ce{CO2}$, können an die Umwelt abgegeben werden, um den $pH$-Wert zu halten. Das Kohlenstoffdioxidgas $(\ce{CO2})$ wird beispielsweise ausgeatmet.
Funktionen des Bluts
Das Blut fließt tagtäglich durch unseren gesamten Körper. Doch welche Aufgabe hat das Blut eigentlich? Die wesentlichen Aufgaben des Bluts siehst du in der folgenden Liste:
- Stoffaustausch zwischen den Organen. Bei den Stoffen handelt es sich um Wasser, Salze, Proteine und Gase.
- Wärmeregulierung: Wasser hat eine hohe spezifische Wärmekapazität. Das Blut sorgt damit dafür, dass die Körpertemperatur konstant gehalten wird ($\pu{36,3 bis 37,4 °C}$).
- Nährstoffaufnahme: Im Dünndarm wird die Nahrung enzymatisch zu Nährstoffen abgebaut, die durch die Osmose (Chemie) über die Wand des Dünndarms in das Blut und dadurch in den ganzen Körper gelangen.
Was ist die Pufferfunktion? – Definition
Bisher hast du gelernt, dass im Blut ein komplexes Puffersystem vorliegt. Du hast erfahren, dass der $pH$-Bereich des Bluts eingehalten werden muss, weil das lebensnotwendig ist. Doch was ist ein Puffer überhaupt? Puffersysteme oder Pufferlösungen werden kurz als Puffer bezeichnet. Ein Puffer sorgt dafür, dass sich der $pH$-Wert bei Zugabe einer Säure oder einer Base nur minimal verändert. In der Regel können schwache Säuren mit der korrespondierenden Base oder eine schwache Base mit der korrespondierenden Säure als Puffer eingesetzt werden. Auch Ampholyte (Säure-Base-Paare) eignen sich für den Einsatz als Puffer. Ein Beispiel für ein Ampholyt ist Wasser, das sowohl als Säure als auch als Base reagieren kann.
Blutpuffer – Chemie
Einfach erklärt besteht das Puffersystem im Blut aus vier Puffersystemen. Der $pH$-Wert wird durch diese Puffersysteme im Blut gepuffert.
- Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer
- Hämoglobinpuffer
- Proteinatpuffer
- Phosphatpuffer
In der folgenden Abbildung mit Kreisdiagramm kannst du dir die prozentuale Beteiligung der Puffersysteme des Bluts sowie deren Pufferwirkung ansehen.
Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer
Andere Namen für den Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer sind Kohlensäure-Bicarbonat-System, Bicarbonat-Puffersystem oder Kohlensäure-Bicarbonatpuffer. Dieses Puffersystem ist durch zwei chemische Gleichgewichte gekennzeichnet. Das Enzym Carboanhydrase führt zur Gleichgewichtseinstellung. Hydrogencarbonat ist ein Ampholyt. Das Puffersystem katalysiert etwas mehr als 50% der Gesamtpufferkapazität des Bluts. Hier siehst du die beiden Gleichgewichtsreaktionen:
$\ce{\underset{Kohlenstoffdioxid}{CO2}+\underset{Wasser}{2H2O} <=> \underset{Kohlensäure}{H2CO3}+ \underset{Wasser}{H2O}<=>\underset{Oxoniumion}{H3O+}+\underset{Hydrogencarbonat}{HCO3-}}$
Hämoglobinpuffer
Das Puffersystem Hämoglobin katalysiert etwa 33% der Gesamtpufferkapazität im Blut. Die Puffergleichgewichtsreaktion kannst du hier sehen:
$\ce{\underset{Hämoglobin-H^+}{Hb*H+}+\underset{Wasser}{H2O} <=> \underset{Oxoniumion}{H3O+}+ \underset{Hämoglobin}{Hb}}$
Der Hämoglobinpuffer hat Auswirkungen auf den Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer. Die gebildeten Oxoniumionen liegen dann im Überschuss vor, sodass Kohlenstoffdioxid im Blut aufgenommen werden kann.
Proteinatpuffer
Der Proteinatpuffer katalysiert im Blut etwa 10 % der Gesamtpufferkapazität. Das Plasmaprotein – meistens Albumin – ist ein Ampholyt. Die Gleichgewichtsreaktion kannst du hier sehen:
$\ce{\underset{Albumin-H^+}{Alb*H+}+\underset{Wasser}{2H2O} <=> \underset{Oxoniumion}{H3O+}+ \underset{Albumin}{Alb}}$
Phosphatpuffer
Der Phosphatpuffer ist mit nur wenigen Prozent an der Gesamtpufferkapazität des Bluts beteiligt. Dihydrogenphosphat ist ein Ampholyt. Die Gleichgewichtsreaktion kannst du hier sehen:
$\ce{\underset{Dihydrogenphosphat}{H2PO4-}+\underset{Wasser}{2H2O} <=> \underset{Oxoniumion}{H3O+} + \underset{Hydrogenphosphat}{{HPO}_4^{2-}}}$
Puffersysteme im Blut – Zusammenfassung
Nun hast du die $4$ Puffersysteme im menschlichen Blut kennengelernt. Der Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer ist dabei das Hauptpuffersystem im Blut. Die Beispiele der Puffersysteme im Blut sind mit ihren Gleichgewichtsreaktionen in der folgenden Tabelle nochmals zusammengefasst:
| 1 | Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer $\ce{\underset{Kohlenstoffdioxid}{CO2}+\underset{Wasser}{2H2O} <=> \underset{Kohlensäure}{H2CO3}+ \underset{Wasser}{H2O}<=>\underset{Oxoniumion}{H3O+}+\underset{Hydrogencarbonat}{HCO3-}}$ |
| 2 | Hämoglobinpuffer $\ce{\underset{Hämoglobin-H^+}{Hb*H+}+\underset{Wasser}{H2O} <=> \underset{Oxoniumion}{H3O+}+ \underset{Hämoglobin}{Hb}}$ |
| 3 | Proteinpuffer $\ce{\underset{Albumin-H^+}{Alb*H+}+\underset{Wasser}{2H2O} <=> \underset{Oxoniumion}{H3O+}+ \underset{Albumin}{Alb}}$ |
| 4 | Phosphatpuffer $\ce{\underset{Dihydrogenphosphat}{H2PO4-}+\underset{Wasser}{2H2O} <=> \underset{Oxoniumion}{H3O+}+ \underset{Hydrogenphosphat}{HPO4^{2-}}}$ |
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
