Ein Zehntel pH-Einheit als gesamter Spielraum

Der engste Bereich, den der Körper einhält

Arterielles Blut liegt bei einem pH zwischen 7,35 und 7,45. Rechnet man diese Spanne in eine Stoffmenge um, kommt man auf ungefähr 35 bis 45 Nanomol Wasserstoffionen je Liter. Zum Vergleich: Natrium ist im selben Liter mit rund 140 Millimol vertreten. Zwischen beiden Angaben liegt ein Faktor von etwa drei Millionen. Ausgerechnet das Teilchen, nach dem die ganze Größe benannt ist, gehört damit zu den seltensten im Blutplasma.

Stabil bleibt diese Zahl nicht, weil wenig passiert, sondern weil viel gleichzeitig passiert. Der Stoffwechsel eines Erwachsenen wirft am Tag größenordnungsmäßig 15.000 Millimol Kohlendioxid ab und dazu noch einmal 50 bis 100 Millimol Säuren, die sich nicht ausatmen lassen. Der flüchtige Anteil verlässt den Körper über die Lunge, der feste über die Niere. Beide Wege arbeiten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, und beide setzen voraus, dass das Kohlendioxid unterwegs seine Form wechselt.

Genau an diesem Formwechsel sitzt ein Eiweiß mit einem Metallatom im Inneren. Aus diesem Zusammenhang — und ausdrücklich aus keinem weiteren — leitet sich der eine Satz her, den das Unionsregister für Zink in diesem Themenfeld führt. Alles Übrige auf diesen Seiten ist beschreibender Sachtext: es ordnet ein, es erklärt Herkunft und Einheit der genannten Zahlen, und es bleibt bewusst davon getrennt, was zitierfähig ist.

Das Gerüst hinter einer stabilen Zahl

Wer den Säure-Basen-Haushalt beschreiben will, kommt mit drei Ebenen aus: einem chemischen Paar, das Schwankungen abfängt, einem Enzym, das dieses Paar überhaupt schnell genug ineinander überführt, und zwei Organen, die am Ende die Bilanz ziehen. Die folgenden Abschnitte gehen diese Ebenen der Reihe nach durch.

Ein Puffer, dessen eine Hälfte ausgeatmet wird

Das mengenmäßig wichtigste Paar im Blut besteht aus gelöstem Kohlendioxid und Hydrogencarbonat. Nach den Regeln der Lösungschemie wäre dieses Paar bei pH 7,4 eigentlich ungeeignet: Sein Umschlagpunkt liegt rechnerisch bei 6,1, also gut eine Einheit daneben, und in einem geschlossenen Gefäß fänge es kaum etwas ab.

Im Körper ist das Gefäß aber nicht geschlossen. Die eine Hälfte des Paars entweicht über die Lungenbläschen und wird laufend nachgeliefert; ihr Anteil hängt daran, wie tief und wie oft geatmet wird. Dadurch ist der Nenner des Verhältnisses beweglich, und das Paar fängt weit mehr ab, als seine Kennzahl vermuten lässt. Im Ruhezustand stehen die beiden Formen etwa zwanzig zu eins zueinander.

Ein Enzym, das schneller arbeitet, als eine Messzelle folgen kann

Ohne Katalyse braucht die Anlagerung von Wasser an Kohlendioxid mehrere Sekunden, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Eine rote Blutzelle durchquert die Lungenkapillare jedoch in weniger als einer Sekunde. In dieser Zeit müsste die Umsetzung vollständig ablaufen — sonst gäbe das Blut sein Kohlendioxid nur zu einem Bruchteil ab.

Gelöst wird das von einem Enzym, das zu den schnellsten gehört, die je vermessen wurden: Die im Zellsaft häufigste Form setzt unter günstigen Bedingungen bis in die Größenordnung von einer Million Molekülen je Sekunde und je Eiweißmolekül um. Die Reaktion ist damit nicht mehr durch das Enzym begrenzt, sondern durch die Frage, wie schnell die Beteiligten überhaupt herandiffundieren können.

Drei Histidine und ein freier Platz für Wasser

Im Inneren dieses Enzyms sitzt ein einzelnes Zinkion. Gehalten wird es von drei Histidin-Seitenketten der Eiweißkette; die vierte Position der Koordination bleibt für ein Wassermolekül frei. Die positive Ladung des Metalls zieht Elektronendichte von diesem Wasser ab und senkt dadurch dessen Neigung, sein Proton festzuhalten. Was bei freiem Wasser erst weit im alkalischen Bereich geschieht, findet hier bereits bei etwa pH 7 statt.

Zurück bleibt eine gebundene Hydroxidgruppe. Sie ist der eigentliche Angreifer: Sie lagert sich an das Kohlenstoffatom des Kohlendioxids an, das Ergebnis löst sich als Hydrogencarbonat ab, ein neues Wassermolekül rückt auf den freien Platz nach, und der Kreis beginnt von vorn. Das abgetrennte Proton wird über eine weitere Seitenkette am Rand der Tasche nach außen gereicht — dieser Schritt und nicht die Katalyse selbst bestimmt am Ende das Tempo.

Diese Zeile ist die einzige Aussage auf dieser Seite mit amtlichem Status. Sie gehört genau einem Nährstoff, sie wird im Wortlaut wiedergegeben, und sie wird weder gekürzt noch mit einer der beschreibenden Sätze dieses Abschnitts zu einer gemeinsamen Aussage verbunden.

Die Niere braucht dafür Stunden statt Minuten

Die Lunge antwortet in Minuten, kann aber nur den flüchtigen Teil abgeben. Säuren aus dem Eiweißabbau — etwa jene, die beim Umsatz schwefelhaltiger Aminosäuren anfallen — bleiben liegen und müssen über den Harn hinaus. Zuständig dafür ist der erste Abschnitt des Nierenkanälchens.

Dort werden Protonen in den Harnraum abgegeben, während auf der gegenüberliegenden Zellseite Hydrogencarbonat ins Blut zurückgeht. Beide Vorgänge setzen dieselbe Umsetzung voraus wie in der roten Blutzelle, und sie brauchen dasselbe Enzym in zwei Ausführungen: einer, die im Zellsaft schwimmt, und einer, die mit einem Fettanker außen an der Bürstensaummembran hängt. Bis eine Verschiebung auf diesem Weg vollständig ausgeglichen ist, vergehen Stunden bis Tage — deutlich länger als über den Atemweg.