Dieses Kapitel ist am relevantesten für Abschnitt F8(ii) des CICM-Primärlehrplans 2017, der von den Prüfungskandidaten erwartet, dass sie in der Lage sind, „den Kohlendioxidtransport im Blut einschließlich des Haldane-Effekts und der Chloridverschiebung zu beschreiben“. Obwohl noch nie eine CICM-SAQ mit der Formulierung „Was ist der Haldane-Effekt?“ gestellt wurde, ist dies eindeutig eine berechtigte Frage und man sollte erwarten, dass man dies für diese Prüfung weiß. Wie die meisten vernünftigen Menschen bezeichnete Haldane diese Sache nicht als „meinen Effekt“, obwohl er dies eindeutig mit einem Minimum an falscher Bescheidenheit hätte tun können, denn es war in der Tat Haldanes eigenes defibriniertes Blut, das für das Experiment verwendet wurde.

Zusammengefasst:

Tebboul & Scheeren (2017) bieten eine schnörkellose, fettige Erklärung an, und ihr Artikel ist kostenlos erhältlich. Wenn man Fett und Schnickschnack will, kann man zu dieser ausgezeichneten Übersicht von Itiro Tyuma (1984) gehen. Obwohl es nicht unbedingt notwendig ist, kann man auch den Originalartikel von J.S. Haldane lesen, wo er der dritte Autor war (Christiansen et al, 1914).

Definition des Haldane-Effekts

Es gibt hier keine formale Definition, aber glücklicherweise hat praktisch jeder Autor, der jemals über das Thema geschrieben hat, das Bedürfnis verspürt, seinem Artikel einige einleitende Worte voranzustellen, in denen er unweigerlich den Versuch unternimmt, dieses Phänomen zu definieren oder es zumindest so prägnant zusammenzufassen, dass es in einem einzigen Satz erfasst wird. Eine repräsentative Definition könnte daher lauten:

„Der Haldane-Effekt ist ein physikalisch-chemisches Phänomen, das die erhöhte Kapazität des Blutes zur Aufnahme von CO2 unter den Bedingungen einer verringerten Hämoglobinsättigung beschreibt“

oder so ähnlich. In Wirklichkeit sind der Haldane-Effekt und der Bohr-Effekt verschiedene Ausprägungen desselben molekularen Mechanismus, der nichts mit CO2 zu tun hat (das zufällig der Ligand ist, der in der Atmungsphysiologie von Interesse ist). In Wirklichkeit gibt es zahlreiche andere molekulare Akteure (Protonen, anorganische Ionen wie Chlorid, organische Phosphate wie 2,3-DPG), die sich mit höherer Affinität an das deoxidierte Hämoglobin binden. Gleichzeitig führt die Bindung dieser verschiedenen Moleküle zu einer Stabilisierung des desoxidierten T-Zustands des Hämoglobinmoleküls und damit zu einer Verringerung seiner Affinität für Sauerstoff (dies ist im Grunde der Bohr-Effekt). Wäre man also den Tatsachen treu, müsste man zugeben, dass beide Effekte eigentlich dieselbe Definition haben müssten:

„Der Bohr-Haldane-Effekt ist ein physikalisch-chemisches Phänomen, das die Änderungen der Affinität für die Bindung von Nicht-Sauerstoff-Liganden durch Hämoglobin beschreibt, die sich aus den konformalen Änderungen ergeben, die im Hämoglobin-Tetramer durch die Bindung von Sauerstoff an Häm induziert werden“

Doch das lässt sich nicht so einfach sagen. Es würde auch niemanden unter den CICM-Prüfern sonderlich stören, wenn man die bereits erwähnte Carboxy-zentrierte Definition bevorzugt. In der Fachliteratur werden Haldane- und Bohr-Effekte im Allgemeinen getrennt. Auch in historischen, prüfungsorientierten Studienführern wie Brandis‘ The Physiology Viva werden sie in der Regel als getrennte Phänomene behandelt, wahrscheinlich weil ihre klinische Relevanz etwas unterschiedlich ist. In jedem Fall wäre man wahrscheinlich gut beraten, wenn man nur Nunns zitieren würde:

„der Unterschied in der Menge an Kohlendioxid, die bei konstantem PCO2 in sauerstoffangereichertem und sauerstoffarmem Blut transportiert wird“

Haldane-Effekt durch CO2-Transport durch sauerstoffarmes Hämoglobin

Die Tatsache, dass CO2 an Aminosäuren binden kann, um Carbaminosäuren und konjugierte Carbamatbasen zu bilden, wurde bereits an anderer Stelle diskutiert. Die Frage ist, was macht das Hämoglobin der Erythrozyten so besonders, und wie ändert sich das, wenn das Hämoglobin mit Sauerstoff angereichert wird?

Zusammengefasst:

• CO2 bindet an ungeladene N-terminale α-Aminogruppen sowohl auf den α- als auch auf den β-Untereinheiten des Hämoglobins
• Die Sauerstoffanreicherung des Häm-Eisenatoms in einem Hämoglobinmolekül ist ein heterotroper allosterischer Modulator dieser CO2-Bindungsstellen, weil sie eine Konformationsänderung des Hämoglobin-Tetramers bewirkt (positive Kooperativität)
• Als Ergebnis dieser allosterischen Modulation, CO2 hat eine höhere Affinität für den desoxygenierten T-Zustand als für den R-Zustand
• Dieser Mechanismus trägt aufgrund des Haldane-Effekts (Roughton, 1964) zu 70 % der gesamten CO2-Beförderung und damit zu etwa 10-15 % zum gesamten CO2-Transport im Blut bei.

Das ist wahrscheinlich gut genug für die Regierungsarbeit, aber wenn man wirklich in den Sumpf der physiologischen Details eintauchen will, ist der Artikel von Austen Riggs aus dem Jahr 1988 ein ausgezeichneter Ausgangspunkt. Wie bereits erwähnt, ist der „Effekt“ nicht auf CO2 beschränkt, sondern ein Phänomen, bei dem sich Hämoglobin auch mit verschiedenen anderen Ionensorten verbindet. Desoxygeniertes Hämoglobin ist zum Beispiel ein wahrer Hurenbock für Protonen. Der Akt der vollständigen Desoxygenierung eines Blutvolumens (bis zu einem SaO2 von 0 %) saugt genug Protonen auf, um den pH-Wert des Volumens um 0,03 zu erhöhen, so Nunn (S. 155 der 8. Auflage). Dies ist eine gute Überleitung zum nächsten Abschnitt:

Haldane-Effekt durch erhöhte Pufferung durch Hämoglobin

Zusammengefasst:

• Jedes Hämoglobin-Tetramer-Molekül hat 38 geladene Histidinreste, von denen vier an die Häm-Gruppe gebunden sind.
• Die Dissoziationskonstante für jeden dieser Histidinreste wird von der Sauerstoffanreicherung des Häms beeinflusst
• Das Hämoglobin-Tetramer als Ganzes wird daher basischer, wenn das Häm Sauerstoff verliert.
• Dadurch werden Wasserstoffionen aus der Lösung entfernt (d.h. puffert die Lösung)
• Dieser Effekt auf das Gleichgewicht von Bikarbonat und Kohlensäure begünstigt die Umwandlung von Kohlensäure in Bikarbonat
• Der Verlust von Sauerstoff aus dem Hämoglobin-Tetramer erhöht also durch Pufferung die Menge an CO2, die in Form von Bikarbonat transportiert wird

Dies trägt wahrscheinlich nur zu etwa 30 % zum Haldane-Effekt bei. Er trägt auch zur pH-Veränderung im venösen Blut bei. Venöses Blut wäre normalerweise aufgrund des zusätzlichen CO2 (6 mm Hg mehr als arterielles Blut) ziemlich sauer, aber der Puffereffekt des deoxygenierten Hämoglobins bringt den pH-Wert wieder näher an den Normalwert heran, so dass manche behaupten, venöse Proben könnten arterielle Proben für die Messung des pH-Werts bei ED-Patienten sicher ersetzen.

Folgen des Haldane-Effekts für die gesamte CO2-Beförderung

Auch hier ist man gezwungen, sich dieses Diagramm der Kohlendioxid-Dissoziationskurve anzusehen.

Beobachten Sie, dass es einen Unterschied zwischen dem arteriellen und venösen Carbamatgehalt gibt. Dieser Unterschied bleibt jedoch entlang des Kontinuums von 10 mmHg bis 80 mmHg CO2 relativ stabil. Es ist, als ob der tatsächliche PaCO2-Wert keine Rolle spielen würde. Das ist tatsächlich der Fall: Der Unterschied zwischen arteriellem und venösem Carbamat-CO2-Gehalt ist ausschließlich auf den Unterschied im Grad der Hämoglobin-Oxygenierung zurückzuführen. Gelegentlich wird erwartet, dass man den „arteriellen Punkt“ und den „venösen Punkt“ auf diesen Kurven erkennt, die veranschaulichen, wie der Haldane-Effekt zu dem (geringen) Unterschied im Gesamt-CO2-Gehalt zwischen arteriellem und gemischt-venösem Blut beiträgt. Kurz gesagt, obwohl der Gesamtunterschied gering ist, ist der Haldane-Effekt für mehr als ein Drittel davon verantwortlich.

Betrachten wir diese etwas genauer:

Dieses in Lehrbüchern übliche Diagramm veranschaulicht, dass bei einer Erhöhung der Sauerstoffsättigung des Blutes auch der CO2-Partialdruck ansteigt, weil mehr CO2 aus seinen Bindungsstellen freigesetzt wird. Konkret: Wenn gemischtes venöses Blut (SpO2 = 75 %) vollständig mit Sauerstoff gesättigt ist, steigt der PaCO2-Wert von 40 auf 46 mmHg. Gleichzeitig würde der Gesamt-CO2-Gehalt gleich bleiben. Verlängert man die Linie weiter nach rechts, stellt man fest, dass, wenn gemischtes venöses Blut irgendwie vollständig mit Sauerstoff angereichert würde, ohne dass sich sein CO2-Gehalt ändert, der PaCO2-Wert von 46 mmHg auf etwa 55 mmHg ansteigen würde.

Wenn man aufmerksam wäre, würde man feststellen, dass dieses Phänomen, wenn es einen nützlichen Beitrag zur Atmung leisten würde, in winzigen Zeiträumen ablaufen müsste, die ungefähr der Zeit entsprechen, die die roten Zellen in der Kapillare verbringen. Würde es länger dauern, käme nur ein mit Kohlendioxid angereicherter arterieller Kreislauf dabei heraus. Glücklicherweise läuft der ganze Vorgang in Zehntelsekunden ab, wie die leicht eingefärbte Grafik von Klocke (1973) zeigt: