Seminar zur Atmung

AtmungÜbersicht: Sauerstoff wird eingeatmet, in der Lunge diffundiert er ins Blut und wird an Hämoglobin gebunden, in dieserForm wird er ins Gewebe des restlichen Körpers transportiert und diffundiert dort wieder aus dem Blut.AtemwegeAls anatomischen Totraum versteht man: Trachea, Hauptbronchus, Lappenbronchus, Segmentbronchus, Subsegementbronchus,kleiner Bronchus, Bronchiolus und Bronchiolus terminalis. Erst in den Bronchioli respiratorii und dann denDuctus alveolares und Sacculi alveolares findet Gasaustausch statt. Jede Alveole ist mit einer Blutkapillare umgeben, sodass nicht nur die Oberfläche der Lunge, sondern in gleichem Maße auch die der Kapillaren vergrößert wird.Der anatomische Totraum beträgt ungefähr 150ml, 30% des normalen Atemzugvolumens. Er hat außer der Zu- undAbleitung der Atemgase noch weitere Funktionen: Er dient der Durchmischung der Ein- und Ausatemluft, hier wird dieAtemluft von Stäuben und Bakterien gesäubert, dort hat man auch Zellen der spezifischen Immunabwehr sitzen. DieLuft wird weiterhin dort erwärmt, so dass sie in den Alveolen nahezu Körpertemperatur hat, und angefeuchtet, da dieAlveolen sehr empfindlich sind. (Eine weitere Funktion ist Resonanzkörper für die Stimmbänder.)Der anatomische Totraum kann erweitert werden um den funktionellen Totraum, der einerseits den anatomischen undandererseits die Alveolen einschließt, die nicht mehr am Gasaustausch teilnehmen, z.B. weil sie nicht mehr durchblutetwerden. Beim Lungengesunden ist anatomischer und funktioneller Totraum nahezu gleich, aber mit zunehmenden Lungenfunktionsstörungen,z.B. durch Rauchen oder Staublunge, vergrößert sich der funktionelle Totraum.Wenn eine Alveole von den Vasa puplica nicht mehr durchblutet wird, zählt sie zum funktionellen Totraum; ebenfalls,wenn die Diffusionsstrecke zwischen Gasraum und Blutgefäß erheblich vergrößert ist, so dass die Atemgase diese Streckenicht mehr oder nur noch geringfügig passieren können.Ein anderer Typ liegt vor, wenn die Alveole zwar ausreichend durchblutet, aber nicht mehr durchlüftet wird, z.B. weilsie verstopft ist. Dieser Typ trägt dazu bei, dass der Anteil sauerstoffarmen Blutes in den Lungenvenen steigt, zählt abernicht zum Totraum.SpirometrieDie Durchmischung der Ein- und Ausatemgase findet nur in den Alveolen, nicht im anatomischen Totraum statt, so dassbei jedem Exspirationsvorgang zuerst wieder normale Raumluft mit 21% Sauerstoff und 0,003% Kohlenstoffdioxydausgeatmet wird. Der anatomische Totraum wird dann (wie im Praktikum geschehen) durch das CO 2-Verhältnis zwischennormaler Exspiration und tiefer Exspiration (bei der praktisch nur Alveolargas ausgeatmet wird) bestimmt.Im Sitzen, Liegen oder Stehen hat man eine andere Durchblutungsverteilung der Lunge.Wenn man die Atemfrequenz erhöht, wird nur der Totraum intensiver belüftet; wenn man zu flach hechelt, wird derAlveolarraum praktisch nicht mehr belüftet, so dass dort die CO 2-Konzentration ansteigt.Wenn man die Atemtiefe erhöht, wird der Alveolarraum deutlich besser belüftet, so dass man zu viel CO 2ausatmet(respiratorische Alkalose).Eine Azidose kann eine Ursache für Hyperventilation sein, aber auch Entzündungen der Atemwege o.Ä. können Hyperventilationverursachen.Ändert man den partiellen CO 2-Druck geringfügig, steigt das Atemzeitvolumen stark an; ab einer gewissen Konzentrationfällt es wieder ab, da das CO 2narkotisierend wirkt. Wenn man aus einem Raum mit zu hoher CO 2-Konzentrationnicht schnell genug herauskommt (Futtermittelsilo, Gärkeller), fällt man in Ohnmacht und erstickt schließlich.Wenn man den pH-Wert ändert, so dass er z.B. von 7,4 auf 7,2 fällt, ändert sich das Atemzeitvolumen nur minimalnach oben, da bei erhöhter Atmung gleichzeitig der Partialdruck an CO 2sinkt, so dass die Atmung dadurch gleichzeitigwieder gedrosselt wird. Wenn man den CO 2-Partialdruck konstant hält, ändert sich das Atemzeitvolumen stärker, abernicht so stark wie bei CO 2.Lässt man den Sauerstoffpartialdruck absinken, ändert sich das Atemzeitvolumen ebenfalls nur sehr geringfügig, auchwenn man gleichzeitig den CO 2-Druck trotz erhöhter Atmung künstlich konstant hält.

Partialdrücke & GasaustauschDer Partialdruck von CO 2ist inspiratorisch nahezu Null, alveolär aber schon 5kPa, während er über gemischt-venös,arteriell und mitochondrial nur sehr geringfügig auf ungefähr 6kPa steigt.Der Sauerstoffpartialdruck ist inspiratorisch 20kPa und sinkt konstant bis auf nahezu Null in der Zelle; die Partialdruckdifferenzfür Sauerstoff ist also sehr viel größer als die von CO 2.Die Partialdruckdifferenz zwischen dem gemischt-venösen Blut, das die Alveolen umspült, und dem Alveolärraum istdie treibende Kraft für den Gasaustausch in der Lunge. Die treibende Druckdifferenz ist schon nach ca. 10% der Kontaktstrecke,die einem Erythrocyt beim Durchstrom zur Verfügung steht (ca. 0,3 Sekunden) zur Hälfte ausgeglichen undgleicht sich auf dem Rest der Kontaktstrecke vollends an.Der Gasaustausch an sich findet in den Alveolen mit physikalisch gelöstem Sauerstoff und CO 2statt; der in die Kapillareübergetretene Sauerstoff wird praktisch sofort von den Erythrocyten aufgenommen und an Hämoglobin gebunden, sodass die Partialdruckdifferenz wieder hergestellt wird und weiterer Sauerstoff aus der Alveole nachdiffundieren kann.Nur ein zu vernachlässigender Teil der Gase bleibt in physikalisch gelöster Form im Blut. Gleichzeitig verbinden sichH + und HCO 3--Ionen zu CO 2und H 2O, und das CO 2diffundiert in die Alveolen, Wasser zurücklassend.Hämoglobin & GastransportDas Hämoglobin besteht aus vier Hämgruppen und vier Globinanteilen. Jede Hämgruppe besteht aus vier Pyrrolringen,die über Methinbrücken verbunden sind, und in der Mitte ist ein Eisenatom mit vier Bindungen an Stickstoffatome derPyrrolringe fest verankert, noch eine Bindungsstelle frei habend, an die sich Sauerstoff binden kann. Die Wertigkeit desEisens (Fe 2+ ) ändert sich dabei nicht.Die Globinanteile (beim Erwachsenen zwei α- und zwei β-Einheiten) bilden jeweils eine kugelförmige Tasche, in die dieHämgruppe eingelagert wird. Diese Tasche besitzt eine Verbindung zur Umgebung, über die physikalisch gelöste Gaseeindringen können; auf der anderen Seite ist das Eisen mit einem Histidinrest des Globins verbunden.Durch oxidierende Gift (Nitrate, Nitrite und anilinhaltige Substanzen) wird das Eisen zu Fe 3+ oxidiert, so dass keineO 2-Bindung mehr möglich ist. Diese Reaktion ist reversibel, in vivo durch Methämoglobinreduktase, in vitro durchpraktisch jedes Reduktionsmittel. Als Reduktionsmittel liegt in den Erythrocyten jede Menge Glutathion bereit.Bei normaler Aufnahme eines Sauerstoffs an die Bindung spricht man von Oxygenation (nicht mit der Oxidation verwechseln).CO ist zwar sehr schlecht physikalisch löslich, aber die Affinität des Kohlenmonoxids zum Hämoglobin ist 300-500xhöher als die des Sauerstoffs; CO konkurriert mit O2 um die selbe Bindungsstelle und „gewinnt“ schon bei sehr niedrigenPartialdrücken. Allein durch Rauchen kann der Anteil an CO-Hb schon auf 15% steigen.Betrachtet man die Affinität der Hämgruppe zu Kohlenmonoxid ohne die Einbettung in die Globinketten, liegt sie statt500x höher 25.000x höher als die von Sauerstoff, so dass es wirklich Sinn für den Organismus macht, sie einzubetten,da Kohlenmonoxid auch ständig physiologisch gebildet wird. Die relativ niedrige Affinität liegt daran, dass das CO ineinem subidealen Winkel an das Eisen binden muss, wenn das Häm in der Globintasche liegt.Die Sauerstoffbindungskurve von Hämoglobin ist sigmoidal, da die Bindung kooperativ ist, d.h. wenn eine Hämgruppeeinen Sauerstoff bindet, steigt die Affinität für die anderen drei Hämgruppen stark an. Der Halbsättigungsdruck ist3,6kPa, bei 5,4kPa sind 75% gesättigt, und bei 13,3kPa (alveolär) sind 98% des Hämoglobins mit Sauerstoff gesättigt.Das gilt bei Normalwerten von pH = 7,4 und einer Temperatur von 37°C.H + -Ionen-Konzentrationszunahme, CO 2-Konzentrationszunahme, Temperaturerhöhung und 2,3-BPG-Konzentrationszunahmeführen zu einer Affinitätsabnahme = Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve, dabei gehen die erstenzwei Parameter (H + und CO 2) auf den Bohr-Effekt zurück.Bohr-Effekt: Da durch CO 2und H 2O auch ständig H + und HCO 3-entstehen, führt eine erhöhte CO 2-Konzentration zueinem niedrigeren pH-Wert. Wenn die H+-Ionen an das Hämoglobin binden, sinkt die Affinität des Hb zum Sauerstoff,so dass dieser abgegeben wird (im Gewebe). In der Lunge ist es genau umgekehrt, dort hat es einen höherem pH undeine niedrigere CO 2-Konzentration, so dass die Affinität des Hb zu Sauerstoff steigt und dieser vermehrt aufgenommenwird.

Durch die sigmoidale Bindungskurve des Hb ist eine sehr gute Sättigung des Hb mit Sauerstoff in der Lunge gewährleistet,da sogar bei starken Schwankungen von 13 bis 20kPa Sauerstoffpartialdruck die Sättigung ungefähr 98% bleibt.Der steile Verlauf am Anfang der Kurve ist in der Situation wichtig, die man im Gewebe anfindet; dort will man nämlichmöglichst geringe Sauerstoffpartialdruckschwankungen. Ändert man im Gewebe den Partialdruck nur geringfügig,etwa um 1,8kPa von 3,6kPa auf 5,4kPa, werden schon über 25% des gebundenen Sauerstoffs abgegeben, so dass dieSchwankungen ausgeglichen werden.Selbst das gemischt-venöse Blut hat unter normalen Bedingungen noch eine Sättigung von 75%; diese Reserve kannman in plötzlich auftretenden Belastungssituationen ausnutzen.Das 2,3-Bisphosphoglycerat ist ein Stoffwechselzwischenprodukt der Glykolyse und liegt im Ery etwa in der gleichenKonzentration wie Hb vor. Es hat eine sehr hohe Affinität zum Desoxyhämoglobin, und hier bindet es vor allem an dieβ-Ketten. Es senkt die Affinität des Hb zum Sauerstoff ab.Das macht Sinn, wenn man die Situation im Gewebe betrachtet: Das Hb kommt an und gibt Sauerstoff ab; das 2,3-BPGbindet an das Hb und verhindert, dass der Sauerstoff gleich wieder vom Hb gebunden wird.Dass das fetale Hb eine viel höhere Sauerstoffaffinität als das adulte hat, liegt mitunter daran, dass die fetalen γ-Kettenkein 2,3-BPG binden.Es gibt mehrere Formen des CO 2-Transports:- Physikalisch gelöstes CO 2, gering im Plasma vorhanden- Gebunden an einen N-terminalen Rest des Hämoglobins (Carbaminobindung), auch ein geringfügiger Anteil- Transport als Hydrogencarbonat; der mengenmäßig größte Anteil, vor allem im Erythrocyt.Das CO 2geht mit Wasser eine Bindung ein, es entsteht Bicarbonat oder Kohlensäure, die sofort zu Hydrogencarbonatund einem Proton zerfällt. Diese Reaktion kann auch im Plasma ablaufen, aber sehr langsam. In den Erythrocyten gibtes die Carboanhydratase, die diese Reaktion um den Faktor 10.000 beschleunigt. Im Erythrocyt reichert sich dann dasHydrogencarbonat zu hohen Konzentrationen an.Der Erythrocyt ist bestrebt, das Konzentrationsgefälle auszugleichen. Kationen können aber kaum transportiert werden.Das Diffusionsgefälle wird durch die Abgabe von HCO 3-ins Plasma ausgeglichen, das elektrische Gefälle dann durchden Transport von Cl - -Ionen in den Erythrocyten.In den Alveolen wird dann wieder das physikalisch gelöste CO 2abgegeben. Das nicht physikalisch gelöste, also vorallem das zu Hydrogencarbonat umgewandelte, muss erst rückreagieren. Dazu wird es aus dem Plasma in den Erythrocytentransportiert, während gleichzeitig wieder die Chlorid-Ionen abgegeben werden; im Erythrocyten reagiert es dannwieder zu CO 2und Wasser und diffundiert physikalisch gelöst ins Plasma und dann in die Alveolen.Haldane-Effekt:Wenn man eine hohe O 2-Konzentration vorliegen hat, sinkt die Bindungsaffinität von Hb zu Protonen und die Affinitätvon Hb zu CO 2, das vermehrt freigesetzt wird. Das als Hydrogencarbonat gelöste CO 2wird dann mit den freigesetztenProtonen rückverwandelt.Die CO 2-Bindungskurve ist abhängig von der O 2-Sättigung (und natürlich vom CO 2-Partialdruck). Sie wird nicht in %,sondern in ml/l oder mmol/l angegeben, da man nie das gesamte vorhandene CO 2lösen kann. Sie steigt zunächst starkan und dann zunehmend schwächer.Energiebereitstellung im KörperEs stehen verschiedene Energiereserven zur Verfügung. So etwa schnell verfügbare Energiequellen wie ATP, das innerhalbvon Sekunden aufgebraucht ist, oder Kreatinphosphat, das etwa 20-30 Sekunden hält.Sind diese Quellen nahezu ausgeschöpft, wird zunächst über anaeroben Stoffwechsel versucht, die benötigte Energiebereitzustellen. Dabei wird Glucose über die Glykolyse in Milchsäure umgewandelt, was 2mol ATP pro mol Glucosezur Verfügung stellt. Erst später geht diese Energiebereitstellung zur aeroben Form über, bei der über Citratzyklus undAtmungskette 36mol ATP pro mol Glucose produziert werden.Sauerstoffmangel führt zu einem anaeroben Stoffwechsel, der durch die Lactatbildung zu einer Azidose und einer Steigerungdes Atemantriebs führt.

Bei einer nicht-erschöpfenden Arbeit wird nach anfänglicher anaerober Phase ein „Steady state“ erreicht, in dem gleichviel Sauerstoff aufgenommen wie verbraucht wird. Nach Ende der Arbeit wird die entstandene Sauerstoffschuld abgetragen.Bei erschöpfender Arbeit kann nicht so viel Sauerstoff aufgenommen werden, wie eigentlich benötigt wird, es wird keinsteady state erreicht, und die Sauerstoffschuld wird entsprechend immer größer, bis die Arbeit irgendwann eingestelltwerden muss, da der Körper übersäuert.