© 2019 by Elsevier GmbH

Bitte nutzen Sie das untenstehende Formular um uns Kritik, Fragen oder Anregungen zukommen zu lassen.

Willkommen

Mehr Informationen

B978-3-437-41883-9.00005-0

10.1016/B978-3-437-41883-9.00005-0

978-3-437-41883-9

Lungenvolumina. Werte für einen 25-jährigen, 1,80 m großen, männlichen Probanden.

Bestimmung der funktionellen Residualkapazität mit der Helium-Einwaschmethode.

Ruhedehnungskurven von Lunge, Thorax sowie von Lunge und Thorax zusammen. Ppul = intrapulmonaler Druck, Ppleu = intrapleuraler Druck, FRK = funktionelle Residualkapazität, RV = Residualvolumen, VK = Vitalkapazität.

Druck-Stromstärke-Beziehung bei In- und Exspiration. In- und exspiratorische Kurve haben beim Lungengesunden einen fast identischen Verlauf. Die Steigung der Atemschleife gibt die Resistance der Atemwege an.

Intrapulmonaler und intrapleuraler Druck bei statischen und dynamischen Bedingungen. Rein statische Bedingungen (gestrichelte Linien) würden gelten, wenn nur elastische und keine viskösen Atemwegswiderstände aufträten.

Druck-Volumen-Diagramm der Lunge bei normaler Ruheatmung. Die gelb gestrichelte Gerade gibt den idealisierten „statischen“ Verlauf ohne Berücksichtigung der viskösen Atemwiderstände wieder. I = Inspiration; E = Exspiration; A = Ausgangspunkt der Einatmung; B = Endpunkt der Einatmung. Erläuterungen im Text.

Alveoläre Ventilation und Partialdrücke. = alveoläre Ventilation.

Gasaustausch in der Alveole.

Verteilungsstörungen in der Lungenstrombahn. Eingezeichnet sind eine normale (N) und 3 pathologisch veränderte Alveolen:

↓ = Alveole belüftet, aber nicht durchblutet

↓ = Alveole durchblutet, aber nicht belüftet

D ↓ = Alveole belüftet und durchblutet, aber Diffusionskapazität eingeschränkt

Bestimmung der Sekundenkapazität. Aufgetragen sind die Sekundenkapazität (SK) und die Vitalkapazität (VK); angegeben ist die relative Sekundenkapazität als Verhältnis der Sekundenkapazität zur Vitalkapazität. a: Bei einem Lungengesunden (80 %). b: Bei obstruktiver Ventilationsstörung (53 %).

Sauerstoffbindungskurven von Hämoglobin und Myoglobin.Hüfner-Zahl

Abhängigkeit der O2-Bindungskurve. a: Temperatur, b: H+-Ionen-Konzentration (pH), c: pCO2, d: 2,3-DPG-Gehalt des Blutes. Rechtsverschiebung = erhöhter P50 → erleichterte Sauerstoffabgabe; Linksverschiebung = erniedrigter P50 → erschwerte Sauerstoffabgabe.SauerstoffbindungskurveSauerstoffbindungskurve:Rechtsverschiebung

Chemische Umsetzung von CO2 zu HCO3. CA = Carboanhydrase.

CO2-Bindungskurven für oxygeniertes und desoxygeniertes Blut. a = arterielles Blut, v = venöses Blut.

Zentrale Kontrolle der Atmung in der Medulla oblongata. DRG = dorsale respiratorische Gruppe, VRG = ventrale respiratorische Gruppe. Die chemosensiblen Areale sind den respiratorischen Gruppen unmittelbar benachbart.

Chemische Stimulation des Atemantriebs unter physiologischen Bedingungen (rot) und bei künstlich konstant gehaltenem CO2-Partialdruck (blau in b und c).

Nach [2]

Atmungsantriebe und ihre Sensoren.

Pathologische Atmungsformen im Vergleich zur normalen Ruheatmung.

Diffusion der Atemgase im Gewebe. a: Diffusion von Sauerstoff. b: Diffusion von CO2.

Sauerstoffbindungskurven bei verschiedenen Hypoxieformen. a, b: Bei arterieller und anämischer Hypoxie sind die arteriovenösen O2-Differenzen nicht verändert: avDO2 = a'v'DO2. c: Bei ischämischer Hypoxie (Mangeldurchblutung) wird vermehrt Sauerstoff aus dem Blut entnommen: a'v'DO2 > avDO2.

Zusammensetzung

Tab. 5.1
Gas Vol.-% Fraktioneller Anteil
Stickstoff (N2, einschließlich eines geringen Anteils Argon) 79,02 0,790
Sauerstoff 20,94 0,209
Kohlendioxid (CO2) 0,04 0,0004

Ventilationsstörungen

Tab. 5.2
Parameter Obstruktive Störung Restriktive Störung
Vitalkapazität (VC) normal
Residualvolumen
Sekundenkapazität (FEV1) normal
Atemwegswiderstand (Resistance) normal
Atemgrenzwert

Durchblutung, arteriovenöse Sauerstoffdifferenz (avDO2) und Sauerstoffverbrauch

Tab. 5.3
Organ Durchblutung(ml × 100 g−1 × min−1) avDO2 O2-Verbrauch(ml × 100 g−1 × min−1)
Skelettmuskel (Ruhe) 3 0,10 0,3
Skelettmuskel (Arbeit) 50–130 0,15 15,0
Milz 100 0,01 1,0
Gehirn (Rinde) 100 0,10 10,0
Gehirn (Mark) 20 0,05 1,0
Leber 100 0,05 5,0
Niere 400 0,02 8,0
Herz (Ruhe) 80 0,10 8,0
Herz (Arbeit) 300 0,15 45,0

sog. „spezifische“ Durchblutung = Durchblutung pro 100g Gewebe

Luftdruck und pO2 in der Höhe

Tab. 5.4
Höhe über NN Luftdruck Inspiratorischer O2-Partialdruck Alveolärer O2-Partialdruck
Meeresspiegel 760 mmHg 160 mmHg 100 mmHg
4.000m 462 mmHg 87 mmHg 50 mmHg
Mt. Everest (8.848m) 210 mmHg 44 mmHg 23 mmHg

Störungen des Säure-Basen-Haushalts im Überblick

Tab. 5.5
Primäre Störung Ursache pH pCO2 Aktuelles HCO3 Standard-HCO3 und Pufferbasen BE
Respiratorische Azidose Alveoläre Hypoventilation (z. B. durch Lungenemphysem, Atelektasen, Asthma bronchiale, Narkose, Atemmuskellähmung) normal 0
Respiratorische Alkalose Alveoläre Hyperventilation (z. B. bei Höhenaufenthalt oder psychogen bei emotionaler Belastung) normal 0
Nichtrespiratorische Azidose Diabetes mellitus, Diarrhö (Verlust alkalischer Darmflüssigkeit), Niereninsuffizienz normal negativ
Nichtrespiratorische Alkalose Verlust von saurem Magensaft nach Erbrechen oder Magenspülungen normal positiv

Atmung

  • 5.1

    Wegweiser127

  • 5.2

    Nichtrespiratorische Lungenfunktionen128

    • 5.2.1

      Schutzreflexe der Atemwege128

    • 5.2.2

      Reinigungsfunktion der Atemwege128

    • 5.2.3

      Metabolische Funktionen der Lunge129

  • 5.3

    Physikalische Grundlagen129

    • 5.3.1

      Ideales Gasgesetz129

    • 5.3.2

      Volumenmessbedingungen129

    • 5.3.3

      Zusammensetzung der atmosphärischen Luft130

  • 5.4

    Atemmechanik130

    • 5.4.1

      Lungenvolumina und Statik des Atemapparats130

    • 5.4.2

      Dynamik des Atemapparats134

    • 5.4.3

      Künstliche Beatmung137

  • 5.5

    Gasaustausch138

    • 5.5.1

      Ventilation138

    • 5.5.2

      Diffusion140

    • 5.5.3

      Perfusion und Verteilung142

    • 5.5.4

      Pathophysiologie143

  • 5.6

    Atemgastransport im Blut144

    • 5.6.1

      Grundlagen144

    • 5.6.2

      Sauerstofftransport im Blut145

    • 5.6.3

      CO2-Transport im Blut149

  • 5.7

    Atmungsregulation151

    • 5.7.1

      Atemzentren und Atemreize151

    • 5.7.2

      Normale und pathologische Atmungsformen153

  • 5.8

    Atmung unter speziellen Bedingungen154

    • 5.8.1

      Höhenphysiologie154

    • 5.8.2

      Tauchphysiologie155

  • 5.9

    Gewebeatmung156

    • 5.9.1

      Sauerstoffverbrauch156

    • 5.9.2

      Gasaustausch im Gewebe157

    • 5.9.3

      Störungen der Gewebeatmung157

  • 5.10

    Säure-Basen-Gleichgewicht und Pufferung159

    • 5.10.1

      H+-Ionen und Pufferung159

    • 5.10.2

      Säure-Basen-Haushalt161

IMPP-Hits

  • Lungenvolumina (Abb. 5.1)Atmung

  • Störungen des Säure-Basen-Haushalts (Tab. 5.5)

  • Sauerstofftransport im Blut

  • O2-Partialdruck-Bestimmung

Wegweiser

Einen Überblick der wichtigsten physikalischen Grundlagen der Atemphysiologie gibt Kap. 5.3. Die Atemmechanik (Kap. 5.4) untersucht die Veränderungen der Lunge bei unterschiedlichen Druck- und Volumenbelastungen in Ruhe und bei typischen Atembewegungen. Diese physiologischen Grundkenntnisse erlauben es, Beatmungsgeräte zu entwickeln. Der Gasaustausch im Lungengewebe wird von der Belüftung (Ventilation), der Diffusion sowie von der Durchblutung (Perfusion und Verteilung) beeinflusst (Kap. 5.5). Lungenerkrankungen sind typischerweise durch die Störung eines oder mehrerer dieser 3 Parameter gekennzeichnet. Der aus der Atemluft aufgenommene Sauerstoff wird im Blut an Hämoglobin gebunden transportiert. Das Kohlendioxid gelangt ebenfalls auf dem Blutweg zur Abatmung in die Lungen (Kap. 5.6). Die Atmung wird über zentrale Regelkreisläufe gesteuert, die periphere Atemreize verarbeiten (Kap. 5.7). Höhenphysiologie und Pathophysiologie geben Gelegenheit, die erworbenen Kenntnisse in der Praxis anzuwenden (Kap. 5.8). Auch zur Vermeidung von Tauchunfällen ist ein Verständnis der Physiologie des Atemgastransports im Blut unentbehrlich. Nicht nur die Lunge, sondern auch das Gewebe „atmet“ (Kap. 5.9): Es verbraucht den gelieferten Sauerstoff und ist auf den Abtransport des Verbrennungsprodukts CO2 angewiesen. Neben der Niere ist die Lunge das wichtigste Organ im Säure-Basen-Haushalt des Organismus (Kap. 5.10). Im Blut gepufferte saure Valenzen können über das „Abrauchen“ des Säureanhydrids CO2 aus dem Körper entfernt werden. Das Lungengewebe nimmt auch nichtrespiratorische, metabolische Aufgaben wahr. Da es intensivem Kontakt zur Außenluft ausgesetzt ist, bedarf es spezifischer Schutzmechanismen (Kap. 5.2). Tief durchatmen, und los geht's!

Nichtrespiratorische Lungenfunktionen

Lungenfunktionen:NichtrespiratorischDie Atemwege sind unterhalb des Larynx normalerweise steril. Eine Besiedlung mit Krankheitserregern und damit eine mögliche Infektion werden durch Schutzreflexe und durch die Selbstreinigungsfunktion der Atemwege verhindert.

Schutzreflexe der Atemwege

Hustenreflex
HustenreflexBerühren Fremdkörper die Schleimhäute der Atemwege, lösen sie den Hustenreflex aus. Die afferenten Impulse dieses Reflexes laufen über den N. vagus zur Medulla oblongata. Dies führt zu einer Reflexantwort, die durch folgende Komponenten gekennzeichnet ist:
  • Inspiration von etwa 2 Liter Luft.

  • Verschluss von Stimmritze und Epiglottis: Das erhöhte Luftvolumen in der Lunge ist gegen die Außenwelt abgeschlossen.

  • Kontraktion der exspiratorischen Muskulatur und der Bauchmuskeln: Der Druck im Bronchialsystem steigt auf Werte um 100 mmHg.

  • Plötzliche Öffnung von Stimmritze und Epiglottis.

Der hierdurch entstehende rasche und kräftige Luftstrom in den Atemwegen entfernt die eingedrungenen Fremdkörper.
Niesreflex
NiesreflexDer Niesreflex ist das Äquivalent des Hustenreflexes im Bereich der nasalen Luftwege. Die afferenten Impulse werden hierbei über den N. trigeminus zur Medulla geleitet.

Reinigungsfunktion der Atemwege

Bronchialepithel
BronchialepithelAtemwegeAtemwege:ReinigungsfunktionBereits in der Nase werden kleinere Staubpartikel zurückgehalten. Die tieferen Atemwege sind von einem respiratorischen Epithel ausgekleidet, das durch Schleim sezernierende Becherzellen und zilientragende Epithelzellen charakterisiert ist. Durch den Zilienschlag wird der von den Becherzellen produzierte Schleimfilm ständig in Richtung Epiglottis vorgeschoben. Eingedrungene Fremdkörper werden in diesem Schleimfilm festgehalten und aus den Atemwegen abtransportiert. Schädigungen der Zilien (z. B. durch Rauchen) stören den Schleimabtransport und damit die Selbstreinigungsfunktion der Atemwege, was durch vermehrtes Abhusten („Raucherhusten“) nur teilweise ausgeglichen werden kann.
Schleimproduktion und Schleimrückresorption
Produktion
Atmung:Schleimrückresorption Atmung:Schleimproduktion

Wichtig für die Schleimproduktion im Bronchialepithel sind sind Cl-Kanäle vom CFTR-CFTR-TypTyp (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator), die in der apikalen Zellmembran von Bronchien und anderen sekretorischen Epithelzellen (z.B. Speicheldrüsen, Schweißdrüsen und Pankreas) liegen. Durch diese Kanäle strömt Cl ins Bronchiallumen, Na+ und H2O folgen über den parazellulären Weg.

Rückresorption

Auch eine Rückresorption des Schleims ist möglich: Hierzu strömt Na+ durch epitheliale Na+-Kanäle (ENaC = Epithelial Na+-Channel) in die Zellen, dem Cl und Wasser parazellulär folgen.

Spezifische und unspezifische Abwehr
Atemwege:Spezifische und unspezifische AbwehrDie Schleimhaut der Atemwege ist außerdem durch eine hohe Konzentration des Immunglobulins A gekennzeichnet, das der lokalen Abwehr eingedrungener Erreger dient (Kap. 2.6.3.4). Daneben phagozytieren in den Alveolarwänden vorhandene Alveolarmakrophagen Fremdkörper, die trotz aller Verteidigungslinien bis in die Alveolen vordringen konnten.

Metabolische Funktionen der Lunge

Lunge:Metabolische FunktionenNeben ihrer Rolle beim Gasaustausch erfüllt die Lunge auch eine Reihe von metabolischen Aufgaben, für die sie besonders geeignet ist, da die gesamte Blutmenge des Kreislaufs die Lungen passiert. Dabei konnten bis heute u. a. folgende metabolische Teilfunktionen aufgedeckt werden:
  • Umwandlung von Angiotensin I in die vasokonstriktorisch wirkende Substanz Angiotensin II (Kap. 10.5.2). Das die Umwandlung katalysierende Angiotensin-Converting-Enzym (ACE) findet sich in den Endothelzellen der Lungenkapillaren.

  • Inaktivierung von Bradykinin und Substanz P, ebenfalls durch ACE.

  • Inaktivierung von Serotonin durch Aufnahme von Serotonin in die Kapillarendothelien.

  • Inaktivierung der Prostaglandine E1, E2 und F.

Klinik

Unter Therapie mit ACE-Hemmern (z.B. aufgrund von Hypertonus) tritt bei 5–35% der Patienten ein trockener Reizhusten auf. Ursache ist die reduzierte Inaktivierung von Bradykinin und Substanz P in der Lunge.

Physikalische Grundlagen

Ideales Gasgesetz

Gasgesetz,IdealesNach der Zustandsgleichung idealer Gase hängt das Volumen (V) eines Gases einerseits von der Stoffmenge, d. h. der Molanzahl (n) des Gases, andererseits aber auch von Druck (P) und Umgebungstemperatur (T) ab. Diese Beziehung formuliert das ideale Gasgesetz:
Die Konstante R ist eine Naturkonstante, die allgemeine Gaskonstante.

Volumenmessbedingungen

Standardbedingungen
VolumenmessbedingungenVolumenmessbedingungen:StandardbedingungenWegen der Abhängigkeit des Gasvolumens von Druck- und Temperaturänderungen müssen eindeutige Standardbedingungen definiert werden, um Messergebnisse miteinander vergleichen zu können. Diese Standardbedingungen berücksichtigen auch den Wasserdampfpartialdruck, der außerhalb und innerhalb des Atmungstrakts unterschiedliche Werte annehmen kann.
Man unterscheidet 3 definierte Volumenmessbedingungen:
  • STPD-STPD-BedingungenBedingungen (Standard Temperature, Pressure, Dry): die physikalischen Normalbedingungen von 273 K (0 °C), 760 mmHg atmosphärischem Normaldruck und 0 mmHg Wasserdampfdruck (Trockenheit)

  • BTPS-BTPS-BedingungenBedingungen (Body Temperature, Pressure, Saturated): die physiologischen Bedingungen in der Lunge mit 310 K (37 °C), aktueller atmosphärischer Druck (PB) und 47 mmHg Wasserdampfdruck (= 100 % Wasserdampfsättigung)

  • ATPS-ATPS-BedingungenBedingungen (Ambient Temperature, Pressure, Saturated): im Spirometer herrschende Bedingungen, die den BTPS-Bedingungen bei Umgebungstemperatur (20 °C) entsprechen.

Da mit abnehmender Temperatur das Volumen eines Gases ebenfalls abnimmt, gilt für die 3 Bedingungen folgende Größenbeziehung hinsichtlich der Volumina (V):
Umrechnung
Volumenmessbedingungen:UmrechnungEine Umrechnung von Volumenmessungen aus STPD-Bedingungen in BTPS-Bedingungen ist über die ideale Gasgleichung (Formel [1]) möglich. Setzt man die STPD-Bedingungen und die BTPS-Bedingungen in die ideale Gasgleichung ein, erhält man:
und
Daraus ergibt sich der für die Umrechnung von STPD-Volumina in BTPS-Volumina erforderliche Umrechnungsfaktor als:
d. h.
Bei einem angenommenen atmosphärischen Druck (PB) von 770 mmHg (= 1.026 mbar) würde ein unter Körperbedingungen gemessenes BTPS-Volumen von 1 Liter also zu einem STPD-Volumen von

Zusammensetzung der atmosphärischen Luft

atmosphärischen LuftDie Gaskonzentrationen und die fraktionellen Anteile der einzelnen Gase an trockener atmosphärischer Luft zeigt Tab. 5.1. In der Physiologie werden die Konzentrationen i. d. R. als fraktionelle Anteile angegeben. Dabei entspricht eine Fraktion von 0,01 (dimensionslos) einem prozentualen Anteil von 1 %.

Atemmechanik

Lungenvolumina und Statik des Atemapparats

Lungenvolumina
AtemmechanikDie Lungenvolumina sind von Alter, Größe, Geschlecht, Training und Konstitution abhängig und können daher interindividuell sehr unterschiedlich sein. Die folgenden Werte gelten für einen 25 Jahre alten und 1,80 m großen männlichen Probanden.
Vitalkapazität
Vitalkapazität Lungenvolumina

Im Verhältnis zum gesamten Lungenvolumen ist das Volumen eines einzelnen normalen Atemzugs, das Atemzugvolumen, mit 0,5l relativ klein (Abb. 5.1). Bei maximaler Inspiration können zusätzlich 3,3l eingeatmet werden: inspiratorisches Reservevolumen. Ebenso ist eine zusätzliche maximale Exspiration von 1,8l möglich: exspiratorisches Reservevolumen. Aus der Addition dieser 3 Volumina ergibt sich die Vitalkapazität von 5,6l. Die Vitalkapazität kann über die Messung des nach einer maximalen Inspiration maximal ausgeatmeten Volumens bestimmt werden.

Bedeutung und Normwerte

Die Vitalkapazität ist ein Maß für die Ausdehnungsfähigkeit von Lunge und Thorax und nimmt mit zunehmendem Alter ab. Die Vitalkapazität von Frauen liegt um etwa 25% unter der von Männern. Trainierte Sportler haben eine erheblich höhere Vitalkapazität als Untrainierte (bis zu 8l).

Merke

Vitalkapazität = Atemzugvolumen + inspiratorisches + exspiratorisches Reservevolumen.

Residualvolumen und Totalkapazität
Totalkapazität Residualvolumen

Nach maximaler Exspiration verbleibt in der Lunge ein Volumen, das durch die Atmung nicht mobilisiert werden kann: das Residualvolumen (1,4l). Aus Residualvolumen und Vitalkapazität ergibt sich die Totalkapazität von 7,0l als Volumen, das nach einer maximalen Inspiration in der Lunge enthalten ist (Abb. 5.1). Das Volumen, das sich nach einer normalen Exspiration (d.h. in Atemruhelage) noch in der Lunge befindet und das sich aus exspiratorischem Reservevolumen und Residualvolumen zusammensetzt, wird als funktionelle Residualkapazität bezeichnet.

Bedeutung der funktionellen Residualkapazität

Die funktionelle Residualkapazität liegt bei 3,2 Litern. Das Volumen der funktionellen Residualkapazität ist also erheblich größer als das Atemzugvolumen, sodass durch die Vermischung dieser beiden Volumina die inspiratorisch und exspiratorisch unterschiedlichen O2- und CO2-Konzentrationen der Atemluft im Alveolarraum ausgeglichen werden: Pufferfunktion der funktionellen Residualkapazität. Auf diese Weise unterliegen die alveolären Atemgaskonzentrationen praktisch keinen respiratorischen Schwankungen.

Klinik

Eine erhöhte funktionelle Residualkapazität findet sich beim Lungenemphysem. Ursache des Lungenemphysems sind entzündliche Prozesse, die durch exogene Schadstoffe (Tabak, Feinstäube) ausgelöst werden. Alveolarsepten werden hierdurch irreversibel zerstört, die Lunge verliert ihre Elastizität. Eingeatmete Luft bleibt in funktionslosen, durch die Entzündung entstandenen Hohlräumen gefangen: Trapped Air, Überblähung. Bei der Inspektion kann ein „Fassthorax“ auffallen.

Bestimmung der Lungenvolumina
Lungenvolumina:BestimmungDie direkt messbaren Lungenvolumina können über die Spirometrie oder mit dem Pneumotachografen bestimmt werden. Zur Ermittlung der funktionellen Residualkapazität, die das nichtmobilisierbare Residualvolumen umfasst, ist man auf die indirekte Helium-Einwaschmethode angewiesen.
Spirometrie
SpirometrieBei der Spirometrie ist der Proband über einen Schlauch mit einem geschlossenen Luftraum, zumeist einer in Wasser getauchten zylindrischen Glocke, verbunden. Über dieses System können die Volumenänderungen bei Ein- und Ausatmung, die zu entsprechenden Glockenbewegungen führen, mit einem Schreiber registriert werden. Da es sich um ein geschlossenes System handelt, ist eine Registrierung der Atemexkursionen über eine längere Zeit nicht möglich.
Pneumotachygrafie
PneumotachygrafieBei der Pneumotachygrafie werden in einem offenen System nicht die Atemvolumina, sondern die Atemstromstärken bestimmt, aus denen sich dann die Atemvolumina rechnerisch ermitteln lassen. Dabei ist im Mundstück des Probanden, das zur Außenwelt hin offen ist, ein kleiner Strömungswiderstand eingebaut. Bestimmt werden die Atemdrücke vor und hinter diesem Strömungswiderstand, wobei die Atemstromstärke der Druckdifferenz proportional ist. Aus der (elektronischen) Integration der Atemstromstärke ΔVt über die Zeit erhält man dann die Atemvolumina.
Helium-Einwaschmethode
Helium-Einwaschmethode

Bei der Helium-Einwaschmethode (Abb. 5.2) wird der Proband am Ende der Exspiration an ein geschlossenes Spirometersystem angeschlossen, dessen Gasgemisch eine genau bekannte Menge an Helium enthält. Da Helium nicht über die Alveolen ins Kapillarblut diffundieren kann, verteilt es sich mit den Atemzügen des Probanden lediglich in die Volumina der funktionellen Residualkapazität (= Lungenvolumen nach normaler Exspiration). Nach vollständiger Verteilung muss die Heliumkonzentration im Spirometer niedriger liegen als zu Beginn, da sich eine konstante Heliummenge auf ein größeres Volumen, nämlich auf das Spirometervolumen (VSp) und das Volumen der funktionellen Residualkapazität (VFRK), verteilt hat. Dies lässt sich in der folgenden Beziehung ausdrücken:

cHe-Anf stellt die Heliumkonzentration im Spirometer zu Versuchsbeginn und cHe-End die gemessene Heliumkonzentration nach Anschluss des Probanden und Verteilung des Heliums dar. Lag die anfängliche Heliumkonzentration z. B. bei 10 %, das Spirometervolumen bei 2 Litern und die nach Anschluss des Probanden im System gemessene Heliumkonzentration bei 4%, so erhält man:

und durch Umformung:

Elastische Atemwegswiderstände
Atemwegswiderstände:ElastischeBei der Atmung müssen elastische und visköse Atemwegswiderstände überwunden werden. Während die viskösen Atemwegswiderstände (z. B. Strömungswiderstand) nur bei aktiver Atmung unter Mitwirkung der Atemmuskeln auftreten und sie dementsprechend im Abschnitt über die Dynamik des Atemapparats besprochen werden (Kap. 5.4.2), bestehen die elastischen Atemwegswiderstände unabhängig von Ein- und Ausatmung. Sie spiegeln die Elastizität, d. h. die Dehnbarkeit von Lunge und Thorax wider.
Ruhedehnungskurve
InAtemwegswiderstände:Ruhedehnungskurve Analogie zur Ruhedehnungskurve des Herzens (Kap. 3.4.4.2) lässt sich auch eine Ruhedehnungskurve des ventilatorischen Systems (Lunge und Thorax) bestimmen. Dabei werden nach vollständiger Entspannung der Atemmuskulatur, z. B. durch Muskelrelaxanzien, die Lungen mit definierten Volumina gefüllt und die entstehenden Drücke registriert. Bei entsprechend trainierten Probanden können die durch eine Volumenbelastung intrapulmonal entstehenden Drücke auch mit einem Spirometer registriert werden. Der Proband atmet jeweils definierte Luftvolumina aus dem Spirometer, anschließend wird das Mundstück verschlossen. Gelingt es dem Probanden, seine Atemmuskulatur vollständig zu entspannen, lässt sich mit einem Druckmesser am Mundstück der intrapulmonal herrschende Druck bestimmen. Der intrapulmonale Druck ist hierbei die Differenz zwischen dem Alveolardruck und dem äußeren Atmosphärendruck.
Lunge und Thorax
Auf diese Weise werden die Ruhedehnungskurven von Lunge und Thorax zusammen bestimmt, die einen S-förmigen Verlauf aufweisen, wobei im Bereich der normalen Atemzugvolumina weitgehende Linearität herrscht (Abb. 5.3). Der Druck im ventilatorischen System aus Lunge und Thorax (Ppul) ist im Ruhezustand gleich 0 (Ende der Ausatmung). Dabei ist dann genau die funktionelle Residualkapazität in der Lunge enthalten.
Thorax
ThoraxWird unter zunehmender Volumenbelastung der intrapleurale und nicht der intrapulmonale Druck bestimmt, resultiert die Ruhedehnungskurve des Thorax allein. Die Steilheit dieser Ruhedehnungskurve nimmt im Bereich negativer intrapleuraler Drücke mit zunehmender Volumenbelastung zu (Abb. 5.3). Der Thorax setzt der Volumenbelastung in diesem Bereich also einen abnehmenden Widerstand entgegen.
Lungen
LungenSubtrahiert man diese intrapleuralen Druckwerte der Thoraxruhedehnungskurve von den intrapulmonalen Druckwerten (Lunge-Thorax-Ruhedehnungskurve), erhält man die Ruhedehnungskurve des Lungengewebes. Die Steilheit der Lungen-Ruhedehnungskurve nimmt mit zunehmender Volumenbelastung ab, die Lunge setzt also einer Volumenbelastung einen immer stärkeren Widerstand entgegen (Abb. 5.3).
Statische Compliance
ComplianceComplianStatischeDie Steilheit der Ruhedehnungskurven, d. h. das Verhältnis von Volumen- zu Druckänderung (ΔV zu ΔP), gibt die Dehnbarkeit (Compliance) der einzelnen Bestandteile des ventilatorischen Systems wieder.
Die Compliance von Lunge und Thorax zusammen beträgt demnach:
Die Compliance des Thorax allein:
Und die Compliance der Lunge allein:
Steifheit
Elastance/SteifheitDer Kehrwert der Gesamtcompliance von Lunge und Thorax, der Gesamtwiderstand des Atemapparats, d. h. seine Steifheit (Elastance), kann durch die Addition der „in Reihe geschalteten“ Widerstände von Lunge und Thorax erhalten werden:
Normalwerte
Die Compliance der Lunge allein (CL) liegt unter Normalbedingungen bei 0,2 l/cm H2O, d. h., eine Volumenzunahme um 0,2 l hat eine Zunahme von (PpulPpleu) um 1 cm Wassersäule zur Folge.

Klinik

Eine Abnahme der statischen Compliance findet sich bei allen Lungenerkrankungen, die mit einer verminderten Lungendehnbarkeit einhergehen, so z.B. bei der Lungenfibrose.

Bestimmung
Die Bestimmung der statischen Compliance der Lunge (CL) erfolgt am einfachsten bei einem intrapulmonalen Druck Ppul von null, da dann lediglich der intrapleurale Druck ermittelt werden muss, der aufgrund der anatomischen Beziehungen in gewissen Grenzen mit dem Ösophagusdruck identisch ist. Ppul = 0, wenn der Druck in den Alveolen dem äußeren Atmosphärendruck entspricht, was z. B. dadurch erreicht werden kann, dass ein Proband nach Einatmung eines bestimmten Luftvolumens die dadurch erreichte Thoraxstellung mit der Atemmuskulatur fixiert. Auf diese Weise kann die statische Compliance der Lunge aus dem intraösophagealen Druck und dem Atemzugvolumen (ΔV) bestimmt werden.
Oberflächenspannung in den Alveolen
Regentropfenprinzip

Die über die Lungencompliance bestimmte elastische Dehnbarkeit der Lunge beruht zu ⅓ auf dem Gehalt des Lungengewebes an elastischen und kollagenen Fasern. Für die restlichen ⅔ des elastischen Bestrebens der Lunge, sich zusammenzuziehen, ist jedoch die Oberflächenspannung in den Alveolen verantwortlich. Diese Oberflächenspannung basiert auf dem physikalischen Phänomen, dass auf Flüssigkeitsmoleküle an den Grenzflächen von Flüssigkeit und Luft eine Anziehungskraft durch die übrigen Flüssigkeitsmoleküle wirkt. Deswegen streben Flüssigkeiten danach, unter Energiegewinn ihre Oberfläche zu verkleinern: Regentropfenprinzip. Auch die Wasserschicht, die in den Lungen die Alveolarwände auskleidet, hat diese Tendenz zur Verringerung ihrer Oberfläche. Die einzelnen wasserausgekleideten Alveolen streben also danach, sich zu verkleinern. Auf die ganze Lunge bezogen, verstärkt dies die retraktile Tendenz des Lungengewebes.

Surfactant-Faktor

Allerdings ist die Oberflächenspannung in den Alveolen geringer, als bei einer rein wässrigen Auskleidung zu erwarten wäre. Verantwortlich hierfür ist eine oberflächenaktive Substanz, der Surfactant-Faktor. Ähnlich einem Spülmittel reduziert dieser von den Typ-II-Alveolarepithelzellen produzierte Faktor aus Phospholipiden, Proteinen und Ca2+-Ionen die Oberflächenspannung des die Alveolen auskleidenden Wasserfilms um etwa den Faktor 10.

Klinik

Ein Mangel an Surfactant-Faktor, z.B. bei unreifen Frühgeborenen (< 28. Schwangerschaftswoche), führt durch die erhöhte Oberflächenspannung der Alveolen zu einem Kollaps des Lungengewebes und der Entwicklung eines Atemnotsyndroms. Die seit den 1990er Jahren mögliche kausale Behandlung mit modifiziertem tierischem Surfactant hat die Mortalität dieses Atemnotsyndroms bei Frühgeborenen deutlich reduziert.

Lerntipp

Ein kleiner Absatz mit großer Bedeutung: Der Zusammenhang von Compliance und Surfactant-Faktor ist die Grundlage sehr vieler Fragen im Physikum. Schön für Sie!

Dynamik des Atemapparats

Wirkungsweise der Atemmuskeln
Abdominale Atmung
AlveolenAlveolen:RegentropfenprinzipSurfactant-FaktorAtemmuskelnAtemmuskeln:Abdominale AtmungUnter normalen Ruhebedingungen gehen die Atemexkursionen praktisch ausschließlich auf das Heben und Senken des Zwerchfells zurück. Dabei bewirkt die Zwerchfellkontraktion die Inspiration. Bei der Exspiration erschlafft das Zwerchfell, sodass Lunge und Thorax ihren elastischen Verkleinerungstendenzen folgen und passiv in die Ruhelage zurückkehren.
Thorakale Atmung
Atemmuskeln:Thorakale AtmungDurch das Heben oder Senken der Rippen vergrößert oder verkleinert sich der Thoraxraum vorwiegend in sagittaler Richtung. Ausgelöst wird die Inspiration durch die Mm. intercostales externi, die durch ihren Verlauf jeweils die untere von 2 Rippen heben, sodass insgesamt eine inspiratorische Thoraxhebung mit Aufweitung der Thoraxhöhle resultiert.
Lunge
Atemmuskeln:LungeDie Lunge, die über die Kapillarhaftung des Pleuraspaltes am Thorax befestigt ist und dadurch gehindert wird, ihrer Tendenz zum elastischen Kollaps nachzugeben, folgt passiv den durch die Atemmuskeln verursachten Thoraxexkursionen.
Inspiratorische Hilfsmuskeln
Atemmuskeln:Inspiratorische HilfsmuskelnAls inspiratorische Hilfsmuskeln, die vor allem bei starken Atemanstrengungen (Luftnot) eingesetzt werden, dienen alle Muskeln, die durch ihren Ansatz in der Lage sind, die Rippen zu heben, also die Mm. pectorales major und minor, die Mm. scaleni, der M. sternocleidomastoideus und die Mm. serrati anteriores.
Exspiratorische Hilfsmuskeln
Atemmuskeln:Exspiratorische HilfsmuskelnExspiratorisch wirken die Mm. intercostales interni, sie nähern die Rippen einander und senken dadurch den Thorax. Ist dies bei hoher Atemfrequenz nicht ausreichend, werden zusätzlich die Bauchmuskeln (Mm. recti) als exspiratorische Hilfsmuskeln hinzugezogen, deren Kontraktion die Baucheingeweide gegen das Zwerchfell drückt und so die Exspiration beschleunigt. Zum forcierten Husten kann außerdem der M. latissimus dorsi rekrutiert werden.

Merke

  • Inspiratorische Hilfsmuskeln: Rippenheber, Mm. Intercostales externi

  • Exspiratorische Hilfsmuskeln: Bauchmuskeln, Mm. Intercostales interni

Nichtelastische Atemwegswiderstände

Mit der Aktivierung der Atemmuskulatur, also bei aktiver Ein- und Ausatmung, kommen zu den elastischen Atemwegswiderständen, die auf der elastischen Struktur von Lunge und Thorax selbst beruhen, die nichtelastischen (= viskösen) Atemwegswiderstände hinzu.

Man unterscheidet:

  • Strömungswiderstände in den Atemwegen (85 %)

  • Gewebewiderstand, der durch Reibung der Gewebe in Brust- und Bauchraum entsteht (15 %)

  • Trägheitswiderstände (vernachlässigbar klein)

Atemwegswiderstände:Nichtelastische Atemwegswiderstände

Merke

Nichtelastische Atemwegswiderstände:

  • 85 % Strömungswiderstände

  • 15 % Gewebewiderstände

Strömungswiderstand = Resistance
InResistance der Praxis ist von den nichtelastischen Atemwegswiderständen vor allem der Strömungswiderstand in den Atemwegen wichtig. Dabei tragen die oberen Atemwege (proximal der kleinen Bronchien) prozentual am meisten zum Atemwegswiderstand bei.
In vereinfachter Form kann der Strömungswiderstand der Atemwege (R = Resistance) nach dem Ohm-Gesetz (Kap. 4.2.2.1, Formel [3]) aus der Luftströmung bei In- und Exspiration ( in l/s) und aus dem intrapulmonalen Druck (Ppul = Differenz von intraalveolärem und Umgebungsdruck) berechnet werden:
Normalwert
Bei ruhiger Mundatmung liegt die Resistance der Atemwege bei 1–2 cmH2O × s × l–1 (0,1–0,2 kPa × s × l–1).
Bestimmung des intrapulmonalen Drucks und der Resistance
Bodyplethysmografie
BodyplethysmografieDie kontinuierliche Bestimmung der intrapulmonalen Druckwerte wird indirekt über den Bodyplethysmografen vorgenommen. Dabei sitzt der Proband in einer luftdicht abgeschlossenen Kammer und atmet über ein mit einem Atembeutel verbundenes Mundstück, das Atemstromstärke und Munddruck registriert, regelmäßig ein und aus. Parallel dazu werden die Veränderungen des Kammerdrucks registriert, die durch die Atemexkursionen des Probanden entstehen und die ein negatives Spiegelbild der alveolären Druckänderungen sind. Werden die so ermittelten alveolären Druckänderungen gegen die Atemstromstärke in In- und Exspiration aufgetragen, resultiert ein Druck-Stromstärke-Diagramm wie in Abb. 5.4.
Resistance

Aus diesem Druck-Stromstärke-Diagramm kann der Atemwegswiderstand (die Resistance) als Steigung der in- und exspiratorischen Kurve abgelesen werden. Beim Lungengesunden sind inspiratorischer und exspiratorischer Atemwegswiderstand praktisch gleich groß. Bei bestimmten Lungenerkrankungen (z.B. Asthma bronchiale) sind die exspiratorischen Atemwegswiderstände jedoch deutlich erhöht. In diesem Fall nimmt das Druck-Strömungs-Diagramm eine mehr keulenförmige Form an, der exspiratorische Schenkel verläuft flacher (höhere Resistance) und ist nach rechts verschoben.

Intrapulmonale und intrapleurale Druckänderungen
Statischer Ruhedruck

Im flüssigkeitsgefüllten, kapillären Pleuraspalt, der die Lunge mit dem Thorax gleitend verbindet, herrscht unter Ruhebedingungen vor Beginn der Inspiration ein negativer Druck von -4 cmH2O. Dieser negative, intrapleurale statische Ruhedruck Ppleu(stat) beruht auf der elastischen Retraktionstendenz der Lunge, die eine „Saugwirkung“ auf den Pleuraspalt ausübt und damit die negativen Druckwerte hervorruft.

Inspiration

Mit zunehmender Einatmung nimmt dieser negative Ruhedruck weiter ab, da durch die inspiratorische Dehnung des Lungengewebes dessen elastische Rückstellungskräfte ebenfalls wachsen (zunehmende Saugwirkung). Am Ende einer normalen Inspiration beträgt der intrapleurale Druck daher -6,5 cmH2O. Zusätzlich negativierend auf den intrapleuralen Druck während der Inspiration wirkt der inspiratorisch negative intrapulmonale Druck: Bei jeder Inspiration entsteht im Lungengewebe zunächst ein Unterdruck von -1 cmH2O, da die Luft aufgrund der Atemwegswiderstände inspiratorisch nicht rasch genug in das Lungengewebe einströmen kann. Dieser negative intrapulmonale Druck übt vom Inneren der Lunge her eine zusätzliche Sogwirkung auf den Pleuraspalt aus, sodass der intrapleurale Druck dadurch inspiratorisch weiter absinkt (Abb. 5.5). Der während der Inspiration, also unter dynamischen Bedingungen, im Pleuraspalt herrschende Druck Ppleu(dyn) setzt sich zusammen aus dem statischen Pleuradruck und dem intrapulmonalen Druck Ppul:ResistanceStatischer Ruhedruck, Atmung

Exspiration

Bei der Exspiration werden spiegelbildliche Druckveränderungen beobachtet. Durch den Druck des Thorax auf die Lunge während der Ausatmungsbewegung steigt der intrapulmonale Druck an und wird positiv (bis +1 cmH2O). Dadurch vermindert sich der exspiratorisch herrschende intrapleurale Druck um diesen positiven intrapulmonalen Druck, sodass der unter dynamischen Bedingungen bestimmte intrapleurale Druck (Ppleu[dyn]) weniger negativ ist als der stationäre Pleuradruck im Ruhezustand (Ppleu[stat], Abb. 5.5).

Klinik

Entsteht eine Verbindung des Pleuraspaltes zur Umgebung (z.B. durch Stichverletzungen), wird aufgrund des negativen intrapleuralen Drucks Luft aus der Umgebung in den Pleuraspalt hineingesaugt: Pneumothorax. Hierdurch löst sich die Lunge vom parietalen Pleurablatt, folgt ihrer elastischen Retraktionstendenz und kollabiert. Durch diese Volumenreduktion nehmen Vitalkapazität und Diffusionskapazität des betroffenen Lungenflügels ab. Je nach Ausmaß des Pneumothorax resultiert ein mehr oder weniger ausgeprägter Abfall des arteriellen O2-Partialdrucks (Kap. 5.6.1.1) mit Atemnot (Dyspnoe).

Druck-Volumen-Diagramme
InspirationExspirationPneumothoraxDruck-Volumen-Diagramme,AtmungTrägt man die dynamischen intrapleuralen Druckveränderungen gegen das ein- und ausgeatmete Lungenvolumen auf, so erhält man Druck-Volumen-Beziehungen bei In- und Exspiration.
Aufgrund der viskösen Atemwegswiderstände ist die Druck-Volumen-Beziehung nicht linear (Abb. 5.6). Vielmehr zeigt sich bei gleichen Atemvolumina inspiratorisch eine größere Abnahme, exspiratorisch eine größere Zunahme des intrapleuralen Drucks als unter statischen Bedingungen. Aufgrund der typischen Form wird das dynamische Druck-Volumen-Diagramm der Atmung, das z. B. mit einem Pneumotachografen bestimmt werden kann, auch als Atemschleife bezeichnet.

Merke

Intrapulmonaler Druck:

  • In Ruhe ±0 cmH2O

  • Bei Inspiration −1 cmH2O

  • Bei Exspiration +1 cmH2O

Atemarbeit
Aus Atemarbeitdem Druck-Volumen-Diagramm lässt sich unmittelbar die Atemarbeit ablesen, die als Produkt aus Druck und Volumen definiert und demnach als Fläche in der Druck-Volumen-Kurve darstellbar ist. Unter statischen Bedingungen, bei fiktiver Atmung gegen rein elastische Widerstände, entspricht die Atemarbeit der Fläche zwischen der Geraden der linearen Druck-Volumen-Beziehung und der y-Achse (Abb. 5.6: Fläche innerhalb der gelben Linien). Unter dynamischen Bedingungen ergibt sich die Atemarbeit aus der von der Atemschleife in In- und Exspiration umfahrenen Fläche (rot schraffiert in Abb. 5.6). Bei hoher Atemfrequenz beulen sich die in- und exspiratorischen Flanken der Atemschleife stärker aus, was auf den Anstieg des Atemwegswiderstands bei hoher Atemfrequenz zurückzuführen ist. Auf diese Weise wird von der Atemschleife eine größere Fläche umschlossen, d. h., die zu leistende Atemarbeit nimmt bei einer Steigerung der Atemfrequenz zu. Analoges gilt bei einer Zunahme der Atemtiefe, die zu einer Ausziehung der Atemschleife in Richtung höherer Volumina führt und damit ebenfalls eine Flächenzunahme verursacht.

Klinik

Beim Asthma bronchiale ist die Atemarbeit vor allem durch die erschwerte Exspiration stark erhöht.

Künstliche Beatmung

Die Beatmung, künstlichSpontanatmung ist eine sog. Unterdruckatmung, d. h., die Atemluft folgt dem durch die inspiratorische Dehnung von Thorax und Lunge im Inneren der Lunge entstehenden Unterdruck: Sie wird in die Lunge hineingesogen. Das Gegenteil ist bei der maschinellen Beatmung der Fall. Hier wird dem Patienten über einen in die Trachea eingebrachten Tubus mit Überdruck Atemluft in die Lungen insuffliert. Die Weitung des Thorax unter der Atmung ist bei der Überdruckbeatmung ein sekundäres Phänomen. Aus dieser Überdruckbeatmung ergeben sich eine Reihe unphysiologischer Auswirkungen auf den Gesamtorganismus:
  • Durch die im Vergleich zur Spontanatmung höheren intrapulmonalen Drücke werden kleinere Pulmonalarterienäste komprimiert, wodurch der Widerstand in der Lungenstrombahn und damit der pulmonalarterielle Druck ansteigt.

  • Durch die Überdruckbeatmung nimmt der Druck im rechten Vorhof inspiratorisch zu und nicht ab (Kap. 4.4.1.1). Dadurch wird der venöse Rückstrom zum Herzen vermindert und das Herzzeitvolumen kann abfallen.

  • Durch die Behinderung des venösen Rückstroms wird auch der Abfluss aus den venösen Sinus des Gehirns vermindert. Bei neurochirurgischen Patienten kann die hierdurch ausgelöste Erhöhung des intrakraniellen Drucks problematisch sein.

  • Die Urinausscheidung sinkt ab. Verantwortlich hierfür ist der Abfall des Herzzeitvolumens mit vermindertem renalem Perfusionsdruck und einer dadurch reduzierten Filtrationsleistung der Nieren.

Gasaustausch

Der GasaustauschGasaustausch zwischen der Luft und dem Blut des Organismus lässt sich in 3 Teilprozesse gliedern: Die Ventilation transportiert sauerstoffreiche Luft in die Alveolen und das kohlendioxidreiche alveoläre Gasgemisch in die Umgebung. Bei der anschließenden Diffusion werden die Atemgase O2 und CO2 zwischen Alveolarraum und dem Blut der Alveolarkapillaren ausgetauscht. Die Perfusion (=Durchblutung) der Lunge und die Verteilung von Perfusion, Ventilation und Diffusion innerhalb der Lunge entscheiden schließlich über den endgültig erreichten Arterialisierungsgrad des in den linken Vorhof strömenden pulmonalvenösen Blutes.

Ventilation

Atemzeitvolumen

Das Atemzeitvolumen ist die wichtigste globale Kenngröße der Ventilation. Bestimmt wird es aus dem exspiratorischen Atemzugvolumen VE (∼0,5l beim Erwachsenen) und der Atemfrequenz (∼14 Atemzüge/min beim Erwachsenen in Ruhe).

Normalwerte
Ventilation Atemzeitvolumen

In Ruhe beträgt das Atemzeitvolumen 7l/min. Bei Belastung steigen sowohl die Atemfrequenz als auch das Atemzugvolumen an: Dann sind Atemzeitvolumina von mehr als 120l/min möglich. Kinder kompensieren ihr geringeres Atemzugvolumen durch eine höhere Atemfrequenz von 20–30/min (Neugeborene: 40–50/min).

Totraumventilation und alveoläre Ventilation
Die Totraumventilationalveoläre VentilationGröße des Atemzeitvolumens sagt jedoch noch nichts über die Effektivität des Gasaustauschs im respiratorischen System aus, da nur der Anteil des Atemzeitvolumens entscheidend ist, der die zum Gasaustausch befähigten Alveolen erreicht. Alle übrigen Strukturen des Atemtrakts, also Trachea, Bronchien und Bronchiolen, stellen im Hinblick auf die Gasaustauschfunktion Totraum dar, der bei Ein- und Ausatmung überwunden werden muss, ohne einen Beitrag zum Gasaustausch leisten zu können.
Bestimmung des Totraumvolumens
Das TotraumvolumensTotraumvolumen kann über eine indirekte Messung mittels Massenbilanz ähnlich der Helium-Einwaschmethode (Kap. 5.4.1.2) bestimmt werden. Dabei geht man davon aus, dass sich das ausgeatmete Atemzugvolumen (VE) aus Totraumvolumen (VD) und einem Volumenanteil aus dem Alveolarraum (VA) zusammensetzt:
Anstelle des Heliums bedient man sich eines Atemgases (CO2 oder O2).
Berechnung
Aufgrund der Massenbilanz muss die ausgeatmete Exspirationsmenge des Atemgases der Totraummenge plus der Alveolarmenge des Gases entsprechen:
  • Die Exspirationsmenge ergibt sich aus der Multiplikation des Exspirationsvolumens mit der fraktionellen Konzentration des Gases in der Exspirationsluft (FE)

  • Die Totraummenge entspricht dem Totraumvolumen VD multipliziert mit der fraktionellen Atemgaskonzentration im Totraum. Die Totraumkonzentration ist mit der Konzentration des Gases in der inspiratorischen Atmosphärenluft (FI) identisch, da der Totraum am Gasaustausch der Lungen definitionsgemäß nicht teilnimmt.

  • Die Alveolarmenge ergibt sich analog aus dem Alveolarvolumenanteil an der Exspiration und der Atemgaskonzentration im Alveolarraum.

Daraus erhält man:
Bohr-Formel
Bohr-FormelHieraus ergibt sich durch Umformung und unter Einbeziehung der Gleichung [16] die Bohr-Formel, die das Verhältnis des Totraumvolumens (VD) zum gesamten Exspirationsvolumen (VE) angibt und die für alle Atemgase gilt:
Verwendet man zur Berechnung des Totraums das CO2, kann dessen sehr geringe inspiratorische Konzentration (F = 0,0004) gleich null gesetzt werden, wodurch sich eine Vereinfachung ergibt:
Normalwert
Bei einer normalen alveolären CO2-Konzentration von 0,056 () und einem gemessenen CO2-Anteil an der Exspirationsluft von 0,039 () erhält man einen Totraumanteil am Exspirationsvolumen VD/VE von 0,3, d. h. von 30 %. Dies entspricht einem normalen Totraumanteil.
Funktioneller und anatomischer Totraum

Wichtig ist, dass mit der Bohr-Formel der funktionelle (physiologische) Totraum bestimmt wird, d.h. der Teil der Atemwege, der nicht am Atemaustausch teilnimmt. Dazu gehören neben dem anatomischen Totraum auch diejenigen Alveolarbezirke, die zwar belüftet, aber nicht durchblutet sind und die daher nicht am Gasaustausch teilnehmen können. Beim Gesunden ist der physiologische Totraum nicht wesentlich größer als der anatomische. Bei Lungenerkrankungen wie dem Emphysem entstehen durch Zerstörung der Alveolarwände große luftgefüllte „Blasen“ in der Lunge, die zwar noch belüftet, aber durch das Fehlen der Alveolarwände nicht mehr adäquat durchblutet werden. Bei solchen Lungenerkrankungen ist daher der physiologische Totraum erheblich größer als der anatomische.

Totraum und Atemzugvolumen

Bei normalem Totraumanteil am Atemzugvolumen (bei gesunden Erwachsenen 30%) erreichen von jedem Atemzugvolumen (500ml) nur 350ml den Alveolarraum, während 150ml lediglich den Totraum belüften, ohne am Gasaustausch teilzunehmen. Folglich belüftet eine flache Atmung mit kleinem Atemzugvolumen fast ausschließlich den Totraum und ist deswegen sehr ineffektiv. Umgekehrt führt eine tiefere Atmung mit größerem Atemzugvolumen zu einer Zunahme der Belüftung der Alveolen und dadurch zu einem besseren Gasaustausch.

Merke

Der Totraum beträgt ca. 150ml.

Alveoläre Atemgasfraktionen und Partialdrücke
Konzentrationen und Partialdrücke
O2- und CO2-Konzentrationen

In den Alveolen beträgt die fraktionelle O2-Konzentration 0,14 (= 14 Vol.-%) und die fraktionelle CO2-Konzentration 0,056 (= 5,6 Vol.-%). Die alveolären O2- und CO2-Konzentrationen können aus dem endexspiratorischen Gasstrom berechnet werden, da nach Abatmung des Totraumvolumens die Zusammensetzung der Ausatmungsluft der des alveolären Gasgemischs entspricht.

Partialdruck der Atemgase

Die für den Gasaustausch durch Diffusion entscheidende Größe ist jedoch nicht die Konzentration, sondern der Partialdruck der Atemgase, d.h. nicht ihr Volumenanteil, sondern ihr Druckanteil am alveolären Gasgemisch. Nach dem Dalton-Gesetz entspricht der Partialdruck eines Gases am Gesamtdruck seinem Anteil am Gasvolumen. Der Partialdruck pGas eines Gases errechnet sich also aus der Multiplikation seiner fraktionellen Konzentration fGas mit dem atmosphärischen Gesamtdruck pB von 760mmHg. Da die Alveolarluft zu 100% mit Wasserdampf gesättigt ist, muss der Druckanteil des Wasserdampfes (47mmHg) vom atmosphärischen Gesamtdruck abgezogen werden, wenn man die Partialdrücke der alveolären Gase erhalten will:

Totraum Totraum:Funktioneller Totraum:anatomischer Partialdrücke, Atmung Alveoläre Atemgasfraktionen

Setzt man die fraktionellen alveolären Konzentrationen von 0,14 für O2 und 0,056 für CO2 in Gleichung [21] ein, erhält man die alveolären Partialdrücke von:

Alveolärer Sauerstoffpartialdruck

Die Höhe des alveolären Sauerstoffpartialdrucks () hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Inspiratorischer Sauerstoffpartialdruck:

  • Alveolärer Sauerstoffverbrauch durch Abtransport ins Blut:

  • Alveoläre Ventilation:

Dabei wird der alveoläre Sauerstoffpartialdruck umso höher liegen, je höher der inspiratorische O2-Partialdruck und die alveoläre Ventilation (Sauerstoffangebot) sind und je niedriger der Sauerstoffverbrauch ist:

Der Faktor 863 berücksichtigt die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen in Umgebungsluft (STPD) und im Alveolarraum (BTPS) nach Gleichung [5].

Klinisch wichtig ist, dass sowohl eine Erhöhung des inspiratorischen O2-Partialdrucks (z. B. durch O2-Gabe) als auch eine Steigerung der alveolären Ventilation (), z. B. durch Vergrößerung des Atemzugvolumens, den alveolären O2-Partialdruck erhöhen und dadurch bessere Arterialisierungsbedingungen im Bereich der alveolären Kapillaren schaffen.

Alveolärer Kohlendioxidpartialdruck

Eine analoge Gleichung gilt für den alveolären CO2-Partialdruck, wobei der geringe inspiratorische CO2-Partialdruck nicht berücksichtigt zu werden braucht:

Alveolärer Sauerstoffpartialdruck

Der alveoläre CO2-Partialdruck ist also umso höher, je größer die CO2-Produktion des Organismus () und je geringer die alveoläre Ventilation () ist.

Die Formeln [22] und [23] erlauben es, den alveolären Partialdruck unter verschiedenen äußeren Bedingungen zu berechnen, und werden deswegen auch als Alveolarformeln bezeichnet. Die gegenläufige Abhängigkeit von alveolärem O2- und CO2-Partialdruck bei Änderung der alveolären Ventilation zeigt Abb. 5.7.

Merke

„Flache Atmung“ = kleine Atemzugvolumina:

  • Vermehrte Totraumbelüftung

  • Abnahme des alveolären O2-Partialdrucks

  • Anstieg des alveolären CO2-Partialdrucks

Lerntipp

Das IMPP lässt sehr gerne Partialdrücke bestimmen – diesen Abschnitt sollten Sie also gut verstanden haben. Am besten, Sie trainieren direkt nach diesem Kapitel mit ein paar Altfragen, dann verfestigen sich die Formeln gleich zu angewandtem Wissen.

Diffusion

Gesetzmäßigkeiten des pulmonalen Gasaustauschs
Partialdruckdifferenzen
Der Alveolärer KohlendioxidpartialdruckPartialdruckdifferenzenDiffusionGasaustausch zwischen Alveolen und dem Blut der Lungenkapillaren vollzieht sich über Diffusion (Abb. 5.8). Treibende Kräfte sind hierbei die Partialdruckdifferenzen zwischen dem Alveolarraum und dem Kapillarblut. Während das alveoläre Gasgemisch einen O2-Partialdruck von 100 mmHg und einen CO2-Partialdruck von 40 mmHg aufweist, liegen die Partialdrücke im venösen Blut, das die Lungenkapillaren über die Äste der A. pulmonalis erreicht, bei 40 mmHg für O2 und bei 46 mmHg für CO2.
Fick-Diffusionsgesetz
Die Fick-DiffusionsgesetzGesetzmäßigkeiten der Diffusion werden durch das 1. Fick-Diffusionsgesetz beschrieben (Kap. 1.4.2.3). Danach ist bei der Diffusion der Gasfluss () über eine Membran proportional zur Partialdruckdifferenz der Gase über der Membran und zur Diffusionsfläche (F) sowie umgekehrt proportional zur Dicke der Membran (d), d. h. der Diffusionsstrecke:
palv= Gaspartialdruck in den Alveolen
pcap= Gaspartialdruck in den Lungenkapillaren

Klinik

Inhalierte Schadstoffe (z.B. Steinstäube) können eine chronische Entzündung der Alveolen (Alveolitis) unterhalten. Hierdurch fibrosieren im Laufe der Jahre die Alveolarmembranen: Die Diffusionsstrecke für O2 wird länger (d in Formel [24]). Dadurch sinkt der O2-Partialdruck im Blut, zuerst nur unter Belastung, dann auch in Ruhe, auf Werte unter 75mmHg ab. Klinisch leiden die Patienten unter Luftnot.

Diffusionsleitfähigkeit
Die Diffusion:LeitfähigkeitKonstante K, die vom Diffusionsmedium und von der Art der diffundierenden Teilchen abhängt, wird als Krogh-Diffusionskoeffizient oder als Diffusionsleitfähigkeit bezeichnet. Diese Diffusionsleitfähigkeit ist für CO2 etwa 20-mal größer als für O2, d. h., bei gleichen Partialdruckdifferenzen und auch sonst gleichen äußeren Bedingungen diffundiert 20-mal mehr CO2 als O2 über die Membran.
Diffusionskapazität der Lunge
Diffusionswege
Die Diffusion:wegeDiffusion:KapazitätDiffusionswege in den Lungenkapillaren sind außerordentlich kurz und liegen zwischen 1 und 2 μm. Wegen dieser kurzen Wege genügt es, wenn der Erythrozyt nur etwa 0,5 Sekunden lang Kontakt zum alveolären Gasgemisch hat, um die Atemgaspartialdrücke in Alveolarraum und Kapillarblut vollständig anzugleichen.
Diffusionsrate
Im Diffusion:RateVerlauf des Gasaustauschs nimmt die Diffusionsrate kontinuierlich ab. Dies entspricht der stetigen Abnahme der Partialdruckdifferenzen zwischen Alveolarraum und Kapillarblut, die nach dem Fick-Diffusionsgesetz mit einer Abnahme des diffundierenden Gasflusses einhergeht.
Bestimmung der Diffusionskapazität
Die Diffusionskapazität,AtmungDiffusionskapazität der Lunge für ein bestimmtes Atemgas lässt sich durch eine Vereinfachung der Fick-Gleichung [24] bestimmen. Hierbei werden die Dicke (d) und die Fläche (F) der Diffusionsmembran mit der Diffusionskonstanten K in einer neuen Konstante D zusammengefasst:
Die Konstante D bezeichnet nun substanzspezifisch die Diffusionskapazität der Lunge, d. h. ihre Fähigkeit zum Gasaustausch. Diese Diffusionskapazität ist umso höher, je größer der Gasfluss über die Membran () und je kleiner die dafür erforderliche Partialdruckdifferenz (palvpcap) ist.
Kohlenmonoxid
Auch Kohlenmonoxidfür Kohlenmonoxid (CO) gilt die Gleichung [25]. Bei einer CO-Diffusionskapazität (DCO) von 300 ml × min−1 × kPa−1 und einem alveolären pCO von 0,2 kPa resultiert eine CO-Aufnahme () von:

Perfusion und Verteilung

Lungenperfusion und ihre regionale Verteilung
Neben LungenperfusionVentilation und Diffusion bestimmt auch die Durchblutung (Perfusion) der Lunge den Wirkungsgrad der Arterialisierung. In Ruhe werden nur 50 % der Lungenkapillaren durchblutet. Bei steigender Belastung steigt die Anzahl der durchbluteten Gefäße an: Reservekapillaren werden durch Dilatation der arteriellen Lungengefäßäste eröffnet. Die Dilatation der Pulmonalarterienäste erklärt die Beobachtung, dass eine belastungsinduzierte Steigerung der Lungendurchblutung auf das 4-Fache nur eine Verdopplung des pulmonalarteriellen Drucks zur Folge hat.
Die Lungenperfusion ist aber je nach Lungengebiet unterschiedlich verteilt: Beim stehenden Menschen sind die Lungenspitzen aufgrund der hydrostatischen Druckdifferenz schlechter durchblutet.
Euler-Liljestrand-Mechanismus

In Gebieten mit niedrigem alveolärem O2-Partialdruck kontrahieren sich die Pulmonalarterienäste. Diese hypoxiebedingte Vasokonstriktion wird als Euler-Liljestrand-Mechanismus bezeichnet und drosselt die Durchblutung von Lungengebieten, in denen wegen des niedrigen O2-Partialdrucks ohnehin kein effektiver Gasaustausch zu erwarten wäre. Der regionale pulmonale Blutfluss () wird auf diese Weise der alveolären Ventilation () angepasst.

Merke

Euler-Liljestrand-Mechanismus: Vasokonstriktion der Pulmonalarterienäste bei Hypoxie.

Shunt-Blut
Ein (Euler-Liljestrand-MechanismusShunt-Blutkleiner) Teil des Herzzeitvolumens durchläuft nicht den Lungenkreislauf, sondern gelangt direkt vom venösen Gefäßsystem in den arteriellen Schenkel. Dieses Kurzschlussblut oder Shunt-Blut besteht aus dem sauerstoffarmen Blut in den Vv. bronchiales. Die Vv. bronchiales münden direkt in die Lungenvenen (die sauerstoffreiches Blut transportieren) und erreichen so unter Umgehung der Lungen das System des Körperkreislaufs. Dieses Shunt-Blutvolumen beträgt beim Gesunden etwa 2 %. Es ist dafür verantwortlich, dass der Sauerstoffpartialdruck in den peripheren Arterien um 5–8 mmHg unter dem am Ende der Lungenkapillaren maximal erreichten Sauerstoffpartialdruck liegt.
Arterialisierung des Blutes
Einflussfaktoren

Die von den Lungen erreichte Arterialisierung des venösen Blutes wird also bestimmt von alveolärer Ventilation (), Diffusionskapazität (D) und Lungenperfusion (). Dabei ist nicht der Absolutwert einer dieser Größen entscheidend, sondern das Verhältnis von Ventilation und Diffusion zur jeweiligen Lungenperfusion, d.h. die Quotienten:

Ventilations-Perfusions-Verhältnis

Diffusions-Perfusions-Verhältnis

Verteilungsstörungen

Werden z.B. die Alveolen bei normaler Belüftung oder Diffusion aufgrund pathologischer Veränderungen nur teilweise durchblutet ( erniedrigt, und D normal), nimmt die Arterialisierung des Blutes ab; man spricht von einer Perfusionsstörung. Nehmen Ventilation () oder Diffusionskapazität (D) bei normaler Perfusion () ab, handelt es sich um eine Ventilationsstörung bzw. eine Diffusionsstörung (Abb. 5.9). Arterialisierung Außerdem können Diffusion, Perfusion und Ventilation im Lungengewebe regional unterschiedlich verteilt sein. Während das globale Ventilations/Perfusions-Verhältnis in der Lunge etwa bei 1 liegt, beträgt es in der Lungenspitze 3 und in den basalen Anteilen der Lunge 0,6. Diese regionalen Verteilungsstörungen führen dazu, dass der durch das Shunt-Blut schon reduzierte arterielle O2-Partialdruck noch weiter gegenüber dem alveolären Partialdruck absinkt. Der arterielle O2-Partialdruck liegt beim Jugendlichen um 95 mmHg, beim 70-Jährigen, aufgrund der altersbedingten Zunahme der Verteilungsstörungen in der Lunge, nur noch bei 70 mmHg.

Pathophysiologie

Ventilationsstörungen

Da die Lunge auf die verschiedensten Schädigungen mit relativ einförmigen Krankheitsbildern reagiert, lassen sich 2 große Klassen von Ventilationsstörungen beobachten, die jeweils durch eine Vielzahl von Auslösern hervorgerufen werden können:

Obstruktive Ventilationsstörungen

Sie machen 90% aller Lungenerkrankungen aus und beruhen auf einer Zunahme des Strömungswiderstands in den Atemwegen, z.B. durch Schleim oder Kontraktion der Bronchialmuskulatur. Dadurch muss der Patient mehr Atemarbeit leisten, die sich in schweren Fällen klinisch als Atemnot (Dyspnoe) bemerkbar macht. Die Verlegung der Bronchien führt zu einer Überblähung der Lunge mit Vergrößerung der Residualkapazität, da die Obstruktion die Ausatmung stärker behindert als die Einatmung. Ursachen einer obstruktiven Ventilationsstörung können allergische Einflüsse (z.B. beim Asthma bronchiale) oder toxische Schädigungen der Bronchialwand (Rauchen) sein.

Restriktive Ventilationsstörungen

Bei restriktiven Störungen ist die Dehnbarkeit des Lungengewebes (Compliance) eingeschränkt. Dadurch ist die maximal bei der Atmung mobilisierbare Austauschfläche des Lungengewebes reduziert. Ursachen sind z.B. Lungenfibrosen, Thoraxdeformitäten oder ausgeprägte Adipositas.

Lungenfunktionsdiagnostik
Verteilungsstörungen, AtmungVentilationsstörungenVentilationsstörungen:ObstruktiveVentilationsstörungen:RestriktiveLungenfunktionsdiagnostikObstruktive und restriktive Ventilationsstörungen lassen sich über Lungenfunktionsprüfungen nachweisen.
Obstruktive Störung

Typisch für eine obstruktive Störung ist die Erhöhung des Atemwegswiderstands (Resistance). Dieser kann z.B. mit dem Spirometer bestimmt werden. Auf einfachere Weise lässt sich eine Obstruktion auch mit dem Tiffeneau-Test (Bestimmung der Sekundenkapazität) nachweisen. Dabei wird mit einem Spirometer das Volumen ermittelt, das der Proband nach maximaler Inspiration in einer Sekunde ausatmen kann (Abb. 5.10a). Bei einer obstruktiven Ventilationsstörung ist die Ausatmung durch die Engstellung des Bronchialsystems beeinträchtigt, die Sekundenkapazität (= forciertes exspiratorisches Volumen in 1 Sekunde: FEV1) ist herabgesetzt. Zur besseren Vergleichbarkeit wird die Sekundenkapazität meist auf die Vitalkapazität bezogen: Liegt die Sekundenkapazität unter 70% der Vitalkapazität, kann man von einer obstruktiven Ventilationsstörung ausgehen (Abb. 5.10b).

Restriktive Ventilationsstörung

Eine restriktive Ventilationsstörung ist durch eine Verminderung der Vitalkapazität gekennzeichnet. Dabei ist zu bedenken, dass die Vitalkapazität sowohl von der Dehnungsfähigkeit (Compliance) der Lunge als auch von der des Thorax abhängt. Eine restriktive Ventilationsstörung mit Einschränkung der Vitalkapazität kann also thorakale oder pulmonale Ursachen haben. Neben der Vitalkapazität ist aufgrund der generell eingeschränkten Lungenkapazität bei restriktiven Störungen auch das Residualvolumen der Lungen vermindert.

Der Atemgrenzwert ist das Atemzeitvolumen bei willkürlich maximal gesteigerter Atmung. Er wird über 10 Sekunden bestimmt. Während dieser Zeit atmet der Proband mit einer Atemfrequenz von 40–60/min am Spirometer. Beim Erwachsenen liegt der Atemgrenzwert um 150 l/min. Sowohl bei restriktiven als auch bei obstruktiven Ventilationsstörungen ist er vermindert.Obstruktive Störung Eine Zusammenfassung der Veränderungen bei obstruktiven und restriktiven Ventilationsstörungen gibt Tab. 5.2.

Merke

Wichtig, vor allem auch für die Klinik:

  • Obstruktive Ventilationsstörung: Resistance↑, FEV1 ↑ (z. B. Asthma, chronisch obstruktive Lungenerkrankung)

  • Restriktive Ventilationsstörung: Vitalkapazität↓ (z. B. Lungenfibrose, Skoliose)

Atemgastransport im Blut

Grundlagen

Im Blut Ventilationsstörungen:RestriktiveAtemgastransportwerden die Atemgase z. T. physikalisch gelöst, z. T. chemisch gebunden an Hämoglobin oder andere Substanzen transportiert. Die physikalische Löslichkeit wird von den Löslichkeitsgesetzen beschrieben. Die chemische Bindung beruht auf den speziellen Eigenschaften des Sauerstoffträgers Hämoglobin.
Löslichkeitsgesetze von Gasen im Blut
Henry-Dalton-Gesetz
Für die Henry-Dalton-GesetzLöslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit gilt das Henry-Dalton-Gesetz, wonach die Konzentration eines Gases (cGas) in einer Flüssigkeit dem Partialdruck des Gases über der Flüssigkeitsschicht proportional ist:
α ist dabei der Bunsen-Löslichkeitskoeffizient, der für die einzelnen Gase und Flüssigkeiten jeweils spezifisch ist. Der Löslichkeitskoeffizient gibt an, wie viel Milliliter Gas bei einem Partialdruck von 1 atm (= 760 mmHg = 101 kPa) in 1 ml Flüssigkeit gelöst sind. Für CO2 im Blut liegt er mit 0,49 etwa 20-mal höher als für O2 (0,028).
BeispielArterielles Blut mit einem O2-Partialdruck von 90 mmHg enthält 90 × 0,028/760 = 0,003 ml O2 pro ml Blut in physikalischer Lösung. Die physikalisch gelöste CO2-Menge beträgt dagegen 40 × 0,49/760 = 0,026 ml/ml Blut. Trotz niedrigeren CO2-Partialdrucks ist aufgrund der höheren Löslichkeit von CO2 etwa 9-mal mehr CO2 als O2 physikalisch im Plasma gelöst.
Funktioneller Aufbau des Hämoglobins
HämoglobinHämoglobin:Funktioneller AufbauHämoglobin ist ein Protein, das aus 4 Polypeptidketten besteht. Jede der 4 Ketten des Hämoglobintetramers enthält eine Häm-Gruppe mit einem Eisenatom im Zentrum. An jedes dieser 4 Eisenatome kann sich ein Sauerstoffmolekül reversibel anlagern, ohne dass das Eisen dabei oxidiert wird.
Oxygenierung und Oxidation
Während Hämoglobin:OxygenierungHämoglobin:Oxidationdie physiologische, reversible Sauerstoffanlagerung als Oxygenierung bezeichnet wird, kann unter dem Einfluss von bestimmten Giftstoffen auch eine echte, irreversible Oxidation des Eisenatoms stattfinden. Durch eine solche Oxidation entsteht Hämiglobin (= Methämoglobin), das den irreversibel gebundenen Sauerstoff im Gewebe nicht mehr abgeben kann.
Hämoglobinformen
Die 4 HämoglobinformenPolypeptidketten, die den Globinanteil des Hämoglobins bilden, gehören beim Erwachsenen 2 verschiedenen Familien an: α-Ketten (141 Aminosäuren) und β-Ketten (146 Aminosäuren). Normales Erwachsenenhämoglobin (HbA) besteht aus jeweils 2 α- und 2 β-Ketten: HbAα2β2. Das bis zum 2. Embryonalmonat gebildete embryonale Hämoglobin (HbE) enthält anstelle der β-Ketten 2 ε-Ketten. Anschließend wird fetales Hämoglobin (HbF) gebildet, das anstelle der β-Ketten 2 γ-Ketten enthält. Das Neugeborene verfügt bei der Geburt noch über 70–90 % fetales Hämoglobin, das eine höhere Sauerstoffaffinität als adultes Hämoglobin aufweist (Kap. 4.7.1.1).

Klinik

Bei der ThalassämieThalassämie (Mittelmeeranämie) werden durch Genmutationen nicht genügend α- oder β-Ketten produziert. Häufigste Form ist die β-Thalassämie. Bei der homozygoten Form (Thalassaemia major) kann kein HbA1 gebildet werden. Die Erythrozyten sind empfindlich, hämolysieren früher und werden in der Milz rasch abgebaut. Es entsteht eine ausgeprägte Anämie. Die Therapie besteht in regelmäßigen Bluttransfusionen und einer begleitenden eisenausschleusenden Therapie mit Chelaten zur Reduktion der transfusionsbedingten Eisenüberladung.

Der SichelzellanämieSichelzellanämie liegt eine Punktmutation zugrunde. Dadurch wird eine falsche Aminosäure (Valin statt Glutamat) in das Hämoglobin eingebaut: HbS. In seiner desoxygenierten Form neigt HbS zur Aggregation. Die Erythrozyten nehmen dann eine sichelförmige Form an, können kleine Gefäße verstopfen und werden ebenfalls früh abgebaut. Die Betroffenen leiden unter anfallsartigen, schmerzhaften Durchblutungsstörungen: Sichelzellkrisen.

Heterozygote Träger der Thalassämie- oder Sichelzellmutationen verfügen über einen besseren Schutz gegenüber Malariainfektionen. Deshalb blieben diese Mutationen trotz der schweren Erkrankungen bei homozygoten Trägern im Genpool der Bevölkerung von aktuellen oder ehemaligen Malariagebieten erhalten.

Sauerstofftransport im Blut

Bindung an den Sauerstoffträger
Hämoglobin

Der größte Teil des im Blut transportierten Sauerstoffs ist reversibel an das Hämoglobin angelagert. Nur 1–1,5% des Sauerstoffs im arteriellen Blut liegen in physikalischer Lösung vor. Durch den tetrameren Aufbau des Hämoglobins kann jedes Hämoglobinmolekül 4 Moleküle O2 binden.

Hüfner-Zahl
Sauerstofftransport Hämoglobin

Hieraus ergibt sich unter Berücksichtigung der molaren Masse von Hämoglobin (64.000g/mol) und des Volumens von 4mol O2 (= 4 × 22,4l; O2 ist ein ideales Gas), dass 1g Hämoglobin in vitro 1,39ml O2 binden kann. Da im Organismus nicht das gesamte Hämoglobin „bindungsfähig“ vorliegt, ergibt sich in vivo eine etwas geringere Sauerstoffbindung von 1,34ml/g Hämoglobin (Hüfner-Zahl). Bei einem durchschnittlichen Hämoglobingehalt des Blutes von 150g/l erhält man eine O2-Bindungskapazität des Blutes von ∼200ml/l Blut. Pro Liter Blut sind also bis zu 200ml O2 an Hämoglobin gebunden und nur ∼3ml physikalisch gelöst.

Sauerstoffsättigung

Unter normalen Bedingungen liegt jedoch nicht alles Hämoglobin in oxygenierter Form vor. Der Grad der Oxygenierung hängt vom O2-Partialdruck im Blut ab, der meist in einem relativen Maß, als Verhältnis von oxygeniertem Hämoglobin zum Gesamthämoglobin angegeben wird: Sauerstoffsättigung [%]. Trägt man diese Sauerstoffsättigung gegen den O2-Partialdruck auf, erhält man die S-förmige O2-Bindungskurve des Hämoglobins (Abb. 5.11).

Myoglobin
Skelett- SauerstoffsättigungMyoglobinund Herzmuskelgewebe verfügen über einen eigenen O2-Träger, das Myoglobin (Kap. 5.9.1.2). Der Unterschied zwischen den Sauerstoffbindungskurven von Hämoglobin und Myoglobin (Abb. 5.11) erklärt sich aus dem unterschiedlichen Aufbau dieser beiden Sauerstoffträgermoleküle. Myoglobin kann nur ein Sauerstoffmolekül binden, es ähnelt in seinem Gesamtaufbau einer Untereinheit des Hämoglobins. Seine Reaktionskinetik mit Sauerstoff folgt einem hyperbelförmigen Verlauf, d. h., mit zunehmender Sauerstoffsättigung des Myoglobins sinkt die O2-Affinität rasch ab. Insbesondere im Bereich mittlerer O2-Partialdrücke geht die O2-Affinität deutlich zurück.
S-förmiger Kurvenverlauf
Kooperativer Effekt
Die Kooperativer EffektReaktionskinetik von Hämoglobin mit Sauerstoff zeigt einen S-förmigen Verlauf, mit einer weitgehend linearen Abhängigkeit von O2-Partialdruck und Sauerstoffsättigung in einem mittleren O2-Partialdruckbereich zwischen 20 und 40 mmHg. In diesem Bereich nimmt also die Sauerstoffaffinität bei zusätzlicher Sättigung nicht ab, wie bei einer klassischen Sättigungskinetik zu erwarten wäre. Die Ursache für diesen flachen Verlauf der Sauerstoffbindungskurve liegt im kooperativen Effekt des tetrameren Hämoglobinmoleküls: Die Bindung des ersten O2-Moleküls erleichtert die Bindung der weiteren O2-Moleküle.
T- und R-Struktur
Ursache T- und R-Strukturdes kooperativen Effekts ist eine Änderung der molekularen Konfiguration des Hämoglobins nach der Bindung von O2. Desoxygeniertes Hämoglobin liegt in einer weniger sauerstoffaffinen T-Struktur (tense) vor. Durch Anlagerung des ersten O2-Moleküls werden nichtkovalente Bindungen in der T-Struktur gelöst, sodass diese in eine „entspanntere“ R-Struktur (relaxed) übergeht. Die R-Struktur des Hämoglobins weist eine etwa 70-mal höhere O2-Affinität auf, sodass in einem mittleren pO2-Bereich trotz steigender O2-Beladung die O2-Affinität nicht abnimmt.
Sauerstoffabgabe
Der Sauerstoffabgabelineare, steile Verlauf der Sauerstoffbindungskurve bei mittleren Partialdrücken ist besonders für die Regulation der Sauerstoffabgabe im venösen Kapillarbereich vorteilhaft: Dort herrschen in körperlicher Ruhe O2-Partialdrücke von 40 mmHg. Sinkt der O2-Partialdruck durch erhöhten Sauerstoffverbrauch weiter ab, geht auch die Sauerstoffsättigung deutlich zurück (Abb. 5.11): Es wird mehr Sauerstoff ans Gewebe abgegeben, als es nach der Bindungskinetik des Myoglobins der Fall wäre.
Sauerstoffaufnahme
Der Sauerstoffaufnahmeflache Teil der Sauerstoffbindungskurve bei hohen O2-Partialdrücken ist dagegen für die Sauerstoffaufnahme in der Lunge von Vorteil. Durch die praktisch gleichbleibend hohe Sauerstoffsättigung bei O2-Partialdrücken zwischen 100 und 80 mmHg wird in diesem Bereich trotz eines Absinkens des in der Lunge erreichten O2-Partialdrucks (etwa durch Lungenfunktionsstörungen) noch eine gleichbleibend hohe Sauerstoffsättigung des Hämoglobins gewährleistet.

Merke

S-förmiger Verlauf der O2-Bindungskurve durch kooperativen Effekt des tetrameren Hämoglobinmoleküls.

Beeinflussung der Sauerstoffbindungskurve
Rechtsverschiebung

Eine Reihe von Faktoren kann die Sauerstoffbindungskapazität des Hämoglobins beeinflussen, was sich in einer Verschiebung der O2-Bindungskurve zeigt. Dabei führt eine sinkende Sauerstoffaffinität, d.h. eine leichtere Sauerstoffabgabe, zu einer Rechtsverschiebung der O2-Bindungskurve. Bei der rechtsverschobenen O2-Bindungskurve liegt die O2-Sättigung im Vergleich zur normalen O2-Bindungskurve bei gleichen O2-Partialdrücken niedriger: Das Hämoglobin besitzt eine geringere O2-Affinität. Das bedeutet umgekehrt, dass bei gleichem O2-Partialdruck mehr O2 in die Gewebe abgegeben wird: erleichterte Sauerstoffabgabe. Eine solche Rechtsverschiebung tritt folgerichtig dann auf, wenn die Gewebe einen erhöhten Sauerstoffbedarf haben:

  • Anstieg der CO2- oder der H+-Ionen-Konzentration, d.h. Abfall des pH. Bei respiratorisch bedingtem Abfall des pH-Werts im Blut (durch CO2-Anstieg) wird die O2-Bindungskurve stärker nach rechts verschoben als bei einer erhöhten H+-Ionen-Konzentration allein, da in diesem Fall die erhöhten Konzentrationen von CO2 und H+ unabhängig voneinander die Sauerstoffaffinität des Hämoglobins vermindern.

  • Erhöhte Körpertemperatur.

  • Erhöhte Blutspiegel von 2,3-Diphosphoglycerol (2,3-DPG): Diese Substanz wird von den Erythrozyten bei Sauerstoffmangel (z. B. durch Anämie oder Höhenaufenthalt) vermehrt gebildet.

Linksverschiebung

Bei gegenläufigen Veränderungen von CO2, H+ (pH), Temperatur oder 2,3-DPG-Gehalt des Blutes tritt entsprechend eine Linksverschiebung der O2-Bindungskurve mit vermehrter Sauerstoffaffinität des Hämoglobins und erschwerter O2-Abgabe auf (Abb. 5.12).

O2-Halbsättigungsdruck

Ein Maß für die Lage der O2-Bindungskurve ist der O2-Halbsättigungsdruck: P50. Er ist definiert als derjenige O2-Partialdruck, der für eine 50-prozentige O2-Sättigung des Hämoglobins erforderlich ist. Der P50 nimmt bei einer Rechtsverschiebung der O2-Bindungskurve zu und bei einer Linksverschiebung ab (Abb. 5.12).

Merke

Rechtsverschiebung = erleichterte O2-Abgabe:

  • CO2↑, H+↑, 2,3-DPG↑, Temperatur↑sauerstoffbindungskurve:Linksverschiebung

  • Linksverschiebung = erschwerte O2-Abgabe

  • CO2↓, H+↓, 2,3-DPG↓, Temperatur↓

Bohr-Effekt
Die sauerstoffbindungskurve:O2-HalbsättigungsdruckBohr-EffektAbhängigkeit der Sauerstoffbindungskurve vom CO2- und H+-Ionen-Gehalt des Blutes wird als Bohr-Effekt bezeichnet. Dieser Bohr-Effekt erleichtert die Sauerstoffaufnahme in der Lunge, da mit ventilationsbedingt abnehmendem CO2-Gehalt in den Lungenkapillaren die Sauerstoffaffinität des Hämoglobins steigt: Linksverschiebung der O2-Bindungskurve.
Umgekehrt erleichtert der Bohr-Effekt die Sauerstoffabgabe im Gewebe, da hier durch die ansteigenden CO2-Werte des kapillären Blutes die Sauerstoffaffinität des Hämoglobins gesenkt wird: Rechtsverschiebung der O2-Bindungskurve.

Merke

Bohr-Effekt: Abhängigkeit der O2-Affinität von pH-Wert und pCO2:

  • Leichtere O2-Aufnahme in der Lunge

  • Leichtere O2-Abgabe im Gewebe

Arteriovenöse Sauerstoffdifferenz
Sauerstoffgehalt

Die Sauerstoffsättigung im arteriellen Blut (pO2 art = 100mmHg) liegt bei etwa 97%, im venösen Blut (pO2 ven = 40mmHg) noch bei 73% (Abb. 5.11). Unter Verwendung der Hüfner-Zahl liegt der Sauerstoffgehalt im arteriellen Blut daher bei einem normalen Hämoglobinwert von 150g/l Blut (O2 art) bei:

Für den Sauerstoffgehalt im venösen Blut gilt entsprechend:

Sauerstoffausschöpfung
Vom Sauerstoffgehalt des arteriellen Blutes von 0,20 l O2/l Blut werden vom Organismus bis zum Erreichen des venösen Sauerstoffgehalts von 0,15 l O2/l Blut insgesamt also nur rund 0,05 l O2/l Blut, d. h. nur 25 % verbraucht. Diese Sauerstoffausschöpfung des arteriellen Blutes wird als arteriovenöse O2-Differenz (avDO2) bezeichnet und liegt in Ruhe im venösen Mischblut bei 0,05. Bei starker körperlicher Arbeit werden bis zu 0,15 l O2/l Blut von den Geweben verbraucht, sodass ein avDO2 von 0,15 resultiert.Sauerstoffdifferenz, arteriovenös

Die regionale Sauerstoffausschöpfung, d.h. die regionale avDO2, kann je nach Sauerstoffverbrauch des Gewebes sehr unterschiedlich sein (Tab. 5.3).

Inaktiviertes Hämoglobin: (Hb)CO
Hämoglobin:InaktiviertesKohlenmonoxid, das bei unvollständigen Verbrennungsprozessen entsteht, hat eine etwa 200-mal höhere Affinität zu den Häm-Gruppen des Hämoglobins als Sauerstoff, d. h., die CO-Bindungskurve für Hämoglobin verläuft viel steiler als die O2-Bindungskurve. Dadurch werden schon bei niedrigen CO-Konzentrationen in der Atemluft viele Hämoglobinmoleküle vom Kohlenmonoxid besetzt und stehen dem Sauerstofftransport nicht mehr zur Verfügung. Unter Normalbedingungen liegt der (Hb)CO-Anteil im Blut bei 1 %, bei Rauchern kann er bis auf 10 % (Hb)CO ansteigen.

Klinik

Eine Kohlenmonoxidvergiftung ist an der kirschroten Farbe des Blutes erkennbar. Durch die Blockierung des Hämoglobins ist der Sauerstoffaustausch im Gewebe eingeschränkt, wodurch hypoxische Schädigungen entstehen. Therapie der Wahl ist die Beatmung mit reinem Sauerstoff: Der O2-Partialdruck wird in der Alveolarluft und damit auch im arteriellen Blut erhöht und CO auf diese Weise aus seiner Hämoglobinbindung verdrängt. Zu beachten ist, dass bei CO-Vergifteten der O2-Partialdruck im arteriellen Blut normal ist, da dieser durch die physikalisch im Blut gelöste Menge aufgebaut wird und von den CO-bedingten Veränderungen im Erythrozyten nicht beeinflusst wird. Dagegen ist der gemischt-venöse pO2 erniedrigt, da der Körper vermehrt versucht, das physikalisch gelöste O2 zu extrahieren.

Die O2-Konzentration im arteriellen Blut, als Summe von physikalisch und chemisch gelöstem O2, ist erniedrigt. Die O2-Konzentrationsdifferenz zwischen arteriellem und venösem Blut bleibt trotzdem im Wesentlichen gleich, da das vermehrt extrahierte physikalisch gelöste O2 im Verhältnis zur Gesamtkonzentration kaum ins Gewicht fällt.

Merke

CO-Vergiftung:

  • Normaler arterieller pO2

  • Erniedrigter gemischt-venöser pO2

Oxidiertes Hämoglobin: Methämoglobin
Wird das MethämoglobinHämoglobin:Oxidierteszweiwertige Eisen des Hämoglobins zu dreiwertigem Eisen oxidiert (z. B. durch Nitrit) so entsteht Methämoglobin (Hämiglobin), das keinen Sauerstoff mehr transportieren kann. Unter normalen Bedingungen liegen nie mehr als 1–2 % des Hämoglobins als Hämiglobin vor, da eine im Erythrozyten lokalisierte NADH-abhängige Methämoglobinreduktase oxidiertes Hämiglobin stets wieder in normales Hämoglobin umwandelt.

Klinik

Säuglinge, deren Methämoglobinreduktase noch nicht ausgereift ist, sind gegenüber Methämoglobin bildenden

Substanzen besonders empfindlich. Die im Trinkwasser maximal zulässige Nitritmenge von weniger als 0,1mg Nitrit/l ist allerdings ungefährlich. Gesundheitsgefahren entstehen erst dann, wenn aufgrund unhygienischer Nahrungszubereitung Bakterien das im Trinkwasser ebenfalls enthaltene Nitrat (Grenzwert: < 50mg/l) reduzieren und so vermehrt Nitrit gebildet wird.

CO2-Transport im Blut

CO2-Transportformen
Während CO2-TransportformenSauerstoff im Blut fast ausschließlich an Hämoglobin gebunden transportiert wird, sind für den CO2-Transport 3 Transportformen wichtig:
Physikalische Lösung

10% des CO2 werden physikalisch im Blut gelöst transportiert. Dabei gilt das Henry-Dalton-Gesetz (Kap. 5.6.1.1, Gleichung [26]). Vorteilhaft ist hierbei der hohe Löslichkeitskoeffizient von CO2 im Blut.

Chemische Bindung an Hämoglobin

Weitere 10% des CO2 gehen eine direkte Verbindung mit Aminogruppen des Hämoglobinmoleküls ein. Dabei entsteht Carbamino-Hämoglobin. Pro gebundenem CO2-Molekül wird ein Proton freigesetzt:

Chemische Umsetzung zu HCO3

80% des CO2 werden nach chemischer Umsetzung als HCO3 (Bicarbonat) im Blut gelöst transportiert. Zunächst reagiert CO2 mit Wasser zu Kohlensäure (Hydratation):

Im Plasma verläuft diese Reaktion langsam, im Erythrozyten unter dem Einfluss des Enzyms Carboanhydrase etwa 10.000-mal schneller. Die entstehende Kohlensäure dissoziiert spontan in Bicarbonat und ein Proton:

Dieses HCO3 verlässt den Erythrozyten zum größten Teil wieder in Richtung Plasma, aus Gründen der Elektroneutralität im Austausch gegen Chlorid-Ionen. Dieser Austausch wird als Hamburger-Shift bezeichnet (Abb. 5.13). Die entstehenden Protonen werden vom Hämoglobin gepuffert. Letztlich gelangen 45 % des produzierten HCO3 ins Plasma, 35 % verbleiben im Erythrozyten.

Merke

CO2-Transport:

  • 10 % physikalisch gelöst

  • 10 % Carbamino-Verbindungen

  • 80 % als Bicarbonat (45 % im Plasma, 35 % in den Erythrozyten)

CO2-Bindungskurve
Wie für CO2-BindungskurveSauerstoff lässt sich auch für CO2 eine Bindungskurve erstellen, bei der die CO2-Konzentration im Blut gegen die CO2-Partialdrücke aufgetragen wird. Dabei erhält man für oxygeniertes und desoxygeniertes Blut jeweils eine unterschiedliche Bindungskurve. Die CO2-Bindungskurve zeigt (im Gegensatz zur O2-Bindungskurve) keine Sättigungskinetik (Abb. 5.14).

Merke

  • O2-Bindung ist sättigbar: Abszisse = % der O2-Sättigung

  • CO2-Bindung ist nicht sättigbar: Abszisse = CO2-Konzentration

Haldane-Effekt
Die CO2-Haldane-EffektBindungskapazität von desoxygeniertem Hämoglobin ist höher: linksverschobene CO2-Bindungskurve. Diese höhere CO2-Bindungskapazität von desoxygeniertem Hämoglobin erklärt sich aus der besseren Pufferkapazität von desoxygeniertem Hämoglobin für die bei der Bicarbonatbildung anfallenden Protonen. Dadurch kann mehr CO2 in Form von Bicarbonat im Blut transportiert werden. Auch kann desoxygeniertes Hämoglobin CO2 leichter als Carbamino-Hämoglobin binden, was ebenfalls die CO2-Transportkapazität erhöht. Diese Abhängigkeit der CO2-Transportkapazität vom Oxygenierungsgrad des Hämoglobins wird als (Christiansen-Douglas-)Haldane-Effekt bezeichnet. Die physiologische Bedeutung des Haldane-Effekts besteht darin, dass er am venösen Ende des Kapillarschenkels, wo das Hämoglobin überwiegend desoxygeniert vorliegt, die CO2-Aufnahme ins Blut erleichtert.
Physiologische CO2-Bindungskurve
Als CO2-Bindungskurve:Physiologischephysiologische oder effektive CO2-Bindungskurve bezeichnet man die Kurvenstrecke zwischen den pCO2-Werten für arterielles und denen für venöses Blut (Strecke zwischen a und v in Abb. 5.14).

Merke

Haldane-Effekt: Abhängigkeit der CO2-Bindungskapazität vom Oxygenierungsgrad des Hämoglobins:

  • Leichtere CO2-Aufnahme im Gewebe

  • Leichtere CO2-Abgabe in der Lunge

Atmungsregulation

Atemzentren und Atemreize

Neuronengruppen in der Medulla oblongata
Ventrale respiratorische Gruppe

Die Atmung wird zentral über ein neuronales Netzwerk in der Medulla oblongata gesteuert. Der Atemrhythmus entsteht im Atemzentrum, das von Neuronen der ventralen respiratorischen Gruppe (VRG) im Bereich des Nucleus ambiguus gebildet wird (Abb. 5.15). In unmittelbarer Nachbarschaft liegen auch die zentralen chemosensiblen Areale und die sympathischen und parasympathischen Neurone (N. vagus) zur Steuerung des Herz-Kreislauf-Systems. Es bestehen hier enge Verknüpfungen zwischen kardialen und respiratorischen Neuronengruppen. So führt die Inspiration zu einer Aktivierung des Sympathikus, die Ausatmung aktiviert den Parasympathikus. Dies erklärt die respiratorische Arrhythmie, also den Anstieg der Herzfrequenz bei Inspiration und den Frequenzabfall in der Exspiration.

Die Medulla oblongata\t \"Siehe AtemzentrenMedulla oblongata:Ventrale respiratorische GruppeAtemzentrenAtemreizerespiratorischen Neurone der VRG haben selbst keine Schrittmachereigenschaften. Sie erzeugen den Atemrhythmus durch die Integration von erregenden und hemmenden Zuflüssen aus der Formatio reticularis und chemosensiblen Arealen.
Dorsale respiratorische Gruppe
Außer der Medulla oblongata:Dorsale respiratorische Gruppeventralen existiert noch eine dorsale respiratorische Gruppe (DRG) neben dem Nucleus tractus solitarii, die nicht der Rhythmogenese dient, sondern die Atemreflexe steuert. Sie erhält afferente Impulse aus den Atem- und Kreislauforganen (Abb. 5.15).
Atmungskontrolle und Atmungsantrieb
Reflektorische Kontrolle
Hering-Breuer-Reflex
Hering-Breuer-ReflexAtmungskontrolleAtmungskontrolle:ReflektorischeDehnungsrezeptoren im Lungenparenchym melden den jeweiligen Dehnungszustand der Lunge über den N. vagus an die dorsale respiratorische Gruppe. Bei zunehmender Dehnung der Lunge wird die Inspiration gestoppt, bei Erschlaffung der Lunge eine Inspiration eingeleitet. Auf diese Weise wird die Amplitude der Atemexkursionen reflektorisch begrenzt.
Muskeleigenreflexe
Auch die Muskeleigenreflexe der Atemmuskulatur, die über die Muskelspindeln gesteuert werden (Kap. 15.2.4), kontrollieren reflektorisch die Atemexkursionen des Thorax.
Chemische Kontrolle
Periphere Atmungskontrolle:ChemischeChemorezeptoren im Glomus caroticum und in den Glomera aortica informieren das Atemzentrum über die CO2-, O2- und H+-Ionen-Konzentrationen im Blut. Diese Afferenzen laufen über den N. glossopharyngeus (R. sinus carotici) und den N. vagus und ziehen zum Nucleus tractus solitarii im Hirnstamm. Daneben existieren zentrale chemosensible Areale an der ventralen Oberfläche des Hirnstamms (Abb. 5.15).
Während die O2-Konzentrationsänderungen überwiegend durch die peripheren Chemorezeptoren erfasst werden, registrieren die zentralen chemosensiblen Areale vor allem Änderungen der CO2- und H+-Ionen-Konzentration in der Extrazellularflüssigkeit des Hirnstamms.
CO2-Partialdruck

Unter Normalbedingungen steht der Einfluss des CO2-Partialdrucks auf den Atemantrieb im Vordergrund: Ein Anstieg vergrößert das Atemzugvolumen und erhöht die Atemfrequenz. Ab einem CO2-Partialdruck von etwa 70mmHg nimmt jedoch das Atemzeitvolumen wieder ab, da CO2 in dieser hohen Konzentration das Atemzentrum lähmt (Abb. 5.16a).

H+-Ionen-Konzentration
Eine Erhöhung der H+-Ionen-Konzentration wirkt atemstimulierend. Auch ein Abfall des O2-Partialdrucks, z. B. bei Höhenaufenthalt, führt zu einer gesteigerten Atmung. Da hierbei vermehrt CO2 abgeatmet wird, steigt der Atemantrieb unter physiologischen Bedingungen insgesamt nicht so stark. Erst wenn der CO2-Partialdruck künstlich konstant gehalten wird, zeigt sich die volle Wirkung von sinkendem pH-Wert und pO2 (Abb. 5.16).

Klinik

Unter normalen Bedingungen überwiegt der CO2-Antrieb auf die Atmung. Bei Erkrankungen, die mit einer chronischen Erhöhung des pCO2 einhergehen (z.B. chronisch obstruktive Lungenerkrankungen), wird jedoch auch der O2-Atemantrieb wichtig, weil durch die chronisch erhöhten CO2-Partialdrücke der CO2-Antrieb zunehmend inaktiviert wird und der O2-Antrieb so als einziger Atemstimulus verbleibt. Gibt man in diesen Fällen ohne Kontrolle Sauerstoff, kann durch den Wegfall des letzten Atemantriebs ein Atemstillstand eintreten.

Merke

Drei Atmungsantriebe: CO2↑, H+↑, O2

Sonstige Atmungsantriebe
Neben diesen 3Atmungsantriebe klassischen Atmungsantrieben (pCO2, H+-Ionen, pO2) lassen sich noch eine Reihe unspezifischer Atemantriebe identifizieren (Abb. 5.17). So führen
  • Fieber,

  • geringe Hypothermie,

  • Schmerz,

  • Adrenalin und

  • Progesteron (Schwangerschaft)

zu einer Vertiefung der Atmung. Eine Erhöhung des arteriellen Blutdrucks hat dagegen eine Verminderung von Atemtiefe und Atemfrequenz zur Folge.

Normale und pathologische Atmungsformen

Beschreibung der Atmungsformen

Zur Charakterisierung der Atemfunktion sind die folgenden Begriffe gebräuchlich:

  • EupnoeEupnoe: normale Ruheatmung

  • HyperpnoeHyperpnoe: erhöhtes Atemzugvolumen bei normaler Atemfrequenz

  • HypopnoeHypopnoe: erniedrigtes Atemzugvolumen bei normaler Atemfrequenz

  • TachypnoeTachypnoe: gesteigerte Atemfrequenz

  • BradypnoeBradypnoe: verminderte Atemfrequenz

  • ApnoeApnoe: Atemstillstand

  • DyspnoeDyspnoe: erschwerte Atmung mit dem subjektiven Gefühl der Luftnot

  • OrthopnoeOrthopnoe: starke Dyspnoe, die den Patienten zum aufrechten Sitzen zwingt

  • HyperventilationHyperventilation: Steigerung der alveolären Ventilation, die über die jeweiligen Stoffwechselbedürfnisse hinausgeht: pCO2 < 40 mmHg = HypokapnieHypokapnie. Die Hypokapnie tritt auf, weil das Atemzugvolumen ansteigt und hierdurch der Anteil der Totraumventilation relativ ab nimmt, sodass die Alveolen vermehrt belüftet werden. Ein Anstieg der Atemfrequenz allein (Tachypnoe) führt dagegen nicht zu einer vermehrten alveolären Ventilation und daher auch zu keinem Abfall des CO2.

  • HypoventilationHypoventilation: Rückgang der alveolären Ventilation unter die Stoffwechselbedürfnisse: pCO2 > 40 mmHg: HyperkapnieHyperkapnie

  • Mehrventilation: einfache Steigerung der alveolären Ventilation, entsprechend den gesteigerten Bedürfnissen, z. B. bei Muskelarbeit

Pathologische Atmungsformen
Von der AtmungsformenAtmungsformen:Pathologischenormalen Ruheatmung lassen sich eine Reihe pathologischer Atmungsformen abgrenzen, die meist Symptom einer Allgemeinerkrankung sind (Abb. 5.18).
Cheyne-Stokes-Atmung
Eine Atempause Cheyne-Stokes-Atmungtritt nach wenigen, immer schwächer werdenden Atemzügen auf. Die Cheyne-Stokes-Atmung kann beim Schlaf in großer Höhe (Hypoxie), aber auch bei einer Schädigung des Atemzentrums (z. B. durch Schlaganfall) auftreten.
Biot-Atmung
Eine Reihe Biot-Atmunggleichmäßig tiefer Atemzüge wird von plötzlich auftretenden Pausen unterbrochen. Die Biot-Atmung wird bei Hirnverletzungen oder erhöhtem Hirndruck beobachtet.
Kussmaul-Atmung
Die „große“ Kussmaul-AtmungKussmaul-Atmung ist eine vertiefte und beschleunigte Atmung, wie sie typischerweise bei der nichtrespiratorischen (metabolischen) Azidose eines entgleisten Diabetes mellitus auftritt. Durch die vertiefte Atmung versucht der Körper, vermehrt CO2 abzuatmen, um so die metabolische Azidose respiratorisch zu kompensieren.

Atmung unter speziellen Bedingungen

Höhenphysiologie

Luftdruck und Sauerstoffpartialdruck

Mit zunehmender Höhe nehmen Luftdruck und Sauerstoffpartialdruck ab (Tab. 5.4). Dabei berechnen sich inspiratorischer und alveolärer O2-Partialdruck nach dem Dalton-Gesetz (Kap. 5.6.1.1) als Anteil des Sauerstoffs am Gesamtdruck der Atmosphäre. Beim alveolären O2-Partialdruck ist dabei zu berücksichtigen, dass vom Atmosphärendruck noch der Wasserdampfdruck in den Alveolen von 47mmHg abzuziehen ist (Gleichung [21]). Auf dem Mount Everest ergibt sich z.B.:

  • Inspiratorischer O2-Partialdruck: 0,21 (fraktionelle O2-Konzentration in der Atmosphäre) × 210 mmHg = 44,1 mmHg

  • Alveolärer O2-Partialdruck: 0,14 (fraktionelle O2-Konzentration in den Alveolen) × (210–47 mmHg) = 22,8 mmHg

Alveolärer Sauerstoffverbrauch und alveoläre Ventilation als Faktoren, die den alveolären Sauerstoffpartialdruck beeinflussen (Kap. 5.5.1.3), sind dabei nicht berücksichtigt.

Höhenumstellung
Kurzfristige HöhenphysiologieHöhenumstellungAnpassungsversuche des Organismus an den niedrigen O2-Partialdruck werden als Höhenumstellung bezeichnet. Hierbei treten die folgende Veränderungen auf:
  • Leichte Hyperventilation in Ruhe (bei 5.000 m plus 10 %), starke Hyperventilation bei körperlicher Belastung.

  • Die Hyperventilation verursacht eine respiratorische Alkalose mit Linksverschiebung der O2-Bindungskurve. Die Sauerstoffaufnahme in der Lunge wird begünstigt, die Sauerstoffabgabe im Gewebe jedoch erschwert.

  • Die O2-Partialdruckdifferenz zwischen Alveolarraum und arteriellem Blut steigt bei körperlicher Arbeit stark an. Dadurch sinkt die maximal mögliche körperliche Leistung mit zunehmender Höhe (in 2.000 m um 10 %).

  • Die Pulsfrequenz nimmt zu.

  • Der Druck in der A. pulmonalis steigt. Verantwortlich hierfür ist wahrscheinlich die pulmonale Vasokonstriktion bei Sauerstoffmangel (Euler-Liljestrand-Mechanismus, Kap. 5.5.3.1).

Höhenakklimatisation
Bei andauerndemHöhenakklimatisation Höhenaufenthalt (Tage bis Monate) kommt es zur Höhenakklimatisation. Hierbei werden längerfristige Adaptationsmechanismen ausgebildet:
  • Erythropoetin bewirkt eine Erythrozytenneubildung, d. h., Erythrozytenzahl und Hämoglobingehalt des Blutes steigen. Dabei können Hämoglobinwerte bis 25 g/dl erreicht werden. Durch diesen Hämoglobinanstieg kann der Sauerstofftransport bis auf Höhen von etwa 5.000 m konstant gehalten werden.

  • Der 2,3-DPG-Gehalt der Erythrozyten nimmt zu. Dadurch wird die Sauerstoffbindungskurve nach rechts verschoben, was der durch die respiratorische Alkalose bewirkten Linksverschiebung entgegenwirkt.

  • Die Niere scheidet zur Kompensation der respiratorischen Alkalose vermehrt Bicarbonat aus.

  • Die Kapillarisierung der Muskulatur nimmt zu.

  • Die Ruhepulsfrequenz kehrt in den Normalbereich zurück.

Höhenkrankheit
Misslingt die HöhenkrankheitHöhenadaptation, bildet sich die Höhenkrankheit aus. Dabei unterscheidet man die akute von der chronischen Höhenkrankheit.
  • Akute HöhenkrankheitHöhenkrankheit:Akute: Die akute Höhenkrankheit, die Stunden bis Tage nach der Höhenexposition auftritt, ist durch ein akutes Hirnödem und/oder ein akutes Lungenödem gekennzeichnet. Beide entstehen durch hypoxiebedingte Fehlregulation der Blutgefäße. Symptome sind Ataxie, Leistungsabfall, Höhenkopfschmerz, Verwirrtheit und Luftnot. Unter Sauerstoffgabe bildet sich die Symptomatik rasch zurück.

  • Chronische HöhenkrankheitHöhenkrankheit:Chronische: Bei der chronischen Höhenkrankheit nehmen Erythrozytenzahl und Hämatokrit übermäßig stark zu, der pulmonalarterielle Druck steigt stärker als bei einer normalen Adaptation an. Es resultiert eine Überlastung des rechten Herzens, die über ein generalisiertes Herzversagen zum Tode führen kann.

Tauchphysiologie

Wasserdruck und Partialdrücke

Beim Tauchen steigt mit zunehmender Tauchtiefe der Wasserdruck: Pro 10 Meter Tauchtiefe erhöht sich dabei der Druck um 1 bar, in 30m Tiefe liegt er z.B. bei 4 bar (3 bar Wasserdruck + 1 bar Atmosphärendruck). Dadurch steigt auch der auf den Körper und die Gase in den Körperhöhlen einwirkende Druck. Es ergeben sich die folgenden physiologischen Konsequenzen:

  • Thorax- und Lungenvolumen nehmen druckbedingt bis zu einer Tauchtiefe von etwa 30 m ab. Danach ist die Lunge nicht weiter komprimierbar. Bei weiterem Abstieg presst daher der extrathorakale Druck zunehmend Blut in die Thoraxorgane, was zu Überdehnungsschäden an den Lungengefäßen und am Herz führen kann.

  • Kann die unter stärkeren Druck geratene Luft im Mittelohr nicht auf normalem Weg über die Eustachi-Röhre entweichen (z. B. bei Erkältungen), führt der Druckanstieg im Mittelohr zum Einriss des Trommelfells.

  • Beim Auftauchen sinkt der auf der Lunge lastende Druck ab. Dadurch geht aber auch der durch die fehlende Ventilation ohnehin schon erniedrigte alveoläre O2-Partialdruck weiter zurück. Beim Unterschreiten der Hypoxieschwelle (O2-Partialdruck von 30–35 mmHg) kann es dann zur Bewusstlosigkeit kommen.

Tauchen mit Schnorchel
Das Tauchen TauchphysiologieTauchphysiologie:WasserdruckTauchphysiologie:PartialdrückeTauchenmitTauchen:Schnorchel Schnorchel ist durch die folgenden physiologischen Besonderheiten gekennzeichnet:
  • Der intrapulmonale Druck entspricht dem atmosphärischen Druck, während der auf dem Thorax lastende hydrostatische Druck mit zunehmender Tauchtiefe steigt. Unter diesen Bedingungen ist die Atemmuskulatur schon bei einer Tiefe von 1 m zu einer ausreichenden Inspiration nicht mehr fähig.

  • Der zunehmende hydrostatische Druck auf den Thorax führt außerdem zu einer Kompression der Venen in Thorax- und Bauchraum. Dadurch sinkt der venöse Rückfluss zum Herzen, der arterielle Blutdruck geht zurück, Bewusstlosigkeit droht.

Aus diesen Gründen darf die übliche Schnorchellänge von 30–35 cm auf keinen Fall verlängert werden. Die durch eine Verlängerung bewirkte geringe Zunahme des alveolären Totraums ist dagegen für die Atmung ohne Bedeutung.
Gerätetauchen
Unter den Tauchen:GeräteBedingungen des Gerätetauchens müssen zusätzlich die folgenden physiologischen Gegebenheiten berücksichtigt werden:
  • Bei reiner Sauerstoffatmung (die lange Tauchzeiten erlaubt) treten ab etwa 7 m Tauchtiefe bei einem alveolären O2-Partialdruck von 1.300 mmHg Symptome einer akuten Sauerstoffvergiftung in Form von Übelkeit, Krämpfen und Bewusstlosigkeit auf. Ursache dieser akuten Sauerstoffvergiftung ist eine Oxidierung von Fettsäuren in den Membranstrukturen des ZNS.

  • Bei Atmung von Pressluft kann ab 30–50 m durch den im Blut gelösten Stickstoff der sog. Tiefenrausch auftreten, der durch Euphorie oder Angstzustände gekennzeichnet ist. Ursache ist eine Veränderung an der Zellmembran von Nervenzellen: Inertgasnarkose. Der Tiefenrausch kann durch die Verwendung eines Gasgemischs aus Helium und Sauerstoff vermieden werden, das Tauchtiefen bis 70 m erlaubt.

  • Bei Tauchgängen von mehr als 10 m Tiefe muss auf ein langsames Wiederauftauchen geachtet werden. Nur so können die vermehrt im Gewebe gelösten Gase (vor allem Stickstoff) dem abfallenden äußeren Druck folgend langsam wieder aus den Geweben abdiffundieren: kontrollierte Dekompression. Bei raschem Wiederauftauchen kommt es zur Gasblasenbildung im Gewebe, die vor allem durch einen Verschluss von kleinen Blutgefäßen eine Vielzahl von Krankheitserscheinungen wie Gelenkschmerzen, Lähmungen und ein Lungenödem zur Folge haben kann: Dekompressionskrankheit.

Gewebeatmung

Sauerstoffverbrauch

Aerobe und anaerobe Energiegewinnung
Die Atmung SauerstoffverbrauchGewebeatmungdient der Versorgung der Körperzellen mit Sauerstoff. In Anwesenheit von Sauerstoff können diese ihren Energiebedarf durch oxidativen Abbau von Kohlenhydraten, Fetten oder Eiweiß decken. Diese aerobe Energiegewinnung ist etwa 15-mal effektiver als die bei Sauerstoffmangel alternativ mögliche anaerobe Energiegewinnung über die Glykolyse.
Sauerstoffvorräte der Gewebe
Die meisten SauerstoffvorräteGewebe haben keine Sauerstoffspeicher und sind deshalb von der Sauerstoffversorgung über Atmung und Kreislauf vollständig abhängig.
Myoglobin
Im MuskelgewebeSauerstoffvorräte:Myoglobin steht dagegen das Myoglobin als kurzfristiger Sauerstoffspeicher zur Verfügung, der für einige Sekunden Sauerstoff liefern kann.
  • Im Myokard sichert das Myoglobin dadurch die Sauerstoffversorgung der Herzmuskelzellen während der Systole, in der die Koronardurchblutung durch die Kontraktion des Herzmuskels unterbrochen ist.

  • Im Skelettmuskel stellt das Myoglobin zu Beginn der Muskelarbeit O2 zur Verfügung, der als eingegangene Sauerstoffschuld in der Erholungsphase wieder aufgenommen wird (Kap. 6.2.3.1).

Sauerstoffangebot
Das Sauerstoffvorräte:SauerstoffangebotSauerstoffangebot in einem Organgebiet errechnet sich aus der arteriellen Sauerstoffkonzentration () und der Durchblutung ():
Sauerstoffverbrauch
Der Sauerstoffvorräte:SauerstoffverbrauchSauerstoffverbrauch errechnet sich aus dem Unterschied zwischen der Sauerstoffkonzentration im arteriellen und der im venösen Blut (), der sog. arteriovenösen Sauerstoffdifferenz (avDO2), ebenfalls mit der Durchblutung () multipliziert:
Der O2-Verbrauch der Gewebe steigt mit zunehmender und sinkt bei abnehmender Temperatur. Zwischen 20 und 40 °C Körpertemperatur nimmt bei einer Senkung der Körpertemperatur um je 10 °C der Sauerstoffbedarf um den Faktor 2–3 ab. Deshalb ist die Überlebenszeit der Gewebe bei einem Kreislaufstillstand unter niedrigen Temperaturen deutlich höher.

Klinik

Bei unterkühlten Patienten (z.B. Ertrinken in Eiswasser) sind Wiederbelebungsmaßnahmen deshalb grundsätzlich bis zur Erwärmung in der Klinik durchzuführen: No one is dead, until warm and dead.

Umgekehrt kann eine Hypothermie auch therapeutisch genutzt werden: Durch Absenkung der Körperkerntemperatur auf 32–34 °C über 24 Stunden lässt sich die Mortalität von Patienten nach erfolgreicher Reanimation bei Kammerflimmern signifikant senken. Durch die Kühlung werden die nach der ursprünglichen hypoxischen Schädigung durch die Auslösung von Entzündungskaskaden und Apoptose-Mechanismen auftretenden sekundären Zellschäden reduziert.

Sauerstoffutilisation
Die Sauerstoffvorräte:SauerstoffutilisationSauerstoffutilisation eines Gewebes ist der Anteil des Sauerstoffangebots, der tatsächlich verbraucht wurde, d. h. das Verhältnis von Sauerstoffverbrauch (Gleichung [33]) zu Sauerstoffangebot (Gleichung [32]):
Großhirnrinde, Myokard und Skelettmuskulatur verbrauchen unter Ruhebedingungen zwischen 40 und 60 % des angebotenen Sauerstoffs. Skelettmuskulatur und Myokard können unter starker körperlicher Belastung ihre Sauerstoffutilisation bis auf 90 % steigern. Gering ist die Sauerstoffutilisation z. B. in Niere und Milz, da beide Organe aufgrund ihrer Funktion erheblich stärker durchblutet werden, als für die reine Versorgung mit Sauerstoff erforderlich wäre.

Gasaustausch im Gewebe

Diffusion der Atemgase
Aus dem GasaustauschGasaustausch:GewebeKapillarblut gelangen die Atemgase über Diffusion zu den Gewebszellen. Die treibende Kraft dieser Diffusion ist dabei das Partialdruckgefälle von CO2und O2 zwischen Blut und Gewebe.
Sauerstoff
Sauerstoff erreicht mit einem Partialdruck von 95 mmHg aus den Arteriolen die Gewebskapillaren. Dieser pO2 liegt deutlich höher als der pO2 der interstitiellen Flüssigkeit mit 40 mmHg. Aus dem Interstitium diffundiert der Sauerstoff dann in die Zellen, in denen der Sauerstoffpartialdruck bei 23 mmHg liegt. Zur aeroben Energiegewinnung genügt bereits ein O2-Partialdruck von 1–3 mmHg: kritischer O2-Partialdruck in den Mitochondrien (Abb. 5.19a).
Kohlendioxid
Der Partialdruck von Kohlendioxid in den Zellen liegt bei 46 mmHg, im interstitiellen Gewebe bei 45 mmHg und im arteriellen Schenkel des Kapillarbetts bei 40 mmHg. Trotz dieses geringen Partialdruckgefälles ist der CO2-Austausch durch die 20-mal bessere Diffusionsfähigkeit von CO2 ebenso effektiv wie der Sauerstoffaustausch (Abb. 5.19b).
Kapillarisierung
Außer dem KapillarisierungPartialdruckgefälle bestimmt auch die Kapillardichte im Gewebe, wie effektiv der Gasaustausch ist. Je höher die Kapillardichte, desto größer die kapillären Austauschflächen und desto geringer die Diffusionsstrecken im Gewebe.
Die Kapillardichte lässt sich durch den Abstand der Kapillaren im Gewebeschnitt quantifizieren. Im Myokard beträgt der mittlere Kapillarabstand 25 μm, in der Hirnrinde 40 μm, im Skelettmuskel 80 μm.
Durch Neubildung von Kapillaren lässt sich der Sauerstoffaustausch im Gewebe langfristig verbessern.

Störungen der Gewebeatmung

Unzureichende Sauerstoffversorgung

Eine unzureichende Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff führt zur Gewebehypoxie oder zur Gewebeanoxie.

Ursachen

Nach der Ursache lassen sich die Gewebehypoxien in 3 Gruppen einteilen:

  • Arterielle Hypoxie:arteriellHypoxie: Ursache ist ein erniedrigter O2-Partialdruck des arteriellen Blutes (Abb. 5.20a). Daraus resultiert eine niedrigere O2-Konzentration im arteriellen Blut.

  • Anämische Hypoxie:anämischHypoxie: Ursache ist ein Mangel oder eine Funktionsstörung des Sauerstoffträgers Hämoglobin (Abb. 5.20b); der O2-Partialdruck ist normal.

  • Ischämische Hypoxie:ischämischHypoxie: Ursache ist eine verminderte Gewebedurchblutung (Abb. 5.20c). Als Kompensationsversuch steigt die Sauerstoffausschöpfung (avDO2) des Gewebes.

Mögliche Störungen
Im Einzelnen können folgende Störungen zu einer Gewebehypoxie führen:GewebeatmungGewebeatmung:Störungen
  • Äußere Einflüsse:

    • Niedriger atmosphärischer O2-Partialdruck, z. B. in großer Höhe

    • Alveoläre Hypoventilation durch unzureichende Inspiration, z. B. bei Lähmung der Atemmuskulatur

  • Lungenerkrankungen:

    • Alveoläre Hypoventilation durch erhöhten Atemwegswiderstand, z. B. bei obstruktiven Ventilationsstörungen

    • Ventilations/Perfusions-Verteilungsstörung, z. B. beim Lungenemphysem

    • Erschwerte O2-Diffusion in der Lunge, z. B. bei Lungenfibrosen mit Vergrößerung der Diffusionsstrecke durch fibröse Verdickung der Alveolarwand

  • Shunt-Blut:

    • Direkter Kurzschluss zwischen venösem und arteriellem Gefäßsystem (Shunt), z. B. bei Herzfehlern; dadurch erniedrigter O2-Partialdruck im Mischblut

  • Störungen des Sauerstofftransports zum Gewebe:

    • Anämie

    • Hämoglobinstörungen (Hämoglobinopathien)

    • Allgemeines Kreislaufversagen („Schock“)

    • Lokalisierte Minderdurchblutung, z. B. beim Verschluss eines Blutgefäßes

  • Störungen der Sauerstoffverwertung im Gewebe:

    • Toxische Enzymblockaden im aeroben Sauerstoffstoffwechsel

Merke

Ursachen einer Gewebehypoxie:

  • Arterielle Hypoxie

  • Anämische Hypoxie

  • Ischämische Hypoxie

Anoxische Gewebeschäden
Bei Hypoxie Gewebeschäden:ReversibleGewebeschäden:irreversiblekönnen die Zellen nach dem Verbrauch der geringen Sauerstoffvorräte ihren Energiebedarf nicht mehr decken. Zunächst kommt dabei die Zellfunktion zum Erliegen: Der Tätigkeitsumsatz (Kap. 8.2.1) wird unterschritten. Die eintretenden Störungen sind über einen gewissen Zeitraum noch reversibel. Erst wenn der Erhaltungsumsatz der Zelle nicht mehr gewährleistet ist, treten irreversible Strukturschädigungen auf.
Lähmungs- und Wiederbelebungszeit
Die Lähmungs- und WiederbelebungszeitEmpfindlichkeit der einzelnen Organe auf Unterbrechungen der Sauerstoffversorgung (Hypoxietoleranz) ist recht unterschiedlich. Die Lähmungszeit gibt die Zeit vom Eintreten der Anoxie bis zum Funktionsausfall wieder, die Wiederbelebungszeit (= Strukturerhaltungszeit) den maximalen Zeitraum, bis zu dem eine Wiederbelebung noch erfolgreich sein kann, d. h. den Zeitpunkt, bis zu dem noch keine irreversiblen Strukturveränderungen aufgetreten sind.
Kreislaufstillstand
Die KreislaufstillstandLähmungszeit des Gehirns liegt bei etwa 10 Sekunden, seine Wiederbelebungszeit bei 5–10 Minuten. Die Lähmungszeit des Herzens schwankt zwischen 2 und 12 Minuten, die Wiederbelebungszeit beträgt 15–30 Minuten. In der Praxis ist bei einem plötzlichen Kreislaufstillstand mit nachfolgender ischämischer Hypoxie die Strukturerhaltungszeit des Gehirns von etwa 5–10 Minuten der limitierende Faktor. Bei Reanimation nach dieser Zeitspanne ist mit mehr oder weniger starken hypoxischen Schädigungen des ZNS zu rechnen.
Bei Kälte ist allerdings der Sauerstoffbedarf des Gewebes geringer, sodass die Strukturerhaltungszeit unter diesen Bedingungen deutlich höher liegt. Auch Säuglinge und Kleinkinder haben eine erheblich größere Hypoxietoleranz.
Sauerstofftherapie
Medikament der SauerstofftherapieWahl bei den verschiedenen Hypoxieformen ist Sauerstoff. Durch die Sauerstoffgabe steigt der inspiratorische O2-Partialdruck. Bei 100 % Sauerstoffatmung können so maximale alveoläre O2-Partialdrücke bis zu 670 mmHg (normal: 100 mmHg) erreicht werden.
Arterielle Hypoxie
O2-Gabe wirkt HypoxieHypoxie:Arteriellebei allen Formen der arteriellen Hypoxie besonders gut, da hierbei ja ein erniedrigter O2-Partialdruck im Blut die Ursache ist. Die Erhöhung des alveolären O2-Partialdrucks durch die O2-Gabe führt zu einem Anstieg des arteriellen O2-Partialdrucks und dadurch zu einer besseren Sauerstoffsättigung des Hämoglobins.
Anämische oder ischämische Hypoxie
Bei anämischerHypoxie:AnämischeHypoxie:ischämische oder ischämischer Hypoxie ist der Nutzen einer O2-Therapie geringer, da nicht ein Mangel an Sauerstoff, sondern ein Mangel an Sauerstoffträgern bzw. eine Störung des Sauerstofftransports über den Blutweg die Ursache ist. Dennoch kann der Sauerstoffgehalt im Blut durch die Gabe von hohen inspiratorischen O2-Konzentrationen auch in diesen Fällen – über die physikalische Lösung des Sauerstoffs – gesteigert werden, was zumindest als unterstützende Maßnahme sinnvoll sein kann. Auch im besten Fall, bei Atmung von 100 % Sauerstoff und einem arteriellen pO2von 600 mmHg, könnte diese physikalisch gelöste O2-Menge aber auf maximal 18 ml O2/l Blut zunehmen (Kap. 5.6.1.1) und läge damit immer noch um den Faktor 10 niedriger als die an Hämoglobin gebundene Sauerstoffmenge (200 ml O2/l Blut).
Sauerstoffvergiftung
Eine Sauerstoffvergiftungkurzfristige hoch dosierte O2-Therapie in Notfallsituationen ist im Allgemeinen risikolos (Ausnahme: Patienten mit chronisch erhöhtem pCO2, Kap. 5.7.1.2). Bei langfristiger Sauerstoffgabe können jedoch Symptome einer Sauerstoffvergiftung auftreten. Diese beruht auf einer pathologischen Aktivität zellulärer Enzyme bei über längere Zeit erhöhten intrazellulären pO2-Werten (Hyperoxie). Die Sauerstoffvergiftung ist gekennzeichnet durch Schwindel und Krämpfe. Außerdem kommt es zur Ansammlung von Flüssigkeit in den Alveolen (Lungenödem), was auf eine Schädigung der Alveolarmembran durch Sauerstoff zurückzuführen ist. Bei Neugeborenen treten nach zu langer und zu hoch dosierter Sauerstoffgabe Gefäßneubildungen in der Retina auf, die Einschränkungen der Sehkraft oder Blindheit zur Folge haben können.

Säure-Basen-Gleichgewicht und Pufferung

Durch die Säure-Basen-GleichgewichtFähigkeit, CO2 mit der Atemluft auszuscheiden, ist die Lunge neben der Niere das wichtigste Steuerorgan des Säure-Basen-Haushalts. Deshalb werden im folgenden Abschnitt der Säure-Basen-Haushalt und die Pufferungs- und Kompensationsmechanismen des Organismus im Zusammenhang besprochen.

H+-Ionen und Pufferung

H+-Ionen-Konzentration und pH-Wert
Der pH-Wert imH+-IonenPufferung arteriellen Blut liegt unter physiologischen Bedingungen erstaunlich konstant bei 7,40 (7,37–7,43). Der pH-Wert im venösen Mischblut (z. B. in der A. pulmonalis) liegt wegen des höheren CO2-Gehalts mit 7,37 niedriger als der des arteriellen Blutes. Da der pH-Wert der negative dekadische Logarithmus der H+-Ionen-Konzentration ist, entspricht der arterielle pH-Wert von 7,40 einer H+-Ionen-Konzentration von 10–7,40 mol/l (≈40 nmol/l).
Für die Konstanthaltung des pH-Werts sind neben den Ausscheidungsfähigkeiten von Niere und Lunge vor allem die Puffereigenschaften des Blutes verantwortlich.
Puffersysteme des Blutes
Als Puffer Puffersystemebezeichnet man ein chemisches System, dessen pH-Wert sich beim Zufügen kleiner Mengen von Säuren oder Basen nicht ändert. Ein Puffersystem besteht dabei aus einer schwachen Säure und den dissoziierten Bestandteilen dieser schwachen Säure, d. h. dem H+-Ion und der korrespondierenden Base.
Die 3 wichtigsten Puffersysteme des Blutes sind das Bicarbonat-, das Phosphat- und das Proteinat-Puffersystem.
Bicarbonat-Puffersystem
Das wichtigste Puffersysteme:BicarbonatPuffersystem des Körpers enthält als schwache Säure die Kohlensäure (H2CO3) und ihre dissoziierten Bestandteile, nämlich ein H+-Ion und Bicarbonat (HCO3) als korrespondierende Base.
Henderson-Hasselbalch-Gleichung
Zwischen der Henderson-Hasselbalch-Gleichungundissoziierten Kohlensäure und den dissoziierten Bestandteilen des Puffersystems herrscht ein Gleichgewicht, dessen Lage durch die Dissoziationskonstante K bestimmt ist:
Je größer die Dissoziationskonstante K, desto größer ist der dissoziierte Anteil des Puffersystems (H+-Ion und Bicarbonat). Von größerem Interesse als die Kenntnis des Dissoziationsgrades eines Puffersystems ist aber die H+-Ionen-Konzentration bzw. der durch die Pufferung erzielte pH-Wert. Deshalb löst man die Gleichung [35] zur H+-Ionen-Konzentration hin auf und ersetzt außerdem die schwer bestimmbare Konzentration von H2CO3 durch die leichter bestimmbare, proportionale Konzentration von CO2 und erhält:
K' hat wegen der im Vergleich zur H2CO3-Konzentration 400-mal höheren CO2-Konzentration einen anderen numerischen Wert als K aus Gleichung [35].
Um schließlich Aussagen über den pH-Wert des Puffersystems machen zu können, muss die Gleichung [36] noch logarithmiert und mit -1 multipliziert werden:
Jetzt entspricht −log H+ definitionsgemäß dem pH-Wert, der negative Logarithmus der Dissoziationskonstante K' wird in Analogie hierzu als pK-Wert des Puffersystems bezeichnet: Er stellt für jedes System eine charakteristische Konstante dar. Der einfacheren Darstellung wegen wird das letzte Glied aus Gleichung [37] invertiert, wobei statt des negativen ein positiver Logarithmus resultiert:
Diese hier für das Kohlendioxid-Bicarbonat-Puffersystem wiedergegebene Abhängigkeitsbeziehung zwischen pH-Wert, pK-Wert und den Konzentrationen von Pufferbase (HCO3) und Puffersäure (CO2) wird als Henderson-Hasselbalch-Gleichung bezeichnet. Der pK-Wert des Bicarbonat-Puffersystems liegt bei 6,1. Für verschiedene Konzentrationen von HCO3 und CO2 kann damit der jeweils resultierende pH-Wert ermittelt werden. Es wird deutlich, dass der pH-Wert umso höher liegen muss, je größer die Konzentration der Pufferbase HCO3 ist. Umgekehrt wird der pH-Wert zunehmend geringer, je stärker die Konzentration der Puffersäure CO2 ansteigt.
Pufferkapazität
Wie sich in PufferkapazitätTitrationsuntersuchungen zeigen lässt, ist die Pufferkapazität eines Puffersystems umso höher, je näher der pK-Wert am pH-Wert der gepufferten Lösung liegt. Ein ideales Puffersystem müsste also einen pK-Wert aufweisen, der möglichst nahe am physiologischen pH-Wert von 7,4 läge. In dieser Hinsicht ist das Bicarbonat-Puffersystem mit seinem pK von 6,1 nicht ideal. Sein großer Vorteil ist aber, dass durch die Verbindung mit der Atmung (CO2-Ausscheidung) und der Niere (HCO3-Ausscheidung) seine Effektivität stark gesteigert werden kann: offenes Puffersystem.
Proteinat-Puffersystem
Auch Puffersysteme:Proteinationisierbare Seitengruppen von Proteinen, insbesondere von Hämoglobin und Albumin, können mit den korrespondierenden, nichtdissoziierten Proteinen Puffersysteme bilden.
Bedeutung
Die pK-Werte dieser Puffersysteme liegen um 7,4, also in einem für die Pufferkapazität günstigen Bereich. Desoxygeniertes Hämoglobin weist eine stärkere Affinität für Protonen auf. Deshalb steigt die Pufferwirkung des Hämoglobins mit der Sauerstoffabgabe im Gewebe, sodass die durch die Kohlendioxidaufnahme ins Blut entstehenden Protonen besser abgepuffert werden können.
Phosphat-Puffersysteme
Ein weiteres Puffersysteme:PhosphatPuffersystem des Blutes besteht aus primärem Phosphat als Säure (H2PO4) und sekundärem Phosphat als korrespondierende Base (HPO42−).
Bedeutung
Wegen der geringen Konzentrationen von Pufferbase und Puffersäure hat dieses System jedoch trotz seines günstigen pK-Werts von 6,8 nur einen relativ kleinen Anteil am Puffereffekt des Blutes.

Merke

Die wichtigsten Puffersysteme des Blutes:

  • Bicarbonat-Puffersystem

  • Proteinat-Puffersystem

Gesamtpufferbasen: Basenüberschuss und Basendefizit
Gesamtpufferbasen
Bicarbonat-, GesamtpufferbasenBasenüberschussBasendefizitPhosphat- und Proteinat-Puffersystem können sich auch gegenseitig puffern, d. h., bei Erschöpfung der Pufferkapazität eines Systems können Protonen zwischen den Systemen verschoben werden, sodass sich die Pufferkapazitäten der 3 Systeme addieren. Im Plasma überwiegen die Bicarbonat-Pufferbasen, während im Erythrozyten die Proteinat-Puffer mengenmäßig vorherrschen. Insgesamt liegt die Konzentration der Pufferbasen (Proteinat und HCO3) im arteriellen Blut bei 48 mmol/l. Die geringe Phosphatkonzentration spielt in der Praxis keine Rolle.
Einfluss der CO2-Konzentration
Die Konzentration der Gesamtpufferbasen ist relativ unabhängig von Veränderungen der CO2-Konzentration im Blut: Steigt diese an, wird zwar vermehrt HCO3 gebildet, die zugleich entstehenden H+-Ionen binden jedoch an das Proteinat, sodass sich dessen verfügbare Konzentration entsprechend vermindert. Die Konzentration der Gesamtpufferbasen bleibt konstant und stellt deshalb einen guten Indikator für Veränderungen im Säure-Basen-Haushalt dar, die unabhängig von den Atmungsvorgängen bestehen.
Einfluss nichtrespiratorischer Störungen
Anders ist dies bei nichtrespiratorischen Störungen: Bei einer Zunahme von sauren Valenzen wird die Gesamtpufferbasen-Konzentration reduziert, bei einer Abnahme gesteigert. Ein Anstieg der Gesamtpufferbasen über 48 mmol/l bezeichnet man als Basenüberschuss (BE = Base Excess), eine Abnahme als Basendefizit.
Standardbicarbonat
Zur StandardbicarbonatVereinfachung kann anstelle der Gesamtpufferbasen auch das sog. Standardbicarbonat bestimmt werden. Dabei wird unter Vernachlässigung des Proteinat-Anteils an den Puffersystemen des Blutes nur die „standardisierte“ Bicarbonatkonzentration im Plasma bei einem pCO2 von 40 mmHg, einer Temperatur von 37 °C und vollständiger Sauerstoffsättigung des Hämoglobins bestimmt. Die normale Konzentration des Standardbicarbonats liegt bei 24 mmol/l (21–28 mmol/l).

Merke

Die Konzentration der Gesamtpufferbasen ist unabhängig von Veränderungen der CO2-Konzentration im Blut! Die Konzentration des Standardbicarbonats ebenfalls, da sie ja definitionsgemäß bei einem pCO2 von 40mmHg bestimmt wird.

Säure-Basen-Haushalt

pH-Wert-Regulation

Die Puffersysteme des Blutes können pH-Veränderungen im Organismus nur innerhalb gewisser Grenzen ausgleichen. Für eine dauerhafte pH-Wert-Regulation ist die Ausscheidung der im Organismus anfallenden Säuren über Lunge und Niere erforderlich (Übersicht Tab. 5.5).

CO2-Ausscheidung über die Lunge
Die Lunge pH-Wert-RegulationCO2-Ausscheidungeliminiert pro Tag etwa 15 mol CO2, das bei der Energiegewinnung im Körper als Abfallprodukt anfällt. Dadurch wird nach der Henderson-Hasselbalch-Gleichung [38] einem Abfall des pH-Werts bei ansteigenden CO2-Konzentrationen wirksam begegnet. Steigt der CO2-Gehalt im Blut an, wird dies über Chemorezeptoren an die Atemzentren weitergegeben und die Atmung entsprechend gesteigert, sodass CO2vermehrt abgeatmet werden kann (Kap. 5.7.1.2). Auch eine Erhöhung der H+-Ionen-Konzentration führt zu einer verstärkten Atmung. Durch die Ausscheidung des CO2 wird das Reaktionsgleichgewicht der Beziehung
nach rechts verschoben, sodass letztlich H+-Ionen vermehrt als Wasser gebunden werden, während CO2 als Säureanhydrid der Kohlensäure den Organismus verlässt.
Bei Störungen der Ausscheidungsfunktion von CO2 steigt der pCO2 im Plasma an. Folglich verschiebt sich das Reaktionsgleichgewicht aus Gleichung [39] nach links; es werden vermehrt Protonen freigesetzt. Diese durch Überlastung des Bicarbonat-Puffersystems entstehenden Protonen können dann von Proteinat-Puffern gebunden werden.
H+-Ausscheidung über die Niere
Die Niere H+-Ausscheidungeliminiert pro Tag etwa 50 mmol H+-Ionen, indem sie diese aktiv in das Tubuluslumen sezerniert. Dabei ist die Protonenausscheidung an eine Rückresorption von Bicarbonat gekoppelt (Kap. 9.3.5.1). Dadurch werden dem Organismus neben der Ausscheidung saurer Valenzen auch Bicarbonat-Pufferbasen erhalten: Basensparmechanismus der Niere. Bei alkalischem pH-Wert des Blutes kann die Niere aber auch Bicarbonat ausscheiden und dadurch einen alkalischen Harn produzieren.
Azidosen und Alkalosen

Bei einem Absinken des pH-Werts im Blut unter 7,37 spricht man von Azidose, ein Anstieg des pH-Werts über 7,43 wird als Alkalose bezeichnet. Nach den Ursachen von Azidosen und Alkalosen unterscheidet man Störungen, die durch die Atmung bedingt sind, von nichtrespiratorischen Störungen, die in Stoffwechselungleichgewichten oder Nierenerkrankungen ihre Ursache haben.

Respiratorische Azidose

Bei der respiratorischen Azidose sinkt der pH-Wert des Blutes, weil CO2 (und damit saure Valenzen, Gleichung [39]) von der Lunge nur unzureichend aus dem Organismus entfernt wird. Ursache ist eine alveoläre Hypoventilation, z.B. bei Atemwegserkrankungen. Der pCO2 des Blutes ist demnach erhöht, die Konzentration der Pufferbasen, bestimmt als Basenüberschuss (BE), zunächst unverändert.

Respiratorische Alkalose

Bei einer respiratorischen Alkalose steigt umgekehrt der pH-Wert des Blutes an, weil durch gesteigerte Atmung (Hyperventilation) zu viel CO2 von der Lunge an die Umgebung abgegeben wird. Der pCO2 des Blutes ist erniedrigt, die Pufferbasen sind normal. Eine solche respiratorische Alkalose kann z.B. bei Hyperventilation unter emotionaler Belastung auftreten.

Nichtrespiratorische Azidose

Eine nichtrespiratorische Azidose ist durch einen Überschuss von im Stoffwechsel des Organismus entstandenen Protonen gekennzeichnet. Sie tritt z.B. bei schlecht eingestelltem Diabetes mellitus durch die unter Insulinmangel gesteigerte Produktion von sauren Ketonkörpern auf. Die Pufferbasen sind durch den Überschuss saurer Valenzen vermindert, der pCO2-Wert ist normal.

Nichtrespiratorische Alkalose

Eine nichtrespiratorische Alkalose entsteht z.B. durch den Verlust von saurem Magensaft beim Erbrechen. Die Pufferbasen sind hierbei erhöht, der pCO2-Wert liegt im Normbereich.

Einfluss auf die Kaliumkonzentration

Klinisch wichtig ist, dass ein Anstieg der H+-Ionen-Konzentration im Extrazellularraum von einem parallelen Anstieg der K+-Ionen-Konzentration begleitet ist. Dies beruht darauf, dass die H+-Ionen, dem Konzentrationsgefälle folgend ([H+extrazellulär] > [H+intrazellulär]), vermehrt in die Zellen einströmen, wobei aus Gründen der Elektroneutralität K+-Ionen aus der Zelle in den Extrazellularraum abgegeben werden müssen.

Kompensationsmechanismen

Der Körper versucht, die pH-Wert-Veränderungen bei Azidosen und Alkalosen zu kompensieren. Dabei werden primär respiratorische Störungen durch nichtrespiratorische Kompensationsmechanismen, primär nichtrespiratorische durch respiratorische Kompensationsmechanismen ausgeglichen.

  • Bei der respiratorischen Azidose steigert die Niere die Rückresorption von basischem Bicarbonat, was zu einem Anstieg der Gesamtpufferbasen und einem Wiederansteigen des pH-Werts führt: kompensierte respiratorische Azidose.AzidoseAzidose:RespiratorischeAlkaloseAlkalose:RespiratorischeAzidose:NichtrespiratorischeAlkalose:Nichtrespiratorische

  • Bei der respiratorischen Alkalose versucht die Niere vermehrt Bicarbonat mit dem Harn auszuscheiden: kompensierte respiratorische Alkalose.

  • Der pH-Wert-Abfall bei der nichtrespiratorischen Azidose stellt einen starken Atemantrieb dar. Die Lunge versucht über eine verstärkte Abatmung von CO2 saure Valenzen aus dem Körper zu entfernen. Der pCO2 im Blut sinkt, der pH-Wert steigt wieder an: kompensierte nichtrespiratorische Azidose.

  • Umgekehrt wird bei einer nichtrespiratorischen Alkalose die Atmung gedrosselt. Der resultierende pCO2-Anstieg senkt den pH-Wert: kompensierte nichtrespiratorische Alkalose. Da jedoch die Atmung aufgrund des Sauerstoffbedarfs des Organismus nicht beliebig reduziert werden kann, sind die respiratorischen Kompensationsmechanismen bei der nichtrespiratorischen Alkalose limitiert.

Klinik

Häufige Ursache einer respiratorischen Alkalose ist die durch Stress oder psychische Erkrankungen ausgelöste (unwillkürliche) Hyperventilation mit gesteigerter CO2-Abgabe. Klinisch ist das Krankheitsbild oft eindrucksvoll: von Kribbeln, Taubheit und Lähmungsgefühlen der Extremitäten bis zu Schwindel, Sehstörungen (zerebrale Vasokonstriktion durch starken CO2-Abfall) und Ohnmacht. Therapie ist die (behutsam vorzuschlagende) Rückatmung der Ausatmungsluft in eine Plastiktüte: Erhöhung der Totraumventilation mit Wiederanstieg des CO2 und promptem Rückgang der Symptomatik.

Diagnostik des Säure-Basen-Status
Bei der Kompensationsmechanismen, Alkalose/AzidoseSäure-Base-Haushalt:DiagnostikDiagnostik von Störungen des Säure-Basen-Haushalts empfiehlt sich ein schematisches Vorgehen:
  • pH-Wert: < 7,37 Azidose, > 7,43 Alkalose

  • pCO2 verändert? (Normwerte 35–45 mmHg) → primär respiratorische Störung

  • BE (Basenüberschuss) verändert? (Normbereich −2,5 bis + 2,5 BE) → primär nichtrespiratorische Störung.

Sind sowohl pCO2 als auch BE verändert, haben Kompensationsmechanismen den ursprünglichen Zustand bereits modifiziert. Da die Kompensation zumeist nicht vollständig ist, gibt der pH-Wert die Richtung der ursprünglichen Störung an. Bei einem pH-Wert von 7,5, einem BE von +12 BE und einem CO2-Partialdruck von 50 mmHg handelt es sich demnach um eine Alkalose (pH-Wert 7,5), die nur durch die erhöhten Gesamtpufferbasen (+12 BE) entstanden sein kann (nichtrespiratorische Alkalose) und die durch einen Anstieg des CO2-Partialdrucks respiratorisch teilweise kompensiert werden konnte.

Klinik

Fallbeispiel: Bei einem jungen Mann mit Typ-1-Diabetes findet sich folgender Säure-Basen-Status: pH 7,2, pCO2 30mmHg, BE = -15mmol/l. Der pH-Wert zeigt eine ausgeprägte Azidose. Der pCO2 ist erniedrigt, kann also nicht die Ursache der Azidose sein, sondern deutet vielmehr auf den Versuch einer respiratorischen Kompensation hin. Das hohe Basendefizit erklärt die Azidose. Es handelt sich also um eine nichtrespiratorische Azidose, die respiratorisch teilkompensiert ist. Wahrscheinlich liegt eine Ketoazidose bei entgleistem Typ-1-Diabetes vor.

Lerntipp

Üben, üben, üben. Es lohnt sich! Die Störungen des Säure-Basen-Haushalts werden in so gut wie jedem Examen gefragt und peinlich wird es in der Klinik, wenn man die Blutgasanalyse nicht beurteilen kann. Die Tab. 5.5 sollten Sie deshalb im Schlaf aufsagen können! Kleiner Tipp: der erste Blick gilt dem pH-Wert (Azidose oder Alkalose?), der zweite dem Base Excess (BE). Ist dieser null, kann es sich nur um eine respiratorische Störung handeln.

Holen Sie sich die neue Medizinwelten-App!

Schließen