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B978-3-437-41357-5.00010-7

10.1016/B978-3-437-41357-5.00010-7

978-3-437-41357-5

Partialdruckgefälle der Atemgase:Partialdruckgefälle\"\iAtemgase zwischen Außenluft und Zelle:Sauerstoffpartialdruck\"\iSauerstoffpartialdruck:Zelle\"\iSauerstoffpartialdruck:Interstitium\"\iSauerstoffpartialdruck:Gewebe\"\iInterstitium:Sauerstoffpartialdruck\"\iGewebe:Sauerstoffpartialdruck\"\iGewebe.

Sauerstoffaufnahme in die Erythrozyten:Sauerstoffaufnahme\"\iErythrozyten und Sauerstoffpartialdruck:Lunge\"\iSauerstoffpartialdruck. a Während der Passage durch die Lungenkapillaren wird der Sauerstoff innerhalb der ersten 0,25 s in die Erythrozyten aufgenommen. JO2 bezeichnet den O2-Fluss (Volumen/Zeit). Das gemischtvenöse Blut (blau) wird in dieser Zeit durch O2-Aufnahme in „arterielles“ Blut (rot) umgewandelt. b Daher steigt der Sauerstoffpartialdruck innerhalb der ersten 0,25 s auf 100% an. Bei einer Diffusionsstörung, wie z.B. Höhenlungenödem, ist der Anstieg entsprechend verlangsamt.

Drücke und Volumina bei Inspiration:intrapulmonaler Druck\"\iInspiration (links) und Exspiration:intrapulmonaler Druck\"\iExspiration (rechts). a Verlauf des intrapulmonalen Druck:intrapulmonaler\"\iDrucks während eines Atemzugs. Der intrapulmonale Druck ist schwer direkt messbar; er lässt sich näherungsweise über den intrapleuralen Druck messen und entspricht jeweils der intrapleuralen Druckdifferenz bei sehr langsamer Atmung (grüne Kurve) und normaler Atmung (blaue Kurve). b Volumen der ein- und ausgeatmeten Luft während eines Atemzugs in Ruhe (ca. 0,5 l). c Verlauf des intrapleuralen Druck:intrapleuraler\"\iDrucks während eines Atemzugs.

Messung von Lungenvolumina:Messung\"\iLungenvolumina und intrapulmonalem DruckDruck:intrapulmonaler (Ppulm) mit Spirometrie:intrapulmonaler Druck\"\iSpirometer und Manometer. Von der Atemruhelage aus werden – bei zugedrückter Nase – bestimmte abgemessene Volumina aus einem Spirometer in die Lunge eingeatmet. Die Verbindung zum Spirometer wird geschlossen (wie in der Abbildung symbolisiert) und die Atemmuskulatur entspannt. Der gegenüber der Atmosphäre gemessene Druckunterschied ist der statische Retraktionsdruck, statischer\"\iRetraktionsdruck.

Ruhedehnungskurve:Atemapparat\"\iAtemapparat:Ruhedehnungskurve\"\iRuhedehnungskurve des Atemapparats. Die Ruhedehnungskurve des Atemapparats entspricht der Abhängigkeit des statischen Retraktionsdrucks vom Inspirationsvolumen V(Ppulm) (blaue Kurve). Die Thorax:Ruhedehnungskurve\"\iRuhedehnungskurve:Thorax\"\iRuhedehnungskurve des Thorax gibt die Abhängigkeit des Intrapleuraldrucks vom Inspirationsvolumen V(Ppleu) wieder (rote Kurve). Subtrahiert man Ppleu von Ppulm bei jeweils gleichen Volumina, lässt sich die Ruhedehnungskurve der Lunge als V(ΔP) berechnen. Das maximale Lungenvolumen wird als Totalkapazität\"\iTotalkapazität oder totale TLK (totale Lungenkapazität)\"\iLungenkapazität, totale\"\iLungenkapazität (TLK) bezeichnet. In der Gleichgewichtslage des Atemapparats entspricht das Füllungsvolumen der Lunge der funktionellen Residualkapazität, funktionelle\"\iFRK (funktionelle Residualkapazität)\"\iResidualkapazität (FRK). Als Residualvolumen\"\iResidualvolumen (RV) wird das Volumen bezeichnet, das nach maximaler Exspiration als Restluft in der Lunge verbleibt.

Statischer Retraktionsdruck, statischer\"\iRetraktionsdruck bei normaler Lunge (blaue Kurve), bei Lungenemphysem:statischer Retraktionsdruck\"\iEmphysem, Lunge:statischer Retraktionsdruck\"\iEmphysem (grüne Kurve) und Lungenfibrose:statischer Retraktionsdruck\"\iFibrose (rote Kurve). Die Ruhedehnungskurven des Atemapparats sind als gestrichelte Linien dargestellt. Die durchgezogenen Abschnitte entsprechen in etwa den Abschnitten der Ruhedehnungskurven, die bei Patienten während der Bestimmung des statischen Retraktionsdrucks, dem sog. „recoil pressure test“, erfasst werden.

Ruhedehnungskurve:Lunge\"\iLunge:Ruhedehnungskurve\"\iRuhedehnungskurve der Lunge. Die Veränderung der Druck-Volumen-Lunge:Druck-Volumen-Kurve\"\iDruck-Volumen-Diagramm:Lunge\"\iKurve kommt dadurch zustande, dass sich Surfactant-Moleküle atemzyklusabhängig reorganisieren und somit ihre funktionellen Eigenschaften verändern.

Lungenvolumina\"\iLungenvolumina. Die geatmeten Volumina sind durch eine Spirometerkurve angezeigt. VT = Atemzugvolumen, IRV = inspiratorisches Reservevolumen, ERV = exspiratorisches Reservevolumen, VK = Vitalkapazität, RV = Residualvolumen, FRK = funktionelle Residualkapazität.

Lungenvolumina:Altersabhängigkeit\"\iAltersabhängigkeit:Lungenvolumina\"\iAltersabhängigkeit der Lungenvolumina. Totalkapazität der Lungen, Vitalkapazität und Residualvolumen im Verlauf des Lebens. Das Residualvolumen:Altersabhängigkeit\"\iAltersabhängigkeit:Residualvolumen\"\iResidualvolumen nimmt im Alter zu, während die Totalkapazität:Altersabhängigkeit\"\iAltersabhängigkeit:Totalkapazität\"\iTotalkapazität als Folge der eingeschränkten Thoraxbeweglichkeit abnimmt. Als Folge wird die Vitalkapazität:Altersabhängigkeit\"\iAltersabhängigkeit:Vitalkapazität\"\iVitalkapazität immer geringer.

Prinzip der Plethysmografie:Residualvolumen\"\iGanzkörperplethysmografie\"\iPlethysmografie zur Bestimmung des Residualvolumens. Das zugrunde liegende Prinzip ist das Boyle-Gesetz: Das Produkt aus Druck und Volumen ist konstant.

Korrelation zwischen Lungenvolumen und Strömungswiderstand Strömungswiderstand:Atemwege .

Wirkung von Neurotransmitter:Atemwege\"\iAtemwege:Neurotransmitter\"\iNeurotransmittern an den kleineren Atemwegen. Neurotransmitter werden bei Schädigungen der Schleimhaut (z.B. bei allergischem Asthma, Infektionen) durch axonale und vagovagale Reflexe vermehrt freigesetzt. Muskeln kontrahieren sich, die Gefäßpermeabilität steigt, und es wird mehr Mukus sezerniert.

Tiffeneau-Tiffeneau-Test\"\iTest als Maß für den StrömungswiderstandStrömungswiderstand:Atemwege. a Schnelle und tiefe Ausatmung nach maximaler Inspiration. Das innerhalb einer Sekunde ausgeatmete Volumen (FEV1 = forciertes exspiratorisches Sekundenvolumen) sollte mindestens 70% der forcierten Vitalkapazität (FVK) betragen (FEV1/FVK > 0,7). b Die sog. Fluss-Volumen-Kurve entsteht durch die erste Ableitung der forcierten Exspirationskurve der Spirometrie (dV/dt = Luftfluss = ) gegen das abnehmende Lungenvolumen. Der fast lineare Abfall des Stroms im Laufe der Exspiration ist das Resultat des zunehmenden Strömungswiderstands. Das Residualvolumen ist bei den Volumenangaben nicht berücksichtigt.

Regulation der Flüssigkeitsschicht für den mukoziliären Transport. In den distalen Abschnitten besitzen die Epithelien Cl-Kanäle vom CFTR-Typ zur Flüssigkeitssekretion, in den proximalen Abschnitten epitheliale Natriumkanäle, um die Flüssigkeit wieder zu resorbieren. CFTR = „cystic fibrosis transmembrane regulator“, ENaC = „epithelial Na+-channel“.

Verhältnis von Ventilation und Perfusion im theoretischen alveolokapillären Kompartment. Die Farben symbolisieren den Sauerstoffpartialdruck:Ventilations-Perfusions-Verhältnis\"\iPO2, wobei rot einen hohen und blau einen niedrigen Wert darstellt. Die Mischfarbe resultiert aus den relativen Beimengungen von rot (Ventilation) und blau (Perfusion).

Durchblutung () und Ventilation (A) der Lunge bei aufrechter Körperhaltung:Lungendurchblutung\"\iKörperhaltung. Die Durchblutung nimmt zur Lungenspitze hin stärker ab als die Ventilation:Körperhaltung\"\iVentilation, sodass das A/-Verhältnis sehr unterschiedlich ist. Daher sind auch die alveolären und arteriellen SauerstoffpartialdrückeSauerstoffpartialdruck:Lunge sehr verschieden (130, 102 und 90 mmHg). Das aus den verschiedenen Lungenabschnitten zusammenfließende Mischblut hat einen PaO2 von 97 mmHg. Durch Zumischung von Shuntblut der Vv. bronchiales (und Vv. cardiacae minimae) beträgt der PaO2 der Aorta schließlich 92 mmHg.

Regionale alveoläre O2- und CO2-Partialdrücke bei verschiedenen A/-Verhältnissen bei aufrechter Körperhaltung. A = alveoläre Ventilation, = Durchblutung.

Sauerstoffbindungskurven des Hämoglobin:Sauerstoffbindungskurve\"\iHämoglobins und Sauerstoffmaximalkapazität\"\iSauerstoffmaximalkapazitäten bei unterschiedlichen Hb-Konzentrationen im Blut.

Einfluss der Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins auf die Sauerstoffsättigung:Sauerstoffbindungskurve\"\iSauerstoffbindungskurve:Sauerstoffsättigung\"\iSauerstoffsättigung. Im flachen Teil der Kurve ist die O2-Aufsättigung selbst bei erheblichem Absinken des PO2, z.B. in 3.000 m Höhe, nur wenig vermindert. Ein gleicher Effekt auf die Sauerstoffsättigung ist im steilen Kurventeil schon durch ein ganz geringes Absinken des PO2 zu erzielen.

Verschiebung der Sauerstoffbindungskurve:Rechtsverschiebung\"\iSauerstoffbindungskurve:Linksverschiebung\"\iSauerstoffbindungskurve. Die Sauerstoffbindungskurve (blau) wird nach rechts verschoben (rot), wenn sich die Temperatur:Sauerstoffbindungskurve\"\iTemperatur erhöht oder CO2-Kohlendioxidpartialdruck:Sauerstoffbindungskurve\"\iPartialdruck, H+-Wasserstoffionenkonzentration:Sauerstoffbindungskurve\"\iH+-Konzentration:Sauerstoffbindungskurve\"\iKonzentration (im Plasma) bzw. 2,3-Diphosphoglycerat-2,3-Diphosphoglycerat:Sauerstoffbindungskurve\"\iKonzentration (im Erythrozyten) steigen. Der P50-P50-Wert\"\iWert (O2-Partialdruck, bei dem das Blut zu 50% mit O2 gesättigt ist) ist dann entsprechend vergrößert. Eine Verminderung der Faktoren verschiebt die Kurve nach links (grün) und verkleinert den P50-Wert.

Absorptionsspektren des Hämoglobin:Absorptionsspektren\"\iHämoglobins in oxygeniertem (HbO2) und desoxygeniertem (Hb) Zustand. Unter sonst konstanten Bedingungen ist für jede Wellenlänge (x-Achse) als Maß für die Lichtabsorption der Extinktionskoeffizient ε gemessen worden.

Sauerstoffbindungskurve:Myoglobin\"\iMyoglobin:Sauerstoffbindungskurve\"\iSauerstoffbindungskurve von Myoglobin im Vergleich zu der von Hämoglobin (Hb) und der Hämoglobin-Bindungskurve von Kohlenmonoxidbindungskurve\"\iKohlenmonoxid (CO-Hb).

Kohlendioxidbindungskurve\"\iKohlendioxidbindungskurven im Plasma, das von vollständig oxygeniertem (SO2 = 100%) bzw. desoxygeniertem Blut (SO2 = 0%) stammt. Durch den Haldane-Haldane-Effekt:Kohlendioxidbindung\"\iEffektEffekt:Haldane-Effekt ist die sog. physiologische Bindungskurve zwischen der CO2-Konzentration im arteriellen (a) und venösen (v) Blut steiler und verbessert damit den Abtransport von CO2 vom Gewebe zur Lunge.

Gewebe:Gasaustausch\"\i Gasaustausch im Gewebe.

Beeinflussung der respiratorischen Neurone in der Formatio reticularis.

Ventilationsantwortkurven bei Änderung des arteriellen Kohlendioxid-Kohlendioxidpartialdruck:arterieller und SauerstoffpartialdrucksSauerstoffpartialdruck:arterieller sowie des arteriellen pHpH-Wert:arterieller. Bei pH und PaO2 bewirkt die gesteigerte Ventilation normalerweise, dass mehr CO2 abgeatmet wird und dadurch der Atemantrieb wieder gesenkt wird (rote Kurve). Hält man im Experiment den CO2-Druck konstant, ist sowohl für O2 als auch für H+-Ionen eine stärkere Ventilationssteigerung zu sehen.

Krankhafte Atmung:krankhafte\"\iAtmungsformen im Vergleich zur Normalatmung.

Sauerstoffsättigung:REM-Schlaf\"\iREM-Schlaf:Sauerstoffsättigung\"\iSauerstoffsättigung im REM-Schlaf bei einem gesunden und einem hypoxischen Probanden.

Tieftauchen mit Atemanhalten. Bei zu starker Tauchen:Hyperventilation\"\iHyperventilation:Tauchen\"\iHyperventilation vor dem Tauchen (gestrichelte Linien) wird der kritische PaCO2, der das empfindlichste Signal für das rechtzeitige Auftauchen darstellt, zu spät erreicht. PB = Barometerdruck, Ppulm = intrapulmonaler Druck.

Verschiebung der O2-Sauerstoffdissoziationskurve:Atmung in großen Höhen\"\iSauerstoffbindungskurve:Atmung in großen Höhen\"\iBindungskurve bei Anpassung an große Höhen. Durch Erhöhung der maximalen O2-Kapazität infolge Hb-Vermehrung und durch den Bohr-Effekt infolge Hyperventilation würde die O2-Bindungskurve (blau) nach links verschoben (blau gestrichelt). Eine gleichzeitige 2,3-DPG-Zunahme verschiebt die Kurve aber nach rechts, sodass die rote Kurve resultiert. Die grün gestrichelten Linien geben die Verhältnisse in etwa 3.000 m Höhe an.

Fraktionelle Konzentration (F) und durchschnittliche Partialdrücke (P) auf Meereshöhe der Atemgase in Inspirationsluft (I) und Alveolarluft (A).Stickstoff:InspirationsluftStickstoff:alveoläres GasgemischSauerstoff:InspirationsluftSauerstoff:alveoläres GasgemischKohlendioxid:InspirationsluftKohlendioxid:alveoläres GasgemischInspirationsluft:Zusammensetzung

Tab. 10.1
Gas Inspirationsluft Alveoläres Gasgemisch
FI trocken PI [mmHg] feucht PI [mmHg] FA PA [mmHg]
N2 + Edelgase 0,79 600 563 0,75 573
O2 0,21 160 150 0,13 100
CO2 0,0004 0,3 0,3 0,05 40
H2O 0 0 47 0,06 47
Gesamt 1,0 760 760 1,0 760

Faktoren, die den Atembedarf und somit die Atemarbeit erhöhen. Zum genaueren Verständnis wird auf Lehrbücher der Pathophysiologie und klinische Fachliteratur verwiesen.

Tab. 10.2
Faktor Ursachen, Beispiele
VD/VT erhöht alveoläre Ventilation im Verhältnis zur Perfusion erhöht, Emphysem, Pulmonalembolie
Sauerstoffverbrauch erhöht Thyreotoxikose, Fieber
respiratorischer Quotient erhöht reine Kohlenhydratdiät
metabolische Azidose Diabetes, körperliche Erschöpfung
arterieller Sauerstoffpartialdruck erniedrigt alveoläre Ventilation im Verhältnis zur Perfusion erniedrigt, Diffusionsstörung, Höhenaufenthalt, Asthma, chronische Bronchitis, Emphysem, zystische Fibrose

Atmungsparameter während des Schlafs. VT = Atemvolumen, A = alveoläre Ventilation, PaO2/PaCO2 = arterieller Sauerstoff- bzw. Kohlendioxidpartialdruck, (N)REM= (Non) Rapid Eye Movement.Schlaf:AtmungsparameterNREM-Schlaf:AtmungsparameterAtemzeitvolumen:SchlafVentilation:alveoläreREM-Schlaf:AtmungAtemantwort:hypoxischeAtemantwort:hyperkapnischeAtemwege:Widerstand

Tab. 10.3
Parameter REM-Schlaf NREM-Schlaf
Atemrhythmus unregelmäßig, mit oder ohne Apnoe periodisch, regelmäßig
PaO2 ↓↓ ↓ (3–10 mmHg)
PaCO2 ↑↑ ↑ (2–8 mmHg)
A ↓↓
VT ↓↓
hypoxische Atemantwort ↓↓
hyperkapnische Atemantwort ↓↓
O2-Verbrauch ↓↓ (15–25%)
Widerstand der oberen Atemwege ↑↑

Atmung

P. Dietl

M. Gassmann

  • 10.1

    Atemgase 436

  • 10.2

    Atemmechanik 438

  • 10.3

    Lungenvolumina 442

  • 10.4

    Ventilation und Perfusion 447

    • 10.4.1

      Ventilation 447

    • 10.4.2

      Perfusion 449

    • 10.4.3

      Ventilations-Perfusions-Verhältnis 449

  • 10.5

    Atemgastransport 451

    • 10.5.1

      Sauerstofftransport 451

    • 10.5.2

      Kohlendioxidtransport 455

  • 10.6

    Atmungsregulation 456

    • 10.6.1

      Atmung und Atmungskontrolle 456

    • 10.6.2

      Atmung unter bestimmten Bedingungen 459

  • 10.7

    Ausblick 462

Zur Orientierung

AtmungZur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse in den Zellen des Organismus wird fortlaufend Energie benötigt. Sie wird vornehmlich durch Oxidationsprozesse gewonnen. Der dazu erforderliche Sauerstoff (O2) gelangt aus der Umgebungsluft durch Ventilation in einem schnellen, konvektiven Transport in die Lungenalveolen, von wo er durch Diffusion in das Kapillarblut aufgenommen wird. Mit dem Blutstrom (= konvektiv) wird der Sauerstoff zu den einzelnen Körperorganen transportiert. Dort gelangt er aus dem Kapillarblut erneut über Diffusion bis in die Zellen. In den Mitochondrien der Zellen wird der Sauerstoff in der Atmungskette schrittweise zu Wasser umgesetzt. Die Oxidationsprodukte aus der Atmungskette werden im Zitratzyklus umgesetzt, wobei Kohlendioxid (CO2) als eines der Endprodukte entsteht und über die Lunge an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Wie viel Sauerstoff der Organismus gerade verbraucht, wird durch den jeweiligen Energiebedarf bestimmt. Ein basaler Energieumsatz ist erforderlich, um die Zellstrukturen zu erhalten, mithilfe der Ionenpumpen die chemischen und elektrischen Verhältnisse konstant zu halten und das Zellvolumen zu kontrollieren. Bei zusätzlicher Leistung durch Muskelarbeit oder zur Wärmeregulation kann der Energieumsatz und damit der O2-Bedarf um ein Vielfaches steigen.

In der Atmungsphysiologie und der klinischen Atmungsfunktionsdiagnostik hat sich eine eigene Formelsprache herausgebildet. Dabei bedeuten:

  • V = Volumen

  • P = Druck

  • F = fraktionelle Konzentration

Angehängte Indizes geben die Art des Gases an, z.B.:

  • O2 = Sauerstoff

  • CO2 = Kohlendioxid

  • N2 = Stickstoff

Folgende Indizes bezeichnen den Ort der Messung:

  • A = Alveolarraum

  • I = Inspirationsluft

  • E = Exspirationsluft

  • D = Totraum („dead space“)

  • a = arterielles Blut

  • v = venöses Blut

  • = venöses Mischblut

Werden Volumina pro Zeit [ml/min] angegeben, dann erhält das entsprechende Symbol einen Punkt:

D = Totraumventilation

= Blutperfusion

Atemgase

Zur Orientierung

Nur ein Fünftel der Inspirationsluft besteht aus Sauerstoff. Da der absolute Gehalt eines Gases in einem Gasgemisch vom Gesamtdruck abhängt, ist der O2-Partialdruck ein quantitatives Maß für den verfügbaren Sauerstoff.

Gase in Luft
AtemgaseGas:in LuftFraktionelle KonzentrationIn der InspirationsluftInspirationsluft (I) beträgt der Anteil von Sauerstoff:InspirationsluftO2 etwa 21%. Der Rest besteht vorwiegend aus Stickstoff:InspirationsluftN2 sowie kleinsten Mengen an Argon und anderen Edelgasen. Die CO2-Konzentration der Inspirationsluft ist annähernd null. Üblicherweise wird in der Atmungsphysiologie die Konzentration nicht in Prozent, sondern als Teil von 1 ausgedrückt. Die so erhaltenen fraktionellen Konzentration (F) der Atemgase sind in Tab. 10.1 dargestellt. Die fraktionelle O2-Sauerstoffkonzentration, fraktionelleKonzentration der Inspirationsluft lässt sich folgendermaßen beschreiben: FIO2 = 0,21 (oder eben 21%).
PartialdruckAnstelle der fraktionellen Konzentration wird in der Atmungsphysiologie häufig der sog. PartialdruckPartialdruck eines Gases (PGas) angegeben. Der Grund dafür liegt hauptsächlich darin, dass für die Diffusion eines Gases (s.u.) zwischen zwei Kompartmenten nicht die Konzentrationsdifferenz ausschlaggebend ist, sondern die Partialdruckdifferenz. Es gleichen sich also Partialdruckunterschiede aus, nicht jedoch Konzentrationsunterschiede. Dabei ist der Partialdruck eines Gases derjenige Druck, der beobachtet werden kann, wenn eine einzelne Teilchenart eines Gasgemisches das zur Verfügung stehende Volumen alleine einnehmen würde. Nach dem Dalton-Gesetz(e):Dalton-GesetzDalton-GesetzGesetz ist der Gesamtdruck, den ein Gasgemisch erzeugt, gleich der Summe der Partialdrücke seiner Teilchenkomponenten. Mithilfe dieses Gesetzes lässt sich der Zusammenhang zwischen der fraktionellen Konzentration und dem Partialdruck als eine einfache lineare Beziehung herleiten:
(1)PGas=PB×FGas

MERKE

In einem Gasgemisch übt jedes einzelne Gas jenen Teil des Barometerdrucks (PB) aus, welcher seiner fraktionellen Konzentration entspricht.

Da F jeweils für trockene Gase angegeben wird, die Inspirationsluft aber in den Atemwege:Dalton-GesetzAtemwegen mit Wasserdampf gesättigt wird, ist bei Berechnungen in der Lunge der PB um den WasserdampfdruckWasserdampfdruck zu vermindern:
(2)PGas=(PBPH2o)×FGas
Da der Wasserdampfdruck nicht von PB, sondern von der Temperatur abhängt, ist ein höhenunabhängiger PH2O37 °C von 47 mmHg (6,26 kPa) physiologisch relevant. Für die wasserdampfgesättigte Inspirationsluft:wasserdampfgesättigteInspirationsluft auf Meereshöhe gilt also:
(3)PIO2=(76047)×0,21=150mmHG(19,96kPa)
Mit Ausnahme des Wasserdampfs (kein ideales Gas) gilt für alle anderen Atemgase annähernd die ideale Gleichung(en):ideale GasgleichungGasgleichung:idealeGasgleichung:
(4)V×P=n×R×T
Dabei ist R die allgemeine Gaskonstante, allgemeineGaskonstante (8,31 J × K–1 × mol–1), n die Gasmenge in Mol. Aus der Gasgleichung lässt sich ableiten, dass bei konstanter Temperatur (T) das Produkt aus Druck (P) und Volumen (V) konstant ist. Die Abhängigkeit des Volumens von P und T erfordert eine Definition der Messbedingungen bei der Angabe von Atemgasvolumina. Gebräuchlich sind die STPD-, BTPS- und ATPS-Bedingungen:
  • STPD = „standard temperature pressure STPD (standard temperature pressure dry)dry“, trockene Luft bei 0 °C und 760 mmHg

  • BTPS = „body temperature pressure BTPS (body temperature pressure saturated)saturated“, wasserdampfgesättigte Luft bei 37 °C und Umgebungsluftdruck

  • ATPS = „ambient temperature pressure ATPS (ambient temperature pressure saturated)saturated“, wasserdampfgesättigte Luft bei Umgebungstemperatur und Umgebungsluftdruck („Spirometerbedingungen“)

Gase in Flüssigkeit
Gas:in FlüssigkeitFlüssigkeit:GaseIm arteriellen Blut ist die gesamte Konzentration von O2 annähernd identisch mit jener der Inspirationsluft, also ca. 210 ml O2/l. Zellen, die von arteriellem Blut umspült werden, befinden sich also in einer der Luft ähnlichen „O2-Atmosphäre“.
Anders als in Luft sind die Atemgase im Blut jedoch nicht homogen und gleichmäßig verteilt, sondern befinden sich in verschiedenen Zustandsformen:
Physikalisch gelöster GasanteilJener Gasanteil, der sozusagen im molekularen Verband der Flüssigkeit „eingebettet“ ist, wird als physikalisch gelöst bezeichnet. Dieser Gasanteil spielt physiologisch eine sehr geringe Rolle. Nach dem Henry-Henry-Gesetz:Gase in FlüssigkeitGesetzGesetz(e):Henry-Gesetz ist die Konzentration des physikalisch gelösten Gases proportional zu dessen Partialdruck:Henry-GesetzPartialdruck:
(5)CGas=αGas×PGas
Dabei ist αGas der sog. LöslichkeitskoeffizientLöslichkeitskoeffizient. Er ist temperaturabhängig und gilt jeweils für ein bestimmtes Gas in einer bestimmten Flüssigkeit. Im Plasma ist α für Sauerstoff:LöslichkeitskoeffizientO2 mehr als 20-mal so niedrig wie für Kohlendioxid:LöslichkeitskoeffizientCO2O2 37 °C = 0,211 ml × l–1 × kPa–1 bzw. 0,00943 mmol × l–1 × kPa–1, αCO2 = 5,06 ml × l–1 × kPa–1 bzw. 0,226 mmol × l–1 × kPa–1). Bei einem physiologischen arteriellen PO2 von ca. 90 mmHg (12 kPa) ist also die Konzentration des physikalisch gelösten O2 nur etwa 2,53 ml × l–1, etwa ein Hundertstel der Gesamtkonzentration. Auch für CO2 gilt, wenn auch in geringerem Ausmaß, dass der physikalisch gelöste Anteil gegenüber der Gesamtkonzentration relativ klein ist.
Chemisch gebundener GasanteilJener Gasanteil, der nicht physikalisch gelöst ist, wird als chemisch gebunden bezeichnet. Dieser Begriff umfasst eine Reihe sehr unterschiedlicher chemischer Wechselwirkungen, wie z.B. die Bindung von Gasen an Proteine, aber auch die chemische Reaktion von Gasen mit Molekülen der Flüssigkeit. Physiologisch am bedeutendsten ist die Bindung von O2 an Hämoglobin sowie die chemische Reaktion von CO2 in Wasser zu HCO3 und H+.

MERKE

O2 und CO2 befinden sich also im Blut vorwiegend in chemisch gebundener Form (Kap. 10.5). N2 hingegen ist vorwiegend physikalisch gelöst.

Diffusion der Atemgase
Diffusion:AtemgaseAtemgase:DiffusionDiffusionsstromAtemgase diffundieren aus den Alveolen in die Lungenkapillaren und umgekehrt. Wie bereits erwähnt, ist die treibende Kraft die Partialdruckdifferenz, AtemgasePartialdruckdifferenz des jeweiligen Gases (ΔPGas). Für O2 wird der Partialdruck von der Inspirationsluft bis zu den Mitochondrien immer kleiner, für CO2 besteht ein Gefälle in die umgekehrte Richtung (Abb. 10.1). Die pro Zeit diffundierende Gasmenge (Diffusionsstrom JGas) verhält sich direkt proportional zur Partialdruckdifferenz des diffusiblen Gases (ΔPGas) und wird durch das erste Fick'sche Gesetz(e):Fick'sches DiffusionsgesetzFick'sches DiffusionsgesetzDiffusionsgesetz beschrieben:
K wird als Krogh-Krogh-DiffusionskoeffizientDiffusionskoeffizient bezeichnet und ist eine Materialkonstante, die vom Diffusionsmedium, von der Temperatur und Art und Größe des diffundierenden Gasmoleküls abhängt. F ist die Fläche und d die Dicke der Diffusionsschicht.
Diffusionskapazität, PartialdruckausgleichPartialdruck:AusgleichDiffusionskapazitätFormt man das Fick'sche Diffusionsgesetz um, indem beide Seiten der Gleichung durch ΔPGas dividiert werden, und fasst man K, F und d zu einer lungenspezifischen Konstante für ein bestimmtes Gas zusammen, ergibt sich die Diffusionskapazität DL:
(7)JGas/ΔPGas=K×F/d=DL
Die Diffusionskapazität ist definiert als das Gasvolumen bzw. die Gasteilchenzahl, die pro Minute bei einer Partialdruckdifferenz von 1 mmHg diffundiert.
Schon relativ rasch im Laufe der Blutpassage nimmt ΔPO2 und somit der O2-Diffusionsstrom JO2 entlang einer Lungenalveole ab, bis er null ist (Abb. 10.2a). Das bedeutet, dass sich die Sauerstoffpartialdruck:LungePartialdrücke von O2 (und auch Kohlendioxidpartialdruck:LungeCO2) im Kapillarblut den alveolären Werten normalerweise vollständig angleichen. Voraussetzung dafür ist einerseits die große Oberfläche der etwa 300 Millionen Alveolen:DiffusionskapazitätAlveolen von über 70 m2 und andererseits die minimale Distanz von wenigen Mikrometern zwischen Alveole und Kapillare (über das Alveolarepithel, AtemgasdiffusionAlveolarepithel, das Interstitium und das Kapillarendothel). Wegen dieser günstigen anatomischen/histologischen Bedingungen sind die Sauerstoffpartialdrücke bereits innerhalb von etwa 0,25 s vollständig zwischen Luft und Blut ausgeglichen, während ein Erythrozyt insgesamt die 3-fache Zeit benötigt, bis er die Alveole in seiner Kapillare hinter sich gelassen hat. Die „Reservezeit“ von ca. 0,5 s (0,75 s – 0,25 s) sorgt dafür, dass auch bei maximaler körperlicher Belastung und entsprechend verkürzter Passagezeit ein ausreichend langer Kontakt zwischen Alveolarluft und Erythrozyt besteht (ca. 0,25 s), sodass auch unter diesen Bedingungen das Kapillarblut vollständig mit O2 beladen wird (Abb. 10.2b).

MERKE

Aufgrund des physikalisch gelösten O2-Anteils steigt der O2-Partialdruck entlang der Perfusionsstrecke in den alveolären KapillarenKapillaren:perialveoläre an. Daher ist die gesamte aufgenommene O2-Menge (O2) beim Gesunden nicht durch die O2-Diffusion limitiert, sondern ausschließlich durch die LungendurchblutungLunge:DurchblutungDurchblutung:Lunge (= Lungenperfusion). Man spricht deshalb auch von einem perfusionslimitierten Gastransfer.Sauerstoffpartialdruck:DiffusionsstörungKohlenmonoxid:DiffusionskapazitätDiffusionsstörung, AtemgaseDiffusionskapazität:KohlenmonoxidDiffusionskapazität:DiffusionsstörungDiffusionskapazität:BestimmungAtemgase:Diffusionsstörung

Klinik

DiffusionsstörungBei einer Diffusionsstörung, z.B. bei einer Verdickung der Alveolarmembran (z.B. Lungenfibrose oder Höhenlungenödem), ist die Diffusionskapazität DL herabgesetzt. Der Sauerstofftransfer ist in diesem Fall „diffusionslimitiert“.Dennoch ist in Ruhe immer noch ein kompletter Gasaustausch möglich, weil Kapillarblut und Alveolarluft lange genug Kontakt haben (Abb. 10.2b). Schon eine geringe körperliche Belastung führt jedoch dazu, dass infolge der zu kurzen Kontaktzeit der PO2 des Blutes unter dem der Alveolarluft bleibt.

Will man bestimmen, ob die Diffusionskapazität DL der Lunge eingeschränkt ist, ist die O2-Aufnahme (O2) dafür nicht geeignet. Man bedient sich deshalb eines rein diffusionslimitierten Gases. Dazu eignet sich Kohlenmonoxid (CO) in geringen Mengen, da es eine derart hohe Affinität zu Hämoglobin besitzt, dass es praktisch irreversibel gebunden wird (sehr starke chemische Bindung, Kap. 10.5, Abb. 10.22) und der physikalisch gelöste Anteil gering bleibt. Die Verdrängung des O2 vom Hämoglobin ist auch die Ursache der CO-Vergiftung. Durch diese starke chemische Bindung steigt der CO-Partialdruck im Kapillarblut nicht wesentlich an. Es existiert also ein permanenter ΔPCO und somit JCO entlang der Alveolarkapillare von der Alveolarluft ins Blut, die CO-Aufnahme (CO) ist weitgehend von der CO-Diffusionskapazität (DLCO) abhängig. Da CO dem gesamten CO-Diffusionsstrom über alle Lungenalveolen (JCO) entspricht, gilt in Analogie zu den Gleichungen (6) und (7):

Für die diagnostische Bestimmung von DLCO kommt die sog. „single-breath“-Methode am häufigsten zur Anwendung. Hierbei atmet der Patient ein Atemgasgemisch mit einer kleinen, genau definierten CO-Konzentration (z.B. 0,3%) ein und hält für kurze Zeit (z.B. 10 s) die Atmung an. Die Menge des diffundierten CO kann anschließend aus der Differenz der alveolären CO-Konzentrationen am Anfang und Ende der Messung ermittelt werden. Diese Methode wird auch sehr häufig bei Athleten angewandt.

Atemmechanik

Zur Orientierung

Für die Leistungsfähigkeit des Atemapparats sind neben der Kraft der Atemmuskulatur und den elastischen Eigenschaften von Lunge und Thorax vor allem auch die Strömungswiderstände in den Atemwegen von Bedeutung.

Atembewegungen
AtemmechanikAtembewegungAtemruhelage, intrapleuraler DruckWenn Druck:intrapleuralerAtemruhelagedie Atemmuskulatur völlig entspannt ist, befinden sich Lunge und Thorax in der sog. Atemruhelage. In diesem Zustand halten sich zwei entgegengesetzte Kräfte die Waage:
  • zum einen die elastischen Kräfte der Lunge (s.u.), welche den Thorax nach innen ziehen,

  • zum anderen jene der Thoraxwand, die diesem Zug entgegenwirken.

Die Zugkräfte der Lunge führen dazu, dass im Pleuraspalt, dem flüssigkeitsgefüllten Raum zwischen Pleura pulmonalis und Pleura parietalis, ein gegenüber dem Atmosphärendruck geringfügiger Unterdruck entsteht (intrapleuraler Druck). Diese Kräfte ziehen auch an den die Lunge umgebenden intrathorakalen Geweben, sodass im gesamten intrathorakalen Raum ein Unterdruck entsteht (intrathorakaler Druck). So Druck:intrathorakalerkann mit einem Ösophaguskatheter der intrapleurale Druck leicht gemessen werden. Der Pleuraspalt hat reine Gleitfunktion und dank der Pleuralflüssigkeit und Adhäsion sind Lunge und Thorax funktionell (nicht anatomisch!) fest miteinander verbunden.

MERKE

Der intrapleurale Druck ist in Abwesenheit von Atembewegungen ein Maß für die Retraktionskräfte der Lunge.

Statische KräfteDie Atmung:statische KräfteAtemruhelage ist gleichzeitig der Ausgangspunkt für einen normalen Atemzyklus, bei Atemzyklusdem zuerst aktiv, d.h. unter Verwendung von Muskelkraft (Kontraktion der Inspirationsmuskulatur, vorwiegend Zwerchfell und Mm. intercostales externi), Lunge und Thorax gedehnt werden (Inspiration). InspirationAnschließend bewegen sich Lunge und Thorax wieder passiv ihrem Kräftegleichgewicht entgegen (Exspiration). Die ExspirationDehnung der Lunge während der Inspiration verstärkt deren elastischen Zug und somit den negativen intrathorakalen Druck (Abb. 10.3).

MERKE

Während der Normalatmung ist die Inspiration ein aktiver Vorgang. In Ruhe erfolgt die Exspiration passiv.

Dynamische KräfteNeben Atmung:dynamische Kräftediesen statischen Kräften wirken bei der Atmung auch noch dynamische Kräfte, die vorwiegend durch die Strömungswiderstände der Luft (s.u.) in den Atemwegen entstehen und somit von der Geschwindigkeit der Atmung beeinflusst werden. Infolge dieser Strömungswiderstände kann die Luft bei normaler Einatmung nicht schnell genug in die Alveolen Alveolen:Unterdruckströmen, und es entsteht intrapulmonal (d.h. zwischen Alveolarraum und der Außenluft) ein geringer Unterdruck von ca. –1 cmH2O (Abb. 10.3a). Während der Exspiration erreicht der intrapulmonale Druck Druck:intrapulmonalerpositive Werte. Bei sehr langsamer Atmung bleibt der intrapulmonale Druck während des Atemzyklus annähernd null (Abb. 10.3a). Ist die Atmung forciert oder sind die Atemwege verengt (s.u.), müssen die inspiratorischen oder exspiratorischen Muskeln starke Kräfte ausüben, um die Strömungswiderstände zu Strömungswiderstand:Atmungüberwinden. Diese Kräfte können die passiven Retraktionskräfte der Lunge bei Weitem übertreffen, sodass der intrathorakale Druck während der Exspiration hohe positive Werte erreichen kann.
Ruhedehnungskurve des Atemapparats
Die Ruhedehnungskurve:AtemapparatAtemapparat:RuhedehnungskurveRuhedehnungskurve des Atemapparats kann mithilfe eines Spirometers und Manometers bestimmt werden (Abb. 10.4). Dazu atmet ein Proband ein bestimmtes Volumen aus dem Spirometer ein, Spirometrie:Ruhedehnungskurvedas mit dessen Hilfe gemessen werden kann. Anschließend wird die Verbindung zum Spirometer geschlossen und der Proband entspannt seine Atemmuskulatur. Nun kann der intrapulmonale DruckDruck:intrapulmonaler (Ppulm) bei geöffneter Glottis mithilfe des Manometers gemessen werden. Der so gemessene Druck wird auch als statischer Retraktionsdruck Retraktionsdruck, statischerbezeichnet. Die Messung lässt sich nach Inspiration und Exspiration anderer Volumina wiederholen.
Werden die Inspirationsvolumina gegen die intrapulmonalen DrückeDruck:intrapulmonaler aufgetragen, erhält man die Ruhedehnungskurve des Atemapparats, V(Ppulm) in Abb. 10.5. Die Steigung der Druck-Volumen-Kurve, ΔV/ΔPDruck-Volumen-Diagramm:Atemapparat, genannt Compliance, ist ComplianAtemapparatAtemapparat:Compliance\bein Maß für die „Leichtigkeit“, mit der der Atemapparat gedehnt werden kann. Die Atemruhelage entspricht der Gleichgewichtslage des Atemapparats. In diesem Punkt ist der Druck in den Alveolen bei Alveolen:Ruhedehnungskurveentspannter Muskulatur genauso groß wie der atmosphärische Druck, und der intrapulmonale Druck beträgt damit 0 cm Wassersäule (cmH2O). Das Inspirationsvolumen entspricht in der Gleichgewichtslage des Atemapparats der funktionellen Residualkapazität (FRKFRK (funktionelle Residualkapazität)Lungenvolumina:funktionelle ResidualkapazitätResidualkapazität, funktionelle). Als FRK wird das totale Reservevolumen der Lunge bezeichnet (s.u.). In diesem Punkt besitzt die Ruhedehnungskurve ihre größte Steigung bzw. Compliance. Die Kurve hat einen S-förmigen Verlauf und flacht mit zunehmenden exspirierten (bei kleineren) und inspirierten (bei größeren) Volumen ab. Das maximale Lungenvolumen wird Lungenvolumina:Totalkapazitätals Totalkapazität oder Totalkapazitättotale Lungenkapazität (TLK) TLK (totale Lungenkapazität)Lungenkapazität, totalebezeichnet. Das Volumen, das in der Lunge nach maximaler Exspiration verbleibt, wird als Residualvolumen (RV) ResidualvolumenLungenvolumina:Residualvolumenbezeichnet. Über dieses Volumen können wir nicht willkürlich verfügen.
Um die Ruhedehnungskurve des Thorax:RuhedehnungskurveRuhedehnungskurve:ThoraxThorax, V(Ppleu) in Abb. 10.5, zu ermitteln, muss das Inspirationsvolumen gegen den intrathorakalen bzw. intrapleuralen Druck aufgetragen werden, der als Ösophagusdruck mithilfe einer Sonde gemessen werden kann. Die Ruhedehnungskurven des Atemapparats und des Thorax streben für negative Drücke gegen das Residualvolumen.
Die Ruhedehnungskurve der Ruhedehnungskurve:LungeLunge:RuhedehnungskurveLunge ließe sich nur am isolierten Organ experimentell bestimmen. Rechnerisch hingegen lässt sie sich aus dem sog. „transmuralen DruckDruck:transmuraler“ der Lunge, V(ΔP) in Abb. 10.5, leicht ermitteln, indem die Differenz aus intrapulmonalem (Ppulm) und intrapleuralem (Ppleu) Druck bei gleichen Inspirationsvolumina gebildet (Gleichung 9) und gegen die Inspirationsvolumina aufgetragen wird:
(9)ΔP=PpulmPpleu
Man erkennt, dass in der Gleichgewichtslage des Atemapparat:GleichgewichtslageAtemapparats (Ppulm = 0 cmH2O) im Pleuraspalt ein leichter Unterdruck herrscht, während ΔP um den gleichen Betrag positiv (Überdruck) sein muss.

Klinik

Thorax:PneumothoraxRetraktionsdruck, statischer:SpirometrieResidualkapazität, funktionelle:LungenfibrosePneumothoraxLungenfibroseLungenemphysemInspiration:LungenemphysemFRK (funktionelle Residualkapazität):LungenfibroseEmphysem, LungeComplianLungenfibroseAlveolen:LungenemphysemComplianLungenemphysemExspiration:LungenemphysemPneumothoraxWenn Luft entweder von außen (offene Thoraxverletzung) oder von innen (z.B. traumatische Lungenruptur, Tumor) in den Pleuraspalt eintritt, entsteht ein sog. Pneumothorax. In einem solchen Fall sind Lunge und Thorax nicht mehr durch Adhäsion miteinander verbunden. Es kommt zu einer Erweiterung des Thorax in seine Ruhelage, die dem Inspirationsvolumen entspricht, bei dem der intrapleurale Druck 0 cmH2O beträgt. Gleichzeitig zieht sich die Lunge aufgrund ihrer elastischen Retraktionskräfte zusammen. Das minimale Volumen, auf das sich die Lunge zusammenzieht, ist erreicht, wenn ΔP 0 cmH2O annimmt. Dieser Punkt im Druck-Volumen-Diagramm entspricht der Gleichgewichtslage der Lunge. Mit dem betroffenen Lungenflügel lässt sich nicht mehr atmen.

Spirometrie und statischer RetraktionsdruckIn der Praxis ist der statische Retraktionsdruck („static recoil pressure“) ein einfach bestimmbares Maß, mit dem Information über Compliance von sowohl Lunge als auch Thorax gewonnen werden kann. Der statische Retraktionsdruck ist der intrapulmonale Druck (Ppulm) bei entspannter Atemmuskulatur und kann dank Spirometrie bestimmt werden. Abb. 10.6 zeigt typische Druck-Volumen-Messpunkte bei normaler oder veränderter Lungenmechanik.

Fibrose und EmphysemBei Lungenfibrose, einer Vermehrung von Bindegewebe und kollagenen Fasern, ist die Compliance der Lunge herabgesetzt, d.h., Lunge und Thorax sind erschwert dehnbar. Dagegen sind die Retraktionskräfte der Lunge erhöht. Man erkennt deutlich in Abb. 10.6 (rote Kurve), dass sich die Gleichgewichtslage des Atemapparats infolge einer herabgesetzten Compliance der Lunge zu geringeren Volumina hin verschiebt. Die funktionelle Residualkapazität ist verringert. Umgekehrt ist bei einem Emphysem, also einem Ver-lust an Lungengewebe durch Umbau der Alveolen, die Compliance der Lunge erhöht, während die Retraktionskräfte der Lunge vermindert sind. Eine Inspiration ist unter solchen Bedingungen deutlich erleichtert. Hingegen ist eine Exspiration der eingeatmeten Volumina deutlich erschwert und es kommt zu einer Aufblähung des Atemapparats. Die Gleichgewichtslage des Atemapparats und damit die funktionelle Residualkapazität (FRK) ist zu größeren Volumina hin verschoben.

Elastische Kräfte der Lunge
Die elastischenLunge:elastische Kräfte Eigenschaften der Lunge lassen sich experimentell u.a. dadurch bestimmen, dass man die isolierte Trachea kanüliert, einen bestimmten Füllungsdruck ansetzt (= intrapulmonaler Druck) und dann jenes Volumen misst, mit dem die Lunge aufgebläht wird (= Lungenvolumen). Das Ergebnis ist eine Druck-Volumen-Kurve (Abb. 10.7Druck-Volumen-Diagramm:LungeLunge:Druck-Volumen-Kurve), aus der sich die Compliance (Dehnbarkeit)ComplianLungeLunge:Compliance der Lunge ableiten lässt. Die Compliance und somit auch die elastischen Eigenschaften werden maßgeblich durch zwei Faktoren bestimmt:
  • Elastin- und Kollagenfasern: Nach einer Inflation (Abb. 10.7, Pfeil nach oben) und Deflation (Abb. 10.7, Pfeil nach unten) nimmt die Lunge wieder ihr ursprüngliches minimales Volumen ein. Sie wird auch bei maximalen physiologischen Dehnungen nicht plastisch deformiert. Diese Eigenschaft verdankt sie u.a. der strumpfähnlichen Verflechtung von Elastin- und Kollagenfasern, die sich in den Wänden der Alveolen und entlang von Bronchien sowie Gefäßen befinden. Ein Abbau dieses Fasergeflechts, z.B. bei einem Emphysem, führt zu verminderten Retraktionskräften der Lunge und damit zu einer erhöhten Compliance. Bei einer Zunahme an Kollagenfasern (erhöhte Retraktionskräfte) vermindert sich dagegen die Compliance (siehe Klinik Fibrose und Emphysem und Abb. 10.6).

  • Oberflächenspannung der Alveolen: Alveolen:OberflächenspannungDie Oberflächenspannung der Alveolen wird maßgeblich durch Surfactant, sog. Surfactantoberflächenaktive Substanzen (s.u.), reguliert. Die sich im Verlauf der Inflation und Deflation ändernde Oberflächenspannung (Reorganisation der Surfactant-Moleküle) ist für die Veränderung der Druck-Volumen-Kurve (Abb. 10.7) verantwortlich.

Klinik

Künstliche BeatmungBei der künstlichen Beatmung muss ein Apparat den Druck aufbringen, den normalerweise die Atemmuskeln erzeugen, um die Lunge zu dehnen. Für physiologische Atemzugvolumina sind hierfür bei normaler Compliance nur geringe Drücke von < 10 cmH2O ausreichend. Bei der Überdruckbeatmung wird die Lunge des Patienten „aufgeblasen“, d.h., es wird über eine luftdichte Verbindung zu Mund (Mund-zu-Mund-Beatmung) oder Trachea (intubierter Patient) so lange Luft in die Atemwege gepresst, bis ein bestimmtes Volumen oder ein bestimmter Druck erreicht ist. Die Ausatmung erfolgt dann, wie beim gesunden Patienten, passiv (d.h. durch die elastischen Kräfte der Lunge). Bei der klinisch nicht mehr angewendeten Unterdruckbeatmung („eiserne Lunge“) befand sich der Patient bis zum Hals verschlossen in einer starren Box. Durch Unterdruck innerhalb der Box expandierten Thorax und Lunge und Luft strömte ein (Mund und Nase außerhalb der Box).

Oberflächenspannung
UnterdruckbeatmungÜberdruck:BeatmungLunge:eiserneBeatmung, künstlicheOberflächenspannung, AlveolenAlveolen:OberflächenspannungSituation in den AlveolenDie Epithelzellen der Alveolen sind durch einen hauchdünnen Flüssigkeitsfilm von der Luft getrennt. Wie an jeder Grenzfläche zwischen einer Gas- und Flüssigkeitsphase ist auch hier eine molekulare Kraft zwischen den oberflächlichen Flüssigkeitsmolekülen wirksam, die darauf ausgerichtet ist, die Oberfläche möglichst klein zu halten. Diese Kraft wird als Oberflächenspannung bezeichnet. Jede einzelne der etwa 500 Millionen Alveolen hat durch die Oberflächenspannung das Bestreben, sich selbst zu verkleinern und die Luft auszupressen. In einem geschlossenen System entstünde dadurch ein Innendruck (P), der nach dem Gesetz von LaplaceGesetz(e):Laplace-Gesetz umgekehrt Laplace-Gesetz:Alveolenproportional zum Radius (r) ist. In vereinfachter Form gilt:
(10)PT/r
T wird allgemein als Wandspannung bezeichnet, denn Wandspannung:Alveolendas Laplace-Gesetz gilt für jedes dehnbare Hohlorgan (s.a. Kap. 9.1.3, Herzmechanik, hier kann der Anstieg des Blutdrucks während der Austreibungsphase durch eine Verkleinerung des linken Ventrikelradius erklärt werden), nicht nur für den Alveolus. Beim geringen Alveolendurchmesser von nur etwa 200 μm würde an einer reinen Wasser-Luft-Grenzschicht eine so hohe Spannung entstehen, dass die Inspirationsmuskeln nicht die notwendige Kraft erzeugen könnten, um die Lunge zu dehnen. Das Laplace-Gesetz besagt, dass der Innendruck einer sich kontrahierenden Hohlkugel mit einem kleinen Radius größer ist als der Innendruck einer Hohlkugel mit großem Radius (das Aufblasen eines Luftballons ist zu Beginn am anstrengendsten). Das bedeutet aber auch, dass Luft aus den Alveolen mit einem kleinen Durchmesser direkt in Alveolen mit einem großen Durchmesser strömen würde und dadurch kleine Alveolen kollabieren, während große Alveolen überdehnt werden.
SurfactantDie Lungen Surfactant\bbenötigen deshalb einen Mechanismus, um die Oberflächenspannung zu reduzieren und das „Verkleben“ von Alveolen und terminalen Atemwegen zu verhindern. Zu Atemwege:Surfactant\bdiesem Zweck wird eine Substanz, bestehend aus verschiedenen oberflächenaktiven Molekülen, genannt Surfactant, von Typ-II-Alveolarzellen synthetisiert und Typ-II-Alveolarzellein den Alveolus freigesetzt. Surfactant besteht aus Lipiden (v.a. Phospholipide, Lezithinderivate) und Proteinen, wird in der Typ-II-Zelle in Vesikeln („lamellar bodies“) gespeichert und durch Exozytose sezerniert.

MERKE

Surfactant wird von Typ-II-Alveolarzellen synthetisiert und besteht hauptsächlich aus Lipiden und spezifischen Surfactant-Proteinen. Es verringert die Oberflächenspannung und damit das Verkleben von Alveolen.

Da der Surfactant-Film an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht durch Diffusion in die Atemwege und andere Prozesse verbraucht wird, muss er regelmäßig nachgeliefert werden. Ein Stimulus für die Surfactant-Freisetzung ist ein tiefer Atemzug. Darin liegt vermutlich die physiologische Bedeutung vom „Gähnen und Seufzen“.

Klinik

AtemnotsyndromEine Dysfunktion oder ein Mangel an Surfactant führt zum sog. Atemnotsyndrom oder RDS („respiratory distress syndrome“). Beispiel hierfür ist das Frühgeborenen-Atemnotsyndrom, bei dem die Typ-II-Zellen zu wenig Surfactant synthetisieren, weil die Lunge noch unreif ist. Das Resultat ist eine „steife Lunge“, die infolge ungleicher alveolärer Entfaltungsdrücke auch durch künstliche Überdruckbeatmung nicht adäquat behandelt werden kann. Nur durch lokale Applikation von isoliertem Surfactant (vom Rind oder Schwein) in die Atemwege kann diesen Frühgeborenen geholfen werden.

Lungenvolumina

Zur Orientierung

Das Atemzugvolumen kann unter Ausnutzung von Reservevolumina bei Bedarf erheblich vergrößert werden. Dabei ist maßgeblich, welcher Anteil des Atemzugvolumens über die Atemwege tatsächlich in den Alveolarraum gelangt und für den Gasaustausch zur Verfügung steht.

Respirationsvolumina
RDS (respiratory distress syndrome)Lunge:steifeAtemnotsyndromLungenvoluminaIn der Terminologie RespirationsvoluminaLungenvolumina:DefinitionAtemvoluminader Lungenfunktionsdiagnostik werden einzelne messbare Größen als Volumina, zusammengesetzte Werte als Kapazitäten bezeichnet:
  • Das Atemzugvolumen (VT) liegt normalerweise bei etwa 0,5 l.

  • Das inspiratorische Reservevolumen (IRV) kann zusätzlich bei maximaler Inspiration eingeatmet werden.

  • Das exspiratorische Reservevolumen (ERV) kann bei maximaler Exspiration zusätzlich ausgeatmet werden.

  • Als Vitalkapazität (VK) bezeichnet man die Summe der genannten drei Volumina; sie ist also das nach einer maximalen Exspiration maximal einatembare Volumen.

  • Das Residualvolumen (RV) ist das nach einer maximalen Exspiration noch in der Lunge verbleibende Restvolumen.

  • Die Totalkapazität ist das maximale Lungenvolumen, also die Summe aus Vitalkapazität und Residualvolumen.

Aus Gründen der leichteren Messbarkeit wird üblicherweise die Atemruhelage (s.o.) als Ausgangswert gewählt:
  • Man erhält die Inspirationskapazität (VT + IRV).

  • Die funktionelle Residualkapazität (FRK = ERV + RV) umfasst das Lungenvolumen nach einer normalen Exspiration (= Atemruhelage, s.o.).

Atemvolumina werden am einfachsten mit dem Spirometer gemessen (Abb. 10.4). In der klinischen Praxis haben sich jedoch die weitaus handlicheren Pneumotachygraphen durchgesetzt, bei denen die Volumina aus gemessenen Luftflüssen (s.a. Abb. 10.13) dank mathematischer Integration errechnet werden. Die Angabe von Normalwerten für die einzelnen Volumina wie in Abb. 10.8 ist nur näherungsweise möglich. Die Volumina sind abhängig von Körpergröße, Trainingszustand, Geschlecht und Alter (Abb. 10.9).
Residualvolumen
Die Messung des Residualvolumen:MessungResidualvolumens (RV) ist mit der Indikatorverdünnungsmethode und der Ganzkörperplethysmografie möglich.
GanzkörperplethysmografieIndikatorverdünnungsmethodeDie Indikatorverdünnungsmethode:ResidualvolumenIndikatorverdünnungsmethode beruht auf dem Prinzip, dass das Produkt aus Konzentration und Volumen konstant ist. Als Indikatorgas ist jedes nicht toxische, inerte Gas geeignet, dass nicht oder nur langsam über die Alveolarmembran ins Blut diffundiert (und somit dem System nicht verloren geht), was z.B. für Helium der Fall ist. Verbindet man also einen geschlossenen Behälter (z.B. Spirometer), der Helium enthält, mit dem Respirationstrakt (dichter Verschluss zwischen Behälter und Mund), so gilt nach homogener Verteilung von Helium im gesamten Raum (Behälter und Lunge) während der Atemruhelage:
(11)VB×Cvorher=(FRK+VB)×Cnachher
wobei VB das Behältervolumen ist, Cvorher die Heliumkonzentration im Behälter vor der Verbindung mit dem Patienten, und Cnachher jene nach homogener Verteilung in Lunge und Behälter gemessene Heliumkonzentration. Für die Bestimmung des RV ist das ERV (Spirometrie) von der errechneten FRK zu subtrahieren.
PlethysmografieDie plethysmografischePlethysmografie:Residualvolumen Messung des Residualvolumens beruht auf dem Boyle-Gesetz (in einem Gesetz(e):Boyle-GesetzBoyle-Gesetzgeschlossenen Raum ist das Produkt von Druck und Volumen eines idealen Gases konstant). Wenn ein Patient in einer geschlossenen Kammer sitzt und – von der Atemruhelage ausgehend – durch ein verschlossenes Mundstück (Drucksensor) zu inspirieren versucht, expandiert der Patient seinen Alveolarraum und die Atemwege, ohne ein entsprechendes Gasvolumen zu inspirieren, und der intrapulmonale Druck nimmt um die Druckdifferenz (–ΔPPulm; da ein Unterdruck entsteht, besitzt die Druckdifferenz negatives Vorzeichen) ab (Abb. 10.10). Umgekehrt nimmt in der Kammer das Luftvolumen (VKammer, vorab gemessen) ab und der Druck (ΔPKammer) zu. Da die Volumenänderung der Kammer im Vergleich zu deren Gesamtvolumen sehr gering ist, kann in guter Näherung das Kammervolumen (VKammer) als konstant angesehen werden. Unter dieser Annahme berechnet sich die funktionelle Residualkapazität (FRK) wie folgt:
(12)FRK(ΔPPulm)=VKammer×ΔPKammer
Im Gegensatz zur Verdünnungsmethode wird hier das gesamte Luftvolumen der Lunge bestimmt, auch jenes ohne offene Verbindung nach außen (z.B. jenes hinter verschlossenen Atemwegen).
Dynamische Faktoren bei der Atmung
Atmung:dynamische FaktorenVisköse AtemwiderständeAtemwege:WiderstandZu den dynamischen Faktoren gehören die nichtelastischen Gewebewiderstände (Widerstände, die durch die atmungsbedingte Gewebedeformation und reibung überwunden werden müssen), die vernachlässigbar kleinen Trägheitswiderstände (Luftbeschleunigung) sowie der stark ins Gewicht fallende Strömungswiderstand. Alle diese Widerstände zusammen werden auch als visköse Atemwiderstände bezeichnet.
StrömungswiderstandQuantitativ spielt Strömungswiderstand:AtemwegeAtemwege:Strömungswiderstandder Strömungswiderstand (R = Resistance) bei Weitem die Resistancegrößte Rolle (> 90%). In Analogie zum Ohm'schen Gesetz ist der Luftstrom Ohm'sches Gesetz:Resistanceproportional zu ΔP (= intrapulmonaler Druck Ppulm = Druckdifferenz zwischen Mund und Alveolen) und umgekehrt proportional zu R:
Diese Linearität zwischen ΔP und gilt nur bei ruhiger Atmung (annähernd laminare Strömung). Beim Husten oder bei Verengungen der Atemwege (z.B. Asthma) muss ein wesentlich höherer Druck entstehen, um denselben Strom zu erzeugen. Dafür werden bei der turbulenten Strömung auch wandnahe Luftteile in Bewegung gesetzt, ein gewünschter Effekt beim Husten, wo das gesamte Luftvolumen samt schädlicher Inhalte ausgeworfen werden soll.
Für die laminare Strömung gilt das Hagen-Poiseuille-GesetzStrömungswiderstand:AtemwegeGesetz(e):Hagen-Poiseuille-Gesetz, wonach R umgekehrt Hagen-Poiseuille-Gesetz:Resistanceproportional zur 4. Potenz des Atemwegsradius (r) ist:
Dabei ist ν die Viskosität des Gases und l die Länge des Zylinders. Da sich also bei einer Halbierung des Radius der Strömungswiderstand versechzehnfacht, kommt dem aktuellen Atemwegsdurchmesser eine enorme Relevanz zu. Die hohe Elastizität des Lungengewebes hat primär den Zweck, durch ständigen Zug an den Atemwegen (und Gefäßen) diese Atemwege:Hagen-Poiseuille-Gesetzwährend aller Atmungsphasen offen zu halten. Dennoch ist es unvermeidbar, dass sich die Atemwegsdurchmesser während der Exspiration vermindern. Es resultiert daraus eine umgekehrte Korrelation zwischen Lungenvolumen und Strömungswiderstand (Abb. 10.11). Diese ist dafür verantwortlich, dass bei obstruktiven Ventilationsstörungen vor allem das Atmen bei kleinen Lungenvolumina (= in Exspirationslage) schwerfällt.
Kontrolle des StrömungswiderstandsStrömungswiderstand:AtemwegeBeim Gesunden befindet sich der höchste Strömungswiderstand im Bereich der 4.–5. Aufteilung des Respirationstrakts (anatomisch also im Bereich der Segmentbronchien), denn hier ist der Gesamtquerschnitt am niedrigsten. Kleinere Atemwege nehmen aufgrund ihres hohen Gesamtquerschnitts nur einen geringen Anteil des Strömungswiderstands in Anspruch, können jedoch durch Veränderungen (Verstopfung durch Mukus, Schleimhautschwellung, Kontraktion der glatten Muskulatur) zum limitierenden Faktor für die Atmung werden. Erhöhte Mukusproduktion, Schleimhautschwellung und Muskelkontraktion sind oft gekoppelte Ereignisse, weil durch axonale Reflexe in der Bronchialwand (z.B. durch Reizung der Atemwege) sowie durch parasympathische Stimulation Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin, Neurotransmitter:AtemwegeSubstanz P) aus den Nervenenden freigesetzt werden. Diese bewirken, dass sich die glatten Muskeln kontrahieren, die Gefäßpermeabilität steigt und mehr Mukus sezerniert wird (Abb. 10.12). Ein Cocktail von Mediatoren kann auch durch Entzündungszellen freigesetzt werden, die ähnliche Wirkungen haben. An der glatten Muskelzelle aktivieren viele dieser Neurotransmitter und Mediatoren die Ca2+-Mediator:AtemwegeSignalkaskade, indem sie sich an ihren jeweiligen Rezeptor binden. Der einzige bekannte Gegenspieler dieser Muskelkonstriktoren ist Adrenalin aus dem Nebennierenmark, welches durch Bindung an β2-Rezeptoren den cAMP-Signalweg <03B2>2-Rezeptor:Atemwegeaktiviert, der auf intrazellulärem Niveau die Ca2+-abhängige Muskelkontraktion antagonisiert.
Lungenfunktionstests
Die bisher genannten LungenfunktionstestFunktionstests der Lunge:
  • Messung von Lungenvolumina, intrapulmonalem Druck, statischem Retraktionsdruck (als Maß für die Compliance) und dynamischen Parametern mit Spirometer (Abb. 10.4, Abb. 10.8),

  • Messung des Residualvolumens mit Indikatorverdünnungsmethode oder Ganzkörperplethysmografie (Abb. 10.10),

sind noch durch den sog. Tiffeneau-Test (exspiratorische Tiffeneau-TestExspiration:Tiffeneau-TestSekundenkapazität) zu ergänzen, der Sekundenkapazität, exspiratorischesich bewährt hat, um ein Maß für den Strömungswiderstand zu gewinnen (Abb. 10.13). Dabei atmet der Patient nach maximaler Inspiration so schnell und so tief wie möglich aus. Ausgewertet wird das exspirierte Volumen innerhalb der ersten Sekunde.Ventilationsstörung:obstruktiveVentilationsstörung:obstruktiveDruck:intrapleuraler

Klinik

Restriktive und obstruktive VentilationsstörungenAuf der Basis von Spirometrie, Compliance-Messung, Messung des Residualvolumens und Tiffeneau-Test lassen sich restriktive von obstruktiven Ventilationsstörungen gut unterscheiden:

  • Bei den restriktiven Ventilationsstörungen ist die Dehnbarkeit von Lunge und/oder Thorax herabgesetzt (z.B. Lungenfibrose, Thoraxdeformationen). Charakteristisch für diese Störungen sind herabgesetzte Lungenvolumina und Compliance bei normalem oder sogar erhöhtem FEV1/FVK (verstärkte Retraktionskraft bei Lungenfibrose).

  • Bei den obstruktiven Ventilationsstörungen ist der Strömungswiderstand erhöht. Als Ursache kommen die Kontraktion der Bronchialmuskulatur, die Verstopfung der Atemwege, wie z.B. durch Mukus, oder der Mangel an elastischen Fasern (herabgesetzte Zugkräfte an den Atemwegen) infrage. Häufige obstruktive Erkrankungen sind Asthma bronchiale, chronische Bronchitis, Emphysem und zystische Fibrose (s.u.). Infolge des erhöhten Strömungswiderstands ist hier eine Verminderung von FEV1/FVK charakteristisch. In der Fluss-Volumen-Kurve ist aufgrund der erhöhten Kollapsneigung der Atemwege bei geringem Lungenvolumen oft ein dramatisches Abnehmen des Flusses in diesem Bereich erkennbar (Abb. 10.13b). Diese Charakteristik gilt für intrathorakale Obstruktionen, bei denen primär die Exspiration erschwert ist. Bei extrathorakalen Obstruktionen (z.B. Larynxödem) ist hingegen die Inspiration erschwert.

Asthma bronchialeAsthma bronchiale ist ein klassisches Beispiel für eine intrathorakale obstruktive Ventilationsstörung, von der ca. 3–5% der Bevölkerung betroffen ist. Es wird durch eine Kontraktion der glatten Atemwegsmuskulatur verursacht. Erschwerend ist zusätzlich die Submukosa verdickt (z.B. durch Ödeme oder zelluläre Infiltration) und die Mukussekretion vermehrt. Diese Reaktionen sind z.B. Folge einer Freisetzung von Entzündungsmediatoren oder entstehen durch Epithelschädigungen via axonale aber auch vagovagale Reflexe (Acetylcholin wirkt auf die Atemwege konstriktiv). Da bei einer intrathorakalen Obstruktion besonders die Exspiration erschwert ist, ist der Druck in den Lungenarealen distal der Obstruktion während eines Asthmaanfalls stark erhöht, während es zur Umkehr des intrapleuralen (intrathorakalen) Drucks kommt, was den Kollaps der Atemwege im Sinne eines Circulus vitiosus fördert. Bei Patienten mit chronischer Entzündung, meist auf der Basis chronischer Rauchexposition, sind die Atemwegswände durch eine Hyperplasie der glatten Muskulatur („lung remodeling“) häufig dauerhaft verdickt, man spricht auch von COPD („chronic obstructive pulmonary disease“). Diese ist immer auch mit einem bestimmten Grad an Verlust von alveolärem Gewebe und elastischen Fasern (Elastasefreisetzung aus Makrophagen) verbunden. Dies bezeichnet man als Emphysem. Asthmatische Zustände sind bei Patienten mit COPD und Emphysem häufiger.

MERKE

Bei restriktiven Ventilationsstörungen ist die Dehnbarkeit von Lunge und/oder Thorax herabgesetzt, bei obstruktiven Störungen ist der Strömungswiderstand erhöht.

Totraum
Anatomischer TotraumVon jedem einzelnen Atemzug (VT) Ventilationsstörung:restriktiveKollaps:AtemwegeExspiration:Asthma bronchialeCOPD (chronic obstructive pulmonary disease)Atemwege:obstruktive VentilationsstörungAsthma bronchialeTotraum:anatomischergelangt nur ein bestimmter Teil in den Alveolarraum und nimmt am Gasaustausch teil (VA). Der Rest bleibt im sog. anatomischen Totraum (VD), der sich aus dem Atemweg durch Nase, Mund, Pharynx, Larynx, Trachea, Bronchien und Bronchiolen zusammensetzt.
(15)VT=VD+VA
Um beide Teilvolumina zu bestimmen, geht man von der Überlegung aus, dass bei der Ausatmung zunächst aus dem Totraum Luft ausgeatmet wird, die wegen des dort fehlenden Gasaustauschs noch unverändert die Gasfraktionen der Frischluft (FI) aufweist. Danach folgt aus dem Alveolarraum ein Gasgemisch mit den dort herrschenden Gasfraktionen (FA). Die insgesamt ausgeatmete Menge eines Gases VT × FE (FE = exspiratorische Gasfraktion) setzt sich also zusammen aus:
(16)VT×FE=VD×FI+VA×FA
Sie gilt für jedes Atemgas. Wendet man sie für CO2 an, dessen FICO2 praktisch null ist, dann ergibt sich nach Umformung der Gleichung (16):
Funktioneller TotraumMit der Bohr-Formel wird der Totraum:funktionellerfunktionelle Totraum Formel:Bohr-FormelBohr-Formelbestimmt, in dem kein Gasaustausch stattfindet. Da Lungenbereiche mit sehr hohen Ventilations-Perfusions-Quotienten (s.u., Lungenspitzenareale) zum funktionellen Totraum gehören, ist Letzterer immer etwas größer als der anatomische. Bei Ventilations-Perfusions-Störungen (Kap. 10.4.3) kann er aber erheblich zunehmen und eine Belastung für die Atemarbeit (Tab. 10.2) darstellen.

MERKE

Der anatomische Totraum ist der durch den Atemweg anatomisch vorgegebene Raum, in dem kein Gasaustausch stattfindet; der größere funktionelle Totraum schließt zusätzlich noch Lungenbereiche mit ein, die zwar belüftet, aber gerade nicht durchblutet (perfundiert) werden.

Transport in den Atemwegen
Die Atemwege dienen nicht nur Transport:AtemwegeAtemwege:Transportdem schnellen konvektiven Transport der Atemgase. Sie haben auch die wichtige Aufgabe, die Atemluft für die Aufnahme in die sehr empfindlichen Lungenalveolen vorzubereiten.
Mukoziliärer TransportSo fängt ein ständig auf dem Transport:mukoziliärerFlimmerepithel der Bronchien und Trachea auswärts gerichteter Schleimstrom (mukoziliärer Transport) z.B. Staubpartikel und Bakterien ab. Damit die Zilien des Flimmerepithels den Zilien:AtemwegeSchleim (Mukus) effizient mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm/min von den distalen Atemwegen bis zum Rachen transportieren können, bedarf es einer genau regulierten Flüssigkeitsschicht, auf der der Schleim gleiten kann. Daher sezernieren die distalen Atemwege aktiv Flüssigkeit (Abb. 10.14), wozu ihre Zellen die Polarisierung Cl-sezernierender Epithelien aufweisen. Das heißt, sie besitzen Cl-Kanäle vom CFTR-Typ (CFTR = „cystic Chloridkanal:Atemwegefibrosis transmembrane regulator“) in der luminalen Membran in Serie mit einem NaCl-Kotransporter in der basolateralen Membran (Abb. 10.14). Da sich der Gesamtquerschnitt des Respirationstrakts in oraler Richtung verkleinert, muss diese Flüssigkeit zur Aufrechterhaltung der Mukusdicke in rachennahen Abschnitten rückresorbiert werden. Im Trachealepithel, aber auch in der Nasen-Rachen-Schleimhaut exprimieren Epithelzellen deshalb den epithelialen NatriumkanalNatriumkanal:epithelialer (ENaC = „epithelial Na+-ENaC (epithelialer Natriumkanal):Atemwegechannel“).
Veränderungen bei GeburtDie fetale Lunge ist ein rein sezernierendes Lunge:GeburtLunge:fetaleGeburt:LungeOrgan. Die Flüssigkeitssekretion hält nicht nur die fetalen Atemwege offen, sondern ist auch über Dehnungsreize ein wichtiger Stimulus für Lungenwachstum und differenzierung. Während der Geburt findet in den Alveolen ein Wechsel von Sekretion zu Alveolen:GeburtResorption statt, um die Lunge vom Fruchtwasser zu befreien. Die Mechanismen dieses beeindruckenden Wechsels sind nur zum Teil bekannt.

Klinik

Zystische FibroseEine abnorme Funktion der luminalen Cl-Kanäle, wie etwa bei der zystischen Fibrose (= Mukoviszidose), einer vererbbaren Mutation des Chloridkanalproteins, führt zur Eindickung des Mukus und Verstopfung der Atemwege. Infektionen und frühes Organversagen sind die Folge. Die Behandlung erweist sich weiterhin als schwierig.

Ventilation und Perfusion

Zur Orientierung

Der Gasaustausch in der Lunge ist umso effektiver, je größer der Anteil des Atemzeitvolumens ist, welcher der alveolären Ventilation zugute kommt. Durch die Lungen muss das gesamte Herzminutenvolumen strömen. Voraussetzung für einen optimalen Gasaustausch ist ein koordiniertes Zusammenspiel von Ventilation und Blutstromstärke.

Ventilation

Atemzeitvolumen
Die Lungenbelüftung, die sog. Mukoviszidose:AtemwegeFibrose, zystische:AtemwegeChloridkanal:MukoviszidoseVentilationLunge:VentilationAtemzeitvolumenVentilation, wird vom Volumen der einzelnen Atemzüge (VT) und der Atemfrequenz (f) bestimmt. Sie wird angegeben Atemfrequenz:Atemzeitvolumenals Atemzeitvolumen (T), dabei gilt:
Unter Ruhebedingungen liegt das Atemzeitvolumen bei etwa 7 l/min. Unter körperlicher Arbeit steigt es mit dem erhöhten O2-Bedarf an und kann unter extremer Belastung Werte über 100 l/min erreichen.
Alveoläre Ventilation
DefinitionWichtiger als das gesamte Atemzeitvolumen (T) ist der Volumenanteil, der in die Alveolen gelangt und dem Gasaustausch zur Alveolen:alveoläre VentilationVerfügung steht. Dieser Anteil am Atemzeitvolumen wird als alveoläre Ventilation (A) bezeichnet. Der andere Ventilation:alveoläreAnteil des Atemzeitvolumens, der nicht dem Gasaustausch zur Verfügung steht, wird als Totraumventilation (D) bezeichnet. Für die Ventilation:TotraumTotraumventilationalveoläre Ventilation gilt daher:
oder
In Formel 20 entspricht VT dem Atemvolumen, VD dem Totraumvolumen und f der Atemfrequenz. Da die Größe des Totraums anatomisch vorgegeben ist (etwa 150 ml), ist der alveoläre Gasaustausch umso effizienter, je tiefer die Atmung gehalten wird. Eine alleinige Steigerung der Atemfrequenz kommt dagegen vornehmlich der Totraumbelüftung zugute (z.B. beim Hecheln des Hundes zur Wärmeabgabe).

MERKE

Der alveoläre Gasaustausch ist umso effizienter, je tiefer die Atmung ist.

Ein Beispiel: Bei einer Atemfrequenz von 14/min beträgt die Totraumventilation in Ruhe 14 × 0,15 = 2,1 l/min, und bei einer Ventilation von 7 l/min ist dann A = 4,9 l/min. Erhöht sich die Ventilation durch alleinige Steigerung der Atemfrequenz, z.B. auf das 3-Fache, dann Atemfrequenz:Ventilationverdreifacht sich auch D, also D = 3 × 14 × 0,15 l/min = 6,3 l/min, und A nimmt nur auf A = 3 × 7 l/min – 6,3 l/min = 14,7 l/min zu. Bleibt die Atemfrequenz aber gleich, während die Atemtiefe verdreifacht wird, ändert sich die Totraumventilation nicht, A erhöht sich aber auf A = 3 × 7 l/min – 2,1 l/min = 18,9 l/min.
MessungVentilation:alveoläreStatt über die Totraumventilation, wie gerade gezeigt, kann die alveoläre Ventilation auch direkt über die CO2-Konzentration in der Ausatemluft gemessen Kohlendioxidkonzentration:Ventilationwerden. Die gesamte ausgeatmete CO2-Menge muss aus den Alveolen kommen, da im Totraum kein Gasaustausch stattfindet. Daher gilt:
bzw.
Dabei ist FACO2 die fraktionelle CO2-Konzentration in den Alveolen. Sie ist mit einem Gasanalysator leicht aus dem letzten Anteil der Exspirationsluft (dieser Anteil kommt ausschließlich aus den Alveolen) messbar. Im alveolären Gasgemisch ist der Partialdruck von CO2 Kohlendioxidpartialdruck:alveoläres Gasgemischproportional zu einer Konstante (K), in die Barometerdruck, intrapulmonaler Druck und Wasserdampfdruck einfließen, sodass gilt: PACO2 = K × FACO2. Wir können also Gleichung (22) wie folgt umschreiben:
Wenn keine schwere Diffusionsstörung vorliegt, gleichen sich die Partialdrücke zwischen Alveolarluft und Blut vollständig aneinander an (Kap. 10.1), sodass PACO2 mit PaCO2 gleichgesetzt werden kann. Damit ergibt sich die praktisch wichtige Beziehung, dass bei konstanter CO2-Produktion des Körpers der arterielle CO2-Druck und die alveoläre Ventilation umgekehrt proportional sind.

MERKE

Verändert man bei einem künstlich beatmeten Patienten die alveoläre Ventilation um einen bestimmten Faktor (z.B. um die Hälfte), so verändert sich dessen PaCO2 um den Kehrwert dieses Faktors (z.B. auf das Doppelte).

Alveoläre GasgleichungWenn PACO2 infolge Hypoventilation Gasgleichung:alveoläresteigt, sinkt umgekehrt PaO2. Der Betrag, um den sich PAO2 verändert, ist allerdings nicht identisch mit jenem von PCO2, da der O2-Verbrauch nicht gleich hoch ist wie die CO2-Produktion (RQ = „respiratorischer Quotient“, Verhältnis von CO2-Produktion RQ (respiratorischer Quotient):alveoläre GasgleichungQuotient, respiratorischer:alveoläre Gasgleichungzu O2-Verbrauch, Kap. 15.4.1). Zur Berechnung von PAO2 aus PACO2 kommt die sog. alveoläre Gasgleichung zur Anwendung. Sie lautet in Gleichung(en):alveoläre Gasgleichungihrer vereinfachten Form:
(24)PAO2=PIO2PACO2/RQ
RQ ist bei ausgeglichener Ernährung ca. 0,8. Die alveoläre Gasgleichung ist sehr nützlich, um bei Störungen der O2-Aufnahme (z.B. Ventilations-Perfusions-Störungen, funktioneller Rechts-links-Shunt, Diffusionsstörungen, Kap. 10.5) die Differenz zwischen dem arteriellen (gemessenen) und alveolären (errechneten) PO2 zu quantifizieren (= alveoloarterielle O2-Differenz).
Atemarbeit
AtemarbeitAtemarbeit unter NormalbedingungenDie Atemmuskulatur leistet zwei Formen der Arbeit:
  • eine Druck-Volumen-Arbeit gegen die elastischen Kräfte bei der Dehnung von Lunge und Thorax

  • eine visköse Arbeit zur Überwindung der viskösen Atemwiderstände

Bei ruhiger Atmung ist der für die Atemarbeit nötigeAtmung:Atemarbeit Energiebedarf klein und erfordert nur etwa 1% des gesamten O2-Umsatzes. Mit steigender Ventilation ist die Zunahme der Atemarbeit und damit des Energiebedarfs größer. Sie scheint jedoch selbst unter hypoxischen Bedingungen, wie etwa in großer Höhe, nicht zum begrenzenden Faktor der körperlichen Leistungsfähigkeit zu werden.
Erhöhte AtemarbeitEine erhöhte Atemarbeit in Ruhe muss nicht nur bei restriktiven oder obstruktiven Ventilationsstörungen geleistet werden, sondern auch bei Zuständen mit erhöhtem Atembedarf (Tab. 10.2). Über längere Zeit kann die gesunde Lunge etwa 50% des Atemgrenzwertes (das ist das maximal leistbare Atemminutenvolumen) leisten, ohne dass die Atemmuskulatur ermüdet und eine Ateminsuffizienz entsteht. Wenn aber ein exzessives Maß an Atemanstrengung (Atemarbeit) notwendig ist, um den Atembedarf zu decken, entsteht in der Regel das Gefühl der Atemnot (Dyspnoe).

Perfusion

DyspnoeAtemnotErforderlicher DruckDie Lungen Perfusion, LungeLunge:PerfusionLunge:DurchblutungDurchblutung:Lungesind das einzige Organ, durch das das gesamte Herzminutenvolumen strömt. Da der Gefäßwiderstand Herzzeitvolumen:LungeHerzminutenvolumen:Lungeim Vergleich zum Körperkreislauf außerordentlich niedrig liegt, ist der erforderliche Perfusionsdruck entsprechend klein. Bei einer Perfusionsdruck:LungeBlutdruckamplitude in der A. pulmonalisArteria:pulmonalis von etwa 24/9 mmHg liegt der Mitteldruck um 15 mmHg (2,0 kPa). Da der diastolische Druck im linken Vorhof bei 8 mmHg liegt, genügen also 7 mmHg als treibende Kraft für die Lungenpassage des Blutes – verglichen mit etwa 90 mmHg (12,0 kPa) für den übrigen Körperkreislauf!
PerfusionsreserveIst das Herzminutenvolumen unter Perfusionsreservekörperlicher Arbeit gesteigert, nimmt der pulmonale Kapillardruck nur um wenige mmHg zu. Der Strömungswiderstand reduziert sich bei zunehmender Strömungswiderstand:LungenperfusionDurchblutung also weiter, indem die Lungengefäße druckpassiv dilatiert und Reservekapillaren eröffnet werden. In Ruhe wird nämlich nur etwa die Hälfte der vorhandenen Lungenkapillaren durchblutet. Je mehr das Herzminutenvolumen steigt, desto mehr Kapillaren werden perfundiert und umso größer wird die Kontaktfläche für den pulmonalen Gasaustausch. In dem vielfach ineinandergreifenden Mechanismus des gesteigerten Gasaustauschs bei körperlicher Arbeit erhöht sich also auch die pulmonale Diffusionskapazität.

Ventilations-Perfusions-Verhältnis

Alveolokapilläres KompartmentDas Ventilations-Perfusions-VerhältnisLunge:Ventilations-Perfusions-VerhältnisVerhältnis von alveolärer Ventilation A zu Blutperfusion wirkt sich stark auf die Gaskonzentration im arteriellen Blut aus. Zum Verständnis dieses Zusammenhangs ist es sinnvoll, Alveolarluft und Kapillarblut als einheitliches Kompartment zu betrachten (Abb. 10.15). Eine solche Betrachtungsweise ist deshalb legitim, weil zwischen Alveolarluft und Kapillarblut normalerweise ein vollständiger Ausgleich der Gaspartialdrücke stattfindet (Kap. 10.1). Die Ventilation ist in Abb. 10.15 durch das Hinzuschütten von O2 aus einem Behälter in dieses symbolische „alveolokapilläre Kompartment“ symbolisiert. Es erklärt sich von selbst, dass die O2-Konzentration im Efluat umso größer ist, je höher das Verhältnis von Ventilation zu Perfusion ist.
Körperhaltungsbedingte Ventilations-Perfusions-ÄnderungenIn aufrechter Thoraxstellung sindKörperhaltung:Ventilations-Perfusions-VerhältnisVentilations-Perfusions-Verhältnis:körperhaltungsbedingtes Durchblutung und Ventilation der Lunge regional unterschiedlich verteilt (Abb. 10.16):
  • Der niedrige Pulmonalarteriendruck von 15 mmHg reicht nicht voll aus, den Höhenunterschied zur Lungenspitze zu überwinden. In den teilweise kollabierten Gefäßen ist die Durchblutung entsprechend vermindert.

  • Auch die Ventilation nimmt von der Lungenbasis zur spitze hin ab, allerdings nicht so stark wie die Perfusion.

Deshalb resultiert ein A/-Verhältnis, das an der Spitze wesentlich höher ist als an der Basis. Im Durchschnitt (gemittelt über die gesamte Lunge) ist das A/-Verhältnis ziemlich ausgeglichen, d.h. 0,8–1.
Aufgrund der haltungsbedingten A/-Inhomogenitäten unterscheidet sich das arterielle Blut in Bezug auf Gasdrücke und konzentrationen wesentlich zwischen Lungenspitze und Lungenbasis (Abb. 10.16, Abb. 10.17). Dem durchschnittlichen A/-Verhältnis (s.o.) zufolge müsste ein PaO2 von 102 mmHg resultieren. Weil aber die Basisperfusion dominiert (niedriges A/-Verhältnis, hoch), hat das sich aus allen Lungenteilen mischende Blut nur einen PaO2 von 97 mmHg. Da außerdem etwa 2% des Herzminutenvolumens durch die Lunge fließen, ohne mit den Alveolen Kontakt zu haben („physiologischer Shunt“), vermindert sich der arterielleShunt, physiologischer O2-Druck weiter, sodass der arterielle O2-Partialdruck (PaO2) unter dem mittleren alveolären O2-Partialdruck (PAO2) liegt. Die resultierende alveoloarterielle O2-Differenz (Berechnung von PAO2 s.o.; alveoläre Gasgleichung) ist altersabhängig. Als Faustregel für Grenzwerte gelten 10 mmHg bis zum Alter von 20 Jahren, 20 mmHg bis 50 und 30 mmHg ab 50. Im Liegen und bei körperlicher Arbeit sind die Unterschiede weniger deutlich ausgeprägt.

MERKE

Faustregel für die alveoloarterielle O2-Differenz: 10 mmHg bis zum Alter von 20 Jahren, 20 mmHg bis 50 und 30 mmHg ab 50.

Klinik

Ventilationsstörung:obstruktiveVeränderungen des Ventilation-Durchblutungs-VerhältnissesJede stärkere Verminderung des A/-Verhältnisses führt zu einer verminderten O2-Sättigung des Blutes und zum klinischen Symptom der Zyanose. Niedrige A/-Verhältnisse findet man häufig bei den obstruktiven Ventilationsstörungen. Dabei verfärben sich infolge des vermehrten Anteils desoxygenierten Hämoglobins Haut und Schleimhäute bläulich. Zuerst lässt sich diese Blaufärbung im Fingernagelbett beobachten. Lungenareale mit zu niedrigen A/-Verhältnissen haben dieselbe Auswirkung wie ein pathologischer Rechts-links-Shunt (z.B. angeborene Herz- oder Gefäßanomalien), d.h., der PaO2 ist durch Beimengung von gemischtvenösem Blut ins arterielle System herabgesetzt. In der Praxis kann man durch Gabe von reinem O2 leicht zwischen diesen 2 Zuständen unterscheiden: Während sich die Hypoxämie bei herabgesetztem A/-Verhältnis bessern sollte, ist bei einem echten Shunt keine wesentliche Veränderung des PaO2 zu erwarten.

Areale mit sehr hohem A/-Verhältnis kommen hauptsächlich bei Strukturveränderungen der Lunge (Emphysem) oder bei Perfusionsstörungen (Pulmonalembolie) vor. Sie erhöhen den „funktionellen Totraum“ und vermindern somit die Effizienz der Atmung.

Euler-Liljestrand-MechanismusWährend die Inhomogenitäten von A/ Ventilations-Perfusions-Verhältnis:Euler-Liljestrand-MechanismusEuler-Liljestrand-Mechanismus:Ventilations-Perfusions-Verhältnisbei aufrechter Position durch die Gravitation aufgezwungen werden, kann die Lunge in gewissem Umfang auch von sich aus lokale Anpassungen vornehmen. Wenn der PAO2 in schlecht belüfteten Lungenpartien abnimmt, wird dort durch einen noch weitgehend unklaren Mechanismus (Euler-Liljestrand-Mechanismus oder „hypoxische Vasokonstriktion“) reflektorisch die Durchblutung Vasokonstriktion:hypoxischegedrosselt. Dadurch wird das Ventilations-Perfusions-Verhältnis wieder so eingestellt, dass auch unter diesen Bedingungen die O2-Aufsättigung des Blutes optimiert ist.Druck:hydrostatischerDruck:kolloidosmotischer

Klinik

Höhen-LungenödemDer physiologische Euler-Liljestrand-Mechanismus kann in großen Höhen zu einer dramatischen Situation führen: Der stark verminderte PIO2 führt zu einer sog. inspiratorischen Hypoxie, d.h., größere Lungenbezirke werden mit zu wenig Sauerstoff versorgt. Reflektorisch wird dann die Perfusion gedrosselt. Auf der anderen Seite ist aber durch Höhenstress und körperliche Anstrengung das Herzminutenvolumen gesteigert. Insgesamt erhöht sich also der hydrostatische Druck in den Lungenkapillaren. Sobald er den kolloidosmotischen Druck der Plasmaproteine übersteigt, wird Flüssigkeit aus den Kapillaren in den Alveolarraum filtriert, und es entwickelt sich das lebensbedrohende Höhenödem. Trotz intensiver Forschung sind die genauen Mechanismen des Höhenlungenoedems noch nicht aufgeklärt. Experimentelle Evidenz spricht allerdings dafür, dass Kaliumkanäle in der Plasmamembran von glatten Muskelzellen der Lungengefäße als „O2-Sensoren“ fungieren, sodass bei einer Verminderung des O2-Partialdrucks die Zellen depolarisieren, wodurch über eine Aktivierung spannungsabhängiger Kalziumkanäle eine Kontraktion der glatten Muskulatur der Lungengefäße ausgelöst wird. Wenn keine portable Höhenkammer zur Verfügung steht oder kein sofortiger Abtransport in die Tiefe möglich ist, kann der „entgleiste“ Reflex entweder durch Atmung von O2 oder durch Einnahme von NO-steigernden Mitteln (Sildenafil) unterbrochen werden. Dieser Reflex ist auch mitverantwortlich für das Zustandekommen eines pulmonalen Hochdrucks und eines „Cor pulmonale“ im Rahmen verschiedener Lungenerkrankungen.

Atemgastransport

Zur Orientierung

Pro Minute müssen bei einem erwachsenen Menschen in Ruhe etwa 300 ml O2 von der Umgebungsluft (Inspirationsluft) zu den O2-verbrauchenden Zellen der Organe transportiert werden. Das in umgekehrter Richtung transportierte CO2 umfasst ein etwas geringeres Volumen. Diffusion und konvektiver Gastransport im Blut (Transport durch Blutströmung) sind hintereinandergeschaltete Prozesse und müssen deshalb quantitativ das Gleiche leisten. Je weniger O2 im Blut chemisch gebunden werden kann (Anämie), desto größer muss die Pumpleistung des Herzens sein, um alle Organe effizient mit O2 zu versorgen.

Sauerstofftransport

O2-Bindung an Hämoglobin
Maximale O2-BindungskapazitätIn den Hypoxie:inspiratorischeHöhe(naufenthalt):LungenödemEuler-Liljestrand-Mechanismus:Höhen-LungenödemSildenafil:Höhen-LungenödemTransport:AtemgaseAtemgase:TransportTransport:SauerstoffSauerstoff:TransportHämoglobin:SauerstoffbindungErythrozyten wird O2 an den rotenSauerstoffbindungskapazität, Erythrozyten Erythrozyten:SauerstoffbindungskapazitätBlutfarbstoff, das Hämoglobin (Hb), gebunden. Hämoglobin ist ein Protein, das aus vier Polypeptidketten besteht, von denen jede eine als „Häm“ bezeichnete rote Farbkomponente trägt. Jedes Häm besitzt ein zentrales zweiwertiges EisenatomEisen:HämoglobinHämoglobin:EisenHämoglobin:Struktur, an das O2 angelagert wird. Bei voller Sättigung kann jedes Gramm Hb ein Volumen von 1,34 ml O2 binden (sog. Hüfner-Zahl). Mithilfe der Hüfner-Zahl lässt sich dieHüfner-Zahl maximale O2-Hämoglobin:Hüfner-ZahlBindungskapazität des Blutes berechnen. Die Hb-Hämoglobin:SauerstoffbindungskapazitätKonzentration im Blut liegt beim Mann bei etwa 160 g Hb/l, bei der Frau bei 140 g Hb/l. Ein Mann hätte also die folgende O2-Maximalkapazität:
In vivo wird eine solche vollständige Aufsättigung des Blutes bei der Lungenpassage aus folgenden Gründen nicht ganz erreicht:
  • A/-Inhomogenität (Kap. 10.4.3)

  • physiologischer Shunt: dem arteriellen Blut wird geringfügig venöses Blut (Vv. bronchiales, Vv. cordis) beigemischt

  • Methämoglobin: Menschliches Blut enthält immer einen Methämoglobin:Sauerstoffbindungskapazitätgeringen Anteil an Methämoglobin (Hämiglobin), in dem das zweiwertige Eisenatom in einer echten Oxidation in das dreiwertige Eisen (Fe3+) überführt worden ist, sodass kein O2 mehr angelagert werden kann.

MERKE

Hüfner-Zahl: Jedes Gramm Hb kann ein Volumen von 1,34 ml O2 binden. O2-SauerstoffmaximalkapazitätMaximalkapazität = maximale O2-Sauerstoffbindungskapazität:maximaleSauerstoffbindungskapazität:Hüfner-ZahlBindungskapazität = die Menge Sauerstoff, die maximal an Hb gebunden werden kann.MethämoglobinEisen:Methämoglobin

Klinik

MethämoglobinNormalerweise wird das in kleinen Mengen, aber ständig entstehende Methämoglobin (dreiwertiges Eisen) durch das Enzym Methämoglobinreduktase wieder in funktionstüchtiges Hämoglobin zurückverwandelt (reduziert). Bei angeborenem Enzymdefekt oder bei Vergiftung durch z.B. bestimmte Analgetika, Pilzgifte oder Nitrate aus Düngerrückständen im Trinkwasser kann ein größerer Teil des Blutfarbstoffs als Methämoglobin vorliegen und zu pathologischen O2-Versorgungsstörungen führen.

OxygenierungBei der physiologischen O2-Anlagerung an das Hb behält das zentrale Eisenatom seine zweiwertige Form (Fe2+). Man spricht hier daher auch von einer Oxygenierung und bezeichnet die physiologische Oxygenierung, HämoglobinHämoglobin:OxygenierungEntkoppelung des O2 vom Hb als Desoxygenierung.

MERKE

Oxygenierung = physiologische O2-Anlagerung an das Hb, DesoxygenierungDesoxygenierung = physiologische Entkoppelung des O2 vom Hb, Oxidation = pathologische Überführung in ein dreiwertiges Eisen im Hb.

O2-BindungskurveDas Ausmaß der O2-Bindung an das Hämoglobin ist Sauerstoffbindungskurvevom PO2 abhängig. Am Ende der Sauerstoffpartialdruck:HämoglobinLungenkapillaren beträgt der PO2 im arterialisierten Blut etwa 95 mmHg. Er reicht aus, um das Hb nahezu vollständig in die oxygenierte Form (HbO2) zu überführen. Sinkt der PO2, nimmt der Oxygenierungsgrad zunächst nur langsam und dann immer steiler in einem S-förmigen Kurvenverlauf ab (Abb. 10.18). Man bezeichnet diese Kurve als O2-Dissoziationskurve oder O2-Bindungskurve.

MERKE

Die O2-Bindungskurve gibt die Abhängigkeit der Oxygenierung vom arteriellen Sauerstoffpartialdruck wieder.

Die Steilheit der O2Sauerstoffdissoziationskurve-Bindungskurve wird durch die jeweilige O2-Maximalkapazität bestimmt, ist also von der Menge des individuell zur Verfügung stehenden Hämoglobins abhängig. Zur Normierung der O2-Bindungskurve hat man den Begriff der O2-Sättigung (SO2) eingeführt:
Da mit der O2-Sättigung Sauerstoffsättigungdie O2-Beladung des Hb relativ in Prozent der jeweiligen Hämoglobin:SauerstoffsättigungMaximalkapazität angegeben wird, ist der Verlauf der Bindungskurve von der absoluten Größe der Maximalkapazität unabhängig.
Sauerstoffaufsättigung im Gewebe
Der sigmoide Verlauf der O2-Bindungskurve ist Gewebe:Sauerstoffaufsättigungvon größter biologischer Bedeutung. Der flache Kurvenverlauf im höheren Partialdruckbereich garantiert auch dann noch eine ausreichende O2-Aufsättigung des Blutes, wenn z.B. bei Lungendiffusionsstörungen im Alter der arterielle PO2 deutlich erniedrigt ist. Auch ein stärkeres Absinken des PO2in der Inspirationsluft kann dadurch recht gut kompensiert werden (Abb. 10.19). Auf einem 3.000 m hohen Berg herrscht nur noch ein mittlerer Barometerdruck von 530 mmHg (70,6 kPa) und damit ein PAO2 von nicht mehr als 65 mmHg (8,7 kPa). Sauerstoffpartialdruck:HöheTrotzdem sinkt die arterielle O2-Sättigung nur auf 92% gegenüber ca. 97% auf Meereshöhe.Sauerstoffsättigung:Höhe
Sauerstoffentkoppelung im Gewebe
Der steile Teil der O2-Bindungskurve ist Gewebe:Sauerstoffentkoppelunggünstig für die Entkoppelung des O2 im Sauerstoffbindungskurve:SauerstoffentkoppelungGewebe. Sinkt im flachen Teil der Bindungskurve der PO2 um 35 mmHg, vermindert sich die SO2 nur um 5%. Der mittlere PO2 beträgt im Gewebe ca. 40 mmHg. Dieser Wert liegt im steilen Sauerstoffpartialdruck:GewebeBereich der O2-Bindungskurve. Sinkt der PO2 im Gewebe um wenige mmHg ab, können somit wesentlich größere Mengen O2 entkoppelt werden, als dies bei höheren PO2 der Fall wäre.

MERKE

Wenn ein Organ zu stärkerer Leistung veranlasst wird und der PO2 im Gewebe dadurch von seinem mittleren Wert von 40 mmHg nur um wenige mmHg mehr absinkt, dann kann eine beträchtliche zusätzliche Menge an O2 vom Hb entkoppelt werden.

EinflussfaktorenDie Entkoppelung des O2 kann außerdem vom Stoffwechsel her beeinflusst werden. Verschiedene Faktoren, Metaboliten und Hormone, die als Ursache oder Folge eines erhöhten zellulären Energieumsatzes zu beobachten sind, können die Affinität des Hb für O2 herabsetzen. Für die O2-Bindungskurve bedeutet dies eine Verschiebung nach rechts. Bei gegebenem PO2 des Gewebes kann dann jeweils eine größere O2-Menge entkoppelt und dem Stoffwechsel zugeführt werden. Die wichtigsten dieser Faktoren sind:
  • Temperaturanstieg

  • Wasserstoffionenkonzentration (H+-Anstieg)

  • PCO2

  • Erhöhung der erythrozytären Konzentration von 2,3-Diphosphoglycerat (DPG)

Steigt einer dieser Parameter an, verschiebt dies die O2-Bindungskurve nach rechts, während eine Abnahme zu einer Sauerstoffbindungskurve:RechtsverschiebungRechtsverschiebung, SauerstoffbindungskurveLinksverschiebung führt (Abb. 10.20). Die Steigung der Kurve Sauerstoffbindungskurve:LinksverschiebungLinksverschiebung:Sauerstoffbindungskurveverändert sich bei der Verschiebung nicht. Als Maß für die Verschiebung der O2-DissoziationskurveDissoziationskurve:Sauerstoff dient der P50-Wert. Er gibt den PO2 an, bei Sauerstoffdissoziationskurve:P50-Wertdem das Blut zu 50% mit O2 gesättigt ist. Als Normalwert gilt ein P50 von 27 mmHg. Höhere Werte zeigen eine Rechtsverschiebung an, niedrigere sind bei Linksverschiebung zu finden.
TemperatureffektFür die normalen Lebensumstände eines Warmblüters ist der Temperatureffekt nicht allzu bedeutsam. Zu beachten ist er jedoch bei starken Unterkühlungen, wie z.B. Unfällen im Hochgebirge oder auch bei Operationen in Hypothermie. Dabei wird die Körpertemperatur um bis zu 10 °C gesenkt, um besonders den Körpertemperatur:SauerstoffentkoppelungStoffwechsel des Gehirns und damit dessen Vulnerabilität herabzusetzen. Es ist zu beachten, dass eine Abkühlung des Körpers unter eine kritische Temperatur von etwa 24 °C zum Tod durch O2-Mangel führen kann, weil sich dann der O2 aus dem voll aufgesättigten Blut nicht nutzen lässt. Auf der anderen Seite verbessert das „Aufwärmen“ vor einer körperlichen Leistung die O2-Versorgung der ExtremitätenmuskulaturMuskulatur:quergestreifte nicht nur durch die Anregung der Skelettmuskulatur:SauerstoffentkoppelungDurchblutung, sondern auch hinsichtlich der O2-Entkoppelung. Die Temperatur der Extremitäten ist nämlich nur unvollkommen in die homoiotherme Regulation einbezogen und im Ruhezustand sehr von der Außentemperatur abhängig.
Bohr-EffektPCO2 und pH stehen in enger Beziehung Kohlendioxidpartialdruck:SauerstoffbindungskurveEffekt:Bohr-EffektBohr-Effektzueinander und Sauerstoffbindungskurve:Bohr-EffektpH-Wert:Sauerstoffbindungskurvebeeinflussen den Verlauf der O2-Bindungskurve erheblich. Steigt der PCO2, sinkt der pH (Kap. 12.2), und die Affinität des Sauerstoffs zum Hb wird schlechter. Dieses als Bohr-Effekt bezeichnete Verhalten unterstützt den Austausch des O2 im Gewebe und in der Lunge:
  • Im Gewebe wird Sauerstoff verbraucht und entsprechend Gewebe:Bohr-EffektCO2 produziert. Dadurch ist der PO2 niedriger und der PCO2 höher als im anfließenden Kapillarblut, und beide Gase diffundieren entlang ihrem Konzentrationsgradienten. Durch die Aufnahme von CO2 in die Erythrozyten steigt dort der PCO2, und die Affinität des Hämoglobins für O2 wird gemindert. Sauerstoff wird verstärkt abgegeben und für den Verbrauch im Gewebe bereitgestellt. Der Bohr-Effekt trägt also dazu bei, dass die O2-Zufuhr der Höhe des aeroben Energieumsatzes im Gewebe angepasst werden kann.

  • Umgekehrt liegen die Verhältnisse in der Lunge. Dort kommt es durch die Abgabe von CO2 Lunge:Bohr-Effektgleichzeitig mit der O2-Aufsättigung zu einer Linksverschiebung der O2-Bindungskurve. Damit besitzt Hämoglobin in der Lunge eine höhere Affinität für O2, wodurch die O2-Aufnahme im Blut begünstigt wird.

  • Von besonderem Vorteil ist der Bohr-Effekt immer dort, wo ein hoher O2-Umsatz zu einer erhöhten Produktion von CO2 und sauren Valenzen führt. So kommt es bei einem Organ wie dem Herzen, dessen Durchblutung begrenzt ist, zu einem höheren PCO2 als in anderen Organen. Mit dessen Hilfe ist eine besonders starke Ausschöpfung des O2 möglich.

  • Auch bei einer stark belasteten MuskulaturMuskulatur:quergestreifte spielt der Effekt eine Rolle, wenn unter Skelettmuskulatur:Bohr-Effekteiner O2-Schuld Milchsäure (Laktat) angehäuft wird und der pH damit deutlich sinkt.

Relevant ist der Bohr-Effekt auch für den Gasaustausch in der Plazenta. Das fetale Blut hat eine erhöhte Hb-Plazenta:Bohr-EffektKonzentration von etwa 180 g/l und eine steiler verlaufende O2-Bindungskurve (Abb. 10.18). Dem Vorteil, mehr O2 binden Sauerstoffbindungskurve:fetales Blutzu können, würde der Nachteil entgegenstehen, bei gegebenem PO2 im Gewebe weniger O2 abgeben zu können. Letzteres aber wird weitgehend dadurch ausgeglichen, dass das fetale Blut einen niedrigeren pH-Wert von etwa 7,25 hat und so mithilfe des Bohr-Effekts die O2-DissoziationskurveDissoziationskurve:Sauerstoff wieder nach rechts verschoben wird.
Sauerstoffdissoziationskurve:fetales Blut2,3-DiphosphoglyceratIst der PO2 im Rechtsverschiebung, Sauerstoffbindungskurve:fetales Blutarteriellen Blut über längere Erythrozyten:2,3-Diphosphoglycerat2,3-DiphosphoglyceratZeit reduziert, dann führt das zu einer Änderung im Stoffwechsel der Erythrozyten. Dies ist sowohl in größerer Höhe, aber auch infolge eines Hämoglobinmangels im Blut (Anämie) oder bei Ausdauertraining bis an die Belastungsgrenze möglich. Beim Glukoseabbau wird vermehrt ein Nebenweg eingeschlagen, und es häuft sich 2,3-Diphosphoglycerat (2,3-DPG) an. Auch diese Substanz verursacht eine Rechtsverschiebung der O2-BindungskurveSauerstoffbindungskurve:Rechtsverschiebung. Bei gegebenem PO2 im Gewebe kann mehr O2 entkoppelt werden (Abb. 10.21). Ebenso wie der Bohr-Effekt stellt auch der 2,3-DPG-Effekt ein sehr ökonomisches Prinzip einer verbesserten O2-Versorgung dar. Ohne dass zusätzliche Energie für Herz- und Atemarbeit aufgewendet werden muss, wird durch eine verbesserte Nutzung der vorhandenen Kapazität dem Gewebe vermehrt O2 zur Verfügung gestellt. Diesen Effekt sowie eine erhöhte Bildungsrate von roten Blutkörperchen macht man sich im Sport in Form des Höhentrainings zunutze (Kap. 10.6).
Oxymetrie
Arterielles Blut, in dem das Hb mit O2 Oxymetriegesättigt ist, hat eine hellrote Farbe. Venöses Blut wird mit zunehmender Desoxygenierung dunkler und bläulich rot. Diese Farbverschiebung in Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung erklärt auch die ZyanoseZyanose, Oxymetrie, die z.B. bei einerSauerstoffsättigung:Oxymetrie O2-Unterversorgung beobachtet werden kann. Ursachen der Farbänderung sind Unterschiede in der Lichtabsorption. Dies lässt sich quantitativ spektrophotometrisch erfassen. Die photometrische Messgröße für die Absorption ist die sog. Extinktion. Im sichtbaren Bereich des Spektrums hat Extinktion, Oxymetrieoxygeniertes Hb ein doppelgipfliges Extinktionsmaximum, Hämoglobin:oxygeniertesdesoxygeniertes Hb nur ein einfaches (Abb. 10.21). In den Hämoglobin:desoxygeniertesBereichen, in denen bei geringer Extinktion beide Kurven relativ weit auseinanderliegen (z.B. 600 nm), lassen sich über Extinktionsmessungen sehr empfindliche Unterschiede in der O2-Sättigung erfassen. Bei Wellenlängen, an denen beide Kurven sich schneiden, an den sog. isosbestischen Punkten, ist die Extinktion unabhängig von der O2-Sättigung und eignet sich zur Messung der Hb-Konzentrationen. Dieses Messverfahren wird Oxymetrie genannt. Es findet z.B. Anwendung zur Überwachung von Patienten während einer Operation oder beim Monitoring auf Intensivstationen.
Sauerstoffvorräte
O2-VerteilungIm arteriellen Schenkel des Kreislaufs befinden sich nur Arterien:Sauerstoffvorräteetwa 15% des Blutvolumens, also nur etwa 900 ml Blut, in denen nicht mehr als 200 ml O2 gebunden Blutvolumen:Sauerstoffvorrätesind. Die O2-Utilisation, d.h. wie viel vom O2-Angebot verbraucht wird, beträgt in Gehirn, Myokard und ruhendem SkelettmuskelMuskulatur:quergestreifte Gehirn:Sauerstoffverbrauchzwischen 40 undMyokard:Sauerstoffverbrauch 60% und kann im ExtremfallSkelettmuskulatur:Sauerstoffverbrauch Höchstwerte bis 90% erreichen. Der O2-Bestand im Gewebe ist auch nicht größer als etwa 200 ml. 75% davon sind zudem relativ fest an Myoglobin, den Hb-ähnlichen Farbstoff des MuskelgewebesMyoglobin:Sauerstoffbindung, gebunden. Mit den in freier Lösung befindlichen 50 ml O2 kann selbst unter Ruhebedingungen der O2-Verbrauch kaum länger als 10 Sekunden aufrechterhalten werden. Der Organismus besitzt also praktisch keine O2-Speicher und ist auf eine ununterbrochene und ständig dem Bedarf angepasste O2-Zufuhr angewiesen.
MyoglobinAuch das Myoglobin im Muskelgewebe ist kein O2-Speicher von nennenswerter Kapazität (Abb. 10.22). Immerhin ist ihm aufgrund seiner reversiblen O2-Bindung eine gewisse O2-Pufferwirkung zuzuschreiben. Wenn bei einsetzender Muskelarbeit der O2-Verbrauch momentan stark ansteigt und dadurch der lokale PO2 drastisch sinkt, kann O2 aus dem Myoglobin zur akuten Bedarfsdeckung entkoppelt werden, bis die unmittelbar darauf einsetzende Durchblutungssteigerung wieder ausreichend O2 nachliefert.
Myoglobin ist ähnlich wie eine einzige der vier Grundeinheiten des Hämoglobins aufgebaut. Es kann entsprechend nur ein Molekül O2 anlagern und hat aus diesem Grund im Gegensatz zum sigmoiden Verlauf der Hb-Bindungskurve eine hyperbolische O2-Bindungskurve.
Kritischer SauerstoffpartialdruckDer O2-Sauerstoffbindungskurve:MyoglobinUmsatz innerhalb der Zellen findet in denSauerstoffpartialdruck:kritischer, Mitochondrien Mitochondrien:SauerstoffpartialdruckMitochondrien statt. Die Mitochondrien brauchen einen Mindest-O2-Druck, um den oxidativen Stoffwechsel aufrechterhalten zu können. Dieser kritische PO2 der Mitochondrien liegt bei 0,1–1,0 mmHg (13,3–133 Pa). Da entlang den Kapillaren durch zunehmende Entkoppelung von O2 der PO2 zum venösen Ende hin abnimmt und die Zellen zudem in unterschiedlicher Entfernung zur nächsten Kapillare gelegen sind, ist der PO2 im Gewebe inhomogen verteilt. In O2-stoffwechselaktiven Organen ist für die am schlechtesten mit O2 versorgten Zellen daher zu erwarten, dass sie mit einem nur geringfügig über dem kritischen Wert liegenden mitochondrialen PO2 operieren müssen. Gerade in den besonders empfindlichen Gehirnzellen kann dies bei vollständiger Unterbrechung der O2-Zufuhr (Anoxie, z.B. nach Hirninfarkt) sehr schnell zu Schäden führen.

Klinik

SauerstoffmangelBei akuter Anoxie (z.B. Herzstillstand) sind schon nach 5 Sekunden erste zerebrale Störungen feststellbar, und nach 15 Sekunden kommt es zur Bewusstlosigkeit. Eine irreparable Schädigung tritt nach 8–10 Minuten ein. Oft führt aber schon eine Anoxie von 4–5 Minuten zum Hirntod, da das Herz nach einem Herzstillstand dieser Dauer eine nachfolgende Erholungszeit von etwa 5 Minuten benötigt. In dieser Zeit kann es noch nicht den arteriellen Druck für eine ausreichende Gehirnperfusion entwickeln.

Der Erfolg einer Wiederbelebung nach akuter Anoxie wird also durch die Überlebenszeit des Gehirns begrenzt. Andere Organe haben eine geringere sog. Vulnerabilität. So kann z.B. bei einer Extremität über mehrere Stunden die Durchblutung unterbunden sein und sich danach wieder volle Funktionstüchtigkeit einstellen. Bei einer Organtransplantation kann die Überlebenszeit eines Spenderorgans wie Niere oder Herz über Stunden verlängert werden, wenn der Gewebestoffwechsel durch Kühlung herabgesetzt wird.

CO-VergiftungDas bei unvollständiger Verbrennung (z.B. Autoabgase) entstehende Kohlenmonoxid (CO) hat eine mehr als 200-mal höhere Affinität zum Hämoglobin als Sauerstoff (Abb. 10.22). Bei einem CO-Partialdruck von Bruchteilen eines mmHg sind also schon so viele Hb-Moleküle mit CO besetzt, dass O2-Moleküle verdrängt sind, kein ausreichender O2-Transport mehr stattfindet und der Tod durch O2-Mangel eintritt.

Kohlendioxidtransport

Kohlendioxidbindung
CO2 ist etwa 20-mal besser löslich als O2. Es wirdSauerstoffmangelSauerstoffmangel:KohlenmonoxidvergiftungKohlenmonoxid:VergiftungHirntod:SauerstoffmangelGehirn:SauerstoffmangelBewusstlosigkeit:SauerstoffmangelKohlendioxid:TransportTransport:Kohlendioxid Kohlendioxid:Bindungüberwiegend als HCO3 im Blut transportiert und nur geringfügig als Gas in physikalischer Lösung. Wie beim O2 ist die Bindung vom Partialdruck abhängig, die CO2-Bindungskurve erreicht jedoch keinen Endwert (Abb. 10.23). KohlendioxidbindungskurveHämoglobin als begrenzt vorhandenes Transportmolekül wird alsHämoglobin:Kohlendioxidbindung Vehikel nur von rund
120
des vorhandenen CO2 unter Bildung einer Carbaminobindung benutzt.
BikarbonatbildungDie Masse des CO2 wird als Bikarbonat (HCO3) gebundenBikarbonat:Kohlendioxidbindung. Die Reaktion von CO2 mit Wasser zu Kohlensäure läuft langsam ab:
(27)CO2+H2OH2CO3
Durch das in den Erythrozyten vorhandene Enzym Carboanhydrase wird der Vorgang um mindestens den Faktor 1.000 Erythrozyten:CarboanhydraseCarboanhydrase:Kohlendioxidbindungbeschleunigt. Das im Gewebe produzierte CO2 diffundiert in das Plasma und von dort in die Erythrozyten (Abb. 10.24). Hier wird es mithilfe der Carboanhydrase in Kohlensäure umgewandelt, die wiederum sofort und fast vollständig in Bikarbonationen und H+ dissoziiert. Die Protonen werden überwiegend durch Hämoglobin abgepuffert. Da somit die Bikarbonatbildung unmittelbar vom PCO2 abhängig ist, steigt die CO2-Kohlendioxidpartialdruck:BikarbonatbildungBindungskurve (Abb. 10.23) stetig mit dem PCO2 und zeigt keine Sättigungskinetik wie die O2-Bindungskurve.
Hamburger-ZyklusBikarbonat, das am Ort seiner Bildung höher Hamburger-ZyklusBikarbonat:Hamburger-Zykluskonzentriert ist als außerhalb des Erythrozyten, kann seinem Konzentrationsgradienten zufolge im Antiport gegen Cl, welches einen entgegengesetzten Antiport(-Carrier):Hamburger ZyklusKonzentrationsgradienten aufweist und in die Zelle geschleust wird, diese verlassen. Dieser Vorgang wird als Cl-Shift oder Hamburger-Zyklus bezeichnet. Durch ihn gleichen Chlorid-Shiftsich die Konzentrationen von Bikarbonat im Blutplasma und Erythrozytenzytoplasma annähernd aus – der Blutplasmaraum wird somit als Lösungsraum für Bikarbonat einbezogen. Dadurch gibt es zum einen keine Kapazitätsprobleme für den Bikarbonattransport (das Erythrozytenvolumen, welches hauptsächlich durch Hämoglobin gefüllt wird, wäre zu klein), zum anderen stellt dies auch die Grundlage für die extrazelluläre Kontrolle des Säure-Basen-Haushalts dar.

MERKE

Durch den Hamburger-Zyklus gleichen sich die Konzentrationen von Bikarbonat im Blutplasma und Erythrozytenzytoplasma annähernd aus.

Pufferwirkung des HämoglobinsDie bei der Bikarbonatbildung im Erythrozyten frei werdenden H+ werden vom Hb gepuffert: Das oxygenierte Hb (HbO2) hat die Eigenschaften einer organischen Säure. Im Gewebe gibt es O2 ab, geht damit in die desoxygenierte Form über und schwächt seinen Säurecharakter ab. Dadurch kann es leichter H+ binden, hat also eine Pufferwirkung.
Haldane-EffektEffekt:Haldane-EffektDie CO2-Bindungskurve verläuft also bei Haldane-Effekt:Kohlendioxidbindungentsättigtem Blut steiler als Kohlendioxidbindungskurve:Haldane-Effektbei voller O2-Sättigung (Abb. 10.23). Auch die schon erwähnte Bindung von CO2 in Form von Carbaminobindungen ist mit desoxygeniertem Hb leichter möglich. Die durch die O2-Entsättigung des Hb verstärkte CO2-Bindung wird als Haldane-Effekt bezeichnet.

MERKE

Haldane-Effekt: Je stärker das Hb entsättigt wird, umso mehr CO2 kann in Form von Bikarbonat gebunden werden.

Kohlendioxidabgabe
In der Lunge wird durch die O2-Aufnahme der Kohlendioxid:Abgabeumgekehrte Vorgang ausgelöst. CO2 wird wieder aus der Bikarbonatbindung freigesetzt, diffundiert in den Alveolarraum und wird abgeatmet. Die Verminderung des CO2-Drucks im Kapillarblut der Lunge erhöht über den Bohr-Effekt etwas die Affinität des Hb für O2 und fördert Bohr-Effekt:Kohlendioxidabgabedamit die O2-Aufsättigung des Blutes.
Weil Bohr- und Haldane-Effekt somit in der Lunge und noch mehr im Gewebe wechselseitig ineinandergreifen, verlaufen die sog. physiologischen Bindungskurven steiler. Sowohl für O2 wie auch für CO2 sind dadurch Gasbindung, transport und entkoppelung gegenüber den rein physikochemischen Gegebenheiten verbessert (Abb. 10.24).

Atmungsregulation

Zur Orientierung

Regulation:AtmungUm von den Zellen des Organismus immer möglichst optimale Betriebsbedingungen zu erhalten, muss die Atmung den wechselnden Bedürfnissen des Stoffwechsels angepasst werden. Die Atmung wird so gesteuert, dass PO2, PCO2 und pH als die eigentlich regulierten Größen möglichst konstant gehalten werden. Dazu erzeugen spezielle Neurone des Hirnstamms einen Grundrhythmus, über den die Atemmuskulatur aktiviert wird.

Atmung und Atmungskontrolle

Zentrale Rhythmogenese
Lage der NeuronenIn der Medulla oblongata liegen Atmung:RegulationAtmung:zentrale Rhythmogeneseim Bereich zwischen dem Abgang des N. glossopharyngeus (IX) und dem zweiten Zervikalsegment die respiratorischen Neurone, eingebettet in die Formatio reticularis.
Aktivierung der NeuroneDurch Ableitexperimente Formatio reticularis:Atemzentrumhat man sechs Neuronenklassen mit unterschiedlichem Entladungsmuster identifizieren können. Anders als bei den Schrittmacherzellen des Herzens deuten viele Untersuchungen darauf hin, dass keine der respiratorischen Neurone zur autonomen Rhythmusbildung befähigt sind. Vielmehr brauchen sie den Erregungsantrieb über die Formatio reticularis, welche ihrerseits durch afferente Zuströme aus der Körperperipherie und aus höheren zentralnervösen Strukturen tonisch aktiviert wird.

MERKE

Durch ein komplexes Zusammenspiel von Förderung und Hemmung kommt es phasenverschoben zur Aktivierung der einzelnen Subpopulationen der respiratorischen Neurone.

Zunächst werden inspiratorische Neurone aktiviert, die die Motoneurone der Inspirationsmuskulatur erregen und die Inspiration einleiten. Die gleichzeitige Hemmung der übrigen Neurone wird dann schrittweise aufgehoben. Dadurch kommt es im Atmungszyklus zunächst zur sog. Postinspiration, in welcher das Atemvolumen einen Moment angehalten wird, bevor durch die elastischen Rückstellkräfte von Lunge und Thorax die Exspiration eingeleitet wird, die schließlich durch Aktivierung der Exspirationsmuskulatur in die aktive Exspiration mündet. Die Mechanismen dieser intrinsischen Rhythmizität der Atmung sind noch nicht genau bekannt.

MERKE

Die respiratorischen Neurone bilden den Atemrhythmus nicht selbst, sondern sind auf Zuströme aus höheren ZNS-Strukturen angewiesen.

Anpassung der Atmung
Der Grundrhythmus der respiratorischen Neurone Atmung:EinflussfaktorenAtmung:Anpassungkann über viele Faktoren modifiziert werden. Nahezu alle Parameter, die auf Stoffwechsel, Aktivität und Verhalten Einfluss nehmen, können die Ventilation verändern (Abb. 10.25).
Steuerung durch die LungeDas Ausmaß der Inspiration und Exspiration kann von der Lunge selbst begrenztInspiration:Regulation und so Exspiration:Regulationgesteuert werden, dass die Atemarbeit möglichst ökonomisch abläuft und vor allem eine Überdehnung der Alveolen vermieden wird.
  • Hering-Breuer-Reflex: Bei der Inspiration wird der Bronchialbaum Reflex:Hering-Breuer-ReflexHering-Breuer-Reflexgedehnt. Über dort lokalisierte Lungendehnungssensoren wird die Inspiration gehemmt, die Dehnungsrezeptor:LungePostinspiration ausgelöst und somitInspiration:Hering-Breuer-Reflex die Exspiration eingeleitet (Hering-Breuer-Reflex). Dieser Reflex spielt wahrscheinlich beim Neugeborenen eine größere Rolle als beim Erwachsenen, wo er für die Ruheatmung wahrscheinlich unbedeutend ist.

  • Irritant-Sensoren, Head-Reflex: Umgekehrt erhöht eine größere Irritant-SensorVolumenabnahme in Reflex:Head-ReflexHead-ReflexLunge und Bronchialbaum die Ansprechbarkeit von sog. Irritant-Sensoren (Nervenenden zwischen Epithelzellen), welche durch Gase wie Zigarettenrauch u.a. stimuliert werden und die Inspiration aktivieren sowie gleichzeitig die Exspiration hemmen (Head-Reflex oder Deflationsreflex). Diese Sensoren dürften auch über axonale Reflexe zu den glatten Muskelzellen eine Rolle bei der Entstehung von Asthmaattacken spielen, die durch verschmutzte Luft ausgelöst werden (Abb. 10.12).

  • J-Rezeptoren: Eine weitere Klasse von pulmonalen Sensoren sind J-Rezeptordie sog. J-Rezeptoren, die in den Alveolarwänden nahe den Kapillaren vermutet werden (J steht für „juxta-capillary“). Diese über nicht myelinisierte Fasern des N. vagus weitergeleiteten Impulse entstehen wahrscheinlich durch erweiterte Kapillaren und Flüssigkeitsansammlungen in den Alveolen. Sie erzeugen eine flache, schnelle Atmung, bei maximaler Stimulation allerdings auch Apnoe. Sie dürften bei Lungenödem eine Rolle für diese Art der Atmung und auch für Lungenödem:J-Rezeptorendas Gefühl der Dyspnoe spielen.

Weitere afferente und efferente EinflüsseDa alle aus der Körperperipherie kommenden Afferenzen Kollateralen in die Formatio reticularis abgeben, Atmung:Afferenzenkann die Atmung praktisch über jeden genügend starken Reiz beeinflusst werden (Abb. 10.25):
  • Von der arbeitenden MuskulaturMuskulatur:quergestreifte wird durch die ständige Erregung von Skelettmuskulatur:AtmungsregulationMuskelspindeln und Sehnenrezeptoren die Atmung aktiviert, wodurch die notwendige Mehraufnahme von O2 automatisch unterstützt wird.

  • Durch Thermorezeptoren der Haut (z.B. Wechselbäder) und durch zentrale Thermorezeptor:AtmungsregulationThermorezeptoren (z.B. Fieber) wird die Atmung ebenfalls aktiviert. Gleiches gilt für Schmerzreize.

  • Eine Erregung der Pressorezeptoren des Kreislaufs hat eine hemmende Wirkung auf die Pressorezeptor:AtmungsregulationFormatio reticularis und führt entsprechend zu einer Abnahme von Atemfrequenz und tiefe.

  • Hormone, die den Stoffwechsel Atemfrequenz:Pressorezeptorensteigern, können als Hormone:AtmungsregulationAtemantrieb wirksam werden: Adrenalin, das bei Arbeit oder psychischer Erregung ausgeschüttet wird, führt ebenso zur Atemsteigerung wie Schilddrüsenhormone oder die erhöhte Progesteronproduktion in der Schwangerschaft.

  • Schließlich kann auch vom ZNS her über efferente Impulse das retikulär-aktivierende System in der Medulla oblongata stimuliert werden. So können Antriebsimpulse aus dem limbischen System, vom sensomotorischen Kortex ausgehende Startreaktionen oder vom Hypothalamus ausgelöste Verhaltensänderungen die Atmung stimulieren.

MERKE

Jeder genügend starke Reiz aus der Peripherie kann die Atmung beeinflussen.

Parallelität zum SympathikusDie respiratorischen Neurone werden über den Tonus Sympathikus:Atmungsregulationder Formatio reticularis aktiviert, der gleichen Struktur, in der auch der zentrale Sympathikus seinen Ursprung nimmt. Wenn also über einen erhöhten Sympathikotonus das Herz zu vermehrter Arbeit angetrieben wird und ein erhöhtes Herzminutenvolumen fördert, wird gleichzeitig und automatisch auch ein erhöhtes Atemzeitvolumen erzeugt. Und wie der Sympathikus im Kreislauf für die bedarfsgerechte Verteilung des erhöhten Blutstroms sorgt, indem er den peripheren Gefäßwiderstand beeinflusst, erleichtert er auch die erhöhte Ventilation, indem er den Atemwegswiderstand herabsetzt: Die Tracheal- und insbesondere die Bronchialmuskulatur sind mit adrenergen β2-Rezeptoren besetzt. Deren Stimulation führt zu einer Erschlaffung der glatten Muskulatur mit einer Erweiterung der Bronchien (die parasympathische Innervation der glatten Atemwegsmuskulatur wirkt der sympathischen entgegen; so bewirkt Acetylcholin eine Kontraktion der glatten Atemwegsmuskulatur und damit eine Konstriktion der Atemwege). Auf diese Weise sind die Funktionen der Versorgungsorgane Atmung, Herz und Kreislauf so aufeinander abgestimmt, dass möglichst ökonomisch mit geringstmöglichem Mehraufwand an Organarbeit das Regulationsziel der ausreichenden O2-Versorgung erreicht wird.

Klinik

β2-AgonistenDie Inhalation von β2-Agonisten führt zu einer Dilatation der Bronchien. Dieser Effekt lässt sich therapeutisch nutzen, um Obstruktionen der Atemwege, z.B. im Fall des Asthma bronchiale, akut zu behandeln.

MERKE

Die Aktivität der respiratorischen Neurone verläuft parallel mit dem Aktivitätszustand des Sympathikus.

Chemische Kontrolle der Atmung
Atemwege:<03B2>2-AgonistenAsthma bronchiale:<03B2>2-Agonisten<03B2>2-AgonistRegelgrößenDie arteriellen Werte von PO2, PCO2 und pHAtmung:chemische Kontrolle können bei Abweichung von ihrem Normalwert über spezifische Chemorezeptoren die Ventilation so beeinflussen, dass der für die Stoffwechselprozesse optimale Zustand wiederhergestellt wird. Besonders empfindlich spricht die Ventilation auf eine Zunahme des arteriellenSauerstoffpartialdruck:arterieller PCO2 an (CO2-Antwortkurve = hyperkapnische Atemantwort, Abb. 10.26). Während bei schwerer körperlicher Atemantwort:hyperkapnischeArbeit oder durch willkürliche Ventilationssteigerung durchaus Werte von 120–150 l/min beobachtet werden können, erreicht die CO2-stimulierte Atmung bei etwa 75 l/min ein Maximum. Noch höhere CO2-Atmung:CO2-stimulierteKonzentrationen in der Inspirationsluft wirken sich lähmend auf die Kohlendioxidkonzentration:AtmungskontrolleAtmungsneurone aus.
Die pH-Antwortkurve und die O2-Antwortkurve (hypoxische Atemantwort) zeigen, dasspH-Antwortkurve die Atmung auf diese Stimuli sehr viel Atemantwort:hypoxischeträger anspricht. Zum Teil liegt dies daran, dass durch die ausgelöste Hyperventilation vermehrt CO2 abgeatmet wird und durch die entsprechende Hypokapnie der CO2-Antrieb ausgeschaltet ist (Abb. 10.26). Im Hypokapnie:AtmungskontrolleBereich des normalen alveolären O2-Drucks ist die O2-Antwortkurve sehr flach, was durch die geringe Steigung der O2-Bindungskurve (Kap. 10.5) auch verständlich ist. Somit ist O2 als effizienter Regulator unserer Atmung erst in größeren Höhen (s.u.) oder bei bestimmten Lungenerkrankungen (s.u.) wirksam.

MERKE

PO2, PCO2 und pH sind die von der Atmung regulierten Größen. Sie werden von der Ventilation möglichst konstant auf dem für den Stoffwechsel günstigsten Wert gehalten. Die Atmung reagiert besonders empfindlich auf einen steigenden PCO2, während ein abweichender PO2 die Atmung unter Normalbedingungen kaum reguliert. Als Hypokapnie wird ein verminderter arterieller CO2-Partialdruck bezeichnet. Ein erhöhter arterieller CO2-Partialdruck entspricht einer Hyperkapnie.

ChemorezeptorenDie chemischen Einflüsse auf die Atmung werden über periphere und zentrale Chemorezeptoren Atmung:Chemorezeptoren\bvermittelt:
  • Die peripheren Chemorezeptoren sitzen im Glomus caroticum beidseits im Bereich der Chemorezeptor:periphererKarotisgabel, alsoGlomusrezeptor im Teilungsgebiet der A. carotis communis sowie im Aortenbogen. Es handelt sich um reich durchblutete Paraganglien, die ihre Afferenzen über den N. glossopharyngeus bzw. N. vagus dem Hirnstamm zuleiten. In den Afferenzen steigt die Frequenz von Aktionspotenzialen, wenn der arterielle PO2Sauerstoffpartialdruck:arterieller sinkt. Auch eine Zunahme des arteriellen PCO2Kohlendioxidpartialdruck:arterieller und eine Abnahme des pH-WertspH-Wert:arterieller erhöhen die Impulsfrequenz, wenngleich in geringerem Ausmaß. Ihr Einfluss auf die Atmung wird weit stärker über zentrale Chemorezeptoren vermittelt. Ähnlich wie in glatten Muskelzellen der Lungengefäße (s.o.) werden auch hier Ionenkanäle, insbesondere Subtypen von Kaliumkanälen, als molekulare O2-Sensoren postuliert. Auch hier spielen spannungsabhängige Kalziumkanäle, die bei einem Abfall des arteriellen PO2 durch Membrandepolarisation aktiviert werden, eine Rolle für die Transmitterfreisetzung (Dopamin u.a. durch Exozytose von Speichervesikeln aus Dopamin:Chemorezeptorenprimären Sinneszellen im Glomus caroticum).

  • Zentrale Chemorezeptoren finden sich an der ventralen Oberfläche der Medulla Chemorezeptor:zentraleroblongata in der Nähe der respiratorischen Neurone. Es ist anzunehmen, dass es dort nur eine Spezies von Rezeptoren gibt und die unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber CO2 und H+ auf deren unterschiedlichem Zugang zu der Rezeptorregion beruht. Während H+ auf direktem Wege die Blut-Hirn-Schranke nur erschwert passieren kann, diffundiert CO2 sehr leicht aus dem Blut in Gehirn und Liquor. Dort Kohlendioxid:Blut-Hirn-Schrankekann es dann über Bildung von H+ seine Wirkung auf die H+-sensiblen Chemorezeptoren ausüben.Azidose:metabolischeAzidose:metabolischeKoma:diabetisches

Klinik

Hypoxie als AtemantriebDurch die pH-vermittelte Wirkung des CO2-Drucks auf die Atemtätigkeit wird auch verständlich, dass bei länger dauernden Erhöhungen des CO2-Drucks die Empfindlichkeit der Rezeptoren abnehmen kann, sobald es zu einer metabolischen Kompensation und einer Erhöhung der Bikarbonatkonzentration in Blut und Liquor gekommen ist (s.a. Kap. 12). Diese Situation findet man bei bestimmten Formen der chronischen Bronchitis („blue bloater“), wo die Hypoxie zur bestimmenden Triebkraft für die Atmung werden kann.

Die Bedeutung der Chemorezeptoren wird immer dann offenbar, wenn durch pathologische Veränderungen (z.B. metabolische Azidose) oder äußere Umstände (z.B. erhöhte Drücke beim Tauchen oder erniedrigte Partialdrücke in großen Höhen) Störungen auftreten.

Störungen des AtemrhythmusEine zwar regelmäßige, aber abgeflachte Atmung kann nach einer Gehirnerschütterung auftreten. Eine frequente, oberflächliche Atmung ist bei Herzinsuffizienz und Lungenödem, aber auch bei Fieber zu beobachten. Eine vertiefte und beschleunigte Atmung, die sog. Kußmaul-Atmung (Abb. 10.27), ist typisch für eine metabolische Azidose etwa bei diabetischem Koma oder infolge einer Niereninsuffizienz. Als Cheyne-Stokes-Atmung bezeichnet man einen Atemtyp mit periodisch anschwellenden und abfallenden Atembewegungen. Er kann in leichter Form im normalen Schlaf auftreten oder bei Höhenaufenthalt. In stärkerer Ausprägung kann er Begleitsymptom einer chronisch arteriellen Hypoxie bei Herzerkrankungen sein oder zuweilen bei Schlaganfällen oder bei im ZNS angreifenden Vergiftungen auftreten. Hirnschädigungen im Bereich des Stammhirns können auch eine ataktische Atmung oder Biot-Atmung mit zeitweise aussetzender Atmung bei unregelmäßiger Frequenz und Atemtiefe hervorrufen. Bei Störungen in der Medulla oblongata und dem Pons kann eine Apneusis auftreten mit abnorm verlängerten Inspirationsphasen. Sie ist auch bei Sterbenden in der Agonie zu beobachten. Häufiger ist dann allerdings eine sog. Schnappatmung oder Gasping mit kurzen, schnellen Inspirationen zwischen immer länger werdenden exspiratorischen Pausen, bis dann die terminale Apnoe (Atemstillstand) eintritt.

Atmung unter bestimmten Bedingungen

Atmung im Schlaf
Vor allem während des REM-Schlafs (Kap. 6.2) treten Lungenödem:AtmungHerzinsuffizienz:AtmungChemorezeptor:HypoxieBronchitis:HypoxieBlue BloaterAtmung:oberflächlicheAtmung:HypoxieAtmung:abgeflachteAtemrhythmusstörungAtmung:vertiefteKußmaul-AtmungSchnappatmungNiereninsuffizienz:Kußmaul-AtmungHöhe(naufenthalt):Kußmaul-AtmungGaspingCheyne-Stokes-AtmungBiot-AtmungAtmung:ataktischeApneusisApnoe, terminaleAtmung:Schlaf\berhebliche Schlaf:AtmungAtemschwankungen auf, die von mehr REM-Schlaf:Atmungoder weniger langen respiratorischen Pausen mit entsprechenden Änderungen der Gasdrücke begleitet sein können (Tab. 10.3). Diese Veränderungen sind einerseits die Folge einer direkten Wirkung des REM-Schlafs auf das Atemzentrum, andererseits eines erhöhten Widerstands der oberen Atemwege, da diese durch den Tonusverlust der quergestreiften Muskulatur (Dilatatoren des Eingangs der oberen Atemwege) während des REM-Schlafs nicht mehr ausreichend offen gehalten werden. Die Atemschwankungen ermöglichen es, durch Bestimmung des endexspiratorischen CO2-Werts die Schlaftiefe zu ermitteln (Kap. 6.2).

Klinik

SchlafapnoeBei manchen Menschen kommt es durch diese Obstruktion zu erheblichen Schlafstörungen, die sich in exzessiver Tagesmüdigkeit manifestieren können („obstruktive Schlafapnoe“). Bei Patienten, die bereits bei Tag hypoxisch sind, können REM-Schlaf-assoziierte apnoische Phasen aufgrund der Beschaffenheit der O2-Bindungskurve die Sättigung des Hämoglobins bedrohlich verringern (Abb. 10.28). Die Schlafapnoe tritt in großen Höhen verstärkter auf.

Atmung bei Überdruck
Je höher der Partialdruck in Schlafapnoe:Atmung im Schlafder Schlafapnoe:obstruktiveInspirationsluft, umso mehr Überdruck:AtmungGas wird Atmung:Überdruckphysikalisch in den Partialdruck:ÜberdruckKörperflüssigkeiten gelöst. Bei sehr hohen Partialdrücken bekommen die in der Luft enthaltenen Gase toxische Eigenschaften.
Druckänderungen beim TauchenTaucht man ohne Hilfsmittel mit angehaltener Luft, dann ist bei 10 m Tauchen:DruckänderungenWassertiefe der Druck doppelt so hoch wie der Atmosphärendruck (Abb. 10.29, unten). Während des Tiefertauchens wird die Lunge also komprimiert. Für den PO2 bedeutet das fast keine Veränderung in der Alveolarluft, weil Sauerstoffpartialdruck:Tauchendas, was an Sauerstoff aus der Lunge in das Blut aufgenommen wird, im Hinblick auf den PO2 durch die Druckzunahme in der Lunge etwa ausgeglichen wird. Die zunehmende O2-Verarmung des Tauchers ist daher in dieser Phase über die O2-empfindlichen Chemorezeptoren nicht zu registrieren. Der PCO2 hingegen erreicht durch die Kompression Chemorezeptor:Tauchender Lunge sowie die Kohlendioxidpartialdruck:Tauchenweiterlaufende CO2-Produktion sehr schnell Werte, die entsprechend der CO2-Antwortkurve über die CO2-Rezeptoren einen starken Drang zum Atmen und damit zum Auftauchen auslösen. Beim Auftauchen wird die Lunge dekomprimiert, und der alveoläre PO2 sinkt rapide ab, sodass kein Sauerstoff mehr ins Blut aufgenommen werden kann. Hierdurch und durch den O2-Verbrauch fällt der arterielle PO2 stark ab, was gerade noch tolerierbar ist, wenn die Wasseroberfläche rechtzeitig erreicht wird.
Hyperventilation vor TauchgangIn eine kritische Situation kann ein Taucher aber dann kommen, wenn er vor dem Tauchgang stark hyperventiliert und zudem noch mit einem vergrößerten Inspirationsvolumen taucht (Abb. 10.29, oben). Er kann dann zwar längere Zeit unter Wasser bleiben, weil durch den Kompressionseffekt eine verlängerte O2-Aufnahme gefördert wird und durch die vorherige Absenkung des PCO2 auch die CO2-Rezeptoren später ansprechen. Kommt von diesen aber schließlich das Signal zum Atmen und damit Auftauchen, dann kann die O2-Verarmung schon so weit fortgeschritten sein, dass durch die Dekompression beim Auftauchen aufgrund des abrupt abfallenden PO2 in Alveolarraum und arteriellem Blut die zerebrale O2-Versorgung unterbrochen wird. Der Taucher kann vor Erreichen der Wasseroberfläche ohnmächtig werden und ertrinken.
Tauchen mit TauchgerätenDer intrapulmonale Druck Druck:intrapulmonalerwird durch die Inspiration von Luft aus Druckflaschen jeweils auf dem Niveau des umgebenden Wasserdrucks gehalten. Enthalten die Druckflaschen normal zusammengesetzte Luft, dann sollte die Tauchtiefe auf 40 m begrenzt bleiben, da bei weiterer Erhöhung des Stickstoffpartialdrucks der Stickstoff narkotische Eigenschaften bekommt, die zunächst zum „Tiefenrausch“ und dann zum Koma führen.Koma:Tauchen

Klinik

Caisson-KrankheitTaucht man oberhalb der kritischen Tiefe von 40 m, dafür aber längere Zeit (Froschmänner, Sporttaucher), dann ist zu beachten, dass durch den erhöhten Druck proportional mehr N2 im Blut und im Gewebe gelöst wird. Deshalb muss jeder Tauchgang zeitlich begrenzt sein. Beim Auftauchen wird N2 mit abnehmendem Druck aus seiner Lösung freigesetzt. Taucht man nicht langsam und stufenweise auf, sammeln sich schmerzhafte Gasblasen in Gewebe und Gelenkhöhlen, und es kommt durch Verlegen kleiner Blutgefäße zu Gasembolien. Auch können Gasblasen in der Schädelkalotte zu Hirndrucksymptomen führen. Dieser Zustand wird Caisson-Krankheit genannt, nach einem Senkkasten, mit dessen Hilfe früher Hafen- und Brückenfundamentierungen durchgeführt wurden. Dabei wurde der Druck in dem Kasten durch Pressluft etwas über dem Umgebungsdruck des Wassers gehalten und der Kasten dadurch wasserfrei gemacht.

O2-VergiftungAuch der lebenswichtige Sauerstoff kann zu einem Gift werden, wenn er längere Zeit mit erhöhtem Partialdruck eingeatmet wird. Schon mit reiner O2-Atmung bei normalem Druck und schneller noch bei Überdruckbedingungen in Druckkammern (hyperbare O2-Therapie) werden zahlreiche Enzyme des oxidativen Stoffwechsels gehemmt. Symptome der sich einstellenden O2-Vergiftung sind u.a. Schwindel, Verwirrung, Zittern, Tachykardie, Krämpfe.

Atmung in großen Höhen
TiefenrauschStickstoff:TauchenSauerstoffvergiftungSauerstoffpartialdruck:SauerstoffvergiftungGasembolie, Caisson-KrankheitCaisson-KrankheitAnpassung durch HyperventilationMit zunehmender Höhe nimmt der Höhe(naufenthalt):AtmungAtmung:HöheBarometerdruck alle 5.500 m um etwa Hyperventilation:Atmung in großen Höhendie Hälfte ab und damit auch der Partialdruck der Atemgase. Sinkt der PAO2 von seinem Wert in Meereshöhe (100 mmHg = 13,3 kPa; Kap. 10.1) Sauerstoffpartialdruck:alveolärer, Atmung in großen Höhenauf unter 33 mmHg ab, wird die sog. kritische Hypoxieschwelle unterschritten. Bei normaler Ventilation wäre dieser Wert bei etwa 4.Hypoxieschwelle, kritische000 m erreicht. Durch die über O2-Chemorezeptoren ausgelöste Hyperventilation wird jedoch der PAO2 auf einem höheren Wert gehalten, bis etwa bei 7.000 m der sog. Höhengewinn ausgeschöpft ist.
In noch größerer Höhe ist ein Aufenthalt nur kurzfristig und unter stetigem Abbau der Körperfunktionen möglich. Wird reiner O2 geatmet und damit der PIO2 gleich dem jeweiligen Barometerdruck gehalten, liegt die kritische Schwelle bei 12.000 m bzw. unter Ausnutzung einer Hyperventilation bei ca. 14.000 m. Unter dieser Grenze muss die Flughöhe bleiben, damit bei einem Druckabfall in der Flugzeugkabine ein Überleben mithilfe der Sauerstoffmasken möglich ist.
Anpassung durch besseren O2-TransportNeben der Hyperventilation ist der Organismus bemüht, auch den O2-Transport im Blut zu verbessern. Es kommt dabei nicht nur zu einer Erhöhung Sauerstofftransport, Atmung in großen Höhendes Herzminutenvolumens, sondern auch zu einer Hämoglobinvermehrung bis zu 25%. Im einzelnen Erythrozyten kann jedoch die Hb-Menge kaum Hämoglobin:Atmung in großen Höhenerhöht werden, und auch das Blutvolumen lässt sich insgesamt nur sehr begrenzt vergrößern. Daher wird der Hämatokrit so weit gesteigert (Erhöhung der Erythropoese), wie es die Hämatokrit:Atmung in großen HöhenBelastbarkeit von Herz und Kreislauf bei der damit Erythropoese:Atmung in großen Höhenverbundenen Viskositätszunahme des Blutes erlaubt.
Durch den vermehrten Hb-Gehalt kann trotz vermindertem PAO2 gleich viel oder sogar mehr Sauerstoff in das Blut aufgenommen werden. Die vermehrte Erythropoese, die bei Hypoxämie (z.B. Höhe), aber auch bei Anämie (z.B. nach Blutverlust), zustande kommt, erfolgt durch Freisetzung des Glykoproteinhormons Erythropoetin (EPO) aus renalen Zellen. Dabei führt ein verminderter PO2 zur Erythropoetin:Atmung in großen HöhenStabilisierung eines Transkriptionsfaktors, dem Hypoxie-induzierbaren Faktor 2 (HIF-2), das eine Schlüsselsequenz des EPO-Gens bindet (das „hypoxia-Faktor:Hypoxie-induzierbarerresponsible element“, HRE) und damit die EPO-Transkription aktiviert.
Allerdings kommt es HRE (hypoxia-responsible element)bei vermindertem PAO2 zu einer Linksverschiebung der O2-DissoziationskurveDissoziationskurve:Sauerstoff, die durch die Hyperventilation über den Bohr-Effekt noch verstärkt Sauerstoffdissoziationskurve:Atmung in großen HöhenSauerstoffbindungskurve:Atmung in großen Höhenwird (Abb. 10.30). Trotz der Hb-Vermehrung stünde dadurch weniger Sauerstoff für das Gewebe zur Verfügung. Der Organismus löst dieses Problem, indem die Glykolyse in den Erythrozyten vermehrt auf den Shuntweg mit Produktion von 2,3-Diphosphoglycerat umgeleitet wird (Kap. 10.5). Die erhöhte 2,3-DPG-Konzentration aber reduziert die O2-Affinität des Hb und verschiebt dadurch die O2-Bindungskurve wieder nach rechts bis etwa in den normalen Bereich. Dadurch kann einerseits die durch Hb-Vermehrung vergrößerte O2-Kapazität zur O2-Aufnahme in der Lunge ausgenutzt und zum anderen der Sauerstoff im Gewebe ausreichend gut entkoppelt werden.

MERKE

Kurzfristig passt sich der Organismus dem abnehmenden PO2 an, indem er Ventilation und Herzminutenvolumen steigert. Längerfristig erhöhen sich das Blutvolumen und die Konzentration von Hämoglobin und 2,3-Diphosphoglycerat in den Erythrozyten.

Klinik

Alkalose:respiratorischeKalzium:ionisiertesHyperventilationstetanieDie Folgen des erhöhten Atemantriebs durch die Stimulation der O2-Chemorezeptoren können durch eine willkürliche Hyperventilation, die bei sensiblen Personen auch in Stresszuständen auftreten kann, imitiert werden. Es kommt dabei zu einer respiratorischen Alkalose (Kap. 12.3), wodurch Ca2+-Ionen leichter an Plasmaproteine binden und somit die freie Ca2+-Konzentration abnimmt. Das Resultat sind bei starker Hyperventilation eine erhöhte neuromuskuläre Erregbarkeit und Neigung zu Krämpfen (sog. Hyperventilationstetanie, „Pfötchenstellung“ der Hände). Sie ist einfach zu beheben, indem die eigene Exspirationsluft wieder inspiriert wird (z.B. Totraumvergrößerung durch CO2-Rückatmung aus einer Plastiktüte).

KopfschmerzenDie durch den PCO2-Abfall und den pH-Anstieg verursachte Kontraktion der Hirngefäße ist vermutlich für Kopfschmerzen und Schlafstörungen in höheren alpinen Regionen verantwortlich. Diese Symptome verschwinden nach renaler Kompensation der respiratorischen Alkalose (Kap. 12.3).

Ausblick

Im Gegensatz zu anderen Organen, in denen Totraum:HyperventilationTetanie:HyperventilationHyperventilation:TetanieChemorezeptor:HyperventilationmanPfötchenstellung, Tetanie Kopfschmerzen:große Höhenkleinste funktionelle Einheiten isolieren und untersuchen kann (z.B. einzelne Nierentubuli), ist die Lunge durch ihre vernetzte Struktur schwer in einzelne Teile zerlegbar. Zahlreiche Untersuchungen werden deshalb an kultivierten Zellen in vitro durchgeführt. Dabei bleiben aber wesentliche Aspekte über zelluläre Funktionen und deren Wechselwirkungen mit anderen Zellen in vivo verborgen. Herausforderungen für die Zukunft liegen einerseits in der Entwicklung von Miniaturtechnologien („Nanotechnologie“), mit denen man bis zu den Alveolen vordringen kann, andererseits in verbesserten Zellkulturtechniken („künstlicher Alveolus“), bei denen isolierte Lungenzellen ihre natürliche Funktion beibehalten.

ZUSAMMENFASSUNG

Atmung und Atemgase

Atmung umfasst den konvektiven Transport der Atemgase zu den terminalen Atemwegen und zurück, den diffusiblen Ausgleich der Atemgaspartialdrücke zwischen Luft und Blut in den Alveolen, den konvektiven Atemgastransport durch die Blutströmung sowie den diffusiblen Transport zwischen Kapillarblut und Ort des O2-Verbrauchs, den Mitochondrien der Körperzellen. Der fraktionelle Anteil von O2 in der Einatemluft (FIO2) beträgt FGas = 0,21, woraus sich nach dem Dalton-Gesetz ein Partialdruck bei einem normalen Barometerdruck von PB = 760 mmHg für O2 von PO2 = 160 mmHg errechnet (PGas = PB × FGas). Innerhalb der Lunge reduziert sich der PO2 aufgrund des Wasserdampfdrucks gemäß: PIO2 = (PB – PH2O) × FIO2. In den Alveolen werden die Atemgaspartialdrücke zwischen Alveolarluft und kapillärem Alveolarblut normalerweise vollständig durch Diffusion gemäß dem Fick'schen Diffusionsgesetz ausgeglichen. Aufgrund von Ventilations-Perfusions-Inhomogenitäten und physiologischen Shunts ist der arterielle PO2 geringer als der alveoläre. Zur Bestimmung der Lungendiffusionskapazität (DL) wird üblicherweise die Aufnahme des diffusionslimitierten CO herangezogen (DLCO = CO/ΔPCO), die O2-Aufnahme ist dagegen perfusionslimitiert.

Atemmechanik und -volumina

Bei entspannter Körperhaltung („Atemruhelage“) sind die elastischen Kräfte von Thorax und Lungen im Gleichgewicht und das Lungenvolumen entspricht der funktionellen Residualkapazität. Es setzt sich zusammen aus Residualvolumen und exspiratorischem Reservevolumen. Die elastischen Retraktionskräfte der Lunge entstehen einerseits durch ihren hohen Gehalt an Elastin- und Kollagenfasern, andererseits durch die Oberflächenspannung (Surfactant) in den Alveolen. Sie erzeugen einen Unterdruck in Thorax und Pleuraspalt (intrathorakaler bzw. intrapleuraler Druck). Die Inspiration ist also ein aktiver Vorgang, der Muskelkraft erfordert. Ein Maß für die Leichtigkeit der Lungendehnung ist die Compliance (ΔV/ΔP). Die Compliance beeinflusst wesentlich die Gleichgewichtslage des Atemapparat:ComplianceAtemapparats. Bei einer erniedrigten Compliance (Lungenfibrose, Surfactantmangel, z.B. beim Frühgeborenenatemnotsyndrom) beobachtet man eine restriktive Lungenfunktionsstörung, die sich in einer Verringerung der statischen Lungenvolumina manifestiert (messbar mit der Spirometrie). Das Residualvolumen kann mithilfe der Indikatorverdünnungsmethode oder der Ganzkörperplethysmografie bestimmt werden. Bei einer erhöhten Lungencompliance (Emphysem) kommt es zu einer Weitstellung des Atemapparats.
Neben diesen statischen Faktoren spielen dynamische Faktoren, die als „visköse Atemwiderstände“ zusammengefasst werden, eine Rolle in der Atemmechanik. Hauptanteil (> 90%) daran hat der Strömungswiderstand (R = „Resistance“), indem gilt: = ΔP/R, wobei der Luftstrom ist und ΔP dem intrapulmonalen Druck entspricht. Nach dem Hagen-Poiseuille-Gesetz bestimmt hauptsächlich der Radius der Atemwegssegmente den Strömungswiderstand. Eine Erhöhung des Strömungswiderstandes führt zu obstruktiven Ventilationsstörungen, die z.B. mithilfe des Tiffeneau-Tests diagnostiziert werden können. Obstruktive Ventilationsstörungen können mehrere Ursachen haben: eine Kontraktion der Bronchialmuskulatur, eine Mukosaschwellung und vermehrte Mukusfreisetzung, ein Verlust an elastischen Fasern (z.B. bei einem Emphysem) oder eine Störung des mukozilliären Transports (z.B. im Fall einer zystischen Fibrose, CFTR).

Ventilation und Perfusion

Eine wesentliche Voraussetzung für einen effizienten Gasaustausch in den Lungen ist das Ventilations-Perfusions-Verhältnis (A/). Da das gesamte ausgeatmete CO2 aus den Alveolen kommt, kann die alveoläre Ventilation (A) aus der CO2-Abgabe (CO2) und der endexspiratorischen CO2-Kohlendioxidkonzentration:endexspiratorischeKonzentration (FACO2) errechnet werden:
A = CO2/FACO2. Der arterielle CO2-Druck (PaCO2) ist proportional zum Quotienten CO2/A. Da die Lungenperfusion () weitgehend druckpassiv ist (Mitteldruck ca. 15 mmHg = 2 kPa), nimmt bei aufrechter Körperhaltung infolge des zunehmenden hydrostatischen Drucks von der Lungenspitze zur Lungenbasis stark zu. Obwohl auch A in den unteren Lungenabschnitten höher ist als in den oberen, ist dennoch A/ in den unteren Lungenabschnitten niedrig (< 1) und steigt nach oben an (> 1). Areale mit einem sehr hohen A/-Verhältnis (> 1) gehören zum funktionellen Totraum (VD). Die Totraumventilation kann mit der Bohr-Formel errechnet werden: D = T × (FACO2 – FECO2)/FACO2. Areale mit einem sehr niedrigen A/-Verhältnis (< 1, z.B. bei obstruktiven Ventilationsstörungen) haben zur Folge, dass gemischtvenöses Blut ohne Luftkontakt dem arteriellen Blut zugeführt wird. Es kann dadurch eine Hypoxämie (verminderter PaO2) bzw. Zyanose entstehen. Um zu großen A/-Missverhältnissen entgegenzusteuern, existiert der Euler-Liljestrand-Mechanismus, bei dem in schlecht belüfteten Arealen (niedriger PAO2) gedrosselt wird. Pathophysiologische Bedeutung hat dieser Mechanismus im Rahmen des sog. Höhenlungenödems.

Atemgastransport

Die im Plasma physikalisch gelöste O2-Konzentration (berechnet nach dem Henry-Gesetz: CGas = αGas × PGas, wobei α = „Löslichkeitskoeffizient“) ist etwa 100-mal kleiner als die von Luft, sodass zur Herstellung einer annähernd identischen O2-Konzentration zwischen Inspirationsluft und Blut von ca. 210 ml O2/l die chemische O2-Bindung an das Hämoglobin (Hb) zusätzlich notwendig ist. Jedes Hb-Molekül kann vier Moleküle O2 binden. Dies bedeutet, dass ein Gramm Hb maximal 1,34 ml O2 binden kann (Hüfner-Zahl). Die O2-Sättigung (SO2) in Prozent errechnet sich aus dem Konzentrationsverhältnis zwischen O2-beladenem Hb (HbO2) und dem gesamten Hb (Hbgesamt): SO2 = (HbO2/Hbgesamt) × 100. Die Abhängigkeit der SO2 vom PO2 kann mit der sigmoiden O2-Bindungskurve grafisch dargestellt werden. Bedingungen, wie sie im peripheren Gewebe vorherrschen (verringerter pH-Wert, erhöhter PaCO2, Bohr-Effekt, erhöhte 2,3-Diphosphoglycerat-Konzentration), begünstigen die O2-Entkoppelung vom Hämoglobin, während in der Lunge die O2-Aufnahme begünstigt wird. CO2 wird im Blut auch vorwiegend chemisch gebunden, allerdings nur zu etwa
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an Hämoglobin („Carbaminobindung“), der Hauptanteil als Bikarbonat (HCO3, Kap. 12). Die Reaktion zwischen CO2 und Kohlensäure läuft langsam ab, wird aber durch das Enzym Carboanhydrase in den Erythrozyten wesentlich beschleunigt. HCO3 entsteht also vorwiegend in den Erythrozyten in Abhängigkeit vom PCO2 (CO2 ist gut membranpermeabel), diese Reaktion ist nicht sättigbar, und es gibt daher auch kein HCO3-„Plateau“. HCO3 kann im Austausch mit Cl den Erythrozyten verlassen (Hamburger-Zyklus). Entsättigtes Hb (niederer PO2 im Gewebe) kann leichter H+ binden, sodass die CO2-Bindung sowohl in Form von HCO3 als auch als Carbaminobindung erleichtert ist (Haldane-Effekt). Bohr- und Haldane-Effekt führen zu einem steileren Verlauf der O2- bzw. CO2- Bindungskurven in vivo und erhöhen somit die Effizienz des Gastransports.

Atmungsregulation

In der Medulla oblongata befindet sich das Atemzentrum, ein Netzwerk von respiratorischen Neuronen, welche ihren Erregungsantrieb über die Formatio reticularis erhalten und einer intrinsischen Rhythmizität unterliegen. Dieser Grundrhythmus kann vielseitig modifiziert werden, z.B. durch Lungendehnungssensoren (Hering-Breuer-Reflex, v.a. beim Neugeborenen), Irritant-Sensoren des Epithels (Head-Reflex, Hemmung der Exspiration) und J-(„juxta-capillary“-)Rezeptoren, die bei Lungenödem Dyspnoe, flache Atmung bzw. Apnoe auslösen können. Zusätzlich können zahlreiche Afferenzen (z.B. Muskel-, Sehnenorgane, thermische Reize, Schmerz) und Einflüsse aus dem ZNS (z.B. Angst) die Atmung beeinflussen. Die Aktivität der respiratorischen Neurone läuft parallel mit dem Aktivitätszustand des Sympathikus (wichtiger Anpassungsmechanismus bei körperlicher Arbeit bzw. Stress). Die chemische Kontrolle der Atmung wird durch die arteriellen Werte von PO2, PCO2 und pH vermittelt, wobei die CO2-Antwortkurve (d.h. die Abhängigkeit des Atemzeitvolumens vom PCO2) am steilsten verläuft. Die CO2-Antwort wird durch zentrale pH-Rezeptoren vermittelt, während die O2-Antwort durch periphere Chemorezeptoren (Glomus caroticum) vermittelt wird. Zu pathologischen Atemtypen gehören z.B. die sog. Kußmaul-Atmung (bei metabolischer Azidose), die Cheyne-Stokes-Atmung (bei chronischer Hypoxie u.a.), die Biot-Atmung (ataktische Atmung bei Hirnstammschäden) und die Schnappatmung (bei Agonie). Eine unregelmäßige Atmung (apnoische Phasen) und entsprechender PO2-Abfall (PCO2-Anstieg) kommen normalerweise während des REM-Schlafs vor.

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