Lungenfunktion: pulmonaler GasaustauschGasaustausch in der LungeDer Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen der Atemluft und dem Blut geschieht über die Lungen und wird als Gasaustausch bezeichnet. Er kann in folgende Teilfunktionen unterteilt werden: Show
VentilationDie Ventilation sorgt für die Belüftung des Alveolarraumes, d.h. für den Zutransport von Sauerstoff und den Abtransport von CO2. Dabei wird Luft durch die Atembewegungen zwischen Trachea, Bronchien und Alveolen hin und her bewegt. Die Alveolarluft wird durch molekulare Diffusion ständig durchmischt. DiffusionUnter Diffusion fasst man alle Vorgänge zusammen, durch die der Übertritt des Sauerstoffs von den Alveolen ins Blut und die Abgabe von CO2 in umgekehrter Richtung möglich wird. CO2 diffundiert ca. 20 – 25 mal leichter als O2 , d.h. es gibt keine isolierten CO2-Diffusionsstörungen. In den Bronchien findet kein Gasaustausch statt, zusammen mit Mund-, Nasen- und Rachenraum sowie der Trachea bilden sie den sogenannten Totraum. PerfusionDie Perfusion sorgt für die Durchblutung der Lungen. Durch verschiedene Regulationsmechanismen werden Belüftung und Durchblutung der Alveolen aufeinander abgestimmt, indem die funktionelle Durchblutung in minder belüfteten Lungenbezirken gedrosselt wird. Zusammensetzung der LuftRaumluft enthält rund 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff. Dazu kommen Spuren von CO2 und weiteren Gasen, vor allem Edelgase. Beim Einatmen wird die Luft in den Atemwegen angefeuchtet, so dass in den Bronchien bei einer Körpertemperatur von 37°C der pH2O 47 mm Hg beträgt. Der Gasdruck für die trockenen Gase ist demnach 760 – 47 = 713 mm Hg und entsprechend liegt der pO2 bei 149 mm Hg. Auf dem weiteren Weg in die Alveolen wird die Luft noch erheblichen Mengen an CO2 ausgesetzt, so dass sich zusammenfassend bei einem Gesamtdruck von 760 mm Hg folgende durchschnittliche Werte ergeben (Abb. 1).  Abb. 1: Gasdrucke im Atmungssystem Durchschnittliche Werte in mmHg der einzelnen Partialdrucke im Atmungssystem und in venösem bzw. arteriellen Blut. Die angegebenen Werte basieren auf einem „durchschnittlichen“ Luftdruck von 760 mm Hg. AtemregulationDie rhythmischen Bewegungen der Atemmuskulatur stehen vor allem unter der Kontrolle der Medulla oblongata (= verlängertes Mark). Wichtigster Reiz für eine Zunahme von Atemtiefe und Atemfrequenz ist ein Anstieg des pCO2 in Blut und Liquor cerebrospinalis. Die CO2 -Konzentration wird von Chemorezeptoren der Medulla oblongata und peripher an der Verzweigung der Arteria carotis (Glomus caroticum) und am Aortenbogen (Glomera aortica) gemessen. Unter Normalbedingungen nimmt der Sauerstoffpartialdruck, der ebenfalls von peripheren Chemorezeptoren registriert wird, weit weniger Einfluss auf die Atmung als der pCO2 . Sauerstofftransport im BlutIn den Lungen diffundiert der Sauerstoff wegen der pO2-Differenz aus den Alveolen in das venöse Blut. Sauerstoff wird im Blut auf zwei Arten transportiert, nämlich
Transport des physikalisch gelösten Sauerstoffs im BlutBeim unbehinderten Gasaustausch in den Lungenalveolen gleicht sich der pO2 in den Lungenkapillaren demjenigen der Alveolarluft an. Der Partialdruck des Sauerstoffs, der im venösen Mischblut ca. 40 mm Hg beträgt, steigt in der kurzen Kontaktzeit von knapp 0,3 Sekunden auf einen Wert von 100 – 104 mm Hg an. Bedingt durch physiologischerweise vorhandene arteriovenöse Kurzschlüsse und der nicht völlig gleichmässigen Belüftung aller Lungenabschnitte, stellt sich ein arterieller pO2 von 80 – 100 mm Hg (10,7- 13,3 kPa) ein. Sauerstoff ist im Blut schlecht löslich: Die Menge des im Blut physikalisch löslichen Sauerstoffs entspricht lediglich rund 1,5 % des arteriellen Sauerstoffs. Transport des chemisch im Hämoglobin gebundenen SauerstoffsDer weitaus grösste Teil des Sauerstoffs wird durch Hämoglobin von den Lungen zu den Zellen transportiert. Hämoglobin ist ein tetrameres Protein, dessen 4 Monomere aus einer Polypeptidkette und dem Häm-Komplex als sauerstoffbindende Gruppe bestehen. Normalerweise kommen 4 verschiedene Peptidketten vor: a-, b -, g-, und d-Ketten. Die a-Kette weist 141, die b-Kette 146 Aminosäuren auf. In jedem Hämoglobinmolekül sind je zwei Ketten identisch. So besteht HbA, das bei gesunden Erwachsenen etwa 96 – 98 % des Hämoglobins ausmacht, aus 2 a- und 2 b-Ketten (a2b2). HbA2 weist 2 a- und 2 d-Ketten (a2d2), HbF 2 a- und 2 g-Ketten (a2g2) auf. HbF kommt bei Erwachsenen nur in Spuren vor, macht aber bei Neugeborenen 60 – 80 % des Hämoglobins aus. Das Eisen im Häm kann sich chemisch mit Sauerstoff verbinden, wobei Desoxyhämoglobin (HHb) in Oxyhämoglobin (O2Hb) überführt wird: HHb + O2 —> O2HbDie Aufnahme von Sauerstoff durch das Hämoglobin wird als Oxygenierung, die Abgabe als Desoxygenierung bezeichnet. Es handelt sich bei diesen Reaktionen nicht um eine Oxydation bzw. Reduktion, da das Eisen immer in zweiwertiger Form (Fe2+) vorliegt (Hämoglobin mit oxydiertem d.h. dreiwertigem Eisen wird als Methämoglobin bezeichnet und kann keinen Sauerstoff binden). Jede der 4 Untereinheiten des Hämoglobins kann 1 mol Sauerstoff binden, so dass die Formel korrekterweise folgendermassen geschrieben werden müsste: HHb + 4 O2 —> (O2)4HbEs ist jedoch üblich, die Bindung des O2 an Hämoglobin bezogen auf eine Untereinheit anzugeben. Von 1 g Hämoglobin können 1.34 ml O2 (= 0.060 mmol) gebunden werden. Der Wert 1.34 wird als Hüfner’sche Zahl bezeichnet und wurde empirisch ermittelt. Beispiel: Bei einem Hämoglobin von 150 g/L können somit ca. 150 x 1.34 = 201 ml O2/L Blut (= 9 mmol/L) chemisch gebunden transportiert werden. Die HämoglobinkonzentrationDie gesamte Konzentration an Hämoglobin (ctHb) setzt sich zusammen aus dem oxygenierten Hämoglobin (O2Hb), dem desoxygenierten Hämoglobin (HHb) und den Dyshämoglobinen (COHb und MetHb). Die Messung erfolgt photometrisch. Methylenblau kann die Messung von Hämoglobin stören. Die SauerstoffsättigungDer prozentuale Anteil des oxygenierten Hämoglobins (HbO2) bezogen auf das Hämoglobin, das Sauerstoff transportieren kann, wird als Sauerstoffsättigung bezeichnet. Sie ist vor allem vom Partialdruck des Sauerstoffs abhängig. Da die Sauerstoffsättigung jedoch keine lineare Funktion des pO2 ist, werden die jeweiligen Verhältnisse vorzugsweise in Form einer Kurve angegeben, die als ODK (Sauerstoff-Dissoziations-Kurve) bezeichnet wird : Abb. 1: Die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins in Abhängigkeit vom pO2. Der p50 entspricht dem pO2 bei Halbsättigung (Norm: 24 – 28 mm Hg bzw. 3.2 – 3.8 kPa). Eindrücklich zu sehen ist, dass die Sauerstoffsättigung bei einer Steigerung des pO2 von 80 auf 100 mm Hg praktisch nicht mehr zunimmt. Aus dieser Kurve ist ersichtlich, dass erwartungsgemäss die prozentuale Sättigung des Hämoglobins mit steigendem pO2 zunimmt. Bereits bei 4 kPa (30 mmHg) ist mehr als die Hälfte des Hämoglobins mit O2 gesättigt. Im Hämoglobinmolekül wirkt immer ein a-b-Dimer als Einheit. Befindet sich ein O2 an einer a-Kette, so erhöht sich die Affinität der zugehörigen b-Kette. Daher wird das nächste O2 von der b-Kette dieses Dimers gebunden und nicht von einer der beiden Ketten des anderen Dimers. Allerdings erhöht sich die Affinität des zweiten Dimers, sobald das erste oxygeniert ist. Dieser Mechanismus beruht auf Elektronenverschiebungen innerhalb des Hämoglobinmoleküls (zunehmende Oxygenierung fördert auch die Tendenz des Hämoglobinmoleküls Protonen abzugeben). In der Dissoziationskurve resultiert daher eine sigmoide Kurve, wenn der Partialdruck des O2 gegen die Sättigung aufgetragen wird. Die Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin wird von mehreren Faktoren beeinflusst, in erster Linie durch:
Abb. 2: Der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins. Die blaue und die rote Kurve sind beispielhaft dargestellt, d.h. sie können mehr oder weniger von der grünen Kurve abweichen. Bei erhöhter Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff wird der p50-Wert kleiner, bei erniedrigter Affinität wird er grösser. Zusammenfassend ergibt sich:Hoher pH-Wert, niedriger pCO2, niedrige Temperatur und erniedrigte Werte an 2,3-DPG führen zu einer Linksverschiebung der Kurve. Die Folge ist eine hohe Sauerstoffsättigung bei relativ niedrigem pO2. Unter diesen Bedingungen ist die Beladung des Hämoglobins mit Sauerstoff erleichtert.
p50: pO2 bei HalbsättigungEin Mass für die Lage der ODK und damit für die Hämoglobin-Sauerstoffsättigung ist der p50. Er ist definiert als Sauerstoff-Partialdruck (pO2) bei 50% Sauerstoffsättigung. Der Normbereich liegt zwischen 3.4 und 3.8 kPa (25-29 mmHg). Ein erhöhter p50 Wert bedeutet eine Verschiebung der ODK nach rechts und damit eine Erniedrigung der Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität. Umgekehrt heisst ein erniedrigter p50 Wert, dass wegen der erhöhten Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität die Abgabe von Sauerstoff an das Gewebe erschwert ist. Der p50 wird nicht gemessen, sondern vom Blutgasgerät berechnet. Die Sauerstoff-Konzentration (ctO2)Die Sauerstoff-Konzentration, im deutschen Sprachgebrauch häufiger als Sauerstoff-Gehalt bezeichnet, umfasst den vom Hämoglobin gebundenen und den physikalisch gelösten Sauerstoff (siehe Säure-Basen-Status): ctO2 = (ctHb · O2Hb) + (pO2 · a)Was passiert wenn der CO2 Wert zu hoch ist?Ist die CO2-Konzentration in der Atemluft höher als normal, kann das CO2 aus dem Blut nicht in der notwendigen Menge in die Lunge übertreten und somit kann das Blut nicht genügend Sauerstoff aufnehmen. Das Problem ist also nicht etwa mangelnder Sauerstoff, sondern ein Zuviel an Kohlenstoffdioxid in der Atemluft.
Warum diffundiert CO2 schneller als o2?Der Diffusionskoeffizient liegt für CO2 gut 20 mal höher, als für O2, das erklärt den geringeren Unterschied zwischen den CO2 Partialdrücken in der Luft und im Blut. Das heißt in gleicher Zeit diffundiert 20 mal soviel CO2 durch die Membran als O2.
Warum ist zu viel CO2 ein Problem?CO2, also Kohlenstoffdioxid, wird vor allem von Flugzeugen, Schiffen, Autos und Kohlekraftwerken als Treibhausgas in riesigen Mengen in die Luft geblasen. Die Folgen sind katastrophal: Die Erde heizt sich auf, die Pole schmelzen, Küsten drohen im Meer zu versinken, andere Regionen könnten von Dürren geplagt werden.
Wie hoch darf der CO2 Gehalt sein?Danach gelten Konzentrationen unter 1000 ppm Kohlendioxid in der Raumluft als unbedenklich, Konzentrationen zwi- schen 1000 und 2000 ppm als auffällig und Konzentrationen über 2000 ppm als in- akzeptabel.
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Warum bekommt man kein o2 wenn co2-gehalt hoch ist
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