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BLOCK 12: PHYSIOLOGIE DER RESPIRATION
1) Mechanik der Atmung
Lungenvolumina
Abbildung 1: Lungenvolumina und –kapazitäten. ERV, Exspiratorisches
Reservevolumen; FRC, Funktionelle Residualkapazität; IC, Inspiratorische
Kapazität; RV, Residualvolumen; TLC, Totalkapazitä;, VC, Vitalkapazität (aus:
Harrison’s, Principles of Internal Medicine, 2001)
Bei ruhiger Atmung ist nur für die Inspiration Muskelkontraktion notwendig.
Die Exspiration ist ein passiver Prozeß, der durch die Retraktionskraft der
Lunge bewirkt wird. Die Ursachen für die Retraktionskraft der Lunge sind a)
die Oberflächenspannung des Flüssigkeitsfilmes, der die Alveolen auskleidet
(~2/3) und b) elastische Fasern der Lunge, die während der Inspiration
gedehnt werden (~1/3). Ein Maß für die Retraktionskraft der Lunge ist der
negative intrapleurale Druck, der notwendig ist, um ein Kollabieren der Lunge
zu verhindern (~ -4mm Hg). Am Ende einer tiefen Inspiration, wenn die Lunge
stark gedehnt ist, kann er bis zu –18mm Hg abnehmen.
Atemmuskulatur
Siehe gängige Lehrbücher der Anatomie und Physiologie
EIGENSCHAFTEN DER LUNGE UNTER “STATISCHEN” BEDINGUNGEN
Dehnbarkeit von Lunge und Thorax: „Compliance“
Die Dehnbarkeit von Lunge und Thorax wird als Compliance bezeichnet. Sie
wird angegeben als ΔV/ΔP (Volumszunahme pro Einheit
Alveolardruckszunahme bzw. Pleuradruckabnahme). Die normale
Compliance von Lunge und Thorax zusammen beträgt 0,13l/cm H2O, die
Compliance der Lunge alleine liegt bei 0,22l/cm H2O. Das bedeutet: Eine
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isolierte Lunge ist dehnbarer als ein Lunge „in situ“, wo auch der Thorax
mitgedehnt werden muß.
A
Abbildung 2: Statisches Druck-Volumen-Diagramm. Reinflation nach
Kollaps. Bemerke: Ein- und Ausatmungskurven verlaufen unterschiedlich.
Aus: W.F. Boron & E.L. Boulpaep, Medical Physiology
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Abbildung 3: Druck-Volumen Diagramm der Lunge bei Gesunden und bei
Paatienten mit Emphysem bzw. Lungenfibrose. Aus: W.F. Boron & E.L.
Boulpaep, Medical Physiology
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Abbildung 4: Statisches Druck-Volumen-Diagramm. Bemerke: Die
Oberflächenspannung (Grenzfläche Luft-Wasser in den Alveolen) vermindert
die Complience (blaue Kurven), sie trägt wesentlich zu den „elastischen“
Rückstellkräften der Lunge bei. Aus: W.F. Boron & E.L. Boulpaep, Medical
Physiology
Synthese, Zusammensetzung und Funktion des Surfactant
Surfactant ist ein Lipoproteingemisch, das von Alveolarepithelzellen Typ II
synthetisiert wird und die Wand der Alveolen auskleidet. Er ist wie folgt
zusammengesetzt:
• Dipalmitoylphosphatidylcholin (62%)
• Phosphatidylglycin (5%)
• Andere Phospholipide (10%)
• Neutrale Lipide (13%)
• Proteine (8%)
• Kohlenhydrate (2%)
Durch den Surfactant wird die Oberflächenspannung (siehe Physik) des
Flüssigkeitsfilmes, der die Alveolen auskleidet, vermindert. Ohne Surfactant
wären zur Dehnung der Lunge viel negativere Pleuradrucke erforderlich als im
Normalfall. Der Oberflächenspannungs-vermindernde Effekt des Sufactant ist
abhängig von seiner Konzentration pro Flächeneinheit. Bei Verkleinerung der
Alveolen nimmt die Surfactant-Konzentration an der Oberfläche zu und
folglich die Oberflächenspannung ab. Das ist notwendig, da ansonsten bei
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kleineren Alveolenradien (r) viel höhere Drucke erforderlich wären, um die
Alveolen offen zu halten (Gesetz von Laplace: P=2T/r, T,
Oberflächenspannung). Dieser Mechanismus bewirkt auch, daß die Größe
der einzelnen Alveolen stabilisiert wird. Ohne Surfactant käme es aufgrund
der hohen Oberflächenspannung außerdem zu Verschiebung von Flüssigkeit
aus der Alveolarwand in die Alveolen.
EIGENSCHAFTEN DER LUNGE UNTER „DYNAMISCHEN“
BEDINGUNGEN
Wenn Luft strömt (dynamische Bedingungen), braucht man Kraft nicht nur,
um in Lunge und Thoraxraum ein gewisses Volumen aufrechtzuhalten
(„statische“ Komponente) sondern auch, um Gewebs- und
Atemwegswiderstände zu überwinden „dynamische“ Komponente). Die
Luftströmung (Volumen/Zeit) ist direkt proportional zur treibenden Kraft
[Differenz zwischen alveolärem und atmosphärischen Druck (ΔP)] und
umgekehrt proportional zum Atemwegswiderstand (R). D.h. bei gleichem
Widerstand braucht man um eine größere Strömung zu erreichen eine
größere Druckdifferenz (mehr Anstrengung). Oder anders ausgedrückt: Um
eine gewünschte Luftströmung zu erreichen braucht man bei größerem
Widerstand eine größere Druckdifferenz (vgl. auch elektr. Strom bzw.
Strömung durch Blutgefäße). Der Widerstand ist propotional der Vikosität des
Gases und der Länge des Rohres (beide nicht wichtig für Lunge) und
umgekehrt proportional dem Radius (und zwar r 4 ), d.h. eine relativ geringe
Abnahme des Radius bewirkt eine starke Zunahme des Widerstandes.
Pharynx, Larynx und große Atemwege tragen am meisten zum
Gesamtatemwegswiderstand bei, der Beitrag der kleinsten Luftwege ist sehr
gering.
Die gesamte Atemarbeit kann in drei Komponenten unterteilt werden.
1) Nicht-elastische Arbeit:
Visköser Widerstand (Gewebswiderstand) (7%)
Atemwegswiderstand (28%)
2) Elastische (compliance) Arbeit (65%)
Bronchialtonus
Tonus der Bronchien abhängig von Inspiation (Dilatation durch Sympathikus)
und Exspiration (Konstriktion durch Parasympathikus)
Bronchialtonus am höchsten um ca. 6h morgens, am niedrigsten um ca. 18h
abends.
Bronchokonstriktion durch: Cholinerge Reflexe (durch z.B. Chemikalien, kalte
Luft, etc.), Leukotriene, Substanz P, Adenosin
Bronchodilatation durch: VIP
Forcierte Exspiration
Bei forcierter Exspiration wird von außen derselbe Druck auf die Alveolen und
die Bronchiolen ausgeübt. Dieser Druck treibt einerseits die Luft aus den
Alveolen in die Bronchiolen, andererseits verengt er die Bronchiolen (siehe
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Abb. 2). Die maximal-erreichbare exspiratorische Flußrate ist bei großen
Lungenvolumina größer als bei kleinen.
Abbildung 5: Forcierte Exspiration. A, Kollaps der Atemwege bei
maximaler, forcierter Exspiration, ein Effekt, der limitierend für die
exspiratorische Flußrate ist.
B, Abhängigkeit der maximalen exspiratorischen Flußrate vom
Lungenvolumen.
(aus: Guyton, Textbook of Medical Physiology)
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Abbildung 6: Forcierte Exspiration nach maximaler Inspiation bei gesunden
Normalpersonen (A), bei Patienten mit obstruktiven Lungenerkrankungen
(z.B. Asthma, B) und Patienten mit parenchymal restriktiven
Lungenerkrankungen (z.B. Lungenfibrose, C). FVC, forcierte Vitalkapazität;
VC, Vitalkapazität; FEV1, forciertes exspiratorisches Volumen/1s, 1-
Sekundenkapazität; MMFR, forcierte mittlere Flußrate. (aus: Harrison’s
Principles of Internal Medicine, 2001)
Abbildung 7: Fluß-Volumen Diagramm bei physiologischen und
pathologischen Bedingungen. O, Obstruktive Erkrankung (z.B. Asthma);
R(E), extraparenchymal restiktive Erkrankung (z.B. neuromuskuläre oder
Thoraxerkrankungen); R(P) parenchymal restriktive Erkrankung (z.B.
Lungenfibrose). Aus: Harrison’s Principles of Internal Medicine.
2) Lungenzirkulation:
Das Blutgefäßsystem der Lunge ist ein dehnbares Niederdrucksystem. Der
Druck in der Pulmonalarterie beträgt ca. 24/9mm Hg; der Mitteldruck ist ca.
15mm Hg. Der diastolische Druck im linken Vorhof ist ca. 8mm Hg, sodaß der
Druckgradient im Lungenkreislauf nur ca. 7mm Hg beträgt (vergleiche 90 mm
Hg im systemischen Kreislauf). Der Druck in den Lungenkapillaren ist ca.
10mm Hg, sodaß (bei einem onkotischen Druck von ca. 25mm Hg) ein
einwärts gerichteter Druckgradient von ca 15mm Hg besteht, der
normalerweise die Alveolen frei von Flüssigkeit hält.
Aufgrund der Schwerkraft kommt es bei aufrechter Körperhaltung zu
ausgeprägten Druckunterschieden in den Lungenarterien zwischen
Lungenspitzen und Lungenbasis, und einer daraus resultierenden
unterschiedlichen Durchblutung (Lungenbasen stärker durchblutet als
Lungenspitzen). Auch die Ventilation nimmt von den Spitzen zur Basis zu.
Das Ventilations-/Perfusionsverhältnis beträgt für die gesamte Lunge im
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Schnitt 0,8 (4,2l/min Ventilation, 5,5l/min Durchblutung), ist jedoch in den
oberen Abschnitten der Lunge am größten.
3) Gasaustausch in der Lunge
Die Zusammensetzung des alveolären Gasgemisches ist relativ konstant
(siehe Abbildung 6), weil pro Atemzug bei ruhiger Atmung nur eine geringe
Menge Frischluft [Atemzugvolumen (~500ml) minus Totraumvolumen
(~170ml), d.h. ~330ml] einem relativ großen Volumen (funktionelle
Residualkapazität, ~2,5l) zugemischt wird. Bei alveolärer Hyperventilation
wird die Zusammensetzung des alveolären Gasgemisches in Richtung
„Frischluft“ verschoben , d.h. pCO2 sinkt, pO2 steigt. Bei alveolärer
Hypoventilation sinkt der alveoläre pO2 und steigt der alveoläre pCO2.
Abbildung 8: Partialdrucke von Gasen (mm Hg) in verschiedenen Teilen
des Respirationstraktes und Kreislaufsystems (aus: W.F. Ganong, Review
of Medical Physiology, 1999).
Diffusion durch die alveolo-kapilläre Membran (siehe Physik)
4) Atemgastransport zwischen Lunge und Gewebe:
Sauerstofftransport im Blut
S-förmiger Verlauf der Sauerstoff-Bindungskurve ist von praktischer Relevanz
für die Sauerstofftransportfunktion des Blutes: Im oberen Bereich (pO2
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~60mm Hg) verläuft die Kurve flach, Veränderungen des pO2 ändern daher
an der Sättigung des Hämoglobins nur wenig. Das bedeutet einerseits, daß
eine geringe Abnahme des alveolären pO2 die Sauerstoffsättigung des
arteriellen Blutes nicht vermindert. Andererseits nimmt das Blut bei erhöhtem
alveolären pO2 nicht nennenswert mehr Sauerstoff auf, da es schon bei
normaler Luftatmung vollständig gesättigt ist. Im unteren Bereich fällt die
Kurve steil ab. Das gewährleistet, daß der pO2 in der Peripherie trotz der
Sauerstoffabgabe hoch genug bleibt, um die Gewebe durch Diffusion zu
versorgen.
Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve (= Affinitätsabnahme,
erleichterte O2-Abgabe) durch Erhöhung bzw. Linksverschiebung (=
Affinitätszunahme, erleichterte O2-Bindung) durch Erniedrigung der:
• H + -Ionen-Konzentration
• CO2-Konzentration
• Temperatur
• 2,3-Diphosphoglycerat (DPG)-Konzentration; DPG ist ein Metabolit des
Glucosestoffwechsels und in Erythrozyten reichlich vorhanden. Es
bindet an die beta-Ketten des desoxygenierten Hämoglobins. bei
hohem pH (z.B. bei Hyperventilation in großen Höhen) steigt die 2,3-
DPG-Konzentration, bei niedrigem sinkt sie. Fetales Hämoglobin (HbF)
hat anstelle von beta-Ketten gamma-Ketten, die 2,3-DPG viel
schlechter binden als die beta Ketten des adulten Hämoglobins (HbA).
HbF hat daher eine höhere O2-Affinität als HbA und kann leichter O2
aus dem mütterlichen Blut aufnehmen.
Mit Sauerstoff gesättigtes Hämoglobin enthält (theoretisch) pro g 1,39ml O2
(tatsächlich 1,34ml/g). Dieser Wert ergibt sich aus folgendem: 1 Mol Hb
(~64,500g) kann 4 Mol Sauerstoff (Molvolumen eines idealen Gases:
22,4l/Mol) binden. Daraus folgt, daß in 100ml arteriellem Blut (Hb-
Konzentration ~15g/100ml) bei 100%iger Sättigung des Hämoglobins ca. 20
ml Sauerstoff an Hämoglobin gebunden sind. Die Menge an gelöstem O2 ist
vergleichsweise sehr gering (siehe Tabelle in Abbildung 7).
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Abbildung9: Sauerstoffbindungskurve (aus: W.F. Ganong, Review of
Medical Physiology, 1999)
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CO2-Transport im Blut
Abbildung 10: CO2-Transport im Blut. Hgb, Hämoglobin (aus: Guyton,
Textbook of Medical Physiology)
5) Atemregulation:
Atemzentrum und Atemregulation (siehe Lehrbücher)
Stimuli, die das Atemzentrum beeinflussen:
• CO2 über periphere (Glomus caroticum und Glomus aorticum) und
zentrale Chemorezeptoren. Zentral: CO2 passiert sehr leicht die Blut-
Hirn-Schranke und gelangt in den Liquor. Dort kommt es zu einer
Erhöhung der H + -Ionen-Konzentration (pH-Abfall), die chemosensitive
Areale der Medulla oblongata stimuliert.
• O2 und H + über periphere Chemorezeptoren (Glomus caroticum und
Glomus aorticum)
• Vagale Afferenzen von Rezeptoren in Luftwegen und Lunge
• Afferenzen von Brücke, Hypothalamus und limbischem System
• Afferenzen von Propriozeptoren
• Afferenzen von Barorezeptoren (Hoch- und Niederdrucksystem)
6) Anpassungsmechanismen der Atmung:
Atmung in großer Höhe
Problem: Mit zunehmender Höhe sinkt der Umgebungsluftdruck und damit
auch der pO2. In 3000m Höhe ist der alveoläre pO2 ca. 60mm Hg. Durch den
hypoxischen Stimulus kommt es zur Hyperventilation, was dem pO2-Abfall bei
weiterem Anstieg entgegenwirkt und zu einem Absinken des pCO2 und
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espiratorischer Alkalose führt. Bei nicht-akklimatisierten Personen kommt es
bei Luftatmung in einer Höhe von 6100m zur Bewußtlosigkeit. Bei Atmen von
reinem Sauerstoff wird der Umgebungsdruck limitierend: Alveolärer pCO2
(=40mm Hg) und alveolärer pH2O (=47mm Hg) sind unabhängig vom
Umgebungsdruck. Um daher einen alveolären pO2 von 100mm Hg zu
erreichen ist daher ein Luftdruck von mindestens 187mm Hg erforderlich
(entsprechend einer Höhe von ca. 10400m).
Kompensationsmechanismen, Akklimatisation: Hyperventilation mit
resultierender resp. Alkalose, Anstieg des 2,3-DPG durch die Alkalose, leichte
Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve durch 2,3-DPG, dadurch
erleichterte O2-Abgabe im Gewebe, aber auch erschwerte O2-Aufnahme,
Anstieg des Erythropoetin und Erhöhung der Erythrozytenzahl. Anstieg der
Mitochondrienzahl, des Myoglobins und der Cytochrom Oxidase.
Tauchen (nur einige Überlegungen):
Abbildung 11: Effekt der Tiefe auf Gasvolumina (aus: Guyton, Textbook of
Medical Physiology)
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• Unter Wasser nimmt der Umgebungsdruck pro ~10m Tiefe um eine
Atmosphäre zu (d.h. in 10m Tiefe herrscht ein Druck von 2atm, in 20m
Tiefe ein Druck von 3atm, usw.).
• Durch den hohen Druck unter Wasser werden Gase auf immer kleinere
Volumina komprimiert (siehe Abbildung 9). Hoher Druck kann die
Lufträume des Körpers, inkl. der Lunge so stark verkleinern, daß es
beim Abtauchen - zu Schädigungen kommt („squeeze“).
• In Analogie dazu: Wenn ein Taucher, der in der Tiefe unter hohem
Druck geatmet hat, die Luft anhält und auftaucht, kann es durch die
Expansion der Luft in der Lunge zu Rupturen der Lungengefäße und
Luftembolie kommen.
• „Stickstoffnarkose/Tiefenrausch“: Wenn komprimierte Luft (ca.4/5 N2)
unter hohem Druck geatmet wird, kommt es ab einer Tiefe von ca. 30m
zu neurologischen Erscheinungen (Symptome ähnlich einer
Alkoholintoxikation). Der Grund dafür ist, daß Stickstoff gut Lipid-löslich
ist und in Membranen und anderen Lipiden des Nervensystems gelöst
wird, wo er ähnlich wie ein Narkotikum wirken kann.
• „Dekompression“: Wenn ein Taucher über längere Zeit Stickstoff unter
hohem Druck atmet, wird dieser entsprechend seinem Druck in
Körperflüssigkeiten und Geweben gelöst. Beim Auftauchen sinkt der
Druck und Stickstoff diffundiert in die Lunge. Erfolgt der Druckabfall zu
rasch, entstehen Gasblasen (ähnlich wie beim Öffnen einer
Sodawasserflasche), die je nach Menge und Lokalisation
Gewebeschädigungen und entsprechende Symptome verursachen.
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