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Wie wird der Sauerstoff- und Kohlendioxidaustausch durch Hämoglobin vermittelt?

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Sauerstoff wird durch Hämoglobin aus der Lunge in das Gewebe übertragen, während Kohlendioxid durch Hämoglobin aus den Geweben in die Lunge übertragen wird. Wie wird dieser regulierte bidirektionale Transfer vermittelt?


Unter Bedingungen mit hohem CO2 (in Geweben wie Muskeln) und daher bindet Hämoglobin mit hohem Säuregehalt bevorzugt CO2, wodurch CO . vermittelt wird2 Entfernung. Unter CO-armen Bedingungen2 (hoher pH) und hoher O2 (Bedingungen in der Lunge erfüllt), bindet vorzugsweise O2, wodurch CO . freigesetzt wird2. Daher ermöglichen die spezifischen Eigenschaften von Hämoglobin CO2 Aufnahme in den Körper und O2 Aufnahme und CO2 in der Lunge freisetzen. Infos aus Wikipedia zu Hämoglobin


Outline-4, BIO 3360, Atmung V – Sauerstoff- und Kohlendioxidtransport im Blut

—Affinität ist der Sauerstoff, der von Hämoglobin angezogen wird und sobald sie aneinander gebunden sind, verwenden wir den Begriff Sättigung und sagen, dass Hämoglobin mit Sauerstoff gesättigt ist. Sauerstoff wird Hämoglobin sättigen, wo der Sauerstoffgehalt hoch ist – wie in der Lunge.

—Dissoziation ist Sauerstoff, der sich vom Hämoglobin wegzieht und auf diese Weise nicht gebunden wird und frei in ein Gewebe gelangen kann, das Sauerstoff benötigt. Sauerstoff wird von Hämoglobin in Geweben dissoziieren, wenn der Sauerstoffgehalt niedrig ist – wie bei einem trainierenden Beinmuskel.

1. Der Sauerstoffpartialdruck ist der größte bestimmende Faktor für die Dissoziation von Sauerstoff und Hämoglobin (das Loslassen voneinander) oder die Sättigung (das Aneinanderheften)

2. Gewebe, die Sauerstoff benötigen, bekommen ihn, während Sauerstoff und Hämoglobin dort anhaften, wo Gewebe keinen Sauerstoff benötigen

3. Verschieben der Kurve nach links –höhere Affinität zwischen Sauerstoff und Hämoglobin höherer pH-Wert, niedrigerer Kohlendioxidgehalt, niedrigere Temperatur

4. Bohr-Effekt: Verschieben der Kurve nach rechts –geringere Affinität zwischen Sauerstoff und Hämoglobin niedrigerer pH-Wert, höhere Kohlendioxidwerte, höhere Temperatur, höhere Konzentrationen an Stoffwechselnebenprodukten (wie DPG)

5. Root-Effekt:Anstieg des Kohlendioxids plus Abnahme des pH-Wertes verursachen nicht nur einen Bohr-Effekt, sondern auch den Wurzel-Effekt, wenn die Sauerstofftransportkapazität des Atmungspigments (Hämoglobin) verringert ist. Dies kann Sauerstoff in Lösung freisetzen und ist der Mechanismus, der beim Füllen von Schwimmblasen mit Sauerstoff wichtig ist. Gesehen bei einigen Fischen, Kopffüßern und Krebstieren

II. Kohlendioxidtransport in Körperflüssigkeiten

A. Kohlendioxid diffundiert von einem Bereich mit höherem Druck zu einem niedrigeren Druck, aber der Druckgradient ist nicht so groß wie bei Sauerstoff. Frösche kompensieren dies, indem sie eine riesige Hautoberfläche für den Kohlendioxidaustausch haben.

70%) als Bicarbonat-Ionen im Plasma (einige sind frei im Plasma und einige sind an den Globinanteil von Hämoglobin gebunden)

CO 2 +H 2O <–> H 2CO3 <–> H + + HCO3

Enzym zur Bildung von Kohlensäure ist die Carboanhydrase.

D. Kohlendioxid-Gleichgewichtskurve –schneller CO-Anstieg2 Gehalt bei relativ niedrigem PCO2im Blut und ein anhaltender, aber langsamer Anstieg als PCO2 erhebt sich. Blut wird nicht mit CO . gesättigt2wie bei O2

E. Haldane-Effekt –Sauerstoffarmes Blut kann mehr CO . transportieren2 als sauerstoffreiches Blut. Der Haldane-Effekt besteht darin, dass die Desoxygenierung von Hämoglobin im Gewebe CO . fördert2 Aufnahme durch das Blut, während die Oxygenierung des Hämoglobins an der Atemoberfläche CO . fördert2 Entladung. Desoxygeniertes Hämoglobin verschiebt die oben in B. gezeigte Gleichung nach rechts und erhöht die Menge an Kohlendioxid, die in Form von Bicarbonationen transportiert werden kann. Mit Sauerstoff angereichertes Hämoglobin verschiebt die oben in B. gezeigte Gleichung nach links, so dass Kohlendioxid entsteht und ausgeatmet werden kann.


BIO 140 - Humanbiologie I - Lehrbuch

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Kapitel 30

Gasaustausch

  • Vergleichen Sie die Zusammensetzung von atmosphärischer Luft und Alveolarluft
  • Beschreiben Sie die Mechanismen, die den Gasaustausch antreiben
  • Besprechen Sie die Bedeutung einer ausreichenden Belüftung und Durchblutung und wie sich der Körper anpasst, wenn sie nicht ausreichen
  • Besprechen Sie den Prozess der äußeren Atmung
  • Beschreiben Sie den Prozess der inneren Atmung

Der Zweck des Atmungssystems ist der Gasaustausch. Die Lungenbeatmung versorgt die Alveolen für diesen Gasaustauschprozess mit Luft. An der Atmungsmembran, wo sich die Alveolar- und Kapillarwände treffen, bewegen sich Gase durch die Membranen, wobei Sauerstoff in den Blutkreislauf gelangt und Kohlendioxid austritt. Durch diesen Mechanismus wird das Blut mit Sauerstoff angereichert und Kohlendioxid, das Abfallprodukt der Zellatmung, aus dem Körper entfernt.

Gasaustausch

Um die Mechanismen des Gasaustausches in der Lunge zu verstehen, ist es wichtig, die zugrundeliegenden Prinzipien von Gasen und deren Verhalten zu verstehen. Neben dem Boyleschen Gesetz helfen mehrere andere Gasgesetze, das Verhalten von Gasen zu beschreiben.

Gasgesetze und Luftzusammensetzung

Gasmoleküle üben auf die Oberflächen, mit denen sie in Kontakt stehen, eine Kraft aus, diese Kraft wird als Druck bezeichnet. In natürlichen Systemen liegen Gase normalerweise als Gemisch verschiedener Molekülarten vor. Die Atmosphäre besteht beispielsweise aus Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und anderen gasförmigen Molekülen, und dieses Gasgemisch übt einen bestimmten Druck aus, der als Atmosphärendruck bezeichnet wird (Tabelle 1). Partialdruck (Px) ist der Druck einer einzelnen Gasart in einem Gasgemisch. In der Atmosphäre beispielsweise übt Sauerstoff einen Partialdruck aus und Stickstoff einen anderen Partialdruck, unabhängig vom Sauerstoffpartialdruck (Abbildung 1). Der Gesamtdruck ist die Summe aller Partialdrücke eines Gasgemisches. Das Daltonsche Gesetz beschreibt das Verhalten von nichtreaktiven Gasen in einem Gasgemisch und besagt, dass eine bestimmte Gasart in einem Gemisch seinen eigenen Druck ausübt, also ist der von einem Gasgemisch ausgeübte Gesamtdruck die Summe der Partialdrücke der Gase in dem Gemisch .

Tabelle 1: Partialdrücke atmosphärischer Gase

Gas Prozent der Gesamtzusammensetzung Partialdruck
(mmHg)
Stickstoff (N2) 78.6 597.4
Sauerstoff (O2) 20.9 158.8
Wasser (H2Ö) 0.4 3.0
Kohlendioxid (CO2) 0.04 0.3
Andere 0.06 0.5
Gesamtzusammensetzung/Gesamtluftdruck 100% 760.0

Abbildung 1: Partialdruck ist die Kraft, die ein Gas ausübt. Die Summe der Partialdrücke aller Gase in einem Gemisch ergibt den Gesamtdruck.

Der Partialdruck ist äußerst wichtig, um die Bewegung von Gasen vorherzusagen. Denken Sie daran, dass Gase dazu neigen, ihren Druck in zwei miteinander verbundenen Regionen auszugleichen. Ein Gas bewegt sich von einem Bereich, in dem sein Partialdruck höher ist, in einen Bereich, in dem sein Partialdruck niedriger ist. Außerdem ist die Bewegung der Gase umso schneller, je größer die Partialdruckdifferenz zwischen den beiden Bereichen ist.

Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten

Das Henry-Gesetz beschreibt das Verhalten von Gasen, wenn sie mit einer Flüssigkeit wie Blut in Kontakt kommen. Henrys Gesetz besagt, dass die Gaskonzentration in einer Flüssigkeit direkt proportional zur Löslichkeit und dem Partialdruck dieses Gases ist. Je höher der Partialdruck des Gases ist, desto mehr Gasmoleküle lösen sich in der Flüssigkeit auf. Die Konzentration des Gases in einer Flüssigkeit hängt auch von der Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit ab. Obwohl beispielsweise Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden ist, löst sich nur sehr wenig Stickstoff im Blut, da die Löslichkeit von Stickstoff im Blut sehr gering ist. Die Ausnahme davon tritt bei Sporttauchern auf, da die Zusammensetzung der Druckluft, die Taucher einatmen, dazu führt, dass Stickstoff einen höheren Partialdruck als normal hat, wodurch er sich in größeren Mengen als normal im Blut auflöst. Zu viel Stickstoff im Blutkreislauf führt zu einer ernsthaften Erkrankung, die tödlich sein kann, wenn sie nicht korrigiert wird. Gasmoleküle stellen ein Gleichgewicht zwischen den in Flüssigkeit gelösten Molekülen und denen in der Luft her.

Die Zusammensetzung der Luft in der Atmosphäre und in den Alveolen ist unterschiedlich. In beiden Fällen ist die relative Konzentration der Gase Stickstoff > Sauerstoff > Wasserdampf > Kohlendioxid. Die Menge an Wasserdampf in der Alveolarluft ist größer als in der atmosphärischen Luft (Tabelle 2). Denken Sie daran, dass das Atmungssystem die einströmende Luft befeuchtet, wodurch die in den Alveolen vorhandene Luft eine größere Menge an Wasserdampf enthält als die atmosphärische Luft. Darüber hinaus enthält Alveolarluft mehr Kohlendioxid und weniger Sauerstoff als atmosphärische Luft. Dies ist keine Überraschung, da der Gasaustausch Sauerstoff aus der Alveolarluft entfernt und Kohlendioxid hinzufügt. Sowohl tiefe als auch forcierte Atmung bewirken, dass sich die alveoläre Luftzusammensetzung schneller ändert als bei ruhiger Atmung. Infolgedessen ändern sich die Partialdrücke von Sauerstoff und Kohlendioxid, was den Diffusionsprozess beeinflusst, der diese Materialien durch die Membran bewegt. Dadurch gelangt Sauerstoff schneller ins Blut und Kohlendioxid verlässt das Blut schneller.

Tabelle 2: Zusammensetzung und Partialdruck von Alveolarluft

Zusammensetzung und Partialdruck von Alveolarluft
Gas Prozent der Gesamtzusammensetzung Partialdruck
(mmHg)
Stickstoff (N2) 74.9 569
Sauerstoff (O2) 13.7 104
Wasser (H2Ö) 6.2 40
Kohlendioxid (CO2) 5.2 47
Gesamtzusammensetzung/Gesamtalveolardruck 100% 760.0
Belüftung und Perfusion

Zwei wichtige Aspekte des Gasaustausches in der Lunge sind Ventilation und Perfusion. Ventilation ist die Bewegung von Luft in und aus der Lunge, und Perfusion ist der Blutfluss in den Lungenkapillaren. Für einen effizienten Gasaustausch sollten die an Ventilation und Perfusion beteiligten Volumina kompatibel sein. Faktoren wie regionale Schwerkrafteffekte auf das Blut, blockierte Alveolargänge oder Krankheiten können jedoch zu einem Ungleichgewicht der Ventilation und Perfusion führen.

Der Sauerstoffpartialdruck in der Alveolarluft beträgt etwa 104 mm Hg, während der Sauerstoffpartialdruck des sauerstoffreichen Blutes in den Lungenvenen etwa 100 mm Hg beträgt. Bei ausreichender Belüftung dringt Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit in die Alveolen ein und der Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen bleibt hoch. Im Gegensatz dazu sinkt bei unzureichender Belüftung der Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen. Ohne den großen Partialdruckunterschied zwischen den Alveolen und dem Blut diffundiert Sauerstoff nicht effizient durch die Atemmembran. Der Körper verfügt über Mechanismen, die diesem Problem entgegenwirken. In Fällen, in denen die Belüftung einer Alveole nicht ausreicht, leitet der Körper den Blutfluss zu Alveolen um, die ausreichend belüftet werden. Dies wird erreicht, indem die Lungenarteriolen verengt werden, die der dysfunktionalen Alveole dienen, die das Blut zu anderen Alveolen umleitet, die über eine ausreichende Belüftung verfügen. Gleichzeitig erweitern sich die Lungenarteriolen, die den Alveolen mit ausreichender Belüftung dienen, gefäßerweiternd, was zu einem stärkeren Blutfluss führt. Faktoren wie Kohlendioxid, Sauerstoff und pH-Werte können alle als Stimuli für die Regulierung des Blutflusses in den mit den Alveolen verbundenen Kapillarnetzwerken dienen.

Die Ventilation wird durch den Durchmesser der Atemwege reguliert, während die Perfusion durch den Durchmesser der Blutgefäße reguliert wird. Der Durchmesser der Bronchiolen reagiert empfindlich auf den Kohlendioxidpartialdruck in den Alveolen. Ein größerer Kohlendioxidpartialdruck in den Alveolen führt dazu, dass die Bronchiolen ihren Durchmesser vergrößern, ebenso wie ein verringerter Sauerstoffgehalt in der Blutversorgung, wodurch Kohlendioxid schneller aus dem Körper ausgeatmet werden kann. Wie oben erwähnt, führt ein größerer Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen dazu, dass sich die Lungenarteriolen erweitern und den Blutfluss erhöhen.

Gasaustausch

Der Gasaustausch findet an zwei Stellen im Körper statt: in der Lunge, wo Sauerstoff aufgenommen und Kohlendioxid an der Atemmembran freigesetzt wird, und an den Geweben, wo Sauerstoff freigesetzt und Kohlendioxid aufgenommen wird. Die äußere Atmung ist der Austausch von Gasen mit der äußeren Umgebung und findet in den Alveolen der Lunge statt. Die innere Atmung ist der Austausch von Gasen mit der inneren Umgebung und findet im Gewebe statt. Der eigentliche Gasaustausch erfolgt durch einfache Diffusion. Es wird keine Energie benötigt, um Sauerstoff oder Kohlendioxid durch Membranen zu bewegen. Stattdessen folgen diese Gase Druckgradienten, die es ihnen ermöglichen, zu diffundieren. Die Anatomie der Lunge maximiert die Diffusion von Gasen: Die Atmungsmembran ist sehr durchlässig für Gase, die Atmungs- und Blutkapillarmembranen sind sehr dünn und haben eine große Oberfläche in der gesamten Lunge.

Äußere Atmung

Die Lungenarterie transportiert desoxygeniertes Blut vom Herzen in die Lunge, wo es sich verzweigt und schließlich zum Kapillarnetz aus Lungenkapillaren wird. Diese Lungenkapillaren bilden mit den Alveolen die Atemmembran (Abbildung 2). Wenn das Blut durch dieses Kapillarnetz gepumpt wird, findet ein Gasaustausch statt. Obwohl sich eine kleine Menge Sauerstoff direkt aus den Alveolen im Plasma auflösen kann, wird der größte Teil des Sauerstoffs von Erythrozyten (roten Blutkörperchen) aufgenommen und bindet an ein Protein namens Hämoglobin, ein Prozess, der später in diesem Kapitel beschrieben wird. Mit Sauerstoff angereichertes Hämoglobin ist rot, was das allgemeine Aussehen von hellrotem sauerstoffreichem Blut verursacht, das durch die Lungenvenen zum Herzen zurückkehrt. Kohlendioxid wird in entgegengesetzter Richtung zum Sauerstoff freigesetzt, vom Blut zu den Alveolen. Ein Teil des Kohlendioxids wird über Hämoglobin zurückgegeben, kann aber auch im Plasma gelöst werden oder liegt in umgewandelter Form vor, die ebenfalls später in diesem Kapitel näher erläutert wird.

Die äußere Atmung erfolgt in Abhängigkeit von Partialdruckunterschieden von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen den Alveolen und dem Blut in den Lungenkapillaren.

Abbildung 2: Bei der Außenatmung diffundiert Sauerstoff über die Atemmembran von der Alveole in die Kapillare, während Kohlendioxid aus der Kapillare in die Alveole diffundiert.

Obwohl die Sauerstofflöslichkeit im Blut nicht hoch ist, gibt es einen drastischen Unterschied im Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen und im Blut der Lungenkapillaren. Dieser Unterschied beträgt etwa 64 mm Hg: Der Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen beträgt etwa 104 mm Hg, während sein Partialdruck im Blut der Kapillare etwa 40 mm Hg beträgt. Dieser große Partialdruckunterschied erzeugt einen sehr starken Druckgradienten, der bewirkt, dass Sauerstoff die Atemmembran von den Alveolen schnell in das Blut überquert.

Der Partialdruck von Kohlendioxid ist auch zwischen der Alveolarluft und dem Blut der Kapillare unterschiedlich. Die Partialdruckdifferenz ist jedoch geringer als die von Sauerstoff, etwa 5 mm Hg. Der Partialdruck von Kohlendioxid im Blut der Kapillare beträgt etwa 45 mm Hg, während sein Partialdruck in den Alveolen etwa 40 mm Hg beträgt. Die Löslichkeit von Kohlendioxid ist jedoch viel größer als die von Sauerstoff – um einen Faktor von etwa 20 – sowohl in Blut als auch in Alveolarflüssigkeit. Als Ergebnis sind die relativen Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlendioxid, die durch die Atemmembran diffundieren, ähnlich.

Innere Atmung

Die innere Atmung ist ein Gasaustausch, der auf der Ebene des Körpergewebes stattfindet (Abbildung 3). Ähnlich wie bei der Außenatmung erfolgt auch die Innenatmung als einfache Diffusion aufgrund eines Partialdruckgradienten. Die Partialdruckgradienten sind jedoch denen an der Atemmembran entgegengesetzt. Der Sauerstoffpartialdruck im Gewebe ist niedrig, etwa 40 mm Hg, da Sauerstoff kontinuierlich für die Zellatmung verwendet wird. Im Gegensatz dazu beträgt der Sauerstoffpartialdruck im Blut etwa 100 mm Hg. Dadurch entsteht ein Druckgradient, der bewirkt, dass Sauerstoff vom Hämoglobin dissoziiert, aus dem Blut diffundiert, den interstitiellen Raum durchquert und in das Gewebe eindringt. Hämoglobin, an das nur wenig Sauerstoff gebunden ist, verliert viel von seiner Helligkeit, so dass das Blut, das zum Herzen zurückkehrt, eine burgunderfarbene Farbe hat.

In Anbetracht der Tatsache, dass die Zellatmung kontinuierlich Kohlendioxid produziert, ist der Partialdruck von Kohlendioxid im Blut niedriger als im Gewebe, wodurch Kohlendioxid aus dem Gewebe diffundiert, die interstitielle Flüssigkeit durchquert und in das Blut gelangt. Es wird dann entweder an Hämoglobin gebunden, im Plasma gelöst oder in umgewandelter Form zurück in die Lunge transportiert. Wenn das Blut zum Herzen zurückkehrt, ist der Sauerstoffpartialdruck auf etwa 40 mm Hg zurückgekehrt und der Kohlendioxidpartialdruck auf etwa 45 mm Hg zurückgekehrt. Das Blut wird dann zurück in die Lunge gepumpt, um bei der äußeren Beatmung erneut mit Sauerstoff angereichert zu werden.

Abbildung 3: Sauerstoff diffundiert aus der Kapillare in die Zellen, während Kohlendioxid aus den Zellen in die Kapillare diffundiert.

Alltagsverbindung

Behandlung mit Überdruckkammer

Ein in einigen Bereichen der Medizin verwendeter Gerätetyp, der das Verhalten von Gasen ausnutzt, ist die Überdruckkammerbehandlung. Eine Überdruckkammer ist eine Einheit, die abgedichtet werden kann und einen Patienten entweder 100 Prozent Sauerstoff mit erhöhtem Druck oder einem Gasgemisch aussetzt, das eine höhere Sauerstoffkonzentration als normale atmosphärische Luft enthält, auch bei einem höheren Partialdruck als die Atmosphäre. Es gibt zwei Haupttypen von Kammern: Monoplace und Multiplace. Monoplace-Kammern sind in der Regel für einen Patienten vorgesehen, und das den Patienten betreuende Personal beobachtet den Patienten von außerhalb der Kammer (Abbildung 4). Einige Einrichtungen verfügen über spezielle einplatzige Überdruckkammern, die es ermöglichen, mehrere Patienten gleichzeitig zu behandeln, normalerweise in sitzender oder liegender Position, um das Gefühl der Isolation oder Klaustrophobie zu lindern. Kammern mit mehreren Plätzen sind groß genug, um mehrere Patienten gleichzeitig zu behandeln, und das Personal, das diese Patienten betreut, befindet sich in der Kammer. In einer Kammer mit mehreren Plätzen werden Patienten häufig über eine Maske oder Haube mit Luft behandelt, und die Kammer wird unter Druck gesetzt.

Abbildung 4: (Bildnachweis: &ldquokomunews&rdquo/flickr.com)

Die Überdruckkammerbehandlung basiert auf dem Verhalten von Gasen. Wie Sie sich erinnern, bewegen sich Gase von einem Bereich mit höherem Partialdruck in einen Bereich mit niedrigerem Partialdruck. In einer Überdruckkammer wird der atmosphärische Druck erhöht, wodurch eine größere Sauerstoffmenge als normal in den Blutkreislauf des Patienten diffundiert. Die Überdruckkammertherapie wird verwendet, um eine Vielzahl von medizinischen Problemen zu behandeln, wie Wund- und Transplantatheilung, anaerobe bakterielle Infektionen und Kohlenmonoxidvergiftung. Die Exposition gegenüber und die Vergiftung durch Kohlenmonoxid sind schwer rückgängig zu machen, da die Affinität des Hämoglobins zu Kohlenmonoxid viel stärker ist als seine Affinität zu Sauerstoff, wodurch Kohlenmonoxid den Sauerstoff im Blut ersetzt. Eine Überdruckkammertherapie kann eine Kohlenmonoxidvergiftung behandeln, da durch den erhöhten atmosphärischen Druck mehr Sauerstoff in den Blutkreislauf diffundiert. Bei diesem erhöhten Druck und erhöhter Sauerstoffkonzentration wird Kohlenmonoxid aus Hämoglobin verdrängt. Ein weiteres Beispiel ist die Behandlung anaerober bakterieller Infektionen, die von Bakterien verursacht werden, die in Gegenwart von Sauerstoff nicht leben können oder wollen. Eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts im Blut und im Gewebe trägt dazu bei, die anaeroben Bakterien abzutöten, die für die Infektion verantwortlich sind, da Sauerstoff für anaerobe Bakterien giftig ist. Bei Wunden und Transplantaten stimuliert die Kammer den Heilungsprozess, indem sie die für die Reparatur benötigte Energieproduktion erhöht. Der zunehmende Sauerstofftransport ermöglicht es den Zellen, die Zellatmung und damit die ATP-Produktion anzukurbeln, die Energie, die zum Aufbau neuer Strukturen benötigt wird.

Kapitelrückblick

Das Verhalten von Gasen kann durch die Prinzipien des Daltonschen Gesetzes und des Henryschen Gesetzes erklärt werden, die beide Aspekte des Gasaustausches beschreiben. Das Daltonsche Gesetz besagt, dass jedes spezifische Gas in einem Gasgemisch unabhängig von den anderen Gasen in dem Gemisch eine Kraft (seinen Partialdruck) ausübt. Henrys Gesetz besagt, dass die Menge eines bestimmten Gases, die sich in einer Flüssigkeit auflöst, eine Funktion seines Partialdrucks ist. Je höher der Partialdruck eines Gases ist, desto mehr löst sich dieses Gas in einer Flüssigkeit auf, wenn sich das Gas in Richtung Gleichgewicht bewegt. Gasmoleküle bewegen sich entlang eines Druckgradienten, mit anderen Worten, Gas bewegt sich von einem Bereich mit hohem Druck zu einem Bereich mit niedrigem Druck. Der Sauerstoffpartialdruck ist in den Alveolen hoch und im Blut der Lungenkapillaren niedrig. Dadurch diffundiert Sauerstoff über die Atmungsmembran von den Alveolen in das Blut. Im Gegensatz dazu ist der Partialdruck von Kohlendioxid in den Lungenkapillaren hoch und in den Alveolen niedrig. Daher diffundiert Kohlendioxid über die Atemmembran aus dem Blut in die Alveolen. Die Menge an Sauerstoff und Kohlendioxid, die durch die Atmungsmembran diffundiert, ist ähnlich.

Ventilation ist der Prozess, der Luft in die und aus den Alveolen bewegt, und die Perfusion beeinflusst den Blutfluss in den Kapillaren. Beides ist wichtig für den Gasaustausch, da die Belüftung ausreichen muss, um einen hohen Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen zu erzeugen. Bei unzureichender Ventilation und Absinken des Sauerstoffpartialdrucks in der Alveolarluft wird die Kapillare verengt und der Blutfluss wird bei ausreichender Ventilation in die Alveolen umgeleitet. Die äußere Atmung bezieht sich auf den Gasaustausch, der in den Alveolen stattfindet, während sich die innere Atmung auf den Gasaustausch bezieht, der im Gewebe stattfindet. Beide werden durch Partialdruckunterschiede angetrieben.


Physiologische Faktoren, die das Oxyhämoglobin verschieben können

PH-Änderungen und der Bohr-Effekt

Änderungen der Position der Kurve mit Änderungen der intrazellulären Wasserstoffionenkonzentration der roten Blutkörperchen (RBC) bilden den Bohr-Effekt. Eine Verringerung des pH-Werts verschiebt die Kurve nach rechts, während eine Erhöhung die Kurve nach links verschiebt.

Figur 4. Veränderungen des pH-Wertes sind mit Veränderungen der Sauerstoffaffinität des Hämoglobins verbunden. Eine Verringerung des pH-Werts verschiebt die Kurve nach rechts, während eine Erhöhung die Kurve nach links verschiebt.

Kohlendioxid

Kohlendioxid erhöht die Wasserstoffionenkonzentration und senkt den pH-Wert des Gewebes. Infolgedessen nimmt die Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff ab und die Sauerstoffabgabe an das Gewebe wird erleichtert. In der Lunge treten gegensätzliche Veränderungen auf.

Abbildung 5. Veränderungen des Kohlendioxids (CO2) sind mit Verschiebungen der Sauerstoffaffinität des Hämoglobins verbunden. CO .-Erhöhungen2 verringert die Hämoglobinsättigung, während der CO .-Wert sinkt2 Hämoglobinsättigung erhöhen.

Organophosphate

Während der Glykolyse bilden rote Blutkörperchen Organophosphate, insbesondere 2,3-Diphosphoglycerat (2,3-DPG). In roten Blutkörperchen wird aufgrund des Fehlens von Mitochondrien 2,3-Diphosphoglycerat zur Energiegewinnung verwendet. Bei verminderter Sauerstoffverfügbarkeit (z. B. Anämie, Blutverlust, chronische Lungenerkrankung, große Höhe oder Rechts-Links-Shunts) wird die Organophosphatproduktion in den roten Blutkörperchen erhöht, wodurch die Oxyhämoglobinkurve nach rechts verschoben wird, wodurch das Entladen erleichtert wird von Sauerstoff in peripheren Geweben.

Abbildung 6. Erhöhte Organophosphate verschieben die Oxyhämoglobinkurve nach rechts, was die Sauerstoffabgabe in periphere Gewebe erleichtert.

Temperaturänderungen

Hyperthermie verschiebt die Kurve nach rechts. Bei Hypothermie treten gegensätzliche Veränderungen auf.

Abbildung 7. Temperaturänderungen sind mit Änderungen der Sauerstoffaffinität des Hämoglobins verbunden. Hyperthermie verschiebt die Kurve nach rechts, während Hypothermie die Kurve nach links verschiebt.

Kohlenmonoxidwerte

Kohlenmonoxid verschiebt die Oxyhämoglobin-Dissoziationskurve nach links und behindert die Sauerstoffentladung in peripheren Geweben. Diese Wirkung kommt zusätzlich zu der Wirkung von Kohlenmonoxid bei der Bindung an Hämoglobin und der Verhinderung der Sauerstoffbelastung in der Lunge.

Abbildung 8. Kohlenmonoxid verschiebt die Oxyhämoglobin-Dissoziationskurve nach links und verhindert so die Sauerstoffentladung im peripheren Gewebe.

Methämoglobin

Methämoglobin ist das Ergebnis der Oxidation des Eisenteils des Hämoglobins vom Eisen- in den Eisen(III)-Zustand. Intrazelluläre enzymatische Reduktionswege halten normalerweise Methämoglobinspiegel von weniger als drei Prozent aufrecht.

Abbildung 9. Die Oxidation des Eisenanteils des Hämoglobins vom Eisen(III)- in den Eisen(III)-Zustand führt zu Methämoglobin.

Bei angeborenem Mangel an reduktiven Enzymen oder bei Vorhandensein von Oxidationsmitteln (z. B. Antimalariamittel, Dapson, Lokalanästhetika) kann sich eine Methämoglobinämie entwickeln.

Methämoglobin verschiebt die Oxyhämoglobinkurve nach links, wodurch die Sauerstofffreisetzung in peripheren Geweben beeinträchtigt wird.

Abbildung 10. Methämoglobinämie verschiebt die Oxyhämoglobinkurve nach links und beeinträchtigt die Sauerstofffreisetzung in peripheren Geweben.

Vorhandensein von abnormalen Hämoglobinen

Schließlich kann das Vorhandensein von abnormalen Hämoglobinen – wie z. B. fetalem Hämoglobin bei einem Erwachsenen – einen Einfluss auf die Sauerstoff-Hämoglobin-Bindungskurve haben. Fetales Hämoglobin, Hämoglobin F, besteht aus zwei Gamma-Ketten, die die normalen zwei Beta-Ketten ersetzen.

Die Oxyhämoglobin-Kurve wird in Gegenwart von Hämoglobin F nach links verschoben, wodurch die Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff erhöht wird, ein Vorteil während des fetalen Lebens, wenn die arterielle Sauerstoffspannung niedrig ist.

Abbildung 11. Abnormales Hämoglobin verschiebt die Oxyhämoglobin-Kurve nach links und erhöht die Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff.


Transport von Kohlendioxid im Blut

Auflösung, Hämoglobinbindung und das Bikarbonat-Puffersystem sind Wege, auf denen Kohlendioxid durch den Körper transportiert wird.

Lernziele

Erklären Sie, wie Kohlendioxid vom Körpergewebe in die Lunge transportiert wird

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • Kohlendioxid ist im Blut besser löslich als Sauerstoff. Etwa 5 bis 7 Prozent des gesamten Kohlendioxids sind im Plasma gelöst.
  • Kohlendioxid hat die Fähigkeit, sich an Hämoglobinmoleküle zu binden und wird aus dem Körper entfernt, sobald sie sich voneinander lösen.
  • Im Bicarbonat-Puffersystem, der häufigsten Form des Kohlendioxidtransports im Blut, wird Kohlendioxid beim Ausatmen schließlich über die Lunge aus dem Körper ausgeschieden.
  • Wichtig ist, dass das Bikarbonat-Puffersystem eine geringe Änderung des pH-Werts des Körpersystems ermöglicht, da es Menschen ermöglicht, in großen Höhen zu reisen und zu leben, da sich das System selbst anpassen kann, um Kohlendioxid zu regulieren, während der korrekte pH-Wert im Körper beibehalten wird.

Schlüsselbegriffe

  • Carbaminohämoglobin: eine Verbindung aus Hämoglobin und Kohlendioxid, eine der Formen, in denen Kohlendioxid im Blut vorkommt
  • Carboanhydrase: eine Familie von Enzymen, die die schnelle Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Bicarbonat und Protonen katalysieren
  • Kohlenmonoxid: ein farbloses, geruchloses, brennbares, hochgiftiges Gas

Transport von Kohlendioxid im Blut

Kohlendioxid-Moleküle werden im Blut vom Körpergewebe in die Lunge durch eine von drei Methoden transportiert:

  1. Auflösung direkt ins Blut
  2. Bindung an Hämoglobin
  3. Getragen als Bicarbonat-Ion

Mehrere Eigenschaften von Kohlendioxid im Blut beeinflussen seinen Transport. Erstens ist Kohlendioxid im Blut besser löslich als Sauerstoff. Etwa 5 bis 7 Prozent des gesamten Kohlendioxids sind im Plasma gelöst. Zweitens kann Kohlendioxid an Plasmaproteine ​​binden oder in rote Blutkörperchen eindringen und an Hämoglobin binden. Diese Form transportiert etwa 10 Prozent des Kohlendioxids. Wenn Kohlendioxid an Hämoglobin bindet, wird ein Molekül namens Carbaminohämoglobin gebildet. Die Bindung von Kohlendioxid an Hämoglobin ist reversibel. Daher kann das Kohlendioxid, wenn es die Lunge erreicht, frei vom Hämoglobin dissoziieren und aus dem Körper ausgeschieden werden.

Drittens wird die Mehrheit der Kohlendioxidmoleküle (85 Prozent) als Teil des Bicarbonat-Puffersystems mitgeführt. In diesem System diffundiert Kohlendioxid in die roten Blutkörperchen. Carboanhydrase (CA) in den roten Blutkörperchen wandelt das Kohlendioxid schnell in Kohlensäure (H2CO3). Kohlensäure ist ein instabiles Zwischenmolekül, das sofort in Bicarbonationen (HCO .) dissoziiert3 − ) und Wasserstoff-(H + )-Ionen. Da Kohlendioxid schnell in Bicarbonat-Ionen umgewandelt wird, ermöglicht diese Reaktion die kontinuierliche Aufnahme von Kohlendioxid in das Blut entlang seines Konzentrationsgradienten. Es führt auch zur Produktion von H + -Ionen. Wenn zu viel H + produziert wird, kann es den pH-Wert des Blutes verändern. Hämoglobin bindet jedoch an die freien H + -Ionen, wodurch pH-Verschiebungen begrenzt werden. Das neu synthetisierte Bicarbonat-Ion wird im Austausch gegen ein Chlorid-Ion (Cl-) aus den roten Blutkörperchen in den flüssigen Bestandteil des Blutes transportiert, die sogenannte Chloridverschiebung. Wenn das Blut die Lunge erreicht, wird das Bicarbonat-Ion im Austausch gegen das Chlorid-Ion in die roten Blutkörperchen zurücktransportiert. Das H + -Ion dissoziiert vom Hämoglobin und bindet an das Bicarbonat-Ion. Dabei entsteht das Kohlensäure-Zwischenprodukt, das durch die enzymatische Wirkung von CA wieder in Kohlendioxid umgewandelt wird. Das produzierte Kohlendioxid wird beim Ausatmen über die Lunge ausgeschieden.

Der Vorteil des Bicarbonat-Puffersystems besteht darin, dass Kohlendioxid mit geringer Änderung des pH-Werts des Systems in das Blut „aufgesaugt“ wird. Dies ist wichtig, da nur eine kleine Änderung des Gesamt-pH-Wertes des Körpers zu schweren Verletzungen oder zum Tod führt. Das Vorhandensein dieses Bikarbonat-Puffersystems ermöglicht es den Menschen auch, in großen Höhen zu reisen und zu leben. Wenn sich der Partialdruck von Sauerstoff und Kohlendioxid in großen Höhen ändert, passt sich das Bikarbonat-Puffersystem an, um das Kohlendioxid zu regulieren und gleichzeitig den richtigen pH-Wert im Körper aufrechtzuerhalten.

Kohlenmonoxidvergiftung

Während Kohlendioxid leicht von Hämoglobin assoziieren und dissoziieren kann, können andere Moleküle wie Kohlenmonoxid (CO) dies nicht. Kohlenmonoxid hat eine größere Affinität zu Hämoglobin als Sauerstoff. Wenn Kohlenmonoxid vorhanden ist, bindet es daher bevorzugt an Hämoglobin gegenüber Sauerstoff. Infolgedessen kann Sauerstoff nicht an Hämoglobin binden, sodass nur sehr wenig Sauerstoff durch den Körper transportiert wird. Kohlenmonoxid ist ein farbloses, geruchloses Gas, das schwer zu erkennen ist. Es wird von gasbetriebenen Fahrzeugen und Werkzeugen produziert. Kohlenmonoxid kann Kopfschmerzen, Verwirrung und Übelkeit verursachen. Eine langfristige Exposition kann zu Hirnschäden oder zum Tod führen. Die Verabreichung von 100 Prozent (reinem) Sauerstoff ist die übliche Behandlung einer Kohlenmonoxidvergiftung, da sie die Trennung von Kohlenmonoxid vom Hämoglobin beschleunigt.

Kohlenmonoxidvergiftung: Wenn das Kohlenmonoxid (CO) im Körper ansteigt, nimmt die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins ab, da Hämoglobin leichter an CO als an Sauerstoff bindet. Daher führt eine CO-Exposition aufgrund eines verminderten Sauerstofftransports im Körper zum Tod.


Die Rolle des Blutes im Körper

Blut, wie das in Abbildung (PageIndex<1>) dargestellte menschliche Blut, ist wichtig für die Regulierung der Körpersysteme und die Homöostase. Blut hilft, die Homöostase aufrechtzuerhalten, indem es den pH-Wert, die Temperatur und den osmotischen Druck stabilisiert und überschüssige Wärme beseitigt. Blut unterstützt das Wachstum, indem es Nährstoffe und Hormone verteilt und Abfallstoffe entfernt. Blut spielt eine schützende Rolle, indem es Gerinnungsfaktoren und Blutplättchen transportiert, um Blutverlust zu verhindern und die krankheitsbekämpfenden Mittel oder weißen Blutkörperchen zu Infektionsherden zu transportieren.

Abbildung (PageIndex<1>): Dargestellt sind die Zellen und zellulären Bestandteile des menschlichen Blutes. Rote Blutkörperchen liefern Sauerstoff an die Zellen und entfernen Kohlendioxid. Weiße Blutkörperchen, einschließlich Neutrophile, Monozyten, Lymphozyten, Eosinophile und Basophile, sind an der Immunantwort beteiligt. Blutplättchen bilden Gerinnsel, die den Blutverlust nach einer Verletzung verhindern.

Rote Blutkörperchen

Rote Blutkörperchen oder Erythrozyten (erythro- = &ldquored&rdquo -cyte = &ldquocell&rdquo) sind spezialisierte Zellen, die durch den Körper zirkulieren und Sauerstoff an Zellen liefern, die sie aus Stammzellen im Knochenmark bilden. Bei Säugetieren sind rote Blutkörperchen kleine bikonkave Zellen, die bei der Reife keinen Kern oder Mitochondrien enthalten und nur 7&ndash8 µm groß sind. Bei Vögeln und nicht-Vogel-Reptilien wird noch ein Zellkern in den roten Blutkörperchen aufrechterhalten.

Die rote Färbung des Blutes kommt vom eisenhaltigen Protein Hämoglobin, das in Abbildung (PageIndex<2>)a dargestellt ist. Die Hauptaufgabe dieses Proteins besteht darin, Sauerstoff zu transportieren, aber es transportiert auch Kohlendioxid. Hämoglobin wird mit einer Rate von etwa 250 Millionen Hämoglobinmolekülen pro Zelle in die roten Blutkörperchen gepackt. Jedes Hämoglobinmolekül bindet vier Sauerstoffmoleküle, sodass jedes rote Blutkörperchen eine Milliarde Sauerstoffmoleküle trägt. In den fünf Litern Blut des menschlichen Körpers befinden sich ungefähr 25 Billionen rote Blutkörperchen, die jederzeit bis zu 25 Sextillionen (25 &mal 10 21 ) Sauerstoffmoleküle im Körper transportieren können. Bei Säugetieren lässt der Mangel an Organellen in den Erythrozyten mehr Platz für die Hämoglobinmoleküle, und der Mangel an Mitochondrien verhindert auch die Nutzung des Sauerstoffs für die Stoffwechselatmung. Nur Säugetiere haben kernlose rote Blutkörperchen und einige Säugetiere (zum Beispiel Kamele) haben sogar kernhaltige rote Blutkörperchen. Der Vorteil von kernhaltigen roten Blutkörperchen besteht darin, dass diese Zellen eine Mitose durchlaufen können. Kernlose rote Blutkörperchen werden anaerob (ohne Sauerstoff) metabolisiert und nutzen einen primitiven Stoffwechselweg, um ATP zu produzieren und die Effizienz des Sauerstofftransports zu erhöhen.

Nicht alle Organismen verwenden Hämoglobin als Methode des Sauerstofftransports. Wirbellose, die Hämolymphe anstelle von Blut verwenden, verwenden verschiedene Pigmente, um sich an den Sauerstoff zu binden. Diese Pigmente verwenden Kupfer oder Eisen zum Sauerstoff. Wirbellose haben eine Vielzahl anderer respiratorischer Pigmente. Hämocyanin, ein blaugrünes, kupferhaltiges Protein, das in Abbildung (PageIndex<2>)b dargestellt ist, kommt in Weichtieren, Krebstieren und einigen Gliederfüßern vor. Chlorocruorin, ein grün gefärbtes, eisenhaltiges Pigment, kommt in vier Familien von Polychaeten-Röhrenwürmern vor. Hemerythrin, ein rotes, eisenhaltiges Protein, kommt in einigen Polychaetenwürmern und Ringelwürmern vor und ist in Abbildung (PageIndex<2>)c dargestellt. Trotz des Namens enthält Hemerythrin keine Hämgruppe und seine Sauerstofftransportkapazität ist im Vergleich zu Hämoglobin gering.

Abbildung (PageIndex<2>): Bei den meisten Wirbeltieren (a) liefert Hämoglobin dem Körper Sauerstoff und entfernt etwas Kohlendioxid. Hämoglobin besteht aus vier Proteinuntereinheiten, zwei Alpha-Ketten und zwei Beta-Ketten und einer Hämgruppe, die mit Eisen assoziiert ist. Das Eisen assoziiert reversibel mit Sauerstoff und wird dabei von Fe 2+ zu Fe 3+ oxidiert. Bei den meisten Weichtieren und einigen Arthropoden liefert (b) Hämocyanin Sauerstoff. Im Gegensatz zu Hämoglobin wird Hämolymphe nicht in Blutzellen transportiert, sondern schwimmt frei in der Hämolymphe. Kupfer statt Eisen bindet den Sauerstoff und verleiht der Hämolymphe eine blaugrüne Farbe. Bei Ringelwürmern wie dem Regenwurm und einigen anderen Wirbellosen trägt (c) Hemerythrin Sauerstoff. Wie Hämoglobin wird Hemerythrin in Blutzellen transportiert und ist mit Eisen verbunden, aber trotz seines Namens enthält Hemerythrin kein Häm.

Die geringe Größe und große Oberfläche der roten Blutkörperchen ermöglicht eine schnelle Diffusion von Sauerstoff und Kohlendioxid durch die Plasmamembran. In der Lunge wird Kohlendioxid freigesetzt und Sauerstoff vom Blut aufgenommen. In den Geweben wird Sauerstoff aus dem Blut freigesetzt und Kohlendioxid für den Rücktransport in die Lunge gebunden. Studien haben ergeben, dass Hämoglobin auch Lachgas (NO) bindet. NO ist ein Vasodilatator, der die Blutgefäße und Kapillaren entspannt und den Gasaustausch und den Durchgang von roten Blutkörperchen durch enge Gefäße unterstützen kann. Nitroglycerin, ein Herzmedikament gegen Angina und Herzinfarkte, wird in NO umgewandelt, um die Blutgefäße zu entspannen und den Sauerstofffluss durch den Körper zu erhöhen.

Ein Merkmal der roten Blutkörperchen ist ihre Glykolipid- und Glykoproteinbeschichtung. Dies sind Lipide und Proteine, an die Kohlenhydratmoleküle gebunden sind. Beim Menschen variieren die Oberflächenglykoproteine ​​und Glykolipide auf den roten Blutkörperchen von Person zu Person und produzieren die verschiedenen Blutgruppen wie A, B und O. Rote Blutkörperchen haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 120 Tagen und werden zu diesem Zeitpunkt abgebaut und in Leber und Milz durch phagozytische Makrophagen, eine Art von weißen Blutkörperchen, recycelt.

Weiße Blutkörperchen

Weiße Blutkörperchen, auch Leukozyten (leuko = weiß) genannt, machen etwa ein Volumenprozent der Zellen im Blut aus. Die Rolle der weißen Blutkörperchen ist ganz anders als die der roten Blutkörperchen: Sie sind in erster Linie an der Immunantwort beteiligt, um Krankheitserreger wie eindringende Bakterien, Viren und andere fremde Organismen zu identifizieren und zu bekämpfen. Weiße Blutkörperchen werden ständig gebildet, manche leben nur für Stunden oder Tage, andere aber für Jahre.

Die Morphologie der weißen Blutkörperchen unterscheidet sich deutlich von den roten Blutkörperchen. Sie haben Kerne und enthalten kein Hämoglobin. Die verschiedenen Arten von weißen Blutkörperchen werden durch ihr mikroskopisches Aussehen nach histologischer Färbung identifiziert und haben jeweils eine andere spezialisierte Funktion. Die beiden Hauptgruppen, die beide in Abbildung (PageIndex<3>) dargestellt sind, sind die Granulozyten, zu denen die Neutrophilen, Eosinophilen und Basophilen gehören, und die Agranulozyten, zu denen die Monozyten und Lymphozyten gehören.

Abbildung (PageIndex<3>): (a) Granulozyten–einschließlich Neutrophilen, Eosinophilen und Basophilen&mdashare gekennzeichnet durch einen gelappten Kern und körnige Einschlüsse im Zytoplasma. Granulozyten sind typischerweise Ersthelfer bei Verletzungen oder Infektionen. (b) Agranulozyten umfassen Lymphozyten und Monozyten. Lymphozyten, einschließlich B- und T-Zellen, sind für die adaptive Immunantwort verantwortlich. Monozyten differenzieren sich in Makrophagen und dendritische Zellen, die wiederum auf Infektionen oder Verletzungen reagieren.

Granulozyten enthalten Körnchen in ihrem Zytoplasma. Die Agranulozyten werden so genannt, weil in ihrem Zytoplasma keine Körnchen vorhanden sind. Einige Leukozyten werden zu Makrophagen, die entweder an derselben Stelle bleiben oder sich durch den Blutstrom bewegen und sich an Infektions- oder Entzündungsstellen sammeln, wo sie durch chemische Signale von Fremdpartikeln und beschädigten Zellen angezogen werden. Lymphozyten sind die primären Zellen des Immunsystems und umfassen B-Zellen, T-Zellen und natürliche Killerzellen. B-Zellen zerstören Bakterien und inaktivieren ihre Toxine. Sie produzieren auch Antikörper. T-Zellen greifen Viren, Pilze, einige Bakterien, transplantierte Zellen und Krebszellen an. T-Zellen greifen Viren an, indem sie Giftstoffe freisetzen, die die Viren abtöten. Natürliche Killerzellen greifen eine Vielzahl infektiöser Mikroben und bestimmte Tumorzellen an.

Ein Grund dafür, dass HIV erhebliche Herausforderungen bei der Behandlung mit sich bringt, liegt darin, dass das Virus direkt auf T-Zellen abzielt, indem es über einen Rezeptor in den Virus eindringt. Einmal in der Zelle, vermehrt sich HIV dann mit Hilfe der eigenen genetischen Maschinerie der T-Zellen. Nach der Replikation des HIV-Virus wird es direkt von der infizierten T-Zelle auf Makrophagen übertragen. Das Vorhandensein von HIV kann lange Zeit unerkannt bleiben, bevor sich die vollständigen Krankheitssymptome entwickeln.

Blutplättchen und Gerinnungsfaktoren

Blut muss gerinnen, um Wunden zu heilen und übermäßigen Blutverlust zu verhindern. Kleine Zellfragmente, die Blutplättchen (Thrombozyten) genannt werden, werden von der Wundstelle angezogen, wo sie anhaften, indem sie viele Vorsprünge ausdehnen und ihren Inhalt freisetzen. Diese Inhaltsstoffe aktivieren andere Blutplättchen und interagieren auch mit anderen Gerinnungsfaktoren, die Fibrinogen, ein wasserlösliches Protein, das im Blutserum vorhanden ist, in Fibrin (ein nicht wasserlösliches Protein) umwandeln, wodurch das Blut gerinnt. Viele der Gerinnungsfaktoren benötigen Vitamin K, um zu wirken, und ein Vitamin-K-Mangel kann zu Problemen mit der Blutgerinnung führen. Viele Blutplättchen konvergieren und verkleben an der Wundstelle unter Bildung eines Blutplättchenpfropfens (auch Fibringerinnsel genannt), wie in Abbildung (PageIndex<4>)b dargestellt. Der Pfropfen oder das Gerinnsel hält mehrere Tage und stoppt den Blutverlust. Blutplättchen werden durch den Zerfall größerer Zellen gebildet, die Megakaryozyten genannt werden, wie in Abbildung (PageIndex<4>)a gezeigt. Für jeden Megakaryozyten werden 2000 bis 3000 Blutplättchen gebildet, wobei 150.000 bis 400.000 Blutplättchen in jedem Kubikmillimeter Blut vorhanden sind. Jedes Plättchen ist scheibenförmig und hat einen Durchmesser von 2&ndash4 &mum. Sie enthalten viele kleine Vesikel, aber keinen Kern.

Abbildung (PageIndex<4>): (a) Blutplättchen werden aus großen Zellen gebildet, die Megakaryozyten genannt werden. Der Megakaryozyten zerfällt in Tausende von Fragmenten, die zu Blutplättchen werden. (b) Blutplättchen sind für die Blutgerinnung erforderlich. Die Blutplättchen sammeln sich an einer Wundstelle zusammen mit anderen Gerinnungsfaktoren wie Fibrinogen, um ein Fibringerinnsel zu bilden, das Blutverlust verhindert und die Wundheilung ermöglicht.

Plasma und Serum

Die flüssige Komponente des Blutes wird als Plasma bezeichnet und durch Schleudern oder Zentrifugieren des Blutes bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten (3000 U/min oder höher) abgetrennt. Die Blutzellen und Blutplättchen werden durch Zentrifugalkräfte auf den Boden eines Probenröhrchens getrennt. Die obere Flüssigkeitsschicht, das Plasma, besteht zu 90 Prozent aus Wasser sowie verschiedenen Substanzen, die zur Aufrechterhaltung des körpereigenen pH-Wertes, der osmotischen Belastung und zum Schutz des Körpers benötigt werden. Das Plasma enthält auch die Gerinnungsfaktoren und Antikörper.

Der Plasmabestandteil des Blutes ohne Gerinnungsfaktoren wird als Serum bezeichnet. Serum ist der interstitiellen Flüssigkeit ähnlich, in der die richtige Zusammensetzung von Schlüsselionen, die als Elektrolyte fungieren, für die normale Funktion von Muskeln und Nerven unerlässlich ist. Andere Bestandteile des Serums sind Proteine, die bei der Aufrechterhaltung des pH-Werts und des osmotischen Gleichgewichts helfen, während sie dem Blut Viskosität verleihen. Das Serum enthält auch Antikörper, spezialisierte Proteine, die für die Abwehr von Viren und Bakterien wichtig sind. Lipide, einschließlich Cholesterin, werden ebenfalls im Serum transportiert, zusammen mit verschiedenen anderen Substanzen wie Nährstoffen, Hormonen, Stoffwechselabfällen sowie externen Substanzen wie Medikamenten, Viren und Bakterien.

Humanes Serumalbumin ist das am häufigsten vorkommende Protein im menschlichen Blutplasma und wird in der Leber synthetisiert. Albumin, das etwa die Hälfte des Blutserumproteins ausmacht, transportiert Hormone und Fettsäuren, puffert den pH-Wert und hält den osmotischen Druck aufrecht. Immunglobin ist ein Protein-Antikörper, der in der Schleimhautauskleidung produziert wird und eine wichtige Rolle bei der Antikörper-vermittelten Immunität spielt.

Evolutionsverbindung: Blutgruppen

Mit Proteinen auf der Oberfläche der roten Blutkörperchen verwandt Rote Blutkörperchen sind mit Antigenen aus Glykolipiden und Glykoproteinen umhüllt. Die Zusammensetzung dieser Moleküle wird durch die Genetik bestimmt, die sich im Laufe der Zeit entwickelt hat. Beim Menschen werden die verschiedenen Oberflächenantigene in 24 verschiedene Blutgruppen mit mehr als 100 verschiedenen Antigenen auf jedem roten Blutkörperchen gruppiert. Die beiden bekanntesten Blutgruppen sind das ABO, dargestellt in Abbildung (PageIndex<5>) und das Rh-System. Die Oberflächenantigene in der ABO-Blutgruppe sind Glykolipide, die als Antigen A und Antigen B bezeichnet werden. Menschen mit Blutgruppe A haben Antigen A, Menschen mit Blutgruppe B haben Antigen B, Menschen mit Blutgruppe AB haben beide Antigene und Menschen mit Blutgruppe O haben keines der beiden Antigene. Antikörper, die als Agglutinougene bezeichnet werden, befinden sich im Blutplasma und reagieren mit den A- oder B-Antigenen, wenn beide vermischt werden. Wenn Blut der Typen A und B kombiniert wird, kommt es aufgrund von Antikörpern im Plasma, die sich mit dem gegnerischen Antigen binden, zu einer Agglutination (Verklumpung) des Blutes, was zu Blutgerinnseln führt, die in der Niere gerinnen und Nierenversagen verursachen. Blut der Blutgruppe O enthält weder A- noch B-Antigene, und daher kann Blut der Blutgruppe O allen Blutgruppen verabreicht werden. Typ-O-negatives Blut ist der universelle Spender. Blut vom Typ AB ist der universelle Akzeptor, da es sowohl A- als auch B-Antigen enthält. Die ABO-Blutgruppen wurden 1900 und 1901 von Karl Landsteiner an der Universität Wien entdeckt.

Die Rh-Blutgruppe wurde erstmals bei Rhesusaffen entdeckt. Die meisten Menschen haben das Rh-Antigen (Rh+) und keine Anti-Rh-Antikörper im Blut. Die wenigen Menschen, die kein Rh-Antigen haben und Rh&ndash sind, können Anti-Rh-Antikörper entwickeln, wenn sie Rh+-Blut ausgesetzt sind. Dies kann nach einer Bluttransfusion passieren oder nachdem eine Rh&ndash-Frau ein Rh+-Baby bekommen hat. Die erste Exposition löst normalerweise keine Reaktion aus, bei der zweiten Exposition haben sich jedoch genügend Antikörper im Blut gebildet, um eine Reaktion auszulösen, die eine Agglutination und den Abbau von roten Blutkörperchen verursacht. Eine Injektion kann diese Reaktion verhindern.

Abbildung (PageIndex<5>): Menschliche rote Blutkörperchen können entweder Glykoproteine ​​vom Typ A oder B auf ihrer Oberfläche haben, beide Glykoproteine ​​kombiniert (AB) oder keines (O). Die Glykoproteine ​​dienen als Antigene und können bei einer Person, die eine Transfusion mit unbekannten Antigenen erhält, eine Immunantwort auslösen. Blut der Blutgruppe O, das keine A- oder B-Antigene enthält, löst keine Immunantwort aus, wenn es einer Person einer beliebigen Blutgruppe injiziert wird. Somit gilt O als universeller Donor. Personen mit Blutgruppe AB können Blut jeder Blutgruppe akzeptieren, und die Blutgruppe AB gilt als universeller Akzeptor.

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Hypokapnie und Hyperkapnie

CO .-Transport2 im Blut

Der größte Teil des CO2 wird in den Mitochondrien produziert, wo zelluläres CO2 Die Konzentrationen sind am höchsten. Der Transportweg mit schrittweiser CO-Abnahme2 Partialdruckgradienten, entspringt in den Mitochondrien und geht durch das Zytoplasma, Zellmembranen, Kapillaren, Venolen, größere Venen und schließlich in das venöse Mischblut, bevor es durch die Alveolen ausgeschieden wird.

Transport von CO2 im Blut wird über drei verschiedene Mechanismen erreicht, wobei die genauen Anteile, die von jedem Mechanismus getragen werden, variieren, je nachdem, ob es sich um arterielles oder venöses Blut handelt. 32 Gelöstes CO2 im Plasma, berichtet als arterielles P co 2 (d. h. Partialdruck) macht nur 5 bis 10 % des gesamten CO . aus2 im Blut transportiert. Fast 90 % des gesamten CO2 im Blut wird in Bicarbonat-Ionen ( ) umgewandelt, fast alle katalysiert durch Carboanhydrase in den roten Blutkörperchen. Der Rest (5 bis 10 %) wird als Carbamino-Hämoglobin transportiert, in dem CO2 ist an endständige Aminogruppen gebunden in Hämoglobin (Hb)-Moleküle. 32 Die übliche Menge an CO2 im arteriellen Blut beträgt 21,5 mmol pro Liter Blut, etwas mehr (23,3 mmol/l) im venösen Blut. Insgesamt werden mehr als 80 % des CO2 wird in den roten Blutkörperchen transportiert.

Sauerstoffinduzierte Hyperkapnie

CO2 Der Transport im Blut wird durch Sauerstoff verändert, was zu einem erhöhten P co . führt 2 diese sauerstoffinduzierte Hyperkapnie wird bei Patienten mit einer Lungenerkrankung im Endstadium beobachtet, die zusätzliches O . inhalieren2. Der Mechanismus der sauerstoffinduzierten Hyperkapnie wurde früher als sauerstoffinduzierte Hemmung des Beatmungsantriebs bei Patienten angesehen, von denen angenommen wurde, dass sie kritisch von einem hypoxischen Beatmungsantrieb abhängig sind. Tatsächlich ist das Atemminutenvolumen bei solchen Patienten nicht vermindert. 33,34 Der Mechanismus wird heute besser so verstanden, dass er drei Schlüsselkomponenten hat: den Haldane-Effekt, eine beeinträchtigte hypoxische pulmonale Vasokonstriktion und die Unfähigkeit, das Atemminutenvolumen zu erhöhen. 35

Die Haldane-Effekt 36 ist die Bezeichnung für das Phänomen, bei dem die Erhöhung des arteriellen P o 2 verringert die Fähigkeit des Blutes, CO . zu speichern2 (als Hb-gebunden, Carbamino Hb oder als ), wodurch die CO2 Partialdruck. Der Haldane-Effekt hat zwei Elemente. Erstens, erhöhter arterieller P o 2 verringert die Bildung von Carbaminoverbindungen dies reduziert die CO .-Menge2 an Hb gebunden, wodurch das gelöste CO2 (P co 2). Second, histidine is important for the buffering properties of Hb it contains an imidazole group that, at physiologic pH, is an effective buffer of H + ions but is also an important molecular link between heme groups and the Hb chains. Elevated P o 2 results in greater quantities of O2 bound to Hb, which causes allosteric modifications of the Hb confirmation. These conformational changes impact the heme-linked histidine and reduce its ability to buffer H + ion with less H + buffering by Hb, there is more H + binding to and release of stored CO2.

In patients with end-stage lung disease, hypoxic pulmonary vasoconstriction is an important mechanism to divert pulmonary artery blood from poorly ventilated regions (see Chapters 4 and 6 ). Increasing arterial P o 2 inhibits hypoxic pulmonary vasoconstriction, thus pulmonary artery blood containing CO2 is diverted to less well-ventilated regions, and the efficiency of CO2 excretion is impaired. Finally, while most patients would easily compensate for the increased P co 2 with minimal increases in minute ventilation, this is not possible in many patients with end-stage lung disease.


Exchanging Oxygen and Carbon Dioxide

The primary function of the respiratory system is to take in oxygen and eliminate carbon dioxide. Inhaled oxygen enters the lungs and reaches the alveoli. The layers of cells lining the alveoli and the surrounding capillaries are each only one cell thick and are in very close contact with each other. This barrier between air and blood averages about 1 micron ( 1 /10,000 of a centimeter, or 0.000039 inch) in thickness. Oxygen passes quickly through this air-blood barrier into the blood in the capillaries. Similarly, carbon dioxide passes from the blood into the alveoli and is then exhaled.

Oxygenated blood travels from the lungs through the pulmonary veins and into the left side of the heart, which pumps the blood to the rest of the body (see Function of the Heart). Oxygen-deficient, carbon dioxide-rich blood returns to the right side of the heart through two large veins, the superior vena cava and the inferior vena cava. Then the blood is pumped through the pulmonary artery to the lungs, where it picks up oxygen and releases carbon dioxide.

The function of the respiratory system is to add oxygen to the blood and remove carbon dioxide. The microscopically thin walls of the alveoli allow inhaled oxygen to move quickly and easily from the lungs to the red blood cells in the surrounding capillaries. At the same time, carbon dioxide moves from the blood in the capillaries into the alveoli.

To support the absorption of oxygen and release of carbon dioxide, about 5 to 8 liters (about 1.3 to 2.1 gallons) of air per minute are brought in and out of the lungs, and about three tenths of a liter (about three tenths of a quart) of oxygen is transferred from the alveoli to the blood each minute, even when the person is at rest. At the same time, a similar volume of carbon dioxide moves from the blood to the alveoli and is exhaled. During exercise, it is possible to breathe in and out more than 100 liters (about 26 gallons) of air per minute and extract 3 liters (a little less than 1 gallon) of oxygen from this air per minute. The rate at which oxygen is used by the body is one measure of the rate of energy expended by the body. Breathing in and out is accomplished by respiratory muscles.

Gas Exchange Between Alveolar Spaces and Capillaries

The function of the respiratory system is to move two gases: oxygen and carbon dioxide. Gas exchange takes place in the millions of alveoli in the lungs and the capillaries that envelop them. As shown below, inhaled oxygen moves from the alveoli to the blood in the capillaries, and carbon dioxide moves from the blood in the capillaries to the air in the alveoli.


Xx.2 Pulmonary Ventilation (Breathing)

Breathing can be described as the movement of air into (inspiration/inhalation) and out of the lungs (expiration/exhalation). The major mechanism that drive breathing is differences between atmospheric pressure and the air pressure within the lungs.

Relationship Between Pressure and Volume

Inspiration (or inhalation) and expiration (or exhalation) are dependent on the differences in pressure between the atmosphere and the lungs. In a gas, pressure is a force created by the movement of gas molecules that are confined. For example, a certain number of gas molecules in a two-liter container has more room than the same number of gas molecules in a one-liter container (Figure). In this case, the force exerted by the movement of the gas molecules against the walls of the two-liter container is lower than the force exerted by the gas molecules in the one-liter container. Therefore, the pressure is lower in the two-liter container and higher in the one-liter container. At a constant temperature, changing the volume occupied by the gas changes the pressure, as does changing the number of gas molecules. Boyle’s law describes the relationship between volume and pressure in a gas at a constant temperature. Boyle discovered that the pressure of a gas is inversely proportional to its volume: If volume increases, pressure decreases. Likewise, if volume decreases, pressure increases. Pressure and volume are inversely related (P = k/V). Therefore, the pressure in the one-liter container (one-half the volume of the two-liter container) would be twice the pressure in the two-liter container. Boyle’s law is expressed by the following formula:

In dieser Formel P1 represents the initial pressure and V1 represents the initial volume, whereas the final pressure and volume are represented by P2 und V2, bzw. If the two- and one-liter containers were connected by a tube and the volume of one of the containers were changed, then the gases would move from higher pressure (lower volume) to lower pressure (higher volume).

In a gas, pressure increases as volume decreases.

Atmospheric pressure is the amount of force that is exerted by gases in the air surrounding any given surface, such as the body. Atmospheric pressure can be expressed in millimeters of mercury (mm Hg), which is similar to the phrase “inches of mercury” used to describe atmospheric pressure on weather reports. 760 mm Hg is the atmospheric pressure at sea level under highly specific parameters of latitude and temperature.

How Changes in Volume and Pressure are Accomplished During Breathing

In addition to the differences in pressures, breathing is also dependent upon the contraction and relaxation of muscle fibers of both the diaphragm and thorax. The lungs themselves are passive during breathing, meaning they are not involved in creating the movement that helps inspiration and expiration. Contraction and relaxation of the diaphragm and intercostal muscles (found between the ribs) cause most of the pressure changes that result in inspiration and expiration. These muscle movements and subsequent pressure changes cause air to either rush in or be forced out of the lungs.

Während der Inspiration kontrahieren das Zwerchfell und die externen Interkostalmuskeln, wodurch sich der Brustkorb ausdehnt und nach außen bewegt und die Brusthöhle und das Lungenvolumen erweitert. Dadurch entsteht in der Lunge ein niedrigerer Druck als in der Atmosphäre, wodurch Luft in die Lunge gesaugt wird. Während der Ausatmung entspannen sich das Zwerchfell und die Interkostale, wodurch sich Brustkorb und Lunge zurückziehen. Der Luftdruck in der Lunge steigt über den Druck der Atmosphäre an, wodurch Luft aus der Lunge gepresst wird.

Respiratory Rate

Breathing usually occurs without thought, although at times you can consciously control it, such as when you swim under water, sing a song, or blow bubbles. The respiratory rate is the total number of breaths, or respiratory cycles, that occur each minute. Respiratory rate can be an important indicator of disease, as the rate may increase or decrease during an illness or in a disease condition. The respiratory rate is controlled by the respiratory center located within the brain, which responds primarily to changes in carbon dioxide, oxygen, and pH levels in the blood.

The normal respiratory rate of a child decreases from birth to adolescence. A child under 1 year of age has a normal respiratory rate between 30 and 60 breaths per minute, but by the time a child is about 10 years old, the normal rate is closer to 18 to 30. By adolescence, the normal respiratory rate is similar to that of adults, 12 to 18 breaths per minute.

Kapitelrückblick

The process of breathing is driven by pressure differences between the lungs and the atmosphere. Atmosphärendruck ist die Kraft, die von Gasen in der Atmosphäre ausgeübt wird. Pressure is determined by the volume of the space occupied by a gas. Luft strömt, wenn ein Druckgefälle erzeugt wird, von einem Raum mit höherem Druck in einen Raum mit niedrigerem Druck. Das Boyle-Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Volumen und Druck. Ein Gas befindet sich in einem größeren Volumen unter niedrigerem Druck, weil die Gasmoleküle mehr Platz haben, um sich zu bewegen. Die gleiche Gasmenge in einem kleineren Volumen führt dazu, dass sich die Gasmoleküle zusammendrängen und einen erhöhten Druck erzeugen.

Die Lungenventilation besteht aus dem Prozess der Inspiration (oder Inhalation), bei dem Luft in die Lunge eintritt, und der Exspiration (oder Ausatmung), bei der Luft die Lunge verlässt. Während der Inspiration kontrahieren das Zwerchfell und die externen Interkostalmuskeln, wodurch sich der Brustkorb ausdehnt und nach außen bewegt und die Brusthöhle und das Lungenvolumen erweitert. Dadurch entsteht in der Lunge ein niedrigerer Druck als in der Atmosphäre, wodurch Luft in die Lunge gesaugt wird. Während der Ausatmung entspannen sich das Zwerchfell und die Interkostale, wodurch sich Brustkorb und Lunge zurückziehen. Der Luftdruck in der Lunge steigt über den Druck der Atmosphäre an, wodurch Luft aus der Lunge gepresst wird.

Sowohl die Atemfrequenz als auch die Atemtiefe werden von den Atemzentren des Gehirns gesteuert, die durch Faktoren wie chemische und pH-Änderungen im Blut stimuliert werden. Ein Anstieg des Kohlendioxids oder ein Absinken des Sauerstoffgehalts im Blut stimuliert eine Erhöhung der Atemfrequenz und -tiefe.


Exchanging Oxygen and Carbon Dioxide

The primary function of the respiratory system is to take in oxygen and eliminate carbon dioxide. Inhaled oxygen enters the lungs and reaches the alveoli. The layers of cells lining the alveoli and the surrounding capillaries are each only one cell thick and are in very close contact with each other. This barrier between air and blood averages about 1 micron ( 1 /10,000 of a centimeter, or 0.000039 inch) in thickness. Oxygen passes quickly through this air-blood barrier into the blood in the capillaries. Similarly, carbon dioxide passes from the blood into the alveoli and is then exhaled.

Oxygenated blood travels from the lungs through the pulmonary veins and into the left side of the heart, which pumps the blood to the rest of the body (see Function of the Heart). Oxygen-deficient, carbon dioxide-rich blood returns to the right side of the heart through two large veins, the superior vena cava and the inferior vena cava. Then the blood is pumped through the pulmonary artery to the lungs, where it picks up oxygen and releases carbon dioxide.

The function of the respiratory system is to add oxygen to the blood and remove carbon dioxide. The microscopically thin walls of the alveoli allow inhaled oxygen to move quickly and easily from the lungs to the red blood cells in the surrounding capillaries. At the same time, carbon dioxide moves from the blood in the capillaries into the alveoli.

To support the absorption of oxygen and release of carbon dioxide, about 5 to 8 liters (about 1.3 to 2.1 gallons) of air per minute are brought in and out of the lungs, and about three tenths of a liter (about three tenths of a quart) of oxygen is transferred from the alveoli to the blood each minute, even when the person is at rest. At the same time, a similar volume of carbon dioxide moves from the blood to the alveoli and is exhaled. During exercise, it is possible to breathe in and out more than 100 liters (about 26 gallons) of air per minute and extract 3 liters (a little less than 1 gallon) of oxygen from this air per minute. The rate at which oxygen is used by the body is one measure of the rate of energy expended by the body. Breathing in and out is accomplished by respiratory muscles.

Gas Exchange Between Alveolar Spaces and Capillaries

The function of the respiratory system is to move two gases: oxygen and carbon dioxide. Gas exchange takes place in the millions of alveoli in the lungs and the capillaries that envelop them. As shown below, inhaled oxygen moves from the alveoli to the blood in the capillaries, and carbon dioxide moves from the blood in the capillaries to the air in the alveoli.