Abb. 1: Herz und Blutkreislauf. Hier zum Bildnachweis.

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1 Basiswissen > Physiologie > Der Blutkreislauf Der Blutkreislauf Skript PLUS Einführung Abb. 1: Herz und Blutkreislauf. Hier zum Bildnachweis. Manche von uns haben es in A, andere in B oder sogar AB. Aber wir haben es alle: Blut. In unserem Körper fließt es in geschlossenen Gefäßen, in Insekten fließt es offen umher. Doch was genau ist Blut? Wie wird es durch unseren Körper gepumpt und wie kommt es, dass es nach einem Schnitt auf einmal fest wird? All das wollen wir uns im folgenden einmal genauer ansehen. Was genau ist Blut? Blut ist weit mehr als eine Flüssigkeit. Wenn man Blut lange stehen lässt, kann man beobachten, dass sich zwei Phasen bilden: die festen, zellulären Bestandteile, die absinken, und das Blutplasma. Zelluläre Bestandteile Rote Blutkörperchen (Erythrozyten) Die roten Blutkörperchen, auch Erythrozyten genannt, bilden den größten Teil der Blutzellen. Es sind kernlose Zellen, bei denen bis zu 90% der Trockenmasse aus Hämoglobin besteht. Das sind ca. 250 Millionen Moleküle! Sie besitzen weder Mitochondrien noch Ribosomen. Hämoglobin ist für den Sauerstofftransport verantwortlich, näheres dazu findest du im Skript Physiologie - Die Atmung. Ein weitere Funktion der Erythrozyten ist das Puffern des Blutes. 1 von 11

2 Eine gesunde Blutzelle sieht unter dem Mikroskop in etwa wie eine beidseitig eingedellte, flache Scheibe aus, es gibt jedoch Krankheiten die dieses Erscheinungsbild verändern. Ein bekanntes Beispiel bildet die Sichelzellenanämie. Diese erblich bedingte Krankheit, führt dazu, dass die Zellen sich zu Sicheln formen, welche kleinere Blutgefäße verstopfen und somit Entzündungen hervorrufen können. Auch ist bei den Erkrankten der Sauerstofftransport schlechter, weshalb sie weniger belastbar sind. Jedoch kann auch diese Form der Erkrankung positive Seiten haben: Patienten mit nur einem kranken Alleel sind resistenter gegen Malaria. Der Parasit, der die Krankheit hervorruft, befällt normalerweise die roten Blutkörperchen. Aufgrund der Sichelform jedoch ist es dem Parasiten nicht möglich, die Sichelzellen zu befallen. Näheres zu Alleelen und Vererbung findest du im Skript Genetik - klassische Genetik - Erbgänge. Auf der Oberfläche der Erythrozyten finden sich spezielle Antigene, die für die Bestimmung der Blutgruppe interessant sind. Näheres dazu findest du im Skript Genetik - Humangenetik - Blutgruppen. Abb. 2: Gesunder Erythrozyt und Sichelzelle. Weiße Blutzellen (Leucozyten) Weiße Blutzellen, oder auch Leucozyten genannt, sind für die Krankheitsbekämpfung in unserem Körper verantwortlich. Dabei gilt: Weiße Blutzelle ist nicht gleich weiße Blutzelle. Es gibt verschiedene Formen der weißen Blutzelle: Makrophagen, Lymphozyten und noch ein paar andere. Sie sind alle Teil der Immunantwort und ihre Funktion wird in den Skripten zur Immunbiologie näher behandelt. Abb. 3: Lymphozyt. Weiße Blutzellen haben im Unterschied zu den roten Blutkörperchen einen Zellkern. Aus diesem Grund werden sie auch als Blutzellen und nicht als Blutkörperchen bezeichnet. Eine sehr gefährlicher Erreger, der unsere weißen Blutzellen befallen kann, ist das HIV(Humanes Immundeffizienz-Virus). Es befällt die Helferzellen unseres Körpers und führt dazu, dass unser Körper anfängt, die infizierten Zellen abzutöten. So erreicht das Virus, dass wir unser eigenes Immunsystem im Kampf gegen AIDS schwächen. Blutplättchen (Thrombozyten) Die Blutplättchen oder auch Thrombozyten genannt, sind die kleinsten Blutzellen. Ihre Aufgabe ist 2 von 11

3 die Blutgerinnung. Thrombozyten liegen in ihrer inaktiven Form als flache Scheiben vor. Wenn wir uns z.b. an einem Blatt Papier schneiden, setzt unser Körper Botenstoffe wie das Thrombin frei. Diese aktivieren die Blutplättchen und es kommt zur Ausbildung von sogenannten Pseudopoiden. Diese kleinen Tentakel machen es leicht, sich an die Umgebung bzw. andere Blutplättchen zu binden. Gemeinsam bilden sie dann einen festen Verband, der sich an den Rändern der Wunde festhält und diese so verschließt. Was an Blutbestandteilen auf deiner Haut zurückbleibt und fest wird, bildet den Schorf. Abb. 4: Aktiver Thrombozyt. Das Blutplasma Abb. 5 und 6: Blutplasmaspende und Schokokuss. Hier zum Bildnachweis. Wenn man alle zellulären Bestandteile des Blutes entfernt, bleibt eine gelbliche Flüssigkeit zurück: das Blutplasma. Es besteht zu 90% aus Wasser und hat die Aufgabe, viele verschiedene Stoffe durch den Körper zu transportieren. Aber was muss überhaupt durch unseren Körper transportiert werden und zu welchem Zweck? Nährstoffe: Das sind Stoffe wie z.b. Glucose, die du wahrscheinlich schon aus der Zellatmung kennst. Sie liefern den Zellen Nahrung. Näheres dazu findest du im Skript Cytologie - Zellinteraktion - Stoffluss. Plasmaproteine: Ihr Sinn besteht darin, Enzyme, Hormone und alles, was sich nicht in Wasser löst durch die Blutbahn zu transportieren. Außerdem bilden sie ein weiteres Puffersystem. Ein bekannter Vertreter der Plamsaproteine ist das Albumin. Man kann es auch in Eiern oder Milch finden. Wusstest du, dass der weiße Schaum in einem Schokokuss zu großen Teilen aus genau diesem Protein besteht? Elektrolyte: Ionen wie z.b. Natrium oder Calcium. Sie halten den osmotischen Druck in der Blutbahn aufrecht. Wären sie nicht vorhanden würde Wasser in unsere Zellen fließen, bis diese platzen! Eine genaue Erklärung, wie das Funktioniert findest du im Skript Stoffwechsel von 11

4 Katabolismus - Zellatmung Stickstoffverbindungen: Abfallprodukte aus deinen Zellen, die Stickstoff enthalten, wie zum Beispiel Harnstoffe, werden auch in unserer Blutbahn transportiert. Ihr Zielort ist die Niere. Dort wird der ganze Stickstoff ganz einfach mit deinem Urin ausgeschieden. Wenn man noch alle Gerinnungsfaktoren aus dem Plasma entfernt, erhält man das Blutserum. Blutpuffer Abb. 7: Hamburger Shift in einem roten Blutkörperchen. Damit der Sauerstoff gut transportiert werden kann, brauchen wir im Blut einen niedrigen ph-wert. Um sicher zu gehen, dass sich dieser auch nicht ändert, kennt unser Blut insgesamt vier Puffersysteme. Mit über 50% Anteil an der Gesamtpufferkapazität des Blutes hat der Hamburger-Shift oder auch Chlorid-Shift den größten Einfluss. Benannt wurde er nach seinem Entdecker Hartog Jakob Hamburger. Er funktioniert über einen Chlorid/Hydrogencarbonat-Antiporter in den roten Blutkörperchen. Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser wird Kohlensäure gebildet, welche sofort in Hydrogencarbonat und ein Proton weiterreagiert. Über den Antiporter wird ein Chlorid-Ion mit einem Hydrogencarbonat-Ion ausgetauscht. Aber wieso wird das Hydrogencarbonat nicht einfach direkt in die Blutbahn abgegeben? Beide Ionen besitzen eine negative Ladung. So wird gewährleistet, dass während des Austausches sich die Ladungen innen und außen nicht ändern. Würde man das Hydrogencarbonat einfach ungehindert in die Blutbahn pumpen, käme es zur Polarisation und die Zelle würde sich elektrisch aufladen würde. 4 von 11

5 Abb. 8: Protonenaufnahme/-abgabe bei Amino- und Carboxylgruppen. Weitere Puffersysteme laufen über Proteine und besonders über das Hämoglobin. Wir erinnern uns: Proteine bestehen aus Aminosäuren. Jede Aminosäure besteht aus einer Carboxyl-, einer Amino- Gruppe und einem Rest. Diese Gruppen sind in der Lage, entweder Protonen aufzunehmen oder abzugeben, um so das Blut zu puffern. Der Puffer mit dem niedrigsten Anteil von 5% funktioniert über Phosphat. Phosphorsäure, H 3 PO 4, und die dazugehörigen Phosphate sind in der Lage, Protonen sowohl aufzunehmen als auch abzugeben. Auf- und abbau von Blut 5 von 11

6 Abb. 9: Differenzierungsmöglichkeiten einer pluripotenten Stammzelle. Nachdem wir nun wissen, was genau unser Blut ist, bleibt die Frage &ndash woher kommt unser Blut eigentlich und können wir unser Blut auch verbrauchen? Unser Blut wird im Knochenmark aus den sogenannten pluripotenten Stammzellen gebildet. Diese sind anfangs noch in der Lage, sich in sämtliche Arten von Blutzellen zu differenzieren. Der Prozess, in dem sich die Stammzelle nun zu einem roten Blutkörperchen differenziert, nennt man Erythropoese. Auf ein Signal hin fängt die Zelle an sich zu verändern. Wir erinnern uns an die Besonderheiten der Erythrozyten: Sie sind kernlos, haben weder Mitochondrien noch Ribosomen und bestehen zu großen Teilen aus Hämoglobin. Genau diese Punkte muss unsere Stammzelle nun erfüllen, um zu einem roten Blutkörperchen zu werden. Die anfänglich noch große Zelle teilt sich in insgesamt 16 kleinere Zellen. Die Zellkerne fangen an kleiner zu werden und die Zellen produzieren große Mengen an Hämoglobin. Wenn die Zelle letztlich voll davon ist schrumpft der Kern zu einem kleinen Kügelchen, welches einfach aus der Zelle gestoßen wird. Sobald der Kern raus ist, wandert unsere Stammzelle, die man jetzt Retikulozyt nennt, in unsere Blutbahn. Erst dort reift sie zu einem fertigen Erythrozyten. Stammzellen sind uns allen ein Begriff und viele kennen das ethische Problem, dass embrionale Stammzellen nicht für Forschungszwecke verwendet werden dürfen. Aber wieso nehmen wir nicht einfach die adulten Stammzellen, also die Stammzellen, die jeder von uns in sich hat? Das liegt daran, dass embrionale Stammzellen nicht nur pluripotent, sondern sogar totipotent sind. Aber was genau ist damit gemeint? Pluripotenz bedeutet, dass die Zelle sich in viele verschiedene Zelltypen entwickeln kann. Eine pluripotente Stammzelle aus unserem Knochenmark ist also in der Lage zu jeder Art von Blutzelle zu werden, die wir gerne hätten. Wenn wir aber eine Nervenzelle haben wollen, dann kann uns unsere Stammzelle aus dem Knochenmark nicht helfen. Dazu müssen wir uns an die Stammzellen aus unserem Gehirn wenden. Diese können nun zu jeder Art von Nervenzelle werden, können aber niemals zu einer Blutzellen werden. Embrionale Stammzellen kennen dieses Problem nicht. Sie sind totipotent und können durch das richtige Signal zu jeder Zelle werden, die wir benötigen. In Deutschland ist die Erzeugung, Klonierung und Zerstörung von embrionalen Stammzellen verboten. Aber was genau ist damit gemeint? Pluripotenz bedeutet, dass die Zelle sich in viele verschiedene Zelltypen entwickeln kann. Eine pluripotente Stammzelle aus 6 von 11

7 unserem Knochenmark ist also in der Lage zu jeder Art von Blutzelle zu werden, die wir gerne hätten. Wenn wir aber eine Nervenzelle haben wollen, dann kann uns unsere Stammzelle aus dem Knochenmark nicht helfen. Dazu müssen wir uns an die Stammzellen aus unserem Gehirn wenden. Diese können nun zu jeder Art von Nervenzelle werden, sehen aber beim Thema Blutzellen alt aus. Embrionale Stammzellen kennen dieses Problem nicht. Sie sind totipotent und können durch das richtige Signal zu jeder Zelle werden, die wir benötigen. In Deutschland ist die Erzeugung, Klonierung und Zerstörung von embrionalen Stammzellen verboten. Ein rotes Blutkörperchen lebt rund 120 Tage in unserer Blutbahn. Da es keine Mitochondrien, Ribosomen und keinen Zellkern besitzt, ist es nicht in der Lage sich selbst mit Energie zu versorgen oder irgendwelche Proteine zu bilden. Hat es nun das Ende seines Lebens erreicht, schwimmt das rote Blutkörperchen zur Milz oder zur Leber und wird dort abgebaut und seine nicht wiederverwertbaren Überreste ausgeschieden. Wie ist unser Kreislaufsystem aufgebaut? Abb. 10: Blutkreislauf. Jetzt wissen wir, was alles in unserem Blut vorhanden ist, und kennen auch die Aufgaben, die es übernimmt: Es funktioniert wie ein großes Förderband. Alles was in unserem Körper transportiert werden muss, Stoffwechselprodukte, Sauerstoff, Abfallprodukte, Hormone und vieles mehr, wird auf dieses Förderband gelegt und an seinen Bestimmungsort transportiert. Jetzt gilt es nur noch zu klären wie dieses Förderband funktioniert und aus welchen Bauteilen es besteht. Unser Blutkreislauf besteht aus zwei verschiedenen Kreislaufsystemen: Der Lungenkreislauf führt vom Herz aus zur Lunge und wieder zurück. In diesem Kreislauf wird das Blut mit frischem Sauerstoff beladen. Der Körperkreislauf führt vom Herzen, durch den Organismus und dann wieder zurück zum Herzen. In diesem Kreislauf wird der frische Sauerstoff im Körper verteilt. Das Herz 7 von 11

8 Abb. 11: Aufbau des Herzes. Hier zum Bildnachweis. Das Herz ist der Antrieb unseres Förderbandes, die zentrale Pumpe, die dafür sorgt, dass unser Blut niemals stehen bleibt. Das Herz ist unterteilt in zwei Herzhälften. Jede Hälfte ist noch einmal unterteilt in jeweils eine Kammer und einen Vorhof, die durch Klappen getrennt sind. Das Blut fließt aus der oberen Hohlvene, also aus dem Körperkreislauf, in den rechten Vorhof. Von dort aus strömt das Blut durch die sogenannte Trikuspidalklappe in die rechte Herzkammer. Die Herzklappen funktionieren wie ein Rückschlagventil: Sie lassen sich von der einen Seite aufdrücken, wenn Blut aber von der anderen Seite hindruch fließen möchte, drückt das Blut die Klappe von innen zu und kann nicht mehr zurück fließen. Unsere Blutbahn ist also nichts anderes als eine große Einbahnstraße. Wenn unser Herz schlägt, drückt es das Blut aus der rechten Kammer über die Pulmonalklappe in die Lungenarterie. Das Blut ist also auf dem Weg in die Lunge, um mit neuem Sauerstoff beladen zu werden. Auf seinem Rückweg von der Lunge betritt das Blut unser Herz über den linken Vorhof. Bevor es in die linke Kammer kann, muss es wieder eine Klappe passieren, die sogenannte Mitralklappe oder Bikuspidalklappe. Von der linken Kammer durchfließt unser Blut bei einem Herzschlag die Aortenklappe und kann über die Hauptschlagader, die Aorta, in unseren ganzen Körper fließen. Das ganze Klappensystem in unserem Herzen scheint auf den ersten Blick hin relativ kompliziert zu sein. Doch die Klappen lassen sich in zwei Arten unterteilen: die Taschenklappen und die Segelklappen. Als Taschenklappen bezeichnet man die Klappen, die jeweils am Ausgang des Herzens, also am Ende der Kammern, sitzen. Sie sind halbmondförmig. Ihre Namen kann man sich leicht so merken: Sie sind nach dem benannt, was nach der Klappe kommt. Nach der rechten Herzkammer fließt das Blut zur Lunge. Lunge heißt auf Latein Pulmo, daher heißt diese Klappe Pulmonalklappe.Nach der linken Kammer kommt die Aorta, deshalb heißt diese Klappe Aortenklappe. Die Segelklappen sitzen an den Durchgängen zwischen Vorhof und Kammer. Wie ihr Name bereits sagt ähneln sie großen Segeln. Ihre Namen sind ein wenig schwieriger zu merken. Er besteht aus zwei Teilen: eine lateinische Zahlangabe, tri oder bi, und dem lateinischen Cuspis, 8 von 11

9 für Zipfel oder Spitze. Die Segelklappe des rechten Vorhofes besteht aus drei Segeln, also tri, die Klappe des linken Vorhofes aus zwei Segeln, also bi. Wie kommt es aber nun zum Herzschlag? Der Taktgeber des Herzschlags ist der sogenannte Sinusknoten. Er sitzt im rechten Vorhof in der Nähe der oberen Hohlvene. Über Polarisation kommt es zu einem Aktionspotential, welches im ganzen Herzmuskel weitergeleitet wird, sodass sich das gesamte Herz gleichzeitig kontrahiert. Im Vergleich zu einem normalen Muskel hat unser Herz eine längere Relaxationszeit, also eine längere Zeit, in der kein neues Aktionspotential eine Kontraktion hervorrufen kann. Wozu das? Ganz einfach: Wenn in einem Muskel zwei Aktionspotentiale zu schnell hintereinander eine Kontraktion hervorrufen kommt es zu etwas, das wir alle in schmerzhafter Erinnerung haben: ein Krampf. Ein Krampf im Herzen hätte freilich weitaus schlimmere Folgen, als ein Krampf in der Wade. Durch die längere Relaxationszeit ist genau das nicht möglich. Das Herz sitzt in unserer Brust leicht nach links versetzt und wenn schlanke Menschen können ein interessantes Phänomen bei sich beobachten: Bei genauer Beobachtung kannst du auf deiner linken Brust mit jedem Herzschlag den sognenannten Herzspitzstoß erkennen. Von der Arterie zur Kapillare... Abb. 12 und 13: Arterie und Kapillare. Hier zum Bildnachweis. Wenn unser Blut das Herz verlässt, fließt es als erstes durch eine ganz besondere Arterie, die Aorta. Die Aorta ist das größte Blutgefäß in unserem Körper und kann bei einem Erwachsenen bis zu 3,5 cm Durchmesser haben. Arterien sind Blutgefäße, die vom Herzen weg fließen. Da das Blut direkt aus dem Herzen kommt, fließt es mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck. Dem ganzen muss unsere Arterie standhalten, weshalb sie eine dicke Gefäßwand hat. Es gibt viele Bereiche in unserem Körper, die mit Sauerstoff und anderen Stoffen versorgt werden müssen, weshalb sich die Aorta auf ihrem Weg durch den Körper immer weiter verzweigt und schmaler wird. Sie verzweigt sich in die sogenannten Arteriolen. Diese haben eine Ventilfunktion, d.h. sie regeln durch eine starke muskuläre Wand über Verengung und Erweiterung den Blutdurchfluss. Hat unser Blut seinen Bestimmungsort erreicht verengt sich die Blutbahn in die Kapillaren. Diese feinen Gefäße haben nur eine sehr dünne Gefäßwand, weshalb Sauerstoff und andere wichtige Stoffe einfach in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus diffundieren können....und als Vene zurück 9 von 11

10 Nachdem das Blut an der Kapillare entladen und neu beladen wurde, geht es weiter über die Venolen zurück in Richtung Herz. Venolen haben, ähnlich wie die Arteriolen, muskuläre Wände, die es erlauben das Gefäß zu erweitern oder zu verengen. Wenn du Arteriolen oder Venolen einmal selbst sehen willst, kannst du einfach in den Spiegel schauen oder genauer: in deine Augen. Die dünnen Blutgefäße in deinen Augen sind Arteriolen bzw. Venolen. Auf seinem Weg zum Herzen fließen immer mehr Venolen zusammen und vergrößern sich. Ab einer gewissen Größe spricht man dann von einer Vene. Die Besonderheit an Venen sind die sogenannten Venenklappen. Genau wie im Herzen verhindern sie den Rückfluss des Blutes. Aber wieso brauchen unsere Venen Klappen und unsere Arterien nicht? Ganz einfach: Wenn das Blut aus dem Herz kommt hat es hohen Druck und fließt Abb. 14: Arterie und Kapillare. Hier zum Bildnachweis. mit hoher Geschwindigkeit. Das alleine reicht, um den Rückfluss zu verhindern. Wenn unser Blut aber den ganzen, langen Weg durch unsere Blutbahn bis zur Vene auf sich genommen hat, hat es viel von dem anfänglichen Schwung verloren. Die bloße Geschwindigkeit reicht nicht mehr aus, um den Rückfluss zu verhindern und genau deshalb brauchen wir die Venenklappen. Gerade in den Bereichen, in denen das Blut gegen die Schwerkraft transportiert werden muss sind Venenklappen häufiger, also zum Beispiel im Bein. Venenklappen werden durch die Bewegung unserer Muskeln geöffnet und geschlossen. Wenn man sich wenig bewegt oder lange steht oder sitzt, dann kann es dazu kommen, dass das Blut in den Venen kaum weiter transportiert wird. Das Blut staut sich in den Venen und durch die bloße Menge an Blut weiten sich die Venen. Ab einer gewissen Weitung kann es passieren, dass die Venenklappen die Vene nicht mehr ausreichend verschließen können: Die Klappen sind einfach zu klein für die stark geweitete Vene. Wenn das passiert fließt das Blut der Schwerkraft nach wieder hinab, z.b. abwärts in den Fuß. Wenn dies über längeren Zeitraum geschieht, können Krampfadern entstehen. Die letzte Station in unserem Blutkreislauf ist wieder der rechte Vorhof. Dort strömt das Blut wieder ein und macht sich bereit für eine neue Reise durch unseren Körper. Wenn wir in Ruhe sind, braucht das Blut ungefähr eine Minute, um einmal durch unseren Körper zu fließen. Wusstest du, dass wenn man jede Blutbahn in unserem Körper hintereinander legen würde, man auf eine Länge von Kilometern kommen würde? Das ist 2,5 mal die Strecke um den Äquator! Bildnachweise [nach oben] 10 von 11

11 [1] Bryan Brandenburg, CC BY-SA. [2] Public Domain. [3] Public Domain. [4] Public Domain. [5] DiverDave, CC BY-SA. [6] Public Domain. [7] 2015 SchulLV. [8] 2015 SchulLV. [9] 2015 SchulLV. [10] Public Domain. [11] CC BY-SA. [12] BruceBlaus, CC BY; Bearbeitung durch SchulLV: dieses Werk ist lizenziert unter CC BY-SA. [13] Public Domain. [14] Mouagip, CC BY-SA; Bearbeitung durch SchulLV: dieses Werk ist lizenziert unter CC BY-SA von 11