BLUT UND BLUTPUFFER EF

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1 KSO BLUT UND BLUTPUFFER EF Skript Blut und Blutpuffer EF V1.0 07/15 Bor

2 1 INHALTSVERZEICHNIS "BLUT UND BLUTPUFFER" 1. Einleitung Evolution Zusammensetzung und Eigenschaften Plasma Zelluläre Bestandteile Funktionen Transportfunktion Abwehrfunktion Wärmeregulierung Atmung Blutpuffer Puffer allgemein Puffersystem Blut Quellen... 10

3 2 1. Einleitung 1 Das Blut (lat. sanguis, griech. haima) ist eine Körperflüssigkeit, die mit Unterstützung des Herz- Kreislaufsystems die Funktionalität der verschiedenen Körpergewebe über vielfältige Transport- und Verknüpfungsfunktionen sicherstellt. Blut wird als flüssiges Gewebe, gelegentlich auch als flüssiges Organ bezeichnet. Blut besteht aus speziellen Zellen sowie dem proteinreichen Blutplasma, das im Herz-Kreislauf-System als Träger dieser Zellen funkgiert. Es wird vornehmlich durch mechanische Tätigkeit des Herzens in einem Kreislaufsystem durch die Blutgefässe des Körpers gepumpt. Unterstützend wirken Hellbildaufnahme vom menschlichen Blut Quelle: ursusmajor.ch Venenklappen in Kombination mit Muskelarbeit. Dabei werden die Gefässe, die vom Herzen wegführen, als Arterien und jene, die zurück zum Herzen führen, als Venen bezeichnet. Das Gefässsystem des erwachsenen menschlichen Körpers enthält etwa 70 80mL Blut pro kg Körpergewicht, dies entspricht ca. 5 6L Blut. Durchschnittlich haben Männer etwa 1L mehr Blut als Frauen, was vor allem auf Grössen- und Gewichtsunterschiede zurückzuführen ist. Aufgrund der Gemeinsamkeiten in der Funktion ist Blut bei allen Wirbeltieren ähnlich. Auf bestehende Unterschiede zwischen menschlichem und tierischem Blut wird in diesem Skript nicht eingegangen. Aufgabe I: Erinnere Dich zurück an den vergangenen Biologieunterricht: Woraus besteht Blut eigentlich? Notiere alles, was Dir dazu in den Sinn kommt.

4 3 2. Evolution 1 Jede Zelle ist für den Erhalt ihres Stoffwechsels auf den Austausch mit ihrer Umgebung angewiesen. Da mit der Entwicklung komplexer Vielzeller nicht mehr jede Zelle mit der Körperoberfläche in direktem Kontakt steht und die Diffusion ein sehr langsamer Vorgang ist, dessen Dauer sich proportional zum Quadrat der Entfernung verhält, wird mit zunehmender Grösse des Lebewesens ein Transportmedium für diese Austauschprozesse notwendig. Aufgabe II: Was ist schon wieder eine Diffusion? Diese Flüssigkeit bringt die Stoffe also in die Nähe der Zielzellen und verkürzt damit die Diffusionsstrecke. Bei den Tieren mit offenem Blutkreislauf (z.b. Gliederfüssler oder Weichtiere) sind Blut- und interstitielle Flüssigkeit (Flüssigkeit im Gewebszwischenraum) nicht voneinander getrennt. Die hier zirkulierende Flüssigkeit wird als Hämolymphe bezeichnet. Den Nachteil des relativ langsamen Blutflusses in einem offenen Kreislauf kompensieren Insekten dadurch, dass die Hämolymphe nicht dem Sauerstofftransport dient, sondern dieser über Tracheen gewährleistet wird. Bei allen Tieren mit einem geschlossenen Blutkreislauf, unter anderem allen Wirbeltieren, wird die zirkulierende Flüssigkeit Blut genannt. Aufgabe III: Ordne folgende Begriffe dem offenen Blutkreislauf eines Menschen zu: Aortenbogen, Gehirn, Harnblase, Herz, Leber, Lungenflügel, Magen-Darm-Trakt, Milz, Muskel, Nieren, sauerstoffarmes Blut, sauerstoffreiches Blut, Schilddrüse Blutkreislauf Mensch Quelle: fosbe.de

5 4 3. Zusammensetzung und Eigenschaften 1 Blut besteht aus zellulären Bestandteilen (Hämatokrit, ca. 44%) und Plasma (ca. 55%). Das Plasma ist eine wässrige Lösung (90% Wasser) aus Proteinen, Salzen und niedrig-molekularen Stoffen wie z.b. Einfachzuckern (Monosacchariden). Weitere Bestandteile des Blutes sind Hormone, gelöste Gase sowie Nährstoffe (Zucker, Lipide und Vitamine), die zu den Zellen, und Stoffwechsel- und Abfallprodukte Quelle: wdr5.de (z.b. Harnstoff und Harnsäure), die von den Zellen zu ihren Ausscheidungsorten transportiert werden. Aus chemisch-physikalischer Sicht ist Blut eine Suspension, also ein Gemisch aus der Flüssigkeit Wasser und zellulären Bestandteilen. Blut hat aufgrund der enthaltenen Erythrozyten (rote Blutkörperchen) eine gegenüber Plasma erhöhte Viskosität. Je höher der Hämatokritwert und je geringer die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto mehr steigt die Viskosität. Aufgrund der Verformbarkeit der roten Blutkörperchen verhält sich Blut bei steigender Fliessgeschwindigkeit nicht mehr wie eine Zellsuspension, sondern wie eine Emulsion. Der ph-wert von menschlichem Blut liegt bei 7.4 und wird durch verschiedene Blutpuffer konstant gehalten (siehe 5.2 Puffersystem Blut). Blut verdankt seine rote Farbe dem Hämoglobin, genauer gesagt seinem sauerstoffbindenden Anteil, der Hämgruppe. Deshalb zählt Hämoglobin zur Gruppe der Blutfarbstoffe. Mit Sauerstoff angereichertes Blut hat einen helleren und kräftigeren Farbton als sauerstoffarmes Blut. Als chemische Komponente, die den typisch metallischen Geruch von Blut bei Säuretieren ausmacht und Raubtiere anzieht, wurde im Jahre 2014 das Aldehyd trans- 4,5-Epoxy-(E)-2-Decenal identifiziert. ukturformel) trans-4,5-epoxy-(e)-2-decenal Aufgabe IV: a) Bestimme die Summenformel von trans-4,5-epoxy-(e)-2-decenal b) Welche funktionellen Gruppen kannst Du in diesem Molekül erkennen?

6 5 3.1 Plasma Die im Plasma enthaltenen Ionen sind vorwiegend Natrium-, Chlorid-, Kalium-, Magnesium-, Phosphat- und Calciumionen. Aufgabe V: Notiere die oben genannten Ionen vollständig. Der Anteil der Proteine beträgt etwa 60 bis 80 g/l, entsprechend 8% des Plasmavolumens. Sie werden nach ihrer Beweglichkeit bei der Elektrophorese in Albumine und Globuline unterschieden. Die Plasmaproteine übernehmen Aufgaben des Stofftransports, der Immunabwehr, der Blutgerinnung, der Aufrechterhaltung des ph- Wertes und des osmotischen Druckes. Blutplasma ohne Gerinnungsfaktor wird als Blutserum bezeichnet. Serum wird gewonnen, indem das Blut in einem Röhrchen nach vollständigem Gerinnen zentrifugiert wird. Im unteren Teil des Quelle: schwebendesnudelungeheuer.de Röhrchens findet sich dann der Quelle: med4you.at so genannte Blutkuchen, im oberen die als Serum bezeichnete, meist klare Flüssigkeit. Das Serum enthält auch Substanzen, die im Plasma nicht enthalten sind: insbesondere Wachstumsfaktoren wie PDGF, die während des Gerinnungsvorgangs freigesetzt werden. Serum besteht zu 91% aus Wasser und 7% Proteinen. Der Rest sind Elektrolyte, Nährstoffe und Hormone. Durch gelöstes Bilirubin ist es gelblich gefärbt. Bilirubin Quelle: wikipedia.org Aufgabe VI: Welche funktionellen Gruppen kannst Du im Bilirubin-Molekül erkennen?

7 6 3.2 Zelluläre Bestandteile Die im Blut enthaltenen Zellen werden unterschieden in Erythrozyten (rote Blutkörperchen), in Leukozyten (weisse Blutkörperchen) und in Thrombozyten (Blutplättchen). Die Leukozyten und Thrombozyten können nach dem Zentrifugieren der zellulären Bestandteile als feiner heller Flaum (buffy coat) über den ganz unten befindlichen Erythrozyten und unter dem Plasmaanteil beobachtet werden, sie machen weniger als 1% des Blutvolumens beim Gesunden aus. Aufgabe VII: Welche Funktionen haben wohl die Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten im Blut? 4. Funktionen Transportfunktion Das Blut mit seinen einzelnen Bestandteilen erfüllt wesentliche Aufgaben, um die Lebensvorgänge aufrechtzuerhalten. Hauptaufgabe ist der Transport von Sauerstoff und Nährstoffen zu den Zellen und der Abtransport von Stoffwechselendprodukten wie Kohlenstoffdioxid oder Harnstoff. Ausserdem werden Hormone und andere Wirkstoffe zwischen den Zellen befördert. Blut dient weiterhin der Homöostase, das heisst der Regulation und Aufrechterhaltung des Wasser- und Elektrolythaushalts, des ph-wertes sowie der Körpertemperatur. 4.2 Abwehrfunktion Als Teil des Immunsystems hat das Blut Aufgaben in Schutz und Abwehr gegen Fremdkörper und gegen Antigene durch Phagozyten (Fresszellen) und durch Antikörper. Weiter ist das Blut

8 7 ein wichtiger Bestandteil bei der Reaktion auf Verletzungen. Zudem hat das Blut eine Stützwirkung durch den von ihm ausgehenden Flüssigkeitsdruck. 4.3 Wärmeregulierung Die ständige Zirkulation des Blutes gewährleistet eine konstante Körpertemperatur. Diese liegt beim gesunden Menschen bei ca C. Dabei geht man im Allgemeinen von der Temperatur im Innern des Körpers aus. 4.4 Atmung Eine Funktion des Blutes ist der Transport von Sauerstoff von der Lunge zu den Zellen und von Kohlenstoffdioxid dem Endprodukt des oxidativen Kohlenstoffwechsels zurück zur Lunge. Im Rahmen der Atmung gelangt der in der Luft enthaltene Sauerstoff über die Luftröhre in die Lunge bis hin zu den Lungenbläschen. Durch deren dünne Membran gelangt der Sauerstoff in die Blutgefässe. Das Blut wiederum wird im Rahmen des Lungenkreislaufes vom Herzen zur Lunge geführt. Das zunächst sauerstoffarme Blut gibt in der Lunge Kohlenstoffdioxid (CO2) ab und nimmt dort Sauerstoff auf. Das nun sauerstoffreiche Blut fliesst Herz-Lungenkreislauf Quelle: wikipedia.org über mehrere Lungenvenen wieder zurück zum Herzen, genauer zum linken Vorhof. Von dort wird das Blut über ein geschlossenes Netz aus Blutgefässen an die meisten stoffwechselnden Zellen innerhalb des Körpers verteilt. Ausgenommen davon sind u.a. Zellen der Hornhaut des Auges und der Knorpel, die keinen direkten Anschluss an das Gefässsystem haben und wie bei primitiveren Organismen über Diffusion ernährt werden. Funktionell wichtig für den oben beschriebenen Gasaustausch ist der in den roten Blutkörperchen enthaltene Blutfarbstoff Hämoglobin. Jedes Hämoglobinmolekül besteht aus vier Untereinheiten, die jede eine Hämgruppe enthalten. Im Zentrum der Hämgruppe ist ein Eisen- Ion gebunden. Dieses Eisen übt eine starke Anziehungskraft (Affinität) auf Sauerstoff aus, wodurch der Sauerstoff an das Hämoglobin gebunden wird. Hat dies stattgefunden, so spricht

9 8 man von oxygeniertem Hämoglobin. Ist die Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff hoch und der Partialdruck von Sauerstoff ebenso, wie es in den Lungen der Fall ist, dann begünstigt dies die Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin, ist jedoch das Gegenteil der Fall wie im Körpergewebe, so wird Sauerstoff abgegeben. 98,5 % des im Blut enthaltenen Sauerstoffs sind chemisch an Hämoglobin gebunden. Nur die restlichen 1,5 % sind physikalisch im Plasma gelöst. Dies macht Hämoglobin zum vorrangigen Sauerstofftransporter der Wirbeltiere. Unter normalen Bedingungen ist beim Menschen das die Lungen verlassende Hämoglobin zu etwa % mit Sauerstoff gesättigt. Desoxygeniertes Blut ist immer noch zu ca. 75 % gesättigt. Die Sauerstoffsättigung bezeichnet das Verhältnis aus tatsächlich gebundenem Sauerstoff zu maximal möglichem gebundenem Sauerstoff. Kohlenstoffdioxid wird im Blut auf verschiedene Art und Weise transportiert: Der kleinere Teil wird physikalisch im Plasma gelöst, der Hauptteil jedoch wird in Form von Hydrogencarbonat (HCO3 ) und als an Hämoglobin gebundenes Carbamat transportiert. Die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid zu Hydrogencarbonat wird durch das Enzym Carboanhydrase beschleunigt. 5. Blutpuffer 2,3 5.1 Puffer allgemein 2 Ein Puffersystem, kurz Puffer, ist ein Stoffgemisch, dessen ph-wert sich bei Zugabe einer Säure oder Base wesentlich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Typische Puffersysteme sind Pufferlösungen, Humus in Verbindung mit Grundwasser, oder Blut (siehe 5.2 Puffersystem Blut). Eine Pufferlösung fängt im Idealfall die zugegebene Säure oder Base komplett ab, sodass sich der ph-wert nicht ändert. Solche Lösungen enthalten eine Mischung aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base (oder des jeweiligen Salzes). Auch Ampholyte und bifunktionale Moleküle können als Puffer dienen. Aufgabe VIII: Was ist schon wieder ein Ampholyt? Gib ein Beispiel dafür.

10 9 Der den ph-wert bestimmende Faktor ist das Verhältnis bzw. das Protolyse-Gleichgewicht des Pufferpaares. Für das Säure-Base-Gleichgewicht einer schwachen Säure HA gilt: = Nach dem Massenwirkungsgesetz stünde im Nenner zusätzlich noch die Konzentration des Wassers. Diese kann jedoch, da sie im Vergleich zu den Ionenkonzentrationen mit 55,5 mol/l sehr groß ist, als konstant angesehen werden und wird definitionsgemäß in die Dissoziationskonstante Ks hineingezogen. Durch Umformen erhält man: Aufgabe IX: = Bilde aus der oberen Gleichung den negativen dekadischen Logarithmus. Dies entspricht der sogenannten Henderson-Hasselbalch-Gleichung (Puffergleichung). Wenn wir die einzelnen Komponenten noch ein bisschen genauer anschauen, liefern sie uns folgende, gebräuchliche Gleichung: Mit dieser Gleichung sie gilt unter der Näherung, dass die Aktivitäten der Stoffe ihren Konzentrationen in Lösung entsprechen lässt sich bei bekanntem pks-wert für einen bestimmten ph-wert das Konzentrationsverhältnis an Säure und Base ermitteln. Je höher die Konzentrationen sind, desto geringer wirken sich Zugaben von Säuren oder Basen aus.

11 Puffersystem Blut Biochemisch wichtig ist vor allem das Puffersystem im Blut. Im menschlichen Blut muss der ph-wert in einem sehr engen Bereich konstant bleiben. Aus diesem Grund hat der Körper im Blut ein komplexes Puffersystem aufgebaut, welches den ph-wert gegen Einflüsse von aussen abpuffert. Menschliches Blutplasma ist leicht basisch und hat in der Regel einen ph-wert von 7.40 ± Schon kleinste Abweichungen des ph-werts von 7.40 führen zu irreparablen Zellschäden. Ein Abfallen des ph-wertes unter 6.8 oder über 7.7 ist normalerweise tödlich. Das Ansteigen des ph-wertes wird als Alkalose bezeichnet. Eine Alkalose tritt auf bei der Zufuhr von alkalischen Substraten, einer Störung der Nierenfunktion, beim Erbrechen oder bei einer Hyperventilation durch zu schnelles Abatmen von Kohlenstoffdioxid. Das Absinken des ph-wertes wird als Azidose bezeichnet. Eine Azidose kann vielfältigere Ursachen haben und tritt deswegen häufiger auf als die Alkalose. Die Azidose kann auftreten bei einer Hypoventilation, also durch zu langsames Abatmen von Kohlenstoffdioxid aus dem Blut, bei Durchfall oder, vorübergehend und ohne ein Krankheitsbild, in der Muskulatur bei anaerober Maximalbelastung. 6. Quellen 1 wikipedia.org: Blut 2