Gasaustausch. 1. Der Gasaustausch liefert Sauerstoff für die Zellatmung und beseitigt Kohlendioxid

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1 Gasaustausch 1. Der Gasaustausch liefert Sauerstoff für die Zellatmung und beseitigt Kohlendioxid 2. Diese Funktion hängt von den Transporteigenschaften des Kreislaufsystems ab 3. Daher besteht zwischen diesen Systemen eine enge Zusammenarbeit

2 Gasaustausch erfolgt an spezialisierten respiratorischen Oberflächen Unter einem Gasaustausch versteht man die Aufnahme von molekularem Sauerstoff aus der Umgebung und die Abgabe von Kohlendioxid in die Umgebung Ein Gas verbreitet sich von einem Bereich höheren Partialdrucks zu einem Bereich niedrigeren Drucks (unter Partialdruck versteht man den Druck, den ein bestimmtes Gas in einem Gasgemisch ausübt)

3 Atemmedien Tiere verwenden Luft oder Wasser als Sauerstoffquelle oder Atemmedium O 2 ist in Luft reichlich vorhanden; es macht rund 21 Volumen-% der Erdatmosphäre aus Luft hat eine viel geringere Dichte und Viskosität als Wasser und lässt sich daher leichter durch enge Gänge bewegen; infolgedessen ist Luftatmung relativ einfach und braucht nicht sonderlich effizient zu sein Folie: 3

4 Respiratorische Oberflächen Tiere brauchen große respiratorische Oberflächen; der Gasaustausch ist rasch, wenn die Diffusionsfläche groß und die Diffusionsstrecke kurz ist; daher sind solche Oberflächen in der Regel groß und dünn Die Bewegung von O 2 und CO 2 durch feuchte respiratorische Oberflächen findet vollständig per Diffusion statt Solche Oberflächen sind von Tier zu Tier sehr verschieden und können auch die Hautoberfläche sowie Atmungsorgane aller Arten umfassen

5 Prozess des Gassaustauschs 1. äussere Atmung (Gasaustausch zwischen Umwelt und Blut über respiratorische Oberflächen des Körpers) 2. Atemgastransport im Kreislaufsystem 3. Innere Atmung (Gasaustausch zwischen Blut und den verbrauchenden Gewebe) Atemmedium: für Landtiere Luft und für aquatische Tiere Wasser Respiratorische Oberfläche: Bereich aus dem Sauerstoff aus der Umgebung unmittelbar in lebende Zellen diffundiert und Kohlendioxid diese verlässt

6 Eigenschaften von Gasaustauschoberflächen (GO) 1. GO müssen feucht sein: Gasdurchlässigkeit gebunden an Lösung des Gases im wässerigen Film. 2. Austausch erfolgt durch Diffusion. Die Diffusionsrate ist proportional zum Quadrat der Diffusionsstrecke. GO sind daher dünn und grossflächig (minimale Diffusionsdistanz sehr wichtig). 3. GO muss für den gesamten Körper O 2 herbeiführen und CO 2 abführen. GO Struktur abhängig von Grösse, Lebensort (Land, Wasser, Luft) und metabolischer Strategie

7 Fischkiemen: auf Gasaustausch spezialisierte Ausfaltungen der Körperoberfläche Kiemen bogen Vorteil: GO konstant feucht Nachteil: Niedrige O2 Konzentration im Wasser Lösung: Ventilation und Gegenstromaustausch Ventilation: Methode die das Strömen des Atemmediums über die respiratorische Oberfläche verstärkt Kiemen lamelle Kiemen filamente Knochenfische pumpen Atemmedium durch koordinierte Bewegungen des Kiefers und Kiemendeckel Gegenstromaustausch: Wasser fliesst entgegen den Blutstrom über die Lamellen,

8 Gegenstromverteilung in Fischkiemen Wenn das Blut durch eine Lamellenkapillare fliesst belädt es sich mehr und mehr mit Sauerstoff, denn es ist ständig zu Wasser benachbart dass weniger O2 abgegeben hat als die Fraktion zuvor.

9 Tracheenrespiration: Luft O 2 wird an Verbrauchsort geliefert Vorteil: Luft hat hohen O 2 Gehalt Nachteil: Resp. Oberfläche verliert ständig Wasser durch Verdunstung Lösung: nach innen gefaltete resp. Oberfläche Luft wird durch Röhren direkt an Köpergewebe geliefert. Sehr aufwändige Röhrensysteme (Tracheen) nötig. Feinste Verästelungen sind Tracheolen.

10 Luftsäcke als Reservoir beim Vogel Vögel: 8-9 Luftsäcke und Lungen Luftsäcke: Blasebälge die die Lungen ventilieren Kontraktion und Entspannung der Luftsäcke ventiliert die Lungen und bläst die Luft in eine Richtung (rote Pfeile) durch eine Vielzahl kleiner Röhren in der Lunge, die Parabronchien Gasaustausch erfolgt durch die Wände der von Kapillaren umsponnenen Parabronchien Zwei komplete Atemzüge sind erforderlich um die Luft durch das gesamte System zu leiten

11 Lungen 1. Respiratorische Oberfläche der Lunge nicht im direktem Kontakt mit anderen Körperzellen (lokal begrenzt) 2. Kreislaufsystem notwendig welches den Sauerstoff im ganzen Körper verteilt 3. Lunge eines Säugers in der Brusthöhle (Thoraxhöhle) 4. Luftweg: Nasen-Rachenraum, Kehlkopf (Larynx), Luftröhre (Trachea), Bronchien, Bronchiolen, Luftsäcke die Alveolen 5. Millionen von Alveolen (140 m2, die Haut mit 2 m 2 als Austauschfläche vernachlässigbar) 6. Luft in den Alveolen löst sich im Feuchtigkeitsfilm und diffundiert durch das Alveolarepithel in das darunterliegende Kapillarnetz, welches jede Alveole umspinnt (Kohlendioxid diffundiert aus Kapillarnetz in jede Alveole)

12 Respirationstrakt des Menschen

13 Atmung: Ventilation der Lunge Der Prozess, durch den die Lunge ventiliert wird, wird als Atmung bezeichnet, die abwechselnde Inspiration und Exspiration von Luft Eine Amphibie wie ein Frosch ventiliert seine Lunge durch Überdruckatmung und bläht seine Lunge durch Einpressen von Luft auf Im Gegensatz zu Amphibien verwenden Säuger eine Unterdruckatmung und saugen Luft in ihre Lungen, statt sie hineinzudrücken

14 Atmung bei Säugern Das mit jedem Atemzug ein- und ausgeatmete Luft-volumen wird als Atemzugvolumen bezeichnet; es beträgt beim Menschen in Ruhe gewöhnlich rund 0,5 l Das Atemzugvolumen bei maximalem Ein- und Ausatmen heißt Vitalkapazität; es beträgt bei jungen Frauen und Männern 3,4 beziehungsweise 4,8 l Die Luft, die nach möglichst kräftigem Ausatmen in der Lunge verbleibt, wird als Residualvolumen (etwa 1 1,5 l) bezeichnet Folie: 14

15 Unterdruckatmung bei Säugern Einatmen (Inspiration): Zwerchfell kontrahiert und das Volumen des Brustkobs und damit der Lungen nimmt zu. Der Gasdruck in der Lunge fällt unter dem atmosphärischen Luftdruck und Frischluft strömt ein.

16 Kontrolle der Atmung beim Menschen Die Atemzentren liegen in zwei Hirnregionen, dem verlängerten Rückenmark (Medulla oblongata) und der Brücke (Pons) Neuronale Schaltkreise in der Medulla legen den Atemrhythmus fest Beim Einatmen schicken Sensoren, die die Dehnung des Lungengewebes registrieren, Nervenimpulse zu den Kontrollschaltkreisen in der Medulla und verhindern ein weiteres Einatmen Neuronen im Pons bestimmen das Tempo des Atemrhythmus

17 Kontrolle der Atmung beim Menschen Beim regelmäßigen Atmen nutzt die Medulla den ph-wert der umgebenden Gewebeflüssigkeit als Indikator für die CO 2 - Konzentration im Blut die O 2 -Konzentration im Blut hat gewöhnlich wenig Einfluss auf die Atemzentren wenn der O 2 -Spiegel jedoch sehr stark sinkt (beispielsweise in großen Höhenlagen),schicken O 2 -Sensoren in der Aorta und den Halsarterien (Carotiden) Signale an die Atemzentren, die darauf mit einer Erhöhung der Atemfrequenz reagieren

18 Regulation der Atmung durchs Atemzentrum

19 Partialdruck: atmosph. Druck 760 mm Hg, 21% Sauerstoff in Luft, Sauerstoffpartialdruck ist 0.21 x 760=160 mmhg: Anteil des Sauerstoffs am Luftdruck (Kohlendioxidpartialdruck ist nur 0.23 mm Hg)

20 Gastransport über respiratorische Proteine 1. Ort der grössten Sauerstoffkonzentration (Lunge) ist nicht identisch mit Ort des Sauerstoffverbrauchs. Transport nötig. Das Kreislaufsystem transportiert den Sauerstoff zum Gewebe und das CO 2 vom der Peripherie zu Lunge. 2. Blutzellen sind nötig zum Transport von genügend Sauerstoff um die Gewebe am Leben zu erhalten. Aber: Blutserum hat nur eine Kapazität von 3 ml O 2 /L Blut. Blut mit roten Blutzellen hingegen eine 70 mal höhere Kapazität: 200 ml O 2 /L. 3. Respiratorisches Protein, das Hämoglobin: In Erythrocyten (roten Blutkörperchen) eingelagert.

21 Figure The composition of mammalian blood Zusammensetzung des Blutes

22 Die Blutzellen stammen von einer Sorte Stammzelle ab

23 Hämoglobin Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten Jede Untereinheit trägt als Cofaktor ein Häm-Molekül das ein Eisenatom im Zentrum hat Das Eisenatom bindet O 2 somit kann jedes Hämoglobin vier Sauerstoffmoleküle transportieren Eisenatom bindet O 2 reversibel: Oxygenierung Kooperative Wechselwirkung beim Be- und Entladen: wenn ein O 2 bindet induziert es in den anderen Untereinheiten eine Strukturveränderung die zu einer erhöhten Binding von O 2 führt

24 Hämoglobin Untereinheiten

25 Struktur Hämoglobin

26 Sauerstoffdissoziationskurve Lunge: Hämoglobin gesättigt mit O 2 Geweben mit hoher metabolischer Aktivität: Hämoglobin entlädt sich Sauerstoffpartialdruck Bereich höchster Steigung: Kleinste Aenderung im Sauerstoffpartialdruck führt zum be- oder entladen von O 2

27 Die Konformation des Hämoglobin ist empfindlich auf viele Parameter: ph Aenderungen Sinkt der ph dann erniedrigt sich die Affinität des Hämoglobin für Sauerstoff: Bohr Effekt CO 2 und Wasser ergibt Kohlensäure und erniedrigt den ph Wert des Blutes Daher: Stoffwechselaktives Gewebe Veranlasst das Hämoglobin zur Abgabe von mehr Sauerstoff

28 Hämoglobin beteiligt sich auch am Transport von CO 2 im Blut Etwa 7 % des bei der Zellatmung freigesetzten Kohlendioxids wird als gelöstes CO 2 im Blutplasma transportiert Weitere 23 % binden an freie Aminogruppen des Hämoglobins Etwa 70 % wird im Blut in Form von Bicarbonat-Ionen (HCO 3- ) transportiert

29 Hämoglobin beteiligt sich auch am Transport von CO 2 im Blut CO 2 wird in roten Blutzellen zu Bicarbonat umgesetzt Bicarbonat-Ionen diffundieren In das Plasma und werden so in die Lunge transportiert

30 Hämoglobin beteiligt sich auch am Transport von CO 2 im Blut Lungenkapillaren: Vorgang kehrt sich um d.h. aus Bicarbonat wird CO 2 Kohlensäure-Bicarbonatsystem: Wichtige Funktion als Puffersystem des Blutes