Atemgastransport im Blut

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1 Atemgastransport im Blut Institut für MTA-Ausbildung am Klinikum Osnabrück Fachgebiet Anatomie/Physiologie/Krankheitslehre - Dr. U. Krämer 1. Physikalische Löslichkeit der Atemgase Sauerstoff und Kohlendioxid sind wichtige Atemgase. Sie werden im Blut sowohl in physikalisch gelöster Form (also als "Mikrobläschen") als auch in chemisch gebundener Form transportiert. Stickstoff und andere Gase finden sich im Blut ausschließlich in physikalisch gelöster Form vor. (Übrigens: Mineralwasser mit Kohlensäure enthält CO2 wesentlich in physikalisch gelöster Form. Beim Schütteln kann man die kleinen Bläschen sehen.) Wenn man eine Flüssigkeit (Wasser, Blut) mit einem Gas (Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff o.ä.) in Kontakt bringt, dringt ein kleiner Teil des Gases in die Flüssigkeit ein und verbleibt dort in physikalischer Lösung in Form von winzigen nicht sichtbaren Mikrobläschen. Je höher der Druck des Gases über der Flüssigkeit ist, desto mehr Moleküle dieses Gases dringen in die Flüssigkeit ein. Es gilt also: Gaskonzentration in der Flüssigkeit ist proportional dem Gasdruck über der Flüssigkeit Der Gasdruck kann mit einem Barometer gemessen werden. Wir benutzen in der Physiologie [mm Hg] traditionsgemäß als Einheit für den Druck. Zimmerluft, die Oberflächenkontakt mit dem Blut hat, enthält unter anderem etwa 21 Vol% -Sauerstoff. Messe ich also mit einem Barometer z.b. einen Luftdruck von 760 mm Hg, dann ist der Luftsauerstoff zu 21% am Gesamtluftdruck beteiligt. 21% von 760 mm Hg sind etwa 160 mm Hg. Dieser Druck heißt und wird mit po2 abgekürzt. "Sauerstoffpartialdruck" Analog gibt es einen Stickstoffpartialdruck pn2 und einen CO2-Partialdruck pco2. Bitte merken: Gase diffundieren in Flüssigkeiten. Die Menge übertretender Gasmoleküle hängt ab von der Partialdruckdifferenz des Gases zwischen der Flüssigkeit und der Luft oberhalb der Flüssigkeit. Damit hängt die Sauerstoffkonzentration im Blut vom po2 der Luft ab, mit der das Blut in Kontakt tritt.

2 -2- Mathematisch ausgedrückt gilt folgende allgemeine Gleichung: Gaskonzentration im Blut = Partialdruck des Gases x Faktor Der Faktor ist der Bunsen-Löslichkeitskoeffizient, die Gleichung in dieser Form ist das Henry-Dalton-Gesetz. Praktische Bedeutung: Atmet man Zimmerluft, beträgt der po2 der Einatemluft ca. 160 mm Hg. Atmet man reinen Sauerstoff, liegt der po2 der Einatemluft erheblich höher, nämlich bei mm Hg. Somit kann physikalisch viel mehr Sauerstoff ins Blut übertreten. Die Sauerstoffversorgung des Körpers wird besser! Wenn wir aber Luft mit einem po2 von 160 mm Hg einatmen, kommen in der Lunge nicht 160 mm Hg an. Die Einatemluft mischt sich nämlich mit der sauerstoffarmen Luft, die sich in der Lunge befindet und zu Ausatmung ansteht. Diese Luftmischung in der Alveole weist einen po2 von 100 mm Hg (MTAL bitte merken!) auf. Somit ist in der Alveole die Sauerstoffkonzentration viel niedriger als in der eingeatmeten Zimmerluft. Wir haben heute die Möglichkeit, den po2-wert in einer Lösung (z.b. im Blut) mit einer Sauerstoffelektrode direkt zu messen. Der gemessene po2-wert in einer Lösung ist genauso groß, wie der po2-wert in dem Gasgemisch, das mit der Lösung Kontakt hat. Merke: Der po2-wert im alveolären Kapillarblut ist genauso groß wie der po2-wert in der Alveole also 100 mm Hg. Auf dem Weg von der Lunge in den Arterienkreislauf wird kaum Sauerstoff verbraucht. Also beträgt auch der arterielle po2-wert ungefähr 100 mm Hg. Analog findet sich im Blut auch ein messbarer CO2-Anteil. CO2 wird von den Zellen als Stoffwechselprodukt gebildet und an das Blut abgegeben. Dieses CO2 kann mit einer CO2-Elektrode als pco2 gemessen werden. Merke: Der pco2-wert im arteriellen Blut liegt zwischen 35 und 45 mm Hg. Im Venenblut, das mehr CO2 enthält, liegt er deutlich höher.

3 -3- Ein paar Zahlen: 1 Liter Arterienblut enthält 3 ml Sauerstoff in physikalisch gelöster Form. Das ist recht wenig. 1 Liter Arterienblut enthält 26 ml Kohlendioxid (CO2) in gelöster Form. Das ist ziemlich viel. Der Grund liegt darin, dass der Bunsen-Löslichkeitskoeffizient für Sauerstoff viel niedriger ist als der für CO2. Wir haben also das Problem, dass Arterienblut nur 3 ml physikalisch gelösten Sauerstoff enthält. Das reicht niemals, um den Körper mit ausreichend Sauerstoff zu versorgen. Wie ist dieses Problem gelöst? Bitte lesen Sie weiter! 2. Hämoglobin-Sauerstoff-Bindung Der weitaus größte Teil des im Blut transportierten Sauerstoffs (98,5%) ist nämlich an Hämoglobin gebunden. Wussten Sie: Anders ausgedrückt: Oder noch anders: 1 Molekül Hämoglobin kann 4 Moleküle Sauerstoff binden. 1 g Hämoglobin bindet 1,39 ml Sauerstoff (Hüfner-Zahl) 1 ml Arterienblut enthält (bei normalem Hb-Wert) 0,2 ml O2 Wir haben also im Körper unter normalen Bedingungen immer reichlich Sauerstoff zur Verfügung. Das sieht schon besser aus. Es werden übrigens vom Sauerstoff im Arterienblut im Mittel nur 25% ausgenutzt. Bei schwerer körperlicher Arbeit können es auch einmal 50% sein. Dennoch: Der physikalisch gelöste Sauerstoffanteil im Blut ist biologisch sehr wichtig. Hämoglobin kann nämlich nur den Sauerstoff binden, der in physikalisch gelöster Form das Molekül erreicht. Man darf übrigens nicht davon ausgehen, dass alle Hb-Moleküle im Arterienblut mit Sauerstoff gesättigt sind. Der Sättigungsgrad hängt nämlich vom po2-wert ab. Man kann folgendes sagen: Liegt der po2-wert im Arterienblut zwischen 70 und 100 mm Hg, führt das zu einer Hämoglobinsättigung mit Sauerstoff von 95 bis 99%.

4 -4- Hämoglobin bindet übrigens den Sauerstoff schlechter bei - hohen pco2-werten (also, wenn viel zuviel CO2 im Blut ist) - Fieber - zuviel H+ Ionen im Blut ("Azidose") Hinweis: Kohlenmonoxid (CO), das bei unvollständiger Verbrennung organischen Materials entsteht, blockiert das Hb-Molekül für den Sauerstofftransport. Beim Rauchen entstehen größere Mengen inhalierbaren Kohlenmonoxids. So haben starke Raucher durch CO-Blockade des Hämoglobins (dieses nennt man HbCO) bis zu 20% weniger Hb-Moleküle für den Sauerstofftransport zur Verfügung. Damit Hb Sauerstoff binden kann, muss das Hb-Molekül 2-wertiges Eisen (Fe++) enthalten. Enthält Hb 3-wertiges Eisen (Fe+++), wird es biologisch funktionsuntüchtig. Man bezeichnet solche Hb als Methämoglobin. 3. Kohlendioxidtransport im Blut CO2 entsteht als Endprodukt des oxidativen Stoffwechsels in den Körperzellen. Es wird zu lediglich 5% in physikalisch gelöster Form transportiert. Dieser Anteil ist als pco2 messbar. Der pco2 im Arterienblut liegt normalerweise um 40 mm Hg (35-45 mm Hg). Der pco2 im venösen Blut liegt höher, nämlich bei etwa 46 mm Hg. Der größte Anteil des CO2 (90%) liegt nach folgender Reaktionsgleichung als Bikarbonat (HCO3-) vor: CO2 + H2O > H2CO > HCO3- + H+ Diese Reaktion erfolgt im Plasma recht langsam. CO2 kann aber in die Erythrocyten diffundieren. Hier befindet sich das Enzym Carboanhydratase (= Carboanhydrase), welche die Reaktion um den Faktor beschleunigt. Somit gelangt CO2 aus den Zellen in das Blut und von dort in die Erythrocyten, wo in großem Umfang dann HCO- entsteht. Dieses HCO3- diffundiert entlang eines Konzentrationsgefälles zum Plasmaraum wieder in Richtung Plasma. Für jedes HCO3- Ion, das aus dem Ery in das Plasma überwechselt, tritt ein Chlorid-Ion (Cl-) aus dem Plasma in den Erythrocyten ("Chloridverschiebung"), um das Ladungsgleichgewicht zu erhalten. Auf diese Weise werden 90% aller CO2-Moleküle, die im Körper entstehen, zu HCO3- umgewandelt. 30% bleiben in den Erys, 60% wandern in das Plasma. 5% des im Körper gebildeten CO2 lagerts sich an freie Aminogruppen des Hämoglobins an, wodurch "Carbamino-Hämoglobin" ensteht.

5 -5- In der Lunge entsteht aus HCO3- wieder CO2, und zwar auf folgendem Wege: HCO3- + H+ (immer im Blut vorhanden) > H2CO > H2O + CO2 Das CO2 wird ausgeatmet, das H2O wird gleichfalls abgeatmet oder über die Nieren oder über die Schweißdrüsen ausgeschieden. Zusammenfassung: (1) O2 und CO2 werden im Blut sowohl physikalisch gelöst als auch in chemisch gebundener Form transportiert. (2) Die Konzentration eines physikalisch gelösten Gases in einer Lösung ist im Henry-Dalton-Gesetz beschrieben. (3) 98,5% des Sauerstoffs im Blut ist an Hb gebunden. Der Rest ist physikalisch gelöst. (4) 1 g Hb bindet maximal 1,39 ml Sauerstoff (Hüfner sche Zahl) (5) Die Anlagerung von Sauerstoff an Hämoglobin bezeichnet man als Oxygenierung. Das Produkt heißt dann Oxyhämoglobin HbO2 Hämoglobin ohne Sauerstoff heißt "reduziertes Hämoglobin" oder "Desoxy-Hämoglobin". Übrigens: Hat man mehr als 5 g/dl reduziertes Hämoglobin im Blut, verfärbt sich die Haut blau ("Cyanose") (6) Die "Sauerstoffsättigung" (Kürzel: so2) ist der Prozentsatz von HbO2 am Gesamt-Hb. So bedeutet ein so2 von 90%, dass 90% aller Hb-Moleküle mit Sauerstoff beladen sind. (7) Kohlenmonoxid blockiert Hämoglobin für den Sauerstofftransport (8) Methämoglobin (MetHb) ist biologisch funktionsuntüchtig. (9) CO2 wird transportiert in physikalisch gelöster Form, als HCO3- und als Carbamino- Hämoglobin. Kontrollfragen: (1) Ein Patient wird mit 50% Sauerstoff beatmet. Der aktuell Luftdruck beträgt 750 mm Hg. Wie hoch ist der po2 in der Einatmungsluft? (2) Mit welchem Hilfsmittel können wir po2 und pco2 im Blut oder in Flüssigkeiten messen? (3) Was bedeutet der Begriff "physikalische Lösung" eines Gases? (4) Wie hoch liegt normalerweise der alveoläre po2-wert? Warum ist er nicht 160 mm Hg? (5) Wie wird Sauerstoff im Blut transportiert? (6) Wie wird CO2 im Blut transportiert? (7) Warum ist Kohlenmonoxid giftig? (8) Was ist eine Cyanose? Wann tritt sie auf? (9) Was ist Methämoglobin?