Atmungsphysiologie II. 29. Gasaustausch in der Lunge. 30. Sauerstofftransport im Blut. 31. Kohlendioxidtransport im Blut. prof. Gyula Sáry Gasaustausch in der Lunge Gasdiffusion findet durch die Kapillarmembrane statt und folgt das Diffusionsgesetz von Fick Diffusion passiert zwischen dem Gas (Luft) und der Flüssigkeit (Blut). Man muss beachten: Gaspartialdrücke Lösbarkeit Diffusionskapazität 1
In einer Gasmischung ist der Druck der einzelnen Gase so groß, als würde das Gas das Volumen allein füllen. Gaspartialdruck Gaspartialdruck (P gas ) ist also bestimmt durch: Gesammtdruck der Mischung (P total ) UND Anteil des Gases in der Mischung (F gas ) P gas = P total x F gas Partialdruck ist oft als Gastension genannt. Gaspartialdrücke am Meeresspiegel P total = 760 mmhg F N2 = 0.78, F O2 = 0.21, F H20 =0.01 P N2 = 760 x 0,78 = 593 mmhg P O2 = 760 x 0,21 = 160 mmhg P H2O = 760 x 0,01 = 7 mmhg 4 2
Gaspartialdrücke am Mount Everest P total = 253 mmhg F N2 = 0.78, F O2 = 0.21, F H20 =0.01 P N2 = 253 x 0,78 = 197 mmhg P O2 = 253 x 0,21 = 53 mmhg P H2O = 253 x 0,01 = 3 mmhg 5 Gaspartialdrücke am Mount Everest, mit O 2 Inspiration P total = 253 mmhg F N2 = 0.0, F O2 = 1.0, F H20 =0.0 P N2 = 253 x 0.0 = 0 mmhg P O2 = 253 x 1.0 = 253 mmhg P H2O = 253 x 0.0 = 0 mmhg 6 3
Gasaustausch in der Lunge; Partialdruck in Flüssigkeiten Gasen lösen sich aus der Luft (Gas) im Blut (Flüssigkeit) bis ein dynamisches Gleichgewicht erreicht wird. In diesem Fall ist der Partialdruck gleich so hoch wie im Gas. Konzentration des gelösten Gases wird bestimmt durch: 1. Gaspartialdruck (P gas ) UND 2. Lösbarkeit des Gases(α) Henry-Dalton Gesetz: C gas (ml/l)= α (ml/l x mmhg -1 ) x P gas (mmhg) Netto Diffusion der Gase wird beendet wenn die Partialdrückegleich groß sind (und NICHT Gaskonzentration) 7 Das Diffusionsgesetz von Fick C=C-c d= Diffusionskoeffizient C c Membranedicke (t) Oberfläche (A) diff.= C x d x A t 8 4
Das Gesetz von Fick und der Gastransport diff.= C x. d x A t. V= P x d x A V= Gas Transportrate (ml/min) P= Partialdruckunterschied (mmhg) zwischen Alveolärluft und Kapillarenblut D = Diffusionskapazität (ml/minxmmhg -1 ) kombiniert Gaseigenschafte, Membrandicke und Oberfläche. D ist kein Konstant! Zb. bei Arbeit und Sport D wird größer! t. V= P x D 9 Gaspartialdruckwerte Gleichgewicht! Gleichgewicht! 10 5
P O2 und P CO Werte in den Alveolen 2 Partialdruckwerte in den Alveolenund in der Inspirationsluftunterscheiden: 1. die Luft in der Lunge wird wärmer, 2. nimmt Wassedampf auf (P H 20=47 mmhg), 3. verliert O 2 und, 4. gewinnt CO 2. P O 2 in Alveolen nimmt zu durch Ventilation und nimmt ab durch O 2 Diffusion (ins Blut). P CO 2 in Alveolen nimmt ab durch Ventilation und nimmt zu durch CO 2 Produktion. 11 P O2 und P CO2 in Alveolärluft: die alveoläre Ventilation Wenn O 2 und CO 2 Metabolizmus sind konstant, Partialdruckwerte durch alveoläre Ventilation nehmen zu / ab 12 6
P O 2 in Alveolärluft: O 2Aufnahme aus den Alveolen po 2 in Alveolen (mmhg) Obere Grenze bei maximaler Ventilation Ruhe po 2 Normalwert in Alveolen Sport/Arbeit alveoläre Ventilation 13 P CO 2 in Alveolärluft : CO 2 Diffusion in die Alveolen pco 2 in Alveolen (mmhg) Sport/Arbeit pco 2 Normalwert in Alveolen Ruhe alveoläre Ventilation 14 7
Gastransport: Grenzen der Perfusion und Diffusion Alveoläres Gas diffundiert in die Flüssigkeit, welche strömt (Kapillarblut). Gibt es ein Perfusionslimit (zu wenig Blut) oder Diffusionslimit (zu langsamer Diffusion)? Das Blut verbringt ~ 0,75 s in den Kapillaren. Reicht die Zeit aus für Gasaustausch (Gleichgewicht)? 15 Kapillaren Reservezeit: ~ 0,5 s Der Gasdruckgleichgewicht wird in 0,25 s erreicht, es gibt reserve für Sport usw. Normalweise wird Gastransport durch Perfusion limitiert (Herz und Kreislauf) Krankheiten die zu Diffusionsprobleme führen, zeigen erst während Sport / Arbeit Symptome 16 8
Alveolen sind nicht gleich In Menschen verursacht die vertikale Körperposition regionale Unterschiede in Perfusion und Ventilation (nicht in Tiere!) Die Alveolen am Apex sind geöffnet, aber schlecht ventilliert. An der Basis ist die Ventilation gut. Am Apex ist die Perfusion schlecht, am Basis aber gut. 17 Ventilation und Perfusionszonen der Lunge kein Perfusion Perfusion instabil Perfusion OK 18 9
Glücklicherweise in gesunden Menschen Bettruhe macht aus alle Zonen Zone III. Patienten mit Lungeninfektion brauchen unbedingt Bettruhe!!! 19 Übrigens, Das Verhältnis zwischen Ventilation und Perfusion (V/Q, normalweise 1/1) variert: an der Basis ist es 0.7 (hypoventilliert) und ist 2-3 am Apex (hypoperfundiert). Das verursacht eine abnahme von P O 2 in den Venae Pulmonales. Plus, venös Blut aus den Venae Bronchiales und aus dem linken Herz strömt hier hinein, so, arterieller P O 2 nimmt weiter ab (rechts-links shunt). 20 10
Inhomogenitäten in dem V/Q Verhältnis, rechts-links shunt und P O2 Venen im Körper Mischung mit Shunt-Blut Lungenkapillare Tüdő kapilláris Blut in Arterien Kapillaren im Körper Venen im Körper 21 Der Euler-Liljestrand Mechanismus Lokale Hypoxie verursacht lokale Vasokonstriktion High-altitude pulmonary edema(hape) (>2500 m) Vazokonstriktion Lungenödem 22 11
Sauerstofftransport 23 Sauerstofftransport im Blut: gelöst und mit Hgb verbunden 200 = 197 + 3 ml/l 24 12
Gelöster Sauerstoff Lösbarkeit im Plasma (α) = 0.03 ml/l mmhg -1 Menge zu gering (<1%) Medizin: hyperbarische Behandlung mit O 2 mit Überdruck (HBOT, 2-2.5 ATA Druck, inspiratorischer PO 2 = 1900 mmhg) bedeutet + 50 ml/l O 2! 25 Siehe Blut-Vorlesungen... Hämoglobin Hämoglobin F MetHämoglobin KarboxyHämoglobin 26 13
Hgb und Sauerstoff 1 Hgb Molekül bindet 4 O 2 Moleküle Sauerstoffbindung fazilitiert die Bindung von noch mehr O 2. 1 g saturiertes Hgb bindet 1,34 ml O 2 (Hüfner Nummer) Die transportierte O 2 Menge wird durch die Saturation undhgb Konzentration bestimmt! 27 Hgb-O 2 Dissoziationskurve Blut aus der Lunge Blut aus der Gewebe O 2 Partialdruck 28 14
Normalwerte Hgb O 2 Saturation in den Arterien: 97-98%, in den Venen: 75% O 2 Konzentration in den Arterien : 200 ml/l O 2 Konzentration in den Venen: 150 ml/l Arteriovenöser O 2 Unterschied AVDO 2 : 50 ml/l P 50 (Partialdruck bei 50% Saturation): 26 mmhg 29 CO Vergiftung 15
Hgb und O 2 Affinität Hypoxien 1. hypoxische Hypoxie (in Arterien P O 2 niedrig) 2. anämische Hypoxie (in Arterien P O 2 normal) 3. ischemische (Stagnation) Hypoxie 4. hystotoxische Hypoxie 32 16
Zyanose Wenn die Konzentration von deoxigeniertes Hgb ist höher als 50 g/l, Schleimhaut und Haut werden blau. Zyanose ist ein Hinweis für niedrige Saturation, kann aber fehlen wenn die Hgb Konzentration zu niedrig ist (Anämie). 33 CO 2 Transport im Blut 34 17
CO 2 transport im Blut 1. Bicarbonat ~85% 2. Karbamino (Hbg-Verbindung) ~10% 3. als Gas gelöst ~5% CO 2 Transport Gewebe Kapillarblut Lunge Lunge 36 18
VVT Hamburger shift 37 CO 2 Transport im Blut Deoxigeniertes Hgb kann mehr Karbamino Binde machen, und nimmt mehr H + auf, welche unterstüzt die CO 2 Aufnahme in den Gewebe. In der Lunge hilft die Oxigenisation von Hgb CO 2 abzugeben (Haldane). Chlorid shift (Hamburger shift) entfernt Bicarbonationen aus den RBKs, und hilft mehr CO 2 aufzunehmen. Hamburger shift ruht an erleichterte Diffusion. 38 19
Die Haldane Wirkung 39 40 20
Normalwerte CO 2 in Arterien: 480 ml/l CO 2 in Venen: 520 ml/l arteriovenöser CO 2 Unterschied (AVDCO 2 ):-40 ml/l 41 Caisson Krankheit (Dekompressionskrankheit) und Stickstoffnarkose N 2 ist im Körper normalweise nicht benutzt (kaum Lösbar) Wenn der Druck steigt -> Lösbarkeit nimmt zu Tief im Wasser, Caisson oder im Bergwerk -> Stickstoff-Narkose Auftauchen zu schnell -> Dekompressionskrankheit 42 21
Wichtige Ausdrücke Normoventilation Hypoventilation Hyperventilation Eupnoe Bradypnoe Tachypnoe Orthopnoe Dyspnoe Asphyxie 43 22