10 Atmung - Wenger

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Als Anoxie bezeichnet man in der Medizin das vollständige Fehlen von Sauerstoff in den Geweben.

Synonyme: Euler-Liljestrand-Reflex, ELM, hypoxisch pulmonale Vasokonstriktion

Nifedipine; Ca2+ Antagonist
Dexamethasone: "macht gefässe dicht"
-> margerita cocktail

Vier Faktoren bestimmen die Sauerstoffaffinität des Hämoglobins und damit die Lage der Sauerstoffbindungskurve unter physiologischen Bedingungen:
● der erythrozytäre Metabolit 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3BPG),
● der pH-Wert,
● der PCO2,
● die Temperatur.

Der erythrozytäre Metabolit 2,3BPG ist der stärkste Regulator der Sauerstoffaffinität. Das organische Anion 2,3BPG liegt im Erythrozyten in einer Konzentration von ca. 5 mmol/l vor (d. h. in gleich hoher Konzentration wie das Hämoglobin) und bindet bevorzugt an Deoxyhämoglobin (im stöchiometrischen Verhältnis 1:1). Die Bindung des mit negativen Ladungen versehenen 2,3BPG (▶Abb. 8.19) erfolgt elektrostatisch an positiv geladene Bindungsstellen der Hämoglobin-β-Ketten, die in Deoxyhämoglobin über eine Öffnung am N-terminalen Ende zugänglich werden. Beim Übergang vom T- in den R-Zustand, d. h. bei Bindung von Sauerstoff, verkleinert sich dieser Hohlraum und 2,3BPG kann nicht gebunden werden. Durch die Stabilisierung des Deoxyzustands durch 2,3BPG nimmt die O2-Affinität des Hämoglobins ab (▶Abb. 8.20). 2,3BPG ist mit Abstand der wirkungsvollste Regulator der Sauerstoffaffinität.

man hat etwa gleich viel mol BPG wie Hb
-> man  hat etwa 4 mal so vile mol BPG wie ATP

2,3BPG ist ein Metabolit der Glykolyse. Entscheidend
für seine intraerythrozytäre Konzentration ist daher die Glykolyserate: Alle Bedingungen, die den glykolytischen Durchsatz erhöhen, steigern die 2,3BPG-Konzentration. Da das Schlüsselenzym der Glykolyse, die Phosphofructokinase (PFK), seine maximale Aktivität bei alkalischem pH erreicht führt eine Zunahme des intraerythrozytären pH (z. B. bei respiratorischer Alkalose) generell zu einer Erhöhung der 2,3BPG-Konzentration.

2,3-BPG is part of a feedback loop that can help prevent tissue hypoxia in conditions where it is most likely to occur.

Da das Schlüsselenzym der Glykolyse, die Phosphofructokinase (PFK), seine maximale Aktivität bei alkalischem pH erreicht führt eine Zunahme des intraerythrozytären pH (z. B. bei respiratorischer Alkalose) generell zu einer Erhöhung der 2,3BPG-Konzentration.

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Die EPO-Bildung ist die Folge einer verstärkten Transkription des EPO-Gens. Diese wird durch den Transkriptionsfaktor HIF (hypoxia-inducible factor) ausgelöst, der als Heterodimer aus einer - und einer β-Untereinheit besteht. Beide Untereinheiten werden ständig mit konstanter Rate synthetisiert, die Stabilität des HIF-α-Proteins ist jedoch abhängig vom O2-Druck. Bei höheren O2-Drucken wird HIF-α durch eine O2-abhängige Prolinhydroxylase hydroxyliert. Dies ist ein Signal zur verstärkten Ubiquitinierung mit anschließendem Abbau im Proteasom (7 Kap. 50). Mit verminderter Verfügbarkeit von O2 (sinkender pO2) nimmt daher die Ubiquitierung von HIF-α ab; es wird weniger rasch abgebaut. Dadurch steigt die HIF-α-Konzentration in der Zelle, es wird mehr aktiver HIF gebildet. HIF bindet an ein enhancer-Element in der nichtcodierenden 3ʹ-Region des EPO-Gens und steigert so dessen Transkriptionsrate (. Abb. 65.4).

Die CO2-Bindungskurve (▶Abb. 8.24) beschreibt die Änderung des Gesamtgehalts an CO2 (physikalisch gelöst, Bicarbonat, Carbamat) in Abhängigkeit vom PCO2
. Sie zeigt
keine Sättigungskinetik und verläuft im physiologischen Bereich nahezu linear. Da im deoxygenierten Blut wegen des Bohr-Effektes (verstärkte Protonenbindung des Hämoglobins) mehr CO2 in Form von Bicarbonat gebunden werden kann und Deoxy-Hb mehr Carbamat bindet, liegt
die CO2-Bindungskurve für deoxygeniertes Blut oberhalb der Kurve für oxygeniertes Blut (▶Abb. 8.24).

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versuchen sie nicht zu viel zeit auf das verständinus dieser kurve ausfzuwenden; Quintessenz: metabolische azidose kann mit respiratorischer aalaklos ekompenisert werden

Krogh-Zylinder. Um den Atemgaswechsel zwischen Blut und Gewebe beschreiben zu können, wurden verschiedene Modellvorstellungen entwickelt. Als besonders förderlich für das Verständnis des Atemgasaustausches erwies sich das Modell von Krogh, das den Versorgungsbezirk einer Kapillare als einen sie umgebenden Zylinder beschreibt (. Abb. 36.2). Die Modellvorstellung von Krogh beschreibt die Bedingungen für den Atemgaswechsel in einem Gewebeareal, in dem benachbarte Kapillaren parallel verlaufen, in gleichen Ebenen beginnen und enden und in gleicher Richtung durchströmt werden. Obwohl dies in vivo wohl nur selten der Fall ist, erwies sich der Gewebezylinder als ein gutes Denkmodell für das Studium des Atemgaswechsels und des Stoffaustausches in den Geweben.

Fasuteregel : O2 kann 100 Mikrometer diffundieren

Mögliche Ursachen einer O2Mangelversorgung sind die Einschränkung der Organdurchblutung (Ischämie), die Erniedrigung des O2-Partialdrucks im arteriellen Blut (arterielle Hypoxie) sowie die Herabsetzung der O2-Kapazität des Blutes (Anämie).

-> weniger blut -> weniger Sauerstoff
--> egal auf welche art

Ischämische Gewebehypoxie. Die Einschränkung der Organdurchblutung führt im Vergleich zu den Normalbedingungen zu einer stärkeren O2-Ausschöpfung des Blutes während des Kapillardurchflusses und zu einer Vergrößerung der arteriovenösen Differenz des O2-Gehaltes. Die direkte Folge ist ein besonders ausgeprägter O2-Partialdruckabfall im Kapillarblut (venöse Hypoxie). Durch die resultierende Erniedrigung des O2-Partialdruckgefälles zum Gewebe ist die Diffusion von Sauerstoff aus den Kapillaren in das Gewebe eingeschränkt, sodass es in der Folge zu einer mangelhaften O2-Versorgung der Zellen kommt (. Abb. 36.4 B).

Arterielle Gewebehypoxie. Bei einer Senkung des O2-Partialdruckes (Hypoxie) und des O2-Gehaltes (Hypoxämie) im arteriellen Blut infolge einer alveolären Hypoventilation ist die O2-Versorgung der Gewebe ebenfalls eingeschränkt. Wie aus . Abb. 36.5 zu entnehmen ist, werden jedoch die im Kapillarblut der Organe auftretenden O2-Partialdruckveränderungen unter diesen Bedingungen vorrangig durch den Mittelabschnitt der effektiven O2-Bindungskurve bestimmt. Daher stellt sich innerhalb der Kapillaren ein sehr flaches O2-Partialdruckprofil ein. Hierdurch können die ungünstigen Ausgangsbedingungen für die O2-Versorgung der Gewebe z. T. ausgeglichen werden.

Anämische Gewebehypoxie. Eine Erniedrigung des Hämoglobingehaltes des Blutes (Anämie) reduziert die O2-Kapazität des Blutes. Wie in . Abb. 36.6 am Beispiel des Herzmuskelgewebes wiedergegeben, fällt unter diesen Bedingungen der O2-Gehalt des Blutes während der Kapillarpassage ebenfalls auf sehr niedrige Werte. Der zugehörige O2-Partialdruck kann insbesondere am venösen Kapillarende so weit absinken, dass eine ausreichende O2-Diffusion zu den zu versorgenden Zellen unmöglich wird. Für dieses Zellgebiet wurde in Analogie zu bewässertem Weideland der Begriff der »letzten Wiese« geprägt.

O2-Transport: Erythropoiese
• Erythropoietin
• Transferrin und Transferrinrezeptor (Eisentransport)
• Ceruloplasmin (Eisentransport)

Anaerobe Glykolyse
• Glykolytische Enzyme
• Glukosetransporter-1

O2-Transport: Gefässdichte und Durchblutung
• Vascular endothelial growth factor (VEGF/VPF)
• induzierbare NO Synthase (NO)
• Hämoxygenase I (CO)

Partialdrücke sind additiv

Wasserdampf ist kein ideales Gas:
PH2O, sat. = 47 mmHg = 6,3 kPa (37°C)

-> empirische Grösse, lässt sich nicht berechenn
-> abhängig nur von der Temperatur

in der lunge ist die luft mit wasserdampf gesättigt

Es haben sich in der Praxis drei Angabemöglichkeiten herausentwickelt, wobei die jeweiligen Werte über entsprechende Korrekturfaktoren leicht ineinander umgerechnet werden können:

Die BTPS-(body temperature pressure saturated-)Bedingung entspricht dabei der Situation in der Lunge, nämlich einer Körpertemperatur von 37 °C, dem aktuellen Luftdruck und einer 100% Wasserdampfsättigung. Der Sättigungs-Wasserdampfdruck bei 37 °C in Meereshöhe beträgt 47mmHg (6,3 kPa)

Die ATPS-(ambient temperature pressure saturated-)Bedingung entspricht dabei der Situation in der Messapparatur (z. B. Spirometer), nämlich der aktuellen Temperatur der Apparatur (meist Raumtemperatur), dem aktuellen Luftdruck und einer 100% Wasserdampfsättigung (im Spirometer).

Die STPD-(standard temperature pressure dry-)Bedingung entspricht einer theoretischen Situation, bei der die Parameter vordefiniert sind, nämlich eine Temperatur von 0 °C, ein Luftdruck von 101 kPa und 0% Wasserdampfsättigung

Henry-Gesetz

Px(Gasphase) = Px(Flüssigphase)
partialdruck in gasphase = partialdruck in Flüssigkeitsphase

Das Henry-Gesetz besagt, dass der Partialdruck eines Gases über einer Flüssigkeit direkt proportional ist zur Konzentration des Gases in der Flüssigkeit.

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valsalva: maximaler expiratosrischer druck = 112 mmHg
-> weit mehr als der druck im venösen Kreislauf

Als Valsalva-Versuch wird die maximale exspiratorische Anstrengung gegen die verschlossenen Atemwege bezeichnet. Die Höhe des dabei entstehenden alveolären Drucks ist ein Maß für die Kraftentfaltung der exspiratorischen Muskeln. Aus der Atemruhelage heraus kann ein Druck von etwa 110mmHg (15 kPa) entwickelt werden, bei höherem Lungenvolumen mehr, bei geringerem Lungenvolumen weniger (höhere Kraftentfaltung bei Vordehnung der Muskeln). 

Müller maximaler inspiratorische Druck = -75 mmHg
-> immer noch mehr als ZVD

Manöver einer maximalen inspiratorischen Anstrengung – aus der Atemruhelage – gegen verschlossene Atemwege (MüllerVersuch) kann Ppul auf Werte um –75mmHg (–10 kPa) gesenkt werden. Hierbei werden die maximalen negativen Drücke bei kleinen Lungenvolumina erreicht, mit zunehmender Füllung der Lunge nimmt der (negative) Druck ab.

• Elastische Fasern (Lunge und Thorax)
• Oberflächenspannung der Alveolen (50% der Lungenelastizität)
• Verankerung der Alveolen im Gewebe
  → gegenseitige Retraktion (Offenhaltung) der Alveolen, aber auch der Bronchien und Gefässe

Laplace: Transmurale Druckdifferenz 
\( P_{tm} = P_{innen} - P_{aussen} = 2 {γ \over r}\)
γ = Wandspannung r = Radius

Diese Wandspannung der Alveolen setzt damit das Gasvolumen im Alveolarraum unter Druck, wobei der Zusammenhang zwischen Wandspannung (T) und Druck (P) durch das Laplace-Gesetz (S.181) hergestellt wird.

Surfactant (surface active agents) wirkt ähnlich wie ein Detergens. Es ist ein Gemisch, das im Wesentlichen aus Phospholipiden (90–95 %), und hier insbesondere Phosphatidylcholin (Lecithin), besteht; daneben enthält es vier spezifische Surfactant-Proteine (SP-A, SP-B, SP-C und SP-D) sowie einen geringen Kohlenhydratanteil. 

verminderung der Oberflächenspannung
-> gamma ist ca 10 mal geringer

-> mangel von Surfactant
NRDS (Frühgeborene)
ARDS zB Ödem in Lunge (fülssigkeitsaustritt aus den Blutgefässen)

Der Druck im Pleuraspalt wird in der Regel als Differenz zum Atmosphärendruck angegeben und wird als Pleuradruck (Ppl) bezeichnet (▶Abb. 8.3). Er beträgt in Atemruhelage etwa –5cmH2O(–0,5 kPa). Die Atemmuskeln verändern die auf die Thoraxwand wirkenden Kräfte. Die Inspirationsmuskeln (S.309) erhöhen die Zugkräfte nach außen, also vom Lungenhilus weg, indem sie die Rippen anheben, was den Thoraxquerschnitt vergrößert und indem das Zwerchfell kontrahiert, was die Pleurahöhle nach unten vergrößert. Damit verstärkt sich zunächst bei Inspiration der Unterdruck im Pleuraspalt weiter. Der sinkende Pleuradruck (er wird negativer) zwingt gleichzeitig die Lungenoberfläche der Thoraxwand nach außen zu folgen. Am Ende der Einatmung (Inspiration) erreicht der Pleuradruck seinen negativsten Wert. Bei der Ausatmung (Exspiration) erschlafft die Inspirationsmuskulatur. Der Unterdruck im Pleuraspalt wird geringer (d. h. der Pleuradruck weniger negativ) und die elastischen Kräfte der Lunge gewinnen die Oberhand, daher nimmt das Lungenvolumen ab.

Der Pleuradruck (Ppl) wird in der Regel mit einer Sonde in der Speiseröhre als Ösophagusdruck gemessen. Dies ist deshalb möglich, weil der Ösophagus innerhalb des Thorax aber außerhalb der Lunge liegt, und das ihn umgebende Mediastinum von der Pleura parietalis überzogen ist. Da die Ösophaguswand sehr weich ist, überträgt sie mit guter Genauigkeit die Druckänderungen, die auf die Pleura parietalis wirken. Die Ösophagussonde besteht am unteren Ende aus einem Ballon, der soweit aufgeblasen wird, dass er der Ösophaguswand luftdicht anliegt. Am oberen Ende der Sonde befindet sich ein Manometer, mit welchem die Druckänderungen im Ballon gemessen werden.

Aus diesem Diagramm kann abgelesen werden, bei welchem Druck in den Atemwegen welches Volumen in der Lunge enthalten ist. 

Die Ruhedehnungskurve beschreibt die Druckveränderungen in Abhängigkeit vom Volumen, die in einem Hohlorgan durch passive Füllung entstehen.