Physiologie: Atmung
Physiologie: Grundkurs zur Atmung
Physiologie: Grundkurs zur Atmung
Menge O2 im Blut abhängig von?
Menge O2 pro Liter Blut (CO2) ist abhängig von der Hb-Konzentration und von der Sättigung (S)
Für aterielles Blut: CO2 = 200ml/l Blut
Linksverschiebung der Sättigungskurve?
=Affinitätszunahme
Gründe: CO2 zu tief Alkalose (pH zu hoch) Temperatur zu tief 2-3 BPG (Biphosphatglycerat) zu tief
Rechtsverschiebung der Sättigungskurve?
= Affinitätsabnahme
Gründe: CO2 zu hoch Azidose (pH zu tief) Temperatur zu hoch 2-3 BPG zu hoch
Bohr-Effekt?
Abnahme der O2-Affinität (= Rechts-verschiebung der Hb-Bindungkurve) im venösen Blut durch den erhöhten PCO2 (46 mm Hg) und die Senkung des pH. Der Bohr Effekt erleichtert die O2 Abgabe im Gewebe
CO2 Formen im Blut?
- 70-80% als Bicarbonat
- 10-15% am Hämoglobin
- 10-15% gelöst
Haldane Effekt?
Venöses Blut kann mehr CO2 aufnehmen als arterielles Blut. Das erleichtert die CO2 Abgabe vom Gewebe ins venöse Blut.
Respiratorischer Quotient (RQ)?
\(RQ = {abgegebenes CO_2 \over aufgenommenes O_2}\)
Im steady state gilt:
\(RQ = {produziertes CO_2 \over verbrauchtes O_2}\)
Im steady state ist RQ definiert durch?
Im steady state ist der RQ definiert durch das Substrat des aeroben Stoffwechsels:
- FS -> RQ = 0.7
- Pyruvat --> RQ = 1
- AS --> RG = 0.81
- --> normale Mischkost: RQ = 0.82
Grund: Stöchiometrie der Verbrennung
Gründe für einen RQ > 1 resp. RQ < 0.7?
- Gründe für einen RQ > 1:
- Metabolische: Mast, metabolische Azidose Respiratorische: Hyperventilation= zu viel Atmung
- Gründe für einen RQ < 0.7:
- Metabolische: Hunger, metabolische Alkalose Respiratorische: Hypoventilation= zu wenig Atmung
Hypoventilation?
= ungenügende Atmung
- Konsequenz:
- PAO2 und somit Pa(arteriell)O2 sinken (Hypoxie)
- PACO2 und somit PaCO2 steigen (Hyperkapnie) pH sinkt (Ansäuerung des Blutes = respiratorische Azidose)
- Symptome:
- ev. Dyspnoe (Atemnot) --> Ohnmacht
Hyperventilation?
= zu viel Atmung
- Konsequenz:
- PAO2 und somit PaO2 steigen
- PACO2 und somit PaCO2 sinken
- pH steigt (Alkalisierung des Blutes = respiratorische Alkalose)
- Symptome:
Paraesthesien ("Ameisenhaufen"), Krämpfe --> Ohnmacht
Steuerung der Atmung?
Die Atmung wird von neuronalen Netzwerken im Hirnstamm gesteuert, die autonom rhythmische Aktivität generieren (zentrale Rhythmusgeneratoren). Funktionell bezeichnet man diese Nervenzellen gesamthaft als Atemzentrum, auch wenn sie anatomisch kein eigentliches Zentrum bilden.
Zentrale Mitinervation?
Die Anpassung der Atmung an den erhöhten O2 - Bedarf bei körperlicher Leistung erfolgt vor allem über die höheren motorischen Zentren, die auch das entsprechende Bewegungsprogramm bereitstellen.
CO2-Regulation (zentral)?
Direkte pH- und PCO2 - Empfindlichkeit von Nervenzellen im Hirnstamm. Die zentrale CO2 - Regulation reagiert innerhalb Minuten. Ihre Empfindlichkeit nimmt bei chronischen Veränderungen mit der Zeit ab ( durch Veränderungen in der HCO3- Konz.).
CO2 - Regulation (peripher)?
Die periphere CO2 - und pH Regulation reagiert innerhalb Sekunden. Sie funktioniert analog der O2 - Regulation über periphere Chemorezeptoren in den Glomera carotica und aortica
Wirkung der CO2-Regulation?
Die CO2 - Regulation ist das wichtigste Atemregulationssystem!
Sobald die CO2 - Konzentration steigt, nimmt auch die Atmung zu.
O2 - Regulation?
Funktioniert über periphere Chemorezeptoren in den Glomera carotica und aortica
Wirkung der O2 - Regulation?
Die O2 -Regulation wird normalerweise von der CO2 -Regulation überspielt. Erst bei ausgeprägter (PaO2 < 60 mm Hg) oder chronischer Hypoxie (z. B. Höhenaufenthalt) kommt es zu einer signifikanten Erhöhung der Ventilation durch die O2 - Regulation.
Sauerstoffaufnahme und Energieumsatz
Unter der Voraussetzung einer aeroben Energiegewinnung ist der Energieumsatz (EU) direkt proportional dem Sauerstoffverbrauch. Die Proportionalitätskonstante ist das kalorische Aequivalent. D.h. bei normaler Mischkost wird pro l Sauerstoff ca. 20 kJ Energie freigesetzt.
Sauerstoffverbrauch und Körpergewicht
Der Sauerstoffverbrauch ist wie der Energieumsatz auch abhängig vom Körpergewicht. Grössere Tierarten verbrauchen mehr Sauerstoff als kleinere. Allerdings nimmt der Sauerstoffverbrauch nicht proportional zum Körpergewicht zu sondern mit der 0.75 ten Potenz
VO2 ~ KG0.75
Folglich haben kleine Tiere einen grösseren Sauerstoffverbrauch pro Kilogramm Körpergewicht als grosse Tiere.
Definitionen & Zweck der Atmung?
- Zweck:
- O2-Versorgung
- CO2-Entsorgung
- Definitionen:
- Lungenatmung = äussere Atmung
- Austausch der Atemgase in den Lungen
- Gewebeatmung = innere Atmung
- Aerober Metabolismus in den Zellen
- Lungenatmung = äussere Atmung
Nebenfunktion der Atmung?
- pH-Regulation
- Temperaturregulation (z.B. Hecheln)
- Kommunikation, Sprache
- Riechen
Weg des Sauerstoffes?
- Lungenventilation (äussere Atmung) Konvektiver Transport
- Luft-Blut-Schranke Diffusion
- Blutkreislauf Konvektiver Tansport
- Mikrozirkulation (Kapillaren) Diffusion
- Gewebe (innere Atmung) Erleichterte Diffusion (Myoglobin)
Was gilt im steady state, gibt es einen Speicher für O2?
- Im steady state gilt:
- O2-Aufnahme = O2-Verbrauch = ca. 300 ml / min
- CO2-Abgabe = CO2-Produktion = ca. 250 ml / min
- Speicher (nur kurzzeit --> s-min)
- Lungen
- Hämoglobin
- Myoglobin
Konvektiver Transport? Berechnung?
Transport von Molekülen durch ein Trägersystem, das durch einen äusseren Antrieb (=Lungen) bewegt wird.
Berechnung VG = KT . (C1 - C2)
C1 = Konzentration1
C2 = Konzentration 2
KT = Transportkapazität
VG= transportierte Gasmenge
Vor- und Nachteil Konvektiver Transport?
- Vorteil: Rascher Transport über grössere Strecken
- Nachteil: Braucht Energie zum Antrieb des Transportsystems
Berechnung der Diffusion
\(V_G= {{(C_1-C_2)}D{F \over d}}\)
- C1 = Konzentration1
- C2 = Konzentration 2
- D = Diffusionkoeffizient
- VG = transportierte Gasmenge
- F = Diffusionsfläche
- d = Diffusionsstrecke
Vor- und Nachteil der Diffusion
Vorteil: Braucht keinen äusseren Antrieb, solange der Konzentrationsgradient bestehen bleibt.
Nachteil: Ueber grössere Distanzen extrem langsam.
Defination und Funktionsprinzip der Ventilation?
Belüftung der Lunge durch Inspiration und Exspiration. Funktioniert wie ein Blasebalg
Welche Kräfte sind an der Ventilation beteiligt?
- Kontraktion der Atemmuskulatur
- Elastizität von Lungen und Thorax
- Atemwiderstände
Atemmuskeln?
- Primäre Inspirationsmuskeln
- Zwerchfell
- externe Interkostalmuskel
- Primäre Exspirationsmuskeln
- Interne Interkostalmuskeln
- Atemhilfsmuskulatur
Elastizität von? Pathophysiologie?
- Elastizität des Thoraxgewebes
- Elastizität des Lungengewebes
- Oberflächenspannung der Alveolen
Pathophysiologie: Restriktive Funktionsstörung
Widerstände?
- Strömungswiderstände in den Atemwegen
- Gewebewiderstände
Pathophysiologie: Obstruktive Funktionsstörung (z.B. Asthma)
Inspiration/Exspiration der Ruheatmung?
- Inspiration: aktiv durch Kontraktion des Zwerchfells und / oder der externen Interkostalmuskeln
- Exspiration: passiv durch elastische Rückstellkräfte
Inspiration/Exspiration Forcierte Atmung?
- Inspiration: Inspirationsmuskeln + Atemhilfsmuskeln
- Exspiration: aktiv mittels der internen Interkostal- muskeln und der Atemhilfsmuskeln (Bauchpresse)
Übertragung der Bewegung vom Brustkorb auf die Lunge?
Mittels Kapillarkräften und eines Unterdruckes im geschlossenen, mit Flüssigkeit gefüllten Pleuraspalt zwischen Pleura pulmonalis und Pleura parietalis. Dadurch ist eine Kraftübertragung zwischen den beiden serösen Häuten bei guter tangentialer Verschieblichkeit gewährleistet.
Intrapleuraler Druck: -5cm H2O = -0.5kPa
Öffnen des Pleuraspaltes?
Bei Aufhebung des Unterdruckes durch Oeffnung des Pleuraspaltes nach aussen oder innen resultiert ein Pneumothorax:
Die Lunge kann durch den Thorax nicht mehr bewegt werden, die Ventilation dieser Lunge ist nicht mehr möglich.
Druck und Volumen während der Ventilation?
- Intrapleuraler Druck (Ppl): Abnahme während der Inspiration, zurück auf normal während der Exspiration.
- Intrapulmunaler Druck (Pip): Abnahme während Inspiration, Zunahme während Exspiration
- Atemvolumen: Höhepunkt (ca. 0.5L) kurz voe Exspiration
- Atemstromstärke Zunahme während Inspiration, Abnahme während Expiration
Was kann man mit der Spirometrie messen?
- Atemzugsvolumen
- Inspiratorisches Reservevolumen
- Exspiratorisches Reservevolumen
- Residualvolumen
- Funktionelle Residualkapazität (FRC)
- Vitalkapazität (VC)
- Totalkapazität (TLC)
Was ist die Vitalkapazität (VC), von welchen Faktoren ist sie abhängig?
= maximal mobiliserbares Lungenvolumen
Faktoren:
- Körpergrösse und damit Lungengrösse (Haltung!)
- Alter : Abnahme der VC mit zunehmendem Alter durch Abnahme der Elastizität der Lungen
- Geschlecht: Kleiner bei Frauen als bei Männern Training: Kann ev. durch Training in der Jugend
- vergrössert werden (Nur während der Pupertät)
- Krankheiten: Restriktive Lungenerkrankungen, aber auch Thoraxversteifungen führen zu einerVerminderung der VC.
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Cartes-fiches
Definitionen & Zweck der Atmung?
- Zweck:
- O2-Versorgung
- CO2-Entsorgung
- Definitionen:
- Lungenatmung = äussere Atmung
- Austausch der Atemgase in den Lungen
- Gewebeatmung = innere Atmung
- Aerober Metabolismus in den Zellen
- Lungenatmung = äussere Atmung
Nebenfunktion der Atmung?
- pH-Regulation
- Temperaturregulation (z.B. Hecheln)
- Kommunikation, Sprache
- Riechen
Weg des Sauerstoffes?
- Lungenventilation (äussere Atmung) Konvektiver Transport
- Luft-Blut-Schranke Diffusion
- Blutkreislauf Konvektiver Tansport
- Mikrozirkulation (Kapillaren) Diffusion
- Gewebe (innere Atmung) Erleichterte Diffusion (Myoglobin)
Was gilt im steady state, gibt es einen Speicher für O2?
- Im steady state gilt:
- O2-Aufnahme = O2-Verbrauch = ca. 300 ml / min
- CO2-Abgabe = CO2-Produktion = ca. 250 ml / min
- Speicher (nur kurzzeit --> s-min)
- Lungen
- Hämoglobin
- Myoglobin
Konvektiver Transport? Berechnung?
Transport von Molekülen durch ein Trägersystem, das durch einen äusseren Antrieb (=Lungen) bewegt wird.
Berechnung VG = KT . (C1 - C2)
C1 = Konzentration1
C2 = Konzentration 2
KT = Transportkapazität
VG= transportierte Gasmenge
Vor- und Nachteil Konvektiver Transport?
- Vorteil: Rascher Transport über grössere Strecken
- Nachteil: Braucht Energie zum Antrieb des Transportsystems
Berechnung der Diffusion
\(V_G= {{(C_1-C_2)}D{F \over d}}\)
- C1 = Konzentration1
- C2 = Konzentration 2
- D = Diffusionkoeffizient
- VG = transportierte Gasmenge
- F = Diffusionsfläche
- d = Diffusionsstrecke
Vor- und Nachteil der Diffusion
Vorteil: Braucht keinen äusseren Antrieb, solange der Konzentrationsgradient bestehen bleibt.
Nachteil: Ueber grössere Distanzen extrem langsam.
Defination und Funktionsprinzip der Ventilation?
Belüftung der Lunge durch Inspiration und Exspiration. Funktioniert wie ein Blasebalg
Welche Kräfte sind an der Ventilation beteiligt?
- Kontraktion der Atemmuskulatur
- Elastizität von Lungen und Thorax
- Atemwiderstände
Atemmuskeln?
- Primäre Inspirationsmuskeln
- Zwerchfell
- externe Interkostalmuskel
- Primäre Exspirationsmuskeln
- Interne Interkostalmuskeln
- Atemhilfsmuskulatur
Elastizität von? Pathophysiologie?
- Elastizität des Thoraxgewebes
- Elastizität des Lungengewebes
- Oberflächenspannung der Alveolen
Pathophysiologie: Restriktive Funktionsstörung
Widerstände?
- Strömungswiderstände in den Atemwegen
- Gewebewiderstände
Pathophysiologie: Obstruktive Funktionsstörung (z.B. Asthma)
Inspiration/Exspiration der Ruheatmung?
- Inspiration: aktiv durch Kontraktion des Zwerchfells und / oder der externen Interkostalmuskeln
- Exspiration: passiv durch elastische Rückstellkräfte
Inspiration/Exspiration Forcierte Atmung?
- Inspiration: Inspirationsmuskeln + Atemhilfsmuskeln
- Exspiration: aktiv mittels der internen Interkostal- muskeln und der Atemhilfsmuskeln (Bauchpresse)
Übertragung der Bewegung vom Brustkorb auf die Lunge?
Mittels Kapillarkräften und eines Unterdruckes im geschlossenen, mit Flüssigkeit gefüllten Pleuraspalt zwischen Pleura pulmonalis und Pleura parietalis. Dadurch ist eine Kraftübertragung zwischen den beiden serösen Häuten bei guter tangentialer Verschieblichkeit gewährleistet.
Intrapleuraler Druck: -5cm H2O = -0.5kPa
Öffnen des Pleuraspaltes?
Bei Aufhebung des Unterdruckes durch Oeffnung des Pleuraspaltes nach aussen oder innen resultiert ein Pneumothorax:
Die Lunge kann durch den Thorax nicht mehr bewegt werden, die Ventilation dieser Lunge ist nicht mehr möglich.
Druck und Volumen während der Ventilation?
- Intrapleuraler Druck (Ppl): Abnahme während der Inspiration, zurück auf normal während der Exspiration.
- Intrapulmunaler Druck (Pip): Abnahme während Inspiration, Zunahme während Exspiration
- Atemvolumen: Höhepunkt (ca. 0.5L) kurz voe Exspiration
- Atemstromstärke Zunahme während Inspiration, Abnahme während Expiration
Was kann man mit der Spirometrie messen?
- Atemzugsvolumen
- Inspiratorisches Reservevolumen
- Exspiratorisches Reservevolumen
- Residualvolumen
- Funktionelle Residualkapazität (FRC)
- Vitalkapazität (VC)
- Totalkapazität (TLC)
Was ist die Vitalkapazität (VC), von welchen Faktoren ist sie abhängig?
= maximal mobiliserbares Lungenvolumen
Faktoren:
- Körpergrösse und damit Lungengrösse (Haltung!)
- Alter : Abnahme der VC mit zunehmendem Alter durch Abnahme der Elastizität der Lungen
- Geschlecht: Kleiner bei Frauen als bei Männern Training: Kann ev. durch Training in der Jugend
- vergrössert werden (Nur während der Pupertät)
- Krankheiten: Restriktive Lungenerkrankungen, aber auch Thoraxversteifungen führen zu einerVerminderung der VC.
Wie wird die funktionelle Residualkapazität (FRC) gemessen, Faktoren?
FRC = Lungenvol. in der Atemruhelage (was nicht ausgeatmet wird in Ruhe)
Kann nicht spirometrisch bestimmt werden. Statt dessen mit einer N2-Auswaschmethode: Bestimmung des Volumens V auf Grund bekannter Konzentration C und Menge n eines Stoffes gemäss der Gleichung: C = n/V
Die FRC ist ebenfalls von der Körpergrösse und ev. vom Alter abhängig. Sie ist bei restriktiven Lungenerkrankungen erniedrigt, bei obstruktiven erhöht.
Elastischer Nullpunkt des Lungen - Thorax - Systems?
Ueber den geschlossenen Pleuraspalt bilden die Lungen und der Thorax ein geschlossenes System. Der elastische Nullpunkt dieses Systems ist die Atemruhelage. Sie ist ge- kennzeichnet durch einen Ausgleich der elastischen Kräfte der Lunge und des Thorax.
Ruhedehnungskurven des Atemapparates?
vergl. Bild
Aktive Druck-Volumen-Beziehungen des Atemapparates unter statischen Bedingungen?
statisch = gemessen ohne Luftfluss d. h. unter stufenweisem Atemanhalten aktiv = mit Kontraktion der Atemmuskeln
Ppl = Intrapleuraler Druck
FRC = Funktionelle Residualkapazität
Inspiratorische und exspiratorische Druckmaxima?
Aktives Einatmen durch einen Schnorchel beim Tauchen unter einem Meter Wassertiefe ist nicht mehr möglich!
Oberflächenspannung der Alveolen?
Die Oberflächenspannung führt zu einem Druck in den Alveolen, der abhängig von deren Grösse ist. Der Surfactant verkleinert die Oberflächenspannung, gleicht diese Druckunterschiede durch unterschiedliche Konzentrationen in grossen und kleinen Alveolen aus und stabilisiert so die Alveolengrösse. Daneben hält er die Alveolen trocken
Lungen ohne Surfactant lassen sich nicht entfalten
(Problem bei Frühgeborenen) weil die Oberflächenspannung das verhindert
Funktionelle Aspekte der Atemwege?
- Anfeuchten, Erwärmung und Reinigung der Luft
- Flüssigkeits- und Wärmeverlust über die Atmung
- Verhinderung von Fremdkörperaspiration: Husten
- Totraumvolumen und Totraumventilation
- Atemwiderstand, dynamische Kompression
Bau der Atemwege?
Innervation der glatten Muskulatur:
- Parasympathicus --> Kontraktion: Konstriktion (ACh)
- Sympathicus --> Erschlaffung: Dilatation (Adrenalin)
Sinnesrezeptoren der Atemweg?
Langsam adaptierende Dehnungsrezeptoren: reagieren auf Dehnung während der Inspiration: Hering-Breuer-Reflex
Andere Rezeptoren vor allem in den zentralen Luftwegen reagieren auf mechanische und chemische Irritationen: Hustenreflex
Atemwiderstand?
Luftwiderstand der Atemwege = Resistance
\(R = { \Delta P \over V}\) V = Volumen pro Zeit = Flusszeit oder:\(R = {8\eta l\over r^4\pi}\)(Hagen Poiseuille)
Grösster Widerstand?
Den grössten Teil des Widerstandes bilden die zentralen Luftwege bis zu den Bronchien der 7. Generation. Der Grund dafür ist die geringe Verjüngung (= Abnahme des Durchmessers) der Luftwege bei jeder Verzweigung (im Gegensatz zur starken Verjüngung der Blutgefässe). Dadurch nimmt der Gesamtquerschnitt der Luftwege gegen die Peripherie hin stark zu.
Dynamische Kompression?
Die maximale Ausatmungsstärke (Vmax) wird begrenzt durch die dynamische Kompression:
Dabei handelt es sich um eine Kompression der Bronchiolen und kleinen Bronchien während der forcierten Exspiration. Der Grund dafür ist der grosse Druckabfall in den Luftwegen bei starker Luftströmung.
Pathologie dynamischer Kompression?
Da die dynamische Kompression in den kleinen Luftwegen während der Exspiration auftritt, führt eine pathologische Erhöhung des Widerstandes in diesen Luftwegen (durch Schleim oder Muskelkontraktion) zu Exspirationsschwierigkeiten (Obstruktive Erkrankung: Asthma!): der TI ist erniedrigt. Lippenbremse: Verminderung des Druckabfalls in den Bronchien durch Erhöhung des Widerstandes an den Lippen.
Totraum, Definition und Berechnung?
= Anteil des Atemvolumens in dem kein Gasaustausch stattfindet
VT = VD + VTA
- VT = Atemzugsvolumen
- VD = Totraumvolumen
- VTA = Alveolaranteil des Atemzugsvolumen
Das Totraumvolumen macht ca. 1/3 des Atemzugsvolumens in Ruhe aus
Hecheln?
Der Hund hechelt, um Wärme durch Verdunstung von Wasser abzugeben. Dabei erhöht er seine Totraumventilation ohne die Alveolarventilation zu verändern. Das macht er durch eine Zunahme der Atemfrequenz bei kleineren Atemzügen.
Zusammensetzung der Inspirationsluft?
- 20.9% Sauerstoff
- 78% Stickstoff
- 1% Argon
- 0.036% CO2
Alveolarluft?
Die Zusammensetzung der Alveolarluft ändert sich bei normaler Atmung nur wenig mit der In- und Exspiration. Das hat damit zu tun dass bei einem normalen Atemzug nur etwa 1/10 des gesamten Alveolarvolumens ausgetauscht wird. Atemzugabhängige Schwankungen der Partialdruckwerte werden deshalb vernachlässigt. Die Zusammensetzung der Alveolarluft entspricht der Situation nach Aufnahme von O2 und Abgabe von CO2 durch das Blut. Sie ist abhängig vom Verhältnis der Ventilation zur O2-Aufnahme bzw. CO2 Abgabe.
- PH2O = 47mmHg
PN2 = 573mmHg
PO2 =100mmHg
PCO2 = 40mmHg
Gesetz von Henry?
Für die Konzentration eines gelösten Gases in einer Flüssigkeit gilt: CGas = αGas * PGas
- C = Konzentration
- α = Köslichkeitskoeffizient
- P = Partialdruck
Folgen des Gesetzes von Henry?
Man kann die Konzentration eines gelösten Gases in einer Flüssigkeit über den Partialdruck definieren und messen. Voraussetzung dafür ist die vollständige Aequilibrierung der Flüssigkeit mit dem Gas
Was heisst vollständige Aequilibrierung?
Vollständige Aequilibrierung heisst, dass der Gasaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit im Gleichgewicht ist. Wir definieren also den Partialdruck eines gelösten Gases in einer Flüssigkeit als den Partialdruck des betreffenden Gases mit dem die Flüssigkeit im Gleichgewicht steht.
Partialdruck eines Gases im Blut = Mass für die Konzentration des physikalisch gelösten Gases im Blut
