Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Respirationssystem und Atemgastransport

 Atmung und Hämoglobin, Blutgaswerte
© H. Hinghofer-Szalkay

 bradytroph: βραδυ- = langsam, τροφή  = Ernährung
Haldane-Effekt:  John S.  Haldane
Hämoglobin: αἷμα = Blut, globus = Kugel (kugelförmiges Eiweiß)
Hüfner'sche Zahl: Gustav v. Hüfner
Krogh'scher Zylinder:  S.A.S. Krogh
 mitochondrial: μίτος = Faden, χόνδρος = Korn
tachytroph: ταχυ- = rasch, τροφή  = Ernährung
Hämoglobin bringt Sauerstoff in das Gewebe; hier entsteht Kohlendioxid, das den pH-Wert senkt und zum Teil physikalisch gelöst, zum Teil als Bicarbonat, zum Teil an Hämoglobin gebunden zur Lunge transportiert wird. Blutgastransport und Säure-Basen-Haushalt sind eng miteinander verknüpft. Bei der Blutgasanalyse werden die Werte für pCO2, pH, pO2 sowie Blutpuffer (Pufferbasen, buffer bases) bestimmt. Dabei nimmt Bicarbonat die erste Stelle ein (~50% der pufferfähigen Valenzen), gefolgt von Hämoglobin, Plasmaproteinen und Phosphat.

 Was den O2-Bedarf betrifft, haben verschiedene Gewebe unterschiedlichen spezifischen Sauerstoffverbrauch (ml O2 pro Minute pro 100 Gramm Gewebe) - umso größer, je höher der normierte Energieumsatz ist. Spitzenreiter ist das Myokard, das bei körperlicher Ausbelastung mehr als 50 ml/min/100g O2-Verbrauch erreichen kann; der Skelettmuskel schafft höchstens 15, die Gehirnrinde 10, die Nierenrinde 7, die Leber 5 ml/min/100g.

 Der Stoffwechsel ist säureüberschüssig; in erster Linie entfernt der Körper saure Valenzen über CO2, also die Atmung (etwa 15 Mol pro Tag). Andere ("nichtflüchtige") Säuren werden metabolisiert bzw. über die Nieren ausgeschieden (0,07 M/d - im Vergleich zur Kohlensäureabatmung knapp 0,5%).

Das Hämoglobin ist wegen seiner Säuretransportfunktion ein wichtiger Player im Säure-Basen-Haushalt. Seine Pufferfähigkeit nimmt zu, wenn es Sauerstoff abgibt (Haldane-Effekt) - damit entlastet es die anderen Pufferbasen und trägt die Hauptlast (2/3) der physiologischen pH-Kompensation.


Spezifischer Sauerstoffverbrauch Pufferung pO2 im Gewebe

Blutgasanalyse         Core messages
 
Ohne den roten Blutfarbstoff der Erythrozyten wäre es nicht möglich, ausreichend Sauerstoff aus der Lunge in die Gewebe zu bringen: Hämoglobin steigert das O2-Transportvermögen des Blutes um einen Faktor von ~70. Die Gewebe haben sehr unterschiedliche O2-Verbrauchswerte (je höher der Verbrauch, desto stärker die Durchblutung). Besonders stark - belastungsabhängig - schwanken diese Werte bei der Skelettmuskulatur, die wegen des großen Anteils am Körpergewicht (30-50%) schon bei körperlicher Ruhe 20% des Gesamtverbrauchs beanspruchen und bei maximaler Belastung um eine Zehnerpotenz (trainingsabhängig auch deutlich mehr) ansteigen.
 
 Atmung, Gasaustausch und pH-Regulation sind eng miteinander verbunden
 
       Zu den Atemgas-Bindungscharakteristika des Hämoglobins s. dort

Etwa fünfhundert Liter Sauerstoff täglich bringt der Kreislauf eines erwachsenen Menschen an den (mitochondrialen) Energiestoffwechsel heran (bei körperlicher Belastung bis mehr als das Doppelte, d.h. >1000 l/d). Ungefähr die gleiche Menge Kohlendioxid verlässt in dieser Zeit den Körper. Atmung und Kreislauf übernehmen gemeinsam den Transport, der zwischen Zellen und Außenwelt dazu nötig ist.

Sauerstoffverbrauch des Körpers: Pro kg Körpergewicht konsumiert eine erwachsene Person 4,0-4,5 ml Sauerstoff pro Minute. Eine 70 kg schwere Person braucht im Ruhezustand ~0,3 l O2 / min.
 
          
Abbildung: Vergleich Sauerstoffverbrauch vs. Herzminutenvolumen
Nach einer Vorlage in Herring / Paterson, Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018
Die Prozentwerte gelten für körperliche Ruhe.
 
Der Herzmuskel hat eine besonders hohe Sauerstoffextraktion (arterio-venöse Sauerstoffdifferenz), daher ist sein Anteil am Sauerstoffverbrauch des Körpers  (10%) höher als sein Anteil an der Durchblutung (4%).
 
Umgekehrt bei den Nieren: Diese haben einen hohen funktionellen Durchblutungsanteil (20% des Herzzeitvolumens) bei relativ geringer Sauerstoffextraktion (Sauerstoffverbrauch 6% des Verbrauchs des gesamten Organismus). Ähnlich bei der Haut (8% vs. 2%)
 
Arterielles Blut ist unter Normalbedingungen zu annähernd 100% sauerstoffgesättigt (SaO2; gesunde Lunge, Sauerstoffpartialdruck in der Atemluft ~20 kPa) und transportiert (bei 150 g Hämoglobin pro Liter Blut 150x1,34 (Hüfner-Zahl : 1,34 ml O2 / g Hb) =200 ml Sauerstoff pro Liter Blut (20 Vol%).

Sauerstoffextraktion: Konsumiert ein Gewebe ein Viertel (~5 Vol%) des von Hämoglobin arteriell antransportierten Sauerstoffs (20 Vol% - durchschnittlicher, d.h. gemischt-venöser Wert bei körperlicher Ruhe), dann hat das venöse Blut noch ~15 Vol% O2 (CvO2), d.h. es bleibt zu 75% sauerstoffgesättigt.

Diese Reserve (theoretisch bis ~15 Vol%) kann bei Muskelarbeit genutzt werden: Bei körperlicher Belastung steigt die Ausnützung und der venöse Sauerstoffanteil sinkt.
 
Als spezifischen Sauerstoffverbrauch bezeichnet man den O2-Verbrauch pro Masseneinheit (z.B. pro 100 Gramm Gewebe).
 

Abbildung: Minütlicher Sauerstoffverbrauch von jeweils 100g Gewebe
Zum Vergleich die entsprechenden Texte:
 
    Graue und weiße Substanz im Gehirn
 
    Herzmuskel bei körperlicher Ruhe und bei Maximalbelastung
 
    Niere: Rinde, äußere und innere Markzone
 
    Leber
 
    Milz
 
    Muskel im Ruhezustand und bei maximaler Belastung


Wie groß der Sauerstoffbedarf der Zellen in einem Organ ist, lässt sich in Form des spezifischen Sauerstoffverbrauchs ausdrücken - in ml verbrauchtem O2 pro Minute pro 100 Gramm Gewebe (Abbildung unten). Diese Zahl ist mit arterio-venöser Sauerstoffdifferenz und spezifischer Durchblutung verknüpft und hängt vom oxidativen Aufwand der Mitochondrien (d.h. Energieverbrauch) ab: So beträgt der spezifische Sauerstoffverbrauch
 
     im Gehirn 3,5 ml O2 /min/100g - mit einer 10fachen Diskrepanz zwischen Rinde (~10 ml/min/100g) und weißer Substanz (~1 ml/min/100g)
 
     im Herzmuskel 10 ml O2 /min/100g bei körperlicher Ruhe, der Wert kann bei Ausbelastung mehr als 5-fach steigen (>50 ml/min/100g)
 
     in der Nierenrinde ~7 ml O2 /min/100g, im Nierenmark wesentlich weniger (die Nieren beanspruchen ~7% des gesamten Ruhe-Sauerstoffverbrauchs des Körpers)
 
     die Leber hat einen fünfmal höheren Wert (~5 ml/min/100g) als die Milz, was sich mit ihrer hohen metabolischen Aktivität erklärt
 
     im ruhenden Skelettmuskel 0,3 ml/min/100g, bei Aktivität steigt der Wert auf bis zu 15 ml O2 /min/100g (bis 50fach!) - das ist möglich, weil sowohl die Durchblutung (bis 20-fach) als auch die arterio-venöse Sauerstoffdifferenz (bis 3-fach) zunehmen (bei hochtrainierten Sportlern sind noch höhere Steigerungen der Durchblutung möglich)
 
      Auch bei maximaler Ausbelastung liegt der Wert in der Muskulatur nur um die Hälfte höher als beim Herzmuskel während körperlicher Ruhe - das maximal belastete Myokard verbraucht pro Gewichtseinheit fast 4mal so viel Sauerstoff wie ein maximal aktiver Skelettmuskel.

  s. auch dort
 
Pufferung: Stabilisierung des pH-Wertes
 
  Zum Säure-Basen-Haushalt s. dort

Beim Abbau von Biomolekülen im Körper entstehen neben Kohlendioxid (CO2) auch andere Stoffe, die in wässriger Lösung Wasserstoffionen (H+) liefern und daher als Säuren bezeichnet werden. Um eine Übersäuerung des Körpers zu verhindern, müssen diese aus dem Körper entfernt werden. Die Lunge ist das wichtigste säureausscheidende Organ, da sie mit der Ausatemluft große Mengen CO2 eliminiert:
 
CO2 + H2O   <=>  H+ + HCO3-

Die Konzentration der in einer Körperflüssigkeit enthaltenen Wasserstoffionen bestimmt den pH-Wert, und der pH-Wert des Blutes (~7,4) beeinflusst die Atmung.

Blut ist schwach alkalisch - Grund ist die basische Reaktion der Puffer im Blut (Pufferbasen, abgekürzt BB = buffer bases). Bei körperlicher Ausbelastung kann der pH-Wert im arteriellen Blut vorübergehend auf unter 7,0 absinken, Ursache ist die Abgabe von Milchsäure aus den Muskeln. (Leber und Herzmuskel bauen die Milchsäure wieder ab.)

Der pH-Wert wird durch Kompensation, d.h. Herstellung des Puffergleichgewichts, korrigiert. Die Kompensation erfolgt in Lunge, Niere und Leber: Ausatmen von CO2 bedeutet Säureausscheidung; mit dem Harn werden Säuren ausgeschieden (pH des Harns: 5,4, kann zwischen 4,5 und 8,0 liegen); die Leber passt ihren Stoffwechsel an die Gegebenheiten an. Der pH-Wert wird durch Pufferstoffe  im Blut eingestellt, deren Konzentration durch “metabolische Kompensation” verändert wird:

       Bicarbonat (HCO3-): Der Bicarbonatwert ist ein Maß für die Gesamt-Pufferkapazität des Blutes. Er kann vor allem durch die Nierenfunktion verändert werden

      Hämoglobin in den roten Blutkörperchen. Besonders wichtig, da es physiologischerweise zwei Drittel der Pufferwirkung im Blut übernimmt (Haldane-Effekt )

      Plasmaeiweiße (Albumin und Globuline), die wie jedes Protein puffernd wirken

      Phosphat, vorwiegend intrazellulär
 
pO2 im Gewebe
 

Der Däne August Krogh erhielt 1920 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für "die Entdeckung des kapillarmotorischen Regulationsmechanismus". Mittels eines von ihm entwickelten Geräts zur Messung von Gaspartialdrucken in sehr kleinen Gewebeproben (Mikrotonometrie) konnte er die Wanderung von Atemgasen entlang von Partialdruckgradienten nachweisen und zeigen, dass dieser Austausch nicht ein aktiver Prozess ist, sondern auf Diffusion beruht. Damit widersprach er der damaligen Lehrmeinung, die u.a. von John Haldane vertreten wurde. Zusammen mit Christian Bohr und Karl Hasselbalch konnte er weiters feststellen, dass Kohlendioxid die Sauerstoffaufnahme des Hämoglobins reduziert. Den Nobelpreis brachten ihm seine Erkenntnisse zur Steuerung der Kapillardurchblutung in Abhängigkeit vom lokalen Bedarf ein.
   

   Abbildung: Krogh'scher Zylinder
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Verteilung des Sauerstoff-Partialdrucks (Ordinate, mmHg) um eine Kapillare. Der Partialdruck nimmt sowohl entlang der Kapillare (arteriell → venös, grüner Pfeil) als auch quer dazu mit zunehmendem Abstand im Gewebe ab (Verbrauch durch oxidativen Stoffwechsel der Zellen). Kritische Punkte sind die mit minimalem Partialdruckwert (im Bild links: venöses Ende, ~30 µm von Kapillare entfernt).
 
Rechts oben: Sind 2/3 aller Kapillaren (gleichmäßig verteilt) geschlossen, ergibt sich aus der Geometrie (hexagonale Anordnung der Kapillaren angenommen) eine Verdoppelung des effektiven Radius des Krogh-Zylinders (grüne Halbbögen) bzw. des Abstands zwischen zwei durchbluteten Kapillaren (rote Doppelpfeile).
 
Rechts unten: Alle Kapillaren sind durchblutet, der Radius des Krogh'schen Zylinders entspricht dem Kapillarabstand

Im Gewebe gibt es eine dreidimensionale Verteilung der Partialdruckwerte der Atemgase, entsprechend der Entfernung vom arteriellen bzw. venösen Ende der Kapillare (Krogh'scher Zylinder, Abbildung): Die höchsten pO2-Werte finden sich in der Nähe des arteriellen Kapillarschenkels, die niedrigsten in der Peripherie um dessen venöses Ende.

Im Gewebe verschiedener Organe ist der Sauerstoffpartialdruck (je nach Ausnützung des O2-Angebotes) sehr unterschiedlich.

      Beispielsweise ist der Sauerstoffpartialdruck in den besonders intensiv perfundierten Geweben der corpora carotica / aortica (Messung des arteriellen Sauerstoffpartialdrucks!) und der Nierenrinde (Perfusion hauptsächlich funktionell!) nahe an den arteriellen Werten (um 100 mm Hg), während

      der Körperdurchschnitt bei 40-50 mmHg liegt - entsprechend einer Ausnützung des arteriellen Sauerstoffangebots von etwa einem Drittel ( s. O2-Bindungskurve des Hämoglobins). In dieser "mittleren" Zone liegt z.B. weißes Fettgewebe (~50 mmHg).

      Besonders hypoxisch wird Gewebe, das den meisten Sauerstoff vom Hämoglobin abzieht - etwa intensiv aktive Muskulatur.

In der Leber sind die Zonen der Lobuli entsprechend dem unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck, der in ihnen vorherrscht, spezialisiert.

     Bei mangelhafter Durchblutung der Mikrozirkulation kann es an Stellen mit dem niedrigsten pO2 kritisch werden, wenn die Nachfrage der Zellen für längere Zeit höher ist als das Sauerstoffangebot. Je nach Stoffwechselintensität und spezifischem Sauerstoffbedarf (s. oben) treten Beeinträchtigungen des Stoffwechsels und Gewebeschäden relativ früh auf, wie z.B. im ischämischen Gehirn oder Herzmuskel ("tachytrophes" Gewebe) oder erst verzögert, wie z.B. bei einem abgetrennten Finger ("bradytrophes" Gewebe).



  
Blutgasanalyse

Blutgasanalyse nennt man die Bestimmung der Blutwerte, die zur Beurteilung des Säure-Basen-Status notwendig sind.
 

 Abbildung: Blutprobenentnahme aus der a. radialis
Nach neoteryx.com / What are some popular types of sample collection methods used today?

Der Blutbedarf für die Blutgasanalyse ist gering (~0,1 ml). Man verwendet meist "Kapillarblut" (aus Ohrläppchen oder Fingerbeere); dieses entspricht weitgehend arteriellem Blut. Die Probe wird in heparinisierte Proberöhrchen aufgezogen und spätestens nach einer Stunde gemessen.

Respiratorische Störungen verändern zunächst den pCO2 im Blut, metabolische Störungen bewirken eine Abweichung der Pufferkapazität. Die “Basenabweichung” (base excess BE) gibt an, ob zu viel (+) oder zu wenig (-) Pufferbasen im Blut vorhanden sind. Bei negativer Basenabweichung besteht eine metabolische Azidose, bei positiver eine metabolische Alkalose.

Der BE-Wert erlaubt die Berechnung der Puffermenge, die einer Person mit Störung des Säure-Basen-Gleichgewichts infundiert werden soll.
Das Verhältnis von CO2 zu Bicarbonat spiegelt das Säure-Basen-Gleichgewicht im Blut. Da der pCO2 durch die Atemtätigkeit, Bicarbonat durch die Nieren reguliert wird, ergibt sich der Blut-pH aus der Funktionsbeziehung Lunge zu Niere. Respiratorische Störungen können von der Niere metabolisch kompensiert werden. Die Atemtätigkeit kann an der Kompensation metabolischer Störungen teilnehmen.

Im Kapillarblut (=arterielles Blut, das nach Einstechen aus dem Gewebe austritt und mit einer "Kapillare" aufgefangen werden kann) findet man folgende Werte:
 
Gemessene Größe Normalwert (gerundet)
pH-Wert (actual-pH) 7,4 (7,35 - 7,45)
pCO2 (actual-pCO2) 40 mm Hg (35-45 mm Hg)
pO2
100 mm Hg (>80 mm Hg)
abhängig von Alter, Meereshöhe,..

Errechnet werden aus diesen Werten:
 
   Bicarbonatgehalt ... ~24 mM

   Pufferbasenwert ... ~48 mM  (Basenabweichung 0 mM)

Im venösen Blut sind die Werte stoffwechsel- und gewebeabhängig unterschiedlich. Für gemischt-venöses Blut (kann aus der a. pulmonalis mittels Herzkatheter gewonnen werden) bei körperlicher Ruhe kann ein pO2 von ~40 mm Hg und ein pCO2 von 46 mm Hg als typisch angesehen werden.

Der Säure-Basen-Status kann sich - insbesondere bei Intensivpatienten - rasch ändern. Im Zweifelsfall sind regelmäßige Kontrollen der Blutgaswerte vorzunehmen.

Mit dem pH-Wert ändern sich oft auch die Elektrolytwerte (Natrium, Kalium u.a.). Serumelektrolyte können ebenfalls in Kapillarblut gemessen werden. Dazu verwendet man ionensensitive Elektroden (ähnlich wie pH-Elektroden gebaut) oder Teststreifen (“Trockenchemie").
 

 
      Der Sauerstoffbedarf der Körpers beträgt durchschnittlich ≥4 ml/kg/min (bei 70 kg KG ~0,3 l/min). Arterielles Blut ist so gut wie vollständig O2-gesättigt und transportiert bei ~150 g Hämoglobin pro Liter Blut ~20 Vol-% O2 (200 ml/l) (Hüfner-Zahl : 1,34 ml O2 / g Hb). Im Ruhezustand konsumiert der Körper ~5 Vol-% (arterio-venöse Sauerstoffdifferenz) der arteriell angebotenen 20 Vol-%, das venöse Blut bringt ~15 Vol-% zur Lunge zurück (Sauerstoffreserve für körperliche Belastung), das Hämoglobin ist in venösem Mischblut zu ~75% sauerstoffgesättigt
 
      Spezifischer Sauerstoffverbrauch bezieht sich auf jeweils 100 g Gewebe (Herzmuskel bis 50,  Nierenrinde ~7, Leber ~5, Gehirn 3,5, ruhender Skelettmuskel 0,3, aktiver Skelettmuskel bis 15 ml O2 /min/100g ml/min - maximal belastetes Myokard verbraucht pro Gewichtseinheit fast 4mal so viel Sauerstoff wie maximal aktiver Skelettmuskel)
 
      Der Katabolismus produziert Säuren, diese werden aus dem Körper entfernt - überwiegend in Form von CO2 (der pH-Wert des Blutes beeinflusst die Atmung) sowie (soferne angebracht) nichtflüchtige Säurevalenzen mit dem Harn. Blut ist wegen seines Gehalts an Pufferbasen (~48 mM: Bicarbonat, Hämoglobin, Plasmaproteine, Phosphat) leicht alkalisch (pH=7,4). Abweichungen des pH-Werts im Blut werden durch Kompensation (Wiederherstellung des Puffergleichgewichts) korrigiert
 
      Um Blutkapillaren gibt es im Gewebe Zonen gleichen Sauerstoffpartialdrucks, entsprechend der Entfernung vom arteriellen bzw. venösen Ende der Kapillare (Krogh'sche Zylinder). In der Leber sind Lobuli entsprechend dem jeweiligen pO2 metabolisch organisiert
 
      Blutgasanalyse nennt man die Bestimmung der Blutwerte, die zur Beurteilung des Säure-Basen-Status notwendig sind. Durch Einstechen in Ohrläppchen oder Fingerbeere gewonnenes "Kapillarblut" ist arterielles Blut (es wird in heparinisierte Proberöhrchen - "Kapillaren" - aufgezogen und spätestens nach einer Stunde gemessen): pO2 ~100 mmHg, pCO2 ~40 mmHg. Respiratorische Störungen verändern zunächst den pCO2 im Blut, metabolische Störungen bewirken eine Abweichung der Pufferkapazität. Die Basenabweichung (BE) gibt an, ob zu viel (+: Alkalose) oder zu wenig (-: Azidose) Pufferbasen im Blut vorhanden sind. Respiratorische Störungen können von der Niere metabolisch kompensiert werden, die Atmung kann an der Kompensation metabolischer Störungen teilnehmen. Mit dem pH-Wert ändern sich oft auch Elektrolytwerte, zu deren Messung verwendet man meist ionensensitive Elektroden
 

 




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