“Tief ein- und ausatmen!” Das ist oft der erste Ratschlag, wenn jemand nervös ist oder Angst hat. Aber was passiert eigentlich, wenn wir ihn befolgen? Wie kommen Atemgase wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in den menschlichen Körper und verlassen ihn wieder? Das alles sind Prozesse des Gasaustauschs im menschlichen Körper.
Definition zum Gasaustausch
Was genau versteht man unter Gasaustausch?
Beim Gasaustausch passieren Gase auf Basis von Diffusion eine Membran. Dies kann in verschiedene Richtungen ablaufen, sodass die Atmung ermöglicht wird.
Beim Menschen findet der Gasaustausch an zwei Orten statt, in der Lunge und im Gewebe bzw. anderen Organen. Es nehmen verschiedene Gase am Gasaustausch teil, am wichtigsten für die Körperfunktion sind jedoch Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff.
In der Lunge, genauer gesagt den Lungenbläschen, wird Kohlenstoffdioxid abgeatmet und Sauerstoff eingeatmet. Sauerstoff wird zum Gewebe transportiert, um dort im Energiestoffwechsel verwendet zu werden. Als Abfallprodukt entsteht in den Organen im Gegenzug Kohlenstoffdioxid, das über den Blutkreislauf zurück in die Lunge gelangt und den Körper wieder verlässt.
Gasaustausch in den Lungenbläschen
Ein zentraler Ort des Gasaustauschs sind also die Lungenbläschen, auch Alveolen genannt. Sie sind der letzte und für den Gasaustausch entscheidende Anteil der Atemwege. Wie sind diese aufgebaut und was genau passiert dort mit den Atemgasen?
Genaues zum Aufbau der Atemwege und der Lungenbläschen findest Du in den entsprechenden Erklärungen!
Aufbau der Atemwege
Innerhalb der Atemwege unterscheidet man zwei funktionell unterschiedliche Abschnitte:
- Abschnitt für Luftleitung
- Abschnitt für Gasaustausch
Die luftleitenden Wege beginnen mit der Luftröhre (Trachea) und verzweigen sich von dort aus ähnlich wie die Äste eines Baumes. Nach der Luftröhre folgen zwei Hauptbronchien. Entsprechend der Gliederung der Lunge in größere Lappen und kleinere Segmente schließen sich Lappen- und Segmentbronchien an. Weiter geht es mit den Endbronchiolen (Bronchioli terminalis), die sich einige Male weiter aufspalten.
Erst ab der ca. 16. Teilungsgeneration beginnt mit den respiratorischen Bronchiolen (Bronchioli respiratorii) der Abschnitt, in dem Gasaustausch möglich ist. Von ihnen gehen die Alveolargänge (Ductus alveolares) ab. Sie enden in Alveolarsäcken (Sacculus alveolaris). Dies sind Ansammlungen von vielen Lungenbläschen, den Alveolen.
Blut-Luft-Schranke
Der Austausch zwischen Atemgasen in Blut und Luft findet in den Alveolen über die Blut-Luft-Schranke statt. Um aus dem Hohlraum der Alveolen (Alveolarlumen) ins Blut übertreten zu können und umgekehrt, müssen die Gase drei Schichten durchqueren.
- Alveolarepithel (zelluläre Auskleidung der Alveolen)
- Kapillarendothel (zelluläre Auskleidung der kleinen Blutgefäße)
- Gemeinsame Basalmembran (Faserschicht, die u. a. der Verankerung von Oberflächen-auskleidenden Zellen dient)
Die zelluläre Auskleidung der Lungenbläschen besteht aus zwei verschiedenen Zelltypen: Pneumozyten Typ I und Pneumozyten Typ II. Der größte Teil der Oberfläche wird von Pneumozyten Typ I bedeckt. Sie sind gut daran zu erkennen, dass sie sich ganz flach an die Basalmembran anlagern und nur im Bereich der Kerne leicht vorgewölbt sind. Auch die Gefäße haben eine sehr dünne Auskleidung, sodass die Dicke der Blut-Luft-Schranke an manchen Stellen sogar nur 0,6 µm dick ist. Durch die Zellkerne beträgt die mittlere Dicke jedoch etwa 2 µm.
Mit ca. 300 Alveolen in der Lunge ergibt sich eine riesige Gesamtoberfläche von ca. 100–120 m2.
Voraussetzungen für den Gasaustausch
Gasaustausch kann nicht zu allen Bedingungen stattfinden. Voraussetzung ist, dass gewisse Grundfunktionen der Lunge nicht behindert sind. Dabei handelt es sich um:
Gasaustausch - Ventilation
Der Begriff Ventilation beschreibt die Belüftung der Lunge.
Für einen erfolgreichen Gasaustausch müssen natürlich speziell die Alveolen belüftet werden. Gelangt Luft ausschließlich in die leitenden Abschnitte der Atemwege, wie es z. B. bei hechelnder Atmung der Fall ist, spricht man auch von Totraumventilation (Belüftung, die ohne Gasaustausch stattfindet).
Gasaustausch - Perfusion
Perfusion bedeutet Durchblutung und bezieht sich in diesem Fall auf die Kapillaren der Blut-Luft-Schranke.
Atemgase werden im Körper im Wesentlichen über das Blut transportiert, entweder in gelöster Form oder gebunden an das Hämoglobin roter Blutkörperchen. Damit Sauerstoff in der Lunge aufgenommen und Kohlendioxid abgegeben werden kann, muss auch eine ausreichende Durchblutung gewährleistet sein.
Kohlendioxidreiches Blut gelang über Lungenarterien ins Kapillarbett der Lunge. Der Gasaustausch findet statt und es fließt mit Sauerstoff angereichert über Lungenvenen zurück zum Herzen. Kapillaren verbinden also venöses und arterielles System.
In der Lunge soll die Durchblutung von nicht ausreichend belüfteten Arealen bestmöglich vermieden werden, um den Gasaustausch effizienter zu machen. Deshalb verengen sich die Kapillaren in schlecht ventilierten Lungenabschnitten, was als Euler-Liljestrand-Mechanismus bezeichnet wird.
Gasaustausch - Diffusion
Diffusion ist die passive Bewegung von Teilchen, die einen Ausgleich eines Konzentrationsgradienten führt. Sie kann über eine für die entsprechenden Moleküle durchlässige Membran stattfinden.
Die Größe des Diffusionsstroms ist abhängig von einigen Umgebungseigenschaften. Diese werden im sogenannten Fick'schen Diffusionsgesetz zusammengefasst:
Dabei ist:
A = Austauschfläche
K = Krogh'scher Diffusionskoeffizient
l = Diffusionstrecke
= Partialdruckdifferenz
Der Krogh'sche Diffusionskoeffizient K ist eine Konstante, die die Durchlässigkeit der Membran für ein bestimmtes Gas beschreibt. Sie kann für jedes Gas unterschiedlich sein.
Insbesondere ist K für Kohlenstoffdioxid 20-mal größer als für Sauerstoff. Das heißt, wenn alle anderen Faktoren unverändert sind, kann Kohlenstoffdioxid signifikant besser über die Membran diffundieren.
Die Austauschfläche und die Diffusionsstrecke ergeben sich aus der Alveolaroberfläche und die Dicke der zu durchquerenden Schichten.
Die Partialdruckdifferenz ist der eigentliche Antrieb der Diffusion.
Der Partialdruck eines Gases beschreibt den Druck, den es in einem bestimmten Volumen bzw. Gasgemisch ausüben würde. Die Partialdrücke aller vorhandenen Gase ergeben summiert den Gesamtdruck.
Um kenntlich zu machen, dass die Angabe eines Partialdrucks folgt, schreibt man vor die Summenformel des entsprechenden Gases ein kleines p. Für Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid sind das entsprechend pO2 und pCO2.
Der Partialdruck kann sowohl in Millimeter Quecksilbersäule (mmHg), als auch in Kilopascal (kPa) angegeben werden.
Da die Angaben in mmHg in der medizinischen Praxis am geläufigsten und außerdem durch oft rundere Werte leichter zu merken sind, wird im Folgenden diese Einheit verwendet. Eine Umrechnung ist aber natürlich problemlos möglich.
Diffusion führt immer zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. In Bezug auf den Gasaustausch ist dies als Ausgleich des Partialdruckunterschiedes zu verstehen.
Das sauerstoffarme Blut aus der Lungenarterie hat in der Regel einen pO2 von 40 mmHg und einen pCO2 von 46 mmHg. In der Alveole hingegen, die gerade durch die Atmung belüftet wurde, beträgt der pO2 normalerweise 100 mmHg und der pCO2 40 mmHg. Beim Weg durch die Lungenkapillaren kommt es durch Diffusion nun zur Angleichung der Partialdrücke. Die Partialdrücke in der Lungenvene, die das Kapillarbett verlässt, ähneln jetzt den Drücken in der Alveole.
Wahrscheinlich hast Du schon bemerkt, dass der Unterschied der Partialdrücke von Sauerstoff sehr viel größer sind also die von Kohlenstoffdioxid. Der Diffusionsantrieb für Kohlenstoffdioxid ist dennoch ausreichend, da das Gas so viel besser durch die Membran diffundieren kann als Sauerstoff.
Dieser Austauschprozess passiert schnell. Nur eine halbe Sekunde hat das Blut ungefähr Kontakt mit der Alveolarmembran. Trotzdem ist dies für erfolgreichen Gasaustausch ausreichend.
Gasaustausch – im Blutkreislauf
Wie schon erwähnt, werden Atemgase über das Blut zu den Zielorganen transportiert. Sauerstoff ist dafür fast vollständig an das Hämoglobin der roten Blutkörperchen (Erythrozyten) gebunden. Kohlenstoffdioxid lässt sich größtenteils in gelöster Form als Bicarbonat vorfinden.
Im arteriellen System liegen ungefähr die Partialdrücke vor, wie sie oben für die Lungenvenen beschrieben wurden, im venösen System die der Lungenarterien.
Lass Dich von den "vertauschten Verhältnissen" von Arterien und Venen nicht verwirren. Arterien wird oft die definierende Eigenschaft zugeschrieben, sauerstoffreich zu sein. Dies trifft auch für den größten Teil des Kreislaufs zu. Allerdings sind Arterien all die Gefäße, die vom Herzen wegführen und nicht etwa die mit dem höchsten pO2. Bei den Gefäßen, durch die sauerstoffarmes Blut vom Herzen weg in die Lunge fließt, handelt es sich also ebenso um Arterien. Das Umgekehrte gilt für Venen.
Gasaustausch – im Gewebe
Im Gewebe läuft der Vorgang, den Du bereits kennengelernt hast, gewissermaßen umgekehrt ab. Diesmal nehmen statt Alveolen jedoch Gewebezellen am Diffusionsvorgang teil.
Für den Energiestoffwechsel wird ständig neuer Sauerstoff benötigt, während Kohlenstoffdioxid abtransportiert werden muss. Im Blut herrscht ein niedrigerer pCO2 und ein höherer pO2 als in der Zelle, sodass wieder eine Partialdruckdifferenz als Grundlage für den Gasaustausch vorliegt.
Wie gut ein Gewebe mit Sauerstoff versorgt wird, ist natürlich nicht nur von effizienter Diffusion abhängig. Wie in der Lunge spielen auch andere Faktoren eine Rolle.
Dazu gehört ebenfalls die Durchblutung, also wie gut das entsprechende Organ perfundiert ist. Dies kann sich z. B. im Falle der Muskeln bei verschiedenen Ausmaßen körperlicher Aktivität unterscheiden.
Außerdem spielen Bedingungen wie der pH-Wert eine Rolle, die sich auf die Affinität (Bindungsneigung) des Hämoglobins zu Sauerstoff auswirken. So kann Sauerstoff etwa abhängig von der Stoffwechsellage unterschiedlich leicht aufgenommen oder abgegeben werden.
Gasaustausch – Störungen
Bei den verschiedenen Einflussfaktoren auf den Vorgang der Diffusion ist es leicht vorstellbar, dass es zu Einschränkungen kommen kann.
Ein großes Problem kann etwa eine Abnahme der effektiven Gasaustauschfläche darstellen. Dies ist bei einem Lungenemphysem der Fall, das u. a. im Rahmen einer Chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) auftritt. Dabei findet eine Überblähung der Lunge mit Zerstörung von Alveolen statt.
Zudem behindert eine Verlängerung der Diffusionsstrecke den Gasaustausch. Dazu kommt es z. B. beim Lungenödem, einer Flüssigkeitsansammlung in der Lunge, oder bei einer Lungenentzündung.
Veränderungen der Partialdruckdifferenz könnten der Diffusion überdies ihre Triebkraft nehmen. Hält man sich beispielsweise in großer Höhe auf, so ist der pO2 in der Atemluft und daher auch in den Alveolen reduziert.
Gasaustausch – Das Wichtigste
- Beim Gasaustausch passieren Gase auf Basis von Diffusion eine Membran.
- Im Menschen findet Gasaustausch in der Lunge (Alveolen) und im Gewebe statt.
- Die wichtigsten Atemgase, die beim Gasaustausch teilnehmen, sind Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff.
- Die Blut-Luft-Schranke besteht aus Alveolarepithel, Kapillarendothel und einer gemeinsamen Basalmembran.
- Voraussetzungen für den Gasaustausch sind Ventilation, Perfusion und Diffusion.
- Antrieb für die Diffusion von Atemgasen ist die Partialdruckdifferenz der Gase.
Nachweise
- viamedici.thieme.de: Grundlagen des Gasaustauschs. (13.08.22)
- viamedici.thieme.de: Diffusion der Atemgase. (13.08.22)
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