Chemorezeptoren sind Sinneszellen, die besonders auf die Wahrnehmung von gelösten chemischen Stoffen in der Luft spezialisiert sind. Sie sind deshalb von zentraler Bedeutung für den Geruchs- und Geschmackssinn sowie für die Feststellung des Sauerstoffgehalts im Blut. Du findest sie sowohl in den Schleimhäuten der Nase, als auch in der Mundschleimhaut, wo sie auf Stoffe, die in der Luft transportiert werden, reagieren. Zuletzt regulieren sie sogar die Atmung. Menschen haben in etwa 320 unterschiedliche Chemorezeptoren, während Mäuse z. B. in etwa 1000 verschiedene besitzen.
Chemorezeptoren – Einteilung
Chemorezeptoren können Erregungssignale erzeugen und an das Gehirn weiterleiten, sodass sie auf chemische Reize reagieren können. Dabei wird zwischen spezifischen und unspezifischen Chemorezeptoren unterschieden. Spezifische Chemorezeptoren reagieren auf ein bestimmtes Molekül, unspezifische können Konzentrationsunterschiede von Stoffen wahrnehmen.
In der Medizin werden sie außerdem in zentrale und periphere Chemorezeptoren unterschieden.
Zentrale Chemorezeptoren
Die zentralen Chemorezeptoren findest du im Atemzentrum der Medulla oblongata (siehe Bild). Die Medulla oblongata wird auch als Nachhirn oder verlängertes Rückenmark bezeichnet. Es ist ein wichtiges Regulationszentrum für die Atmung und den Blutkreislauf.
Die zentralen Chemorezeptoren messen den pH-Wert des Blutes und den CO2-Partialdruck (pCO2) des Hirnwassers.
Was ist der Partialdruck? (p02 und pCO2)Wenn Feststoffe in Flüssigkeiten gelöst sind, spricht man von verschiedenen
Konzentrationen. Gase hingegen verhalten sich beim Lösen in Flüssigkeiten anders, weil sie kein festes Volumen haben. Sie verändern sich in Abhängigkeit von Druck und Temperatur. Deshalb betrachtet man bei Gasen den
Partialdruck.
Das Hirnwasser – auch Liquor cerebrospinalis genannt – ist die klare Flüssigkeit, die im Gehirn und Rückenmark zirkuliert und Hohlräume des zentralen Nervensystems füllt. Sie dient dem Schutz des Gehirns und des Rückenmarks, schwächt Druck von außen auf das Gehirn ab und verhindert eine Überwärmung des zentralen Nervensystems.
Periphere Chemorezeptoren
Die peripheren Chemorezeptoren sind sog. Paraganglien und befinden sich in der Aufgabelung (sog. Bifurkation) der Halsschlagader (Glomus caroticum) und der Wand des Aortenbogen (Glomera aortica). Schau dir am besten hierzu die Darstellung an, um eine bessere Vorstellung davon zu gewinnen.
Paraganglien sind Ansammlungen sekretorischer, endokriner Zellen. Endokrin bedeutet, dass sie ihre Sekrete direkt ins Blut abgeben.
Doch was tun die peripheren Chemorezeptoren? Da sie eine hohe Sensitivität für Sauerstoff besitzen, erfassen sie den arteriellen O2-Partialdruck (pO2) und registrieren einen verminderten Sauerstoffgehalt im Blut. Diese Informationen werden dann als Impulse an das Atemzentrum weitergeleitet, um entsprechend mit einer Anpassung der Atmung zu reagieren. Näheres hierzu folgt weiter unten!
Funktion der Chemorezeptoren
Wie Du bereits gelernt hast, nehmen Chemorezeptoren chemische Stoffe in der Luft und in Flüssigkeiten wahr und schützen den Menschen damit vor giftigen Stoffen. Weiterhin spielen sie eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Atmung, des Gefäßtonus und des pH-Wertes im Blut.
Der Gefäßtonus ist die Spannung, die in einem Gefäßsegment durch die glatte Gefäßmuskulatur gehalten wird. Dieser Tonus ist wichtig, um die Organdurchblutung und den Blutkreislauf zu gewährleisten.
Das Ziel der Chemorezeptoren ist, eine Homöostase – ein Gleichgewicht – in Bezug auf den O2- und CO2-Gehalt im Blut, zu erreichen. Wie die Chemorezeptoren hierzu beitragen, erfährst du jetzt!
Beim Menschen ist der Transport von Kohlendioxid (CO2) und Sauerstoff (O2) Aufgabe des Blutes. Die Erythrozyten (roten Blutkörperchen) enthalten das Protein Hämoglobin, welches Sauerstoff transportiert und dafür sorgt, dass CO2 in Bicarbonat (HCO3-) umgewandelt wird.
Chemorezeptoren Atmung
Die Atmung ist ein autonomer Vorgang. Der Körper hat die Aufgabe, den Gesamtorganismus mit Sauerstoff zu versorgen und Kohlendioxid aus dem Körper zu entfernen. Deshalb gibt es die chemischen Sensoren, unsere Chemorezeptoren, die über ein Feedback des gegenwärtigen Zustands dieser gelösten Stoffe geben. Sie reagieren auf Änderungen des Partialdrucks von Sauerstoff, Kohlendioxid und Änderungen des pH-Wertes.
Der Säure-Basen-Haushalt wird durch CO2 und HCO3- reguliert. Das beeinflusst den pH-Wert des Blutes.
Chemorezeptoren Atmung: Funktion der peripheren Chemorezeptoren bei der Atemregulation
Die peripheren Chemorezeptoren sind an der Atemregulation beteiligt. Sie werden stimuliert, wenn der arterieller Sauerstoffgehalt (pO2) sinkt oder der Kohlenstoffdioxidgehalt (pCO2) steigt. Sinkt der O2- Partialdruck unter einen bestimmten kritischen Wert, führt es durch einen sogenannten Feedback-Mechanismus dazu, dass das Atemzentrum stimuliert wird.
Das Atemzugvolumen und die Atemfrequenz erhöhen sich anschließend. Dadurch kann ein Sauerstoffmangel im Blut - eine sogenannte Hypoxie, vermieden werden. Das bedeutet, dass Chemorezeptoren die Atmung beeinflussen und dadurch auch den Blutkreislauf.
Bei einer Änderung der Atmung, nachdem eine Abweichung von Chemorezeptoren registriert wurde, spricht man von einem ventilatorischen Chemoreflex. Bei einer Änderung der Herzfrequenz spricht man von einem kardialen Chemoreflex. Beides sind lebensrettende Reflexe des Körpers.
Chemorezeptoren Atmung: Atemregulation durch Chemorezeptoren bei einer Anämie
Sicher ist Dir die Anämie durch Eisenmangel bekannt. Sie bezeichnet den Mangel von Hämoglobin im Blut oder einen zu niedrigen Anteil von roten Blutkörperchen (Erythrozyten) am Blutvolumen - der sogenannte Hämatokrit.
Den prozentualen Volumenanteil der Blutzellen zum gesamten Blutvolumen bezeichnet man auch als Hämatokrit. Erythrozyten machen dabei den größten Anteil mit 96 % aus. Da Erythrozyten den roten Blutfarbstoff Hämoglobin besitzen, welches für den Sauerstofftransport zuständig ist, kann der Hämatokrit Wert auch als Maß für den Hämoglobin-Wert genutzt werden.
Da Chemorezeptoren auf Sauerstoffmangel im Blut reagieren, stellt sich die Frage, ob sie bei einer Anämie auch mit "Mehratmung" reagieren?
Nicht ganz! Die Chemorezeptoren registrieren zwar den O2-Partialdruck (pO2) Gehalt, allerdings nicht die transportierte Sauerstoffmenge. Bei einer Anämie, aufgrund eines Eisenmangels, wird zu wenig Sauerstoff transportiert, weil wenig Hämoglobin im Blut vorhanden ist. Deshalb würde es nicht zu einer Mehratmung kommen, weil das Problem nicht die Sauerstoffsättigung ist, sondern der Hämoglobin-Wert im Blut.
Eine Mehratmung würde zwar dazu führen, dass der Sauerstoffgehalt zunimmt, jedoch ist es kein Vergleich zu der Menge an Sauerstoff, die Hämoglobin binden kann. Eine Hyperventilation würde außerdem zu einem herabgesetzten CO2-Partialdruck führen - einer sogenannte Hypokapnie, welche zu Symptomen wie Benommenheit und Muskelkrämpfe im Ruhezustand führen kann.
Chemorezeptoren Atmung: Funktion der zentralen Chemorezeptoren
Die zentralen Chemorezeptoren arbeiten mit den peripheren Chemorezeptoren zusammen und überwachen den CO2-Partialdruck des Hirnwassers, da sie sich im Atemzentrum - der Medulla oblongata (siehe Darstellung weiter oben) des Gehirns befinden.
Sie tragen durch Nervensignale zur Atemregulation und zur Homöostase bzw. Stabilisierung des Sauerstoffgehalts im Blut bei. Die Stabilisierung trägt zu einem konstanten Kohlenstoffdioxidgehalt und das führt zu einem konstanten pH-Wert.
Der pH-Wert im Blut sollte möglichst konstant gehalten werden, da er wichtig für viele Stoffwechselvorgänge, wie z. B. die Enzymfunktion ist.
Chemorezeptoren Triggerzone beim Erbrechen
Für die Auslösung von Erbrechen und Übelkeit ist die Chemerezeptoren-Triggerzone, zusammen mit dem Brechzentrum, zuständig. Das Erbrechen ist eine Reaktion auf Toxine, Übelkeit durch Medikamente oder Stoffe, die im Blut transportiert werden. Welche Rolle die Chemorezeptoren-Triggerzone hierbei spielt, erfährst du jetzt.
Das Brechzentrum ist eine funktionelle Einheit im Hirnstamm (siehe Bild), welches den Vorgang des Erbrechens auslöst und die Hirnbereiche koordiniert, die an diesem Vorgang mit beteiligt sind.
Die Chemorezeptoren-Triggerzone
Diese Chemorezeptoren-Triggerzone befindet sich im Brechzentrum im Hirnstamm und in der Schleimhaut des Gastrointestinaltrakts. Sie ist sensibel für Stoffe wie Bakterien, Toxine oder höher konzentrierte Kochsalzlösung und dient dem Schutz des Körpers.
Die Kapillaren der Triggerzone haben eine gefensterte Form, die wichtig ist, um rasch auf toxische Stoffe im Blut zu reagieren. In der Chemorezeptoren-Triggerzone befinden sich außerdem viele dopaminergen, histaminergen, serotinergen und cholinergen Neuronen. An diesen Neuronen können Medikamente angesetzt werden, um die Übelkeit, die z.B. durch bestimmte Medikament verursacht wurde, zu behandeln.
Nervenzellen, in denen Dopamin, Histamin und Serotonin werden als dopaminergen, histaminergen und serotinergen bezeichnet. Nervenzellen, in denen der Neurotransmitter Acetylcholin produziert wird, bezeichnet man als cholinerge Nervenzelle.
Chemorezeptoren beim Geruchssinn
Die Chemorezeptoren, die in der Schleimhaut der Nase sitzen, sind dafür verantwortlich, Gerüche wahrzunehmen und sie voneinander unterscheiden zu können. Insbesondere sind sie wichtig für die Informationsweiterleitung der Geruchsreize an das Gehirn.
Hierfür werden die Reize über den Vorgang der Transduktion in elektrische Impulse umgewandelt.
Was verläuft die Transduktion?
Zunächst dockt ein Molekül an den Geruchsrezeptor an und aktiviert das Enzym Adenylatcyclase. Das passiert, weil die Geruchsrezeptoren, an der Innenseite ihrer Membran, an ein G-Protein gekoppelt sind. Das G-Protein spaltet seine alpha-Untereinheit ab und aktiviert die Adenylatcyclase.
Die Adenylatcyclase katalysiert die Spaltung vieler ATPs (Adenosintriphosphatmoleküle), die zu cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat) umgewandelt werden. Das cAMP dient als Second Messenger und lagert sich an Ionenkanälen an, die sich anschließend öffnen. Es kommt zu einem Ioneneinstrom, welches die Rezeptorzelle depolarisiert. Ein Rezeptorpotenzial entsteht, das anschließend an den Teil des Gehirns weitergeleitet wird, der für die Geruchswahrnehmung zuständig ist (sog. Bulbus olfactorius).
Chemorezeptoren – Das Wichtigste
- Chemorezeptoren sind Sinneszellen, die besonders auf die Wahrnehmung von gelösten chemischen Stoffen in der Luft spezialisiert sind.
- Sie werden in periphere und zentrale Chemorezeptoren unterschieden.
- Peripheren Chemorezeptoren reagieren auf Änderungen des Sauerstoff-Partialdruck (pO2) im Blut mit einer entsprechenden Atemregulation.
- Zentrale Chemorezeptoren überwachen den C02-Partialdruck des Hirnwassers und senden Information hier rüber an das Gehirn.
- Außerdem sind Chemorezeptoren für die Wahrnehmung von Gerüchen essentiell.
- Die Chemorezeptoren-Triggerzone ist an der Auslösung von Erbrechen mit beteiligt. Ihre Kapillaren haben eine gefensterte Form, um rasch auf toxische Stoffe im Blut zu reagieren.
Nachweise
- http://physiologie.cc/VIII.6.htm https://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online/06/06H131/t2.pdf
- https://flexikon.doccheck.com/de/Chemorezeption
- https://medlexi.de/Chemorezeption
- https://www.thieme-connect.de/products/ebooks/lookinside/10.1055/b-0034-20940#
- https://wiki.edu.vn/wiki3/2020/11/27/periphere-chemorezeptoren-wikipedia/
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