Das Atmungssystem und Zellatmung: Homöostase und Energieproduktion

Das Atmungssystem: Aufbau & Funktion

Grundlagen der Homöostase

Homöostase ist die Fähigkeit unseres Körpers, ein inneres Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, auch wenn äußere oder innere Faktoren versuchen, es aus dem Gleichgewicht zu bringen.

Anatomie der Atemwege

• Schleim: Eine wässrige Substanz, die Lysozym enthält, ein Enzym, das Bakterien abtötet und somit eine Schutzfunktion erfüllt.
• Luftröhre (Trachea): Ein Schlauch, der für den Transport von Luft in die Lungen zuständig ist. Sie verzweigt sich weiter in Bronchien und Bronchiolen.
• Zwerchfell: Ein wichtiger Muskel, der den Brustkorb von der Bauchhöhle trennt und eine zentrale Rolle bei der Atmung spielt.
• Rippen: Schützen die Lungen, die eine schwammartige Struktur haben.
• Gemeinsame Merkmale: Luftröhre, Bronchien und Bronchiolen teilen ähnliche anatomische Merkmale. Die Luftröhre ist hufeisenförmig und liegt hinter der Speiseröhre.

Funktionen des Atmungssystems

Das Atmungssystem erfüllt mehrere lebenswichtige Funktionen:

• Gasaustausch: Aufnahme von Sauerstoff und Abgabe von Kohlendioxid.
• Regulierung des Blut-pH-Werts: Durch die Kontrolle des CO2-Spiegels im Blut.
• Ausscheidung: Abgabe von Stoffwechselprodukten und schädlichem Wasser.
• Atemsteuerung: Der Hirnstamm steuert die grundlegende Atmung.

Der Gasaustausch in den Alveolen

Die Alveole (Lungenbläschen) ist die funktionelle Einheit der Lunge, da dort der Gasaustausch stattfindet. Das Volumen ist umgekehrt proportional zum Druck (Boyle-Mariotte-Gesetz).

Atemmechanik & Lungenvolumina

Inspiration und Exspiration

• Inspiration (Einatmung): Das Zwerchfell und die äußeren Zwischenrippenmuskeln kontrahieren, wodurch das Volumen des Brustkorbs zunimmt und der intrapulmonale Druck sinkt. Luft strömt in die Lungen ein.
• Exspiration (Ausatmung): Das Gegenteil geschieht. Die Muskeln entspannen sich, das Brustkorbvolumen nimmt ab, der Druck steigt, und Luft strömt aus.

Wichtige Lungenvolumina

Die Spirometrie ist ein Test, der bei Asthmatikern und zur allgemeinen Lungenfunktionsprüfung durchgeführt wird, um das Atemvolumen zu messen.

• Atemzugvolumen (Tidalvolumen): Die Luftmenge, die bei normaler, ruhiger Atmung ein- und ausgeatmet wird (ca. 500 ml).
• Inspiratorisches Reservevolumen (IRV): Die zusätzliche Luftmenge, die nach einer normalen Einatmung maximal eingeatmet werden kann.
• Exspiratorisches Reservevolumen (ERV): Die zusätzliche Luftmenge, die nach einer normalen Ausatmung maximal ausgeatmet werden kann.
• Vitalkapazität (VC): Die maximale Luftmenge, die nach maximaler Einatmung ausgeatmet werden kann (Atemzugvolumen + IRV + ERV = ca. 5 L).
• Residualvolumen (RV): Die Luftmenge, die nach maximaler Ausatmung immer in der Lunge verbleibt.

Regulierung der Atmung

Die Regulierung der Atmung erfolgt hauptsächlich im Hirnstamm.

Neuronale Steuerung der Atmung

• Neuronen: Nervenzellen, die sich im ventralen und dorsalen Bereich des Hirnstamms befinden.
• Das pneumotaxische Zentrum und das apneustische Zentrum kommunizieren mit den Atemneuronen.
• Inspiratorische Neuronen (NI): Diese Neuronen sind für die Kommunikation mit den für die Inspiration verantwortlichen Muskeln zuständig. Sie befinden sich im dorsalen Bereich des Hirnstamms (Medulla oblongata).
• Exspiratorische Neuronen (NE): Diese Neuronen stehen in Kontakt mit den Muskeln, die sich während der Exspiration entspannen.
• Rolle des pneumotaxischen Zentrums: Es hemmt das apneustische Zentrum und reguliert die Atemfrequenz.
• Funktion des apneustischen Zentrums: Es stimuliert die inspiratorischen Neuronen und fördert die Inspiration.

Atemstillstand tritt auf, wenn die Verbindung zum Rückenmark unterbrochen wird.

Auswirkungen auf den Blut-pH-Wert

• Bei erhöhter pulmonaler Ventilation steigt die Atemfrequenz, wodurch eine größere Menge CO2 freigesetzt wird. Dies führt zu einem Sinken des CO2-Gehalts im Blut und einem Anstieg des pH-Werts (alkalischer).
• Umgekehrt führt eine verminderte Ventilation zu einem Anstieg des CO2-Gehalts und einem Sinken des pH-Werts (saurer).
• Das pneumotaxische Zentrum befindet sich im Hirnstamm.
• Der Blut-pH-Wert steigt beim Laufen, da vermehrt CO2 abgeatmet wird.

Zellatmung: Energie für den Körper

Grundlagen der Zellatmung

Zellatmung: Der Prozess, bei dem Zellen Glukose und andere organische Moleküle als Energiequelle nutzen, um ATP (Adenosintriphosphat) zu produzieren.

• Ziel: ATP-Produktion.
• Ort: Zytoplasma und Mitochondrien.
• Stoffwechsel: Umfasst Katabolismus (abbauende Reaktionen zur ATP-Produktion) und Anabolismus (aufbauende Reaktionen, die ATP verbrauchen).

ATP wird für grundlegende Zellfunktionen wie Anabolismus, aktiven Transport und Bewegung benötigt.

Katabolische Reaktionen: Dies sind abbauende Reaktionen, die Moleküle zerlegen, um ATP zu gewinnen. Nährstoffe, die als Energiequelle dienen, sind Glukose, Fettsäuren und Aminosäuren. (NAD+: oxidiert, NADH: reduziert)

Arten der Zellatmung

Es gibt zwei Hauptarten der Zellatmung:

• Aerobe Atmung: Benötigt Sauerstoff (O2). Umfasst die Glykolyse, den Krebs-Zyklus und die Elektronentransportkette.
• Anaerobe Atmung (Fermentation): Benötigt keinen Sauerstoff (O2). Beispiele sind die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung.

Milchsäuregärung

• Vorkommen: In Muskelzellen (unter anaeroben Bedingungen), wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist.
• Ort: Zytosol.
• Produkte: Kein CO2-Ausstoß. Das Ziel ist die ATP-Produktion, und das Endprodukt ist Laktat (Milchsäure).

Alkoholische Gärung

• Vorkommen: Bei Hefe, Amöben und einigen Protozoen.
• Ort: Zytosol.
• Produkte: CO₂-Freisetzung. Das Ziel ist die ATP-Produktion, und das Endprodukt ist Ethanol (Alkohol).