Herz-Kreislauf-System: Biologie und Funktion

Herzsystem

Das Kreislauf- und Herz-Kreislauf-System ist ein großes Netzwerk von Rohren verschiedener Typen und Größen, die alle Teile des Körpers verbinden. In diesen Rohren zirkuliert das Blut, angetrieben durch die rhythmische Kontraktion des Herzens.

Funktionen des Herz-Kreislauf-Systems

Das System ermöglicht, dass einige Aktivitäten mit großer Effizienz ausgeführt werden:

• Gastransport: Die Lungen, verantwortlich für die Sauerstoffaufnahme und die Ausscheidung von Kohlendioxid, kommunizieren über das Blut mit den übrigen Geweben des Körpers.
• Nährstofftransport: Im Magen-Darm-Trakt passieren Nährstoffe aus der Verdauung ein dünnes Epithel und erreichen das Blut. Über diese wahre "Autobahn" werden Nährstoffe zu den Geweben des Körpers transportiert, wo sie in die interstitielle Flüssigkeit diffundieren, um die Zellen zu baden.
• Stoffwechselabfalltransport: Bei der Zellaktivität entstehen metabolische Rückstände, die so schnell wie möglich zu ausscheidenden Organen transportiert werden müssen. Der Transport dieser Substanzen zu den Exkretionsorganen erfolgt durch das Blut.
• Hormontransport: Hormone sind Substanzen, die von bestimmten Organen abgesondert, über das Blut verteilt und in der Lage sind, die Funktion anderer Körperorgane zu verändern. Cholecystokinin beispielsweise wird während der Passage von Nahrung durch das Duodenum produziert und ins Blut abgegeben. Einer seiner Effekte ist die Förderung der Kontraktion der Gallenblase und die Freigabe von Galle in das Duodenum.
• Stoffaustausch: Einige Substanzen werden in einem Teil des Körpers produziert oder gespeichert und in einem anderen Teil eingesetzt. Leberzellen beispielsweise speichern Glykogenmoleküle, die bei Bedarf freigesetzt und als Glukose über das Blut zu anderen Körperzellen transportiert werden.
• Wärmetransport: Das Blut wird auch zur homogenen Temperaturverteilung durch die verschiedenen Körperteile verwendet, um eine adäquate Betriebstemperatur in allen Regionen aufrechtzuerhalten; es ermöglicht zudem, Wärme bis zur Körperoberfläche zu transportieren, wo sie abgegeben werden kann.
• Verteidigungsmechanismen: Durch das Blut zirkulieren Antikörper und Phagozyten, Komponenten des Abwehrmechanismus gegen Infektionen.
• Blutgerinnung: Thrombozyten zirkulieren im Blut als Bruchstücke von Knochenmarkszellen (Megakaryozyten) mit Funktion bei der Blutgerinnung. Das Blut enthält zudem Gerinnungsfaktoren, die eventuelle Lecks bei einem Riss der Blutgefäße blockieren können.

Komponenten des Herz-Kreislauf-Systems

Die wichtigsten Komponenten des Systems sind: Herz, Blutgefäße, Blut, Lymphgefäße und Lymphknoten.

Herz

Das menschliche Herz weist, wie das der anderen Säugetiere, vier Kammern auf: zwei obere, genannt Vorhöfe (oder Atrien), und zwei untere Ventrikel. Das rechte Atrium kommuniziert mit dem rechten Ventrikel durch die Trikuspidalklappe. Das linke Atrium kommuniziert mit dem linken Ventrikel durch die Biskuspidalklappe oder Mitralklappe. Die Herzklappen garantieren, dass das Blut nur in eine Richtung fließt, immer von den Vorhöfen zu den Kammern.

Die Herzkammern kontrahieren und dilatieren sich im Durchschnitt 70 Mal pro Minute. Der Kontraktionsprozess jeder Kammer im Myokard (Herzmuskel) wird als Systole bezeichnet. Die Entspannung zwischen einer Systole und der folgenden ist die Diastole.

Elektrische Aktivität des Herzens

Bild: Avancini & Favaretto. Biologia - Uma abordagem evolutiva e ecológica. Vol. 2. São Paulo, Ed. Moderna, 1997.

Sinoatrialer (SA) Knoten oder Schrittmacher: Spezielle Region des Herzens, die die Herzfrequenz kontrolliert. Sie befindet sich nahe der Junction zwischen rechtem Vorhof und der Vena cava superior und wird durch eine Agglomeration spezialisierter Muskelzellen gebildet. Die rhythmische Kontraktionsfrequenz dieser Muskelfasern beträgt ca. 72 Mal pro Minute, während die Vorhofmuskelfasern sich mit etwa 60 Mal und die Ventrikelmuskulatur mit etwa 20 Mal pro Minute zusammenziehen. Aufgrund der Tatsache, dass der SA-Knoten im Vergleich zu anderen Teilen des Herzens eine schnellere Rhythmusfrequenz besitzt, breiten sich die Impulse des SA-Knotens zu den Vorhöfen und Kammern aus und stimulieren diese Bereiche schnell, weshalb der SA-Knoten den Rhythmus des Herzens vorgibt und als Schrittmacher bezeichnet wird.

Purkinje-System / Atrioventrikuläres Bündel: Obwohl der Herzstoß perfekt durch alle Herzmuskelfasern laufen kann, besitzt das Herz ein besonderes System namens Purkinje-System oder atrioventrikuläres Bündel. Es besteht aus spezialisierten Herzmuskelfasern, den Purkinje-Fasern (oder His-Bündeln, atrioventrikulären Myozyten), die die Impulse mit einer ca. 6 Mal größeren Geschwindigkeit als der normale Herzmuskel übertragen (ca. 2 m pro Sekunde im Gegensatz zu 0,3 m pro Sekunde des Herzmuskels).

Nervöse Kontrolle des Herzens

Obwohl das Herz seine eigenen Kontrollsysteme besitzt und ohne äußere Einflüsse weiterarbeiten kann, kann seine Wirksamkeit stark durch regulatorische Impulse des zentralen Nervensystems verändert werden. Das mit dem Herzen verbundene Nervensystem erfolgt über zwei verschiedene Gruppen von Nerven: das parasympathische und das sympathische System.

Die Stimulation der parasympathischen Nerven bewirkt folgende Effekte am Herzen: (1) Verringerung der Frequenz der Herzschläge, (2) Verminderung der Kontraktionskraft der Vorhofsmuskelfasern, (3) Verringerung der Leitungsgeschwindigkeit von Impulsen durch den AV-Knoten (atrioventrikulär), was die Verzögerungszeit zwischen der Kontraktion der Vorhöfe und Kammern erhöht, und (4) Verminderung des Koronargefäßflusses, der die Ernährung des Herzmuskels selbst aufrechterhält.

Alle diese Effekte lassen sich zusammenfassen, indem man sagt, dass die parasympathische Stimulation alle Aktivitäten des Herzens verringert. Normalerweise wird die Herzfunktion durch den Parasympathikus während der Zeit der Ruhe oder in Ruhezuständen des Körpers reduziert. Dies schont die Ressourcen des Herzens, da in Ruhezeiten unbestreitbar weniger Verschleiß am Organ stattfindet.

Die Stimulation der sympathischen Nerven zeigt genau entgegengesetzte Effekte auf das Herzen: (1) Erhöhung der Herzfrequenz, (2) Erhöhung der Kontraktionskraft und (3) Erhöhung des Blutflusses in den Herzkononargefäßen, wodurch die Ernährung des Herzmuskels steigt. Diese Effekte lassen sich zusammenfassen, indem man sagt, dass die sympathische Stimulation die Aktivität des Herzens als Pumpe erhöht und manchmal die Blutpumpkapazität um bis zu 100 Prozent steigert. Dieser Effekt ist notwendig, wenn ein Individuum Stresssituationen, wie anstrengenden Übungen, übermäßiger Hitze oder anderen Bedingungen ausgesetzt ist, die schnell einen erhöhten Blutfluss durch das Kreislaufsystem erfordern. Folglich stellen die sympathischen Effekte auf das Herz einen Notfallmechanismus dar, der das Herz bei Bedarf stärker schlagen lässt.

Postganglionäre sympathische Neuronen des Nervensystems sekretieren vor allem Noradrenalin, weshalb sie als adrenerge Neuronen bezeichnet werden. Die sympathische Stimulation fördert zudem die Sekretion von Adrenalin durch die Nebennieren. Adrenalin ist verantwortlich für Tachykardie (beschleunigten Herzschlag), Erhöhung des arteriellen Drucks und der Atemfrequenz, erhöhte Sekretion von Blutglukose, psychische Aktivität sowie die Konstriktion der Hautblutgefäße.

Der von postganglionären Neuronen des parasympathischen Nervensystems ausgeschiedene Neurotransmitter ist Acetylcholin, weshalb sie cholinerge Neuronen genannt werden und im Allgemeinen antagonistische Effekte zu den adrenergen Neuronen haben. Daher fördert die parasympathische Stimulation Bradykardie (Reduktion der Herzschläge), Verminderung des arteriellen Drucks und Entspannung der Atemmuskulatur, antagonistisch zu den anderen Effekten von Adrenalin.

Im Allgemeinen erhöht die Stimulation des hinteren Hypothalamus den arteriellen Druck und die Herzfrequenz, während die Stimulation des präoptischen Bereichs in der vorderen Portion des Hypothalamus entgegengesetzte Effekte hervorruft und eine bemerkenswerte Verminderung der Herzfrequenz und des arteriellen Drucks bewirkt. Diese Effekte werden über Zentren im Hirnstamm übertragen und von dort über das autonome Nervensystem übermittelt.

Lungenkreislauf und Systemischer Kreislauf

Blutgefäße

Die Blutgefäße bestehen aus drei Grundtypen: Arterien, Kapillaren und Venen.

Arterien

Arterien sind dickwandige Gefäße, die das Blut vom Herzen weg zu den Organen und Geweben des Körpers transportieren. Sie setzen sich aus drei Schichten zusammen: der innersten, dem Endothel, gebildet aus einer einzigen Schicht flacher Zellen; einer mittleren Schicht aus glattem Muskelgewebe; und der äußersten Schicht aus Bindegewebe, reich an elastischen Fasern.

Wenn das Blut aus den Herzkammern gepumpt wird und in die Arterien dringt, entspannen sich Elastin und Arterien, um den Blutdruck abzufangen. Entspannen sich die Arterien nicht oder reichen sie nicht aus, steigt der Innendruck des Blutes mit der Gefahr des Brechens der arteriellen Wände. So wird bei jeder Kammersystole eine Entspannungswelle erzeugt, die sich durch die Arterien von den Extremitäten bis zu den Arteriolen ausbreitet. Während der Ventrikeldiastole sinkt der Blutdruck. Dann erfolgt die Kontraktion der Arterien, die das zirkulierende Blut bis zur nächsten Systole aufrechterhält.

Kapillaren

Kapillaren sind kleine Gefäße an den Extremitäten, die Arteriolen und Venolen verbinden. Die Wand der Kapillaren besitzt eine einzige Zellschicht, das Endothel, entsprechend dem von Arterien und Venen.

Wenn das Blut durch die Kapillaren fließt, tritt ein Teil der Flüssigkeit durch die Kapillarwand aus und breitet sich zwischen den nahegelegenen Zellen aus, um diese mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. Die Zellen produzieren Kohlendioxid und eliminieren andere Exkrete in diese ausgetretene Flüssigkeit, die als Gewebsflüssigkeit (Tissularflüssigkeit) bezeichnet wird. Der größte Teil dieser Flüssigkeit wird von den Kapillaren resorbiert und fließt zum Blut zurück. Nur 1% bis 2% der Blutflüssigkeit entweichen aus dem venösen Abschnitt der Kapillare und werden stattdessen von einem parallelen Kreislaufsystem, dem Lymphsystem, aufgenommen, wo sie sich in Lymphe umwandelt und sich langsam durch mit Ventilen ausgestattete Lymphgefäße bewegt.

Im arteriellen Abschnitt der Kapillare ist der Blutdruck größer als der osmotische Plasmadruck -> Austritt von Wasser mit gelösten Substanzen. Im venösen Abschnitt der Kapillaren ist der Blutdruck reduziert und geringer als der osmotische Plasmadruck -> Rückführung von Flüssigkeit in das Blutgefäß.

Venen

Venen sind Gefäße, die zum Herzen zurückkehren und das Blut aus den Organen und Geweben heranbringen. Die Wand der Venen ist, wie die der Arterien, ebenfalls aus drei Schichten gebildet. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Muskelschicht und das Bindegewebe dünner als die entsprechenden arteriellen Schichten sind. Im Gegensatz zu Arterien weisen Venen ein größeres Kaliber und im Inneren Ventle auf, die den Rückfluss verhindern und den Blutfluss in nur eine Richtung garantieren.

Nach dem Passieren der Arteriolen und Kapillaren sinkt der Blutdruck stark und erreicht im Inneren der Venen niedrige Werte. Die Rückführung des Blutes zum Herzen ist größtenteils der Skelettmuskelkontraktion zu verdanken, die die Venen komprimiert und das Blut im Inneren verschiebt. Dank der Klappen kann das Blut nur in Richtung Herz weiterfließen.

Blut

Das Blut des Menschen besteht aus einer gelben Flüssigkeit, dem Plasma, und zellulären Elementen, allgemein als gebildete Elemente bezeichnet.

Plasma

Zelluläre Elemente

Genese oder Produktion der Erythrozyten im Knochenmark:
Proerythroblast -> Basophiler Erythroblast -> Polychromatophiler Erythroblast -> Normoblast -> Retikulozyt -> Erythrozyt.

Während der Anfangsstadien teilen sich die Zellen oft und verändern ihre Farbe aufgrund der progressiven Bildung größerer Mengen Hämoglobin. Im Normoblast-Stadium degeneriert der Zellkern und sie verwandeln sich in einen Retikulozyten. In diesem Stadium verlassen sie gewöhnlich das Knochenmark. Der Retikulozyt enthält noch kleine endoplasmatische Filamente und produziert weiterhin kleine Mengen Hämoglobin. Das Retikulum degeneriert jedoch nach ein oder zwei Tagen und wird zu einer reifen Zelle: dem Erythrozyten, der etwa 120 Tage im Blut fließt, bevor er zerstört wird.

Destruktion der Erythrozyten in der Milz:
Der Globanteil (proteinreicher Teil aus Aminosäuren) wird verdaut und wiederverwertet.

Der Häm-Anteil (prosthetische Gruppe mit Eisenatomen) von freigesetzten Hämoglobinzellen wird phagozytiert, verdaut und fast sofort fragmentiert, wobei Eisen in den Blutkreislauf freigesetzt wird, um zum Knochenmark (für die Produktion neuer roter Blutkörperchen) und zur Leber (Produktion des Gallenfarbstoffs Bilirubin) transportiert zu werden.

Eine Reduktion der Konzentration roter Blutkörperchen im Blut (Eryhtropenie) oder des Hämoglobins wird als Anämie bezeichnet, gekennzeichnet durch Müdigkeit und Kurzatmigkeit. Anämie kann viele Ursachen haben:

• Mangelanämien: Entstehen durch Mangel an bestimmten Nährstoffen in der Ernährung wie Eisen, Vitamin B12 und Folsäure. Eisenmangelanämie bei Eisenmangel; perniziöse Anämie bei Vitamin-B12-Mangel.
• Verlustanämien: Resultieren aus Blutverlust durch bestimmte Krankheiten wie Amöbenruhr, Hakenwurm (Amarelão), Geschwüre und Gastritis.

Hereditäre Anämien: Haben eine genetische Grundlage. Bei Thalassämie oder der "Mittelmeer-Anämie" liegt eine Unwucht in der Produktion der Betaketten des Hämoglobins vor, was zu einer schlechten Produktion normaler Moleküle führt. Sichelzellanämie entsteht durch den Austausch einer einzigen Aminosäure in der Betakette (Glutaminsäure zu Valin) des Hämoglobins. Bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen nehmen diese Erythrozyten Sichelform an und werden zerstört.

Aplastische Anämie: Krankheiten, die das rote Knochenmark beeinträchtigen und eine Verminderung der Produktion roter Blutkörperchen im Blut zur Folge haben. Bsp.: Leukämie.

Der Anstieg der roten Blutkörperchen im Blut (Erythrozytose) ist im Allgemeinen eine physiologische Anpassung des Körpers an große Höhenlagen, wo die Luft dünner ist. Da die Sauerstoffsättigung geringer als auf Meereshöhe ist und die Hämoglobinsättigung normal bleibt, führt dies zu einer verminderten Sauerstoffversorgung des Gewebes. Als physiologische Anpassung sezerniert die Niere Erythropoetin, das das Knochenmark anregt, mehr rote Blutkörperchen und Hämoglobin zu produzieren. Die erhöhte Anzahl dieser Zellen steigert die Fähigkeit zur Sauerstoffaufnahme aus der Luft.

Leukozyten (Weiße Blutkörperchen)

Spezialisierte Zellen für die Körperverteidigung, die Viren, Bakterien und andere Eindringlinge bekämpfen.

Das Phänomen, bei dem die Leukozytenzahl im Blut über 10.000/mm³ ansteigt, wird als Leukozytose bezeichnet; sinkt sie unter 2.000/mm³, nennt man es Leukopenie. Bei Leukämie (Krebs der weißen Blutkörperchen) findet man mehr als 100.000 weiße Zellen/mm³ Blut. Leukozytose tritt im Allgemeinen aufgrund einer Infektion auf, während Leukopenie den Körper für Infektionen prädisponiert.

Leukozyten werden ebenfalls im Knochenmark produziert.

Im Blut können Monozyten durch Diapedese (die Bewegung von Verteidigungszellen aus den Blutgefäßen heraus) wandern und sich in anderen Geweben niederlassen, wodurch sie verschiedene Zelltypen bilden, die alle die Fähigkeit zur Phagozytose gemeinsam haben: Im Bindegewebe geben sie den allgemeinen Makrophagen Ursprung, in der Leber den Kupffer-Zellen, im Nervengewebe den Mikrogliazellen.

Die Hämatopoese (Blutbildung) ist der Prozess der Bildung, Reifung und Freigabe von Blutzellen in den Blutkreislauf. Das hämatopoetische Bindegewebe oder retikuläre Gewebe ist der Produzent der Stämme von Leukozyten und Erythrozyten. Dieses Gewebe in der Milz und den Lymphknoten erhält den Namen lymphoides Gewebe. Im Inneren der roten Knochenmarksmedulla heißt dieses Gewebe myeloisch und nimmt die Räume zwischen den Blättern des schwammigen Knochens ein.

Blutkörperchen bilden sich ursprünglich aus sogenannten pluripotenten Stammzellen des roten Knochenmarks, die aktiv proliferieren und zwei verschiedene Zelllinien hervorbringen können: die lymphoide und die myeloische.

Die lymphoiden Zellen führen zur Lymphozytenlinie, während die myeloische Erythrozyten, andere Leukozyten und Blutplättchen produziert.

Thrombozyten (Blutplättchen)

Thrombozyten sind kleine ovale bis runde Scheiben mit etwa 2 mm Durchmesser, die am Blutgerinnungsprozess teilnehmen. Sie repräsentieren Fragmente von Megakaryozyten, sehr großen weißen Zellen des Knochenmarks. Die Megakaryozyten desintegrieren sich noch im Knochenmark und geben die Thrombozyten in das Blut ab. Eine normale Thrombozytenkonzentration im Blut liegt bei etwa 200.000 bis 400.000 pro Milliliter Blut.

Bei einer Reduktion der Anzahl zirkulierender Blutplättchen tritt Thrombozytopenie auf, die den Patienten für eine große Anzahl kleiner Blutungen (Blutpunkte) auf der Haut und in tiefen Geweben prädisponiert, da die Thrombozyten-Tamponade zur Unterbrechung kleiner Gefäßblutungen mangelhaft wird. Personen mit Thrombozytopenie haben auch eine erhöhte Blutungsneigung, wie Bluter. Thrombozytopenie kann genetisch bedingt sein, ist jedoch in der Mehrzahl der Fälle das Ergebnis von Intoxikationen (Toxine, Pestizide) oder Drogen.

Bei Thrombozytose tritt ein Anstieg der Zahl zirkulierender Thrombozyten auf, was zur Bildung von Thromben (Blutgerinnseln) führen kann und Individuen für Thrombosen prädisponiert, was die Verklumpung des Blutes im Inneren des Herzens oder der Gefäße darstellt. Dies ist meist genetisch bedingt.

Blutgerinnung

Mechanismus der Hämostase (Verhinderung von Blutverlust):

(1) Gefäßkrampf: Sofort nach einer Unterbrechung oder Durchtrennung eines Blutgefäßes erfolgt eine Vasokonstriktion (Kontraktion) des geschädigten Blutgefäßes. (2) Thrombozytenpfropf-Bildung: Ansammlung von Blutplättchen zur Bildung eines Pfropfs im beschädigten Gefäß (lokale Thrombozytenadhäsivität und Anhaftung der Thrombozyten aneinander).

(3) Blutgerinnung: Substanzen und Aktivitäten sowohl der traumatisierten Gefässwand als auch der Blutplättchen (unter anderem das Enzym Thromboplastin) leiten eine komplexe chemische Reaktionskaskade (Kettenreaktion) ein, die in Anwesenheit von Calcium-Ionen in der Umwandlung des Plasmaproteins Prothrombin in das aktive Enzym Thrombin gipfelt. Thrombin wiederum wandelt Fibrinogen in Fibrin um, dessen Filamente ein Netzwerk bilden, das Thrombozyten, Blutzellen und Plasma zurückhält und ein Blutgerinnsel bildet.

(4) Die Synthese einiger Gerinnungsfaktoren (wie Prothrombin) in der Leber ist von Vitamin K abhängig, dessen Mangel zu Blutungen führen kann. Ähnlich ist für die Umwandlung von Prothrombin in Thrombin die Anwesenheit von Calcium-Ionen erforderlich. Folglich kann ein Mangel an Vitamin K und/oder Calcium die Blutgerinnung beeinträchtigen und zu einer Blutungsneigung führen.

Hinweis: Die Blutgerinnungsfaktoren (mehr als 12) sind größtenteils proteolytische Enzyme in inaktiver Form. Sobald sie in ihre aktive Form umgewandelt werden, verursachen ihre Reaktionen eine enzymatische Kaskade des Gerinnungsprozesses.

(4) Regeneration: Wachstum von Gewebe in das Blutgerinnsel hinein, um das Leck im Gefäß zu schließen.

Hämophilie ist eine vererbte Erkrankung der Blutgerinnung, die auf die mangelnde Produktion eines Gerinnungsfaktors zurückzuführen ist. Die Gerinnung ist eine Kaskadenreaktion, bei der das Fehlen einer einzigen Komponente den gesamten Prozess unterbricht.