Kontrolle der Atmung und der Gasaustausch

Kontrolle der Atmung

Das Atemzentrum, das sich in Pons und Medulla des Hirnstamms befindet, besteht aus mehreren Kernen, die die grundlegende Atemfrequenz erzeugen und verändern. Es ist der zentrale Atemrhythmusgenerator, der automatisch funktioniert. Es gibt zwei verschiedene Gruppen von Kernen:

1. Dorsale respiratorische Gruppe: Inspiratorische Neuronen, die hauptsächlich das Zwerchfell steuern.
2. Ventrale respiratorische Gruppe: Steuert die exspiratorischen Muskeln während der aktiven Exspiration und einige inspiratorische Muskeln während intensiver Anstrengung.

Chemorezeptoren

Zentrale Chemorezeptoren: Befinden sich im ZNS an der ventrolateralen Oberfläche der Medulla. Sie reagieren auf Veränderungen des pH-Werts und des pCO₂ der extrazellulären Flüssigkeit, die sie umgibt, und regulieren die Atmung kontinuierlich. Diese Rezeptoren senden Signale an den zentralen Rhythmusgenerator, um die Atemfrequenz und -tiefe zu erhöhen, wenn der pCO₂ ansteigt und der pH-Wert sinkt, um diese Werte wieder zu normalisieren.

Periphere Chemorezeptoren: Spezialisierte Zellen, die sich im Aortenbogen (Aortenstellen) und an der Bifurkation der rechten und linken Halsschlagader (Karotisstellen) im Hals befinden. Sie erkennen Veränderungen des pO₂ (dies sind die einzigen Chemorezeptoren, die auf diesen Reiz reagieren), des pCO₂ oder des pH-Werts. Auch diese Chemorezeptoren senden afferente Informationen an das zentrale Atemzentrum.

Gasaustausch und Diffusionsgesetze

Ficksches Diffusionsgesetz

Die Diffusion eines Gases in eine Flüssigkeit beruht hauptsächlich auf der Partialdruckdifferenz auf beiden Seiten der alveolokapillären Membran.

• Große Unterschiede in den Partialdrücken zwischen CO₂ und O₂.
• Im arteriellen Blut: pO₂ = 100 mmHg, pCO₂ = 40 mmHg.
• Im venösen Blut: pO₂ = 40 mmHg, pCO₂ = 46 mmHg.
• Ventilations-Perfusions-Verhältnis (V_A/Q) = 0,8 bei gesunden Menschen im Ruhezustand. Ein Ungleichgewicht führt zu einer Störung des Gastransfers zwischen CO₂ und O₂. In Ruhe: V_A = 5 l/min und Q = 6 l/min.

Boylesches Gesetz

Das Druck-Volumen-Verhältnis. Dieses Gesetz besagt, dass sich bei Halbierung des Volumens der Druck verdoppelt und umgekehrt. Sie sind umgekehrt proportional. P₁ x V₁ = P₂ x V₂.

Daltonsches Gesetz

Der Partialdruck eines Gases ist direkt proportional zu seiner Konzentration. Der Gesamtdruck eines Gasgemisches ist gleich der Summe der Partialdrücke der einzelnen Gase. Partialdruck = (Konzentration des Gases [%] x Gesamtdruck des Gemisches). P_gesamt = p₁ + p₂ + p₃ + ... + p_n.

Henrysches Gesetz

Das Volumen eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases, das sich nicht chemisch mit der Flüssigkeit verbindet, ist direkt proportional zu seinem Partialdruck. Volumen des gelösten Gases = Partialdruck x K (Löslichkeitskoeffizient des Gases).

Lungenvolumina und -kapazitäten

• VC (Atemzugvolumen): Luftmenge, die bei normaler Atmung bewegt wird. Durchschnittlicher Wert in Ruhe: 500 ml.
• VRI (Inspiratorisches Reservevolumen): Luftmenge, die nach normaler Inspiration zusätzlich eingeatmet werden kann.
• VRE (Exspiratorisches Reservevolumen): Luftmenge, die nach normaler Exspiration zusätzlich ausgeatmet werden kann.
• VR (Residualvolumen): Luftmenge, die nach maximaler Exspiration in der Lunge verbleibt. Durchschnittlicher Wert: 150 ml.
• CV (Vitalkapazität): Maximale Luftmenge, die bei maximaler Inspiration und Exspiration bewegt werden kann. CV = VC + VRI + VRE.
• TLC (Totale Lungenkapazität): Gesamtluftmenge, die die Lunge enthalten kann. TLC = VC + VR.
• CI (Inspirationskapazität): Gesamtluftmenge nach maximaler Inspiration. CI = VC + VRI.
• CRF (Funktionelle Residualkapazität): Luftmenge, die nach normaler Exspiration in der Lunge verbleibt. CRF = VRE + VR.

Faktoren, die die Sauerstoffaffinität von Hämoglobin beeinflussen

Der pH-Wert (Bohr-Effekt), die Temperatur, CO₂ (Haldane-Effekt) und Metaboliten wie 2,3-DPG verändern die Affinität von Hämoglobin für O₂ und verschieben die Sättigungskurve nach rechts.

Die Menge an Gas, die in eine Flüssigkeit diffundiert, ist proportional zur Partialdruckdifferenz des Gases und seiner Löslichkeit (k) in der Flüssigkeit (CO₂ ist 20-mal besser löslich als O₂, daher seine Bedeutung für Hämoglobin).