Physiologie Mensch

Atmung, Diffusion in der Lunge

Mit Atmung bezeichnet man den Gasaustausch im Körper, wobei molekularer Sauerstoff aufgenommen und in die Zellen transportiert und dort in der Atmungskette zu Wasser reduziert wird; im Gegenzug wird Kohlendioxid produziert und abgegeben. Diffusion ist der ohne äußere Einwirkung eintretende Ausgleich von Konzentrationsunterschieden des Gases Atemluft, verursacht durch die zufällige Eigenbewegung der Stoffteilchen (Brown’sche Molekularbewegung). Im menschlichen Körper spielt der Gasaustausch durch Membranen bei der Atmung eine wichtige Rolle.

Atmung Atemwege Lunge mit Bronchien und Lungenbläschen
Darstellung der Atemwege, Luftröhre, Bronchien und Lungen mit Lungenbläschen (Alveole). Als Atemwege werden alle Anteile des respiratorischen Systems (luftleitenden Abschnitte des Respirationstrakts) bezeichnet, die als Leitungsbahnen zwischen Außenwelt und Alveolen dienen.
Physiologie Atmung Diffusion in Lungenbläschen Alveolen des Menschen
Histologie der Lungenbläschen (Alveolen) mit arteriovenösem Gefäßbett; hier findet der Austausch (Diffusion) der Atemgase statt (Ficksches Gesetz), ein Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und vollständigen Durchmischung mehrerer Stoffe führt.

Unter Atmung (Respiratio) versteht man allgemein den aeroben, das heißt Sauerstoff verbrauchenden Abbau (Dissimilation) von Stoffen zur Energiegewinnung und die damit einhergehende Abgabe von Kohlendioxid.
Der Primärprozess der äußeren Atmung besteht immer in einer Diffusion und ist an ein Gaspartialdruckgefälle (Partialdruck) gebunden. Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt von verschiedenen Parametern (Diffusionsfläche, Partialdruckgefälle bzw. Konzentrationsgradienten, Diffusionsstrecke) ab. Das Ficksche Diffusionsgesetz (Diffusion) beschreibt die Zusammenhänge quantitativ.

Atemorgane zur Atmung des Menschen

Die äußere Atmung findet im Alveolarbereich der Lungen statt. Die Alveolen (Lungenbläschen, Alveolus) sind die strukturellen Elemente der Lunge, in denen bei der Atmung der Gasaustausch zwischen Blut und Alveolarluft erfolgt. Die Alveolen haben die Form kleiner Bläschen. Sie sind weinrebenartig um einen Alveolargang (Ductus alveolaris) herum zu Alveolarsäckchen (Sacculi alveolares) zusammengefasst, die an den Enden der Bronchiolen ansetzen. Eine einzelne Alveole hat eine rundliche bis polygonale Grundform. Der Alveolendurchmesser ist abhängig vom Entfaltungszustand und schwankt in Inspiration und Exspiration zwischen 50 und 250 µm. Die Zahl der Alveolen wird auf ungefähr 300 Millionen und ihre Gesamtoberfläche auf 80 bis 120 m2 geschätzt. Die Alveolen sind eng mit dem Kapillarsystem der Lunge verbunden.

In den Alveolen findet der Austausch der Atemgase zwischen den ausgefüllten Hohlräumen und dem Blut in den Lungenkapillaren statt. Beide Basalmembranen sind großteils miteinander verschmolzen. Das alveoläre Epithel ist so dünn, dass die Atemgase Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff von osmotischen Kräften getrieben hindurch diffundieren können.
Verantwortlich für den Gasaustausch ist der in den roten Blutkörperchen enthaltene Blutfarbstoff Hämoglobin. Jedes Hämoglobinmolekül besteht aus vier Untereinheiten, die jede jeweils eine Hämgruppe enthalten. Im Zentrum der Hämgruppe ist ein Eisen-Ion gebunden. Dieses Eisen übt eine starke Anziehungskraft (sog. Affinität) auf Sauerstoff aus, wodurch der Sauerstoff an das Hämoglobin gebunden wird.

Atemvorgang Diffusion von Sauerstoff und Kohlendioxid

Die Diffusion transportiert O2 und CO2 durch die Alveolarwand entlang dem Partialdruckgefälle. O2 diffundiert ins Kapillarblut, CO2 in die Alveolarluft.
Vor den Alveolen befindet sich der Totraum der Atemwege. Er erwärmt und sättigt die Luft mit Wasserdampf, was Gaslösung und Diffusion in der Alveole sichert. Schleim- und Flimmerzellen seiner Wand reinigen die Luft. Die Atemwege enden in den Alveolen. Die spaltförmigen Lungenkapillare nehmen CO2-reiches, O2-armes venöses Blut aus der A. pulmonalis auf. Dieses fließt als arterielles Blut mit hohem pO2 und niedrigem pCO2 in die V. pulmonalis ab.
Die Alveolarwand teilt Blutraum und Luftraum. Sie besteht aus dichtem Kapilarendothel, der dünnen Basalmembran aus Bindegewebe und dem dünnen Albeolarepithel mit dicken Zellen zur Bildung des Surfactant. Surfactant (surface active agent) bedeutet grenzflächenaktive Substanz. Eine spezielle oberflächenaktive Substanz von spezialisierten Lungenzellen (Pneumozyten Typ II) bestehend aus Phospholipide und Proteine im Verhältnis 10:1.

Ficksches Diffusionsgesetz zum Gasaustausch

Der Austausch folgt dem Fickschen Diffusionsgesetz. Er ist vollständig, da die Kontaktzeit (t) ausreicht. Die transportieren Volumen (Q) betragenin Ruhe beim Erwachsenen pro Zeit
Q/t = V O2 = 250 ml O2/min und
Q/t = V CO2 = 300 ml CO2/min.
Den Transport bestimmen die Diffusionskonstante (D) als Durchlassfähigkeit der Alveolarwand, die Austauschfläche (F) aus ventilierter Alveolaroberfläche im Kontakt mit durchströmten Kapillaren, der Diffusionsweg (L) aus der Dicke der Alveolarwand und das Partikeldruckgefälle (∆p) für O2 und CO2 als treibende Kraft und Anzeiger der Transportrichtung.

Die Diffusionskapazität der Lunge DL = D:F/L erlaubt die klinische Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Diffusion nach DL = V/∆p aus transportiertem Volumen pro Zeit Q/t, gemessen als O2-Aufnahme der CO2-Abgabe V, und mittlerem Partialdruckgefälle zwischen Kapillarblut und Alveolarluft ∆p.
 
Physiologie Gasaustausch durch Partialdruck Lungenbläschen Alveolen bei Atmung des Menschen
Die Partialdrücke von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Atemluft und die Druckunterschiede in der Außenluft sind für einen funktionierenden Gasaustausch von Bedeutung.
Ventilation und Diffusion, Gastaustausch zwischen Alveolen und Lungenkapillare Blutkapillare
Ventilation und Diffusion, Gastaustausch zwischen Alveolen und Lungenkapillare. Im menschlichen Körper spielt der Gasaustausch durch permeable (durchlässige) Membranen bei der Atmung eine entscheidende Rolle. Für einen hinreichenden Gasaustausch müssen folgende Vorraussetzungen erfüllt sein: ausreichende Ventilation der Lunge; ungestörte Diffusion der Atemgase in den Alveolen; ausreichende Durchblutung der Lunge (Perfusion).

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