Gasaustausch

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Gasaustausch

Der Gasaustausch ist der Prozess, bei dem Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen dem Blutkreislauf und der Lunge übertragen werden. Dies ist die Hauptfunktion des Atmungssystems und wesentlich für die Sicherstellung einer konstanten Sauerstoffversorgung des Gewebes sowie für den Abtransport von Kohlendioxid, um dessen Anhäufung zu verhindern.

In diesem Artikel werden die Prinzipien des Gasaustauschs, Faktoren, die die Austauschrate beeinflussen, und relevante klinische Bedingungen erörtert.

Physik der Gasdiffusion

Die Bewegung von Gasen in einem abgeschlossenen Raum (in diesem Fall die Lunge) ist zufällig, aber insgesamt führt die Diffusion zu einer Bewegung von Bereichen mit hoher Konzentration zu solchen mit niedriger Konzentration. Die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases wird in erster Linie durch das

• Konzentrationsgefälle beeinflusst: Je größer das Gefälle ist, desto schneller ist die Geschwindigkeit.
• Oberfläche für die Diffusion: Je größer die Oberfläche, desto schneller die Rate.
• Länge des Diffusionsweges: Je größer die Länge des Weges ist, desto langsamer ist die Geschwindigkeit.

Durch die Kollision der Gasmoleküle mit den Seiten des Behälters entsteht ein Druck. Dieser wird durch das ideale Gasgesetz definiert, das in der folgenden Gleichung angegeben ist:

(n steht für die Anzahl der Mole, R für die Gaskonstante (8.314), T die absolute Temperatur und V das Volumen des Behälters)

Abb. 1 – Gleichung zur Berechnung des Drucks eines Gases in einem Behälter

Diffusion von Gasen durch Gase

Wenn Gase durch andere Gase diffundieren (wie z.B. in den Lungenbläschen), kann ihre Diffusionsgeschwindigkeit durch das Grahamsche Gesetz definiert werden:

„Die Diffusionsgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der molaren Masse bei gleichem Druck und gleicher Temperatur.“

Mit anderen Worten: Je kleiner die Masse eines Gases ist, desto schneller diffundiert es.

Diffusion von Gasen durch Flüssigkeiten

Wenn Gase durch Flüssigkeiten diffundieren, zum Beispiel durch die Alveolarmembran und in das Kapillarblut, ist die Löslichkeit der Gase wichtig. Je löslicher ein Gas ist, desto schneller diffundiert es.

Die Löslichkeit eines Gases wird durch das Henry’sche Gesetz definiert, das besagt:

„Die Menge des gelösten Gases in einer Flüssigkeit ist proportional zu seinem Partialdruck über der Flüssigkeit“.

Wenn wir davon ausgehen, dass die Temperatur- und Druckbedingungen für alle Gase konstant bleiben (wie es in den Alveolen der Fall ist), dann sind es die inhärenten Unterschiede zwischen den verschiedenen Gasen, die ihre Löslichkeit bestimmen.

Kohlendioxid ist von Natur aus löslicher als Sauerstoff und diffundiert daher viel schneller als Sauerstoff in Flüssigkeit.

Ficksches Gesetz

Das Ficksche Gesetz gibt uns eine Reihe von Faktoren an, die die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases durch eine Flüssigkeit beeinflussen:

• Der Partialdruckunterschied an der Diffusionsbarriere.
• Die Löslichkeit des Gases.
• Die Querschnittsfläche der Flüssigkeit.
• Der Abstand, den die Moleküle zur Diffusion benötigen.
• Das Molekulargewicht des Gases.
• Die Temperatur der Flüssigkeit – spielt in der Lunge keine Rolle und kann mit 37oC angenommen werden.

In der Lunge ist Sauerstoff zwar kleiner als Kohlendioxid, aber der Unterschied in der Löslichkeit bedeutet, dass Kohlendioxid etwa 20 Mal schneller diffundiert als Sauerstoff.

Dieser Unterschied in der Diffusionsgeschwindigkeit der einzelnen Moleküle wird durch den großen Unterschied in den Partialdrücken von Sauerstoff kompensiert, wodurch ein größerer Diffusionsgradient als bei Kohlendioxid entsteht.

Das bedeutet jedoch, dass bei Krankheiten, die die Fähigkeit der Lunge beeinträchtigen, ausreichend mit Sauerstoff zu belüften, der Sauerstoffaustausch oft vor dem Kohlendioxidaustausch beeinträchtigt ist.

Sauerstoffdiffusion

Der Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen ist im Vergleich zur äußeren Umgebung niedrig. Dies ist auf die kontinuierliche Diffusion von Sauerstoff durch die Alveolarmembran und den Verdünnungseffekt des Kohlendioxids zurückzuführen, das in die Alveolen eintritt, um den Körper zu verlassen.

Trotz dessen ist der Partialdruck in den Alveolen immer noch höher als in den Kapillaren, was zu einer Nettodiffusion ins Blut führt. Nachdem es durch die Alveolar- und Kapillarmembranen diffundiert ist, verbindet es sich mit Hämoglobin. Dadurch entsteht Oxyhämoglobin, das den Sauerstoff über den Blutkreislauf zu den atmenden Geweben transportiert.

Weitere Informationen zum Sauerstofftransport im Blut finden Sie hier.

Bei körperlicher Anstrengung verbringt das Blut bis zur Hälfte der normalen Zeit (eine Sekunde in Ruhe) in den Lungenkapillaren, da das Blut aufgrund der erhöhten Herzleistung schneller durch den Körper fließt. Die Sauerstoffdiffusion ist jedoch innerhalb einer halben Sekunde nach Ankunft der Blutzelle in der Kapillare abgeschlossen, was bedeutet, dass der Gasaustausch bei körperlicher Betätigung nicht eingeschränkt ist.

Abb. 2 – Diagramm mit den Partialdrücken von Sauerstoff und Kohlendioxid im Atmungssystem

Diffusion von Kohlendioxid

Der Partialdruck von Kohlendioxid in den Kapillaren ist viel höher als der in den Alveolen. Dies bedeutet, dass eine Nettodiffusion aus den Kapillaren in die Alveolen stattfindet. Das Kohlendioxid kann dann ausgeatmet werden, da der Partialdruck in den Alveolen ebenfalls höher ist als der Partialdruck in der äußeren Umgebung.

Kohlendioxid wird im Blut auf vielfältige Weise transportiert, u. a. in gelöster Form, in Verbindung mit Proteinen und als Bicarbonat-Ionen. Weitere Informationen zum Transport von Kohlendioxid im Blut finden Sie hier.

Diffusionsbarriere

Die Diffusionsbarriere in der Lunge besteht aus den folgenden Schichten:

• Alveolarepithel
• Gewebeflüssigkeit
• Kapillarendothel
• Plasma
• Rotzellmembran

Abb. 3 – Diagramm der Schichten, die die Diffusionsbarriere in der Lunge bilden

Faktoren, die die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen

Es gibt viele Eigenschaften, die die Diffusionsgeschwindigkeit in der Lunge beeinflussen können. Zu den wichtigsten Faktoren gehören:

• Membrandicke – je dünner die Membran, desto schneller die Diffusionsrate. Die Diffusionsbarriere in der Lunge ist extrem dünn, aber einige Bedingungen führen zu einer Verdickung der Barriere, wodurch die Diffusion beeinträchtigt wird. Beispiele hierfür sind:
  • Flüssigkeit im interstitiellen Raum (Lungenödem).
  • Verdickung der Alveolarmembran (Lungenfibrose).
• Membranoberfläche – je größer die Oberfläche, desto schneller die Diffusionsrate. Die Lunge hat normalerweise aufgrund der Alveolen eine sehr große Oberfläche für den Gasaustausch.
  • Krankheiten wie das Emphysem führen zur Zerstörung der Alveolararchitektur, was zur Bildung großer luftgefüllter Räume führt, die als Bullae bezeichnet werden. Dies verringert die verfügbare Oberfläche und verlangsamt den Gasaustausch.
• Druckdifferenz über die Membran
• Diffusionskoeffizient des Gases

Klinische Relevanz – Emphysem

Emphysem ist eine chronische, fortschreitende Erkrankung, die zu einer Zerstörung der Alveolen in der Lunge führt. Dies führt zu einer stark verringerten Oberfläche für den Gasaustausch in der Lunge, was typischerweise zu Hypoxie (Atemstillstand vom Typ 1) führt.

Das Hauptsymptom des Emphysems ist Kurzatmigkeit, aber die Patienten können auch unter Keuchen, anhaltendem Husten oder Engegefühl in der Brust leiden. Das Emphysem bildet zusammen mit der chronischen Bronchitis das Krankheitsbild der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD). Die häufigste Ursache ist das Rauchen, aber auch andere Risikofaktoren wie Passivrauchen, Rauch oder Staub am Arbeitsplatz und das Leben in Gebieten mit hoher Luftverschmutzung sind zu nennen.

Die Behandlung hängt vom Stadium der Erkrankung ab (d. h. vom Grad der Symptome und der Verengung der Atemwege), umfasst aber in der Regel:

• Raucherentwöhnung.
• Bronchodilatatoren zur Verringerung der Bronchialverengung.
• Inhalative Kortikosteroide zur Verringerung der Atemwegsentzündung.
• Antibiotika und orale Steroide bei Verschlimmerung der Krankheit.
• Langzeit-Sauerstofftherapie (LTOT) bei schwerem Krankheitsverlauf.

Abb. 4 – Emphysematöse Lunge