Gefäßabschnitte: Windkessel, Widerstand, Kapazität
Wie Aorta, Arterien, Arteriolen und Venen den stoßweisen Herzauswurf in einen gleichmäßigen Blutstrom verwandeln, den Widerstand einstellen und Blut speichern.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Gefäßabschnitte folgen der Reihe Aorta, Arterien, Arteriolen, Kapillaren, Venolen, Venen und haben je eigene Funktionen: Windkessel, Widerstand, Kapazität.
- Arterien führen Blut vom Herzen weg, Venen zum Herzen hin. Die meisten Blutvolumens liegt im venösen Teil des Körperkreislaufs (Kapazitätsgefäße).
- Herznahe Arterien wie Aorta und Truncus pulmonalis sind vom elastischen Typ, herzferne vom muskulären Typ. Mit der Entfernung vom Herzen nehmen elastische Fasern ab und glatte Muskulatur zu.
- Die Windkesselfunktion beruht auf den elastischen Fasern der Tunica media: Die Aorta wird in der Systole gedehnt und hält bei geschlossener Aortenklappe den Blutstrom in der Diastole aufrecht.
- Kleine Arterien und Arteriolen tragen den größten Teil des peripheren Widerstands und verändern ihn über ihre glatte Muskulatur.
- Endotheliales \(\ce{NO}\) relaxiert glatte Gefäßmuskulatur und wirkt vasodilatierend, Endothelin wirkt vasokonstriktorisch.
Worum es geht
Jeder Abschnitt des Gefäßbaums hat eine eigene Aufgabe. Die Aorta glättet den Puls, die Arteriolen bestimmen den Widerstand, die Venen speichern Blut. Wer das versteht, versteht auch, warum Nitrate oder Endothelin-Antagonisten am Kreislauf wirken.
Gefäßabschnitte und Blutverteilung
Vom linken Ventrikel gelangt das Blut in die Aorta. Von dort fließt es über die Arterien in immer kleinere Arteriolen und dann durch die Kapillaren, wo der Stoffaustausch stattfindet. Über Venolen sammelt es sich in den Venen, die es zum Herzen zurückführen.
Ob ein Gefäß Arterie oder Vene heißt, entscheidet allein die Flussrichtung. Arterien führen Blut vom Herzen weg, Venen zum Herzen hin. Der Sauerstoffgehalt zählt dafür nicht. Der Truncus pulmonalis ist deshalb eine Arterie, obwohl er sauerstoffarmes Blut zur Lunge bringt (siehe Großer und kleiner Kreislauf).
Der größte Teil des Blutvolumens, rund zwei Drittel, steckt im venösen Teil des Körperkreislaufs. Venen haben dünne, gut dehnbare Wände und einen weiten Querschnitt. Sie nehmen schon bei geringem Druck viel Volumen auf und heißen deshalb Kapazitätsgefäße. Man kann sie sich als Blutspeicher vorstellen, aus dem der Körper bei Bedarf Volumen mobilisiert.
Arterientypen
Arterien sind nicht überall gleich gebaut. Die Wandschichten Intima, Media und Adventitia erklärt Wandbau der Blutgefäße. Hier zählt die Zusammensetzung der Media.
Die großen herznahen Arterien, also Aorta und Truncus pulmonalis, sind Arterien vom elastischen Typ. Ihre Media enthält zahlreiche elastische Lamellen. Sie haben den höchsten Anteil elastischer Fasern in der Extrazellulärmatrix und damit die elastischsten Wände. Genau das befähigt sie zur Windkesselfunktion.
Je weiter eine Arterie vom Herzen entfernt liegt, desto weniger elastische Fasern und desto mehr glatte Muskulatur enthält ihre Media. Herzferne Arterien wie die A. femoralis gehören zum muskulären Typ. Ihre Muskulatur verstellt den Durchmesser aktiv und steuert so, wie viel Blut ein Organ erhält. Der Übergang zwischen beiden Typen ist fließend.
Windkesselfunktion
Das Herz pumpt stoßweise. Nur in der Systole wirft der linke Ventrikel sein Schlagvolumen aus (siehe Herzzyklus). In den Kapillaren fließt das Blut trotzdem nahezu gleichmäßig. Dafür sorgt die Windkesselfunktion der Aorta und der großen herznahen Arterien, wobei die Aorta den Hauptteil leistet.
Der Name stammt von alten Feuerspritzen. Dort fing eine Luftkammer die Pumpstöße auf und gab einen gleichmäßigen Wasserstrahl ab. In der Aorta übernimmt die Wand die Rolle der Luftkammer. Die Grundlage sind die elastischen Fasern der Tunica media.
- Systole: Die Aortenklappe ist offen. Der systolische Blutdruck dehnt die Aortenwand elastisch. Ein Teil des Schlagvolumens fließt sofort weiter, der Rest wird in der gedehnten Aorta gespeichert.
- Klappenschluss: Am Ende der Austreibung schließt die Aortenklappe. Sie verhindert den Rückstrom in den Ventrikel.
- Diastole: Die gedehnte Wand federt zurück. Der verbleibende Druck in der Aorta, der diastolische Blutdruck, treibt das gespeicherte Blut in die Peripherie.
- Ergebnis: Aus dem stoßweisen Auswurf wird ein kontinuierlicher Blutstrom.
Die Energie für den diastolischen Fluss stammt aus der Kontraktion des Ventrikels. Die Aorta gibt sie nur zeitversetzt ab. Einen Rückstrom in den linken Vorhof erzeugt der Windkessel nicht. In der Systole ist die Mitralklappe geschlossen, und die Aorta nimmt gerade Blut auf.
Arteriolen und Kapillaren besitzen keine ausgeprägte Windkesselfunktion. Ihre Wände enthalten kaum elastische Fasern, und ihr Volumen ist klein. Im Alter versteift die Aortenwand. Der Windkessel dämpft dann schlechter, und der systolische Druck steigt.
Die Windkesselfunktion wird im Examen gerne gefragt. Sie beruht auf den elastischen Fasern der Media von Aorta und großen herznahen Arterien und hält bei geschlossener Aortenklappe den Blutstrom in der Diastole aufrecht. Arteriolen und Kapillaren haben keine ausgeprägte Windkesselfunktion.
Peripherer Widerstand
Der periphere Widerstand, genauer totaler peripherer Widerstand, ist der Strömungswiderstand aller Gefäße des Körperkreislaufs. Er verknüpft Druck und Fluss so, wie das Ohmsche Gesetz Spannung und Strom verknüpft.
\[R = \frac{\Delta P}{\dot V}\]
\(R\) ist der periphere Widerstand (mmHg · min/L), \(\Delta P\) die Druckdifferenz zwischen Aorta und rechtem Vorhof (mmHg), \(\dot V\) das Herzzeitvolumen (L/min).
Den größten Anteil am peripheren Widerstand haben die kleinen Arterien und Arteriolen. Sie heißen deshalb Widerstandsgefäße. Das zeigt der Druckverlauf: In Aorta und großen Arterien pulsiert der Druck auf hohem Niveau. In den Arteriolen fällt er steil ab. In Kapillaren und Venen verläuft er nur noch flach.
Warum gerade die Arteriolen? Nach Hagen-Poiseuille hängt der Widerstand von der vierten Potenz des Radius ab: \(R \sim 1/r^4\). Halbiert sich der Radius, steigt der Widerstand auf das 16-Fache. Kapillaren sind zwar enger, liegen aber in riesiger Zahl parallel. Ihr Gesamtwiderstand bleibt daher kleiner.
Arteriolen haben im Verhältnis zum Lumen eine kräftige Schicht glatter Muskulatur. Sie können ihren Radius stark verändern. Deshalb verändern hauptsächlich sie den peripheren Gefäßwiderstand. Der Sympathikus verengt sie über \(\alpha_1\)-Rezeptoren, lokale Faktoren aus Gewebe und Endothel verstellen sie zusätzlich. Wie der Körper damit den Blutdruck regelt, zeigt Blutdruckregulation.
Aorta und große Arterien glätten den Puls (Windkessel), Arteriolen stellen den Widerstand ein, Venen speichern das Volumen (Kapazität).
Endotheliale Gefäßregulation
Das Endothel kleidet alle Gefäße innen aus. Es bildet Botenstoffe, die auf die benachbarte glatte Muskulatur wirken. Die beiden wichtigsten Gegenspieler sind Stickstoffmonoxid und Endothelin.
Stickstoffmonoxid (\(\ce{NO}\)) entsteht im Gefäßendothel aus L-Arginin durch die endotheliale NO-Synthase. Auslöser sind etwa die Schubspannung des strömenden Blutes, Acetylcholin oder Bradykinin. Das kleine Gasmolekül diffundiert in die glatten Gefäßmuskelzellen und relaxiert sie. Den Weg in der Zelle über cGMP beschreibt Signaltransduktion. Setzt das Endothel mehr \(\ce{NO}\) frei, erweitern sich die Arteriolen. Diese Vasodilatation senkt den peripheren Widerstand.
Endothelin ist ein Peptid, das ebenfalls im Endothel entsteht. Anders als \(\ce{NO}\) wirkt es vasokonstriktorisch, denn es kontrahiert die glatte Muskulatur. Endothelin-1 zählt zu den stärksten körpereigenen Vasokonstriktoren. Diese Gegenüberstellung wird im Examen gerne gefragt: Beide stammen aus dem Endothel, \(\ce{NO}\) erweitert, Endothelin verengt.
- Gas, im Endothel gebildet
- relaxiert glatte Gefäßmuskulatur
- Vasodilatation, Widerstand sinkt
- Peptid, im Endothel gebildet
- kontrahiert glatte Gefäßmuskulatur
- Vasokonstriktion, Widerstand steigt
Organische Nitrate wie Glyceroltrinitrat setzen \(\ce{NO}\) frei und erweitern vor allem die venösen Kapazitätsgefäße, etwa als Spray bei Angina pectoris. Endothelin-Rezeptorantagonisten wie Bosentan werden bei pulmonaler arterieller Hypertonie eingesetzt.
Quiz
Aussage 1
Bei geschlossener Aortenklappe treibt der Druck der zurückfedernden Aortenwand das Blut während der Diastole in die Peripherie.
Das ist die Windkesselfunktion: In der Systole gespeichertes Volumen wird in der Diastole weitergegeben, der Blutstrom bleibt kontinuierlich.
Aussage 2
Endothelin ist ein im Endothel gebildetes Peptid, das die glatte Gefäßmuskulatur relaxiert.
Endothelin kontrahiert die glatte Gefäßmuskulatur und wirkt vasokonstriktorisch. Relaxierend wirkt NO.
Aussage 3
Setzen Endothelzellen mehr \(\ce{NO}\) frei, erweitern sich die Arteriolen und der periphere Widerstand sinkt.
\(\ce{NO}\) relaxiert die glatte Muskulatur der Arteriolen, es kommt zur Vasodilatation.
Aussage 4
Der größte Anteil des Blutvolumens befindet sich in den Arterien des Körperkreislaufs.
Der größte Anteil, rund zwei Drittel, liegt im venösen Teil des Körperkreislaufs. Venen sind die Kapazitätsgefäße.
Aussage 5
Je weiter eine Arterie vom Herzen entfernt liegt, desto höher ist der Anteil elastischer Fasern in ihrer Media.
Mit zunehmender Herzentfernung nehmen die elastischen Fasern ab und die glatte Muskulatur zu. Herzferne Arterien sind vom muskulären Typ.
Aussage 6
Den größten Anteil am totalen peripheren Widerstand tragen die Kapillaren, weil sie die engsten Gefäße sind.
Den größten Anteil haben kleine Arterien und Arteriolen. Kapillaren liegen in großer Zahl parallel, ihr Gesamtwiderstand ist kleiner.
Aussage 7
Der Truncus pulmonalis zählt zu den Arterien, obwohl er sauerstoffarmes Blut führt.
Die Bezeichnung richtet sich nach der Flussrichtung: Der Truncus pulmonalis führt Blut vom Herzen weg.
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