Gasaustausch in der Lunge und Lungenperfusion
Wie Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen Alveole und Blut diffundieren, wovon die Austauschrate abhängt und was Diffusionslimitierung bedeutet.
Das Wichtigste in Kürze
- Der pulmonale Gasaustausch ist passive Diffusion von \(\ce{O2}\) und \(\ce{CO2}\) entlang ihrer Partialdruckgefälle zwischen Alveole und Kapillarblut.
- Eintretendes Blut hat einen niedrigeren \(p\ce{O2}\) und einen höheren \(p\ce{CO2}\) als die Alveolarluft; der \(p\ce{O2}\) ist in den Pulmonalarterien niedriger als in den Lungenvenen.
- Die alveolokapilläre Membran umfasst Alveolarepithel, Basallamina und Kapillarendothel; danach folgt die Erythrozytenmembran. Bronchialepithel und Surfactant verkürzen oder bilden sie nicht.
- Die Austauschrate steigt mit der Fläche und sinkt mit der Membrandicke; die Pleura spielt keine Rolle.
- CO baut wegen hoher Hb-Affinität kaum Plasmapartialdruck auf; seine Aufnahme ist diffusionslimitiert und dient zur Messung der Diffusionskapazität.
Worum es geht
In den Alveolen nimmt das Blut Sauerstoff auf und gibt Kohlendioxid ab. Beides geschieht rein passiv durch Diffusion. Wer das Prinzip verstanden hat, kann auch einordnen, warum ein Lungenödem oder eine Lungenfibrose die Sauerstoffaufnahme verschlechtert.
Prinzip des Gasaustauschs
Atemgase wandern ohne Energieaufwand durch Diffusion. Die treibende Kraft ist dabei nicht die Konzentration, sondern der Partialdruck jedes einzelnen Gases. Jedes Gas diffundiert unabhängig von den anderen vom Ort des höheren zum Ort des niedrigeren Partialdrucks.
Der Partialdruck eines Gases ist der Anteil am Gesamtdruck, den dieses Gas allein ausübt: \(p_i = x_i \cdot p_{ges}\), mit \(x_i\) als Volumenanteil. In Flüssigkeiten bezeichnet er den Druck, mit dem das gelöste Gas im Gleichgewicht mit einer Gasphase stünde.
Das Blut für den Austausch liefert der kleine Kreislauf. Der rechte Ventrikel pumpt sauerstoffarmes Blut über die Pulmonalarterien in die Lungenkapillaren. Die Lungenvenen führen es sauerstoffreich zum linken Vorhof zurück.
Partialdrücke
In der Alveolarluft herrscht ein \(p\ce{O2}\) von etwa 100 mmHg (13,3 kPa) und ein \(p\ce{CO2}\) von etwa 40 mmHg (5,3 kPa). Das gemischtvenöse Blut, das in die Lungenkapillaren eintritt, hat dagegen nur rund 40 mmHg \(\ce{O2}\), aber etwa 46 mmHg \(\ce{CO2}\).
Daraus ergeben sich zwei gegenläufige Gefälle. Der \(p\ce{O2}\) ist in der Alveole höher als im Kapillarblut, also strömt \(\ce{O2}\) ins Blut. Der \(p\ce{CO2}\) ist im eintretenden Blut höher als in der Alveole, also strömt \(\ce{CO2}\) in die Alveole. Am Ende der Passage hat sich das Blut der Alveolarluft angeglichen. Deshalb ist der \(p\ce{O2}\) in den Pulmonalarterien niedriger als in den Lungenvenen, obwohl Arterien sonst sauerstoffreiches Blut führen.
Diffusionsstrecke
Zwischen Alveolarluft und Hämoglobin liegt die alveolokapilläre Membran, insgesamt meist unter 1 µm dick. Sauerstoff passiert nacheinander das Alveolarepithel aus Typ-I-Pneumozyten, die gemeinsame Basallamina, das Kapillarendothel und einen dünnen Plasmasaum. Um an Hämoglobin zu binden, muss er zuletzt noch die Erythrozytenmembran durchqueren. Kohlendioxid nimmt denselben Weg in umgekehrter Richtung.
Das Bronchialepithel gehört nicht dazu, denn in den Bronchien findet kein Gasaustausch statt. Auch der Film aus Surfactant verkürzt die Strecke nicht. Er senkt die Oberflächenspannung und verhindert so den Kollaps der Alveolen.
Einflussgrößen der Austauschrate
Wie viel Gas pro Zeit übertritt, beschreibt das Fick’sche Diffusionsgesetz. Die Rate steigt mit der Austauschfläche und dem Partialdruckgefälle. Sie sinkt mit der Dicke der Membran.
\[\dot{V} = K \cdot \frac{A \cdot \Delta p}{d}\]
\(\dot{V}\): ausgetauschte Gasmenge pro Zeit (mL/min), \(K\): Diffusionskoeffizient des Gases, \(A\): Fläche (m²), \(\Delta p\): Partialdruckdifferenz (mmHg), \(d\): Dicke der Membran (µm).
Als Fläche zählen die Gesamtfläche der Alveolen, beim Erwachsenen etwa 100 m², und die anliegende Kapillarfläche. Als Dicke zählen Alveolarwand, Kapillarwand und damit die gesamte alveolokapilläre Membran. Ein Ödem oder eine Fibrose verdickt sie und bremst den Austausch. Die Dicke der Pleura geht nicht ein, weil sie die Lunge außen umhüllt und nicht zwischen Luft und Blut liegt.
Fasst man \(K\), \(A\) und \(d\) zusammen, erhält man die Diffusionskapazität \(D_L = \dot{V}/\Delta p\). Sie gibt an, wie viel Gas pro Minute und pro mmHg Gefälle die Lunge aufnimmt.
Kapillarpassage und Diffusionslimitierung
Ein Erythrozyt braucht in Ruhe etwa 0,75 s für die Kapillarpassage. Der \(p\ce{O2}\) im Blut erreicht den alveolären Wert schon nach rund 0,25 s. Der Rest der Strecke ist Reserve, etwa für die verkürzte Passage bei Belastung.
Im Diagramm lassen sich drei Typen unterscheiden. \(\ce{N2O}\) bindet nicht an Hämoglobin und gleicht sich sofort an. Mehr Aufnahme ist dann nur durch mehr Blutfluss möglich, die Aufnahme ist perfusionslimitiert. CO bindet dagegen extrem fest an Hämoglobin, wie unter Sauerstoffbindung und Kohlenmonoxid gezeigt. Es verschwindet sofort aus dem Plasma, sein Partialdruck bleibt nahe null. Das Gefälle bleibt über die ganze Passage erhalten.
Die CO-Aufnahme hängt damit nur von der Membran ab. Man nennt das Diffusionslimitierung. Deshalb misst man die Diffusionskapazität der Lunge mit niedrig dosiertem, eingeatmetem CO.
Lungendurchblutung
Der rechte Ventrikel pumpt praktisch sein gesamtes Schlagvolumen durch die Lunge. Die Lungendurchblutung entspricht daher näherungsweise dem gesamten Herzzeitvolumen, in Ruhe etwa 5 L/min.
Quiz
Aussage 1
Der \(p\ce{CO2}\) des Blutes, das in die Lungenkapillaren eintritt, liegt über dem alveolären \(p\ce{CO2}\).
Gemischtvenöses Blut hat etwa 46 mmHg \(\ce{CO2}\), die Alveolarluft etwa 40 mmHg. Deshalb diffundiert \(\ce{CO2}\) in die Alveole.
Aussage 2
Weil CO stark an Hämoglobin bindet und sein Plasmapartialdruck nahe null bleibt, eignet sich niedrig dosiertes CO zur Bestimmung der Diffusionskapazität der Lunge.
Das Gefälle bleibt über die gesamte Passage erhalten, die Aufnahme hängt nur von der Membran ab. Sie ist diffusionslimitiert.
Aussage 3
Eine verdickte Pleura verringert direkt die pro Zeit ausgetauschte Gasmenge, weil ihre Dicke ins Fick’sche Gesetz eingeht.
Ins Fick’sche Gesetz geht die Dicke der alveolokapillären Membran ein. Die Pleura liegt nicht zwischen Luft und Blut.
Aussage 4
Surfactant verkürzt die Diffusionsstrecke zwischen Alveolarluft und Kapillarblut.
Surfactant senkt die Oberflächenspannung und verhindert den Alveolarkollaps. Die Diffusionsstrecke verkürzt er nicht.
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