Elastische Retraktion, Oberflächenspannung und Surfactant
Warum die Lunge ständig zum Zusammenziehen neigt, welchen Anteil die Oberflächenspannung daran hat und wie Surfactant sie senkt.
Das Wichtigste in Kürze
- Die elastische Retraktion ist die Kraft, mit der sich die gedehnte Lunge zusammenziehen will; sie entsteht durch elastische Fasern des Parenchyms und durch die alveoläre Oberflächenspannung.
- Bei der Inspiration müssen die Atemmuskeln die Retraktionskraft überwinden.
- Die Oberflächenspannung entsteht an der Grenzfläche zwischen Alveolarluft und Flüssigkeitsfilm; je höher sie ist, desto schwerer entfalten sich die Alveolen.
- Nach dem Laplace-Gesetz \(P = 2T/r\) erzeugt eine kleine Alveole bei gleicher Oberflächenspannung den höheren Kollapsdruck.
- Surfactant aus Typ-II-Pneumozyten senkt die Oberflächenspannung und erleichtert die Wiederentfaltung der Alveolen.
- Surfactant besteht hauptsächlich aus Phospholipiden (v. a. Lecithin-Derivate wie DPPC), daneben aus Proteinen und Glykolipiden.
Worum es geht
Die Lunge zieht sich von selbst zusammen, sobald man sie lässt. Diese Rückstellkraft bestimmt, wie viel Arbeit die Atemmuskeln bei jeder Inspiration leisten müssen. Dass Frühgeborene ohne ausreichend Surfactant kaum atmen können, zeigt, wie viel davon auf die Oberflächenspannung entfällt.
Elastische Retraktion
Die Lunge ist im Brustkorb ständig gedehnt und strebt danach, sich zusammenzuziehen. Diese nach innen gerichtete Kraft heißt elastische Retraktion. Sie hat zwei Quellen. Die erste sind die elastischen Fasern im Lungenparenchym. Sie ziehen bei Dehnung zurück wie gespannte Gummibänder. Die zweite ist die Oberflächenspannung in den Alveolen.
Bei der Inspiration müssen die Atemmuskeln die Retraktionskraft überwinden, wie in Atemmechanik und Lungenvolumina beschrieben. Bei ruhiger Exspiration treibt dieselbe Kraft dagegen die passive Verkleinerung der Lunge an.
Wie groß der Anteil der Oberflächenspannung ist, zeigt ein Versuch an der isolierten Lunge. Füllt man sie mit Kochsalzlösung statt mit Luft, verschwindet die Grenzfläche zwischen Luft und Flüssigkeit. Dann genügt ein viel kleinerer Druck für dasselbe Volumen. Die Oberflächenspannung trägt also einen großen Teil der Retraktion.
Alveoläre Oberflächenspannung
Die Alveolen sind innen mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm ausgekleidet. An seiner Grenzfläche zur Alveolarluft entsteht die alveoläre Oberflächenspannung. Die Wassermoleküle an der Oberfläche werden nur von Nachbarn im Wasser angezogen. Die Oberfläche will deshalb möglichst klein werden und zieht die Alveole zusammen.
Je höher die Oberflächenspannung, desto schwerer entfalten sich die Alveolen bei der Inspiration. Den Druck, den sie in einer kugelförmigen Alveole erzeugt, beschreibt das Laplace-Gesetz.
\[P = \frac{2\,T}{r}\]
\(P\) ist der Kollapsdruck in Pa, \(T\) die Oberflächenspannung in N/m und \(r\) der Alveolenradius in m.
Bei gleicher Oberflächenspannung erzeugt eine kleine Alveole also den höheren Druck. Sind zwei Alveolen verbunden, würde sich die kleine in die große entleeren und kollabieren.
Surfactant
Surfactant (von surface active agent) ist ein oberflächenaktiver Film, den die Typ-II-Pneumozyten bilden. Er senkt die Oberflächenspannung des Flüssigkeitsfilms auf dem Alveolarepithel. Dadurch erleichtert er die Wiederentfaltung der Alveolen bei jeder Inspiration, und die Atemarbeit sinkt.
Surfactant besteht hauptsächlich aus Phospholipiden, vor allem Lecithin-Derivaten. Das wichtigste ist Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC). Daneben enthält er Proteine und Glykolipide. Den Aufbau der Phospholipide erklärt die Einheit zu Membranlipiden.
Wird im Examen gerne gefragt: Surfactant senkt die Oberflächenspannung und erleichtert so die Entfaltung der Alveolen. Achte bei der Zusammensetzung auf die Rangfolge: Phospholipide (v. a. Lecithin-Derivate) bilden den Hauptanteil, Proteine und Glykolipide kommen nur daneben vor.
Die Phospholipide lagern sich an der Grenzfläche an. Der polare Kopf zeigt zum Wasser, die Fettsäureketten ragen in die Luft. So schieben sie sich zwischen die Wassermoleküle und schwächen deren gegenseitige Anziehung.
Surfactant stabilisiert außerdem kleine Alveolen. Verkleinert sich eine Alveole, rücken die Phospholipide dichter zusammen. Die Oberflächenspannung fällt dann stärker ab und gleicht den höheren Laplace-Druck aus. Frühgeborene bilden oft noch zu wenig Surfactant und entwickeln ein Atemnotsyndrom. Sie erhalten Surfactant-Präparate wie Poractant alfa direkt in die Trachea.
Quiz
Aussage 1
Nach dem Laplace-Gesetz ist der Kollapsdruck in einer kleinen Alveole bei gleicher Oberflächenspannung größer als in einer großen.
Der Druck ist umgekehrt proportional zum Radius (\(P = 2T/r\)), ein kleiner Radius ergibt also einen höheren Druck.
Aussage 2
Surfactant setzt die Oberflächenspannung des alveolären Flüssigkeitsfilms herab und erleichtert dadurch die Entfaltung der Alveolen bei der Inspiration.
Genau das ist seine Wirkung: weniger Oberflächenspannung, leichtere Wiederentfaltung, geringere Atemarbeit.
Aussage 3
Den Hauptbestandteil des Surfactants bilden Proteine, während Phospholipide nur in Spuren vorkommen.
Umgekehrt: Surfactant besteht hauptsächlich aus Phospholipiden, vor allem Lecithin-Derivaten wie DPPC. Proteine und Glykolipide sind Nebenbestandteile.
Aussage 4
Die elastische Retraktion der Lunge geht ausschließlich auf die elastischen Fasern des Lungenparenchyms zurück.
Neben den gedehnten elastischen Fasern trägt die alveoläre Oberflächenspannung einen großen Teil zur Retraktion bei, wie der Versuch mit Kochsalzfüllung zeigt.
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