Gasaustausch bei Tieren PDF

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Gasaustausch bei Tieren Welche physikalischen Faktoren bestimmen den Gasaustausch?  

Gasaustauschsysteme verfügen über respiratorische Oberflächen und Mechanismen zu deren Perfusion (Durchblutung) und Ventilation (Austausch des Atemmediums) Atemgase, die Tiere austauschen müssen sind O2 und CO2

Diffusion wird von Konzentrationsunterschieden angetrieben  Konzentration wird durch den Partialdruck der einzelnen Gase beschrieben  wird mit Barometer gemessen  Sauerstoffpartialdruck (Po2)  Bei Konzentration eines Atemgas in Flüssigkeit = komplizierter da die Löslichkeit des Gases mit bedacht werden muss Das Diffusionsgesetz gilt für alle gasaustauschenden Systeme

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M= KA (P1-P2) / d M = die pro Zeiteinheit zwischen zwei Orten diffundierende Menge eines Gases K = Konstante, der Diffusionskoeffizient o abhängig von der diffundierenden Substanz, dem Medium und der Temperatur o wird meist bei 20 Grad bestimmt A = Austauschfläche, durch die das Gas diffundiert P1 und P2 = Partialdrücke des Gases an den beiden Orten  in Gleichung dann Partialdruckdifferenz d = Diffusionsstrecke zwischen den beiden Oren  zusammen mit P1 und P2 = Partialdruckgefälle /gradient

Luft ist ein besseres Atemmedium als Wasser  O2 hat geringe Diffusionsgeschwindigkeit  O2 Gehalt von Luft ist viel höher als der im Wasser o max. 10 ml O2 pro Liter Wasser (bei 0Grad und reinem Süßwasser auf Meereshöhe) o in Luft fast 210ml pro l  Sauerstoff diffundiert in Luft rund 8000x schneller als in Wasser  Tier muss Arbeit verrichten um Wasser oder Luft zu bewegen (über spezialisierte Gasaustausch-Oberfläche) o Wasser ist 800x dichter und 50x viskoser Hohe Temperaturen bringen Atemprobleme für Wassertiere mit sich  die meisten Wasseratmer sind ektoderm  steigt Temperatur steigt auch der Stoffwechsel und es wird mehr O2 benötigt  warmes Wasser enthält jedoch weniger gelösten Sauerstoff  angepasste Tiere (z.B. in Tümpeln) schnappen an der Oberfläche nach Luft Mit zunehmender Höhe sinkt der Sauerstoffpartialdruck der Luft  O2-Anteil macht in allen Höhenlagen ca. 20,9% der trockenen Luft aus  Gesamtmenge von Gas-Volumeneinheit geht aber zurück  Po2 Wert auf Mt Everest 50 mm Hg  Aufnahme von O2 hängt von der Po2 Differenz zwischen Luft und Körperflüssigkeit ab

CO2 geht durch Diffusion verloren

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CO2 Anteil in Atmosphäre ist sehr gering (0,03%9)  steiles Partialdruckgefälle

Welche Anpassungen verbessern den Gasaustausch?    

Vergrößerung der Oberfläche für den Gasaustausch Maximierung der Partialdruckgefälle, die die Diffusion antreiben Minimierung der Diffusionsstrecke Minimierung der Diffusion, die in eine wässrigen Medium stattfindet

Atemorgane haben eine große Oberfläche  Äußere Kiemen: o stark gefaltet, verzweigte Ausstülpungen  vergrößern Fläche o Amphibienarven, Insektenlarven o aus dünnem, zartem Epithelgewebe  verkleinern Distanz  Innere Kiemen o wie äußere aber in schützenden Körperhöhle o Mollusken, Kebse, alle Fische  Lungen o Hohlräume im Körperinneren o große Oberfläche weil stark unterteilt o elastisch (füllen sich mit Luft und entleeren sich)  Tracheen o stark verzweigtes Netzwerk luftgefüllter Röhren o ziehen sich durch alle Gewebe im Insektenkörper o Insekten Gastransport zu und von den Austauschflächen erhöht die Partialdruckgefälle  Tiere können den Partialdruckgradienten (P1-P2/d) optimieren o Minimierung der Diffusionsstrecke:  sehr dünne Gewebeschichten in Kiemen und Lungen verringern die Diffusionsstrecke (d) o Ventilation  Medium wird aktiv über Oberfläche bewegt  Atemmedium „fisch“ o Perfusion  extrazelluläre Flüssigkeit wird aktiv über die Innenseite der Austauschfläche bewegt Der Körper von Insekten ist von Luftwegen durchzogen  Schließbare Öffnungen = Stigmen  öffnen für Gasaustausch, schließen gegen Wasserverlust  Tracheen verzweigen sich in Tracheolen und enden in winzigen Luftkapillaren  dort findet eigentlicher Gasaustausch statt  Mitochondrien liegen in der Nähe von den Luftkapillaren  große, gut fliegende Insekten besitzen Luftsäcke (arbeiten wie Blasbälgen) Fischkiemen nutzen das Gegenstromprinzip um den Gasaustausch zu maximieren  innere Kiemen werden durch Kiemenbögen geschützt  liegen in den beiden Kiemenhöhlen  sind zur Mundhöhle hin offen  enden seitlich über Kiemenspalten ins Freie  Knochenfische besitzen muskulösen Kiemendeckel (Operculum) -> schützt  bei Ventilation: Mundhöhlenboden arbeitet zusammen mit den Lippen als Druckpumpe; Kiemendeckel wirken als Saugpumpe

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zudem wird Sauerstoff rasch abtransportiert  Maximierung des Po2 Große Oberfläche: o blattförmige Kiemenfilamente o sind von Plättchen bedeckt (Kiemenlamellen)  Ort des Gasaustauschs  minimieren d  Atemwasserstrom verläuft parallel zur Fläche der Kiemenlamellen Blutstrom: o Afferente Blutgefäße transportieren Blut in die Kiemen o Efferente transportieren Blut wieder ab  ist dem Wasserstrom entgegengerichtet  Gegenstromaustausch optimiert den Po2-Gradienten

Vögel nutzen eine unidirektionale Ventilation, um den Gasaustausch zu maximieren  Lunge arbeitet umgekehrt => einatmen= zusammenziehen ausatmen= erweitern  Säugerlungen werden beim ausatmen nie luftleer  Totraum (Residualvolumen)  Voglelunge weißt nur sehr wenig Totraum auf  frische Luft ist nicht mit verbrauchter Luft gemischt  Luftsäcke an mehreren Stellen im Körper o stehen mit Lunge und Lufträumen in den Knochen in Verbindung  Luft gelangt durch Luftröhre (Trachea) in das Atemsystem und wieder heraus  teilt sich in viele kleine Wege = Bronchien o bei Vögeln teilt sich in viele röhrenförmige Parabronchien o davon zweigen viele Luftkapillaren ab  stellt gasaustauschene Oberfläche da  Parabronchien vereinen sich wieder zu größeren Bronchien, die die Luft wieder aus Lunge leiten  Kontinuierlicher Luftstrom möglich

Bidirektionale Ventilation  ursprünglich eine Aussackung des Vorderdarms  blind geschlossene Sacklungen  ein- und ausatmen muss sich periodisch abwechseln  aber es kommt nicht alles raus  Spirometer o Messvorrichtung die das Volumen der eingeatmeten und ausgeatmeten Luft bestimmt o Atemzugvolumen (Tidalvolumen TV) = bei Ruhe o inspiratorisches Reservevolumen IRV = bei starkem einatmen Luft – TV o exspiratorisches Reservevolumen ERV = mehr ausatmen als normal o Vitalkapazität VC = max. Kapazität zum Luftaustausch o Residualvolumen = Luft im Totraum  lässt sich nur mit Helium-Verdünnungs-Methode bestimmen (dann funktionelles Residualvolumen FRV) Die menschliche Lunge     

Kehlkopf (Larynx)  Mundröhre  Rachenraum (Pharynx)  Trachea  Lunge Luftröhre (10cm Durchmesser) teilt sich in zwei etwas dünnere Stammbronchien nach vier Aufzweigungen verschwinden die Knorpelringe, die die Luftröhre stützen,  dann nicht mehr Bronchien sondern Bronchiolen Aufzweigungen enden in Lungenbläschen (Alveolen) die Luftwege sind zu dickwandig  anatomischen Totraum

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Lungenemphysem:

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Entzündung schädigt und zerstört Wand der Alveolen Lunge verliert Elastizität; weniger Alveolen; mehr Rsidualvolumen

Sekrete im Atmungstrackt unterstützen die Ventilation  Zellen, die Luftwege auskleiden produzieren Schleim  fängt eingeatmete Schmutzpartikel und Mikroorganismen ein  andere sind mit Flimmerepithel ausgestattet  transportieren Schleim ab  kann durch Schadstoffe gestört werden  Rauchen kann Wimpern mehrere Stunden immobilisieren  Cystische Fibrose verändert respiratorische Schleim  Atemprobleme  Atemnotsyndrom von Frühgeborenen o Surfactant= chemische Substanz, die die Oberflächenspannung einer Flüssikeit senkt  Frühgeborenen können diese noch nicht produzieren und sind daher ggf nicht in der Lage einzuatmen, da die Lunge nicht elastisch genug ist Lunge wird durch Druckveränderungen in der Brusthöhle ventiliert  Lungenflügel liegen in der Brusthöhle des Brustkorbs (Thorax)  ist unten von dem Zwerchfell begrenzt oder auch Diaphragma  Brusthöhle ist innen mit dem Brustfell (Pleura) ausgekleidet o aus zwei Schichten:  Pleura parietalis = äußere Blatt bildet Innenbelag  Pleura pulmonalis = innere Blatt umkleidet Lungenflügel  zwischen den beiden Blättern der Pleura liegt die schmale Pleurahöhle (Interpleuralspalt) o dünner Flüssigkeitsfilm, der die Innenflächen des Brustfells befeuchtet, sodass sie beim Atmen aufeinander gleiten  Pneumothorax: (Kollabieren der Lunge) o beim Atmen = Veränderung im Brustkorb führt durch die Sog und Oberflächenspannung dazu, dass sich die Spannung zwischen den Brustfellblättern erhöht o dieser Sog oder Unterdruck führt dazu dass die Alveolen teilweise gebläht bleiben o wird die Thoraxhöhle punktiert kann Luft zwischen die Pleurablätter  Lunge kollabiert  Zwerchfell: o kontrahier= Volumen im Brustkorb erhöht sich und zieht am Brustfell und Pleurablättern  ziehen dann an den Lungenflügeln = Inspiration o lösen der Kontraktion= drückt Luft heraus = Exspiration  Zwischenrippenmuskeln: o äußeren heben Rippen an und bewegen leicht nach Außen o innere senken Rippen und bewegen leicht nach Innen

Wie transportiert das Blut Atemgase?  Blutplasma kann nicht viel O2 transportieren (der flüssige Teil)  daher: Hämolymphe enthält sauerstofftransportierende/ respiratorische Proteine o Hämocyanin, Hämerythrin, Hämoglobin Hämoglobin kann Sauerstoff reversibel Binden:  bei Wirbeltieren  aus 4 Polypeptiduntereinheiten  alle umgeben eine Hämgruppe  eisenhaltige Rindsturktur, die ein O2 Molekül binden kann o aber keine Oxidation sondern nur zeitweise = Oxygenierung o Fähigkeit zu binden hängt von der Po2 in der Umgebung ab

 in Lunge für gewöhnlich die max. Kapazität von 4xO2 trifft es auf niedrigen Po2 Wert gibt es O2 ab (ist aber nicht linear sondern S-Förmig ( sigmoidal) Sigmoidale Sauerstoffbindungskurve (aber auch Sauerstoffdissonanzkurve) ? mit Bindung von O2 steigt die Sauerstoffaffinität  Kooperativität Hämoglobin hält 75% des O2 als venöse Reserve zurück Co2 kann dieses System stören (bei Bränden etc.) blockiert Hämoglobin o

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Myoglobin hält eine Sauerstoffreserve bereit  Sauerstoffspeicher in den Muskelzellen  kann 1x O2 binden Sauerstoffaffinität von Hämoglobin ist variabel  chemische Zusammensetzung: o 2x alpha 2x betha Globinketten o Fetus aber am Anfang noch Fetalhämoglobin = höhere O2 Affinität  Kurve nach links verschoben  pH-Wert o Bohr-Effekt o bei arbeitendem System sinkt pH-Wert im Blut o Protonen binden an Hämoglobin und senken Affinität  Kurve verlagert sich nach rechts  allosterischer Effektor 2,3-Diphosphoglycerat (DPG) o Metabolit der Glykolyse (mehr wenn niedriger Po2 Wert o bindet an desoxygenierterm Hämoglobin o senkt Sauerstoffaffinität und es wird mehr O2 abgeben  Kurve verlagert nach rechts Kohlenstoffdioxid wird von Hydrogencarbonationen im Blut transportiert  CO2 wird über H2CO3 (Kohlensäure) in HCO3- umgewandelt  wenn CO2 in Wassergelöst wird reagiert ein Teil zu Kohlensäure

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Carboanhydrase (beschleunigt nur, bestimmt aber nicht die Richtung) , in roten Blutzellen und Endothelzellen beschleunigt die Umwandlung in Kohlensäure, die dann dissoziiert und in die Lunge transportiert wird z.T. wird CO2 aber auch chemisch direkt mit Hämoglobin gebunden In Lunge findet es dann anders herum statt Richtung wird durch Konzentration der Reaktionspartner bestimmt

Wie wird die Atmung reguliert? Atmung wird vom Hirnstamm kontrolliert  autonome NS modifiziert Tiefe und Frequenz  Atemmuster wird im Gehirn generiert  kurz bevor die Inspirationsphase beginnt erhöhen Neuronengruppen im Atemkontrollzentrum der Medulla oblongata ihre Feuerrate Feedback-Information ist nötig  Beispiel für Feedforward Information...