Atmung Flashcards
Was ist mit der O2-Kaskade der menschlichen Atmung gemeint?
Partialdruckdifferenzen an Gasaustauschflächen sind die treibende Kraft für jeden Schritt des diffusiven Gastransports, der O2-Partialdruck fällt mit jedem Schritt des Gastransports
-> für die zelluläre Atmung steht nur der in den Blutkapillaren verbleibende Sauerstoffpartialdruck zur Verfügung, um O2 in die Mitochondrien zu treiben
Was ist ein Durchstrom-Gasaustauschorgan?
Außenmedium durchströmt in eine oder zwei Richtungen das Austauschorgan (z.B. Fischkiemen, Vogellunge) - unidirektional
Was ist ein “pool”-Gasaustauschorgan?
Gezeitenaustauscher: Atemrichtung ändert sich mit jedem Atemzug (Säuger-Lunge) - bidirektional
Was ist ein intrinsisches Problem des pool-Gasaustauschsystems?
Gasvolumen der Lunge wird nie vollständig ausgetauscht, eingeatmete Frischluft mischt sich mit O2-armer Restluft (pO2 an Austauschfläche ist geringer als in Umgebungsluft), pO2 im alveolaren Blut noch geringer
Was passiert mit der Partialdruckdifferenz zwischen Medium und Blut entlang eines Gleichstromaustauscher?
sie nimmt ab!
Wie funktioniert das Gegenstromprinzip?
Die Partialdruckdifferent bleibt immer erhalten, das Blut das den Austauscher verlässt, hat einen höheren Sauerstoffpartialdruck als das verlassende Außenmedium
Wie funktioniert der Kreuzstrom-Austauscher?
Spezialform des Gegenstromprinzips: Strom quer/verzweigt ausgerichtet, Prinzip das gleiche
Was ist eine Lunge?
Einstülpung, gefüllt mit Außenmedium
Was sind Kiemen?
Ausstülpung des Integuments, gefüllt mit Innenmedium
Was sind Tracheen?
verzweigtes System von blind endenden Röhren mit Öffnungen zur Außenwelt (Spirakel), Tracheolen stehen in direktem Kontakt mit den meisten Zellen
Wie gelangt das Gas bei Tracheen durch das Tracheensystem zu den Zielzellen?
per Diffusion, wenig oder keine Ventilation
Warum können Insekten beim jetzigen O2-Partialdruck nur eine maximale Größe erreichen?
weil sie nur diffusions-basierten Gasaustausch betreiben: die Diffusionsstrecke würde trotz vergrößerter Oberfläche irgendwann zu lang werden (physikalischer constraint)
Gibt es dennoch Ventilation bei Insekten?
ja bei manchen Hymenopteren/Dipteren: Tracheen sind an Muskeln aufgehängt und werden durch Muskulatur bewegt
Was sind Spirakel?
Schließmuskeln, die Wasserverlust minimieren können, dann kann aber auch kein Gastaustausch statfinden
Wie funktionieren physikalische Kiemen?
Aquatische Insekten haben Luftblase, aus der sie O2 verbrauchen, dann diffundiert neuer O2 aus Wasser in Blase
Was ist das Problem bei physikalischen Kiemen?
der Druck von N2 steigt in Blase an, vorallem mit zunehmender Tiefe, dann muss die kompressible Kieme durch Luftholen aufgefrischt werden
Wie funktioniert eine inkompressible Gaskieme?
durch wasserabweisende Härchen wird der Luftfilm auf der Körperoberfläche gehalten und ist so inkompressibel, es ist kein Luftholen nötig, weil kein N2 in Luftfilm diffundiert
Wie werden Fischkiemen ventiliert?
Heben/Senken des Mundbodens wie eine Pumpe, Schließen und Öffnen des Operculums (Kiemendeckel) wie Ventil
Wie sind Fischkiemen aufgebaut?
Durch Filamente und Lamellen wird Oberfläche maximiert, Wasserstrom und Kapillarblut bilden einen Gegenstromaustauscher
Was ist “ram ventilation”
Thunfische und Haie ventilieren die Kiemen durch schnelles Schwimmen mit geöffnetem Maul
In welchem Bereich der Lunge erfolgt kein Gasaustausch?
Transportbereiche: Bronchien, Bronchiolen (starr)
In welchem Bereich der Lunge erfolgt Gasaustausch?
respriatorischer Bereich: Alveolen (dehnbar), umschwollen mit Kapillaren
Wie erfolgt die Ventilation bei Lungen?
Kontraktion des Zwerchfells und Anheben der Rippen (Einatmen) und Erschlaffen des Zwerchfells und Senken des Thorax (Ausatmen)
Ist der Energieaufwand bei Kiemen oder Lungen höher?
bei Kiemen (20% des Energiebudgets); bei Lungen sind es nur 1 %
Wie wird das Kollabieren der Alevolen beim Ausatmen verhindert, ob wohl diese so dünn sind?
Surfactant: komplexes Phospholipid-Protein-Gemisch reduziert Oberflächenspannung der Alveolarflüssigkeit (zerstört Kohäsion zwischen Wassermolekülen)
Wie funktioniert eine Vogel-Lunge?
Leistungsfähigste Lunge im Tierreich: Durch unidirektionalen Gastransport komplexes System aus vier flexiblen Luftsäcken, dazwischen starre Parabronchien, wo der Gasaustausch über Kreuzstromaustauscher stattfindet, Luft strömt kontiniertlich (durch aerodynamische Effekte)
Wozu gibt es Hämoglobin?
erhöht die Kapazität des Blutes erheblich, was auch notwendig ist
Welche Klassen von respiratorischen Pigmenten gibt es?
Hämoglobine, Hämocyanine, Hämerythrine, Chlorocruorine
Was machen respiratorische Pigmente?
binden O2 chemisch und erhalten so den Partialdruck des physikalisch gelösten O2 niedrig, sodass die Partialdruckdifferenz zum Außenmedium groß ist
Wie sind Hämoglobine chemisch aufgebaut?
Metalloproteine mit Häm-Gruppe (Porphyrin-Ringsystem, dessen 4 N-Atome ein Fe2+-Ion koordinieren
Was ist Myoglobin?
Monomer mit 1 Häm
Was ist Hämoglobin chemisch? Wieviele O2-Bindestellen gibt es?
Heterotetramer (2 alpha, 2 beta), je 1 Häm -> 4 O2 Bindestellen
Vergleiche den Verlauf der Sättigungskurve bei Myoglobin und Hämoglobin mit zunehmendem Sauerstoffpartialdruck!
Myoglobin: hyperbole Kurve
Hämoglobin: sigmoide Kurve: weil Hb das O2 kooperativ bindet: mit jedem gebundenen O2 steigt die Affinität für Bindung weiterer O2-Moleküle
Wie bindet der O2 an dem Hämoglobin?
reversibel: Hb wird (de-)oxygeniert, nicht oxidiert oder reduziert
Was bewirkt die sigmoide Bindungskurve von Hämoglobin?
bestimmt Eigenschaften für Be- und Entladung mit O2: bei hohen O2-Partialdrücken wird Hb vollständig mit O2 beladen, bei niedrigeren O2-Partialdrücken dissoziiert O2 leichter von Hb
Wie wird bei erhöhtem Verbrauch mehr Sauerstoff ins Blut gebracht?
nicht durch gesteigerte O2-Beladung (Hb wird in Alveolen-Kapillaren immer vollständig beladen), sondern durch gesteigerte Entladung von O2 in den Geweben (Vermittlung durch sigmoide Bindungskurve)
Was ist der Bohr-Effekt?
die O2-Affinität von Hb ist pH-abhängig (nimmt mit sinkendem pH-Wert ab) -> Protonen wirken als allosterische Modulatoren der O2-Bindungseigenschaften (im alveolären Blut hoher pH, weil CO2 abgeatmet wird, im peripheren Blut niedriger pH)
Wie wird Co2 durch das Blut aufgenommen (für den Abtransport)?
diffundiert aus Gewebe ins Blut, reagiert mit H2O zu Kohlensäure, zerfällt zu Hydrogencarbonat und H+ (Carboanhydrase-katalysiert), Hb und Plasmaproteine wirken als Puffer (halten Co2-Partialdruckdifferenz zwischen Gewebe und Blut aufrecht)
Wie wird CO2 in der Lunge frei?
Oxygenierung von Hb setzt Protonen frei, sodass CO2 frei wird und abdiffundiert
Wie werden bei Crustaceen die Partialdrücke der Atemgase geregelt?
Zentraler Rhythmus-Generator, der Scaphognathitenbewegung kontrolliert
Wie werden bei Säugern die Partialdrücke der Atemgase im Körper reguliert?
Pneumotaktisches Zentrum, Neuronen im Hirnstamm, in der Pons und in der Medulla oblongata,
Respirationszentrum: Zentraler Rhythmus-Generator, der inspiratorische und exspiratorische Neuronen ansteuert
Wie werden die Partialdrücke der Atemgase bei Säugern gemessen?
mehrere periphere und zentrale Chemorezeptoren (Blut-pH, pO2-Sensoren (Glomus caroticum - Halsschlagader, Aorta), Dehnungsrezeptoren der Lunge
Wie wird der zelluläre O2-Status reguliert?
Ein Transkriptionsfaktor stellt Genexpression unter Hypoxie auf anaeroben Stoffwechsel um (Glykolyse), bei Normoxie wird HIF1 durch O2-abhängige Hydroxylierung markiert und abgebaut, bei Hypoxie häuft er sich an und reguliert die Genexpression im Zellkern
Was wird durch hohe HIF1-Mengen ausgelöst durch Hypoxie angeregt?
Expression von Wachstumsfaktoren, die die Blutgefäßbildung stimulieren
Wie wird Geschwindigkeit und Tiefe der Atmung moduliert?
Chemosensorische Eingaben beeinflussen die Wirkung der Mustergeneratoren und modulieren so Geschwindigkeit und Tiefe der Atmung
