Sauerstoff gelangt von der eingeatmeten Luft zu den zellulären Mitochondrien durch eine präzise abgestimmte Kette aus Beatmung, Diffusion, Transport und Abgabe. Jeder Schritt folgt grundlegenden physikalischen und physiologischen Prinzipien.
Schrittweiser Weg
1. Beatmung: Luft zu den Alveolen
- Inspiration: Kontraktion des Zwerchfells erzeugt einen negativen Pleuradruck und zieht Luft an.
- Leitende Zone: Luft passiert Nase/Mund → Luftröhre → Bronchien → Bronchiolen (hier findet kein Gasaustausch statt).
- Respiratorische Zone: Respiratorische Bronchiolen → Alveolargänge → Alveolen (ca. 300–500 Millionen).
- Alveoläre Gasspannungen: PO₂ ~100 mmHg, PCO₂ ~40 mmHg.
2. Diffusion: Alveolen zu Kapillarenblut
- Blut-Gas-Schranke: Besteht aus einem Pneumozyten Typ I, einer verschmolzenen Basalmembran und dem Kapillarenendothelium – nur 0,2–0,5 µm dick.
- Ficksches Gesetz der Diffusion: Diffusionsrate ist proportional zu (Oberfläche × Teildruckgefälle) / Dicke.
- O₂ löst sich im Surfactant und diffundiert seinem Teildruckgefälle folgend (alveolärer PO₂ 100 → gemischter venöser PO₂ 40 mmHg).
- Gleichgewicht tritt nach ~0,25 Sekunden ein, well innerhalb der 0,75-sekündigen Kapillarenpassagezeit in Ruhe.
3. Transport: Hämoglobinbindung
- O₂ bindt kooperativ an Hämoglobin (Hb) in einer sigmoiden Beziehung: O₂ + Hb ⇌ HbO₂.
- Jedes Hämoglobinmolekül bindt vier O₂-Moleküle; 1 g Hb transportiert 1,34 mL O₂.
- Arterielles Blut transportiert ~20 mL O₂/dL (98 % an Hb gebunden, 2 % gelöst).
- Die Oxyhämoglobin-Dissociationskurve verschiebt sich mit pH-Wert, CO₂, Temperatur und 2,3-BPG (Bohr-Effekt), was die O₂-Abgabe in den Geweben erleichtert.
4. Abgabe: Kapillaren zu Geweben
- Sauerstoffabgabe = Herzzeitvolumen × arterieller O₂-Gehalt (~1000 mL/min in Ruhe).
- Kapillaren-PO₂ ~40 mmHg → Gewebe-PO₂ ~20–40 mmHg → Mitochondrien-PO₂ ~1–5 mmHg.
- Diffusion zu den Mitochondrien wird durch dieses steile PO₂-Gefälle angetrieben.
- Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV) nutzt O₂ als finalen Elektronenakzeptor in der Atmungskette.
5. Zelluläre Atmung
- Glykolyse → Pyruvat → Acetyl-CoA → Citratzyklus → Atmungskette.
- O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O, gekoppelt an ATP-Synthese.
- Ausbeute: ~30–32 ATP pro Glukose (aerob) versus 2 ATP (anaerob).
6. CO₂-Rücktransport
- CO₂ (Stoffwechselabfall) wird im Blut transportiert: 70 % als Bikarbonat (HCO₃⁻), 23 % als Carbaminohämoglobin, 7 % gelöst.
- Haldane-Effekt: Desoxygeniertes Hb bindt mehr CO₂, was die Elimination verbessert.
- Venenblut → rechtes Herz → Lungenarterien → Alveolen → ausgeatmet.
Klinische Relevanz
- Ursachen von Hypoxämie: Niedriger inspirierter O₂, Hypoventilation, Diffusionsstörung, V/Q-Mismatch und Shunt.
- A–a-Gradient: Unterscheidet Hypoventilation (normaler Gradient) von V/Q-Mismatch oder Shunt (erhöhter Gradient).
- Pulsoxymetrie (SpO₂): Schätzt arterielle Sättigung; eingeschränkt bei Anämie, Kohlenmonoxidvergiftung und Methämoglobinämie.
- Arterieller Blutgas (ABG): Goldstandard zur Messung von pH, PaO₂, PaCO₂ und HCO₃⁻.
Dieser kontinuierliche Fluss – Beatmung, Diffusion, Perfusion, Diffusion, Nutzung – erhält das aerobe Leben aufrecht. Jeder Schritt kann durch Krankheit beeinträchtigt werden und erfordert gezielte Interventionen.
