Das Atmungssystem: Struktur und Funktionsweise

Das menschliche Atmungssystem besteht aus den Atemwegen (oben und unten) und der Lunge. Das Atmungssystem ist für den Gasaustausch zwischen dem Organismus und der Umwelt verantwortlich. Wie ist das Atmungssystem aufgebaut und wie funktioniert es?

Das menschliche Atmungssystem soll die Atmung ermöglichen - den Prozess des Gasaustauschs, nämlich Sauerstoff und Kohlendioxid, zwischen Körper und Umwelt. Jede Zelle in unserem Körper benötigt Sauerstoff, um richtig zu funktionieren und Energie zu erzeugen. Der Atemprozess ist unterteilt in:

• externe Atmung - Sauerstoffversorgung der Zellen
• innere Atmung - intrazellulär

Die externe Atmung erfolgt aufgrund der Synchronisation des Atmungssystems mit den Nervenzentren und ist in eine Reihe von Prozessen unterteilt:

• Lungenbeatmung
• Gasdiffusion zwischen Alveolarluft und Blut
• Transport von Gasen durch das Blut
• Gasdiffusion zwischen Blut und Zellen

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Struktur der Atemwege

Die Atemwege bestehen aus:

• die oberen Atemwege, d. h. die Nasenhöhle (unser Cavum) und Hals (Rachen)
• untere Atemwege: Kehlkopf (Larynx), Luftröhre (Luftröhre), Bronchus (Bronchien) - rechts und links, die weiter in kleinere Zweige unterteilt sind, und die kleinsten werden zu Bronchiolen (Bronchioli)

Der letzte Teil der Atemwege führt zu den Alveolen (Alveolen pulmonales). Die durch die Atemwege strömende Luft wird von Staub, Bakterien und anderen kleinen Verunreinigungen gereinigt, mit Feuchtigkeit versorgt und erwärmt. Andererseits ermöglicht die Struktur der Bronchien durch die Kombination von Knorpel-, elastischen und glatten Muskelelementen die Anpassung ihres Durchmessers. Im Hals kreuzen sich Atmungs- und Verdauungssystem. Aus diesem Grund stoppt die Atmung beim Schlucken und der Atemweg schließt sich durch den Kehldeckel.

• lungengepaarte Organe in der Brust.

In anatomischer und funktioneller Hinsicht sind die Lungen in Lappen unterteilt (die linke Lunge in zwei Lappen und die rechte in drei), die Lappen sind weiter in Segmente, Segmente in Läppchen und Läppchen in Cluster unterteilt.

Jede Lunge ist von zwei Bindegewebsschichten umgeben - der parietalen Pleura (pleura parietalis) und Lungenpleura (Pleura pulmonalis). Zwischen ihnen befindet sich die Pleurahöhle (Cavum Pleurae) und die darin enthaltene Flüssigkeit ermöglicht die Adhäsion der mit der Lungenpleura bedeckten Lunge an die mit der Innenwand der Brust verschmolzene parietale Pleura.An der Stelle, an der die Bronchien in die Lunge gelangen, befinden sich Lungenhöhlen, in die neben den Bronchien auch Arterien und Lungenvenen gelangen.
Darüber hinaus sind gestreifte Skelettmuskeln, Blut, Herz-Kreislauf-System und Nervenzentren an dem komplizierten Atemprozess beteiligt.

Lungenbeatmung

Die Essenz der Belüftung besteht darin, atmosphärische Luft in die Alveolen zu ziehen. Da die Luft immer von höherem Druck zu niedrigerem Druck strömt, nehmen die entsprechenden Muskelgruppen an jedem Ein- und Ausatmen teil und ermöglichen die Saug- und Druckbewegungen der Brust.

Am Ende der Ausatmung entspricht der Druck in den Alveolen dem atmosphärischen Druck, aber wenn Sie Luft ansaugen, zieht sich das Zwerchfell zusammen (Zwerchfell) und äußere Interkostalmuskeln (musculi intercostales externi), wodurch das Volumen der Brust zunimmt und ein Vakuum erzeugt, das Luft ansaugt.

Wenn der Bedarf an Beatmung steigt, werden zusätzliche Inspirationsmuskeln aktiviert: die sternocleidomastoiden Muskeln (musculi sternocleidomastoidei), Brustmuskeln (musculi pectorales minores), anterior gezahnte Muskeln (musculi serrati anteriores), Trapezmuskeln (Musculi Trapezia), die Levatormuskeln des Schulterblatts (musculi levatores scapulae), Haupt- und Nebenparallelogrammmuskeln (musculi rhomboidei maiores et minores) und schräge Muskeln (Musculi verschmolzen).

Der nächste Schritt ist das Ausatmen. Es beginnt, wenn sich die Inspirationsmuskeln auf dem Höhepunkt der Inhalation entspannen. Normalerweise ist dies ein passiver Prozess, da die durch die gedehnten elastischen Elemente im Lungengewebe erzeugten Kräfte ausreichen, um das Volumen der Brust zu verringern. Der Druck in den Alveolen steigt über den atmosphärischen Druck und die resultierende Druckdifferenz entfernt Luft nach außen.

Bei starkem Ausatmen ist die Situation etwas anders. Wir haben es damit zu tun, wenn der Atemrhythmus langsam ist, wenn das Ausatmen die Überwindung eines erhöhten Atemwiderstands erfordert, z. B. bei einigen Lungenerkrankungen, aber auch bei der Phonationsaktivität, insbesondere beim Singen oder Spielen von Blasinstrumenten. Die Motoneuronen der exspiratorischen Muskeln werden stimuliert, darunter: innere Interkostalmuskeln (musculi intercostales interni) und die Muskeln der vorderen Bauchdecke, insbesondere die Rektusabdominale (musculi recti abdominis).

Atemfrequenz

Die Atemfrequenz ist sehr unterschiedlich und hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Ein ruhender Erwachsener sollte 7-20 Mal pro Minute atmen. Zu den Faktoren, die zu einer Erhöhung der Atemfrequenz führen, technisch bekannt als Tachypnoe, gehören Bewegung, Lungenerkrankungen und extrapulmonale Atemnot. Andererseits kann Bradypnoe, d. H. Eine signifikante Abnahme der Anzahl von Atemzügen, aus neurologischen Erkrankungen oder zentralen Nebenwirkungen von Betäubungsmitteln resultieren. Kinder unterscheiden sich in dieser Hinsicht von Erwachsenen: Je kleiner das Kleinkind, desto höher die physiologische Atemfrequenz.

Lungenvolumen und -kapazitäten

• DC (Gesamtlungenkapazität) - das Volumen, das sich nach dem tiefsten Atemzug in der Lunge befindet
• IC - Inspirationskapazität - wird beim tiefsten Einatmen nach einem ruhigen Ausatmen in die Lunge gezogen
• IRV (inspiratorisches Reservevolumen) - inspiratorisches Reservevolumen - wird während des maximalen Atems, der an der Spitze der freien Inspiration genommen wird, in die Lunge gezogen
• TV (Atemzugvolumen) - Atemzugvolumen - Ein- und Ausatmen beim freien Ein- und Ausatmen
• FRC - funktionelle Restkapazität - verbleibt nach einem langsamen Ausatmen in der Lunge
• ERV (exspiratorisches Reservevolumen) - exspiratorisches Reservevolumen - wird bei maximaler Ausatmung nach freiem Einatmen aus der Lunge entfernt
• RV (Restvolumen) - das Restvolumen - verbleibt immer während der maximalen Ausatmung in der Lunge
• VC (Vitalkapazität) - Vitalkapazität - wird nach maximaler Inhalation zum Zeitpunkt der maximalen Ausatmung aus der Lunge entfernt
• IVC (inspiratorische Vitalkapazität) - inhalierte Vitalkapazität - wird nach dem tiefsten Ausatmen bei maximaler Inhalation in die Lunge gezogen; kann etwas höher als VC sein, da bei maximaler Ausatmung, gefolgt von maximaler Inhalation, die Alveolarleiter schließen, bevor die die Blasen füllende Luft entfernt wird

Bei freier Inspiration beträgt das Atemzugvolumen 500 ml. Allerdings erreicht nicht das gesamte Volumen die Alveolen. Etwa 150 ml füllen die Atemwege, die nicht die Bedingungen für einen Gasaustausch zwischen Luft und Blut aufweisen, d. H. Die Nasenhöhle, den Pharynx, den Larynx, die Luftröhre, die Bronchien und die Bronchiolen. Das nennt man anatomischer Totraum der Atemwege. Die verbleibenden 350 ml werden mit Luft gemischt, die die verbleibende Funktionskapazität darstellt, gleichzeitig erhitzt und mit Wasserdampf gesättigt. Auch in den Alveolen ist nicht die gesamte Luft gasförmig. In den Kapillaren der Wände einiger Alveolen gibt es kein Blut oder einen unzureichenden Blutfluss, um die gesamte Luft für den Gasaustausch zu nutzen. Dies ist der physiologische Totraum der Atemwege und bei gesunden Menschen klein. Leider kann es bei Krankheitszuständen erheblich zunehmen.

Die durchschnittliche Atemfrequenz in Ruhe beträgt 16 pro Minute, und das Atemzugvolumen beträgt 500 ml. Wenn diese beiden Werte multipliziert werden, erhalten wir eine Lungenbeatmung. Daraus folgt, dass pro Minute etwa 8 Liter Luft ein- und ausgeatmet werden. Bei schnellen und tiefen Atemzügen kann sich der Wert sogar von einem Dutzend auf das Zwanzigfache erheblich erhöhen.

All diese komplizierten Parameter: Kapazitäten und Volumina wurden nicht nur eingeführt, um uns zu verwirren, sondern haben auch eine bedeutende Anwendung bei der Diagnose von Lungenerkrankungen. Es gibt eine Testspirometrie, die misst: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV und IRV. Es ist wichtig für die Diagnose und Überwachung von Krankheiten wie Asthma und COPD.

Gasdiffusion zwischen Alveolarluft und Blut

Alveolen sind die Grundstruktur der Lunge. Es gibt etwa 300 bis 500 Millionen von ihnen mit einem Durchmesser von jeweils 0,15 bis 0,6 mm und einer Gesamtfläche von 50 bis 90 m².

Die Wände der Follikel bestehen aus einem dünnen, flachen, einschichtigen Epithel. Zusätzlich zu den Zellen, aus denen das Epithel besteht, enthalten die Follikel zwei weitere Zelltypen: Makrophagen (Darmzellen) und auch Follikelzellen vom Typ II, die das Tensid produzieren. Es ist eine Mischung aus Proteinen, Phospholipiden und Kohlenhydraten, die aus Blutfettsäuren hergestellt werden. Durch die Verringerung der Oberflächenspannung verhindert das Tensid das Zusammenkleben der Alveolen und verringert die zum Strecken der Lunge erforderlichen Kräfte. Von außen sind die Blasen mit einem Netz von Kapillaren bedeckt. Kapillaren, die in die Alveolen gelangen, tragen Blut, das reich an Kohlendioxid und Wasser ist, aber nur wenig Sauerstoff enthält. Im Gegensatz dazu ist in Alveolarluft der Sauerstoffpartialdruck hoch und der von Kohlendioxid niedrig. Die Gasdiffusion folgt einem Gradienten des molekularen Gasdrucks, sodass Kapillarerythrozyten Sauerstoff aus der Luft einfangen und Kohlendioxid entfernen. Gaspartikel müssen durch die Alveolarwand und die Kapillarwand und genauer gesagt durch: die Flüssigkeitsschicht, die die Alveolaroberfläche, das Alveolarepithel, die Basalmembran und das Kapillarendothel bedeckt.

Transport von Gasen durch das Blut

• Sauerstofftransport

Zunächst löst sich Sauerstoff physikalisch im Plasma auf, diffundiert dann aber durch die Hülle in die roten Blutkörperchen, wo er an Hämoglobin unter Bildung von Oxyhämoglobin (sauerstoffhaltiges Hämoglobin) bindet. Hämoglobin spielt eine sehr wichtige Rolle beim Sauerstofftransport, da sich jedes seiner Moleküle mit 4 Sauerstoffmolekülen verbindet und so die Fähigkeit des Blutes, Sauerstoff zu transportieren, um das 70-fache erhöht. Die im Plasma gelöste transportierte Sauerstoffmenge ist so gering, dass sie für die Atmung irrelevant ist. Dank des Kreislaufsystems gelangt mit Sauerstoff gesättigtes Blut in jede Körperzelle.

• Kohlendioxidtransport

Kohlendioxid aus dem Gewebe gelangt in die Kapillaren und wird in die Lunge transportiert:

• ca. 6% physikalisch gelöst im Plasma und im Zytoplasma von Erythrozyten
• ca. 6% gebunden an freie Aminogruppen von Plasmaproteinen und Hämoglobin (als Carbamate)
• die Mehrheit, d. h. ungefähr 88%, als HCO3-Ionen - gebunden durch das Bicarbonatpuffersystem von Plasma und Erythrozyten

Gasdiffusion zwischen Blut und Zellen

Erneut passieren Gasmoleküle im Gewebe den Druckgradienten: Der vom Hämoglobin freigesetzte Sauerstoff diffundiert in das Gewebe, während Kohlendioxid in die entgegengesetzte Richtung diffundiert - von den Zellen zum Plasma. Aufgrund des unterschiedlichen Sauerstoffbedarfs verschiedener Gewebe gibt es auch Unterschiede in der Sauerstoffspannung. In Geweben mit intensivem Stoffwechsel ist die Sauerstoffspannung niedrig, so dass sie mehr Sauerstoff verbrauchen, während das abfließende venöse Blut weniger Sauerstoff und mehr Kohlendioxid enthält. Der arteriovenöse Unterschied im Sauerstoffgehalt ist ein Parameter, der den Grad des Sauerstoffverbrauchs durch Gewebe bestimmt. Jedes Gewebe wird mit arteriellem Blut mit dem gleichen Sauerstoffgehalt versorgt, während venöses Blut mehr oder weniger davon enthalten kann.

Innere Atmung

Das Atmen auf zellulärer Ebene ist ein mehrstufiger biochemischer Prozess, bei dem organische Verbindungen oxidiert werden, bei denen biologisch nützliche Energie erzeugt wird. Es ist ein grundlegender Prozess, der auch dann auftritt, wenn andere Stoffwechselprozesse gestoppt werden (anaerobe alternative Prozesse sind ineffizient und von begrenzter Bedeutung).

Die Schlüsselrolle spielen Mitochondrien - zelluläre Organellen, die Sauerstoffmoleküle aufnehmen, die in der Zelle diffundieren. Auf der äußeren Membran der Mitochondrien befinden sich alle Enzyme des Krebszyklus (oder des Zyklus der Tricarbonsäuren), während sich auf der inneren Membran Enzyme der Atmungskette befinden.

Im Krebszyklus werden Zucker-, Protein- und Fettmetaboliten unter Freisetzung freier Wasserstoffatome oder freier Elektronen zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Weiter in der Atmungskette - der letzten Stufe der intrazellulären Atmung - werden durch Übertragung von Elektronen und Protonen auf nachfolgende Förderer hochenergetische Phosphorverbindungen synthetisiert. Das wichtigste von ihnen ist ATP, d. H. Adenosin-5'-triphosphat, ein universeller Träger chemischer Energie, der im Zellstoffwechsel verwendet wird. Es wird von zahlreichen Enzymen in Prozessen wie Biosynthese, Bewegung und Zellteilung verbraucht. Die Verarbeitung von ATP in lebenden Organismen ist kontinuierlich und es wird geschätzt, dass der Mensch jeden Tag die Menge an ATP umwandelt, die mit seinem Körpergewicht vergleichbar ist.

Atemregulierung

Im erweiterten Kern befindet sich ein Atmungszentrum, das die Frequenz und Tiefe der Atmung reguliert. Es besteht aus zwei Zentren mit entgegengesetzten Funktionen, die von zwei Arten von Neuronen aufgebaut werden. Beide befinden sich innerhalb der retikulären Formation. Im Einzelkern und im vorderen Teil des posterior-mehrdeutigen Vagusnervs befindet sich das Inspirationszentrum, das Nervenimpulse an das Rückenmark und an die Motoneuronen der Inspirationsmuskeln sendet. Andererseits befindet sich im mehrdeutigen Kern des Vagusnervs und im hinteren Teil des posterior-mehrdeutigen Vagusnervs das Ausatmungszentrum, das die Motoneuronen der exspiratorischen Muskeln stimuliert.

Die Neuronen des Inspirationszentrums senden mehrmals pro Minute eine Salve von Nervenimpulsen, die entlang des Astes zu den Motoneuronen im Rückenmark absteigen und gleichzeitig mit dem Axonast zu den Neuronen der retikulären Formation der Brücke aufsteigen. Es gibt ein pneumotaktisches Zentrum, das das Inspirationszentrum 1-2 Sekunden lang hemmt und dann das Inspirationszentrum wieder stimuliert. Durch aufeinanderfolgende Stimulations- und Hemmungsperioden des Inspirationszentrums ist die Rhythmik der Atemzüge gewährleistet.
Das Inspirationszentrum wird durch Nervenimpulse reguliert, die entstehen in:

• zervikale und aortale Glomerulus-Chemorezeptoren, die auf eine Zunahme der Kohlendioxidkonzentration, die Konzentration von Wasserstoffionen oder eine signifikante Abnahme der arteriellen Sauerstoffkonzentration reagieren; Impulse von den Aortenklumpen wandern durch die Nerven des Glossopharynx und des Vagus. und der Effekt ist, die Inhalationen zu beschleunigen und zu vertiefen
• Lungengewebe-Interorezeptoren und Thorax-Propriorezeptoren;
• Es gibt inflationäre Mechanorezeptoren zwischen den glatten Bronchialmuskeln, die durch Dehnung des Lungengewebes stimuliert werden, was das Ausatmen auslöst. Durch die Verringerung der Dehnung des Lungengewebes während des Ausatmens werden andere Mechanorezeptoren aktiviert, diesmal deflationär, die die Inspiration auslösen. Dieses Phänomen nennt man die Hering-Breuer-Reflexe;
• Die inspiratorische oder exspiratorische Position der Brust reizt die jeweiligen Propriorezeptoren und verändert die Häufigkeit und Tiefe der Atemzüge: Je tiefer das Einatmen, desto tiefer das anschließende Ausatmen;
• Zentren der oberen Ebenen des Gehirns: Großhirnrinde, limbisches System, Thermoregulationszentrum im Hypothalamus