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Kohlendioxidtransport und Pufferung

Kohlendioxidtransport

Außer für den O2-Transport spielen die Erythrozyten für den CO2-Transport eine entscheidende Rolle. Das im Gewebe im aeroben Stoffwechsel gebildete CO2 wird zunächst zu ca. 8 % in der Blutflüssigkeit physikalisch gelöst. Der weitaus größte Anteil des CO2 diffundiert jedoch über das Blutplasma in die Erythrozyten und wird dort zu weiteren 5 bis 8 % als Carbaminoverbindung insbesondere an den beta-Ketten des Hämoglobins gebunden. Etwa 85 % des CO2 geht im Erythrozyten mit Hilfe des Enzyms Carboanhydrase eine Verbindung mit Wasser ein und wird zur Kohlensäure (H2CO3) umgewandelt. Da die Kohlensäure ein äußerst instabiles Molekül ist, zerfällt sie sofort in Bikarbonat (HCO3) und Protonen (siehe Gleichung).

Zwei Drittel des so gebildeten Bikarbonats werden in das Blutplasma zurückgegeben und dort zur Lunge transportiert. In den Lungenkapillaren laufen alle Vorgänge rückläufig ab, so dass das Bikarbonat wieder in den Erythrozyten wandert, dort in CO2 und Wasser umgewandelt wird und mit dem als Carbamat am Hämoglobin gebundenen und dem physikalisch gelösten CO2 abgeatmet wird.

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Anteiliger Kohlendioxidtransport

Das als Endprodukt des aeroben Stoffwechsels aus der Zelle freigesetzte CO2 erfüllt bei seinem Rücktransport im Blut zur Lunge zwei wichtige Aufgaben:

  • Durch seine Bindung am Hämoglobin wird dessen Affinität zum Sauerstoff gesenkt, so dass dieser leichter in das umliegende Gewebe diffundieren kann.
  • Durch die Umwandlung des CO2 in Bikarbonat entsteht ein hochwirksames Puffersystem, welches anfallende fixe Säuren, d.h. insbesondere Milchsäure (Laktat), effektiv neutralisieren kann.

Lac-: Laktatanion

Pufferung

Der Säuregrad der einzelnen Zellen, Gewebe und Körperflüssigkeiten muss in einem engen Rahmen konstant gehalten werden. So beträgt der pH-Wert im Vollblut 7,4. Kurzfristige maximale Abweichungen von 7,0 (nach einem 400 m Sprint) bis 7,8 (Besteigung des Mount Everest ohne Sauerstoff) sind in Extremsituationen möglich; langfristige oder darüber hinaus gehende Veränderungen führen zum schnellen Tod.
Da im täglichen Leben stets Säuren anfallen oder auch abgegeben werden, müssen Puffersysteme vorhanden sein, die das innere Milieu konstant halten. Wären diese nicht vorhanden, würde ein Anstieg der Milchsäurekonzentration im Blut um 10 mmol/l, z.B. bei einer intensiven anaeroben Belastung, eine pH-Veränderung auf ca. pH 2 bewirken.

Im Blut liegen hauptsächlich zwei Systeme vor, die durch die Nierenfunktion ergänzt werden:

1. Der Proteinpuffer, zu dem insbesondere das Hämoglobin und in geringerem Ausmaß die Plasmaproteine gehören. Durch das Hämoglobin werden insbesondere diejenigen H+-Ionen abgepuffert, die bei der Bikarbonatbildung entstehen.

2. Das Bikarbonatpuffersystem, das für die Neutralisierung der H+-Ionen verantwortlich ist, die auf die Milchsäurebildung zurückzuführen sind. Voraussetzung hierfür ist, dass eine gewisse Bikarbonatreserve im Blut vorrätig ist (24 mmol/l). Bei ansteigender Milchsäurekonzentration werden die H+-Ionen gebunden, die entstehende Kohlensäure zerfällt in CO2, das über die Atmung abgegeben wird, und in Wasser, welches dem Wasserpool des Körpers zugeführt wird (siehe Gleichung). Auf diese Weise werden rund 99 % der anfallenden H+-Ionen neutralisiert.

3. Die Niere ist zuständig bei längerfristigen Störungen des Säuren-Basen-Gleichgewichts. Bei niedrigem Blut-pH werden über die Niere verstärkt H+-Ionen ausgeschieden, bei hohem pH-Wert umgekehrt H+-Ionen im Körper zurückgehalten.

Bei kurzen intensiven Belastungen spielt die Regulation über die Niere jedoch kaum eine Rolle. Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes können prinzipiell durch den Stoffwechsel (metabolisch) oder durch die Atmung (respiratorisch) bedingt sein.

  • Eine metabolische Azidose tritt infolge anaerober Belastung durch Milchsäurebildung oder pathologisch, z.B. bei einem unbehandelten Diabetes (Ketoazidose), auf.
  • Eine metabolische Alkalose findet sich nach heftigem Erbrechen oder in leichter Form auch bei rein pflanzlicher Ernährung.
  • Eine respiratorische Azidose ist die Folge einer zu geringen Atmung, z.B. bei Verengung der Atemwege oder Fehlen des Atemantriebs.
  • Eine respiratorische Alkalose findet sich bei einer Hyperventilation während der ersten Tage in größeren Höhen (> 3000 m) oder auch infolge von Aufregung (Prüfungsstress, Zahnarztbesuch).

Metabolische Störungen können kurzfristig über die Atmung ganz oder teilweise kompensiert werden; respiratorische Störungen werden langfristig metabolisch ganz oder teilweise kompensiert.


Die Erythrozyten spielen durch die Umwandlung von Kohlendioxid in Bikarbonat eine wichtige Rolle beim Kohlendioxidtransport vom Gewebe zur Lunge. Das Hämoglobin und das Bikarbonat sind die beiden wichtigsten Puffersysteme des Körpers, ohne die weder aerober noch anaerober Stoffwechsel möglich wäre.


 

   Projektträger Bundesministerium für Bildung  und Forschung    Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

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