Lunge: Biochemie

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Physiologie der Atmung

Einatmung

Der Atemvorgang beginnt mit der Einatmung (Inspiration). Die normale Ruheatmung ist die Bauchatmung. Bei der Bauchatmung ist hauptsächlich das Zwerchfell (Diaphragma) beteiligt. Das Zwerchfell ist im entspannten Zustand nach oben (kopfwärts/cranial) gewölbt. Durch Anspannen des Zwerchfelles wird es glatt gezogen und es erfolgt eine Vergrößerung des Brustraumes. Das Zwerchfell ist der stärkste Inspirationsmuskel. Bei seiner Kontraktion flacht es sich ab und drückt die Bauch- und Beckeneingeweide nach kaudal (steißbeinwärts), wodurch sich das Thoraxvolumen vergrößert. Bei schwerer köperlicher Anstrengung kommt dann die sogenannte Atemhilfsmuskulatur (Zwischenrippenmuskulatur/Intercostallmuskulatur und Brustmuskulatur) zum Einsatz. Bei der Brustatmung kontrahieren die Musculi intercostales externi (äußere Zwischenrippenmuskeln). Dabei wird der Brustkorb angehoben und erweitert, wodurch die Lunge, die, selbst von der Pleura visceralis (oder pulmonalis) überzogen, über den Pleuraspalt mit der Pleura parietalis des Brustkorbs in Verbindung steht, mitgedehnt wird. Dadurch entsteht in der Lunge ein Unterdruck, und Luft wird in die Lunge gesaugt. Nach größeren Anstrengungen können zur erleichterten Atmung weitere Atemhilfsmuskeln beigezogen werden, z. B. die Brustmuskeln. Dies machen sich Sportler nach einem intensiven Rennen zu Nutze, indem sie sich mit den Armen zum Beispiel an einer Mauer aufstützen: ihre Arme sind dann fixiert (Punctum fixum), und somit ziehen die Brustmuskeln nicht die Arme zum Brustkorb, sondern umgekehrt den Brustkorb zu den Armen, die Rippen werden angehoben und die Lunge füllt sich mit Luft. Nach der Druck-Volumen-Beziehung (Boyle-Mariottesches Gesetz) muss aber nun bei Änderungen des Drucks - sofern die Nasenlöcher bzw. der Mund offen sind und mit der Außenwelt in Verbindung stehen - das Volumen isobar (d. h. bei gleichem Druck) zunehmen. Die Lunge füllt sich, die Inspiration ist beendet.

Bei der Zwerchfellatmung senkt sich das Zwerchfell lediglich durch Kontraktion (das Zwerchfell besteht aus Muskulatur) und bewirkt somit eine Dehnung der Lungenflügel nach unten.

Ausatmung

Die Ausatmung (Exspiration]]) geht zumeist passiv vonstatten, denn nach der Inspiration ist die Lunge samt Brustkorb so weit gedehnt, dass darin elastische Verformungsarbeit gespeichert ist (ähnlich einer Feder, die zunächst gespannt und dann losgelassen wird), die der Lunge die "verbrauchte" Luft austreibt. Erfolgt die Exspiration mit Beteiligung der exspiratorischen Atemhilfsmuskulatur, so spricht man von forcierter Exspiration. Dabei kontrahieren sich zunächst die Mm. intercostales interni, es können aber auch diverse andere Atemhilfsmuskeln zum Zuge kommen. Eine besondere Rolle im Zusammenhang mit der forcierten Exspiration spielt vor allem der Musculus latissimus dorsi („Hustenmuskel“).

Abb.: Ausdehnung der Lunge bei Ein- (blau) und Ausatmung (rosa)

Gasaustausch

Gasaustausch von einer Alveole aufs Blut

Der Gasaustausch findet in den Alveolen statt. Dabei diffundiert Sauerstoff über die Alveolarmembran entsprechend ihres Konzentrationsgefälles in das Blut. Kohlenstoffdioxyd und Wasserdampf diffundieren aus dem Blut in den Alveolarraum und können so abgeatmet werden. Begrenzend für die Diffusion sind das Konzentrationsgefälle der einzelnen Gase, die Kontaktzeit(Diffusionszeit)und die Diffusionsstrecke.

Dabei gilt:

• Je grösser das Konzentrationsgefälle der einzelnen Gase, desto mehr sind die Gase bestrebt diese anzugleichen.
• Je größer die Diffusionszeit ist, desto besser können sich die Konzentrationen der einzelnen Gase angleichen.
• Je kürzer die Diffusionsstrecke ist, desto schneller können sich die Konzetntrationsunterschiede ausgleichen.

Diese Mechanismen wirken sich so positiv auf die Diffusion aus. Eine Verschlechterung der Diffusion ergibt sich deshalb aus einem kleineren Konzentrationsgefälle der einzelnen Gase, einer Verkürzung der Kontaktzeit und einer Verlängerung der Diffusionsstrecke.