1 Physiologie und Pathophysiologie

1
Physiologie und Pathophysiologie
K. H. Rühle
1.1
Einleitung
Eine nach körperlicher Ruhephase beginnende körperliche (muskuläre) Belastung (z. B. Flucht, körperliche Arbeit) setzt eine Reaktion
von verschiedenen, hintereinander geschalteter, aber auch mehrfach
rückgekoppelter Organfunktionen in Gang (s. Abb. 1.1).
Schema des O2-Transports und seiner Steuerung
Beginnend mit den Impulsen vom ZNS kontrahiert sich die quergestreifte Muskulatur unter erhöhtem Verbrauch von energiereichen
Substraten, insbesondere ATP. ATP wird in den Mitochondrien der
Muskelzellen synthetisiert, wobei Bausteine aus Kohlehydraten und
Fett sowie O2 benötigt werden (s. a. Kapitel 1.2).
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Abb. 1.1
1 Physiologie und Pathophysiologie
Eine körperliche Belastung löst damit eine Steigerung der O2-Versorgung oder Sauerstoff-Aufnahme (V’O2) und des CO2-Abtransportes
(V’CO2), abhängig von der peripheren Leistung aus. V’O2 und V’CO2
stellen demnach die wichtigsten Kenngrößen der Belastung dar.
Bei adäquater CO2-Abgabe (V’CO2) über die Lunge kann der SäureBasen-Status im Blut zumindest bis zur anaeroben Schwelle im Gleichgewicht (Homöostase) gehalten werden. Zu Beginn der Laktatazidose
beim Übergang vom aeroben zum teilweise anaeroben Stoffwechsel
steigt V’CO2 vermehrt an, so dass aus diesem Verhalten die anaerobe
Schwelle diagnostiziert werden kann. Daneben reflektiert die Relation
V’O2/V’CO2 den Katabolismus unter Belastung (siehe V’O2 und V’CO2).
Ventilation (V’E) und CO2-Elimination (V’CO2) stehen in enger
Beziehung. Die erforderliche Ventilation (V’E) wird durch drei Größen
definiert, nämlich durch
Unter Belastung steigt initial V’E linear an, hauptsächlich über eine
Zunahme von VT, weniger der Atemfrequenz (fb). VT wird durch
Abnahme des in- und expiratorischen Reservevolumens gesteigert.
Erreicht VT etwa 60 % der Vitalkapazität, wird bei weiterer Steigerung der Belastung fast nur noch die Atemfrequenz erhöht. Die
Reduktion des endexpiratorischen Lungenvolumens (EELV) hat vor
allem atemmechanische Vorteile durch Atmung im optimalen Bereich
der Druck-Volumen-Kurve (s. a. Kapitel 1.5).
Unterhalb der anaeroben Schwelle bleibt durch eine adäquate Steigerung von V’A der alveoläre PACO2 und der arterielle PaO2 konstant.
Oberhalb der Laktatschwelle fällt der PaCO2 eher etwas ab, da durch
eine leichte respiratorische Alkalose die beginnende Laktatazidose
kompensiert wird. Zur Beurteilung des Gasaustausches, d. h. der Ventilations-Perfusions-Inhomogenität dient insbesondere der alveoloarterielle O2-Gradient, der bei Gesunden unter leichter Belastung von
etwa 10 mm Hg auf maximal 30–40 mm Hg unter maximaler Belastung ansteigt (s. a. Kapitel 1.6).
Unter Belastung steigt das Herzminutenvolumen (HMV,Q’) in
Abhängigkeit von der Leistung linear an. Da das Schlagvolumen (SV)
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• V’CO2, d. h. durch das im Körper entstehende und über die Lunge
zu entfernende CO2.
• PaCO2: Je geringer der arterielle PaCO2 eingestellt wird, desto mehr
muss ventiliert werden.
• VD/VT: Je größer der Anteil der Totraumventilation(VD) am Atemzugvolumen (VT) ist, desto größer muss das Atemzugvolumen ausfallen (s. a. Kapitel 1.4).
nur geringfügig ansteigt, ist die Steigerung des HMV fast ausschließlich auf die Erhöhung der Herzfrequenz zurückzuführen.
Die periphere Perfusion wird durch Vasodilatation der arbeitenden
Muskulatur an die Erfordernis des O2-Transports angepasst. Während in Ruhe 20 % des HMV in die Skelettmuskulatur geleitet werden,
sind es unter Belastung bis zu 85 %. Durch lokale Prozesse und Metaboliten wie Hypoxie, Laktat, Adenosin, vasoaktive Peptide, PGE 2,
PGI 2 und endotheliale „releasing“ Faktoren wird die Vasodilatation
induziert und verstärkt, während z. B. im Splanchnicusgebiet der vaskuläre Widerstand erhöht wird und damit die Perfusion konstant
bleibt. Die Leistungsfähigkeit der Muskelperipherie ist wahrscheinlich
durch den Diffusionsprozess von den Kapillaren zu den Mitochondrien in den Muskelzellen limitiert (s. a. Kapitel 1.8).
Die Regulation der Atmung unter Belastung erfolgt über ein lokomotorisches Zentrum im ZNS, das sowohl die Extremitätenmuskulatur als auch die Atemmuskulatur aktiviert. Chemorezeptoren und
Mechanorezeptoren in Atemmuskulatur und in den Bronchien/Lunge
sorgen durch Feedback für die erforderliche kontinuierliche Rückkopplung. Bei einem Rampenprotokoll werden die Patienten meistens
so lange belastet, bis sie symptomlimitiert abbrechen. Die bei Abbruch
am häufigsten genannten Symptome sind muskuläre Erschöpfung,
Dyspnoe oder beide in Kombination. Nicht nur die Höhe, sondern
auch die zunehmende und schließlich große Differenz zwischen efferenten, motorischen Signalen und afferenten, sensorischen Signalen
aus der Muskulatur (Schwartzstein et al. 1989, Simon et al. 1989)
werden dem Patienten als Dyspnoe (vermehrte Atemanstrengung,
schweres Atmen, Lufthunger) und Muskelermüdung bewusst und
führen zur Beendigung der Untersuchung oder im Alltag abhängig von
der persönlichen Kondition zu einer Begrenzung der maximalen und
Dauerleistung (siehe Leistungslimitation).
Regelmäßige körperliche Belastung führt zur Verbesserung einer
großen Anzahl biologischer Funktionen (Steigerung der parasympathischen Aktivität mit Erniedrigung der Herzfrequenz in Ruhe, Optimierung des Glucose-und Lipid-Stoffwechsels und der rheologischen
Eigenschaften des Blutes). Gezieltes Training mit regelmäßigen
Trainingseinheiten wird insbesondere in der Primär- und SekundärPrävention von kardialen Erkrankungen eingesetzt. Aber auch bei
Lungenerkrankungen kann durch Training der oberen und unteren
Extremitäten die Leistungsfähigkeit erhöht werden.
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1.1 Einleitung
1 Physiologie und Pathophysiologie
1.2
Muskelphysiologie
1.2.1
Energie-Umsatz
Abb. 1.2
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Anaerober und aerober Glucose-Abbau
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Aus dem Umsatz von gespeicherten Kohlehydraten, Fetten und bei
muskulärer Belastung nur ausnahmsweise Eiweiß wird chemische
Energie gewonnen, die hauptsächlich über energiereiche Phosphate in
mechanische Arbeit, d. h. Kontraktion der quergesteiften Muskulatur
umgewandelt wird. Die terminale Bindung eines Phosphats liefert bei
Abspaltung 12 kcal/mol ATP, das ATP wird für die Spaltung des Actomyosin verwandt. ATP ist sozusagen die Währung, in der die gelieferte
Energie abgerechnet werden kann.
Sobald vermehrt Leistung im Muskel angefordert wird, wird der
energieproduzierende Metabolismus in der Zelle, insbesondere in den
Mitochondrien erhöht. Glykogen wird in Glucose gespalten. Im Cytosol der Muskelzelle wird diese in Pyruvat umgewandelt (EmbdenMeyerhof-Weg). Erfolgt nur eine anaerobe Glykolyse, wird Pyruvat
zu Milchsäure reduziert unter Gewinnung von lediglich 3 ATP pro
Glykosyl-Einheit. Unter aeroben Bedingungen dagegen werden 2
Pyruvat-Moleküle in den Zitronensäure-Zyklus eingeschleust und in
den Mitochondrien mit 6 O2 zu 6 CO2 und 6 H2O unter Gewinnung
von 37 ATP oxydiert (s. Abb. 1.2).
1.2 Muskelphysiologie
Merke: Unter anaeroben Bedingungen werden aus einem Molekül Glucose
3 ATP, unter aeroben Bedingungen 37 ATP gewonnen.
Bei Zunahme der Belastungsintensität wird neben dem aeroben zusätzlich ein Teil des Energiebedarfs durch den anaeroben Stoffwechsel
gedeckt und zwar immer dann, wenn die komplette Sauerstoffversorgung in der Peripherie durch die O2-Transportmedien inklusive
Gasaustausch in der Lunge und in der Muskulatur nicht mehr gewährleistet ist. Die O2-Aufnahme in der Arbeitsmuskulatur sowie die
CO2-Abgabe wird mit Q’O2 bzw Q’CO2 bezeichnet. V’CO2 und Q’CO2
sind nur identisch, wenn sich der Gasaustausch des Patienten im
steady state befindet.
Merke: RQ entspricht dem Gasaustausch in der Muskulatur, RER (respiratory
exchange ratio) entspricht dem in der Ausatemluft gemessenen Gasaustausch.
Dies ist z. B. nicht der Fall, wenn der Patient vor oder nach Belastung
hyperventiliert, so dass die CO2-Speicher in erhöhten Maße entleert
werden und mehr CO2 am Mund abgeatmet als in der Muskulatur
produziert wird (V’CO2 > Q’CO2). Diese Tatsache muss bei der Berechnung des metabolischen Quotienten berücksichtigt werden (RQ).
Man unterscheidet deshalb den metabolischen Quotienten (RQ) und
die Gasaustauschrate (RER). Bei metabolischer Azidose wird CO2 aus
der Pufferung von Laktat (Milchsäure) und Bicarbonat gebildet, so
dass die RER den RQ übersteigt.
1.2.2
Glygogen, Glucose
Durch Messung der RER kann abgeschätzt werden, welche Substrate
für den Energiestoffwechsel genutzt werden. Kohlehydrate werden
mit einer RER von 1,0, die Fettsäuren mit einer RER von 0,71 und
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Merke: Bei zunehmender metabolischer Azidose übersteigt die „respiratory
exchange ratio“ (RER) den „respiratory quotient“ (RQ), da CO2 vermehrt aus
Milchsäure-Bicarbonat-Pufferung entsteht.
1 Physiologie und Pathophysiologie
Proteine mit einer RER von 0,80 metabolisiert. Im steady state in
Ruhe liegt die RER bei etwa 0,8 und steigt bei gut Trainierten bei einer
O2-Aufnahme von 2500 ml/min bis etwa 0,9 an. Der Muskel deckt
seinen Energiebedarf mit Lipiden und dem intrazellulär im Muskel
gespeicherten Glykogen. Hinzu kommt der Nachschub von Glucose
aus dem in der Leber gespeicherten Glykogen über den Blutstrom. In
Ruhe werden etwa 40 % des Energiebedarfs des Muskels mit KH und
60 % mit Fett, unter Belastung dagegen 80 bis 100 % aus Kohlehydraten gespeist. Abhängig vom Trainingszustand werden vermehrt
auch Fette verbrannt (Leistungssportler).
Triglyceride:
Während einer Belastung werden die Fettsäuren aus den im Muskel
und im Fettgewebe gespeicherten Triglyceriden mobilisiert. In einem
Kilogramm Muskulatur sind etwa 20 g Triglyceride gespeichert (siehe
Tab. 1.1). Die Konzentration der freien Fettsäuren im Blutplasma vervierfacht sich unter Belastung von 0,5 mmol/l auf 2 mmol/l.
Durch Training kann die körperliche Fitness vor allem durch vermehrte Nutzung von im Muskel gespeicherten Fett im Bereich der
submaximalen Leistung gesteigert werden. Damit kann der Zeitpunkt, zu dem die Glykogen-Reserven im Muskel und der Leber
erschöpft sind, hinausgezögert werden.
Merke: Anhand der RER kann der Anteil der Kohlehydrate an der Energiegewinnung des Muskels unter Belastung abgeschätzt werden.
Energievorräte des Körpers
Muskelglykogen
Blutzucker
Leberglykogen
Triglyceride:
intramuskulär
Körperspeicher
18
400 g
6g
90 g
500 g
15 000 g
4500 KCal
135 000 KCal
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Tab. 1.1
1.3 Leistungsfähigkeit
1.2.3
Muskelfasern
Man unterteilt die Muskelfasern in zwei Typen (s. Tab. 1.2):
Typ I (slow twitch): mit 80 msec Dauer bis zum Spannungsmaximum
und geringer Ermüdbarkeit.
Typ II (fast twitch): mit 30 msec Dauer bis Spannungsmaximum und
erhöhter Ermüdbarkeit.
Tab. 1.2
Eigenschaften der Typ-I- und Typ-II-Muskelfasern
Eigenschaften der quergestreiften Muskelfasern
1.3
Leistungsfähigkeit
1.3.1
O2-Aufnahme (V’O2)
Die V’O2wird aus dem inspiratorischen Volumen (V’I), dem expiratorischenVolumen (V’E) und der in- und expiratorischen mittleren O2Konzentration (F IO2 und F EO2) berechnet:
V’O2 = (F IO2 x V’I)–(F EO2 x V’E) x k (STPD).
STPD bedeutet standard temperature (0 Grad Celsius), pressure
(760 mm Hg), dry (0 % relative Luftfeuchtigkeit).
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Typ I (slow twitch):
Geringe ATPase Aktivität
Geringe Ca++-Aktivität von Troponin
Geringere Rate von Ca++-Aufnahme des sarkoplasmatischen Reticulums
Höherer Myoglobingehalt: Rote Farbe der Muskelfaser
Höherer Gehalt von oxidativen Enzymen, Mitochondrien
Hoher Triglyerid-Gehalt
Effizientere Arbeit, bezogen auf ATP-Verbrauch
Überwiegende Aktivierung bei geringer und mittelgradiger Belastung
Typ II (fast twitch):
Hohe Aktivität von Enzymen der Gykolyse
Training: Zunahme der Konzentration oxidativer Enzyme
Typ II B verwandelt sich in Typ II A-Faser
1 Physiologie und Pathophysiologie
Die V’O2 kann auch nach dem Fick’schen Prinzip aus dem Herzminutenvolumen und der arterio-venösen O2-Gehaltsdifferenz berechnet
werden.
V’O2 = Q’ (CaO2 –CvO2) (STPD)
Beispiel:
V’O2 = 6000 ml/min x 0,040 (STPD)
V’O2 = 240 ml/min (STPD)
Unterhalb der anaeroben Schwelle steigt die O2-Aufnahme abhängig
von der vorgegebenen Belastung (in Watt) weitgehend linear an. Allerdings dauert es etwa drei Minuten, bis ein steady state erreicht wird.
Oberhalb von 100–150 Watt nähert sich bei andauernder Belastung
die O2-Aufnahme der maximalen O2-Aufnahme asymptotisch an.
Der Wirkungsgrad, d. h. die O2-Aufnahme, bezogen auf die geleistete
Arbeit ist unabhängig von Alter, Geschlecht, Größe und Gewicht und
liegt bei 10 ml/min V’O2 und Watt. Diese Beziehung gilt allerdings nur
unter genau definierbaren Bedingungen (Fahrradergometer liegend
oder sitzend) und unter der Voraussetzung, dass Trainingseffekte
(Zunahme der Geschicklichkeit) keine Rolle spielen. Der Wirkungsgrad für mechanische Leistung auf dem Fahrradergometer liegt bei
etwa 28 %. Der steilere Anstieg der O2-Aufnahme bei mittelgradiger
Belastung von 100 bis 150 Watt hat mehrere Gründe:
Eigentlich müsste bei gleicher Leistung, aber Zunahme des anaeroben
Stoffwechsels die Steigung der O2-Aufnahme gering abfallen, da
zusätzlich Energie (ATP) infolge Gykolyse ohne V’O2-Zunahme zur
Verfügung steht.
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• Zusätzliche Aktivierung von Haltemuskulatur im Rahmen der
Belastung
• Bessere Durchblutung der Muskulatur
• Rechtsverschiebung der O2-Dissoziationskurve durch die metabolische Azidose
• Erhöhung des Leberstoffwechsels durch Umwandlung von Laktat
• Zunahme des O2-Verbrauchs von Atem- und Herzmuskulatur
1.3 Leistungsfähigkeit
1.3.2
CO2-Abgabe (V’CO2)
V’CO2 wird aus der Differenz der gemischt-expiratorischen und der
inspiratorischen CO2-Konzentration (FECO2 –FICO2) sowie dem Atemminutenvolumen berechnet.
V’CO2 = V’E x (FECO2 –FICO2) (STPD)
Beispiel:
V’CO2 = 5000 ml/min x (0,04 – 0) (STPD)
V’CO2 = 200 ml/min (STPD)
Unter Belastung in einem Rampenprotokoll steigt die V’CO2 zuerst
linear an. Allerdings findet sich eine zu Beginn geringe zeitliche Verschiebung in Relation zur Produktion in der Muskulatur, da CO2 auch
im Körper gespeichert wird.
Da im Übergang vom aeroben zum teilweise anaeroben Stoffwechsel aus der Laktat-Pufferung (siehe unten) CO2 entsteht, wird vermehrt CO2 abgeatmet, so dass die V’CO2 steiler ansteigt. Dieses Verhalten kann zur nicht invasiven Bestimmung der anaeroben Schwelle,
d. h. des Beginns der Laktatazidose mittels der sogenannten V-SlopeMethode verwandt werden.
1.3.3
Anaerobe Schwelle
Laktat
• Bei leichter Belastung steigt zu Beginn das Laktat gering an und fällt
nach ein bis zwei Minuten in den Ausgangsbereich zurück.
• Bei mäßiger Belastung steigt das Laktat etwas deutlicher an, bleibt
aber bei Ausbildung eines neuen steady state leicht erhöht, bei dem
die Produktion von Laktat in der Muskulatur und Elimination aus
der arbeitenden Muskulatur, dem Herzmuskel und der Leber ausgeglichen sind. Die Belastung, bei der sich gerade noch ein LaktatPlateau einstellt, wird als maximales Laktat-Steady-state (max
Lass) bezeichnet. Es gibt unterschiedliche max Lass, die von Training, aber auch von der genetisch festgelegten Muskelfaserzusammensetzung (schnelle und langsame Muskelfasern) abhängen.
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Drei Verlaufsformen der Laktatkinetik können bei Dauerbelastung
unterschieden werden (s. Abb. 1.3).
1 Physiologie und Pathophysiologie
Abb. 1.3
Laktatkinetik bei verschiedenen Belastungsintensitäten
• Bei sehr schwerer Arbeit steigt das Laktat kontinuierlich an, ohne
ein neues konstantes Niveau zu erreichen, bis die Belastung wegen
Erschöpfung abgebrochen wird. Die Laktatwerte erreichen bei
Normalpersonen mindestens 8–10 mmol/l.
Merke: Die Laktatschwelle wird erreicht, wenn der kritische PO2 endkapillär
in der Muskulatur etwa 20 mm Hg unterschreitet.
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Die Ursache des Laktatanstieges ist eine Veränderung des RedoxZustandes im Muskel, da mangelnde O2-Zufuhr zu einer Zunahme
von NADH+ H+ im Vergleich zum oxidierten NAD+ führt. Nach Beendigung der Belastung wird Laktat langsam abgebaut, während Pyruvat weiter ansteigt. Die im Muskel gemessene Laktatkonzentration
entspricht mit geringer zeitlicher Verzögerung derjenigen im Blut.
Da endkapillär in der Arbeitsmuskulatur während der Belastung
ein O2-Druckgradient zwischen Blut und Muskelzelle von mindestens
18–20 mm Hg herrschen muss, um die aerobe Bereitstellung von ATP
zu gewährleisten, wird bei Erreichen dieser Schwelle auf anaerobe
Glykolyse umgestellt. Damit wird aber vermehrt Laktat produziert.
Anhand von Messungen des PO2 im Blut der Femoralvene unter einer
Rampenbelastung kann nachgewiesen werden, dass Laktat bei Unterschreiten dieser PO2-Werte steil ansteigt (s. Abb. 1.4).