18.10.2004 Physiologie WS 0405 Atemphysiologie 1A Einführung a. Aufgaben der Lunge – Gasaustausch (CO2, O2) – Metabolismus (z.B. Angiotensin I -> Angiotensin II durch ACE) – Ausscheidung flüchtiger, toxischer Stoffe (z.B. Alkohol) – Blutreservoir – Filter für Gerinnsel (Herz, Gehirn!) b. Warum ein eigenes Organ für Gasaustausch? – Einzeller: Diffusion Kann der Mensch durch die Haut atmen? Im Prinzip ja, aber wie hoch ist die Eindringtiefe xO2? Abhängig vom Krogh-Diffusions-Koeffizient -> 1,5*10-8l / (min*m*kPa) jedenfalls xO2 = 0,37 mm Fazit: es geht, aber es geht auf weite Strecken zu langsam -> Diffusion auf kurze Strecken wichtig und notwendig! c. Wobei wird O2 gebraucht, und wodurch entsteht CO2? Nährstoffoxidation: Umsetzung Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße mit O2 zu CO2, H2O und Wärme bzw ATP (bei Eiweißen +NH3). d. von wo nach wo wird transportiert`? Luft: 21% O2, 0,03 % CO2 Luft -> Lungenalveolen -> Kapillaren e wie wird transportiert? 1. Ventilation Konvektiver Transport (ATP) (konvektiv = mitführend) 2. Alveole -> Blut: Diffusion 3. Verteilung mit dem Blutstrom: Konvektiver Transport (ATP) 4. Blut -> Gewebe: Diffusion Störungen des Gastransportes 1. Ventilation: z.B. Atemlähmung zu wenig O2 in der Luft 2. Alveoläre Diffusion: z.B. Lungenödem 3. Verteilung mit dem Blutstrom: z.B. Anämie, Kreislaufversagen, Embolie 4. Blut -> Gewebe z.B. Gewebehypertrophie f. Merke – Konzentration C = Menge / Volumen [mol/l] oder Masse / Volumen [g/l] – Menge / Zeit [mol/s] = Volumen / Zeit [l/s] * C [mol/l] – Fraktion F = Volumenanteil am Gesamtvolumen (l/l) u.a. – Volumen/Zeit [l/s] = Gesamtvolumen / Zeit [l/s] * F [l/l] – Dalton: Partialdruck P (in Gasen und Flüssigkeiten): feucht: Pbarom = PO2 + PN2,PEG + PCO2 + PH2O trocken: Pbarom – PH2O = PO2 + PN2,PEG + PCO2 – Px = Fx (Pbarom – PH2O) 1B Atemvolumina, Atemwegswiderstand a. Spirometrisch messbare Atemvolumina b. Atemzeitvolumen; Atemgrenzwert c. Atemwegswiderstand; Tiffenau-Test d. restriktive / obstruktive Atemstörungen, Ursachen a. Spirometrisch messbare Atemvolumina – Atemzugvolumen VT in Ruhe: ca 0,5 l – inspiratorisches Reservevolumen IRV: ca 3,0 l – exspiratorisches Reservevolumen ERV: ca 1,7 l – Vitalkapazität VC: ca 5,2 l Spirometrisch nicht messbar: – Residualvolumen RV: ca 1,3 l – RV + ERV = Funktionelle Residualkapazität FRC: ca 3,0 l – RV + VC = Totale Lungenkapazität TLC: ca 6,5 l b. Atemzeitvolumen; Atemgrenzwert (exspiratorisches) Atemzeitvolumen VE (= VT) „Lehrbuch“werte (Ruhe): VT = 0,5 l ; f= 16 min-1 -> VE = 8 l/min VE Maximalwerte: Nichtsportler ca 100 l/min, Ausdauersportler ca 200 l/min c. Atemwegswiderstand , Tiffenau-Test Wie schnell man (aus)atmen kann, hängt ab – vom Strömungswiderstand der (oberen!) Atemwege – vom Gewebewiderstand von Lunge und Thorax Tiffenau-Test: Messung der exspiratorischen Einsekundenkapazität FEV1 (forciertes exspiratorisches Einsekundenvolumen) (l / erste s) FVC (forcierte Vitalkapazität) Relative FEV1 = absolute FEV1 / FVC FEV1 normalerweise über 75% VC erhöhter Atemwegswiderstand bei: – Trachea-Einengung (z.B. bei Kropf) – Stimmbandlähmung – Brochitits (Schleimhautschwellung) – Asthma (Bronchuskonstriktion, erhöht bei Ausatmung) Einengung der Luftwege -> Strömungswiderstand v.a. Exspiratorisch erhöht : Relative FEV1 erniedrigt: obstruktive Lungenerkrankung -> erhöhter Ausatemdruck notwendig -> dynamische Atemwegskompression d. restriktive / obstruktive Atemstörungen, Ursachen Relative FEV1 erniedrigt -> obstruktive Lungenerkrankung: – Trablahzaha4zt0aw Forcierte Vitalkapazität (F_VC) erniedrigt 21.10.2004 (b) Atemmuskulatur Senkung von PA unter PB durch Inspirationsmuskeln – Zwerchfell flacht ab – Mm scaleni u.a. : Heben Thorax – angestrengt: Mm intercostales externi u.a. Anhebung von PA über PB für die Exspiration – Erschlaffung der Inspirationsmuskeln – passive Rückstellkräfte – angestrengt: Bauchpresse, mm intercostales interni ( c) künstliche Beatmung Mund-zu-Mund-Beatmung – Überdruckbeatmung – Ausatmung passiv oder Druck auf den Thorax Überdruckbeatmung – maschinell – über Ventile – evtl O2- Zugabe – volumen- und druckgesteuert – Ein- /Ausatmungsventil nahe am Mund (Verminderung des Totraums!) – Beim Einatmen PA > Pbarom (behindert venösen Rückstrom!) – Barotrauma-Gefahr! Unterdruckbeatmung – bei neuromuskulären Störungen (z.B. Poliomyelitis) – Sprechen und Essen möglich – Beim Einatmen PA < Pbarom (wie normal) – Unterdruckkammer: passive Thoraxhebung/-senkung (d)Warum folgt die Lunge den Zwerchfell- und Thoraxbewegungen? – Der Thorax „will“ sich erweitern – Die Lunge „will“ sich zusammenziehen – aber die dünne Flüssigkeitsschicht im Pleuraraum verhindert dies, da sich Flüssigkeit nicht dehnen lässt – ein seitliches Verschieben der Pleurablätter gegeneinander ist jedoch möglich, ähnlich wie zwischen zwei Glasscheiben, die feucht sind (e) Pleuradruck (Ppl) PA (Alveolardruck = intrathorakaler Druck) korreliert mit Ppl: Unterschied ist die transpulmonale Druckdifferenz: Druckverlauf bei insp/exp hängt eng zusammen, Ppl etwa 6 mmH2O niedriger (f) Pneumothorax = Eindringen von Luft in den Pleuraraum geschlossener Penumothorax – Spontan-Pn. (Emphysemblase platzt) – Barotrauma durch Überdruckbeatmung oder Tauchen offener Pneumothorax – traumatischer Pneumothorax z.B. Rippenfraktur – iatrogener Pneumothorax z.B. Pleurapunktion, Lungenbiopsie Ventil- (Spannungs-)Pneumothorax – Luft rein, nicht mehr raus – Druckerhöhung im Thorax komprimiert funktionierende Lungenseite zusätzlich 3A Luftzusammensetzung, O2-Verbrauch (a) Gaszusammensetzung der Luft / der Ausatmungsluft (trocken) FIO2 = 0,2 l FICO2 = 0,0003 FEO2 = ca 0,17 FEO2 = ca 0,04 (b) O2-Verbrauch / CO2-Abgabe; RQ, max. O2-Verbrauch O2-Verbrauch VO2 aus Bilanz: Aufgenommenes O2-Volumen/Zeit – abgegebenes O2-Volumen/Zeit VO2 = VE * FIO2 – VE*FEO2 = VE * (FIO2-FEO2); in ruhe: VO2 = 8 *(0,2l – 0,17)=0,32 l/min VO2 bei maximaler Arbeit Untrainierter: f =40/min; VT =1,4 l ; FEO2 = 0,16 -> 2,8 l/min Ausdauertrainierter: 5,2 l /min CO2-Abgabe in Ruhe: VCO2 = 8*(0,035) = 0,28 l/min 3B Druck-Volumen-Verhältnisse: Compliance und Atemarbeit (a) Transmuraler Druck – die transmurale Druckdifferenz (Ptm) und die Wand-Elastizität bestimmen das Volumen (V) eines Hohlkörpers, wobei – Ptm = Pi(nnen) – Pa(ußen) (b) Druck-Volumen-Kurve – schrittweise Füllung (ΔV) und Bestimmung des jeweiligen ΔPtm ergibt eine Kurve, die als Druck-Volumen-Kurve oder Dehnungskurve beziechnet wird – man erhält die Compliance (Volumendehnbarkeit) – das Flacherwerden der Kurve zeigt, dass für gleiche Volumenzuwächse steigende ΔPtm benötigt werden, das heißt, ΔPtm / ΔV (=Steifigkeit = Elastance) des Ballons nimmt mit zunehmender Füllung zu – gebräuchlicher in der Physiologie ist der Kehrwert der Elastance, also ΔV / ΔPtm , der Compliance oder Volumendehnbarkeit genannt wird – mit steigender Dehnung (Kurve wird flacher) sinkt die Compliance also (c ) transmuraler Druck von Lunge und Thorax – Ptm der Lunge = PA – Ppl – Ptm des Thorax = Ppl – (Pb) (vernachlässigbar) – Ptm von Lunge + Thorax = PA – Ppl + Ppl = PA !!! (d ) Kräfte zwischen Lunge und Thorax; Atemruhelage; Ruhedehnungskurven Statische Ruhedehnungskurven: Thorax > Lunge Thorax + Lunge -> s-förmig (e ) statische Ruhedehnungskurve von Lunge + Thorax; inspiratorische und exspiratorische Maxima Statische Ruhedehnungskurve: 1. Atemruhelage: PA = 0 2. Inspirationslage: PA > 0 3. Exspirationslage : PA < 0 Maxima aus Inspirationslage: 4. maximaler Inspirationssog niedrig: kaum negativer Druck 5. maximaler Exspirationsdruck hoch: stark negativer Druck Maxima aus Exspirationslage 6. Maximaler Inspirationssog hoch 7. Maximaler Exspirationsdruck niedrig -> Müller-Versuch (Schnorchelatmung) -> Valsalva-Versuch (Trompete blasen) (f ) Compliance – Die Compliance, C = ΔV / ΔPA , ist am größten (Kurve am steilsten) um die Atemruhelage herum, d.h. Hier muss für Volumenveränderungen des Atemapparates am wenigsten Druck/Kraft aufgewendet werden – normal: C = 1,3 l/kPa (Lunge und Thorax je 2,6 l / kPa) 100x dehnbarer als ein gewöhnlicher Luftballon! – Sinkt die Compliance (flachere Kurve), wird Atmen anstrengender (g ) Ursachen für Verringerung der Compliance – Alter – erhöhte Blutfüllung der Lunge (stauung) – alveoläres Lungenödem (Stauung) – verminderte Brustkorbbeweglichkeit u.a.m – Mangel an Surfactant (h ) Oberflächenspannung was ist die Ursache für die hohe Compliance des Atemapparates? – bei Füllung der Lunge mit einer Salzlösung ist die Compliance höher als bei Füllung mit Luft – Schlussfolgerung: in der Lunge spielt die Oberflächenspannung an der Luft / Flüssigkeitsgrenze eine wichtige Rolle Die Oberflächenspannung (an jeder Flüssigkeits-Gas-Grenze) entsteht dadurch, dass die Kräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeitsphase größer sind als zwischen der Flüssigkeits- und der Gasphase Laplace: Ptm = 2y / r [N*m-2 = Pa] y = Oberflächenspannung [N*m-1], r = Radius (der Alveole) Folge: der Druck ist in kleineren Alveolen größer als in großen Alveolen. Da die Alveolen miteinaner verbunden sind, blasen die kleinen Alveolen (werden kleiner) die großen Alveolen auf (vergrößern sich) (i ) Surfactant – Verringerung der Oberflächenspannung durch Detergenzien – in vivo : Surface-active-agent = Substanzmishcung aus sog. TypII-Alveolarzellen – Surfactantfilm auf der inneren alveolenoberfläche enthält u.a. ca. 90% Phospholipide und Neutralfette ca. 8% Surfactant-Proteine (SP-A, -B,-C,-D) – Surfactant wird ab etwa der 35. Schwangerschaftswoche vermehrt sezerniert, es senkt die Oberflächenspannung, (in kleinen Alveolen mehr als in großen). Damit - stabilisiert Surfactant die Alveolen (=verhindert Atelektase) - erhöht es wesentlich die Compliance (= senkt Atemarbeit) - erleichtert es die Lungenentfaltung beim Neugeborenen – Surfactant-Mangel IRDS , ARDS! 22.10.2004 (a ) Anatomie und Funktion des Totraums Das Atemzugvolumen VT gelangt nur z.T. In den Alveolarraum (alveolärer Anteil von VT), ein Teil bleibt im Totraum = VD „Tot“ ist der Totraum nur in Bezug auf den Gasaustausch (b ) Totraumbestimmung Bohr-Formel: Totraum VD = (VT(FaCo2-FECo2))/FACO2 (c ) Totraumvergrößerung 1. Extern durch - Schnorchel - Atemgerätschläuche mit mundfernem Atemventil 2. Intern durch - fehlende Durchblutung von Alveolarbezirken - Diffusionshindernis -> Entweder muss Atemzugvolumen VT steigen oder alveoläres Volumen VA sinkt ab! (d ) Totraum- /Alveolar-Ventilation Gesamtventilation (Atemzeitvolumen ) VE = f*VE (l/min) Totraumventilation VD = f*VD (l/min) Alveolarventilation: VA = f*VA (l/min) VE = VD + VA (l/min) bei flacher Atmung reduziert: VT, VA, VA/VE erhöht: f, VD konstant: VE, VD (e ) Alveoläre Ventilation bestimmt Alveolargaszusammensetzung 1a. PAO2 = 13 kPa 1. Paco2 = 5kPa wenn VA steigt (Alveolargas wird frischer): 4a. PaO2 steigt auf 17 kPa, 4. PaCO2 sinkt auf 2,5 kPa Wenn der Stoffwechsel steigt, so steigen PaCO2 = PACO2 -> Atemantrieb erhöht, VT erhöht -> VA erhöht -> PACO2 normalisiert -> verhinderung der respiratorischen Azidose Pa = arterieller druck -> PA = Partialdruck 5. Alveolärer Gasaustausch und seine Störungen (a ) Bau der Lunge 23 Verzweigungen der Trachea in Bronchien, Bronchiolen usw bis zu Bronchioli respiratorii Totraum Querschnittsfläche der Zuleitungszone wesentlich geringer histologischer Aufbau siehe Histologie (b ) 1. Ficksches Diffusionsgesetz Trennfläche zwischen zwei Räumen, Fläche F [m ²], Dicke/Diffusionsstrecke l [m], Konzentrationen C1 und C2 [mol/m3] Diffusionskoeffizient D des Stoffes F * D * ΔC / l [mol/s] (c ) Gaskonzentration <-> Partialdruck – Alveolenwand = Gas-Flüssigkeitsgrenze – Gas-Konzentration Cgas , in Flüssigkeit ist abhängig - vom Gas-Partialdruck, Pgas [Pa] - von der Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit --> αGas = Bunsen-Löslichkeitskoeffizient [mol*m-3*Pa-1] Cgas = αGas * Pgas [mol*m-3] oder (Fraktion F statt Konzentration C) Fgas = α'Gas * Pgas [m-3 * m-3] wobei α'Gas = α Gas * Molvolumen [m3*m-3*Pa-1] α Gas ist abhängig von der Flüssigkeit und der Temperatur sowie von der Art des Gases αO2 ist mehr als 20mal kleiner als αCO2 (d ) Krogh-Diffusionskoeffizient; O2-Diffusionskapazität Das 1. Ficksche Diffusionsgesetz gilt generell für die Diffusion von gelösten Stoffen (auch Gasen) in Gasen, Flüssigkeiten, Membranen etc. Für die Atmung wird es etwas umgewandelt: für ΔCGas wird αGas*ΔPGas eingesetzt, dann mit dem Molvolumen multipliziert, so dass dn -> dV und αGas -> α'Gas, für D*α'Gas wird K (Krogh-Diffusionskoeffizient )[m2*s-1*Pa-1] eingesetzt für ΔPGas wird ein durchschnittliches ΔPGas (oberstrich) eingesetzt F * K/l wird DL (O2-Diffusionskoeffizient) dV/dt -> VO2 (=O2-Aufnahme) -->>> VO2 = DL * ΔPGas (mit oberstrich) (e ) Diffusionsfläche ; Emphysem Wichtig: Viele , kleine Alveolen Wären die Lungen eine einzige (kugelförmige) Riesenalveole (4l), so hätte diese eine Oberfläche von 0,13 m². Tatsächlich sind es normalerweise 300mio Alveolen mit einem Durchmesser von 0,3 mm, die eine Oberfläche F von knapp 100 m² haben Emphysem: Viele kleine Alveolen verschmelzen zu wenigen großen Alveolen : F ↓ (f ) Diffusionsstrecke, Lungenödem Diffusionsstrecke ? Alveolarraum -> Alveolarmembran -> Plasma -> Erythrozyt: 1-3 ym Lungenödem: – Kapillardruck oder -durchlässigkeit erhöht – gestörter Lymphabfluss – onkotischer=kolloidosmotischer Druck ↓ -> Übertritt von Flüssigkeit – ins Interstitium (interstitielles LÖ) – in die Alveole (alveoläres LÖ) -> Diffusionsstrecke erhöht -> O2-Austausch gestört (Diffusionslimitierung) (g ) Trieb“kraft“ der Diffusion = ΔP ΔPO2 = PAO2 – Pvo2 ΔPCo2 = PvCO2-PACo2 ΔPO2= 13,33 – 5,33 = 8kPa ΔPco2= 0,8 kPa (h ) Kontaktzeit; Diffusions-/Perfusionslimitierung nach ca 1/3 Kontaktzeit (diese 0,75s) Austausch abgeschlossen -> Perfusionslimitierung pathologisch z.B. bei Lungenödem: Diffusionslimitierung, Kontaktzeit reicht für Austausch nicht aus. Bei beschleunigter Ventilation aufgrund körperlicher Arbeit sinkt Sauerstoffdurchsatz dementsprechend sogar noch ab! (i ) O2-Bindung und Perfusion ΔPO2 wird aufrechterhalten, weil – O2-Bindung an Hämoglobin – Perfusion Q schafft aufgefrischtes Blut weg (Perfusionslimitierung) -> Ventilation und Perfusion müssen aufeinander abgestimmt sein! 26.10.2004 Herz-Kreislauf-System Welche Aufgabe hat das Herz im Kreislauf? Pumpe, 2 Pumpensystem in Serie li Herz Hochdrucksystem 120/80, re Herz Niederdruck 20/7mmHg durch beide 5 l/Min eine elektro-chemo-mechanische Maschine elektrische aktivität steuert mechanische und indirekt metabolische Aktivität des Herzmuskels Kontraktionsdauer etwa so lang wie Aktionspotential wdh: Nernst-Gleichung und Ionenkanäle Myokardmembran in Ruhe vorwiegend für K+ permeabel am Herzen hat eine K+ - Erhöhung dramatische Folgen (Dauererregung) (10fache Erhöhung [K+]a : Membranpotential von -65mv auf -17mv) in Herzchirurgie: Kardioplege Lösungen: Künstlicher Herzstillstand > 25mmol /l [K+]a Ruhe- und Aktionspotential im Herzen in Diastole Ruhepotential der Arbeitsmyokardzellen ca -85mV Impuls aus Reizleitungssystem -> Erregung AP ist eine schnelle Neuverteilung elektrischer Ladung über der Membran schneller Einstrom von Na (~0,1ms) und Ca verursacht Depolarisation, Ausstrom von K Repolarisation dauer AP: Herz 200-400 ms, vgl Neuron 1-2 ms Ruhepotential wird durch IK1 geprägt IK1 -> Ionenkanäle, die zur Klasse der Kir2 Kanäle gehören Gen eines Ca/Na-Kanals 4mal so lang wie ein K Kanal Kir lässt Strom nur in einer Richtung durch Nav (spannungsabhängige Na-Kanäle) im Herz: ~1000x schneller leitend als andere Ionenkanäle im Herzen „Schalten“ des Natriumkanals durch Änderung der Spannung über die Membran: als Fühler dient ein Spannungssensonr im Element S4 des Moleküls (geschlossene Pore -65mv, offene Pore -40mv) Kanal geht nur kurz auf und schliesst sich von alleine schnelle wieder Ina ist Grundlage des Refraktärzustandes des Herzens die Ansprechbarkeit der Herzmuskulatur auf Reize ist während bestimmter Phasen des Erregungsablaufs aufgehoben und vermindert- man spricht von einer absoluten oder relativen Refraktärperiode (Ball in der Pore-Modell) in der relativen Refraktärperiode ist theoretische wieder Erregung möglich, wenn Strom hoch genug ist -> „Kammerflimmern“ Funktionelle Bedeutung der Refraktärperiode Verlängerung des AP führt zur Verlängerung der Refraktärperiode -> Erregung im Herzen läuft nicht „im Kreise“ der Herzmuskel ist im Ggs zum Skelettmuskel nicht tetanisierbar! Das maximum der mechanischen Erregung liegt innerhalb der Plateauphase des Herzens Das Plateau wird durch Ica geprägt Ca als 2nd messenger, 2*10-7 mol in Ruhe, Ca-Strom immer in Zelle und depolarisierend, muss über Pumpen hinausbefördert werden werden Ca-Kanäle gehemmt sinkt Herzkontraktionskraft stark ab frühe phase der Repolarisation durch Ica, späte Phase durch IK geprägt Ruhepotential unter Hypo-/Hyperkaliämie gesunde Herzmuskelzelle folgt überwiegend dem K-Gleichgewichtspotential (~bis -90 mV) Hypokaliämie: K+ verliert an Gewicht auf der Aussenseite, Potential ist positiver als es sein sollte bei einer Ischämie (Kanal arbeitet nicht mehr) fällt Potential auf ~ -40 mV bei Hypokaliämie, wenn man jetzt Kalium zu gibt (Hyperkaliämie erzeugt) steigt Potential schnell an, es kann über Differenzen zwischen versch. Kanälen zu Arythmien kommen merken: Ionale Grundlagen des Aps im Myokard Ruhepotential durch Kaliumstrom Aufstrich durch schnellen natriumstrom Plateau durch calciumströme Repolarisation durch Kaliumstrom insgesamt 14 Unterstromkomponenten Ratespielchen: depolarisierende Einzelströme gNa (schneller kurzer Peak), gCa (recht gleichmäßiger Einstrom), gK1 (starker gleichmäßiger andauernder Ausstrom), gK (langsam anwachsender lang dauernder Ausstrom) Frequenzerhöhung: steigerung langsame diastolische depolarisation anheben des Ruhepotentials herabsetzung schwellenpotential Repolarisationzeit Ionenströme im Sinusknoten kürzer, nicht ganz so hoher Peak, depolarisiert etwas mehr 28.10.2004 Ionenströme im Sinusknoten Warum entfernt sich das Potential spontan vom Ruhepotential? If („funny“ z.b. im Herz) bzw Iq (z.b. im Thalamus) Reaktion nicht auf Depolarisation sondern auf Hyperpolarisation sind sehr stark depolarisierend Bindestelle für zyklische Nukleotide Klassifikation: CNG oder HCN-Kanäle im Mausversuch knock-out eines der 4 HCN-Kanalsysteme -> negativeres Ruhepotential -> Puls unverändert (Kanal also nicht alleiniger Schrittmacher), aber dysrhytmisch -> Fluktuationen des RR-Intervalls (Pulslänge) nur in Ruhe Schneller Aufstrich im Sinusknoten durch Ca-Kanäle initiiert distal im Erregungsleitungsystem weniger Steilheit Overdrive suppression durch 3Na/2K ATPase (erregung durch hohe frequenzen führt zur hemmung des schrittmachermechanismus) Erregungsausbreitung Ausganspunkt für die rhytm. Erregung ist der Sinusknoten. Von dort Ausbreitung über Vorhöfe zum AV-Knoten , dann Ventrikel: His-Bündel, Purkinje-Fasern Herz ist elektrisches Synzytium über gap junctions in Glanzstreifen Pore: 2x6 Connexine machen 2 Connexone Ausbreitungsgeschwindigkeit sinusknoten niedrig, vorhof hoch av knoten niedrig hisbündel hoch purkinjefasern sehr hoch myokard hoch die Erregungsausbreitung im Herz (~220ms) ist vor Ende des AP (~300ms) abgeschlossen -> die zuerst erregten Zellen sind folglich noch refraktär -> verhindert Kreiserregungen langsame avknotenleitung: verzögerungselement und tiefpass – kontraktion des vorhofes kann zum abschluss kommen das Herzaktionspotential gibt es nicht – je nach Lokalisation unterschiedlich Schrittmacherpotentiale üblicherweise nur im Sinusknoten Reentry Länge der Erregungswelle < Ausbreitungsgeschwindigkeit * Refraktärzeit ist diese Bedingung erfüllt ist man vor kreisender Erregung geschützt, Herz gesund beim Reentry finden Erregungswellen im Herzen nach Durchlaufen einer gewissen Wegstrecke zu ihrem Ausgangspunkt zurück, treffen diesen wieder ..kreisende Erregung Ursachen: – Leitungsgeschwindigkeit verkürzt – Refraktärzeit verkürzt – zu langer Weg (Hypertrophie) vulnerable Periode: ansteigende Flanke der T-Welle Frequenz Sinusknoten: 70-80 primäres Zentrum AV-Knoten 40-60 sekundäres Zentrum His-Bündel etc 20-40 tertiäres Zentrum weitere Störung der Erregungsbildung: Getriggerte Aktivität spontane Oszillationen des Membranpotentials ,die als Nachdepolarissationen bezeichnet werden – EAP (early afterpolarisation) am Abbruch Plateauphase erneute Oszillation, die sich aufschaukeln kann (Ursache z.B. zu kleiner Ausgleichender Kaliumstrom) – LAP (late afterpolarisation) zum Zeitpunkt der Repolarisation Plötzlicher Herztod (Long QT Syndrom) gestörte Repolarisation der Zellen -> Verlängerung des QT-Intervalls -> Herzrhytmusstörungen, z.B. anfallsweise auftretende Polymorphe ventrikuläre Tachyarythmien („Torsades de pointes“) und zum plötzlichen Herztod Mutationen in Kanälen (z.B. HERG Kanal aus der IK Komponente, aber auch bei Ina IK1) Funktionsverlust von IK1 führt zur ventrikulären Arythmie -> verlängertes AP Andersen Syndrom: Kir2.1 Funktionsverlust u.a. vergrößerter Augensabstand, Gaumenspalte, Mikrognathie... polymorphe ventrikuläre Tachykardie, Long QT Syndrom, Ohnmachtsanfälle, Herzstillstandard, Kammeranarchie -> Defibrillatorimplantate Herzmuskelfaseranatomie – quergestreifte Myokardfasern – Zellgrenzen der Fasern durch Glanzstreifen markiert – große, ovale Zellkerne – mitochondrienreich woher stammt das Ca2+ bei der Muskelkontraktion? Beim Skelettmuskel fast ausschließlich aus intrazellulären Speichern des sarkoplasmatischen Retikulums, beim Herzmuskel das meiste durch spannungsgesteuerte Calciumkanäle im Sarkolemm im Skelettmuskel sind die T-Tubuli dünner und die Triaden sind stärker ausgeprägt im Herzmuskel „Diaden“, keine klaren SR-Zisternen das extrazelluläre Ca im Herzen muss folglich relativ stabil gehalten werden ich hab die Gleitfilamenttheorie verpasst 29.10.2004 elektromechanische Kopplung erregung der HMZ ist ein elektrisches Phänomen, die Kontraktion ein mechanischer Prozess: die Kopplung der Prozesse nennt man elektromechanische Kopplung Ca2+ spielt dabei eine Schlüsselrolle bei seiner Abwesenheit tritt elektromechanische Entkopplung auf. RYR DHPR Dihydropyridin- und Ryanodinrezeptoren die übertragung des transmembranären signals auf die membran des sarkoplasmatischen retikulums erfolgt durch Dihydropyridinrezeptoren (DHPR = L-Typ Ca2+-Kanäle) und RYR DHPR im T-Tubulus, RYR im SR, sehr nahe Beziehung, bei hypertrophem Herz Funktionsstörung mit vergrößertem Spalt Koordinierte RYR (Ca2+-Sparks: kleiner lokaler Calciumtransient an wenigen Kanälen – bei Herzerregung werden Tausende Sparks synchronisiert) Modulation der Herzkraft (Inotropie) Neben der Beeinflussung der Ca2+-Austauschvorgänge lässtsich die Herzkraft durch Hebung oder Senkung des transmembranären Ca2+-Einstroms kontrollieren. Dies ist prinzipiell durch Sympathikus und Parasympathikus möglich (über cAMP) Relaxation des Herzmuskels Wenn die zytoplasmatische Ca2ü-Konzentration auf 10-7 mol/L absinkt, löst sich ca2+ aus seiner Bindung an Troponin C und der Myofibrillenapparat relaxiert dazu benötigt: – primär aktiv: Ca2+-ATPase abhängig von Na+/K+-ATPase -> draussen, unabhängig davon -> SR – sekundär aktiv: Na+/Ca2+-Austauscher -> draussen Sympathikus-unterstützt Ca2+-Abhängigkeit der Kontraktion jede muskelkontraktion benötigt Calcium. Die kraftentwicklung ist linear von der intrazellulären Ca-Konzentration im bereich 10-7 mol/l abhängig. Beim skelettmuskel kommt es ab einer bestimmten ap-frequenz zur superposition und tetanischer kontraktion – der herzmuskel ist erst dann wieder zu erregen, wenn die kontraktion abgeschlossen ist und ist somit nicht tetanisierbar bei einer erhöhun g der reizfrequenz verringert sich die dauer des aktionspotentials und die kontraktilität erhöht sich langsam im laufe von minuten (treppe). Beide effekte werden durch eine akkumulation von intrazellulären Na+ infolge der elektrischen Erregung ausgelöst, die sekundär eine Akkumulation von Ca2+ nach sich zieht Steuerung der Kraftentwicklung wird über die Höhe der sarkoplasmatischen Calciumkonzentration, die Calciumempfindlichkeit der Myofilamente und den Grad der Überlappung der Myofilamente gesteuert Herznerven Vegetative Innervation - parasympathisch: N. Vagus, 2 Äste, rechter -> Sinusknoten, linker -> AV-Knoten Transmitter: Acetylcholin, Noradrenalin – sympathisch: Nn. Cardiaci versogen Vorhof und Ventrikel nahezu gleichmäßig Acetylcholin, Acetylcholin Acetylcholinrezeptoren am Herz: total viele unnötige muskarinische Rezeptoren (über IP3DAG oder cAMP) nikotinische Rezeptoren (Kanäle mit verschiedenen Untereinheiten) verschiedene adrenerge Rezeptortypen , α1, α2, β die β1 stimulieren die Kontraktionskraft Adrenerge Transmitter am Herz Sympathikus und Parasympathikus steuern gemeinsam die Funktion von Herz und glatter Muskulatur – auf gegensätzliche Weise zwischen adrenergen und cholinergen Terminalen am Herzen bestehen präsynaptische Interaktionen chronotroper vegetativer Effekt noradrenalin führt zu einer Zunahme, Acetylcholin zu einer Abnahme der diastolischen Depolarisation im Sinusknoten. Dadurch wird bei Acetylcholin die Schwelle später – negativ chronotrop -, bei Noradrenalin früher erreicht – positiv chronotrop. Parasympathikus dominiert Neurovegetative Regulation des Schrittmachers Warum ändert sich die Steilheit des langsamen diastolischen Potentials? Sympathikus -> Noradrenalin -> β1 adrenerger Rezeptor -> Gsα Signalprotein -> cAMP hoch -> If Kanäle vergrößern Strom Acetylcholin -> m² Acetylcholinrezeptor -> Giα -> cAMP runter -> Giβγ -> IKACh Acetylcholin am Herzen – Mechanismus Die Wirkung des Überträgerstoffs Acetylcholin am Herzen beruht auf einer Gβγvermittelten Erhöhung der Leitfähigkeit von Acetylcholin-gesteuerten Kir3 Kanälen (KACh) der erregbaren Sinusknotenmembran wenn KACh in der knockout Maus fehlt : puls verändert sich nicht dromotroper vegetativer Effekt Adrenalin beschleunigt am AV-Knoten die Anstiegssteilheit des Aps – Acetylcholin verringert sie Symp: Noradrenalin -> β1adrenerger Rezeptor -> cAMP hoch -> PKA -> Ical öffnungswahrscheinlichkeit wird vergrößert -> Aufstrich wird steiler Parasympathikus: Acetylcholin -> m² Acetylcholinrezeptor -> Gsα -> cAMP runter usw inotroper Effekt der Herznerven unter vaguseinfluss wird die Kontraktionsstärke des Vorhofmyokards durch Verkürzung der Aktionspotentialdauer vermindert -> negativ inotroper Effekt Sympathikus andersrum 2.1.2004 Lunge a) Lungendurchblutung ~Herzzeitvolumen HZV großer und kleiner Kreislauf in Serie blabla b) Messung von HZV und SV: Ficksches Prinzip Mengen-(Volumen-)bilanz O2-Aufnahme/Zeit = VO2 = (O2-VolLunge -> li.Herz)/Zeit – (O2-Vol.re.Herz-> Lunge/Zeit) VO2 = HZV*FaO2 – HZV * FVO2 [l/min] = HZV *(FaO2-FvO2) [l/min] HZV = VO2/(FaO2-FvO2) [l/min] = VO2/avDO2 SV = HZV/Pulsfrequenz [l] (c ) Ohm-Gesetz; Widerstand und Blutdruck in Lungen- und Körperkreislauf Ohm-Gesetz: (1)für Elektrizität: U[V] = I[A]*R[ohm] (2)für Blutkreislauf: ΔP [mmHg] = Q [m³/s]*R [mmHg/(m3*s)] (Q = Durchblutung) (3)für Gesamtkreislauf: ΔP [mmHg] = HZV [m³/s]*TPR [mmHg/(m3*s)] TPR = totaler peripherer Widerstand ΔP im Körperkreislauf: 100-2 = 98 mmHg ΔP im Lungenkreislauf: 15-5 = 10 mmHg -> Rlungenkreislauf = 1/10 von Rkörperkreislauf -> rechtes Herz muss 90% weniger leisten als linkes (d)Einfluss von HZV bzw. Pulmonalarteriendruck auf den Strömungswiderstand im Lungenkreislauf starres Rohr: lineare Steigerung ΔP mit Q der Strömungswiderstand im Lungenkreislauf ist nicht konstant, sondern sinkt, wenn der transmurale Druck steigt (Rekrutierung nichtdruchbluteter Arterien, Gefäßerweiterung) in der Niere führt eine Druckerhöhung dagegen zur Steigerung des Strömungswiderstands Hagen-Poiseuille: R ~1/r4 (e) die Lungendurchblutung ist atmungsabhängig d.h. Abhängig vom Lungenvolumen es existiert ein Optimum mit minimalem Gefäßwiderstand nach abfall Widerstand extraalveolärer Gefäße und vor zu großem Anstieg alveolärer Gefäße (hohes Lungenvolumen komprimiert alveoläre Gefäße) (f) die Lungendurchblutung ist positionsabhängig bei vertikalem Körper Dreizonengliederung der Lunge Ursache: pulmonaler Perfusionsdruck relativ niedrig oben: PA > Ppa > Ppv (Aussen-/Alveolardruck > Pulmonalarteriendruck > Pulmonalvenöser Druck) -> Q gegen 0 mitte: Ppa > PA > Ppv relativ geringe Durchblutung basis: Ppa > Ppv > PA volle Durchblutung (g) Ventilations-/Perfusions-Verhältnis VA/Q nicht ventiliert: VA/Q = 0 , Blut bleibt venös (O2-arm) nicht perfundiert: VA/Q gegen unendlich, funktioneller Totraum steigt normal: VA/Q = 5,6/6 =~ 1 VA/Q in Lungenbasis unter 0,5 in Lungenspitze über 3 Bei ungünstigem VA/Q-Verhältnis spricht man von Verteilungsstörungen. Um diese zu verhindern, wird in der Alveole der Po2 „gemessen“ Ist der Po2 niedrig (Hypoxie, z.B. wegen lokal niedriger lokaler VA), wird lokal Q gedrosselt: Hypoxische Vasokonstriktion -> Problem Höhenkrankheit z.B. über pulmonalen Hochdruck -> Höhen-Lungenödem O2-Transport im Blut (a) Physikalische Lösung von O2 PAO2 = 13,3 kPa -> PaO2 = 13,3 kPa -> FaO2 = α'O2 * PaO2 α'O2 = 2,24*10-4 [l*(l Plasma)-1*kPa-1) -> FaO2=0,003 l O2/l Plasma also fast nix (b) Hämoglobin und seine Funktionen Hämoglobin (Hb) – Hb ist ein Protein mit vier Untereinheiten: HbA1: 2 α- und 2 β-Ketten (2-3% HbA2: 2 α- und 2 Δ-Ketten; Fetus: HbF: 2 α- und 2 γ-Ketten) – Hb enthält 4 Häm-Gruppen mit je 1 FeII, von denen jedes 1 O2 binden kann. Wenn FeII zu FeIII oxidiert, entsteht, entsteht Methämoglobin (Met-Hb), das kein O2 binden kann. Met-Hb-Reduktase: beim Erwachsenen/Säugling – Hb bindet 4erlei Liganden , nämlich O2 (am Häm): desoxygeniertes Hb -> oxygeniertes Hb (HbO2) CO2 (Carbamat-Bindung: CO2-Transport im Blut H+-Ionen (Pufferfunktion der Histidin-Reste) 2,3,-Bisphosphoglycerat (Verschiebung der O2-Affinität des Hb) (1 mol/mol Hb. Normalisiert O2-Affinität -> P0,5-Wert (s.u.) von 0,13 auf 3,6 kPa!) (c ) Hüfner-Zahl, O2-Kapazität, O2-Sättigung 1 mol Hb = 64800 g Hb binden 1 mol O2 = 4*22,4 = 89,6 l -> 1 g Hb bindet (theoretisch 1,38) praktisch 1,35 ml O2 (Hüfner-Zahl) 1 l Blut enthält ca. 150 g Hb -> 1 l Blut (dieses Hb-Gehalts) kann max. 150*1,35 = 0,202 l O2 binden, d.h. O2-Kapazität = Gesamt-Hb-Konz. * 1,35 [l O2 / l Blut] Wieviel O2 das Blut tatsächlich enthält, darüber gibt die O2-Sättigung, SO2, Auskunft O2-Sättigung = tatsächliche O2-Fraktion / max O2-Fraktion = HbO2-Konzentration / Gesamt-Hb-Konzentration Von der O2-Kapazität werden z.B. in körperlicher Ruhe nur ca 25% für den O2-Transport in die Peripherie genutzt, d.h. Die O2-Sättigung des gemischt-venösen Blutes beträgt ca 0,75 oder 75% (sinkt allerdings bei körperlicher Arbeit) (d)O2-Bindung an Hb ist vom Po2 abhängig: O2-Bindungskurve Hb-Kurve ist S-förmig wegen Erhöhng der O2-Affinität nach O2-Bindung an der ersten Bindungsstelle (allosterische Veränderungen des Hb-Moleküls) Mass für Affinität: Halbsättigungsdruck P0,5 (bei Hb 3,6 kPa) (e) Rechts-/Linksverschiebung der O2-Bindungskurve z.B. CO2, H+, 2,3-DPG, Temperatur (f) Konsequenzen der O2-Bindungskurve Steiler Kurventeil: – hohe O2-Abgabe ohne große Druckänderungen möglich (Trieb“kraft“ ΔPo2 für die O2-Abgabe in der Peripherie bleibt erhalten!) Plateau – Steigerung des Po2 nützt kaum – mäßige Senkung des Po2 schadet kaum Bohr-Effekt im steilen Teil: – Rechtsverschiebung (Peripherie): mehr O2-Abgabe bei gleichem Po2 – Linksverschiebung (Lunge): erhöht O2-Beladung des Blutes bei niedrigem Po2 Muskelarbeit (hoher O2-Bedarf!): – [H+] hoch (Milchsäurebildung) -> Rechtsverschiebung: bessere O2-Abgabe (Verstärkunge des Effekts durch Temperaturerhöhung Chronische Hypoxie: 2,3-DPG runter -> erhöhte O2-Aufnahme (g) Veränderungen der O2-Kapazität , Zyanose Erhöhte O2-Kapazität bei Polyglobulie (=Erythrozytose): – Hypoxie (Herzfehler, chron. Lungeerkrankung, Höhenaufenthalt) Erniedrigte O2-Kapazität bei Anämie: – Eisenmangel, Vitamin-B12-Mangel, Folat-Mangel, Hb-Störungen > 50 g/l desoxygeniertes Hb in den Kapillaren -> Zyanose (h) Co-Bindungskurve; O2-Bindungskurve von Myoglobin , Met-Hb und fetalem Hb issss klaaaa aber: CO-Hb extrem hohe Affinität (zu CO) Met-Hb wird gar nicht mehr gesättigt 4.11.2004 von Kerstin 10.Sauerstoffversorgung, Anoxie a) Ficksches Diffusionsgesetz Fläche, Strecke, Triebkraft Gesamtfläche F ungefähr 1000m² Diffusionsstrecke I = 10-25ym deltaPo2 von Pao2 abhängig (-> Kragh-Zylinder) Ziel: in den Mitochondrien der kritische Po2 von 0,14 Pa nicht unerschritten werden b) Krogh-Zylinder Po2 nimmt im Verlauf Arterie -> Kapillare -> Vene ab: hypoxämische Hypoxie c) O2-Verbrauch eines Organs, O2-Extraktion O2-Verbrauch: Vo2 = Qorgan*[O2]a – Qorgan*[O2]v je größer Vo2 im Verhältnis zu O2-Angebot, desto größer ist die O2-Extraktion Eo2 = ([O2]a – [O2]v)/[O2]a Eo2 von Organ zu Organ verschieden – Haut (0,04), Niere (0,07), Gehirn, Leber (ca 0,3) – arbeitender Skelettmuskel (0,9) – Myokard 0,6 zusätzlicher O2-Bedarf wird nicht nur durch Durchblutung Qorgan, sondern auch durch Eo2 gedeckt d) Hypoxie, Anoxie Ursachen für Hypoxie: – hypoxämische Hypoxie (O2-armer Aufenthalt, Ventilation niedrig, O2-Diffusion niedrig) -> Q + Eo2 erhöht – anämische Hypoxie (O2-Kapazität erniedrigt) -> Q+Eo2 erhöht – ischämische Hypoxie (Q erniedrigt , Arterienverschluss, -spasmus) -> Eo2 erhöht erhöht ; Problem : Antransport von Glucose,... und Abtransport von Stoffwechselprodukten nicht möglich 11.Atmungsregulation a) Rhytmusgenerator in Neuronengruppen (Atem“zentrum“) Inspiratorische und exspiratorische Neuronengruppen – sind zu einem Rhytmusgenerator vernetzt – beeinflussen sich gegenseitig – werden tosnisch beeinflusst durch Afferenzen (ZNS, Körper) – erhalten rückgekoppelte und nicht rückgekoppelte Atemreize b) Regelung des Atemzugs Inspiration: N. Phrenicus, darm Exspiration -> Afferenzen – Lungendehnung hemmt Inspiration (Hering-Breuer-Reflex), Sensoren in Trachea+Bronchien – Muskelspindeln der Atemmuskeln (außer Zwerchfell) c) Atemrhytmen -> flache Atmung (Lungenödem, Rippenverletzung) vertiefte Atmung (Hyperkapnie, Azidose,...) apneustische Atmung (Hypoxie,...) ataktische Atmung (Meningitis,...) Cheyne-Stokes-Atmung (erhöhter Hirndruck,..) Schnappatmung (zerebrale Ischämie, Frühgeborene,...) d) Regelung der Atmung über Blut-/Liquor-Gaspartialdruck – periphere Chemosensoren (Glomera aortica + carotica) – zentrale Chemosensoren (Vorderfläche der Medulla oblongata): pH-Wert des Liquors -> „Atemantriebe“: Rückmeldung an Rhytmusgenerator – CO2 erhöht: Erstickungsgefühl, Fluchtreflex – O2 erniedrigt : Euphonie! – Körperliche Arbeit: Mitinnervation, nicht Gaspartialdrücke 12.Höhenphysiologie a) Menschen in der Höhe b) Barometerdruck erniedrigt -> Pio2 erniedrigt – mit zunehmender Höhe: Barometerdruck erniedrigt: 5000m : ½ , 7000m: 1/3 – Barometrische Höhenformel: PB (höhe) = PB (Meer)*e0,127*h(km) [kPa] -> PB = 101 kPa -> Zugspitze: ca 69 kPa (3000m) Fio2 bleibt in Höhe gleich aber: Pio2 erniedrigt: Meereshöhe: 21,2 kPa; Zugspitze: 14,5 kPa c) Mehratmung: „Höhengewinn“ – ohne Mehratmung: ab 5000m kritisch – Grenze akuter Aufstieg (mit Mehratmung): 7000m d) Alveolargasausgleich PAo2= Pio2 – PAco2 / RQ -> wenn PAco2 erniedrigt -> PAo2 erhöht -> bei Mehratmung: „Abatmung“ von CO2 Für Gipfelstürmer: – Besteigung bei Hochdruckwetter: PB > normal – „Dünne“ Luft weniger viskös: Strömungswiderstand erniedrigt – O2-Atmung: „Höhengewinn“ erhöht – reine O2-Atmung -> 12000 m e) Mehratmung: Hyperventilation = Hypokapnie -> respiratorische Alkalose PAco2 erniedrigt -> pH erhöht -> HCO3—Ausscheidung wird pH normalisiert (renale Kompression) – Linksverschiebung der O2-Bindungskurve -> bessere O2-Beladung – HZV erhöht (an Atmung „gekoppelt“) f) renale Kompensation der Alkalose pH = pka + log [HCO3-] / (alpha*Pco2) (Henderson-Hasselbach-Gleichung) -> [HCO3-] erniedrigt -> pH einigermaßen normalisiert g) chronische Höhen-Akklimatisation – PAo2 erniedrigt-> Pao2 erniedrigt -> renale Erythropoietin-Ausschüttung (Erythrozyten + Hkt erhöht) -> O2-Kapazität erhöht – Pao2 erniedrigt -> Po2 im Gewebe erniedrigt -> O2-Extraktion erhöht -> Kapillardichte erhöht -> oxidative Enzyme passen sich an -> O2-Versorgung des Gewebes fast normal h) akute Höhenkrankheit – Lungenödem durch generalisierte hypoxische Vasokonstriktion – Kopfweh, Müdigkeit, Übelkeit, Schlaflosigkeit -> Ursachen: Hypoxie: Mehrdurchblutung des Gehirns Hypokapnie: Minderdurchblutung des Gehirns – Hoher Wasserverlust durch: hypoxiebedingte Mehratmung osmotische Diurese arbeitsbedingte Mehratmung zu weniges Trinken -> zu rasches, zu viele Trinken -> akute Hypoosmolarität des EZF (diffundier in Zellen) i) chronische Höhenkrankheit – im Alter: VE erniedrigt, Pao2 erniedrigt, Hkt erniedrigt (0,8->0,5) hohe Blutviskosität -> hoher TPR -> hohe Herzbelastung -> Herzinsuffizienz 5.11.2004 Niere- Salz-Wasser-Haushalt 1. Einführung in die Nierenphysiologie (a ) Warum? Vom Einzeller zum Menschen (b) Wo? Anatomie der Niere (c ) Wozu`? Aufgaben der Nieren Die Nieren sind lebenswichtig! -> Nierenversagen (GFR < 10% der Norm): – Retention von Endprodukten des Stoffwechsels (Entsorgungsfunktion), z.B. Harnstoff aus dem Proteinstoffwechsel, Harnsäure aus dem Nucleotidstoffwechsel, Kreatinin aus dem Muskelstoffwechsel – Erhöhung von Na+, H2O, K+, Mg2+, Phosphat und Senkung von HCO3- im Organismus. Ödeme, Hyperkaliämie, Azidose (Bilanzierungsfunktion) – Blutdruckerhöhung (Blutdruckregulation) – hormonale Störungen (endokrine Funktion) z.B. renale Calcitriolbildung runter -> PTH hoch (sekundärer Hyperparathyreoidismus) renale Erythropoietinbildung runter -> Erythrozytenzahl runter (renale Anämie) – Stoffwechselfunktion, z.B. Anstieg von Peptidhormonkonzentrationen (d ) Wie? Funktionsprinzip der Nieren 180 l/d Filtration im Glomerulus in den Tubulus+das Sammelrohr, davon 179 l/d Resorption/Sekretions-bilanz und Ausscheidung (e ) fraktionelle Ausscheidung FE = ausgeschiedene Menge/Zeit durch glomerulär filtrierte Menge/Zeit Menge/Zeit = Volumen/Zeit*Konzentration FEHarnstoff 40% FEGlucose gegen 0% FEKreatinin 100% FEWasser, Na, K geregelte Ausscheidung (K+ zw. Fast 0 und 150%) Fep-AH 500% Die glomeruläre Filtration und ihre Störungen, Glomerulonephritis Ultrafiltration + ihre Triebkraft – Permselektivität des glomerulären Filters – Filtrationskriterien: Molekülgröße (Molekulargewciht, Molekülradius Ladung – Treibkraft der Filtratoin: Effektiver Filtrationsdruck Peff Peff = Pkap – Pbow – Pikap = 48-13-25 (mmHg) = 10 mmHg (Pikap = onkotischer Kapillardruck) Autoregulatio nder Nierendurchblutung Nierendurchblutung RBF steigt bis 80 mmHg konstant an, bleibt bis 170 mmHg konstant, unabhängig von Innervation GFR konstant zw. 80 und 170 mmHg mittlerer Blutdruck Mechanismen der renalen Autoregulation: – myogene Regulation (Bayliss-Effekt) der präglomerulären Gefäße – Tubuloglomerulärer Rückkopplungsmechanismus über NaCl- sensitive Macula densa im distalen Tubulus ausserdem: renin-Angiotensin-Mechanismus: Widerstandserhöhung im vas effeerens am Ende des Autoregulationsbereichs < 80 mmHg und Verhinderung des Absinkens der GFR Routine: Nierenfunktionsbestimmung – Indikatorstreifenschnelltest (Urintest): Bestimmung Protein, Blut, Glukose,... – bestimmung best. Parameter des Blutes z.B. Plasmakreatinin – Bestimmung der GFR und der Clearance Cx GFR das Flüssigkeitsvolumen, das von allen Glomeruli der Nieren pro Zeiteinheit filtriert wird Funktion des hydrostatischen und onkotischen Druckgefälles über dem glomerulären Filter , ca 180 l/d Bestimmung über Indikatorsubstanz z.B. Inulin (mit Einschränkung auch endogenes Kretainin) Kriterien für Indikatorsubstanz – frei filtrierbar – keine Sekretion oder Resorption – keine Verstoffwechslung in Niere – keine Veränderung der Nierenfunktion dh. filtrierte Menge = ausgeschiedene Menge Berechnung der GFR GFR [ml/min] = VU [ml/min]*Uln [g/l] / Pln [g/l] Die Clearance Cx Plasmavolumen, das bei einer Nierenpassage pro Zeiteinheit von einer Substanz X vollständig befreit wird. Maß für exkretorische Nierenleistung Berechnung Cx = Vu * Ux / Px weitere Parameter der Nierenfunktion (bestimmbar) – FE Fraktionelle Exkretion – RPF renaler Plasmafluss – FF Filtrationsfraktion – RBF renaler Blutfluss FE fraktionelle Exkretion Quotient der Clearnace zur Inulin-Clearance , charakterisiert die Funktion Berechnung FE = Cx / Cin = Cx /GFR bei Resorption FE < 1,0 bei Sekretion FE > 1 RPF renaler Plasmafluss die Plasmamenge, die pro Zeiteinheit Niere durchströmt wird sie vollständig ausgeschieden, entspricht die Clearance dem RPF, da alles gereinigt wird Bestimmung: Indikatorsubstanz PAH ,wird pro Passage zu 90% von Niere ausgeschieden Berechnung : RPF = (VU * UPAH ) / PPAH Korrektur, da nur 90% RPFpah = Cpah / 0,9 FF Filtrationsfraktion anteil GFR am effektiven RPF beträgt ca. 20% Bestimmung : Inulin, PAH Berechnung FF = GFR/RPF RBF renaler Blutfluss gesamtblutmenge, die Niere pro Zeiteinheit durchströmt Bestimmung mittels PAH 1. RPFpah = Cpah / 0,9 2. RBF pah = RPFpah / (1-Hämatokrit) Störungen der glomerulären Filtration Physiologie GFR sinkt bei: – herabgesetzter hydraulischer Leitfähigkeit bzw. verminderter Filtrationsfläche – Kontraktion des vas afferens bei konstantem systemischem Blutdruck Kontraktion des vas efferens : Filtrationsdruck und GFR/RPF (FF) werden gesteigert aber: gleichzeitig Senkung glomeruläre Durchblutung -> GFR kann auch vermindert werden Pathophysiologie: Glomerulonephritis Definition: entzündliche Schädigung der Glomeruli für etwa 10% aller chronischen Niereninsuffizienzen verantwortlich idR schmerzlos, häufig nur zufällig entdeckt (Nierenparameter des Blutes) granuläre Nierenoberfläche (statt glatt), stark nekrotisch, Bindegewebsvermehrung -> Nierenversagen + Harnvergiftung Ursachen: – Immunkomplexnephritis: lokale Entzündungen durch Komplementaktivierung (über hängengeblieben Antigen-Antikörperkomplexe), z.B. IgA-Nephritis , 20% aller – – Glomerulonephritiden Masugi- Nephritis: Autoantikörper gegen Basalmembran Amyloidose: Ablagerung Amyloid durch hohe Konzentration filtrierbarer Proteine im Plasma (z.B. Plasmozytom) weitere Schädigungsmechanismen -> GFR – chronisch hoher Druck in Glomeruluskapillaren z.B. bei arterieller Hypertonie,... – mangelhafte Perfusion: z.B. bei Arteriosklerose Folgen der gestörten GF – vermehrte Filtration großer Teilchen (z.B. Albumin -> Proteinurie) und Filtration von Blutzellen (Hämaturie) – Folgen der Proteinurie: Hypoproteinämie und Ödembildung, da Filtration von Proteinen in der Peripherie -> Proteinkonzentration und onkotischer Druck im Interstitium steigen – renale Hypertonie: Ursache z.B. renale Ischämie Widerstand von vas afferens und efferens nimmt zu: RPF sinkt bei idR erhöhtem Filtrationsdruck -> reduzierte hydraulische Leitfähigkeit senkt GFR verminderte renale Durchblutung stimuliert Renin-Angiotensin-Aldosteron-Sstem -> Blutdruckanstieg GFR -Abnahme schrnäkt NaCl- und H2O -Ausscheidung ein, was Hypertonie begünstigt – Anämie: Untergang der EPO-bildenden Zellen in der Niere – Urämie: Nierenversagen mit Harnvergiftung -> Nierenersatztherapie Das nephrotische Syndrom schwere Verlaufsform primärer und sekundärer renaler Erkrankungen, bei der Proteinurie, Hypoproteinämie und periphere Ödeme vorliegen Bsp Lidödem Begleiterscheinungen – Hyperlipidämie und Hypercholesterinämie Hypoproteinämie fördert Lipidbildung in Leber, Lipide werden nicht filtriert – Verlust von Plasmawasser ins Interstitium -> Mangel an Blutvolumen -> Durst, ADHAusschüttung , aldosteronaktivierung > zusätzlich Ödembildung und Hypokaliämie sowie Alkalose, da Aldo renale K und H+-Ausscheidung fördert – Erhöhte Thromboseneigung (vermutlich renaler Antithrombin3-Verlust – 9.11.2004 EKG Entstehung des EKG Ausbreitung der elektrischen Erregung -> Veränderungen der Potentialdifferenzen zwischen zwei Punkten (biphasisches Potential) Dipoltheorie: Summen- /Integralvektor (- -> +: Depolarisationsvektor), Repolarisationsvektor Dipol und elektrisches Feld um einen Dipol entsteht ein elektrisches Feld mit Feldlinien und Isopotenziallinien der Summenvektor generiert zwischen zwei Ableitpunkten eine Potentialdifferenz Die im elektrischen Feld messbaren Potentialdifferenzen sind abhängig von – Spannung des Dipols (Anzahl der erregten Muskelfasern) – Lage und Entfernung der Ableitelektroden EKG Ableitung nach Einthoven bei jeder EKG Ableitung wird die dreidimensionale Form auf eine zweidimensionale Fläche projiziert. In den Extremitätenableitungen nach Eintoven betrachten wird die Projektion der Vektorschleife in der Frontalebene . Die Ableitorte lassen sich als Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks auffassen, dessen Seiten die Abgriffsrichtungen darstellen .Es handelt sich um bipolare Ableitungen, d.h. Es werden jeweils die Potentialdifferenzen zwischen den Eckpunkten des Dreiecks gemessen. Geometrisch ca. Ableitung I + III ergeben Ableitung II EKG – allgemeine Terminologie Bsp: Ableitung zwischen rechtem Arm und linkem Fuß (Einthoven II) – Zacken, Wellen z.B. P,R,T,... – Strecken, Segmente, z.B. PQ – Intervalle z.B. PQ-Intervall EKG- Beziehung zum Erregunsablauf P: Vorhoferregung Q: Septumerregung R: Erregung des Ventrikelmyokards S: Erregung des basalen Ventrikels T: Repolarisation des Ventrikels Ableitformen – Vektorkardiographie Die Verbindungslinie der Spitzen der Summationsvektoren zu jedem Zeitpunkt der Herzerregung resultiert in einer 3-dimensionalen Struktur (Hüllkurve) -> Vektorschleife Messung durch Paare von Ableitelektroden, die über einen Osziloographen verbunden werden. Die Größe der Auslenkung ist abhängig von der Größe der Auslnekung des Integralvektors -> Vektorkardiographie Die Vektorschliefe hat beim Gesunden ihren größten Ausschlag nach links-unten-hintenm Extremitätenableitungen Außer dem bipolaren Extremitätenableitungen nach Einthoven gibt es noch die unipolaren Ableitungen nach Golberger (aVR, aVL und aVF). Bei unipolaren Ableitungen wird ein definierter Ort an der Oberfläche (z.B. rechter Arm) gegen eine Referenzelektrode (oder Erde) abgeleitet . Das bedeutet , dass ein positiver Ausschlag entsteht, wenn der Summationsvektor zur Ableitelektrode zeigt Goldberrger – Eindhoven : Wechsel im 30° Rhythmus, Anwendung beider Methoden kombinierbar um mehr unterschiedliche Richtungen betrachten zu können, modernes EKG hat 12 Spuren Brustwandableitungen Die Brustwandableitungen unterteilen die Projektion der Vektorschleife auf die Horinzontalebene in 6 Segmente Bipolar: Nehb (D,A, I ) Unipolar: Wilson (V1-V6) (+6 Spuren von Goldberger und Einthoven : 12spuren-EKG, Tawera-kreis: deren Darstellung in einem Kreis) Elektrische Herzachse – Herzlage Die elektrische Herzachse ist die Richtung, in die der größte Ausschlag des Summationsvektors in den Einthoven Ableitungen zeigt. Normalerweise stimmt die elektrische Herzachse annähernd mit der anatomischen Längsachse überein. Bei Hypertrophie eines Ventrikels kann sich die Herzachse verschieben. Die frontale QRS Schleife hat eine längliche Form und gibt die elektrische Herzachse an. EKG Diagnostik – Lagetypen – Aus der Kenntnis der elektrischen Herzachse (R-Vektor) ist die anatomische Herzachse weitgehend ableitbar – Bestimung : Fällung des Lotsder R-Zacken von mindestens zwei Ableitungen – Der Winkel alpha, den die elektrische Herzachse mit der Horinzontalen einnimmt, definiert die verschiedenen Lagetypen des Herzens Lagetypen: Rechts-/Steil-/Links-/Horinzontal-/Indifferenztyp das pathologische EKG das EKG spielt eine wichtige diagnostische Rolle bei Veränderungen der Herzerrgung als Ursache oder Folge von Störungen der Herztätigkeit – Frequenz – Ursprung der Erregung – Extrakaridale Einflüsse – Rhythmusstörungen – Leitungsstörungen – Herzlage – Primär kardiale Störungen der Erregungag – Lokalisation, Ausdehnung Veränderungen des Herzrhytmus Eine der wichtigsten Anwendungen des EKG ist die Erkennung von Herzrhytmusstörungen. Auch beim Gesunden ist die Herzfrequenz nicht völlig konstant, sondern sie schwankt in Abhängigkeit von der Aktivität des autonomen Nevensystems („respiratorische Arrythmie“) Eine verminderte Variabilität ist oft eines der ersten Anzeichen für eine Herzerkrankung (auch z.B. Diabetes) Herzfrequenz f = Registrierungsgeschwindigkeit [cm*min-1] / R-R Abstand [cm] normaler Sinusrhytmus Rhythmusstörungen Sinustachykardie (>90/min) (Ursachen Hyperthyreose, Anämie, Herzklappenfehler, Alkohol, Stress, Schafentzug, Fieber, Druck auf Karotissinus) Sinusbradykardie (<50/min) (Ursachen Training, Medikamentöse Nebenwirkungen, Digitalis, beta-Blocker) Veränderter Erregungsursprung Entstehen die Erregungen im Av-Knoten oder im Ventrikel, werden die Vorhöfe und das zugehörige Erregungsleitungssystem rückläufig erregt Extrasystolen Ventrikuläre Extrasystolen entstehen, wenn ein geschädigter Teil des Ventrikels spontan Aktionspotentiale generiert. („ektopischer Fokus“). Der Weg, den die Erregung über die Ventrikelmuskulatur zurücklegen muss. Ist in diesem Fall eheblich länger als beim Sinusrhytmus. Dies manifestiert sich in einem abnorm breiten und irregulär geformten QRS Komplex Als Extrasystolen werden vorzeitige Herzschläge bezeichnet, die den Grundrhytmus verändern (RR-Abstand zu gering, nichtkompensatorische Pause) Man unterscheidet supraventrikuläre Extrasystolen (Sinusknoten, Vorhof, AV-Knoten) und Ventrikuläre Extrasystolen (Ventrikel) (normaler Herzschlagrhytmus setzt 1x aus nach der Extrasystole, da Myokard refraktär, kompensatorische Pause) Atrioventrikuläre Leitungsstörungen Bei Schädigung der Zellen des Reizleitungssystems (O2-Mangel, Arteriosklerose, Entzündung) kann die Überleitung zum Ventrikel verlangsamt werden oder sogar ganz blockiert sein Störungen der AV-Überleitung können im AV-Knoten (proximal) sowie den His-Bündeln und Tawara-Schenkeln (distal) aufrtrten Bradykardie: Herzblock 1. Grades (PQ-Intervall > 200ms) Herzblock 2. Grades (partieller Leitungsblock, z.B. 2:1 Block, nur jedes 2. Signal kommt im Ventrikel an) (Unterscheidung Wenckebach vs Mobitz) Herzblock 3. Grades: Vollständige Blockade, Atrium und Ventrikel schlagen unabhängig (Adam-Stokes-Anfall) -> Leistungsverlust, Schwindel idR Entstehung durch kurzfristige Ischämie (z.B. Angina-pectoris-Anfall) Herzschrittmacher – Bedarfsgerechte Steuerung – 20-30 g – 3x4 cm – Batteriedauer > 10 Jahre – subcutan unterhalb des Schlüsselbeins Patienten führen ein normales Leben Interferenz mit elektrischen/elektronischen Geräten Elektronische oder magnetische Sicherungsanlage, Kassen in Kaufhäusern, Sicherheitsschleusen, Suchbügel an Flughäfen, Großradaranlagen, Rundfunksendeanlagen, Mobil-/Autotelefone (Taxi), Heilstimulation, Kosmetik, Zahnärzte Vorhofflimmern, -flattern Beim Vorhofflimmern und -flattern erfolgt die Erregungsausbreitung über die Vorhöfe unkoordiniert, es bestht eine absolute Arrhytmie zwischen Vorhöfen und Ventrikeln. Erstaunlicherweise sind die hämodynamischen Auswikrungen eher gering Auslöser: Mitralklappenstenose, Vorhofhypertrophie, Koronarverschluss Folgen: Blutgerinnselbidlung -> Embolien Therapie: Medikamentös (Digitalis, Calcium-Antagonisten, Chrinidin), Marcumar, Aspirin (sekundär) Atriale kreisende Erregung („makro-Reentry“) a langsam einleitender Abschnitt mit kurzer Refraktärzeit b schnell leitender Abschnitt mit längerer Refraktärzeit WPW-Syndrom: Kurzschlüsse Atrien-Ventrikel (mikrochirurgisch Therapierbar) Kammerflimmern /-flattern irreguläre Ausschläge ohne erkennbare EKG-typische Form. Es kommt keine hämodynamisch wirksame Füllung und Entleerung zustande – Lebensgefahr Auslöser: O2-Mangel, Koronarverschluss, Überdehnung, Unterkühlung, Vergiftung (Narkose), elektrischer Unfall Therapie: Medikamentös, Defibrillation („Defi“) extrazelluläre Elektrolyte und O2-Mangel Elektrolytstörungen lösen typische EKG-Veränderungen auf z.B. Hypo-/Hyperkaliämie (U erhöht/T erhöht) Myokardinfarkt bei Unterbrechung der Blutzufuhr über die Koronararterien kommt es zum Herzinfarkt. Dies geht typischerweise einher mit Schmerzen im Thorax („vernichtungsschmerz“), großer Angst und Blutdruckabfall („Zentralisation des Kreislaufs“). Das EKG verändert sich mit charakteristischem Zeitverlauf ST-Hebung durch Verletzungsstrom Q,T negativ durch Ausbleiben der Erregung an der Elektrode ST-Hebung wird kleiner durch Abkoppeln des Infarktgebietes 11.11.2004 Herzmechanik Druck-Volumen-Beziehungen im Herzen isotonische Kontraktion (Volumenänderung) isometrische Kontraktion (Druckänderung) Unterstützungskontraktion (zunächst Druck-, dann Volumenänderung) Druck (N/ m²) * Volumen (m³) = Arbeit (Nm) Druck-Volumen-Schleife: Normaler Herzzyklus (Unterstützungszuckung): – Ruhedehnungskurve (bis 180 ml, relativ wenig Druck, danach stark ansteigend, hohe Compliance) – isovolumetrische Maxima – isobare Maxima – EDV (Enddiastolisches Volumen) – SV (Schlagvolumen) – Ejektionsfraktion = SV/EDV – Unterstützungsmaxima – Vorlast (Preload): EDV -> enddiastolische Wandspannung – Nachlast (Afterload): Aortendruck -> dafür notwendige Wandspannung, um diesen zu überwinden Druckverlauf in Vorhof und Ventrikel -> Laplace-Beziehung: K = P*r / 2d nach Öffnung der Klappe (Aorta): linker Ventrikel -> Konstriktion Wandspannung bei Verkleinerung des r -> P hoch Starling-Präparat – vergrößerter venöser Rückstrom (Bsp: im Liegen) -> Vorlast vergrößert (EDV hoch) -> Auswurf vergrößert (SV hoch) – verkleinerter venöser Rückstrom: -> Vorlast verringert (EDV runter) -> Auswurf verringert (SV runter) – vergrößerter Widerstand im Kreislauf: zunächst bei 1. HS: SV runter erneute Füllung (Summe, da kein kompletter Auswurf) EDV hoch -> SV wieder normalisiert – bei körperlicher Belastung (Sympathikus) -> kontraktile Kraft hoch (erhöhter Ca2+-Einstrom) -> Auswurf gegen höheren Druck bzw. SV hoch (bei gleichem Druck) Steuerung der Kraftentwicklung Kontraktilität des Herzmuskels Eine Steigerung der Kontraktilität bezieht neben der Zunahme der Kraftentwicklung auch eine Verkürzung der Kontraktionszeit mit ein Die Kontraktionsgeschwindigkeit des Herzmuskels ist lastabhängig Rekrutierung von Querbrücken, Änderung der Kontraktilität Kontraktionsgeschwindigkeit hängt ab von – Änderungsgeschwindigkeit der sarkoplasmatischen Ca-Konz – passiver Vorderhnung des Muskels – Geschwindigkeit der Myosinkopfbewegung Herzarbeit P*V + ½*m*v2 Druck-Volumen-Arbeit + Beschleunigungsarbeit (Standard 1,2 Nm) Das Herz leistet Arbeit, indem es das Schlagvolumen (V) gegen den Gefäßwiderstand unter Druckaufwand (P) verschiebt und dessen träge Masse (m) auf eine Geschwindigkeit (v) beschleunigt. DV-Arbeit li ventrikel: 87%, re ventrikel 12% Beschleunigungsarbeit li ventrikel 1%, re ventrikel 10% Klinik: Muskelarbeit, Ateriosklerose, Alter : 25-75% Beziehung Druckbelastung- Herzleistung – Wirkungsgrad: Wirkungsgrad wird schlechter, wenn Nachlast zu groß wird Herzhypertrophie Wird das Herz wiederholt oder ständig einer erhöhten Arbeitsbelastung ausgesetzt, so tritt eine langfristige strukturelle Anpassung ein – Hypertrophie: reversible Dicken- und Längenzunahme der Muskelfasern , Gewichtszunahme von 250-300g auf 500 g – Dilatation : Erweiterung der Hohlräume: Dilatative Kardiomyopathie Ursachen: – Leistungssport („Sportlerherz“) – Chronische Volumenbelastung (Aortenklappeninsuffizienz, Pulmonalklappeninsuffizienz, Vorhofseptumdefekt) – Chronische Druckbelastung (pulmonale oder arterielle Hypertonie, Pulmonal- und Aortenklappenstenose Entwicklung: Ventrikeldruck P hoch -> Wandspannung K hoch Kompensation: konzentrische Hypertrophie -> Wandspannung normalisiert Herzversagen: Hypertrophie mit Dilatation -> Wandspannung K hoch (Radius vergrößert sich, nach Laplace das gravierendste, circulus vitiosus) chronische Herzinsuffizienz Bei der Herzinsuffizienz ist das Herz nicht mehr imstande, die erforderliche Förderleistung zu erbringen Vorwärtsversagen (forward failure): Auswirkungen der verminderten Auswurfleistung des Herzens mit niedrigem Blutdruck und verminderter Organperfusion stehen im Mittelpunkt der Erkrankung Rückwärtsversagen (backward failure): Auswirkungen der Rückstauung, z.B. Ödeme, stehen im Vordergrund der Betrachtung insuffizientes Herz kann nur kleineres Volumen ausschütten, Vorlast erhöht