40.) Hämoglobin und O2-Transport im Blut

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1. Struktur des Hämoglobins

Hämogobin (Bb) transportiert O2 als Oxyhämoglobin (HbO2) von der Lunge zu den Organen und einen Teil des CO2 wieder zurück aus den Geweben und Organen zur Lunge.

Das Chromoprotein enthälte 4 Polypeptidketten (Hb A [A von Adult], zwei a-Ketten mit je 141 AS und zwei b-Ketten à 146 AS; bei Sichelzellanämie ist dabei an der 6. Stelle statt Glu Val zu finden; das fetale Hb weist statt den b-Ketten g-Ketten auf; es sind insgesamt über 200 Hb-Arten mit definiertem AS-Austausch bekannt, wobei die Symptome meist unauffällig bleiben; die monomeren Ketten des Myoglobins sind übrigens den Hb-Ketten homolog) und als prosthetische Gruppe je ein Häm.

Markante Stellen der Hämsynthese: Succinyl-CoA (aus dem Citratcyclus) + Glycin (Chemin Weg) ® 5-Aminolävulinsäure mal 2 ® Porphobilinogen ® Protporphyrin ® Einbau von teilweise wiedergewonnenem Eisen (Ammenzellen) ® Häm.

Das Grundgerüst wird alsodurch 4 Pyrrolringe dargestellt, die je eine Methyl- und eine Vinyl- bzw. Propionsäure-Seitenkelle tragen. Im D-Ring sind die sonst regelmäßig angeordneten Seitenketten umgekehrt. Die vier Pyrrolringe sind über Methingruppen verbunden (Farbcharakter durch Delokalisierunjg der p-Elektronen).

Durch das zweiwertige zentrale Eisen (Fe++) wird aus dem Protoporphyrin das Häm. Koordinationsstellen des Eisens sind dabei durch den Porphyrinring besetzt (2 Haupt- und 2 Nebenvalenzen), eine wird von einem Histidin-Rest des Proteins in Anspruch genommen und die 6. Koordinationsstelle kann O2 reversibel anlagern (Man nennt Hb auch „Enzym honoris causa“, weil die reversible „O2-Bindung“, bzw. lockere Anlagerung, der Bindung eines Substrates an ein Enzym gleicht). Durch die O2-Anlagerung wird die Wertigkeit des Fe++ nicht geändert (daher auch die Bezeichnung Oxygenation für die Anlagerung und Desoxygenation für die Abgabe von O2 und nicht Oxydation und Reduktion). Falls richtig oxydiert wird, entsteht Methämoglobin (Hämiglobin) mit einem Fe3+, welches nicht mehr zum O2-Transport befähigt ist. Hämi globin kommt normal aber nie in geringen Mengen vor, weil Flutathion im Ery. das Hb einerseits vor Oxydation schützt und andererseits Hämiglobin wieder zu Hb reduzieren kann.

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2. HB-Bestimmung mittels Hämiglobin-Methode (Praktikumsbeispieli)

Oxygeniertes Hb absorbiert (Soret-Banden Licht im Wellenlängenbereich l » 555 nm, also im gelben bzw. gelbgrünen Bereich. Desoxygeniertes Hb absorbiert im langwelligen Bereich stärker, weshalb venöses Blut dunkler, bläulich-rot gefärbt erscheint, und ein Absorptionsmaximum bei l » 540 nm auf.

Hb wird im Praktikumsbeispiel mit Kaliumcyanoferrat III zu Hämiglobin oxydiert. Dieses Methämoglobin wird dann mittels Kaliumcyanid in Hämiglobincyanid übergeführt, dessen Konzentration dann photometrisch bei 540 nm bestimmt werden kann.

Das Verhältniss der eintretenden Lichtintensität I0 zur austretenden I wird ge-messen.

Als Grundlage für die Fragen 30, 31,32, 33 und für das folgende Lambert-Beersche Gesetz möchte ich kurz ein paar wesentliche Fakten ins Gedächtnis rufen.

Zuerst ein paar physikalische Größen und Einheiten:

Der physiologisch bewertete Lichtstrom (F) mit der Einheit Lumen ist die Strahlung, welche in einen Raumwinkel W gesandt wird.

Der Lichtstrom pro Raumwinkel ist die Lichtstärke mit der Einheit Candela.

Unter Beleuchtungsstärke hingegen versteht man den Lichtstrom pro Flächenquerschnitt mit der Einheit Lux.

Für die Ausbreitung von Licht mit geringer Intensität, sowie für die Prozesse der Absorption bzw. Ecxtinction und natürlich der Emission muß seine Quantennatur berücksichtigt werden.

Unter Intensität versteht man Energiedichte®* Geschwindigkeit ©, wobei sich die Energiedichte, also die pro Volumeneinheit enthaltene Feldenergie aus elektrischen und magnetischen Anteilen zusammensetzt. Diese Feldenergie wird ja durch die elektromagnetischen Wellen transportiert. Für die Intensität gilt also:

Die Einheit der Intensität ist Wm-².

I = Intensität eo = elektrische Feldkonstante; c = Geschwindigkeit erel = Dielektrizitätszahl;
r = Energiedichte µo = Indukltionskonstant; rel = Permeabilitätszahl H = magnetische Feldstärke;
E = elektrische Feldstärke.

Aus obiger Gleichung ergibt sich:

I = E*H bzw

Betrachten wir nun statt dem Wellenbild das Photonenbild der Lichtstrahlung, so werden die Wellengrößen durch die Photonenenergie (hv) ersetzt und man kommt zur Gleichung :

I = N*h*v N= Anzahl der Photonen, die pro Zeiteinheit durch die Einheit der

Querschnittsfläche treten.

h = Plank’sches Wirkungsquantum; v = Frequenz

Bevor ich nun zur Absorption komme noch ein Wort zur Emission von Licht aus Atomen.

Die Elektronen halten sich in Abhängigkeit von der Kernladung und der Columb’schen Abstoßung in verschiedenen Energieniveaus auf. Dabei kann jeder, durch alle Quantenzahlen festgelegte Zustand nur mit einem Elektron besetzt sein. Wird ein Elektron angeregt, so wird es auf ein höheres Energieniveau gehoben und kann dann von selbst wieder auf das niedrigere Niveau (Grundzustand) zurückkehren. Bei diesem elektronischen Übergang werden Photonen mit verschiedenen, diskreten Frequenzen emittiert. Den Elektronenübergängen entsprechend ergibt sich ein Emissions-Spektrum, welches aus Spektrallinien besteht und daher als Linienspektrum bezeichnet wird.

Fällt nun Licht auf Materie, so werden ihm durch Anregung von Elektronen der Atome, Ionen, Moleküle, sowie durch Schwingungsanregung und bei kolloidalen Lösungen durchTyndall-Streuung Lichtquanten entzogen.

D.h. je nach Materie wird die Intensität der einfallenden Lichtwelle verschieden schnell, aber kontinuierlich verringert. Die absorbierte Intensität ist dabei der Schichtdicke proportional, d.h. die Intensität nimmt mit zunehmender Schichtdicke exponentiell ab.

Io Dx I

Über das Lambert-Beer’sche Gesetz ist es nun mögich eine lineare Beziehung zwischen der Konzentration eines gelösten Stoffes und der Extinction herzustellen. Das Lambert-Beersche Gesetz lautet:

Statt der Leistung

(P) läßt sich natürlich auch die Intensität (Strahlungsleistung pro Querschnitt) anwenden.

P = Strahlungsleistung, l = Wellenlänge
Ksp = spezifische Ab sorptionskonstante
c = Konzentration, x = d = Abstand

Stellen Sie sich vor Io wäre 50 Wm-² und die Schichten würden 10% von Io absorbieren. D.h. 90 % von Io würden durchgelassen. Es wäre völlig sinnlos dies als Tranmission zu bezeichnen, denn die Schichten würden dann eine Transmission von 50/100*90 = 45 Wm-² aufweisen. Wäre Io aber 100 Wm-² so ergäbe sich eine Transmission von 90 Wm-². Daher hat man die Transmission festgelegt als

T ist also nicht die durchgelassene Intensität, sondern das Verhältnis der austretenden zur eintretenden Intensiät. Ebensowenig ist die Absorption die absorbierte Intensität Io – I sondern A = (Io – I)/ Io und die Extinction ist nicht die ausgelöschte Intensität, sondern der Logarithmus der eintretenden Intensität im Verhältnis zur austretenden Intensität.

Da sich der Extinctionsprozeß bei kolloidalen Lösungen aus dem Absorptionsprozeß und dem Tyndall-Effekt zusammensetzt verwendet man statt der Absorptionskonstante K den molaren Extinctionskonskoeffizienten e: e = E/c*d; e = E einer Lösung (c = 1mol/l und d= 1 cm).

e = eine stoffspezifische Konstante. Aus dem Lambert-Beerschen Gesetz ergibt sich der Zusammenhang E = log Io/I = e*c*d. Dabei wird deutlich, daß die Konzentration einer Lösung zur Extinction in einem linearen Verhältnis steht (nicht zur extingierten (ausgelöschten) Intensität in Wm-². E = übrigens auch log 1/T.

Für E findet man Werte zwischen 0 (T= 1; d.h. vollständige Durchlässigkeit ist gegeben) und unendlich (T=1; d.h. völlige Undurchlässigkeit ist gegeben).

t = 0,1 (10% von Io treten durch die Lösung ) entspricht einer E von 1,0.

Bei konstanter d = E umso größer je größer c ist.

e kann über Standardlösungen bekannter Konzentration ermittelt werden.

Ist e bekannt und wurde E gemessen, so kann c ganz leicht errechnet werden. Allerdings ist die Beziehung nur für Lösungen mit Konzentrationen zulässig, die nicht so hoch sind, daß sich z.B. die Hydrathüllen der gelösten Ionen nicht ausbilden können oder, daß sich die gelösten Ionen gegenseitig behindern.

Die photometrische Messung erfolgt am besten beim Absorptionsmaximum der zu bestimmenden Substanz. Für die Eichung des Photometers gilt:

E(Proben-Meßwert) = EProbe – E Leerwert. Die E Leerwert (alles außer der zu bestimmenden Substanz, also Lösungsmittel, Glas,…) wird nach Möglichkeit einfach am Photometer O gesetzt.

hb-Puffer…
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3. Durchschnittswerte für die[Hb] und Abweichungen

Mann

160 g/l

Frau

140 g/l

Neugeborenes

200 g/l

Kind einjährig

110 g/l

 

 

Als Werte sollte man beim Mann ca. 160g/l und bei der Frau 140 g/l im Blut (die Ery. werden bei der Umwandlung von Hb in Hämiglobin zerstört) finden.

Bei Neugeborenen findet man Werte um 200 g/l, die dann im 1.Lj. auf etwa 110 g/l absinken, um dann wieder kontinuierlich zuzunehmen bis die Werte des Erwachsenen erreicht sind. Beim Feten hat ein erhöhter Wert denselben Sinn, wie der erhöhte Wert bei längerem Höhenaufenthalt (Höhenaufenthalt führt zu einem Ansteigen der [Hb]), damit trotz geringerem PO2(Sauerstoff-Partialdruck) eine ausreichende O2-Versorgung gewährleistet ist.

Laut [1] spricht man von einer Anämie, wenn die [Hb] beim Mann unter 130 und bei der Frau unter 120 g/l liegt. Da es sich bei Anämien aber um pathologische Erscheinungen handelt, möchte ich mich dieser Definition nicht anschließen, und betone, daß Anämie z.B. im Arbeitsbuch „Pathologie“ (Prof. Holzner) wie folgt definiert ist:

„Anämie = Verminderung der Erythrocytenzahl und der Hämoglobinmenge in der Volumseinheit des strömenden Blutes.

Unterscheide: Oligämie = Verminderung der zirkulierenden Blutmenge.“ Zitat aus Band 2, Seite 70.

Für die [Hb]-Bestimmung bieten sich aber auch noch andere Möglichkeiten an:

über die Analyse der gebundenen O2-Menge (maximal bindet 1 g Hb 1,36 ml O2; normal 1,34 ml = „Hüfner-Zahl“); durch Farbvergleich (Colorimetrie); über Bestimmung des Eisengehaltes (Hb enthält 0,34% Eisen).

Für die Beurteilung der einzelnen Anämieformen sind die Erythrocyten-Indices zu ermitteln. Dazu wird der Gesamthämoglobingehalt des Blutes bestimmt, der mittlere Hb-Gehalt des Einbzelery. (MCH) oder HbE = Färbekoeffizient, und die mittlere [Hb] der Ery. (MCHC); siehe „Rotes Blutbild“.

Der HbE berechnet sich aus [Hb]/ZE; ZE = Erythrocytenzahl.

Findet man z.B. 160 g Hb pro Liter und 5 Mio. Ery. pro µl (1 mm³ = 1 µl), also

5 * 1012 Erythrocytren pro l, so ergibt sich für den HbE: 160 g/5 * 1012 = 3,2 * 10-11g = 32 pg.

Der Normbereich liegt zw. 26 und 32 pg. Ist der Färbekoeffizient größer, so sind die Ery. mit mehr Hb beladen und man spricht von hyperchromen Erythrocyten;

bei kleinerem HbE hingegen von hypochromen Erythrocyten.

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4. Zur Pufferfunktion des Hb

Hier sei nur vorweggenommen, daß Hb besser H+ abpuffern kann als HbO2.

Als Folge wird im Gewebe CO2 vermehrt als H2CO3- und als Carbaminoverbindung (Hb-NH-COO-) gebunden. Mehr darüber erfahren Sie unter Bohr-Effekt und unter Säure-Basen-Haushalt. Abgesehen von der Puffereigenschaft die von der Oxygenation abhängt, kann Hb natürlich wie jedes andere Protein auf grund des Ampholytcharakters der terminalen Enden und insbesondere aufgrund der Ionisierbarkeit der Seitenketten als Puffer fungieren.

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5. O2-Anlagerung und O2-Transport im Blut

Damit Hb, welches bekanntlich in Erythrocyten vorkommt, O2 aufnehmen kann, muß jedes O2-Molekül von der Alveole in den Ery. diffundieren und dabei den Zustand der physikalischen Lösung im Plasma durchlaufen. Der Diffusionsweg beträgt ca. 1 bis 2 µm und die Kontaktzeit, die zum PO -Ausgleich genützt wird, beträgt in Ruhe ca. 0,75 s (siehe „Gasaustausch in der Lunge).

Dieser physikalisch gelöste Teil bestimmt, auch wenn er im Fall des O2 wegen der kurzen Zeit mengenmäßig sehr klein ist, wieviel O2 an Hb angelagert wird. Die Konzentration des physikalisch gelösten O2 ist nach dem Henry-Dalton-Gesetz dem PO proportional:

Die Gaskonzentration ist also nach Henry-Dalton vom Partialdruck und vom (Bunsen-) Löslichkeitskoeffizient (a) abhängig. Der Partialdruck beträgt in der Inspirationsluft ca. 160 mm Hg (Torr), in den Alveolen ca. 100 Torr, im arteriellen Blut 95 Torr und im venösen Blut ca. 40 Torr.

Der Löslichkeitskoeffizient (a) gibt an, wieviel ml Gas pro ml Flüssigkeit bei einem Partialdruck von 1 atm » 101 kPa » 760 Torr, physikalisch gelöst werden.

a ist abhängig von der Art des Gases, der Lösungsflüssigkeit und von der Temperatur. Für die Lösungsflüssigkeit Blut, und die Temperatur 37° C kann mit folgenden Löslichkeitskoeffizienten gerechnet werden:

gelöstes Gas Löslichkeitskoeffizient
Sauerstoff 0,024
Kohlendioxid 0,49
Stickstoff 0,012

Wird also ein Gas mit einer Flüssigkeit äquilibriert (vermischt, bis sich ein thermodymnamisches Gleichgewicht einstellt), so stellt sich ein Gaspartialdruck in der Flüssigkeit ein, der dem der gasförmigen Phase proportional ist. Über diesen Partialdruck und den Löslichkeitskoeffizienten kann leicht die Konzentration des gelösten Gases berechnet werden.

Findet man z.B. im art. Blut einen Sauerstoff-Partialdruck von 95 Torr, so ist [O2] = (0,024/760) * 95 = 0,003 ml O2/ ml Blut (ml, da ja a auf ml bezogen ist). Für den PCO2 kann man arteriell 40 Torr annehmen, wodurch sich eine Konzentration von 0,026 ml CO2 pro ml Blut ergibt. D.h. im arteriellen Blut liegt ca. 9 * soviel CO2 physikalisch gelöst vor als O2.

Bei arteriellem O2-gesättigtem Blut ist die [O2] aber ca. 0,20 ml O2 / ml Blut, also im Vergleich zum physikalisch gelösten Anteil vernachlässigbar. Für den O2-Transport spielt praktisch nur der an Hb gebundene O2 eine Rolle.

Man kann sagen, daß der physikalisch gelöste Anteil zwar für die O2-Beladung des Hb, nicht aber für den O2-Gehalt und O2-Transport bedeutsam ist.

Da Hb für den Transport zuständig ist, ist es wichtig, feststellen zu können, wieviel O2 Hb unter verschiedenen Bedingungen „binden“ kann.

1 Hb-Molekül hat 4 Hämgruppen und kann somit 4 O2-Moleküle anlagern.

Die theoretische Grenze ist daher: 1 mol Hb (64 500 g) kann 4 mol O2 (22,4 l *4) bzw. 1 g Hb kann 1,39 ml O2 aufnehmen. Ein geringer Teil des Hb (nicht MetHb) liegt in vivo aber in „bindungsinaktiver Form“ vor, sodaß man davon ausgehen kann, daß 1 g Hb 1,34 ml O2 binden kann (1,34 = Hüfner’sche Zahl).

Die maximale Bindungskapazität des Blutes bzw. Hb läßt sich daher mit der Hüfner-Zahl und der [Hb] berechnen.

[O2max] = 1,34 (ml O2/g Hb) * 160 (g Hb/l Blut); Mann) = 214,4 ml =2 / l Blut rd. 0,21 l O2/l Blut.

Diese maximale Bindungskapazität wird aber nur erreicht, wenn mit sehr sauerstoffreichem Gas äquilibriert wird (PO2 > 300 Torr), für die PO2 -Werte, die in vivo herrschen, wird Hb nicht ganz vollständig oxygeniert.

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6. O2-Bindungskurve; O2-Sättigung

Der Anteil der [HbO2] am Hb gesamt wird als O2-Sättigung SO2 bezeichnet:

SO2 = [HbO2] / [Hb]ges.

Nach dem Massenwirkungsgesetz hängt die SO2 vom PO2 ab, und der PO2 ist dem gelösten O2 proportional. Liegt nur oxygeniertes Hb vor, so ist SO2 = 100%; liegt nur desoxygeniertes Hb vor, so ist SO2 = 0%. Der Zusammenhang zwischen SO2 und PO2 wird in der O2-Bindungskurve dargestellt.

Die Steilheit der s-förmigen Kurve kann durch den O2-Halbsättigungsdruck gekennzeichnet werden (PO2 bei 50% SO2). Bei Reaktionen, die mit der Michaelis-Menten-Kinetik beschrieben werden können (O2-Bindung an Myoglobin z.B.) reagiert eine Bindungsstelle mit dem Substrat, wodurch eine eher parabolische Kurve, z.b. als O2-Bindungskurvedes Myoglobins, zustande kommt. Bei voneinander abhängigen Untereinheiten (UE) bzw. Bindungsstellen wird hingegen eine Kooperativität bemerkbar.

Diese positive Kooperativität ist für den sigmoidalen Kurvenverlauf der O2-Bindungskurve des Hb verantwortlich. Bei positiv kooperativem Verhalten nach und Hill, ist der Hill-Koeffizient größer 1. D.h. die Bindung von Substrat an eine UE steigert dei Affinität der nächsten UE für das Substrat, und dies ist bei Hb gegeben.

Die Veränderung der Bindungsaffinität des Hb (eines Proteins) zum O2 (kleines Molekül) wird als allosterische Regulation bezeichnet.

Der Einfluß des 2,3-Bisphosphoglycerates (2,3-BPG) spielt dabei eine wesentliche Rolle. Die kernlosen Ery. sind ja h.s. auf die Energiegewinnung durch Glykolyse angewiesen. Ein Zwischenprodukt der Glykolyse ist das im Ery. in relativ hoher Konzentration vorkommende 2,3-BPG (4 bis 4 mmol/l).

Ein Hb-Molekül lagert ein 2,3-BPG zentral ein, welches dann alle vier Ketten beeinflußt, sodaß die O2-Affinität stark abnimmt. Die Halbsättigung stellt sich ohne 2,3-BPG bei ca. PO2 = 10 Torr ein, und bei Anwesenheit in oben angegebener Konzentration ca. bei PO2 = 26 Torr. Bei der O2-Beladung wird aufgrund von Änderungen der Raumstruktur des Hb-Moleküls (Allosterie) das 2,3-BPG abgegeben, wodurch eine stark erhöhte O2-Affinität resultiert. Ohne 2,3-BPG (alte Blutkonserven) wird der O2 so fest an Hb gebunden, daß er im Gewebe nicht mehr abgegeben werden kann. In Notfallsituationen (oder in großer Höhe) kann die 2,3-BPG-Konzentration ansteigen, wodurch der O2 peripher leichter abgegeben werden kann (die O2-Beladung wird wegen einer gewissen Reserve in diesem Bereich nicht beeinträchtigt).

Für arterielles Blut beträgt also der O2-Halbsättigungsdruck bei pH = 7,4 und Temperatur = 37° C ca. 26 Torr.

O2-Bindungskurve:

97% bei PO2 = 95 Torr; gelöster O2 = rd. 120 mmol/l Blut = 0,028 ml O2/l Blut;

50% bei PO2 = 25 Torr; gelöster O2 = rd. 50 mmol/l Blut = ca. 0,010 ml O2/l Blut.

Bei PO2 = 95 Torr im Blut (100 Torr in den Alveolen) wird ca. 97% des Hb mit O2 gesättigt.

Gemessen wird die O2-Sättigung innerhalb weniger s mittels Infrarotabsorption. Falls der PO2 absinkt (Alter, Lungenfunktionsstörungen, schlechte Luft), so wird – der flache Verlauf der O2-Bindungskurve im Endteil macht dies ersichtlich – ein starker Abfall der Sättigunjg verhindert. Selbst bei einem PO2 von nur noch 60 Torr wird immer noch eine O2-Sättigung von 90% erreicht. Für die periphere O2-Abgabe ist hingegen der steilere Mittelteil der Kurve günstig, da die O2- Abgabe ohne größere PO2-Schwankung an den Bedarf angepaßt werden soll. Am venösen Ende (bzw. Anfang) der Capillaren liegt bei Ruhe, wie erwähnt, ca. ein PO2 von 40 Torr und daher eine O2-Sättigung von 73% vor. Bei erhöhtem Verbrauch sinkt der PO2. Sinkt er auch nur um 5 Torr, so wird die SO2 bereits um 7% vermindert.

Der O2-Gehalt des Blutes hängt von der SO2 ab. Für arterielles Blut wird eine

97 %ige und für venöses Blut eine 73 %ige O2-Sättigung als (PO2-abhängiger) Mittelwert angegeben.

Der O2-Gehalt berechnet sich aus: [O2] = 1,34 * [Hb] * SO2 *10-5; wenn SO2 in % und [Hb] in g/l anbegeben werden, so findet man z.B. [O2]art. = 1,34 * 150 *97 *10-5 = 0,195 » 0,20; O2art. = 0,20 l O2/l Blut;

für [O2]ven. = 0,15 l O2/l Blut.

Die arterio-venöse Differenz (avD) des O2-Gehaltes ist daher:

avD (O2) = 0,05 l O2/l Blut;

Bei einer Gewebepassage werden also nur rd. ¼ (je nach Bedarf verschieden) der O2-Gesamtkapazität ausgenützt.

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7. Ursachen für die Verschiebung der O2-Bindungskurve

Aufgrund der verschiedenen Faktoren, die Einfluß auf die Form und v.a. auf die Steigung der sigmoidalen O2-Bindungskurve des Blutes (Hb) haben, kann sich die Kurve nach oben, unten, rechts oder links verlagern.

1.) Verschiebung nach oben:

erfolgt durch erhöhten Gehalt an bindungsfähigem Hb.

2.) Verschiebung nach unten:

niedrigere Kaqpazität durch verminderten Hb-Gehalt.

3.) Verschiebung nach links ändert die Gesamtkapazität nicht, aber der Anfangsteil der Kurve wird steiler (Folgen im Gewebe siehe oben); mögliche Ursachen für eine Linksverschiebung:

3.a) PO2 Ý

b) pH Ý

c) Temperatur ß

d) 2,3-BPG ß (auch DPG, da bi ~ di)

3) CO-Vergiftung

4.) Verschiebung nach rechts wird bei pH ß und Umkehrung obiger Situationen (a,c,d) eintreten.

Die Temperatur spielt normal (außer z.B. bei Fieber) keine sehr wesentliche Rolle, aber er kann das Gleichgewicht der O2-Hb-Reaktion schon auch beeinflussen. Besonders bedeutsam sind der PH- und der PCO2-Einfluß. Sowohl der pH-Einfluß auf die O2-Bindungskurve, als auch die Abhängigkeit der O2-Bindungskurve vom PCO2 wird als Bohr-Effekt bezeichnet. Mit abnehmendem pH-Wert steigt die Acidität des Blutes und sinkt die Affinität des O2 zu Hb, wodurch die Kurve flacher wird (Rechtsverschiebung; außerdem hat der pH-Wert auch einen Einfluß auf die Bildung von 2,3-BPG).

HbO2 ist eine stärkere Säure als Hb.

Wird peripher O2 abgegeben, so nimmt Hb als schwächere Säure gleichzeitig Protonen auf.

Pro mol abgegebenen O2 nimmt es ca. 0,35 mol H+ auf. Eben dieser Bohr- Effekt bewirkt, daß H2CO3 vermehrt in HCO3- übergeht. Katalysiert wird diese Reaktion durch die Carboanhydrase. In der Lunge entsteht dann durch O2-Aufnahme wieder die stärkere Säure HbO2, wodurch H* abgegeben wird und somit die Carboanhydratase die umgekehrte Reaktion katalysieren kann. Aus HCO3- entsteht wieder die flüchtige Kohlensäure, die dann in CO2 und H2O zerfällt. Diese geniale Einrichtung der Natur entdeckte der dänische Physiologe Christian Bohr im Jahre 1904, also vor 91 Jahren.

Nach

(Henderson-Hasselbalch, siehe auch „Säure-Basen-Haushalt“) ist ersichtlich, daß eine PCO2 Ý mit einer pH ß einhergeht. Aus PCO2 Ý und daher pH ß folgt eine zunehmende Acidität und damit eine abnehmende Affinität des O2 zu Hb. Bei Alkalose wird also über den Bohr-Effekt die O2-Aufnahme erleichtert und bei Acidose ist es umgekehrt.

Die Auswirkung des Bohr-Effektes auf die O2-Aufnahme und -Abgabe wird aus der sog. „effektiven O2-Bindungskurve“ deutlich. Vom Punkt des venösen Blutes (PO2 = 40 Torr, PCO2 = 46 Torr) führt die steigende Sättigung zum Punkt des arteriellen Blutes (PO2 = 95 Torr, PCO2 = 40 Torr), wobei die O2-Affinität zu Hb ständig zunimmt, und die diffusionsrate dadurch erhöht wird. Umgekehrt geht die abnehmende O2-Affinität bei Durchlaufen der Kurve von a nach v hervor. Der Bohr-Effekt unterstützt also die O2-Abdiffusion ins Gewebe.

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8. Abhängigkeit der O2-Bindungskurven vom CO2-Partialdruck

In der ersten Skizze ist auch die CO-Bindungskurve eingezeichnet. Die Affinität des Kohlenmonoxides (CO) zu Hb ist weitaus größer, als die des O2 zu Hb (ca. 250 mal im relevanten Bereich). Diese hohe Affinität ist für die Giftigkeit des CO verantwortlich. Es drängt O2 aus der Bindung und blockiert das Hb. CO ist ein farbloses, geruchsloses Gas, welches bei unvollständiger Verbrennung (Automotoren) entsteht. Normal liegt ca. 1% als CO-Hb vor (bei Rauchern bis zu 20%). Außer der Blockierung bewirkt CO-Hb eine starke Linksverschiebung der O2-Bindungskurve für das restliche Hb, wodurch der PO2 in den Capillaren weiter absinkt. Das Blut nimmt kirschrote Farbe an (künstliche Beatmung mit O2, Bluttransfusion).

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9. O2-Bindungskurve des fetalen Blutes

Unter gleichen Bedingungen verläuft die fetale O2-Bindungskurve etwas steiler als die von Erwachsenen, aber in vivo wird dies durch den kleineren pH-Wert des fetalen Blutes wieder ausgeglichen. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen [Hb] (120 g bzw. 180 g/l; fetale bzw. maternale Konz.) wird ersichtlich, daß fetales Blut (Hb mit g-Ketten) wesentlich mehr O2 binden kann als maternales. Besonders wichtig für die placentare O2-Austauschrate ist der doppelte Einfluß des Bohr-Effektes. Beim Diffusionskontakt nimmt durch den CO2-Austausch die O2-Affinität des maternalen Blutes ab, während gleichzeitig die des fetalen Blutes zunimmt.

Linksverschiebung bei fetalem Blut.

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10. Hypoxie, Anoxie

Bei einer Hypoxie kommt es durch den O2-Mangel zu einer Hyperventilation. Dadurch wird vermehrt CO2 abgeatmet und der Blut-pH-Wert Ý (Alkalose). Das vermehrte Desoxy-Hb nimmt verstärkt H* auf, was einen weiteren pH-Anstieg bewirkt. 2,3-DPG wird vermehrt gebildet und vermindert abgebaut. Umgekehrt führt eine Acidose zu einer Verminderung der [2,3-DPG].

[8] unterscheidet fünf verschiedene Anoxien:

1.) Hypoxamische Anoxie:

mangelnde O2-Aufladung wegen PO2 der Außenluft ß, zuwenig alveoläre Ventilation, verminderte Atmung (Lähmung der Atemmuskulatur oder des Atemzentrums), oder verminderter O2-Austausch zwischen Alveole und Blut (Diffusionshindernisse, mangelnde Durchblutungder Lunge).

2.) Anämische Anoxie:

O2-Kapazität ß: wegen Erythrocyten ß, oder Hb ß bzw. unwirksasm (Hämioglobin).

3.) Ischämische Anämie:

verminderte capillardurchblutung: wegen BD ß oder Durchblutungsstörungen(thrombosen…)

4.) Anoxie wegen zu langsamer Diffusion der O2-Versorgungsradius einer Capillare (Kroghsche Zylinder) ist vom PO2 in der Cappillare, von der O2-Permeabilität und vom O2-Verbrauch des Gewebes abhängig; für Muskelgewebe wurde bei maximaler Tätigkeit ein Radius von 20 µm errechnet.

5.) Zytotoxische Anämie: vergiftete O2-Verwertung (Blausäure – Hemmung der Cytochromoxidase).

Bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber von O2-Mangel ist zu bemerken, daß das Gehirn schon nach 3 min irrefersible Schäden erleiden kann.

Merke:

Das Hämoglobin besteht aus vier polypeptidketten mit je einem Häm als prosthetische Gruppe. Bei der Oxygenation wird ein O2-Molekül an das zentrale

Fe++ angelagert. Dadurch kommt es über veränderte elektrostatische Wechselwirkungen zu einer Verringerung des Radius des Eisenatomes um ca. 1 Å. Dies ist für die nun folgende Konformationsänderung, welche die positive Kooperativität verursacht, verantwortlich.

durch diese allosterische Regulation kommt es zum sigmoidalen Verlauf der

O2-Bindungskurve. Mit der ersten O2-Anlagerung steigt die Affinität des Hämsder übrigen UE zu O2. Hb wird mit Kaliumcyanoferrat III zu Hämiglobin oxidiert. Dann wird der Hb-Gehalt bei 540 nm photometrisch bestimmt. Als Normwerte kann man finden:

Der Zusammenhang zwischen SO2 und PO2 wird in der O2-Bindungskurve dargestellt. Arterielles Blut soll eine SO2 von 97% auf

weisen; für venöses Blut soll man eine 73%-ige O2-Sättigung finden.

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11. Zwischenfragen

  • Zeichnen Sie eine O2-Bindungskurve auf!
  • Zeichnen Sie eine Rechtsverschiebung ein!
  • Wodurch kann es zu einer Rechtsverschiebung kommen?
  • Was hat die Rechtsverschiebung für einen Sinn? pH-Einfluß? O2-Aufnahme?
  • Wo in der Kurve (steiler oder flacher Teil) wirkt sich die Rechtsverschiebung aus?
  • Woran ersieht man, ob bei Arbeit (erhöhter O2-Bedarf) die O2-Versorgung gewährleistet ist?
  • Mögliche Ursachen einer Linksverschiebung?
  • Kommt physiologischerweise eine Linksverschiebung vor?
  • Wie sieht die O2-Bindungskurve für fetales Blut aus?
  • Welchen Sinn hat die Linksverschiebung bei fetalem Blut?
  • Beschreiben Sie wie der embryonale Kreislauf funktioniert!

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