Die Entdeckung des Sauerstoffs erfolgte zweimal, in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts, im Abstand von mehreren Jahren. Im Jahr 1771 gewann der Schwede Karl Scheele Sauerstoff durch Erhitzen von Salpeter und Schwefelsäure. Das dabei entstehende Gas wurde „Feuerluft“ genannt. Im Jahr 1774 führte der englische Chemiker Joseph Priestley den Prozess der Zersetzung von Quecksilberoxid in einem vollständig geschlossenen Gefäß durch und entdeckte Sauerstoff, verwechselte ihn jedoch mit einem Bestandteil der Luft. Erst nachdem Priestley seine Entdeckung dem Franzosen Antoine Lavoisier mitteilte, wurde klar, dass ein neues Element (Kalorisator) entdeckt worden war. Priestley übernimmt bei dieser Entdeckung die Führung, da Scheele seine wissenschaftliche Arbeit, in der er die Entdeckung beschreibt, erst 1777 veröffentlichte.

Sauerstoff ist ein Element der Gruppe XVI der Periode II Periodensystem chemische Elemente D.I. Mendelejew, hat Ordnungszahl 8 und Atommasse 15,9994. Es ist üblich, Sauerstoff mit dem Symbol zu kennzeichnen UM(aus dem Lateinischen Oxygenium- Säurebildung). Auf Russisch der Name Sauerstoff wurde eine Ableitung von Säuren, ein Begriff, der von M.V. eingeführt wurde. Lomonossow.

In der Natur sein

Sauerstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste und im Weltmeer. Sauerstoffverbindungen (hauptsächlich Silikate) machen mindestens 47 % der Masse der Erdkruste aus; Sauerstoff wird bei der Photosynthese von Wäldern und anderen erzeugt grüne Pflanzen, die meisten davon sind Phytoplankton des Meeres und frisches Wasser. Sauerstoff – obligatorisch Komponente lebenden Zellen, kommt auch in den meisten Substanzen organischen Ursprungs vor.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Sauerstoff ist ein leichtes Nichtmetall, gehört zur Gruppe der Chalkogene und weist eine hohe chemische Aktivität auf. Sauerstoff ist als einfache Substanz ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas; es hat einen flüssigen Zustand – eine hellblaue transparente Flüssigkeit und einen festen Zustand – hellblaue Kristalle. Besteht aus zwei Sauerstoffatomen (bezeichnet durch die Formel O₂).

Sauerstoff ist an Redoxreaktionen beteiligt. Lebewesen atmen Sauerstoff aus der Luft. Sauerstoff wird in der Medizin häufig verwendet. Bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen wird zur Verbesserung der Stoffwechselvorgänge Sauerstoffschaum („Sauerstoffcocktail“) in den Magen injiziert. Die subkutane Verabreichung von Sauerstoff wird bei trophischen Geschwüren, Elephantiasis und Gangrän eingesetzt. Künstliche Ozonanreicherung wird zur Desinfektion und Desodorierung der Luft sowie zur Reinigung des Trinkwassers eingesetzt.

Sauerstoff ist die Grundlage der Lebensaktivität aller lebenden Organismen auf der Erde und das wichtigste biogene Element. Es kommt in den Molekülen aller wichtigen Stoffe vor, die für den Aufbau und die Funktionen von Zellen verantwortlich sind (Lipide, Proteine, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren). Jeder lebende Organismus enthält viel mehr Sauerstoff als jedes Element (bis zu 70 %). Beispielsweise enthält der Körper eines durchschnittlichen erwachsenen Menschen mit einem Gewicht von 70 kg 43 kg Sauerstoff.

Sauerstoff gelangt über die Atemwege und die Aufnahme von Wasser in lebende Organismen (Pflanzen, Tiere und Menschen). Wenn man bedenkt, dass im menschlichen Körper die Haut das wichtigste Atmungsorgan ist, wird deutlich, wie viel Sauerstoff ein Mensch insbesondere im Sommer am Ufer eines Stausees aufnehmen kann. Den Sauerstoffbedarf einer Person zu bestimmen, ist ziemlich schwierig, da er von vielen Faktoren abhängt – Alter, Geschlecht, Körpergewicht und Körperoberfläche, Ernährungssystem, äußere Umgebung usw.

Verwendung von Sauerstoff im Leben

Sauerstoff wird fast überall eingesetzt – von der Metallurgie bis zur Produktion Raketentreibstoff und Sprengstoffe für Straßenarbeiten in den Bergen; von der Medizin bis zur Lebensmittelindustrie.

In der Lebensmittelindustrie ist Sauerstoff als Lebensmittelzusatzstoff, als Treibmittel und Verpackungsgas registriert.

Sauerstoff ist ein organogenes Element. Sein Inhalt macht bis zu 65 % des Körpergewichts eines Menschen aus, also mehr als 40 kg bei einem Erwachsenen. Sauerstoff ist das häufigste Oxidationsmittel auf der Erde; in der Umwelt kommt er in zwei Formen vor – in Form von Verbindungen ( Erdkruste und Wasser: Oxide, Peroxide, Hydroxide usw.) und in freier Form (Atmosphäre).

Biologische Rolle von Sauerstoff

Die wichtigste (tatsächlich einzige) Funktion von Sauerstoff ist seine Beteiligung als Oxidationsmittel an Redoxreaktionen im Körper. Dank der Anwesenheit von Sauerstoff sind die Organismen aller Tiere in der Lage, Sauerstoff zu verwerten (eigentlich „zu verbrennen“). verschiedene Substanzen (Kohlenhydrate, Fette, Eichhörnchen) mit der Gewinnung einer bestimmten „Verbrennungs“-Energie für den Eigenbedarf. Im Ruhezustand verbraucht der erwachsene Körper 1,8–2,4 g Sauerstoff pro Minute.

Sauerstoffquellen

Die Hauptsauerstoffquelle für den Menschen ist die Erdatmosphäre, aus der der menschliche Körper durch die Atmung die zum Leben notwendige Menge an Sauerstoff extrahieren kann.

Sauerstoffmangel

Bei einem Mangel im menschlichen Körper entsteht eine sogenannte Hypoxie.

Ursachen für Sauerstoffmangel

• Fehlen oder stark verringerter Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre;
• verringerter Sauerstoffpartialdruck in der eingeatmeten Luft (beim Aufstieg in große Höhen – in den Bergen, im Flugzeug);
• Unterbrechung oder Verringerung der Sauerstoffversorgung der Lunge während der Asphyxie;
• Störungen des Sauerstofftransports (Störungen des Herz-Kreislauf-Systems; eine erhebliche Abnahme des Hämoglobins im Blut bei Anämie, die Unfähigkeit des Hämoglobins, seine Funktionen zu erfüllen – Sauerstoff zu binden, zu transportieren oder an Gewebe abzugeben, beispielsweise bei einer Kohlenmonoxidvergiftung );
• Unfähigkeit des Gewebes, Sauerstoff zu nutzen, aufgrund einer Störung der Redoxprozesse im Gewebe (z. B. Zyanidvergiftung)

Folgen von Sauerstoffmangel

Bei akuter Hypoxie:

• Bewusstlosigkeit;
• Störung, irreversible Schädigung und schneller Tod des Zentralnervensystems (buchstäblich in Minuten)
• Bei chronischer Hypoxie:
• schnelle körperliche und geistige Ermüdung;
• Störungen des Zentralnervensystems;
• Tachykardie und Kurzatmigkeit in Ruhe oder bei geringfügigem physische Aktivität

Überschüssiger Sauerstoff

Es wird in der Regel äußerst selten unter künstlichen Bedingungen beobachtet (z. B. Überdruckkammern, falsch ausgewählte Atemmischungen beim Tauchen im Wasser usw.). In diesem Fall geht das längere Einatmen übermäßig mit Sauerstoff angereicherter Luft mit einer Sauerstoffvergiftung einher – durch die übermäßige Menge werden in Organen und Geweben zahlreiche freie Radikale gebildet und der Prozess der spontanen Oxidation eingeleitet organische Substanz, einschließlich Lipidperoxidation.

Tagesbedarf: nicht standardisiert

Sauerstoff- eines der häufigsten Elemente nicht nur in der Natur, sondern auch in der Zusammensetzung des menschlichen Körpers.

Die besonderen Eigenschaften von Sauerstoff sind: Chemisches Element machte es im Laufe der Evolution der Lebewesen zu einem notwendigen Partner in den grundlegenden Prozessen des Lebens. Die elektronische Konfiguration des Sauerstoffmoleküls ist so, dass es über ungepaarte Elektronen verfügt, die sehr reaktiv sind. Da das Sauerstoffmolekül über hohe Oxidationseigenschaften verfügt, wird es in biologischen Systemen als eine Art Falle für Elektronen verwendet, deren Energie gelöscht wird, wenn sie sich mit Sauerstoff in einem Wassermolekül verbinden.

Es besteht kein Zweifel, dass Sauerstoff als Elektronenakzeptor für biologische Prozesse „zu Hause“ ist. Die Löslichkeit von Sauerstoff sowohl in der wässrigen als auch in der Lipidphase ist auch für einen Organismus, dessen Zellen (insbesondere biologische Membranen) aus physikalisch und chemisch unterschiedlichen Materialien bestehen, sehr nützlich. Dadurch kann es relativ leicht in alle Strukturformationen von Zellen diffundieren und an oxidativen Reaktionen teilnehmen. Zwar ist Sauerstoff in Fetten um ein Vielfaches löslicher als in einer wässrigen Umgebung, und dies wird bei der Verwendung von Sauerstoff als therapeutisches Mittel berücksichtigt.

Jede Zelle unseres Körpers benötigt eine ununterbrochene Versorgung mit Sauerstoff, der in verschiedenen Stoffwechselreaktionen verwendet wird. Um es in Zellen zu liefern und zu sortieren, benötigen Sie einen ziemlich leistungsstarken Transportapparat.

Unter normalen Bedingungen müssen die Körperzellen jede Minute etwa 200–250 ml Sauerstoff liefern. Es lässt sich leicht berechnen, dass der Bedarf dafür pro Tag beträchtlich ist (ca. 300 Liter). Bei harter Arbeit verzehnfacht sich dieser Bedarf.

Die Diffusion von Sauerstoff aus den Lungenalveolen in das Blut erfolgt aufgrund des alveolar-kapillaren Unterschieds (Gradienten) der Sauerstoffspannung, der beim Einatmen normaler Luft beträgt: 104 (pO 2 in den Alveolen) – 45 (pO 2 in den Lungenkapillaren). ) = 59 mm Hg. Kunst.

Alveolarluft (mit einem durchschnittlichen Lungenvolumen von 6 Litern) enthält nicht mehr als 850 ml Sauerstoff, und diese Alveolarreserve kann den Körper nur 4 Minuten lang mit Sauerstoff versorgen, wenn man davon ausgeht, dass der durchschnittliche Sauerstoffbedarf des Körpers unter normalen Bedingungen etwa 200 ml beträgt pro Minute.

Es wurde berechnet, dass, wenn molekularer Sauerstoff einfach im Blutplasma gelöst würde (und er löst sich darin schlecht auf – 0,3 ml in 100 ml Blut), es notwendig ist, den normalen Bedarf der Zellen daran zu gewährleisten Geschwindigkeit des vaskulären Blutflusses auf 180 l in einer Minute. Tatsächlich bewegt sich Blut mit einer Geschwindigkeit von nur 5 Litern pro Minute. Die Sauerstoffversorgung des Gewebes erfolgt durch eine wunderbare Substanz – Hämoglobin.

Hämoglobin besteht zu 96 % aus Proteinen (Globin) und zu 4 % aus Nicht-Protein-Komponenten (Häm). Hämoglobin fängt wie ein Oktopus Sauerstoff mit seinen vier Tentakeln ein. Die Rolle der „Tentakel“, die gezielt Sauerstoffmoleküle im arteriellen Blut der Lunge greifen, übernimmt Häm bzw. das in seinem Zentrum befindliche zweiwertige Eisenatom. Eisen ist über vier Bindungen im Inneren des Porphyrinrings „angebunden“. Dieser Komplex aus Eisen und Porphyrin wird Protohäm oder einfach Häm genannt. Die anderen beiden Eisenbindungen sind senkrecht zur Ebene des Porphyrinrings gerichtet. Einer von ihnen gelangt zur Proteinuntereinheit (Globin), der andere ist frei und fängt molekularen Sauerstoff direkt ein.

Die Polypeptidketten des Hämoglobins sind im Raum so angeordnet, dass ihre Konfiguration einer kugelförmigen ähnelt. Jedes der vier Kügelchen hat eine „Tasche“, in die Häm gegeben wird. Jedes Häm ist in der Lage, ein Sauerstoffmolekül einzufangen. Ein Hämoglobinmolekül kann maximal vier Sauerstoffmoleküle binden.

Wie „funktioniert“ Hämoglobin?

Beobachtungen des Atmungszyklus der „molekularen Lunge“ (wie der berühmte englische Wissenschaftler M. Perutz Hämoglobin nannte) offenbaren die erstaunlichen Eigenschaften dieses Pigmentproteins. Es stellt sich heraus, dass alle vier Edelsteine ​​zusammenwirken und nicht unabhängig voneinander. Jeder der Edelsteine ​​ist sozusagen darüber informiert, ob sein Partner Sauerstoff zugeführt hat oder nicht. Im Desoxyhämoglobin ragen alle „Tentakel“ (Eisenatome) aus der Ebene des Porphyrinrings heraus und sind bereit, ein Sauerstoffmolekül zu binden. Nachdem es ein Sauerstoffmolekül eingefangen hat, wird Eisen in den Porphyrinring gezogen. Das erste Sauerstoffmolekül ist am schwierigsten zu binden, und jedes weitere wird immer besser und einfacher. Mit anderen Worten, Hämoglobin wirkt nach dem Sprichwort „Der Appetit kommt mit dem Essen“. Durch die Zugabe von Sauerstoff verändern sich sogar die Eigenschaften des Hämoglobins: Es wird zu einer stärkeren Säure. Dieser Umstand ist bei der Übertragung von Sauerstoff und Kohlendioxid von großer Bedeutung.

Nachdem es in der Lunge mit Sauerstoff gesättigt ist, transportiert es das Hämoglobin in den roten Blutkörperchen über den Blutkreislauf zu den Zellen und Geweben des Körpers. Bevor das Hämoglobin jedoch gesättigt wird, muss sich Sauerstoff im Blutplasma auflösen und durch die Membran der roten Blutkörperchen gelangen. Zum Arzt rein praktische Tätigkeiten Insbesondere bei der Anwendung einer Sauerstofftherapie ist es wichtig, die potenzielle Fähigkeit des Erythrozyten-Hämoglobins zu berücksichtigen, Sauerstoff zu speichern und abzugeben.

Ein Gramm Hämoglobin pro normale Bedingungen kann 1,34 ml Sauerstoff binden. Darüber hinaus können wir berechnen, dass bei einem durchschnittlichen Hämoglobingehalt im Blut von 14–16 ml % 100 ml Blut 18–21 ml Sauerstoff binden. Berücksichtigt man das Blutvolumen, das bei Männern durchschnittlich etwa 4,5 Liter und bei Frauen 4 Liter beträgt, beträgt die maximale Bindungsaktivität des Erythrozyten-Hämoglobins etwa 750-900 ml Sauerstoff. Dies ist natürlich nur möglich, wenn das gesamte Hämoglobin mit Sauerstoff gesättigt ist.

Beim Atmen atmosphärische Luft Hämoglobin ist nicht vollständig gesättigt – 95-97 %. Sie können es sättigen, indem Sie reinen Sauerstoff zum Atmen verwenden. Es reicht aus, den Gehalt in der Atemluft auf 35 % (statt der üblichen 24 %) zu erhöhen. In diesem Fall ist die Sauerstoffkapazität maximal (entspricht 21 ml O 2 pro 100 ml Blut). Aufgrund des Mangels an freiem Hämoglobin kann Sauerstoff nicht mehr gebunden werden.

Eine kleine Menge Sauerstoff bleibt im Blut gelöst (0,3 ml pro 100 ml Blut) und wird in dieser Form an das Gewebe abgegeben. Unter natürlichen Bedingungen wird der Bedarf des Gewebes durch an Hämoglobin gebundenen Sauerstoff gedeckt, da im Plasma gelöster Sauerstoff eine unbedeutende Menge darstellt – nur 0,3 ml in 100 ml Blut. Dies führt zu der Schlussfolgerung: Wenn der Körper Sauerstoff benötigt, kann er ohne Hämoglobin nicht leben.

Während ihres Lebens (ungefähr 120 Tage) leisten die roten Blutkörperchen eine enorme Arbeit, indem sie etwa eine Milliarde Sauerstoffmoleküle von der Lunge in das Gewebe transportieren. Hämoglobin hat jedoch eine interessante Eigenschaft: Es nimmt Sauerstoff nicht immer mit der gleichen Gier auf und gibt ihn auch nicht mit der gleichen Bereitschaft an die umliegenden Zellen ab. Dieses Verhalten des Hämoglobins wird durch seine räumliche Struktur bestimmt und kann sowohl durch interne als auch externe Faktoren reguliert werden.

Der Prozess der Sättigung von Hämoglobin mit Sauerstoff in der Lunge (oder der Dissoziation von Hämoglobin in Zellen) wird durch eine S-förmige Kurve beschrieben. Dank dieser Abhängigkeit ist eine normale Sauerstoffversorgung der Zellen auch bei geringen Unterschieden im Blut (von 98 bis 40 mm Hg) möglich.

Die Position der S-Kurve ist nicht konstant und Änderungen in ihr weisen auf wichtige Änderungen hin biologische Eigenschaften Hämoglobin. Wenn sich die Kurve nach links verschiebt und ihre Biegung abnimmt, deutet dies auf eine Zunahme der Affinität von Hämoglobin zu Sauerstoff und eine Abnahme des umgekehrten Prozesses – der Dissoziation von Oxyhämoglobin – hin. Im Gegenteil, eine Verschiebung dieser Kurve nach rechts (und eine Zunahme der Krümmung) deutet auf das genau gegenteilige Bild hin – eine Abnahme der Affinität von Hämoglobin zu Sauerstoff und eine bessere Abgabe an das Gewebe. Es ist klar, dass eine Verschiebung der Kurve nach links ratsam ist, um Sauerstoff in der Lunge einzufangen, und nach rechts, um ihn an das Gewebe abzugeben.

Die Dissoziationskurve von Oxyhämoglobin ändert sich je nach pH-Wert der Umgebung und Temperatur. Je niedriger der pH-Wert (Verschiebung zur sauren Seite) und je höher die Temperatur, desto schlechter wird Sauerstoff vom Hämoglobin eingefangen, aber desto besser wird er bei der Dissoziation von Oxyhämoglobin an das Gewebe abgegeben. Daher die Schlussfolgerung: In einer heißen Atmosphäre erfolgt die Sauerstoffsättigung des Blutes wirkungslos, aber mit steigender Körpertemperatur ist die Entladung von Oxyhämoglobin aus Sauerstoff sehr aktiv.

Auch rote Blutkörperchen verfügen über eigene Regulationsmechanismen. Es handelt sich um 2,3-Diphosphoglycerinsäure, die beim Abbau von Glukose entsteht. Auch die „Stimmung“ des Hämoglobins im Verhältnis zum Sauerstoff hängt von dieser Substanz ab. Wenn sich 2,3-Diphosphoglycerinsäure in den roten Blutkörperchen ansammelt, verringert sie die Affinität des Hämoglobins zu Sauerstoff und fördert seine Freisetzung in das Gewebe. Wenn nicht genug davon vorhanden ist, ist das Bild umgekehrt.

Interessante Ereignisse finden auch in Kapillaren statt. Am arteriellen Ende der Kapillare erfolgt die Sauerstoffdiffusion senkrecht zur Blutbewegung (vom Blut in die Zelle). Die Bewegung erfolgt in Richtung des Sauerstoffpartialdruckunterschieds, also in die Zellen hinein.

Zellen bevorzugen physikalisch gelösten Sauerstoff und dieser wird zuerst genutzt. Gleichzeitig wird Oxyhämoglobin von seiner Last entlastet. Je intensiver ein Organ arbeitet, desto mehr Sauerstoff benötigt es. Wenn Sauerstoff freigesetzt wird, werden die Hämoglobintentakel freigesetzt. Aufgrund der Sauerstoffaufnahme durch das Gewebe sinkt der Gehalt an Oxyhämoglobin im venösen Blut von 97 auf 65-75 %.

Die Entladung von Oxyhämoglobin fördert gleichzeitig den Transport von Kohlendioxid. Letzteres entsteht im Gewebe als Endprodukt der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe, gelangt in das Blut und kann zu einer deutlichen, mit dem Leben unvereinbaren pH-Abnahme der Umgebung (Übersäuerung) führen. Tatsächlich kann der pH-Wert von arteriellem und venösem Blut in einem äußerst engen Bereich (nicht mehr als 0,1) schwanken. Dazu ist es notwendig, Kohlendioxid zu neutralisieren und aus dem Gewebe in die Lunge zu entfernen.

Interessant ist, dass die Ansammlung von Kohlendioxid in den Kapillaren und ein leichter Abfall des pH-Werts der Umgebung lediglich zur Sauerstofffreisetzung durch Oxyhämoglobin beitragen (die Dissoziationskurve verschiebt sich nach rechts und die S-förmige Krümmung nimmt zu). Hämoglobin, das die Rolle spielt Puffersystem Blut, neutralisiert Kohlendioxid. Dabei entstehen Bikarbonate. Ein Teil des Kohlendioxids wird vom Hämoglobin selbst gebunden (es entsteht Carbhämoglobin). Schätzungen zufolge ist Hämoglobin direkt oder indirekt am Transport von bis zu 90 % des Kohlendioxids vom Gewebe zur Lunge beteiligt. In der Lunge laufen die gegenteiligen Prozesse ab, da die Sauerstoffanreicherung des Hämoglobins zu einer Erhöhung seines Hämoglobins führt saure Eigenschaften und wieder rein Umfeld Wasserstoffionen. Letztere bilden zusammen mit Bicarbonaten Kohlensäure, die durch das Enzym Carboanhydrase in Kohlendioxid und Wasser gespalten wird. Kohlendioxid wird von der Lunge freigesetzt und Oxyhämoglobin, das Kationen bindet (im Austausch gegen abgespaltene Wasserstoffionen), wandert in die Kapillaren peripherer Gewebe. Ein so enger Zusammenhang zwischen der Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff und der Entfernung von Kohlendioxid aus dem Gewebe in die Lunge erinnert uns daran, dass man bei der Verwendung von Sauerstoff für medizinische Zwecke eine weitere Funktion des Hämoglobins nicht vergessen sollte – den Körper von überschüssigem Kohlendioxid zu befreien.

Der arteriell-venöse Unterschied bzw. Sauerstoffdruckunterschied entlang der Kapillare (vom arteriellen zum venösen Ende) gibt Aufschluss über den Sauerstoffbedarf von Geweben. Die Länge der Kapillarreise von Oxyhämoglobin variiert in verschiedenen Organen (und ihr Sauerstoffbedarf ist nicht gleich). Daher sinkt beispielsweise die Sauerstoffspannung im Gehirn weniger als im Myokard.

Hier muss jedoch ein Vorbehalt gemacht und daran erinnert werden, dass sich das Myokard und andere Muskelgewebe in einem besonderen Zustand befinden. Muskelzellen verfügen über ein aktives System zur Aufnahme von Sauerstoff aus dem fließenden Blut. Diese Funktion übernimmt Myoglobin, das den gleichen Aufbau hat und nach dem gleichen Prinzip wie Hämoglobin funktioniert. Nur Myoglobin hat eine Proteinkette (und nicht vier wie Hämoglobin) und dementsprechend ein Häm. Myoglobin ist wie ein Viertel des Hämoglobins und fängt nur ein Sauerstoffmolekül ein.

Die einzigartige Struktur von Myoglobin, die nur auf die tertiäre Organisationsebene seines Proteinmoleküls beschränkt ist, ist mit der Wechselwirkung mit Sauerstoff verbunden. Myoglobin bindet Sauerstoff fünfmal schneller als Hämoglobin (hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff). Die Myoglobin-Sättigungskurve (oder Oxymyoglobin-Dissoziationskurve) mit Sauerstoff hat eher die Form einer Hyperbel als eine S-Form. Dies ist biologisch sehr sinnvoll, da Myoglobin, das sich tief im Muskelgewebe befindet (wo der Sauerstoffpartialdruck niedrig ist), selbst bei geringer Spannung gierig nach Sauerstoff schnappt. Es entsteht eine Art Sauerstoffreserve, die bei Bedarf für die Energiebildung in den Mitochondrien aufgewendet wird. Beispielsweise wird im Herzmuskel, wo viel Myoglobin vorhanden ist, während der Diastole in den Zellen eine Sauerstoffreserve in Form von Oxymyoglobin gebildet, die während der Systole den Bedarf des Muskelgewebes befriedigt.

Scheinbar konstant mechanische Arbeit Muskelorgane erforderlich zusätzliche Geräte zum Auffangen und Speichern von Sauerstoff. Die Natur hat es in Form von Myoglobin geschaffen. Es ist möglich, dass auch Nicht-Muskelzellen über einen noch unbekannten Mechanismus verfügen, um Sauerstoff aus dem Blut aufzunehmen.

Im Allgemeinen wird der Nutzen der Arbeit des Hämoglobins der roten Blutkörperchen dadurch bestimmt, wie viel es in der Lage war, Sauerstoffmoleküle zur Zelle zu transportieren und auf sie zu übertragen und das Kohlendioxid zu entfernen, das sich in den Gewebekapillaren ansammelt. Leider arbeitet dieser Arbeiter manchmal unverschuldet nicht mit voller Leistung: Die Freisetzung von Sauerstoff aus Oxyhämoglobin in der Kapillare hängt von der Fähigkeit biochemischer Reaktionen in Zellen ab, Sauerstoff zu verbrauchen. Wird wenig Sauerstoff verbraucht, dann scheint er zu „stagnieren“ und kommt aufgrund seiner geringen Löslichkeit in einem flüssigen Medium nicht mehr aus dem Arterienbett. Ärzte beobachten eine Abnahme der arteriovenösen Sauerstoffdifferenz. Es stellt sich heraus, dass Hämoglobin einen Teil des Sauerstoffs nutzlos transportiert und außerdem weniger Kohlendioxid. Die Situation ist nicht angenehm.

Die Kenntnis der Funktionsmuster des Sauerstofftransportsystems unter natürlichen Bedingungen ermöglicht es dem Arzt, eine Reihe nützlicher Schlussfolgerungen zu ziehen richtige Verwendung Sauerstoff Therapie. Es versteht sich von selbst, dass es notwendig ist, zusammen mit Sauerstoff Wirkstoffe zu verwenden, die die Zytropoese anregen, die Durchblutung im betroffenen Körper erhöhen und die Sauerstoffnutzung in den Geweben des Körpers unterstützen.

Gleichzeitig ist es notwendig, genau zu wissen, zu welchen Zwecken Sauerstoff in Zellen verbraucht wird, um deren normale Existenz sicherzustellen.

Auf dem Weg zu seinem Ort, an dem er an Stoffwechselreaktionen im Zellinneren beteiligt ist, überwindet Sauerstoff viele Strukturformationen. Die wichtigsten davon sind biologische Membranen.

Jede Zelle verfügt über eine Plasmamembran (oder äußere Membran) und eine bizarre Vielfalt anderer Membranstrukturen, die subzelluläre Partikel (Organellen) verbinden. Membranen sind nicht nur Trennwände, sondern Gebilde, die besondere Funktionen erfüllen (Transport, Abbau und Synthese von Stoffen, Energieerzeugung etc.), die durch ihre Organisation und die Zusammensetzung der in ihnen enthaltenen Biomoleküle bestimmt werden. Trotz der Variabilität in Membranformen und -größen bestehen sie überwiegend aus Proteinen und Lipiden. Andere ebenfalls in Membranen vorkommende Stoffe (z. B. Kohlenhydrate) sind über chemische Bindungen entweder mit Lipiden oder Proteinen verbunden.

Wir werden nicht auf die Details der Organisation von Protein-Lipid-Molekülen in Membranen eingehen. Es ist wichtig zu beachten, dass alle Modelle der Struktur von Biomembranen („Sandwich“, „Mosaik“ usw.) das Vorhandensein eines bimolekularen Lipidfilms in den Membranen voraussetzen, der durch Proteinmoleküle zusammengehalten wird.

Die Lipidschicht der Membran ist ein Flüssigkeitsfilm, der sich ständig in Bewegung befindet. Sauerstoff gelangt aufgrund seiner guten Fettlöslichkeit durch die doppelte Lipidschicht der Membranen in die Zellen. Ein Teil des Sauerstoffs wird auf übertragen interne Umgebung Zellen durch Transporter wie Myoglobin. Es wird angenommen, dass Sauerstoff in der Zelle in einem löslichen Zustand vorliegt. Wahrscheinlich löst es sich mehr in Lipidformationen und weniger in hydrophilen. Erinnern wir uns daran, dass die Struktur von Sauerstoff die Kriterien eines Oxidationsmittels, das als Elektronenfalle verwendet wird, perfekt erfüllt. Es ist bekannt, dass die Hauptkonzentration oxidative Reaktionen kommt in speziellen Organellen, den Mitochondrien, vor. Die bildlichen Vergleiche, die Biochemiker mit Mitochondrien anstellten, verdeutlichen den Zweck dieser kleinen (0,5 bis 2 Mikrometer großen) Partikel. Sie werden sowohl „Energiestationen“ als auch „Kraftwerke“ der Zelle genannt und unterstreichen damit ihre führende Rolle bei der Bildung energiereicher Verbindungen.

Hier lohnt es sich wahrscheinlich, einen kleinen Exkurs zu machen. Wie Sie wissen, ist die effiziente Gewinnung von Energie eine der grundlegenden Eigenschaften von Lebewesen. Der menschliche Körper nutzt externe Energiequellen – Nährstoffe (Kohlenhydrate, Lipide und Proteine), die er mit Hilfe hydrolytischer Enzyme verarbeitet Magen-Darmtrakt werden in kleinere Stücke (Monomere) zerkleinert. Letztere werden absorbiert und an die Zellen abgegeben. Nur Stoffe, die Wasserstoff enthalten, der über einen großen Vorrat an freier Energie verfügt, haben einen energetischen Wert. Die Hauptaufgabe der Zelle bzw. der darin enthaltenen Enzyme besteht darin, Substrate so zu verarbeiten, dass ihnen Wasserstoff entzogen wird.

Fast alle Enzymsysteme, die eine ähnliche Rolle spielen, sind in Mitochondrien lokalisiert. Hierbei werden der Glukosefragment (Brenztraubensäure), Fettsäuren und Kohlenstoffgerüste von Aminosäuren oxidiert. Nach der Endverarbeitung wird aus diesen Stoffen der restliche Wasserstoff „abgestrippt“.

Wasserstoff, der mit Hilfe spezieller Enzyme (Dehydrogenasen) von brennbaren Stoffen getrennt wird, liegt nicht in freier Form vor, sondern in Verbindung mit speziellen Trägerstoffen – Coenzymen. Es handelt sich um Derivate von Nicotinamid (Vitamin PP) – NAD (Nicotinamidadenindinukleotid), NADP (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat) und Derivate von Riboflavin (Vitamin B 2) – FMN (Flavinmononukleotid) und FAD (Flavinadenindinukleotid).

Wasserstoff verbrennt nicht sofort, sondern schrittweise, portionsweise. Andernfalls könnte die Zelle ihre Energie nicht nutzen, da es bei der Wechselwirkung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu einer Explosion kommen würde, was in Laborexperimenten leicht nachgewiesen werden kann. Damit Wasserstoff die darin enthaltene Energie in Teilen abgeben kann, befindet sich in der inneren Membran der Mitochondrien eine Kette von Elektronen- und Protonenträgern, auch Atmungskette genannt. An einem bestimmten Abschnitt dieser Kette gehen die Wege von Elektronen und Protonen auseinander; Elektronen springen durch Cytochrome (die wie Hämoglobin aus Protein und Häm bestehen) und Protonen entweichen in die Umgebung. Am Endpunkt der Atmungskette, wo sich die Cytochromoxidase befindet, „rutschen“ Elektronen auf Sauerstoff. In diesem Fall geht die Energie der Elektronen vollständig verloren und Sauerstoff, der Protonen bindet, wird zu einem Wassermolekül reduziert. Wasser hat für den Körper keinen Energiewert mehr.

Die von den entlang der Atmungskette springenden Elektronen abgegebene Energie wird in die Energie chemischer Bindungen von Adenosintriphosphat – ATP – umgewandelt, das als Hauptenergiespeicher in lebenden Organismen dient. Da hier zwei Vorgänge kombiniert werden: Oxidation und die Bildung energiereicher Phosphatbindungen (im ATP vorhanden), wird der Prozess der Energiebildung in der Atmungskette als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.

Wie kommt es zu der Kombination der Bewegung von Elektronen entlang der Atmungskette und der Energieaufnahme während dieser Bewegung? Es ist noch nicht ganz klar. Inzwischen würde die Wirkung biologischer Energiewandler die Lösung vieler Probleme im Zusammenhang mit der Rettung von Körperzellen ermöglichen, die von einem pathologischen Prozess betroffen sind und in der Regel unter Energiemangel leiden. Experten zufolge wird die Enthüllung der Geheimnisse des Mechanismus der Energiebildung in Lebewesen zur Schaffung technisch vielversprechenderer Energieerzeuger führen.

Das sind Perspektiven. Derzeit ist bekannt, dass die Aufnahme von Elektronenenergie in drei Abschnitten der Atmungskette erfolgt und daher durch die Verbrennung von zwei Wasserstoffatomen drei ATP-Moleküle entstehen. Koeffizient nützliche Aktion Die Energie eines solchen Transformators beträgt nahezu 50 %. Wenn man bedenkt, dass der Anteil der Energie, die der Zelle bei der Oxidation von Wasserstoff in der Atmungskette zugeführt wird, mindestens 70-90 % beträgt, werden die anschaulichen Vergleiche, die den Mitochondrien zugeschrieben werden, deutlich.

ATP-Energie wird in verschiedenen Prozessen verwendet: für den Zusammenbau komplexe Strukturen(zum Beispiel Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren) aus dem Aufbau von Proteinen, mechanischer Aktivität (Muskelkontraktion), elektrischer Arbeit (Entstehung und Ausbreitung von Nervenimpulsen), Transport und Ansammlung von Substanzen in Zellen usw. Kurz gesagt, Leben Ohne Energie geht es nicht, und sobald es zu einem starken Mangel an Energie kommt, sterben Lebewesen.

Kehren wir zur Frage zurück, welchen Stellenwert Sauerstoff bei der Energieerzeugung einnimmt. Auf den ersten Blick scheint die direkte Beteiligung von Sauerstoff an diesem lebenswichtigen Prozess verschleiert. Es wäre wahrscheinlich angemessen, die Verbrennung von Wasserstoff (und die daraus resultierende Energiebildung) mit einer Produktionslinie zu vergleichen, obwohl die Atmungskette keine Linie zum Zusammenbauen, sondern zum „Zerlegen“ von Materie ist.

Am Ursprung der Atmungskette steht Wasserstoff. Von dort aus strömt der Elektronenfluss zum endgültigen Ziel – Sauerstoff. Fehlt Sauerstoff oder ist Sauerstoffmangel vorhanden, stoppt die Produktionslinie oder arbeitet nicht mit voller Kapazität, weil niemand zum Entladen da ist oder die Effizienz der Entladung begrenzt ist. Kein Elektronenfluss – keine Energie. Nach der treffenden Definition des herausragenden Biochemikers A. Szent-Gyorgyi wird das Leben durch den Elektronenfluss gesteuert, dessen Bewegung von einer externen Energiequelle – der Sonne – bestimmt wird. Es ist verlockend, diesen Gedanken fortzusetzen und hinzuzufügen, dass Sauerstoff die Kontinuität dieses Flusses aufrechterhält, da das Leben durch den Elektronenfluss gesteuert wird

Ist es möglich, Sauerstoff durch einen anderen Elektronenakzeptor zu ersetzen, die Atmungskette zu entlasten und die Energieproduktion wiederherzustellen? Im Prinzip ist es möglich. Dies lässt sich leicht in Laborexperimenten nachweisen. Für den Körper ist es immer noch eine unverständliche Aufgabe, einen Elektronenakzeptor wie Sauerstoff so auszuwählen, dass er leicht transportiert werden kann, in alle Zellen eindringt und an Redoxreaktionen teilnimmt.

Sauerstoff trägt also unter normalen Bedingungen zur ständigen Bildung von Energie aus Substanzen bei, die in die Mitochondrien gelangen, während er die Kontinuität des Elektronenflusses in der Atmungskette aufrechterhält.

Natürlich ist die oben dargestellte Situation etwas vereinfacht, und wir haben dies getan, um die Rolle von Sauerstoff bei der Regulierung von Energieprozessen deutlicher darzustellen. Die Wirksamkeit einer solchen Regelung wird durch den Betrieb der Vorrichtung zur Umwandlung der Energie bewegter Elektronen bestimmt ( elektrischer Strom) in die chemische Energie von ATP-Bindungen um. Wenn Nährstoffe auch in Gegenwart von Sauerstoff vorhanden sind. Wenn die Mitochondrien „vergeblich“ verbrennen, ist die dabei freigesetzte Wärmeenergie für den Körper nutzlos und es kann zu Energiemangel mit allen Folgen kommen. Solche extremen Fälle einer beeinträchtigten Phosphorylierung beim Elektronentransfer in Gewebemitochondrien sind jedoch kaum möglich und wurden in der Praxis nicht beobachtet.

Viel häufiger kommt es zu einer Fehlregulation der Energieproduktion, die mit einer unzureichenden Sauerstoffversorgung der Zellen einhergeht. Bedeutet das den sofortigen Tod? Es stellt sich heraus, dass dies nicht der Fall ist. Die Evolution hat klug entschieden und dem menschlichen Gewebe eine gewisse Energiereserve hinterlassen. Es wird über einen sauerstofffreien (anaeroben) Weg zur Energiegewinnung aus Kohlenhydraten bereitgestellt. Seine Effizienz ist jedoch relativ gering, da die Oxidation derselben Nährstoffe in Gegenwart von Sauerstoff 15-18-mal mehr Energie liefert als ohne Sauerstoff. In kritischen Situationen bleiben Körpergewebe jedoch gerade aufgrund der anaeroben Energieproduktion (durch Glykolyse und Glykogenolyse) lebensfähig.

Dies ist ein kleiner Exkurs, der über das Potenzial der Energiebildung und die Existenz eines Organismus ohne Sauerstoff spricht, ein weiterer Beweis dafür, dass Sauerstoff der wichtigste Regulator von Lebensprozessen ist und dass eine Existenz ohne ihn unmöglich ist.

Nicht weniger wichtig ist jedoch die Beteiligung von Sauerstoff nicht nur an Energie-, sondern auch an plastischen Prozessen. Auf diese Seite des Sauerstoffs haben bereits 1897 unser herausragender Landsmann A. N. Bach und der deutsche Wissenschaftler K. Engler hingewiesen, die die Position „zur langsamen Oxidation von Substanzen mit aktiviertem Sauerstoff“ entwickelten. Diese Bestimmungen blieben lange Zeit in Vergessenheit, da sich die Forscher zu sehr für das Problem der Beteiligung von Sauerstoff an Energiereaktionen interessierten. Erst in den 60er Jahren unseres Jahrhunderts wurde erneut die Frage nach der Rolle von Sauerstoff bei der Oxidation vieler natürlicher und fremder Verbindungen aufgeworfen. Wie sich herausstellte, hat dieser Prozess nichts mit der Energieerzeugung zu tun.

Das Hauptorgan, das Sauerstoff nutzt, um ihn in das Molekül der oxidierten Substanz einzuführen, ist die Leber. In Leberzellen werden auf diese Weise viele Fremdstoffe neutralisiert. Und wenn die Leber zu Recht als Labor zur Neutralisierung von Medikamenten und Giften bezeichnet wird, dann wird dem Sauerstoff in diesem Prozess ein sehr ehrenvoller (wenn nicht sogar dominanter) Platz eingeräumt.

Kurz über die Lokalisierung und Gestaltung des Sauerstoffverbrauchsgeräts für plastische Zwecke. In den Membranen des endoplasmatischen Retikulums, das das Zytoplasma von Leberzellen durchdringt, befindet sich eine kurze Elektronentransportkette. Es unterscheidet sich von einer langen Atmungskette (mit einer großen Anzahl von Trägern). Die Quelle der Elektronen und Protonen in dieser Kette ist reduziertes NADP, das im Zytoplasma beispielsweise bei der Oxidation von Glucose im Pentosephosphatzyklus entsteht (daher kann Glucose als vollwertiger Partner bei der Entgiftung von Stoffen bezeichnet werden). Elektronen und Protonen werden auf ein spezielles Flavin enthaltendes Protein (FAD) und von dort auf die letzte Verbindung übertragen – ein spezielles Cytochrom namens Cytochrom P-450. Es ist wie Hämoglobin und mitochondriale Cytochrome ein Häm-haltiges Protein. Seine Funktion ist zweifach: Es bindet die oxidierte Substanz und ist an der Aktivierung von Sauerstoff beteiligt. Das Endergebnis ist so komplexe Funktion Cytochrom P-450 drückt sich darin aus, dass ein Sauerstoffatom in das Molekül der oxidierten Substanz eindringt, das zweite in das Wassermolekül. Die Unterschiede zwischen den letzten Akten des Sauerstoffverbrauchs während der Energiebildung in Mitochondrien und während der Oxidation von Substanzen im endoplasmatischen Retikulum sind offensichtlich. Im ersten Fall wird Sauerstoff zur Bildung von Wasser verwendet, im zweiten Fall zur Bildung von Wasser und einem oxidierten Substrat. Der Anteil des im Körper für plastische Zwecke verbrauchten Sauerstoffs kann 10-30 % betragen (abhängig von den Bedingungen für den günstigen Ablauf dieser Reaktionen).

Es ist sinnlos, die Frage (auch rein theoretisch) nach der Möglichkeit des Ersatzes von Sauerstoff durch andere Elemente zu stellen. Wenn man bedenkt, dass dieser Weg der Sauerstoffverwertung auch für den Austausch der wichtigsten natürlichen Verbindungen – Cholesterin, Gallensäuren, Steroidhormone – notwendig ist, ist es leicht zu verstehen, wie weit die Funktionen von Sauerstoff reichen. Es stellt sich heraus, dass es die Bildung einer Reihe wichtiger körpereigener Verbindungen und die Entgiftung von Fremdstoffen (oder, wie sie heute genannt werden, Xenobiotika) reguliert.

Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Enzymsystem des endoplasmatischen Retikulums, das Sauerstoff zur Oxidation von Xenobiotika verwendet, einige Kosten verursacht, die wie folgt sind. Manchmal entsteht beim Einbringen von Sauerstoff in eine Substanz eine giftigere Verbindung als die ursprüngliche. In solchen Fällen fungiert Sauerstoff als Mittäter bei der Vergiftung des Körpers mit harmlosen Verbindungen. Solche Kosten nehmen beispielsweise eine gravierende Wendung, wenn aus Prokarzinogenen unter Beteiligung von Sauerstoff Karzinogene gebildet werden. Insbesondere der bekannte Bestandteil des Tabakrauchs, Benzopyren, der als krebserregend galt, erhält diese Eigenschaften tatsächlich, wenn er im Körper zu Oxybenzpyren oxidiert wird.

Die oben genannten Fakten zwingen uns, den enzymatischen Prozessen, bei denen Sauerstoff als Baustoff verwendet wird, große Aufmerksamkeit zu schenken. In manchen Fällen ist es notwendig, vorbeugende Maßnahmen gegen diese Art des Sauerstoffverbrauchs zu entwickeln. Diese Aufgabe ist sehr schwierig, aber man muss nach Ansätzen dafür suchen, um mit verschiedenen Techniken die regulierenden Kräfte des Sauerstoffs in die für den Körper notwendige Richtung zu lenken.

Letzteres ist besonders wichtig im Fall der Verwendung von Sauerstoff in einem so „unkontrollierten“ Prozess wie der Peroxidoxidation (oder Oxidation ungesättigter Fettsäuren durch freie Radikale). Ungesättigte Fettsäuren sind Bestandteil verschiedener Lipide biologische Membranen. Die Architektur von Membranen, ihre Permeabilität und die Funktionen der in den Membranen enthaltenen enzymatischen Proteine ​​werden maßgeblich durch das Verhältnis verschiedener Lipide bestimmt. Die Lipidperoxidation erfolgt entweder mit Hilfe von Enzymen oder ohne diese. Die zweite Option unterscheidet sich nicht von der Oxidation von Lipiden durch freie Radikale in herkömmlichen chemischen Systemen und erfordert die Anwesenheit von Ascorbinsäure. Die Beteiligung von Sauerstoff an der Lipidperoxidation ist natürlich nicht die beste Möglichkeit, seine wertvollen biologischen Eigenschaften zu nutzen. Der freie Radikalcharakter dieses Prozesses, der durch zweiwertiges Eisen (das Zentrum der Radikalbildung) initiiert werden kann, führt dazu, dass er schnell zum Zerfall des Lipidrückgrats von Membranen und damit zum Zelltod führt.

Unter natürlichen Bedingungen kommt es jedoch nicht zu einer solchen Katastrophe. Zellen enthalten natürliche Antioxidantien (Vitamin E, Selen, einige Hormone), die die Kette der Lipidperoxidation unterbrechen und so die Bildung freier Radikale verhindern. Dennoch hat der Einsatz von Sauerstoff bei der Lipidperoxidation nach Ansicht einiger Forscher auch positive Aspekte. IN biologische Bedingungen Lipidperoxidation ist für die Selbsterneuerung der Membran notwendig, da Lipidperoxide wasserlöslichere Verbindungen sind und leichter von der Membran freigesetzt werden. Sie werden durch neue, hydrophobe Lipidmoleküle ersetzt. Nur die Überschreitung dieses Prozesses führt zum Zusammenbruch der Membranen und zu pathologischen Veränderungen im Körper.

Es ist Zeit, Bilanz zu ziehen. Sauerstoff ist also der wichtigste Regulator lebenswichtiger Prozesse und wird von den Körperzellen als notwendiger Bestandteil für die Energiebildung in der Atmungskette der Mitochondrien verwendet. Der Sauerstoffbedarf dieser Prozesse wird ungleich gedeckt und hängt von vielen Bedingungen ab (von der Leistung des Enzymsystems, der Fülle im Substrat und der Verfügbarkeit von Sauerstoff selbst), dennoch wird der Löwenanteil des Sauerstoffs für Energieprozesse aufgewendet. Somit werden der „existenzsichernde Lohn“ und die Funktionen einzelner Gewebe und Organe bei akutem Sauerstoffmangel durch die endogenen Sauerstoffreserven und die Leistung des sauerstofffreien Weges der Energiegewinnung bestimmt.

Nicht minder wichtig ist jedoch die Versorgung anderer Kunststoffprozesse mit Sauerstoff, auch wenn hierfür ein geringerer Teil davon verbraucht wird. Neben einer Reihe notwendiger natürlicher Synthesen (Cholesterin, Gallensäuren, Prostaglandine, Steroidhormone, biologisch aktive Produkte des Aminosäurestoffwechsels) ist die Anwesenheit von Sauerstoff insbesondere für die Neutralisierung von Medikamenten und Giften notwendig. Im Falle einer Vergiftung durch Fremdstoffe kann man vielleicht davon ausgehen, dass Sauerstoff für Kunststoffe von größerer lebenswichtiger Bedeutung ist als für Energiezwecke. Im Falle einer Vergiftung ist diese Seite der Aktion genau praktischer Nutzen. Und nur in einem Fall muss der Arzt darüber nachdenken, wie er den Sauerstoffverbrauch in den Zellen unterbinden kann. Wir sprechen von einer Hemmung der Verwendung von Sauerstoff bei der Lipidperoxidation.

Wie wir sehen, ist die Kenntnis der Eigenschaften der Zufuhr und der Wege des Sauerstoffverbrauchs im Körper der Schlüssel zur Aufklärung der Störungen, die bei verschiedenen Arten von hypoxischen Zuständen auftreten, und zur richtigen Taktik für den therapeutischen Einsatz von Sauerstoff in der Klinik .

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BEDARF AN SAUERSTOFF UND SEINEN RESERVEN IM KÖRPER

A. M. Charny,
„Patophysiologie hypoxischer Zustände.“
Medgiz, M., 1961

Mit geringfügigen Abkürzungen veröffentlicht.

Die Bedeutung von Sauerstoff für die Erhaltung des Lebens im Körper ist unbestreitbar. Wenn wir die für das Leben des Körpers lebenswichtigen Inhaltsstoffe Wasser, Nährstoffe und Sauerstoff vergleichen, stellt sich heraus, dass ein Zusammenbruch des Sauerstoffhaushalts in einem der Verbindungen am schnellsten zum Tod führt. Im menschlichen Körper als am höchsten organisierter Lebensform hängt die Funktionsfähigkeit lebenswichtiger Organe maßgeblich von ihrer direkten Sauerstoffversorgung ab. Daher kann davon ausgegangen werden, dass jede pathologische Erkrankung in engem Zusammenhang mit Störungen im Sauerstoffhaushalt des Körpers steht.
Der Begriff „Sauerstoffhaushalt“ umfasst die gesamte Bandbreite von Fragen rund um den Sauerstoffbedarf des Körpers, die Gesetze des Eindringens von Sauerstoff in Zellen und Körperflüssigkeiten, seinen Transport durch das Kreislaufsystem und den Mechanismus seiner Verwendung im Gewebe. Es wurden bestimmte quantitative Zusammenhänge zwischen dem Sauerstoffverbrauch und der Energieproduktion im Körper festgestellt. Die Energiebasis des Körpers ist die ständige Oxidation von Nährstoffen. Unter den Bedingungen der Proteinernährung erzeugt die Aufnahme von 1 Liter Sauerstoff 4,48 kcal, bei der Aufnahme von Fett 4,69 kcal und bei ausschließlich kohlenhydrathaltiger Nahrung 5,05 kcal Wärme. Der Verbrauch von 1 Liter Sauerstoff unter gemischten Ernährungsbedingungen geht mit der Bildung von 4,8 kcal Wärme einher.
... So verbraucht ein ruhender Mensch mit minimalem Gasaustausch etwa 250 ml Sauerstoff pro Minute. Gleichzeitig entstehen etwa 200 ml Kohlendioxid. Bei schwerer Muskelarbeit erhöht sich der Sauerstoffverbrauch um das Zehnfache oder mehr, was etwa 2500–3000 ml Sauerstoff pro Minute entspricht. Diese Position wird durch Daten bestätigt, die aus der Untersuchung einzelner Organe in Ruhe und bei intensiver Aktivität gewonnen wurden.
... Bei anstrengender Aktivität steigt der Sauerstoffverbrauch deutlich an.
Die Sauerstoffreserven im menschlichen Körper sind äußerst gering; Sie können für 5-6 Minuten lebenslang ausreichen.
... Nach Barcrofts Berechnungen beträgt die Blutmenge eines Wals etwa 8.000 Liter bei einem Gesamtgewicht von 122.000 kg. Daraus folgt, dass die quantitativen Zusammenhänge zwischen Körpergewicht und Blutvolumen beim Wal in etwa in der gleichen Größenordnung liegen wie beim Menschen. Die gleichen Verhältnisse bestehen im Körper anderer tauchender Tiere (Robbe). Ein Vergleich der Sauerstoffreserven im menschlichen Körper und bei tauchenden Tieren zeigt deutlich, wie unbedeutend diese Reserven bei Menschen und tauchenden Tieren sind. Aufgrund der geringen Stoffwechselrate ist ein längerer Aufenthalt tauchender Tiere unter Wasser ohne Zugang zu Luftsauerstoff und mit geringen Reserven davon im Körper möglich. Die sehr geringen Sauerstoffreserven eines Menschen sättigen ihn vollkommen physiologische Bedürfnisse Vorbehaltlich einer ständigen Ergänzung dieser Zufuhr durch Außenluft. Dies geschieht durch die Regulierung der Sauerstoffzufuhr zum Körper und den Abtransport von Kohlendioxid, was automatisch und mit hoher Geschwindigkeit erfolgt. Die Voraussetzungen dafür wurden vermutlich in einem bestimmten Entwicklungsstadium des Körpers geschaffen und führten dazu, dass das für den Körper lebenswichtige Gas leicht vom Blut aufgenommen und schnell an das Gewebe abgegeben wurde. Diese Bedingungen sind: physikalische Eigenschaften und die Gesetze des Eindringens von Sauerstoff in Zellen und Körperflüssigkeiten, den Sauerstofftransport durch das Kreislaufsystem und den Mechanismus der Sauerstoffverwendung in Geweben.

Grundlegende physikalische Eigenschaften von Sauerstoff und die Gesetze seines Eindringens in Körperflüssigkeiten

Der Stoffwechsel im tierischen Organismus erfolgt so, dass es sich nicht nur um dichte und flüssige Stoffe, sondern auch um gasförmige Stoffe handelt. Die Wahrnehmung von Sauerstoff durch den Körper und die Freisetzung eines gasförmigen Stoffwechselprodukts, Kohlendioxid, wird als Gasaustausch bezeichnet. Der Hauptweg für die Übertragung von Sauerstoff von der Lunge zu den Geweben und den Transport von Kohlendioxid ist das Kreislaufsystem. In diesem Zusammenhang erscheint es wichtig herauszufinden, in welchen Mengen und in welcher Form diese Gase im Blut und im Gewebe vorkommen.
Im Blut und im Gewebe des Körpers befinden sich etwa 20 Liter Kohlendioxid, 1 Liter Sauerstoff und 1 Liter Stickstoff. Nach dem Gesetz von Dalton hängt der Gasdruck in einer Mischung nicht vom Gehalt anderer Komponenten in der Mischung ab und ist gleich dem Druck, den diese Gasmenge ausüben würde, wenn sie allein ein bestimmtes Volumen einnehmen würde. Dieser Druck wird Partialdruck des Gases genannt.
Der Sauerstoffpartialdruck in den Zellen, im Blut und in den Körperflüssigkeiten ist ein wichtiger Faktor für seine normale Funktion. Der Sauerstoffpartialdruck in Zellen ist der intrazelluläre Gasdruck, in Gewebeflüssigkeit und Lymphe ist er extrazellulär. Campbell zeigte mit der Methode der Gasblasenbildung, dass für jedes Volumen eines gegebenen Gases in einem begrenzten Hohlraum nach dem Ausgleich unter Ruhebedingungen sein Partialdruck konstant bleibt. Die Sauerstoffversorgung des Körpers erfolgt über die Atemwege, das Blut und das Gewebe. Hinsichtlich Atmungssystem, dann unterliegt hier die Sauerstoffversorgung den Gesetzen der Gaspenetration durch Membranen und ihrer Diffusion in Flüssigkeiten.

DIFFUSION VON SAUERSTOFF DURCH DIE LUNGENMEMBRAN

Ein wesentlicher Faktor für den Gasaustausch zwischen Blut und Luft ist die Größe der Atemoberfläche und die Dicke der Gewebeschicht zwischen Lungenkapillaren und Alveolen.
Abbey (1880) gab an, dass die Atemfläche der Lunge 80 m2 beträgt und der Durchmesser der kollabierten Alveolen 0,2 mm beträgt.
Der von Zuntz angegebene Wert der Atemfläche der Lunge unter Berücksichtigung des Luftgehalts in den Lungenbläschen, des Durchmessers der Lungenbläschen (0,2 mm) und ihrer Oberfläche (0,126 cm2), vorausgesetzt, es gibt etwa 725 Millionen Alveolen in der menschlichen Lunge beträgt 90 m2.
Bohr ging bei der Berechnung der Lungenoberfläche anders vor. Als Invasionskoeffizient bezeichnete er die Gasmenge, die bei einem Druck von 760 mm Hg in 1 Minute 1 cm2 Oberfläche durchdringt.
... Die Dicke der Wand, die die Alveolarhöhle von der Kapillarhöhle trennt, beträgt nach übereinstimmenden Angaben zahlreicher Forscher 0,004 mm. Später stellte sich heraus, dass die Absorption von Gasen durch Flüssigkeit, Molekulargewicht, Masse einzelner Gasmoleküle, Druck auf die Grenzschichten der Flüssigkeit, Dicke der Flüssigkeitsschicht usw. für die Diffusion von Gasen wichtig sind.
Die von einer Volumeneinheit Flüssigkeit bei Atmosphärendruck absorbierte Gasmenge wird als Bunsen-Absorptionskoeffizient (a) bezeichnet. Stefan führte das Konzept des Diffusionskoeffizienten (K) ein – eine Konstante, die von der Art des diffundierenden Gases, der Flüssigkeit und der Temperatur abhängt.
... Somit ist die Gasdiffusionsgeschwindigkeit direkt proportional zum Absorptionskoeffizienten, dem Druckunterschied des diffundierenden Gases auf beiden Seiten der Flüssigkeit, der Diffusionskonstante und umgekehrt proportional zum Luftdruck und der Dicke der Trennwand . Levy und Zuntz schlugen vor, den Diffusionsfaktor (C) anstelle des Diffusionskoeffizienten zu berücksichtigen. Letzteres (auf der Grundlage, dass der Diffusionskoeffizient proportional zur Quadratwurzel von ist Molekulargewicht) ergibt sich aus dem Diffusionskoeffizienten, multipliziert mit Quadratwurzel aus dem Molekulargewicht des Gases.
... Nachfolgende Experimente von Levy und Zuntz zeigten, dass die Diffusion durch Lungengewebe zweimal schneller erfolgt als durch Wasser. Exner erklärt dies mit dem Vorhandensein einer Lipoidmembran. Somit stellte sich heraus, dass der Diffusionsfaktor für die Lunge 0,139 statt 0,065 für Wasser betragen würde.
Anhand der verfügbaren Daten lässt sich berechnen, wie viel Sauerstoff pro Minute bei normalen Atembewegungen durch 1 cm2 der Alveolarwand und damit durch die normale menschliche Lunge eindringen kann.
... 90 x 10000 x 0,006756 = 6080 ml Sauerstoff durchdringen pro Minute die gesamte Lungenoberfläche (90 m2). Somit ermöglicht die Struktur der Lunge, dass etwa 6080 ml Sauerstoff pro Minute in das Blut eindringen. Wenn man bedenkt, dass der Sauerstoffverbrauch eines Erwachsenen in Ruhe 250 ml pro Minute beträgt und bei intensiver Muskelarbeit etwa 3000-4000 ml beträgt, können wir daraus schließen, dass der Körper über die Lunge mit Sauerstoff im Übermaß versorgt wird.
Diese Daten lassen den Schluss zu, dass die intensivste Arbeit durch eine angemessene Sauerstoffzufuhr gewährleistet werden kann und dass unter pathologischen Bedingungen, die mit dem Ausschluss eines großen Teils der Lungenoberfläche von der Atmung verbunden sind, die Sauerstoffzufuhr zum Körper aufrechterhalten werden kann Eine normale Lebensaktivität in Ruhe ist völlig ausreichend.

GASDRUCK IN DEN LUNGENALVEOLEN

Der Gasdruck in Zellen und Körperflüssigkeiten ist ein wichtiger Faktor für deren normale Funktion. Um die Prozesse des Eindringens von Gasen aus der Luft der Lungenbläschen in das Blut und zurück zu verstehen, ist es notwendig, den Druck diffundierender Gase zu kennen.
Die eingeatmete Luft wird auf dem Weg zu den Alveolen teilweise in den oberen Atemwegen zurückgehalten und nimmt daher nicht vollständig am in den Alveolen ablaufenden Atmungsprozess teil. Der Weg von der Nasenhöhle zu den Alveolen wird als Schadraum bezeichnet. Das Volumen dieses Raums beträgt bei einem Erwachsenen unter normalen Bedingungen nach allgemein anerkannten Daten etwa 150 ml. Mit der Bestimmung verbunden ist die Bestimmung des O2-Drucks in der Luft der Lungenbläschen Gaszusammensetzung Alveolarluft. Die Schwierigkeit, genaue Daten zu erhalten, liegt darin, dass Luft aus dem Schadraum ständig mit der Alveolarluft vermischt wird, deren Volumen beträgt unterschiedliche Bedingungen Maximale und tiefe Atmung variieren stark und erreichen im letzteren Fall 400–600 ml. Daher sind die von verschiedenen Autoren bei der Untersuchung der Alveolarluft unter Berücksichtigung des schädlichen Raums gewonnenen Daten unterschiedlich. In der Regel wird empfohlen, am Ende der Exspiration nach einem kurzen Atemimpuls einen Alveolarluftblitz zur Analyse zu entnehmen.
...Der Sauerstoffpartialdruck in der Alveolarluft hängt also vom barometrischen Druck, der Art und dem Volumen der Lungenventilation sowie der Geschwindigkeit der Sauerstoffdiffusion in das Blut ab und beträgt nach Ansicht der meisten Forscher 106-107 mmHg.

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Um die Lebenserhaltung sicherzustellen Jeder lebende Organismus muss ständig einen bestimmten Stoffwechsel sowohl zwischen Organen und Geweben im Körper als auch mit der äußeren Umgebung aufrechterhalten. Der Körper erhält Nährstoffe aus der äußeren Umgebung, die er teilweise in sein eigenes Gewebe umwandelt. Außenumgebung Gibt Abfallprodukte ab, die für den Körper unnötig oder sogar schädlich sind. Somit bestimmt das Vorhandensein des Stoffwechsels die eigentliche Lebensweise des Organismus.
Um den Stoffwechsel sicherzustellen Energie wird benötigt. Im Körper höherer Tiere entsteht Energie durch komplexe biochemische Reaktionen, deren Grundlage Oxidationsprozesse sind.

Hauptsächlich Substrat Kohlenhydrate, die oxidiert werden. Der Anteil von Kohlenhydraten als Substrat zur Energiegewinnung neben anderen Stoffen beträgt mehr als 80 %. Am Oxidationsprozess sind auch Fettsäuren und Aminosäuren beteiligt.

Das einzige Oxidationsmittel ist Sauerstoff (aerobe Glykolyse). Bei Sauerstoffmangel beginnt ein älterer Energieerzeugungsmechanismus zu funktionieren – die anaerobe Glykolyse, deren Effizienz 18-mal geringer ist.
Im Prozess des Komplexes biochemische Umwandlungen der Materie, die an Stoffwechselprozessen beteiligt sind, werden hauptsächlich in Kohlendioxid (Kohlendioxid) und Harnstoff zerlegt, die von den entsprechenden Organen aus dem Körper entfernt werden. IN gesunder Körper Dieser oxidative Prozess geht mit der Freisetzung von Energie in Höhe von ca. 3000-3500 Kcal einher.

Seit der Energiegewinnung Ist eines der wichtigsten Kriterien für die Vitalaktivität des Körpers, kann die ständige Kontrolle (Überwachung) dieses Parameters ein wesentlicher Faktor für die Informationsgewinnung sein. Die Energieaufzeichnung ist besonders relevant bei Patienten in kritischem Zustand während der Reanimation und Intensivpflege.
Das Hauptproblem Um den Stoffwechsel aufrechtzuerhalten, ist Sauerstoff ein Problem, denn Seine Reserven sind so unbedeutend, dass der Körper nur wenige Minuten lang funktionieren kann.

Inhalt Sauerstoff im Blut beträgt beim Einatmen atmosphärischer Luft 850 ml, beim Einatmen von 100 % Sauerstoff 950 ml. Die Sauerstoffreserven in der Lunge sind in ihrer funktionellen Residualkapazität (FRC) enthalten und betragen beim Einatmen von Luft 450 ml und beim Einatmen von 100 % Sauerstoff 3000 ml. In geringen Mengen (250-300 ml) ist Sauerstoff in gelöstem oder gebundenem Zustand im Gewebe enthalten. Somit betragen die gesamten Sauerstoffreserven im Körper bei der Atmung von Luft etwa 1,5 Liter und bei der Atmung von 100 % Sauerstoff etwas mehr als vier Liter.

In Anbetracht dessen in Ruhe, die ein Mensch verbraucht Etwa 250 ml Sauerstoff pro Minute, und bei körperlicher Aktivität und verschiedenen pathologischen Zuständen steigt der O2-Verbrauch um ein Vielfaches, es wird deutlich, dass die Sauerstoffreserven möglicherweise nicht länger als 5-6 Minuten reichen.
Deshalb im Prozess Im Laufe der Evolution höherer Organismen entstanden Organsysteme, die eine kontinuierliche Sauerstoffversorgung des Körpers gewährleisten sollten.

Das ist in erster Linie ein System. Blut, bei dem sich Sauerstoff als Lösung im Plasma anreichert und sich chemisch mit Hämoglobin verbindet.
Das ist das System Atmungsorgane (Mundhöhle, Rachen, Kehlkopf, Luftröhre, Bronchien und Lunge), in denen der Übergang von Sauerstoff aus der Außenumgebung in das Blut und Kohlendioxid aus dem Blut in die Außenumgebung stattfindet (Gasaustausch).
Das ist das System Kreislauforgane, das den Transport von Sauerstoff zu Organen und Geweben und den Abtransport von Kohlendioxid gewährleistet.