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äußere Atmung – Bedeutung von Sauerstoff 10:19 min

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Transkript äußere Atmung – Bedeutung von Sauerstoff

Hallo! Willkommen zum Video "Bedeutung des Sauerstoffs". In diesem Video lernst du, was man unter dem Luftdruck und dem Partialdruck versteht. Außerdem besprechen wir, was dieser mit dem Gasaustausch bei der Atmung zu tun hat. Du lernst auch, wie der Sauerstofftransport durch das Hämoglobin vom Partialdruck abhängt. Sicherlich hast du schon im Fernsehen Bergsteiger gesehen, die mit Gasflaschen oder unter großer körperlicher Anstrengung extrem hohe Gebirge besteigen. Hast du dich schon mal gefragt, wieso in extremen Höhen das Atmen schwerfällt? Die Zusammensetzung der Luft bleibt im Vergleich zum Flachland gleich. Wir finden in unsere Atemluft etwa 78 Prozent gasförmigen Stickstoff (N2), 21 Prozent Sauerstoff (O2), 0,93 Prozent Argon (Ar), 0,04 Prozent Kohlenstoffdioxid (CO2) vor. Wieso fällt das Klettern in extremen Höhen trotzdem schwer? Es liegt am Luftdruck. Der Luftdruck ändert sich mit der Höhe. Er kann mit einem Barometer gemessen werden. Als Einheit wird unter Anderem Hektopascal (hPa) benutzt. In Meereshöhe beträgt er 1013 Hektopascal. Auf dem höchsten Berg der Erde, dem Mount Everest, beträgt er nur noch 305 Hektopascal, also nur noch ein Drittel. Der Luftdruck nimmt also mit zunehmender Höhe ab. Mit sinkendem Luftdruck sinkt auch die Sauerstoffmenge im Luftvolumen. Somit ist auch die Sauerstoffmenge auf dem Mount Everest nur noch ein Drittel so groß wie in Meereshöhe. Jedes Gas hat einen bestimmten Partialdruck. Man kann auch Teildruck sagen. Der Partialdruck ist der Druck, der in einem Gasgemisch einer einzelnen Gaskomponente zugeordnet werden kann. Sauerstoff hat in Meereshöhe einen Partialdruck von etwa 213 Hektopascal, auf dem Mount Everest nur noch 64 Hektopascal. Da Sauerstoff in extremer Höhe in einer niedrigeren Menge vorliegt, spricht man auch von dünner Luft und man kommt leichter außer Atem. Der Partialdruck ist auch ein Maß für die Konzentration eines in Flüssigkeit gelösten Gases. Zum Beispiel: Der Sauerstoffpartialdruck ist die Konzentration des im Blut gelösten Sauerstoffs. Das entsprechende gilt für den Kohlenstoffdioxidpartialdruck. In der Biologie sind vor allem der Sauerstoff- und der Kohlenstoffdioxidpartialdruck von großer Bedeutung. Was hat dieser also mit dem Gasaustausch in unseren Lungen zu tun? Du kennst bereits den Aufbau der Lungen. Bei Säugern ändern die Bronchiolen in 0,2 Millimeter kleinen Luftbläschen, den Alveolen. Sie sind von einem feinen Netz aus Kapillaren umgeben, durch die Blut fließt. Gucken wir uns den Vorgang in einem Lungenbläschen, also in einer Alveole, etwas näher an. Die innere Lungenoberfläche ist mit einem Flüssigkeitsfilm umgeben. Dies soll eine Kapillare darstellen. Beim Einatmen gelangt frische Luft in die Lungen. Der Sauerstoff diffundiert passiv durch die Wand der Alveole in das Blut. Der Grund dieser Diffusion ist der Konzentrationsunterschied zwischen der Atemluft und Blut in der Kapillare. Man spricht auch von einem Konzentrationsgefälle. Das heißt, der Sauerstoff diffundiert vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration. Je größer der Konzentrationsunterschied, desto schneller erfolgt die Diffusion und desto mehr Sauerstoff gelangt ins Blut. Du hast in diesem Video bereits gelernt, dass der Partialdruck ein Maß für die Konzentration eines in Flüssigkeit gelösten Gases ist. Beachte: Wie wir im Video bereits besprochen haben, gilt der Ausdruck Partialdruck nicht nur in Flüssigkeit, sondern entspricht auch dem Teildruck eines Gases. Man kann also schlussfolgern: Je höher der Partialdruck in der Luft in den Alveolen, desto mehr Gas wird vom Flüssigkeitsfilm auf der inneren Lungenoberfläche aufgenommen. Also je höher der Sauerstoffpartialdruck in der Luft, desto mehr Sauerstoff gelangt ins Blut. Wie schaut es mit dem Kohlenstoffdioxid aus? Die Konzentration des Kohlenstoffdioxids ist im Blut höher als in der Alveole. Kohlenstoffdioxid diffundiert entlang des Konzentrationsgefälles aus dem Blut in die Alveole. Die Konzentrationen oder besser gesagt, die Partialdrücke der einzelnen Gase, werden während des Atemvorgangs verändert. In der einen Atmungsluft beträgt der Sauerstoffpartialdruck, abgekürzt PO2, 213 Hektopascal. Der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid beträgt 0,4 Hektopascal. In der Ausatmungsluft beträgt der Sauerstoffpartialdruck nur noch 153 Hektopascal. Er hat sich somit erniedrigt, da Sauerstoff aufgenommen und verbraucht wurde. Der Kohlenstoffdioxidpartialdruck beträgt in der Luft, die wir ausatmen, 44 Hektopascal. Er hat sich somit erhöht, da bei unserem Atmungsvorgang Kohlenstoffdioxid entsteht. Was passiert mit dem Sauerstoff, nachdem er in die Kapillare diffundiert ist? Die roten Blutzellen, auch Erythrozyten genannt, binden sofort den Sauerstoff und transportieren den Sauerstoff ab. Die Konzentration des Sauerstoffs wird in der Kapillare somit erniedrigt. Das erleichtert die weitere Diffusion. Ein Drittel der Masse der roten Blutzellen macht der Blutfarbstoff Hämoglobin aus. Hämoglobin ist das Trägermolekül, das für den Sauerstofftransport zuständig ist. Das Hämoglobin besteht aus vier Globin-Molekülen, die jeweils ein Häm aufweisen. So sieht dieses aus. Das Häm trägt im Zentrum ein Eisen(II)-Ion. Das Molekül weist mehrere Bindungsstellen auf. Eine dieser Bindungsstellen ist für die Sauerstoffbindung zuständig. Es handelt sich um eine reversible, also umkehrbare Bindung. Durch diesen Vorgang wird das dunkelrote Hämoglobin zum Oxyhämoglobin. Dieses weist eine hellrote Farbe auf. Sehen wir uns eine Sauerstoffbindungskurve an. Auf der einen Achse ist die prozentuale Sauerstoffsättigung des Hämoglobins aufgetragen. Auf der anderen Achse ist der Sauerstoffpartialdruck aufgetragen. Also die Kurve zeigt die Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins vom Sauerstoffpartialdruck. Mit zunehmendem Partialdruck wird Hämoglobin effektiver mit Sauerstoff beladen. In der Lunge herrscht ein Sauerstoffpartialdruck von 130 Hektopascal. Bei diesem Wert kann das Hämoglobin fast vollständig mit Sauerstoff beladen werden. Im Gewebe unseres Körpers herrscht aufgrund des Sauerstoffverbrauchs ein niedrigerer Partialdruck. Deshalb gilt: Je weiter das Blut durch die Arterien fließt, desto mehr Sauerstoff gibt es wieder ab. So kann Sauerstoff an Zellen abgegeben werden und die Versorgung mit Sauerstoff ist gesichert. Zusammenfassung: Du hast heute gelernt, was man unter dem Luftdruck und dem Partialdruck versteht. Du hast auch über den Gasaustausch gelernt. Je höher der Partialdruck in der Luft, desto mehr Gas wird aufgenommen. Du weißt jetzt auch, wie die Diffusion von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid abläuft. Es kommt zu einer Veränderung der Partialdrücke dieser Gase in der Einatmungsluft und Ausatmungsluft. Außerdem hast du gelernt, dass Erythrozyten Sauerstoff transportieren. Hierfür ist der Blutfarbstoff Hämoglobin zuständig, der über das Häm Sauerstoff bindet. Die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins ist vom Sauerstoffpartialdruck abhängig. Danke für deine Aufmerksamkeit! Tschüss, bis zum nächsten Video!

äußere Atmung – Bedeutung von Sauerstoff Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video äußere Atmung – Bedeutung von Sauerstoff kannst du es wiederholen und üben.

  • Vervollständige die Aussagen zur äußeren Atmung.

    Tipps

    Der Partialdruck beschreibt nicht nur Teildrucke in einem Gasgemisch, sondern auch die Konzentration eines in Flüssigkeit gelösten Gases.

    Wenn ein Stoff entlang des Konzentrationsgefälles wandert, dann wandert er von der Seite der hohen Konzentration zur Seite der niedrigen Konzentration – und zwar solange, bis die Konzentration auf beiden Seiten gleich ist. Diesen Vorgang nennt man Diffusion.

    Vereinfacht gesagt: Wenn auf einer Seite einer Wand 500 Menschen stehen und auf der anderen Seite nur 100 Menschen, dann müssen von den 500 Menschen so lange Menschen auf die andere Seite der Wand gehen, bis auf beiden Seiten gleich viele – also 300 – Menschen stehen.

    Lösung

    Die Luft setzt sich aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlenstoffdioxid zusammen.

    Der Partialdruck ist der Druck, der in einem Gasgemisch einer einzelnen Gaskomponente zugeordnet werden kann.

    Die Alveolen sind Lungenbläschen, in denen bei der Atmung der Gasaustausch zwischen Blut und Atemluft erfolgt.

    Das Konzentrationsgefälle beschreibt die unterschiedlich hohe Konzentration von Stoffen jenseits einer durchlässigen Membran.

    Die Diffusion ist die Vermischung von Stoffen mit dem Ziel, unterschiedliche Konzentrationen des Stoffes auszugleichen.

    Das Hämoglobin ist der rote Blutfarbstoff in den Erythrozyten und besteht aus vier Globinmolekülen, die je ein Häm aufweisen.

  • Stelle die unterschiedlichen Druckverhältnisse auf Meereshöhe und auf dem Mount Everest dar.

    Tipps

    Sauerstoffarme Luft wird umgangssprachlich auch als dünne Luft bezeichnet, in der das Atmen schwer fällt.

    Lösung

    Auf Meereshöhe: Hier ist der Luftdruck höher als in den Bergen und beträgt 1013 hPa. Die Luft ist außerdem sauerstoffreicher. Der Sauerstoffpartialdruck beträgt 213 hPa.

    Auf dem Mount Everest: Hier ist der Luftdruck niedriger als auf Meereshöhe. Er beträgt 305 hPa. Die Luft ist sauerstoffärmer als auf Meereshöhe. Der Sauerstoffpartialdruck beträgt 64 hPa.

  • Prüfe die Aussagen zu Sauerstofftransport und Sauerstoffsättigung.

    Tipps

    Je höher die Konzentration eines gelösten Stoffes auf einer Seite einer Membran ist, desto langsamer können weitere Stoffmoleküle von der anderen Seite herüber diffundieren.

    Lösung

    Stimmt!

    Sobald der Sauerstoff in die Kapillaren gelangt ist, wird er an die Erythrozyten gebunden und abtransportiert.

    Die Sauerstoffbindungskurve zeigt die Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins vom Sauerstoffpartialdruck.

    Die Sauerstoffsättigung gibt an, wie viel Prozent des gesamten Hämoglobins im Blut mit Sauerstoff beladen ist.

    Stimmt nicht!

    Je höher die Sauerstoffkonzentration in den Kapillaren ist, desto leichter kann der Sauerstoff von den Lungenbläschen dorthin diffundieren. (Richtig ist: Je geringer die Konzentration, desto leichter gelingt die Diffusion.)

    Mit abnehmendem Partialdruck wird Hämoglobin effektiver mit Sauerstoff beladen. (Richtig ist: Mit zunehmendem Partialdruck wird Hämoglobin effektiver mit Sauerstoff beladen.)

  • Setze die unterschiedlichen Partialdrücke von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid im Körper miteinander in Beziehung.

    Tipps

    Der Partialdruck gibt hier die Konzentration eines im Blut gelösten Stoffes an. Je höher der Partialdruck ist, desto höher ist die Konzentration des Stoffes.

    • pO$_2$ $\hat =$ Sauerstoffpartialdruck
    • pCO$_2$ $\hat =$ Kohlenstoffdioxidpartialdruck
    Lösung

    Sauerstoff:

    pO$_2$ beim Einatmen > pO$_2$ beim Ausatmen

    Erklärung: Der Partialdruck des Sauerstoffs der Ausatmungsluft ist also geringer als der Partialdruck des Sauerstoffs der Einatmungsluft, da Sauerstoff aufgenommen und verbraucht wurde.

    Kohlenstoffdioxid:

    pCO$_2$ beim Einatmen < pCO$_2$ beim Ausatmen

    Erklärung: Der pCO$_2$ der Ausatmungsluft ist also höher als der Kohlenstoffdioxid der Einatmungsluft, da bei der Ausatmung Kohlenstoffdioxid entsteht.

    Lunge und Gewebe:

    Der Partialdruck des Sauerstoffs in der Lunge beträgt 130 hPa. Er ist höher als der Partialdruck des Sauerstoffs im Gewebe, denn je weiter das Blut durch die Arterien fließt, desto mehr Sauerstoff gibt es an die Körperzellen ab.

  • Beschreibe den Gasautsausch zwischen Alveolen und Kapillaren bei der Atmung.

    Tipps

    Unsere Körperzellen benötigen Sauerstoff, um funktionieren zu können. Überlege dir, wohin Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidmoleküle diffundieren.

    Das Kohlenstoffdioxid, das wir ausatmen, benötigen die Pflanzen und Bäume zur Fotosynthese.

    Lösung

    Bei der Säugerlunge enden die Bronchiolen in kleinen Lungenbläschen. Diese heißen Alveolen und sind von einem kleinen Kapillarnetz umgeben, durch das Blut fließt.

    Beim Einatmen gelangt nun frischer Sauerstoff in die Lunge. Dieser diffundiert passiv durch die Wand der Alveolen ins Blut. Dort binden Erythrozyten an den Sauerstoff und transportieren ihn ab, sodass er in die Körperzellen gebracht werden kann.

    Da die Konzentration des Kohlenstoffdioxids im Blut höher ist als in der Alveole, diffundiert das Kohlenstoffdioxid entlang des Konzentrationsgefälles aus dem Blut in die Alveole. Es wird beim Ausatmen aus dem Körper ausgeschieden.

  • Ermittle, warum Taucher langsam auftauchen sollten.

    Tipps

    Was bei einem zu schnellen Auftauchen mit deiner Lunge passieren würde, kannst du mit einem Luftballon testen. Wenn du diesen unter Wasser mit in die Tiefe nimmst, zieht er sich immer weiter zusammen. Lässt du ihn ganz schnell wieder hochsteigen, dehnt er sich zu schnell wieder aus und platzt, bevor er die Wasseroberfläche erreicht hat.

    Lösung

    Je tiefer man taucht, desto größer wird der Wasserdruck. Die Lunge wird zusammengepresst und das Luftvolumen nimmt ab. Hat ein Taucher an der Wasseroberfläche sechs Liter Luft eingeatmet, beträgt das Volumen in zehn Metern Wassertiefe nur noch drei Liter. Beim Auftauchen dehnen sich Luft und Lunge aber wieder auf sechs Liter aus. Zu schnelles Auftauchen hat eine Überdehnung der Lunge zur Folge, wodurch Luft in den Blutkreislauf gepresst wird. Dies kann zu Lähmungen oder sogar zum Tod führen.

    Bei einem hohen Sauerstoffpartialdruck ist auch viel Sauerstoff an den roten Blutfarbstoff Hämoglobin gebunden. Neben dem Sauerstofftransport hat Hämoglobin noch eine weitere Aufgabe. Es soll auch Kohlenstoffdioxid aus den Zellen in die Lunge transportieren, damit es beim Ausatmen ausgeschieden werden kann. Wenn jedoch zu viel Sauerstoff am Hämoglobin gebunden ist, kann nicht mehr so viel Kohlenstoffdioxid abtransportiert werden. Dies kann zu Krämpfen führen.