Menschliche (Blut)zellen, die sogenannten Erythrocyten enthalten bis zu 30% ihrer Masse den sogenannten Blutfarbstoff “Hämoglobin”. Dieses Hämoglobin ist verantwortlich für den Sauerstoff-Transport im menschlichen Organismus. Das Hämoglobin besteht aus vier Globinmolekülen, in das je ein Häm-“Molekül”. Häm besteht aus einem Eisen(II)-Ion, dass das Zentrum der Verbindung bildet. Um das Eisen-Ion herum befindet sich ein Porphyrin-Ringsystem, das mit dem Eisen-Ion über vier Bindungsstellen eine “bindende Wechselwirkung” eingeht. Da das Häm noch über eine 5. und 6. Bindungsstelle verfügt, bindet die 5. Stelle das Häm mit dem Globin und die 6. Bindungsstelle bindet den Sauerstoff.
Da die Erythrocyten nur eine Lebensdauer von ca. 3 Monaten haben (dann werden sie in der Leber abgebaut), müssen ständig neue Erythrocyten nachgebildet werden. Diese Bildung der roten Blutzellen erfolgt im Knochenmark, wobei etwa 2 Millionen Blutzellen pro Sekunde gebildet werden.
Wie wichtig die Erythrocyten für den Sauerstoff -Transport im menschlichen Organismus sind, zeigt sich durch folgenden Vergleich: Ein Liter Blutserum (ohne rote Blutzellen) kann ca. 2 – 3 cm³ Sauerstoff lösen. Ein Liter Blut, das rote Blutzellen beinhaltet, kann bis zu 200 cm³ Sauerstoff “aufnehmen”.
Luft wird über die Atmungsorgane aufgenommen und gelangt so in die Lungen. Dabei nimmt ein Flüssigkeitsfilm auf der Lungenoberfläche Luftsauerstoff auf. Dabei wird umso mehr Luftsauerstoff aufgenommen, je höher der Partialdruck an Sauerstoff in den Lugenbläschen (den sogenannten Alveolen) ist.
Der Sauerstoff diffundiert passiv (d.h. aufgrund eines Konzentrationsgefälles) durch die Zellwände der Lungenbläschen. Da die Diffusion aufgrund des Konzentrationsgefälles erfolgt, gilt: Je größer der Konzentrationsunterschied an Sauerstoff zwischen Blut und Atemluft in den Lungen ist, desto mehr Sauerstoff aufgenommen werden. Daher könnte der menschliche Organismus theoretisch so viel Sauerstoff aus der Atemkluft aufnehmen, wie es dem Partialdruck von Sauerstoff in Luft entspricht (ca. 21 Volumenprozent). Da aber immer eine Rest-(Atem)-Luft in den Lungenbläßchen vorhanden ist, ist der Sauerstoff-Partialdruck in den Lungenbläschen wesentlich geringer als in der normalen Luft. Durch die ständige Atembewegung wird zwar ständig Luftsauerstoff in die Lungenbläschen nachgeführt, führt aber auch nicht dazu, dass der Sauerstoff-Partialdruck in den Lungen 21% erreicht.
Nachdem der Sauerstoff durch die Lungenbläschen diffundiert ist, wird der Sauerstoff an das Hämoglobin der roten Blutzellen gebunden. Anschließend wird dieses sauerstoff-reiche Blut durch den Körper transportiert. Die Regulation des Sauerstoff-Transportes im Blut erfolgt durch die Atem- und Herzfrequenz. Dadurch können die Konzentration von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid konstant gehalten werden.
Ist das sauerstoffreiche Hämoglobin in den Gewebezellen (vor allem Muskelzellen) angekommen, gibt es den Sauerstoff an das Myoglobin ab. Das Myoglobin ist ähnlich wie das Hämoglobin aufgebaut, nur besteht das Myoglobin aus einer Untereinheit und nicht aus vier Untereinheiten (wie das Hämoglobin). Die Abgabe des Sauerstoffs (von dem Hämoglobin) ist bedingt durch den niedrigeren Sauerstoff-Partialdruck in den Gewebezellen.
Wie eingangs erwähnt, ist die Sauerstoff-Aufnahme abhängig von dem Partialdruck des Sauerstoffs in der Atemluft bzw. Luft in den Lungenbläßchen. Dies kann man anhand einer Sauerstoffbindungskurve sehen. Die Abhängigkeit der Sauerstoff-Sättigung des Hämoglobins und des Sauerstoff-Partialdrucks lässt sich hierbei gut zeigen.
In der Lunge liegt ein Sauerstoff-Partialdruck von 130 – 150 hPa vor. Bei diesem Partialdruck ist das Hämoglobin fast vollständig mit Sauerstoff gebunden. In den Geweben hingegen liegt ein Sauerstoff-Partialdruck von 40 – 60 hPa vor, aufgrund des Sauerstoffverbrauchs in den Gewebezellen. Bei einem Sauerstoff-Partialdruck in der Umgebung von 50 hPa beträgt die Sauerstoff-Sättigung des Hämoglobins nur noch 60%. Daher hat das Hämoglobin bei diesen Bedingungen bereits bis zu 40% des gebundenen Sauerstoffs abgegeben.
Dadurch lässt sich auch erklären, warum Bergsteiger auf hohen Gebirgen ein Atemgerät benötigen. Nehmen wir hierzu das Beispiel Mount Everest. Auf dem Erdboden herrscht ein Normaldruck von ca. 1000 hPa. Auf dem Mount Everest sind es nur noch 300 hPa (weniger Gewichtskraft, dass auf die Luft wirkt). Der Luftanteil (Partialdruck) beträgt 21% bzw. 210 hPa in der Nähe des Erdbodens. Auf dem Mount Everest betragen diese 21% allerdings nur noch knapp 60 hPa. Dies erklärt, warum nicht mehr genügend Sauerstoff in der Lungenbläschen mehr durch diffundieren kann.
Die Rolle von Sauerstoff im menschlichen Körper ist für die Energieproduktion. Sauerstoff wird in den Mitochondrien unserer Zellen zur Erzeugung von ATP verwendet, der universellen Energiequelle des Körpers.
Die Zellatmung ist ein Prozess, bei dem Glucose und Sauerstoff zu CO2, Wasser und ATP abgebaut werden. Sauerstoff dient dabei als eine Art “Endakzeptor” für Elektronen und Protonen, die während dieses Prozesses freigesetzt werden.
Wenn unsere Zellen nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung haben, um die ATP-Produktion fortzusetzen, wechseln sie zu einem Prozess namens Anaerobe Glykolyse. Dieser Prozess produziert jedoch nicht so viel ATP und erzeugt Laktat als Nebenprodukt, was zu Muskelschmerzen führen kann.
Unter Hypoxie versteht man eine abnorm niedrige Konzentration von Sauerstoff im Körper. Sie kann zu Schwindel, Kurzatmigkeit, schnellem Herzschlag und kognitiven Beeinträchtigungen führen.
Sauerstoff wird im Blut an ein Protein namens Hämoglobin gebunden, das in den roten Blutkörperchen vorhanden ist. Dieses lässt Blut rot erscheinen, wenn es Sauerstoff gebunden hat.
Der Bohr-Effekt beschreibt, wie der Sauerstofftransport im Blut durch den pH-Wert und die CO2-Konzentration beeinflusst wird. Bei höheren CO2-Spiegeln und geringerem pH-Wert gibt das Hämoglobin leichter Sauerstoff ab.
Bei einer Sauerstoffvergiftung kann eine zu hohe Konzentration an Sauerstoff toxische Wirkung haben und Schäden in Gehirn, Lunge und Augen verursachen, da die ROS-Produktion (reaktive Sauerstoffspezies) erhöht ist. Man spricht von einer Oxidationsschädigung.
Sauerstoff gelangt durch Diffusion von den Blutgefäßen in die Zellen. Das heißt, er bewegt sich von einer Region hoher Konzentration, dem Blut, zu einer Region niedriger Konzentration, der Zelle.
Bei körperlicher Aktivität erhöht sich der Sauerstoffbedarf, da die Muskelzellen eine größere Menge an ATP produzieren müssen. Das erfordert mehr Sauerstoffverbrauch.
Die aerobe Schwelle ist der Punkt, an dem der Körper vom aeroben (Sauerstoffverbrauchenden) Stoffwechsel zum anaeroben (ohne Sauerstoffverbrauch) Stoffwechsel übergeht. Bei Überschreitung der aeroben Schwelle nimmt die Produktion von Laktat zu.