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Das Herz-Kreislauf-System ist ein komplexes Netzwerk aus Herz, Blutgefäßen und Blut, das durch das Reizleitungssystem des Herzens gesteuert wird. Es unterteilt sich funktionell in ein Hoch- und ein Niederdrucksystem und sorgt über den Lungen- und Körperkreislauf für den Transport von Sauerstoff, Nährstoffen und Abfallprodukten. Das Herz mit seinen vier Klappen und der Scheidewand pumpt das Blut, dessen Volumen 5-6 Liter beträgt und aus Plasma und zellulären Bestandteilen (Erythrozyten, Leukozyten, Thrombozyten) besteht. Es erfüllt lebenswichtige Transport-, Abwehr-, Regulations- und Thermoregulationsfunktionen.
Das Herz-Kreislauf-System ist das logistische Netzwerk des Körpers. Es sorgt für die Homöostase (Aufrechterhaltung eines stabilen inneren Milieus), indem es jede Zelle mit lebensnotwendigen Stoffen versorgt und Abfallprodukte wie Kohlenstoffdioxid abtransportiert.
Das Herz selbst ist ein muskuläres Hohlorgan, das als Druck-Saug-Pumpe fungiert. Es ist in eine rechte und eine linke Hälfte unterteilt, die jeweils aus einem Vorhof (Atrium) und einer Kammer (Ventrikel) bestehen. Klappen zwischen diesen Räumen wirken wie Ventile und verhindern den Rückfluss des Blutes.
Das Herz ist kegelförmig, etwa 1,5-mal so groß wie die eigene Faust und wird durch die Herzscheidewand (Septum) in eine linke und eine rechte Hälfte geteilt. Das sauerstoffarme Blut aus dem Körperkreislauf gelangt über die obere und untere Hohlvene in den rechten Vorhof. Von dort fließt es durch die Trikuspidalklappe in die rechte Kammer und wird durch die Pulmonalklappe in die Lungenarterien gepumpt. Das sauerstoffreiche Blut aus der Lunge erreicht den linken Vorhof über die Pulmonalvenen, passiert die Mitralklappe in die linke Kammer und wird durch die Aortenklappe in die Aorta ausgeworfen. Trikuspidal- und Mitralklappe heißen Segelklappen, Pulmonal- und Aortenklappe Taschenklappen. Diese Klappen wirken als Ventile und verhindern den Rückfluss des Blutes.
Man unterscheidet zwei hintereinandergeschaltete Kreisläufe: Der Lungenkreislauf (kleiner Kreislauf) beginnt im rechten Ventrikel, führt das Blut zur Lunge zur Anreicherung mit Sauerstoff und endet im linken Atrium. Der Körperkreislauf (großer Kreislauf) beginnt im linken Ventrikel, versorgt den gesamten Körper und endet im rechten Atrium.
Im Lungenkreislauf gelangt sauerstoffarmes Blut aus dem rechten Ventrikel über die Pulmonalarterien in die Lunge. Dort findet in den Lungenbläschen (Alveolen) der Gasaustausch statt: Kohlenstoffdioxid wird abgegeben und Sauerstoff aufgenommen. Das nun sauerstoffreiche Blut fließt über die Pulmonalvenen zurück zum linken Vorhof. Grundsätzlich gilt: Arterien führen Blut immer vom Herzen weg, Venen immer zum Herzen hin – unabhängig vom Sauerstoffgehalt. Daher transportiert die Pulmonalarterie sauerstoffarmes und die Pulmonalvene sauerstoffreiches Blut.
Die rhythmische Pumpfunktion wird durch das Reizleitungssystem gesteuert, das aus spezialisierten Herzmuskelzellen besteht, die zur spontanen Depolarisation fähig sind. Der Sinusknoten im rechten Vorhof ist der primäre Taktgeber und erzeugt elektrische Impulse. Diese erregen den AV-Knoten (Atrioventrikularknoten) – die einzige elektrische Verbindung zwischen Vorhöfen und Kammern, gelegen in der Vorhofscheidewand. Von dort breitet sich die Erregung über das His-Bündel, die Tawara-Schenkel und die Purkinje-Fasern auf die Kammermuskulatur aus. Die Kontraktion der Herzkammern und die anschließende Austreibung des Blutes heißen Systole, die Erschlaffungs- und Füllungsphase Diastole. Die Dauer der Systole bleibt auch bei Belastung annähernd konstant, während sich die Diastole mit steigender Herzfrequenz verkürzt.
Die spontane Depolarisation im Sinusknoten entsteht durch den Einstrom von Kationen (Na+) über sogenannte Funny-Channels. Diese langsame Depolarisation öffnet spannungsabhängige Kalziumkanäle; der darauf folgende Kalziumeinstrom löst das Aktionspotential und die Kontraktion der Herzmuskelzellen aus. Die Herztätigkeit wird durch das vegetative Nervensystem moduliert: Der Sympathikus setzt Noradrenalin frei, das an Beta-1-Rezeptoren bindet und Herzfrequenz sowie Schlagkraft steigert. Beta-Blocker hemmen diese Rezeptoren und senken die Herzfrequenz. Der Parasympathikus wirkt über den Nervus vagus und den Botenstoff Acetylcholin senkend auf Herzfrequenz, Überleitungsgeschwindigkeit und Erregbarkeit.
Die Blutgefäße werden nach ihrer Flussrichtung definiert: Arterien leiten das Blut vom Herzen weg (hoher Druck), während Venen das Blut zum Herzen zurückführen (niedriger Druck). Den eigentlichen Stoffaustausch zwischen Blut und Gewebe ermöglichen die Kapillaren, die extrem dünnwandig sind.
Vom Herzen ausgehend verzweigen sich die Arterien in immer kleinere Gefäße: Arteriolen (auch Widerstandsgefäße genannt) und Metarteriolen münden schließlich in die Kapillaren, die mit ihrer dünnen Endothelschicht den Stoffaustausch (Flüssigkeiten, Nährstoffe, Elektrolyte, Hormone) ermöglichen. Aus den Kapillaren sammelt sich das Blut in Venolen, die in Venen übergehen. Funktionell unterteilt man das Kreislaufsystem in ein Hochdrucksystem (linker Ventrikel in der Systole und die arteriellen Gefäße des Körperkreislaufs, Druck ~120/80 mmHg) und ein Niederdrucksystem (Kapillarbett, Venen, rechtes Herz, Lungenkreislauf, linker Vorhof und linker Ventrikel in der Diastole, Druck 0-15 mmHg), das rund 85% des Blutvolumens enthält.
Viele Blutgefäße bilden Querverbindungen, sogenannte Anastomosen, die bei einem Gefäßverschluss die Versorgung über alternative Wege sichern. Endarterien hingegen anastomosieren mit keinen anderen Gefäßen; ihr Verschluss führt unweigerlich zum Absterben des versorgten Gewebes (Nekrose). Funktionelle Endarterien besitzen nur unzureichende Anastomosen, sodass eine Unterbrechung zur Minderdurchblutung (Ischämie) und unbehandelt ebenfalls zur Nekrose führen kann.
Blut besteht aus flüssigem Plasma und zellulären Bestandteilen. Der Volumenanteil der festen Bestandteile am Gesamtblutvolumen wird als Hämatokrit bezeichnet und besteht fast ausschließlich aus roten Blutkörperchen.
Das Blutvolumen eines Erwachsenen beträgt etwa 5-6 Liter (ca. 70 ml pro kg Körpergewicht). Dies ist im Vergleich zur intrazellulären Flüssigkeit (ca. 30 Liter) relativ gering. Blut dient nicht nur dem Stofftransport, sondern auch der Temperaturregulation: Bei Kälte wird die Durchblutung der Extremitäten gedrosselt, um Wärmeverlust zu minimieren; bei Hitze wird die Haut stärker durchblutet und die Schweißabgabe erhöht, was durch Verdunstungskälte kühlt.
Das Blutplasma besteht zu 90% aus Wasser und zu 10% aus gelösten Stoffen, darunter Elektrolyte, Hormone, Glukose sowie Plasmaproteine wie Albumin, Lipoproteine, Immunglobuline und Fibrinogen. Entfernt man die Gerinnungsfaktoren, erhält man das Blutserum, das im Gegensatz zum Plasma kein Fibrinogen enthält. Der Hämatokrit bezeichnet ausschließlich den Volumenanteil der zellulären Bestandteile. Histologisch unterscheidet man Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten. In der Medizin weist die Endung -penie auf einen Mangel (z.B. Thrombozytopenie) und -zytose auf einen Überschuss (z.B. Leukozytose) hin.
Die Erythrozyten (rote Blutkörperchen) sind spezialisierte Zellen ohne Zellkern, die den roten Blutfarbstoff Hämoglobin enthalten. Hämoglobin bindet Sauerstoff reversibel und ermöglicht so dessen Transport von der Lunge zu den Geweben.
Mit 4-5 Millionen pro Mikroliter Blut sind sie die zahlreichsten Blutzellen. Sie sind bikonkav-scheibenförmig, elastisch verformbar und passieren selbst engste Kapillaren. Da sie im Reifungsprozess Kern und Mitochondrien verlieren, gewinnen sie Energie ausschließlich durch anaerobe Glykolyse. Die Bildung im Knochenmark wird durch Erythropoetin aus den Nieren stimuliert. Nach 100-120 Tagen werden sie vor allem in Milz und Leber von Makrophagen abgebaut; das freiwerdende Eisen wird zwischengespeichert und wiederverwendet. Jedes Hämoglobinmolekül besitzt vier Bindungsstellen für Sauerstoff, der reversibel gebunden wird. Die AB0-Blutgruppen werden durch unterschiedliche Glykoproteine auf der Erythrozytenmembran bestimmt, die als Antigene wirken.
Die Leukozyten (weiße Blutkörperchen) sind die Akteure des Immunsystems. Im Gegensatz zu Erythrozyten besitzen sie einen Zellkern und können aktiv aus den Kapillaren in das umliegende Gewebe einwandern, um Infektionen zu bekämpfen.
Leukozyten entstehen wie alle Blutzellen aus pluripotenten Stammzellen im Knochenmark und differenzieren sich unter Einfluss von Wachstumsfaktoren. Sie lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen: Granulozyten, Monozyten und Lymphozyten. Granulozyten werden weiter unterteilt in neutrophile (ca. 60-80% aller Leukozyten), eosinophile und basophile Granulozyten. Sie sind Teil der unspezifischen Abwehr und können Erreger phagozytieren. Eine Erhöhung der Granulozytenzahl kann auf eine Infektion hindeuten. Monozyten sind die größten Zellen und verlassen nach etwa einem Tag die Blutbahn, um sich im Gewebe zu Makrophagen zu entwickeln. Lymphozyten umfassen B-Zellen, T-Zellen und natürliche Killerzellen. B-Lymphozyten reifen im Knochenmark und produzieren nach Aktivierung Antikörper; sie können zu Plasmazellen oder Gedächtniszellen werden. T-Lymphozyten reifen im Thymus und erkennen Antigene, um andere Immunzellen zu aktivieren.
Die Thrombozyten (Blutplättchen) sind kleine, kernlose Zellbruchstücke. Ihre Hauptaufgabe ist die Hämostase (Blutstillung), bei der sie an verletzten Gefäßwänden aggregieren (verklumpen) und so den ersten Wundverschluss bilden.
Thrombozyten entstehen durch Abschnürungen von Megakaryozyten im Knochenmark. Sie zirkulieren inaktiv, bis ein Gefäßschaden sie aktiviert; dann setzen sie Substanzen frei, die zur Blutstillung beitragen. Ihre Adhäsion an die verletzte Stelle und anschließende Aggregation bilden einen weißen Thrombus (primäre Hämostase).
Im Rahmen der sekundären Hämostase wird durch die Gerinnungskaskade Fibrinogen zu Fibrin umgewandelt, das die Thrombozyten vernetzt und einen stabilen roten Thrombus formt. Schlüsselenzym ist Thrombin. Nach der Wundheilung löst Plasmin das Fibrin im Rahmen der Fibrinolyse wieder auf. Ein Gleichgewicht zwischen Gerinnung und Lyse ist essenziell, um Blutungen oder Thrombosen zu vermeiden.
Das Lymphsystem transportiert täglich etwa 2-3 Liter Flüssigkeit, die aus den Kapillaren ins Gewebe austritt, als Lymphe zurück ins Blut. Die Lymphe wird über afferente Lymphgefäße in Lymphknoten geleitet, wo Immunantworten initiiert werden, und gelangt schließlich über den Ductus thoracicus (linker Venenwinkel) und den Ductus lymphaticus dexter (rechter Venenwinkel) ins Venensystem. Zu den Aufgaben zählen der Rücktransport von Flüssigkeit und Proteinen, der Transport von Lymphozyten und der Transport von Chylomikronen (Fettmoleküle aus der Darmverdauung).
