🪘 Kapitel 3.1 – Das Herz-Kreislauf-System

Biologie · Rahmenlehrplan Berlin/Brandenburg · Klasse 7

1. Aufgaben und Aufbau des Kreislaufsystems

Das Herz-Kreislauf-System (kardiovaskuläres System) ist das Transportsystem des menschlichen Körpers. Es versorgt alle ~37 Billionen Körperzellen kontinuierlich mit Sauerstoff, Nährstoffen, Hormonen und Wärme und entsorgt gleichzeitig Kohlendioxid, Stoffwechselendprodukte und Wärme. Ohne dieses System könnten Zellen nur wenige Minuten überleben – das Gehirn erleidet nach 4–6 Minuten ohne Durchblutung irreversible Schäden.

Das System besteht aus drei Hauptkomponenten:

Herz: Die muskuläre Pumpe, die das Blut antreibt. Etwa faustgroß, ca. 300–350 g schwer, liegt leicht links der Körpermitte hinter dem Brustbein.
Blutgefäße: Ein ~100.000 km langes Röhrennetz (das entspricht dem 2,5-fachen Erdumfang). Unterteilt in Arterien (vom Herzen weg), Venen (zum Herzen hin) und Kapillaren (Ort des Stoffaustauschs).
Blut: Das flüssige Transportmedium. Ca. 5–6 Liter beim Erwachsenen; besteht aus Plasma (~55%) und zellulären Bestandteilen (~45%): Erythrozyten, Leukozyten, Thrombozyten.

1.1 Der doppelte Kreislauf

Der Mensch besitzt einen geschlossenen Doppelkreislauf: Das Herz pumpt Blut gleichzeitig in zwei getrennte Kreisläufe, die aber durch das Herz miteinander verbunden sind.

🟢 Die zwei Kreisläufe im Überblick:
Kleiner Kreislauf (Lungenkreislauf):
Rechte Herzkammer → Lungenarterie → Lungenkapillaren (O₂ rein, CO₂ raus) → Lungenvene → Linker Vorhof

Großer Kreislauf (Körperkreislauf):
Linke Herzkammer → Aorta → Körperarterien → Kapillaren aller Organe (O₂ raus, CO₂ rein) → Körpervenen → Hohlvene → Rechter Vorhof

Wichtige Merkregel: Arterien führen Blut VOM Herzen weg – nicht zwingend sauerstoffreiches Blut! Die Lungenarterie führt O₂-armes Blut.

Frontalschnitt des menschlichen Herzens mit Beschriftung aller Strukturen auf Deutsch – Abb. von Wapcaplet, bearbeitet von KnopfMaus, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 — **Abb. 3.1:** Frontalschnitt des menschlichen Herzens. Rot = linke Herzseite (O₂-reich, hoher Druck); blau = rechte Herzseite (O₂-arm, niedriger Druck). Die linke Kammer hat eine deutlich dickere Muskelwand (~9 mm vs. ~3 mm rechts), da sie Blut gegen den hohen Widerstand des Körperkreislaufs pumpen muss. **Wichtig:** Arterien führen Blut *vom* Herzen weg – die Lungenarterie führt daher O₂-armes Blut!
Abbildung: „Diagram of the human heart (cropped) de V2”, Urheber: Wapcaplet (Original), deutsche Beschriftung: KnopfMaus. Quelle: Wikimedia Commons. Lizenz: CC BY-SA 3.0. Unverändert verwendet.

1.2 Aufbau und Funktion des Herzens

Das Herz ist ein Hohlmuskel aus quergestreiftem Herzmuskelgewebe (Myokard). Es ist von drei Schichten umgeben:

Epikard: Äußerste Schicht, bildet das innere Blatt des Herzbeutels
Myokard: Die eigentliche Herzmuskulatur; macht den Großteil der Herzwand aus
Endokard: Innere glatte Auskleidung aller Herzhöhlen und Herzklappen

Das gesamte Herz ist vom Perikard (Herzbeutel) umhüllt, das mechanischen Schutz bietet und Reibung bei der Herzkontraktion reduziert.

Die vier Herzklappen

Herzklappen sind passiv wirkende Ventile, die verhindern, dass Blut in die falsche Richtung fließt. Es gibt vier Klappen:

Klappe	Lage	Öffnet wenn	Typ
Mitralklappe (Bikuspidalklappe)	Zwischen linkem Vorhof und linker Kammer	Vorhof kontrahiert (Diastole der Kammer)	Segelklappe (2 Segel)
Trikuspidalklappe	Zwischen rechtem Vorhof und rechter Kammer	Vorhof kontrahiert (Diastole der Kammer)	Segelklappe (3 Segel)
Aortenklappe	Zwischen linker Kammer und Aorta	Kammer kontrahiert (Systole)	Taschenklappe (3 Taschen)
Pulmonalklappe	Zwischen rechter Kammer und Lungenarterie	Kammer kontrahiert (Systole)	Taschenklappe (3 Taschen)

1.3 Der Herzschlag – Systole und Diastole

Ein vollständiger Herzschlag dauert beim ruhenden Erwachsenen ca. 0,8 Sekunden (Herzfrequenz: ~75 bpm). Er besteht aus zwei Hauptphasen:

Systole (Anspannungs- und Austreibungsphase, ~0,3 s): Die Kammern kontrahieren. Der Druck steigt. Segelklappen schließen sich (verhindert Rückfluss in Vorhöfe). Taschenklappen öffnen sich. Blut wird in Aorta und Lungenarterie gepresst.
Diastole (Entspannungs- und Füllungsphase, ~0,5 s): Kammern entspannen sich. Druck fällt. Taschenklappen schließen sich (verhindert Rückfluss aus Gefäßen). Segelklappen öffnen sich. Blut fließt aus Vorhöfen in Kammern.

Die Herztöne entstehen durch das Schließen der Klappen: Der erste Herzton („Lubb“) entsteht beim Schließen der Segelklappen (Beginn der Systole), der zweite Herzton („Dubb“) beim Schließen der Taschenklappen (Beginn der Diastole).

🟢 Leistung des Herzens in Zahlen:
Herzfrequenz Ruhe: ~60–80 Schläge/min
Schlagvolumen Ruhe: ~70 mL/Schlag
Herzminutenvolumen (HMV) Ruhe: 70 mL × 70/min = ~5 Liter/min
HMV bei Maximalbelastung: bis zu 25–35 Liter/min
Herzschläge im Leben (80 Jahre): ~3,3 Milliarden
Gepumpte Blutmenge in 70 Jahren: ~220 Millionen Liter

1.4 Das Erregungsbildungs- und Leitungssystem

Das Herz schlägt autonom – es erzeugt seinen eigenen Rhythmus ohne Nervenimpuls von außen. Dies geschieht durch das Erregungsbildungs- und Leitungssystem:

Sinusknoten (im rechten Vorhof): Der primäre Schrittmacher. Erzeugt elektrische Impulse mit ~70–80/min. Er gibt den Grundrhythmus vor.
AV-Knoten (atrioventrikulärer Knoten, zwischen Vorhöfen und Kammern): Verzögert die Erregungsüberleitung um ca. 0,1 s – so haben Vorhöfe Zeit, sich vollständig zu kontrahieren, bevor die Kammern starten.
His-Bündel → Tawara-Schenkel → Purkinje-Fasern: Schnelle Weiterleitung der Erregung in die Kammerwände → gleichmäßige, von der Herzspitze nach oben verlaufende Kammerkontraktion.

Das vegetative Nervensystem moduliert (verändert) nur die Herzfrequenz, erzeugt sie aber nicht: Sympathikus erhöht Frequenz und Kraft (Adrenalin, Belastung), Parasympathikus (Vagus) senkt die Frequenz (Ruhe, Schlaf).

2. Blutgefäße und Blut

2.1 Die drei Gefäßtypen im Vergleich

Merkmal	Arterien	Kapillaren	Venen
Richtung	Vom Herzen weg	Verbinden Arterien und Venen	Zum Herzen hin
Druck	Hoch (Aorta: ~120/80 mmHg)	Sehr niedrig (~35/15 mmHg)	Sehr niedrig (~10 mmHg)
Wandaufbau	Dick, elastisch, viel glatte Muskulatur	Einschichtig (1 Endothel-Zellschicht!), ~5–10 µm Durchmesser	Dünn, wenig Muskulatur, Venenklappen!
Funktion	Druckpuffer (Windkesselfunktion der Aorta), schneller Transport	Ort des eigentlichen Stoffaustauschs mit Gewebe	Rücktransport; Venenklappen verhindern Rückfluss
Sauerstoffgehalt	Meist O₂-reich (Ausnahme: Lungenarterie)	Abnahme von arteriell zu venös	Meist O₂-arm (Ausnahme: Lungenvene)
Anzahl/Gesamtquerschnitt	Wenige, kleiner Gesamtquerschnitt	~10 Milliarden, riesiger Gesamtquerschnitt → langsamer Fluss	Mehr als Arterien, mittlerer Querschnitt

2.2 Der Stoffaustausch in den Kapillaren

Die Kapillaren sind mit nur 1 Zellschicht (~0,5–1 µm Wandstärke) und einem Durchmesser von 5–10 µm (gerade groß genug für einen Erythrozyten, der sich verformen muss!) die Orte, wo der eigentliche biologische Zweck des Kreislaufs erfüllt wird:

O₂ und Nährstoffe (Glukose, Aminosäuren, Fettsäuren) diffundieren aus dem Blut ins Gewebe
CO₂, Harnstoff und andere Stoffwechselendprodukte diffundieren vom Gewebe ins Blut
Wärme wird vom Gewebe aufgenommen oder abgegeben
Hormone werden aus dem Blut von Zielzellen aufgenommen

Der Austausch erfolgt durch Diffusion (entlang Konzentrationsgefälle), Osmose (Wassermovement) und Filtration (hydrostatischer Druck am arteriellen Kapillarenende treibt Flüssigkeit ins Gewebe; onkotischer Druck am venösen Ende saugt sie zurück).

2.3 Zusammensetzung des Blutes

Bestandteil	Anteil	Funktion	Besonderheiten
Blutplasma	~55%	Lösungs- und Transportmedium; enthält Proteine (Albumin, Fibrinogen, Antikörper), Nährstoffe, Hormone, Ionen	Plasma ohne Gerinnungsfaktoren = Serum
Erythrozyten (rote Blutkörperchen)	~44%	O₂-Transport (via Hämoglobin); CO₂-Transport (~20% als Carboxyhämoglobin, Rest als HCO₃⁻)	Kein Kern, kein Mitochondrium; bikonkave Scheibenform; Lebensdauer ~120 Tage; 5 Mio/µL
Leukozyten (weiße Blutkörperchen)	~0,8%	Immunabwehr; verschiedene Typen: Granulozyten, Monozyten, Lymphozyten	Haben Kern; 4.000–10.000/µL; bei Infektion stark erhöht (Leukozytose)
Thrombozyten (Blutplättchen)	~0,2%	Blutgerinnung (bilden den primären Plättchenpropf)	Kernlos (Fragmente von Megakaryozyten); 150.000–400.000/µL; Lebensdauer ~7–10 Tage

2.4 Hämoglobin und Sauerstofftransport

Hämoglobin (Hb) ist der rote Blutfarbstoff der Erythrozyten. Jedes Hb-Molekül besteht aus vier Untereinheiten (4 Globinketten), jede mit einer Hämgruppe mit einem zentralen Eisen-Ion (Fe²⁺). Jedes Fe²⁺ kann ein O₂-Molekül reversibel binden:

Hb + 4 O₂ ⇌ HbO₈ (Oxyhämoglobin)

Die Bindung ist kooperativ (Hämoglobin-Sättigungskurve ist S-förmig): Das erste gebundene O₂ erhöht die Affinität für das zweite usw. – und umgekehrt: Die Abgabe des ersten O₂ erleichtert die Abgabe der weiteren. Dies ist funktionell ideal: In der O₂-reichen Lunge bindet Hb O₂ sehr effizient; im O₂-armen Gewebe gibt es O₂ vollständig ab.

⚠️ Kohlenmonoxid-Vergiftung:
CO bindet an Hämoglobin ca. 250-fach stärker als O₂ und bildet stabiles Carboxyhämoglobin (HbCO). Das Hb ist dann blockiert und kann kein O₂ mehr transportieren. Bei 50% HbCO: Bewusstlosigkeit; bei 70%: Tod. CO ist farb- und geruchlos → besonders gefährlich. Therapie: reiner O₂ oder Druckkammer (hyperbare Oxygenierung).

3. Blutdruck und Kreislaufregulation

3.1 Blutdruck und seine Messung

Der Blutdruck ist der Druck, den das Blut auf die Gefäßwände ausübt. Er wird in mmHg (Millimeter Quecksilbersäule) angegeben und als systolischer/diastolischer Wert ausgedrückt:

🟢 Blutdruckklassen (WHO/ESC-Leitlinien):
Optimal: <120 / <80 mmHg
Normal: 120–129 / 80–84 mmHg
Hoch-normal: 130–139 / 85–89 mmHg
Hypertonie Grad 1: 140–159 / 90–99 mmHg
Hypertonie Grad 2: 160–179 / 100–109 mmHg
Hypertonie Grad 3: ≥180 / ≥110 mmHg
Hypotonie: <100 / <60 mmHg

Der Blutdruck schwankt ständig: Er steigt bei körperlicher Belastung, Stress und Kälte; er sinkt in Ruhe und Schlaf. Gemessen wird er mit dem Sphygmomanometer (Blutdruckmanschette) nach der Korotkoff-Methode: Die Manschette wird über dem systolischen Druck aufgepumpt (Blutfluss unterbrochen), dann langsam abgelassen. Das erste hörbare Geräusch = systolischer Wert; Verschwinden des Geräusches = diastolischer Wert.

3.2 Hypertonie – der stille Killer

Chronisch erhöhter Blutdruck (Hypertonie, >140/90 mmHg) ist einer der häufigsten Risikofaktoren für Herz-Kreislauf-Erkrankungen. In Deutschland ist etwa ein Drittel der Erwachsenen betroffen. Die Hypertonie wird als „stiller Killer“ bezeichnet, weil sie jahrzehntelang symptomlos bleibt und unbehandelt zu:

Atherosklerose: Dauerhaft erhöhter Druck schädigt das Gefäßendothel → Einlagerung von LDL-Cholesterin → Plaquebildung → Gefäßverengung
Herzinfarkt: Plaqueruptur → Thrombus → Koronargefäßverschluss → Herzmuskel stirbt ab
Schlaganfall: Thrombus oder Blutung im Gehirn → Nervenzelluntergang
Herzinsuffizienz: Herz arbeitet dauerhaft gegen erhöhten Widerstand → Hypertrophie → schließlich Erschöpfung
Nierenversagen: Kapillarschäden in der Niere → Einschränkung der Filterfunktion

3.3 Einfluss von Sport auf das Herz-Kreislauf-System

Regelmäßiges Ausdauertraining führt zu einer Reihe von positiven Anpassungen des Herz-Kreislauf-Systems (kardiales Remodeling):

Parameter	Trainierter (Ausdauer)	Untrainierter	Bedeutung
Ruhepuls	40–50 bpm (Sportler bis 28 bpm!)	60–80 bpm	Herz pumpt effizienter pro Schlag
Schlagvolumen Ruhe	~100–120 mL	~70 mL	Mehr Blut pro Schlag
Herzminutenvolumen Max.	30–40 L/min	20–25 L/min	Mehr Kapazität bei Belastung
Herzgröße (links)	Vergrößert (Sportherz, exzentrische Hypertrophie)	Normal	Größeres Füllungsvolumen
Kapillardichte im Muskel	Erhöht (Kapillarisierung)	Normal	Bessere O₂-Versorgung
Blutdruck Ruhe	Oft niedriger (~110/70)	~120/80	Weniger Gefäßwiderstand

🧠 Test A: Herz-Kreislauf – 12 Fragen (Basis)

1Welche Aussage zur Lungenarterie ist korrekt?

✅ Lungenarterie: führt O₂-armes Blut von der rechten Herzkammer zur Lunge. Arterie ≠ O₂-reich! Arterien führen Blut VOM Herzen weg – der Sauerstoffgehalt hängt davon ab, welcher Kreislauf gemeint ist.

2Was ist das Herzminutenvolumen (HMV)?

✅ HMV = Herzfrequenz × Schlagvolumen. In Ruhe: 75/min × 70 mL = ~5.250 mL/min ≈ 5 L/min. Bei Maximalbelastung kann das HMV trainierter Sportler auf 30–40 L/min steigen. Das gesamte Blutvolumen (5–6 L) wird also in Ruhe jede Minute einmal komplett umgewälzt.

3Was sind Venenklappen und wozu dienen sie?

✅ Venenklappen (halbmondförmige Taschenklappen) sind besonders wichtig in den Beinen: Der Blutdruck in Venen ist sehr niedrig; ohne Klappen würde das Blut durch die Schwerkraft zurückfließen. Unterstützt wird der Rücktransport durch die Muskelpumpe (Muskeln drücken beim Gehen auf Venen) und die Atemmuskelwirkung.

4Welche Zellen transportieren Sauerstoff im Blut?

✅ Erythrozyten enthalten ~280 Millionen Hämoglobin-Moleküle pro Zelle. Jedes Hämoglobin bindet bis zu 4 O₂-Moleküle. Erythrozyten sind kernlos und ohne Mitochondrien – gewinnen Energie ausschließlich durch Glykolyse, verbrauchen selbst keinen Sauerstoff.

5Was ist Systole?

✅ Während der Systole (~0,3 s) kontrahieren die Kammern. Druck steigt auf ~120 mmHg links, ~25 mmHg rechts. Segelklappen schließen sich (kein Rückfluss in Vorhöfe), Taschenklappen öffnen sich. Systolischer Blutdruck = Druck bei Kammerkontraktion.

6Was unterscheidet Arterien von Venen bezüglich des Wandaufbaus?

✅ Arterien: Drei Schichten (Intima, Media mit glatter Muskulatur, Adventitia). Dicke elastische Wand für hohen arteriellen Druck. Die Aorta wirkt als Windkessel: dehnt sich in Systole aus, gibt in Diastole Energie zurück → kontinuierlicher Fluss. Venen: Dünner, weniger Muskulatur, dafür Venenklappen.

7Welche Funktion hat der Sinusknoten?

✅ Der Sinusknoten (im rechten Vorhof) ist der natürliche Schrittmacher. Spezifische Muskelzellen erzeugen ohne externe Nervenimpulse rhythmische Aktionspotentiale. Bei Ausfall des Sinusknotens übernimmt der AV-Knoten (~40–60/min), bei dessen Ausfall die Purkinje-Fasern (~30/min) → Herzblock-Stufen.

8Wo findet der eigentliche Stoffaustausch zwischen Blut und Gewebe statt?

✅ Kapillaren: Nur 1 Endothelzell-Schicht dick (~0,5 µm Wandstärke), Durchmesser 5–10 µm. Minimale Diffusionsstrecke ermöglicht schnellen Austausch. Die riesige Gesamtoberfläche (~500–700 m² beim Menschen) und der langsame Blutfluss (durch großen Gesamtquerschnitt) optimieren den Austausch.

9Was bewirkt Kohlenmonoxid (CO) im Blut?

✅ CO verdrängt O₂ vom Hämoglobin durch seine viel höhere Bindungsaffinität. HbCO dissoziiert auch kaum wieder. Bereits 50% HbCO → Bewusstlosigkeit. CO ist geruch- und farblos → keine Warnung. Quellen: Verbrennungsmotoren, defekte Heizungen, Grills in geschlossenen Räumen.

10Was ist Atherosklerose?

✅ Atherosklerose: Endothelschädigung (durch Hypertonie, Rauchen, Diabetes) → LDL-Cholesterin lagert sich ein → Makrophagen nehmen es auf (Schaumzellen) → Plaque (Fettstreifen → fibröse Plaque → Verkalkung) → Verengung → bei Ruptur: Thrombus → Herzinfarkt oder Schlaganfall.

11Was ist das Schlagvolumen?

✅ Schlagvolumen (~70 mL in Ruhe): Die pro Herzschlag ausgeworfene Blutmenge. Nicht das gesamte Kammervolumen wird ausgeworfen (Restvolumen bleibt). Die Auswurffraktion (Ejektionsfraktion) beträgt normalerweise 55–75%. Bei Herzinsuffizienz sinkt sie unter 40%.

12Welcher Effekt tritt bei regelmäßigem Ausdauertraining am Herzen auf?

✅ Sportherz: Ausdauertraining → Linke Kammer vergrößert sich (mehr Füllungsvolumen) → größeres Schlagvolumen → seltenere Kontraktionen nötig → Ruhepuls sinkt. Lance Armstrong: Ruhepuls ~32 bpm (Weltrekord). Außerdem: mehr Kapillaren im Herzmuskel, bessere O₂-Versorgung, niedrigerer Blutdruck.

✍️ Schriftliche Aufgaben

Beschreibe den Weg eines roten Blutkörperchens vom rechten Vorhof durch den kleinen und großen Kreislauf zurück zum rechten Vorhof. Nenne alle Strukturen, die es passiert. (6 Punkte)

Kleiner Kreislauf (Lungenkreislauf):
Rechter Vorhof → Trikuspidalklappe öffnet → rechte Kammer (Systole) → Pulmonalklappe öffnet → Lungenarterie → rechte und linke Lungenarterienäste → Lungenarterien → Lungenkapillaren (Gasaustausch: O₂ bindet an Hb, CO₂ diffundiert ins Alveolarlumen) → Lungenvenen (4 Stück) → linker Vorhof.

Großer Kreislauf (Körperkreislauf):
Linker Vorhof → Mitralklappe öffnet → linke Kammer (Systole) → Aortenklappe öffnet → Aorta (ascendens → Aortenbogen → descendens) → Körperarterien → Arteriolen → Kapillaren (O₂ an Gewebe, CO₂ aus Gewebe) → Venolen → Körpervenen → obere Hohlvene (von Kopf, Armen) + untere Hohlvene (von Rumpf, Beinen) → rechter Vorhof.

Gesamtdurchlaufzeit bei Ruhe: ~60 Sekunden.

Erkläre, warum ein Herzinfarkt ein medizinischer Notfall ist und welche Sofortmaßnahmen ergriffen werden sollten. (6 Punkte)

Warum Notfall:
Koronararterien (Herzkranzgefäße) versorgen den Herzmuskel selbst mit O₂. Bei Herzinfarkt (Myokardinfarkt): Plaque-Ruptur → Thrombus → Koronargefäß-Verschluss → Herzmuskelzellen erhalten kein O₂ mehr → Zelltod beginnt nach ~20 Minuten irreversibel. Pro Minute stirbt Herzmuskelgewebe ab ("time is muscle"). Je länger der Verschluss, desto größer der Schaden.

Symptome: Anhaltende Brustschmerzen (Vernichtungsschmerz) mit Ausstrahlung in linken Arm, Kiefer, Rücken; Atemnot; Schweißausbruch; Übelkeit; Todesangst. Achtung: Bei Frauen und Diabetikern oft atypische Symptome (nur Übelkeit, Müdigkeit).

Sofortmaßnahmen:
1. Notruf 112 (sofort!)
2. Person hinsetzen/hinlegen, beruhigen
3. Aspirin 300 mg (hemmt Thrombozytenaggregation, wenn keine Kontraindikation)
4. Bei Bewusstlosigkeit + fehlender Atmung: Reanimation (30 Brustkompressionen + 2 Beatmungen, bis Hilfe kommt)
5. AED (automatisierter externer Defibrillator) einsetzen wenn verfügbar

Krankenhaus: PCI (Perkutane Koronarintervention, "Stent") innerhalb von 90 min nach Symptombeginn als Goldstandard.

Lückentexte zur Selbstkontrolle

📝 Lückentext 1: Herz und Kreislauf

Das Herz besteht aus Kammern. Die linke Kammer pumpt Blut in den , die rechte in den . Arterien führen Blut Herzen weg. Der primäre Herzschrittmacher heißt . Das Herzminutenvolumen ergibt sich aus Herzfrequenz mal . Die Kontraktionsphase des Herzens heißt , die Entspannungsphase .

📝 Lückentext 2: Blut und Blutgefäße

Der eigentliche Stoffaustausch findet in den statt. Rote Blutkörperchen heißen und enthalten den Blutfarbstoff . Thrombozyten sind für die zuständig. CO bindet ca. 250-mal stärker an Hämoglobin als und bildet . Venen besitzen , die Rückfluss verhindern.