Das arterielle und das venöse Blutgefäßsystem sind über kleine Haargefäße, sogenannte Kapillaren, miteinander verbunden. Sie bilden den eigentlichen Ort, in dem der Stoffaustausch stattfindet. Ihre Gefäßwand ist nicht aus drei Schichten aufgebaut, sondern besteht im Wesentlichen aus der Tunica interna, also dem einschichtigen Endothel. Eine glykoproteinhaltige Basalmembran umgibt dabei das Endothel wie ein Ärmel. Sie stützt nicht nur das Kapillargefäß, sondern kann in ihrer Zusammensetzung je nach Organ variieren und so weicher, steifer oder engmaschiger sein. In den Glomeruli der Niere dient sie z. B. als eine Art Filter bei der Erzeugung des Primärharns. Auch die Art der Proteine (z. B. Kollagen, Hyaluronsäure, Laminin), die sich in ihr befinden, ist sehr wichtig und kann der Kommunikation mit anderen Gewebszellen dienen. Stellenweise können noch Hilfszellen, wie glatte Muskelzellen oder Perizyten, das Kapillargefäß umgeben und beispielsweise den Stofftransport oder die Lumendurchmesser steuern (Abb. 5.8).

Je nach Endothelaufbau unterscheidet man drei Arten von Kapillargefäßen:

1. Bei kontinuierlichen Kapillaren sind die Endothelzellen über Verbindungsproteine (tight junctions) sehr eng miteinander verbunden und bilden eine durchgängige Barriere. Dabei lassen sie nur sehr wenige Moleküle und Stoffe passieren. Kontinuierliche Kapillare findet man z. B. in den Muskeln, im Herzen und in den Lungen, vor allem aber auch im zentralen Nervensystem. Dort bilden sie mit Astrozyten die sogenannte Blut-Hirn-Schranke, die den Stofftransport sehr streng kontrolliert.
2. Haben das Endothel und die Basalmembran kleine (2 – 5 nm) „Löcher“, spricht man von diskontinuierlichen Kapillaren. Diese lassen schon deutlich mehr Stoffe passieren und finden sich z. B. in der Leber (dort nennt man sie Sinusoide), Milz oder Knochenmark wieder.
3. „Gefensterte“ oder fenestrierte Kapillaren sind mit 20 – 80 nm großen Poren durchzogen und tragen nur eine dünne Basalmembran. Diese Kapillartypen sitzen vor allem dort, wo große Stoffmengen ausgetauscht werden müssen. Man findet sie daher in den Nieren, den Hormondrüsen und dem Magen-Darm-Trakt.

Der Stoffaustausch erfolgt über die Gefäßwand der Kapillare und hängt von zwei Parametern ab: dem effektiven Filtrationsdruck und dem kolloidosmotischen Druck. Was heißt das aber?

Fließt das Blut von der Aorta über die Arterien bis in die stark verzweigten Arteriolen, nimmt der Blutdruck kontinuierlich ab. Dabei drückt das Blut mit recht großem Druck auf die Arterienwände, die sehr dicht und für das Blut undurchlässig sind. Erreicht das Blut die Kapillare, deren Wand sehr dünn ist, filtert der Blutdruck (im Kapillargebiet nur noch 10 mmHg) das Blut durch die Lücken zwischen den Endothelzellen. Dabei ist die Filtration bei kontinuierlichen Kapillaren recht gering, bei fenestrierten Kapillaren dafür umso stärker. Nährstoffe, Hormone und andere Stoffe werden dabei mit in das Gewebe transportiert. Dem Filtrationsdruck entgegen wirkt der kolloidosmotische Druck. Diesen kann man sich wie einen osmotischen Druck vorstellen, der durch größere Partikel (sogenannte Kolloide), wie Albumine oder andere Blutproteine, innerhalb der Blutgefäße zustande kommt. Der kolloidosmotische Druck bleibt zwischen Aorta, Kapillargebiet und Venen immer gleich, da die im Blutplasma befindlichen Kolloide (z.B. Albumine) nicht über die Kapillarwand ins Gewebe übergehen. Vereinfacht gesagt binden die Kolloide die Flüssigkeit und halten sie somit in den Gefäßen.

Da der kolloidosmotische Druck immer gleich ist und der Filtration entgegenwirkt, beschreibt man die effektive Filtration als Differenz zwischen Blutdruck und kolloidosmotischem Druck.

Nimmt der Filtrationsdruck durch einen sinkenden Blutdruck weiter ab, ist dieser irgendwann geringer als der kolloidosmotische Druck. Dies ist auf der venösen Seite des Kapillargebiets der Fall. Das Volumen, das durch die Filtration ins Gewebe gedrückt wurde, strömt dann wieder zurück in die Blutgefäße (Abbildung).

Abbauprodukte und CO₂ folgen oft passiv durch einen osmotischen Gradienten in die Kapillare. Allerdings wird nicht das komplette Volumen wieder aufgenommen. Ein Teil der Flüssigkeit bleibt im Gewebe. Damit ein Ödem (Wasseransammlung im Gewebe) verhindert wird, sammeln Lymphgefäße die überschüssige Flüssigkeit und führen sie dem venösen System wieder zu.

Ist der kolloidosmotische Druck zu gering (z. B. wenn zu wenig Albumin im Blut vorhanden ist), kann die filtrierte Flüssigkeit nicht ausreichend in die Blutgefäße resorbiert werden. Die überschüssige Flüssigkeit sammelt sich dann in zu hohem Maße im Gewebe an und kann nicht mehr von den Lymphgefäßen aufgefangen werden. Es bilden sich dann Ödeme.

Ödeme sieht man häufig bei Menschen, die an starkem Hunger oder einer Störung der Leberfunktion (bspw. eine Leberzirrhose) leiden. Bei diesen sind entweder zu wenig Proteine vorhanden, um die kolloidosmotisch aktiven Stoffe herzustellen, oder die Synthese dieser Stoffe ist durch die Leberfunktionsstörung vermindert. Durch den zu niedrigen kolloidosmotischen Druck tritt zu viel Flüssigkeit ins Gewebe über und der Bauch wirkt geschwollen. Dies ist jedoch kein Fett, sondern schlichtweg ein Ödem. In diesem Zusammenhang spricht man daher vom Hungerödem oder Aszites.