Výměna plynů

admin 0 Comments Articles

Výměna plynů

Výměna plynů je proces, při kterém dochází k pohybu kyslíku a oxidu uhličitého mezi krevním oběhem a plícemi. Jedná se o základní funkci dýchacího systému, která je nezbytná pro zajištění stálého přísunu kyslíku do tkání a také pro odstraňování oxidu uhličitého, aby se zabránilo jeho hromadění.

V tomto článku budou probrány principy výměny plynů, faktory ovlivňující rychlost výměny a příslušné klinické stavy.

Fyzika difuze plynů

Pohyb plynů v uzavřeném prostoru (v tomto případě v plicích) je náhodný, ale celkově dochází k difúzi, která vede k pohybu z oblastí s vysokou koncentrací do oblastí s nízkou koncentrací. Rychlost difúze plynu ovlivňuje především

• Koncentrační gradient: Čím je gradient větší, tím je rychlost rychlejší.
• Plocha povrchu pro difúzi:
• Délka difuzní dráhy:

Srážka molekul plynu se stěnami nádoby vede ke vzniku tlaku. Ten je definován zákonem ideálního plynu, který je dán následující rovnicí:

(n představuje počet molů, R plynovou konstantu (8.314), T absolutní teplota a V objem nádoby)

Obr. 1 – Rovnice pro výpočet tlaku plynu v nádobě

Difúze plynů skrz plyny

Pokud plyny difundují skrz jiné plyny (například v plicních sklípcích), lze rychlost jejich difúze definovat Grahamovým zákonem:

„Rychlost difúze je nepřímo úměrná druhé odmocnině jeho molární hmotnosti při stejném tlaku a teplotě“

Jinými slovy, čím menší je hmotnost plynu, tím rychleji difunduje.

Difúze plynů kapalinami

Při difúzi plynů kapalinami, například přes alveolární membránu a do kapilární krve, je důležitá rozpustnost plynů. Čím je plyn rozpustnější, tím rychleji difunduje.

Rozpustnost plynu je definována Henryho zákonem, který říká, že:

„Množství rozpuštěného plynu v kapalině je úměrné jeho parciálnímu tlaku nad kapalinou“.

Předpokládáme-li, že podmínky teploty a tlaku pro všechny plyny zůstávají neměnné (jak tomu zhruba je v alveolech), pak jejich rozpustnost určují přirozené rozdíly mezi různými plyny.

Oxid uhličitý je ze své podstaty rozpustnější než kyslík, a proto difunduje do kapaliny mnohem rychleji než kyslík.

Fickův zákon

Fickův zákon nám udává řadu faktorů, které ovlivňují rychlost difúze plynu kapalinou:

• Rozdíl parciálních tlaků přes difúzní bariéru.
• Rozpustnost plynu.
• Plocha průřezu kapaliny.
• Vzdálenost, kterou molekuly potřebují k difúzi.
• Molekulová hmotnost plynu.
• Teplota tekutiny – v plicích není důležitá a lze předpokládat, že je 37oC.

V plicích je sice kyslík menší než oxid uhličitý, ale rozdíl v rozpustnosti znamená, že oxid uhličitý difunduje zhruba 20krát rychleji než kyslík.

Tento rozdíl mezi rychlostí difuze jednotlivých molekul je kompenzován velkým rozdílem parciálních tlaků kyslíku, což vytváří větší difuzní gradient než u oxidu uhličitého.

To však znamená, že při chorobných stavech, které zhoršují schopnost plic dostatečně ventilovat kyslík, je výměna kyslíku často narušena dříve než výměna oxidu uhličitého.

Difúze kyslíku

Parciální tlak kyslíku je v alveolech nízký ve srovnání s vnějším prostředím. Je to způsobeno neustálou difuzí kyslíku přes alveolární membránu a ředícím účinkem oxidu uhličitého, který vstupuje do alveolů, aby opustil tělo.

Přesto je parciální tlak v alveolech stále vyšší než v kapilárách, což vede k čisté difuzi do krve. Po difúzi přes alveolární a kapilární membrány se spojuje s hemoglobinem. Vzniká tak oxyhemoglobin, který přenáší kyslík krevním řečištěm do dýchajících tkání.

Další informace o přenosu kyslíku v krvi naleznete zde.

Během fyzické zátěže stráví krev v plicních kapilárách až polovinu normální doby (v klidu jednu sekundu) v důsledku zvýšení srdečního výdeje, který krev rychleji rozvádí po těle. Difúze kyslíku je však dokončena do půl sekundy od příchodu krvinky do kapiláry, což znamená, že při cvičení není výměna plynů omezena.

Obr. 2 – Schéma znázorňující parciální tlaky kyslíku a oxidu uhličitého v dýchacím systému

Difúze oxidu uhličitého

Parciální tlak oxidu uhličitého v kapilárách je mnohem vyšší než v alveolech. To znamená, že dochází k čisté difúzi do alveolů z kapilár. Oxid uhličitý pak může být vydechován, protože parciální tlak v alveolech je rovněž vyšší než parciální tlak ve vnějším prostředí.

Oxid uhličitý se v krvi přenáší více způsoby; mimo jiné rozpuštěný, vázaný na bílkoviny a jako hydrogenuhličitanové ionty. Další informace o transportu oxidu uhličitého v krvi naleznete zde.

Difúzní bariéra

Difúzní bariéra v plicích se skládá z následujících vrstev:

• Alveolární epitel
• Tkáňová tekutina
• Kapilární endotel
• Plazma
• Membrána červených krvinek

Obr. 3 – Membrána červených krvinek. Schéma znázorňující vrstvy tvořící difuzní bariéru v plicích

Faktory, které ovlivňují rychlost difuze

Existuje mnoho vlastností, které mohou ovlivnit rychlost difuze v plicích. Mezi hlavní faktory patří:

• Tloušťka membrány – čím je membrána tenčí, tím je rychlost difuze vyšší. Difuzní bariéra v plicích je extrémně tenká , nicméně některé podmínky způsobují zesílení bariéry, a tím zhoršují difuzi. Příklady:
  • Kaluž v intersticiálním prostoru (plicní edém).
  • Ztluštění alveolární membrány (plicní fibróza).
• Plocha povrchu membrány – čím větší je plocha povrchu, tím rychlejší je difuze. Plíce mají za normálních okolností velmi velký povrch pro výměnu plynů díky alveolům.
  • Nemoci, jako je rozedma plic, vedou k destrukci alveolární architektury, což vede k tvorbě velkých prostor naplněných vzduchem, tzv. bul. Tím se zmenšuje dostupný povrch a zpomaluje se rychlost výměny plynů.
• Tlakový rozdíl přes membránu
• Koeficient difúze plynu

Klinický význam – emfyzém

Emfyzém je chronické, progresivní onemocnění, které vede k destrukci alveolů v plicích. Výsledkem je značně zmenšená plocha pro výměnu plynů v plicích, což obvykle vede k hypoxii (respirační selhání 1. typu).

Hlavním příznakem rozedmy plic je dušnost, pacienti však mohou pociťovat také sípání, úporný kašel nebo svírání na hrudi. Emfyzém spolu s chronickou bronchitidou představují stavy, které tvoří chronickou obstrukční plicní nemoc (CHOPN). Zatímco nejčastější příčinou je kouření, mezi další rizikové faktory patří vystavení pasivnímu kouření, vystavení pracovním výparům nebo prachu a život v oblastech s vysokou úrovní znečištění.

Léčba závisí na stadiu onemocnění (tj. na stupni příznaků a obstrukci dýchacích cest), ale obvykle zahrnuje:

• Odstavení kouření.
• Bronchodilatancia ke snížení zúžení průdušek.
• Inhalační kortikosteroidy ke snížení zánětu dýchacích cest.
• Antibiotika a perorální steroidy při exacerbaci onemocnění.
• Dlouhodobá oxygenoterapie (LTOT) při těžké progresi onemocnění.

Obr. 4 – Emfyzematózní plíce

.