Gasudveksling

admin 0 Comments Articles

Gasudveksling

Gasudveksling er den proces, hvorved ilt og kuldioxid bevæger sig mellem blodbanen og lungerne. Dette er åndedrætssystemets primære funktion og er afgørende for at sikre en konstant tilførsel af ilt til vævene samt for at fjerne kuldioxid for at forhindre ophobning.

Denne artikel behandler principperne for gasudveksling, faktorer, der påvirker udvekslingshastigheden, og relevante kliniske forhold.

Fysik for gasdiffusion

Bevægelsen af gasser i et indesluttet rum (i dette tilfælde lungerne) er tilfældig, men den overordnede diffusion resulterer i en bevægelse fra områder med høj koncentration til områder med lav koncentration. Diffusionshastigheden for en gas påvirkes primært af

• Koncentrationsgradienten: Jo større gradienten er, jo hurtigere er hastigheden.
• Overfladeareal til diffusion: Jo større overfladeareal, jo hurtigere hastighed.
• Længde af diffusionsvejen: Jo større længde af diffusionsvejen, jo langsommere hastighed.

Gasmolekylernes kollision med beholderens sider resulterer i tryk. Dette er defineret ved den ideelle gaslov, der er angivet i følgende ligning:

(n repræsenterer antallet af mol, R er gaskonstanten (8.314), T den absolutte temperatur og V beholderens volumen)

Fig 1 – Ligning til beregning af trykket for en gas i en beholder

Diffusion af gasser gennem gasser

Når gasser diffunderer gennem andre gasser (som f.eks. i alveolerne), kan deres diffusionshastighed defineres ved Grahams lov:

“Diffusionshastigheden er omvendt proportional med kvadratroden af dens molarmasse ved identisk tryk og temperatur”

Med andre ord, jo mindre masse en gas har, jo hurtigere vil den diffundere.

Diffusion af gasser gennem væsker

Når gasser diffunderer gennem væsker, f.eks. gennem alveolarmembranen og ind i kapillærblodet, er gassernes opløselighed vigtig. Jo mere opløselig en gas er, jo hurtigere vil den diffundere.

En gasses opløselighed er defineret ved Henrys lov, som siger, at:

“Mængden af opløst gas i en væske er proportional med dens partialtryk over væsken”.

Hvis vi antager, at temperatur- og trykforholdene for alle gasser forbliver faste (hvilket de groft sagt gør i alveolerne), så er det de iboende forskelle mellem de forskellige gasser, der bestemmer deres opløselighed.

Koldioxid er i sagens natur mere opløseligt end ilt og diffunderer derfor meget hurtigere end ilt i væske.

Ficks lov

Ficks lov giver os en række faktorer, der påvirker diffusionshastigheden af en gas gennem en væske:

• Den partielle trykforskel over diffusionsbarrieren.
• Gassens opløselighed.
• Væskens tværsnitsareal.
• Den afstand, som molekylerne skal have for at diffundere.
• Gassens molekylvægt.
• Væskens temperatur – ikke vigtig i lungerne og kan antages at være 37oC.

I lungerne er ilt mindre end kuldioxid, men forskellen i opløselighed betyder, at kuldioxid diffunderer ca. 20 gange hurtigere end ilt, selv om ilt er mindre end kuldioxid.

Denne forskel mellem diffusionshastigheden for de enkelte molekyler kompenseres af den store forskel i iltens partialtryk, hvilket skaber en større diffusionsgradient end for kuldioxid.

Det betyder imidlertid, at i sygdomstilstande, der forringer lungernes evne til at ventilere tilstrækkeligt med ilt, er iltudvekslingen ofte kompromitteret før kuldioxidudvekslingen.

Diffusion af ilt

Det partielle tryk af ilt er lavt i alveolerne i forhold til det ydre miljø. Dette skyldes den kontinuerlige diffusion af ilt gennem den alveolære membran og den fortyndende effekt af den kuldioxid, der kommer ind i alveolerne for at forlade kroppen.

Trods dette er partialtrykket stadig højere i alveolerne end i kapillærerne, hvilket resulterer i en nettodiffusion i blodet. Når det er diffunderet gennem de alveolære og kapillære membraner, kombineres det med hæmoglobin. Dette danner oxyhæmoglobin, som transporterer ilten til de respirerende væv via blodbanen.

Der kan findes yderligere oplysninger om ilttransporten i blodet her.

Under træning tilbringer blodet op til halvdelen af den normale tid (et sekund i hvile) i lungekapillærerne på grund af den øgede hjertemængde, der flytter blodet hurtigere rundt i kroppen. Diffusionen af ilt er dog færdig inden for et halvt sekund efter, at blodcellen er ankommet til kapillæret, hvilket betyder, at motion ikke begrænses af gasudvekslingen.

Fig 2 – Diagram, der viser ilt- og kuldioxidens partialtryk i åndedrætssystemet

Diffusion af kuldioxid

Kuldioxidens partialtryk i kapillærerne er meget højere end i alveolerne. Det betyder, at der sker nettodiffusion ind i alveolerne fra kapillærerne. Kuldioxiden kan derefter udåndes, da partialtrykket i alveolerne også er højere end partialtrykket i det ydre miljø.

Kuldioxid transporteres i blodet på flere måder; herunder opløst, associeret med proteiner og som bikarbonat-ioner. Yderligere oplysninger om transport af kuldioxid i blodet kan findes her.

Diffusionsbarriere

Diffusionsbarrieren i lungerne består af følgende lag:

• Alveolær epitel
• Tvævsvæske
• Kapillær endothel
• Plasma
• Rødcellemembran

Fig 3 – Diagram, der viser de lag, der udgør diffusionsbarrieren i lungerne

Faktorer, der påvirker diffusionshastigheden

Der er mange egenskaber, der kan påvirke diffusionshastigheden i lungerne. De vigtigste faktorer omfatter:

• Membrantykkelse – jo tyndere membranen er, jo hurtigere er diffusionshastigheden. Diffusionsbarrieren i lungerne er ekstremt tynd , men nogle forhold medfører dog en fortykkelse af barrieren, hvorved diffusionen forringes. Eksempler herpå er:
  • Væske i det interstitielle rum (lungeødem).
  • Tykning af den alveolære membran (lungefibrose).
• Membranens overfladeareal – jo større overfladeareal, jo hurtigere er diffusionshastigheden. Lungerne har normalt et meget stort overfladeareal til gasudveksling på grund af alveolerne.
  • Sygdomme som emfysem fører til ødelæggelse af den alveolære arkitektur, hvilket fører til dannelse af store luftfyldte rum kendt som bullae. Dette reducerer det tilgængelige overfladeareal og nedsætter gasudvekslingshastigheden.
• Trykforskel over membranen
• Diffusionskoefficient for gassen

Klinisk relevans – emfysem

Emfysem er en kronisk, fremadskridende sygdom, der resulterer i ødelæggelse af alveolerne i lungerne. Dette resulterer i et stærkt reduceret overfladeareal til gasudveksling i lungerne, hvilket typisk fører til hypoxi (type 1 respirationssvigt).

Det vigtigste symptom på emfysem er åndenød, men patienterne kan også opleve hvæsende vejrtrækning, vedvarende hoste eller tranghed i brystet. Emphysem er sammen med kronisk bronkitis de tilstande, der udgør kronisk obstruktiv lungesygdom (COPD). Mens rygning er den mest almindelige årsag, omfatter andre risikofaktorer eksponering for passiv rygning, eksponering for røg eller støv på arbejdspladsen og ophold i områder med høje forureningsniveauer.

Behandlingen afhænger af tilstandens stadium (dvs. graden af symptomer og luftvejsobstruktion), men omfatter typisk:

• Rygeophør.
• Bronkodilatatorer for at reducere bronkialforsnævring.
• Inhalerede kortikosteroider for at reducere luftvejsbetændelse.
• Antibiotika og orale steroider ved eksacerbationer af sygdommen.
• Langtidsoxygenbehandling (LTOT) ved svær progressiv sygdom.

Fig 4 – Emphysematøse lunger