Gaswisseling
Gasuitwisseling is het proces waarbij zuurstof en kooldioxide zich verplaatsen tussen de bloedbaan en de longen. Dit is de belangrijkste functie van het ademhalingssysteem en is van essentieel belang voor een constante toevoer van zuurstof naar de weefsels, en voor het verwijderen van kooldioxide om ophoping ervan te voorkomen.
In dit artikel worden de principes van gasuitwisseling, factoren die de snelheid van de uitwisseling beïnvloeden, en relevante klinische omstandigheden besproken.
Fysica van gasdiffusie
De verplaatsing van gassen in een afgesloten ruimte (in dit geval de longen) is willekeurig, maar algemene diffusie resulteert in verplaatsing van gebieden met een hoge concentratie naar gebieden met een lage concentratie. De diffusiesnelheid van een gas wordt voornamelijk beïnvloed door
- Concentratiegradiënt: Hoe groter de gradiënt, hoe sneller de snelheid.
- Oppervlakte voor diffusie: Hoe groter het oppervlak, hoe sneller de snelheid.
- Lengte van de diffusieroute: Hoe groter de lengte van de baan, hoe langzamer de snelheid.
Botsing van de gasmoleculen met de wanden van het vat leidt tot druk. Dit wordt gedefinieerd door de ideale gaswet, gegeven in de volgende vergelijking:
(n staat voor het aantal mol, R de gasconstante (8.314), T de absolute temperatuur en V het volume van de houder)
Fig 1 – Vergelijking voor de berekening van de druk van een gas in een houderDiffusie van gassen door gassen
Wanneer gassen door andere gassen diffunderen (zoals in de alveoli), kan hun diffusiesnelheid worden gedefinieerd door de Wet van Graham:
“De diffusiesnelheid is omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de molaire massa bij gelijke druk en temperatuur.”
Met andere woorden, hoe kleiner de massa van een gas, hoe sneller het zal diffunderen.
Diffusie van gassen door vloeistoffen
Wanneer gassen door vloeistoffen diffunderen, bijvoorbeeld over het alveolaire membraan en in capillair bloed, is de oplosbaarheid van de gassen van belang. Hoe beter een gas oplosbaar is, hoe sneller het zal diffunderen.
De oplosbaarheid van een gas wordt gedefinieerd door de wet van Henry, die als volgt luidt:
“De hoeveelheid opgelost gas in een vloeistof is evenredig met de partiële druk ervan boven de vloeistof”.
Als we aannemen dat de omstandigheden van temperatuur en druk voor alle gassen vast blijven (zoals ze ongeveer doen in de alveoli), dan zijn het de inherente verschillen tussen de verschillende gassen die hun oplosbaarheid bepalen.
Koolstofdioxide is inherent beter oplosbaar dan zuurstof, en diffundeert dus veel sneller dan zuurstof in vloeistof.
De wet van Fick
De wet van Fick geeft ons een aantal factoren die de diffusiesnelheid van een gas door een vloeistof beïnvloeden:
- Het partiële drukverschil over de diffusiebarrière.
- De oplosbaarheid van het gas.
- De dwarsdoorsnede van de vloeistof.
- De afstand die moleculen moeten afleggen om te diffunderen.
- Het molecuulgewicht van het gas.
- De temperatuur van de vloeistof – binnen de longen niet van belang en kan worden verondersteld 37oC te zijn.
In de longen is zuurstof weliswaar kleiner dan kooldioxide, maar door het verschil in oplosbaarheid diffundeert kooldioxide ruwweg 20 maal sneller dan zuurstof.
Dit verschil in diffusiesnelheid van de afzonderlijke moleculen wordt gecompenseerd door het grote verschil in partiële druk van zuurstof, waardoor een grotere diffusiegradiënt ontstaat dan die van kooldioxide.
Dit betekent echter dat in ziektetoestanden die het vermogen van de longen aantasten om adequaat met zuurstof te ventileren, de uitwisseling van zuurstof vaak eerder wordt gecompromitteerd dan die van kooldioxide.
Diffusie van zuurstof
De partiële druk van zuurstof is laag in de alveoli in vergelijking met de externe omgeving. Dit komt door de continue diffusie van zuurstof over het alveolaire membraan en het verdunnende effect van kooldioxide dat de alveoli binnenkomt om het lichaam te verlaten.
Desondanks is de partiële druk nog steeds hoger in de alveoli dan in de haarvaten, wat resulteert in een nettodiffusie in het bloed. Zodra het door de alveolaire en capillaire membranen is gediffundeerd, verbindt het zich met hemoglobine. Dit vormt oxyhemoglobine, dat de zuurstof via de bloedbaan naar de ademende weefsels transporteert.
Meer informatie over het transport van zuurstof in het bloed vindt u hier.
Tijdens inspanning brengt het bloed tot de helft van de normale tijd (één seconde in rust) in de longcapillairen door, doordat het bloed door de toename van het hartdebiet sneller door het lichaam wordt verplaatst. De diffusie van zuurstof is echter binnen een halve seconde na aankomst van de bloedcel in het capillair voltooid, wat betekent dat inspanning niet wordt beperkt door gasuitwisseling.
Fig 2 – Diagram met de partiële drukken van zuurstof en kooldioxide in het ademhalingsstelselDiffusie van kooldioxide
De partiële druk van kooldioxide in de capillairen is veel hoger dan die in de alveoli. Dit betekent dat er netto diffusie plaatsvindt in de alveoli vanuit de capillairen. Het kooldioxide kan vervolgens worden uitgeademd omdat de partiële druk in de alveoli ook hoger is dan de partiële druk in de externe omgeving.
Kooldioxide wordt op verschillende manieren in het bloed getransporteerd; onder andere opgelost, geassocieerd met eiwitten en als bicarbonaationen. Meer informatie over het transport van kooldioxide in het bloed vindt u hier.
Diffusiebarrière
De diffusiebarrière in de longen bestaat uit de volgende lagen:
- Alveolair epitheel
- Weefselvloeistof
- Capillair endotheel
- Plasma
- Rode celmembraan
Fig 3 – Schema van de lagen waaruit de diffusiebarrière in de longen is opgebouwdFactoren die de diffusiesnelheid beïnvloeden
Er zijn vele eigenschappen die de diffusiesnelheid in de longen kunnen beïnvloeden. De belangrijkste factoren zijn:
- Membraandikte – hoe dunner het membraan, des te sneller de diffusiesnelheid. De diffusiebarrière in de longen is uiterst dun, maar sommige omstandigheden veroorzaken een verdikking van de barrière, waardoor de diffusie wordt belemmerd. Voorbeelden zijn:
- Vocht in de interstitiële ruimte (longoedeem).
- Verdikking van het alveolaire membraan (longfibrose).
- Membraanoppervlak – hoe groter het oppervlak, des te sneller de diffusiesnelheid. De longen hebben normaal gesproken een zeer groot oppervlak voor gasuitwisseling dankzij de alveoli.
- Ziekten zoals emfyseem leiden tot de vernietiging van de alveolaire architectuur, wat leidt tot de vorming van grote met lucht gevulde ruimten die bekend staan als bullae. Hierdoor neemt het beschikbare oppervlak af en wordt de snelheid van de gasuitwisseling vertraagd.
- Drukverschil over het membraan
- Diffusiecoëfficiënt van het gas
Clinische relevantie – Emfyseem
Emfyseem is een chronische, progressieve ziekte die resulteert in vernietiging van de longblaasjes. Dit resulteert in een sterk verminderd oppervlak voor gasuitwisseling in de longen, wat meestal leidt tot hypoxie (ademstilstand type 1).
Het belangrijkste symptoom van emfyseem is kortademigheid, maar patiënten kunnen ook last hebben van piepende ademhaling, een aanhoudende hoest of benauwdheid op de borst. Emfyseem vormt samen met chronische bronchitis de chronische obstructieve longziekte COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease). Roken is de meest voorkomende oorzaak, maar andere risicofactoren zijn blootstelling aan meeroken, blootstelling aan rook of stof van het werk en wonen in gebieden met veel vervuiling.
De behandeling hangt af van het stadium van de aandoening (d.w.z. de mate van symptomen en luchtwegobstructie), maar omvat gewoonlijk:
- Stoppen met roken.
- Bronchodilatatoren om bronchiale vernauwing te verminderen.
- Inhalatiecorticosteroïden om luchtwegontsteking te verminderen.
- Antibiotica en orale steroïden voor exacerbaties van de ziekte.
- Zuurstoftherapie op lange termijn (LTOT) bij ernstige progressieve ziekte.
Fig 4 – Emfysemateuze longen