Gázcsere
A gázcsere az a folyamat, amelynek során az oxigén és a szén-dioxid a véráram és a tüdő között mozog. Ez a légzőrendszer elsődleges funkciója, és elengedhetetlen a szövetek állandó oxigénellátásának biztosításához, valamint a szén-dioxid eltávolításához, hogy megakadályozza annak felhalmozódását.
Ez a cikk a gázcsere elveit, a gázcsere sebességét befolyásoló tényezőket és a vonatkozó klinikai állapotokat tárgyalja.
A gázdiffúzió fizikája
A gázok mozgása egy zárt térben (jelen esetben a tüdőben) véletlenszerű, de a diffúzió összességében a magas koncentrációjú területekről az alacsony koncentrációjúak felé történő mozgást eredményezi. Egy gáz diffúziójának sebességét elsősorban a
- koncentrációs gradiens befolyásolja: Minél nagyobb a gradiens, annál gyorsabb a sebesség.
- A diffúzió felülete: Minél nagyobb a felület, annál gyorsabb a sebesség.
- A diffúziós útvonal hossza: Minél nagyobb az útvonal hossza, annál lassabb a sebesség.
A gázmolekulák ütközése a tartály oldalával nyomást eredményez. Ezt az ideális gáztörvény határozza meg, amelyet a következő egyenlet ad meg:
(n a mólok számát, R a gázállandó (8.314), T az abszolút hőmérséklet és V a tartály térfogata)
1. ábra – Egyenlet egy tartályban lévő gáz nyomásának kiszámításáhozGázok diffúziója gázokon keresztül
Ha gázok más gázokon keresztül diffundálnak (például az alveolusokban), a diffúzió sebességét Graham törvényével lehet meghatározni:
“A diffúzió sebessége fordítottan arányos a moláris tömeg négyzetgyökével azonos nyomás és hőmérséklet mellett.”
Más szóval, minél kisebb egy gáz tömege, annál gyorsabban diffundál.
Gázok diffúziója folyadékokon keresztül
Ahol a gázok folyadékokon keresztül diffundálnak, például az alveoláris membránon keresztül és a kapilláris vérbe, fontos a gázok oldhatósága. Minél jobban oldódik egy gáz, annál gyorsabban diffundál.
A gázok oldhatóságát a Henry-törvény határozza meg, amely szerint:
“A folyadékban oldott gáz mennyisége arányos a folyadék feletti parciális nyomásával”.
Ha feltételezzük, hogy a hőmérséklet és a nyomás viszonyai minden gáz esetében állandóak maradnak (ahogyan nagyjából az alveolusokban is), akkor a különböző gázok közötti eredendő különbségek határozzák meg az oldhatóságukat.
A szén-dioxid eredendően jobban oldódik, mint az oxigén, ezért sokkal gyorsabban diffundál a folyadékba, mint az oxigén.
Fick törvénye
Fick törvénye számos olyan tényezőt ad meg, amelyek befolyásolják egy gáz folyadékban való diffúziójának sebességét:
- A diffúziós gáton áthaladó parciális nyomáskülönbség.
- A gáz oldhatósága.
- A folyadék keresztmetszeti területe.
- A molekulák diffúziójához szükséges távolság.
- A gáz molekulatömege.
- A folyadék hőmérséklete – a tüdőn belül nem fontos, és feltételezhetően 37oC.
A tüdőben az oxigén ugyan kisebb, mint a szén-dioxid, de az oldhatósági különbség miatt a szén-dioxid nagyjából hússzor gyorsabban diffundál, mint az oxigén.
Az egyes molekulák diffúziós sebessége közötti különbséget az oxigén parciális nyomása közötti nagy különbség kompenzálja, ami nagyobb diffúziós gradienst hoz létre, mint a szén-dioxidé.
Ez azonban azt jelenti, hogy olyan betegségekben, amelyek károsítják a tüdő oxigénnel való megfelelő szellőztetési képességét, az oxigéncsere gyakran előbb károsodik, mint a szén-dioxidé.
Az oxigén diffúziója
Az oxigén parciális nyomása az alveolusokban a külső környezethez képest alacsony. Ennek oka az oxigén folyamatos diffúziója az alveoláris membránon keresztül és az alveolusokba belépő szén-dioxid hígító hatása a szervezetből való távozáshoz.
Ezek ellenére a parciális nyomás még mindig magasabb az alveolusokban, mint a kapillárisokban, ami nettó diffúziót eredményez a vérbe. Miután átdiffundált az alveoláris és a kapilláris membránokon, egyesül a hemoglobinnal. Ez oxi-hemoglobint képez, amely a véráram útján szállítja az oxigént a légző szövetekbe.
Az oxigén vérben történő szállításáról további információ itt található.
Az edzés során a vér a normális idő (nyugalomban egy másodperc) felét tölti a tüdőkapillárisokban, mivel a szívteljesítmény növekedése miatt a vér gyorsabban mozog a szervezetben. Az oxigén diffúziója azonban a vérsejt kapillárisba érkezését követő fél másodpercen belül befejeződik, ami azt jelenti, hogy a testmozgás nem korlátozza a gázcserét.
2. ábra – Az oxigén és a szén-dioxid parciális nyomását bemutató ábra a légzőrendszerbenA szén-dioxid diffúziója
A szén-dioxid parciális nyomása a kapillárisokban sokkal magasabb, mint az alveolusokban. Ez azt jelenti, hogy a kapillárisokból nettó diffúzió történik az alveolusokba. A szén-dioxid ezután kilélegezhető, mivel az alveolusokban a parciális nyomás szintén magasabb, mint a külső környezet parciális nyomása.
A szén-dioxid többféleképpen is szállítható a vérben; többek között oldottan, fehérjékhez kapcsolódva és bikarbonátionok formájában. A szén-dioxid vérben történő szállításáról további információk itt találhatók.
Diffúziós gát
A diffúziós gát a tüdőben a következő rétegekből áll:
- Alveoláris hám
- Szöveti folyadék
- Kapilláris endotél
- Plazma
- Vörösvérsejtmembrán
3. ábra. A diffúziós gátat a tüdőben alkotó rétegeket bemutató ábraA diffúzió sebességét befolyásoló tényezők
A diffúzió sebességét a tüdőben számos tulajdonság befolyásolhatja. A legfontosabb tényezők a következők:
- Membránvastagság – minél vékonyabb a membrán, annál gyorsabb a diffúzió sebessége. A diffúziós gát a tüdőben rendkívül vékony , azonban bizonyos körülmények a gát megvastagodását okozzák, ezáltal rontva a diffúziót. Ilyenek például:
- Folyadék az intersticiális térben (tüdőödéma).
- Az alveoláris membrán megvastagodása (tüdőfibrózis).
- Membránfelület – minél nagyobb a felület, annál gyorsabb a diffúzió sebessége. A tüdőnek az alveolusok miatt általában nagyon nagy felülete van a gázcseréhez.
- Az olyan betegségek, mint az emphysema, az alveoláris architektúra pusztulásához vezetnek, ami nagy, levegővel teli terek, úgynevezett bullák kialakulásához vezet. Ez csökkenti a rendelkezésre álló felületet és lassítja a gázcsere sebességét.
- A membránon keresztüli nyomáskülönbség
- A gáz diffúziós együtthatója
Klinikai jelentőség – Emphysema
Az emphysema krónikus, progresszív betegség, amely a tüdőben lévő alveolusok pusztulásához vezet. Ennek következtében a tüdőben a gázcsere felülete jelentősen lecsökken, ami jellemzően hipoxiához (1. típusú légzési elégtelenséghez) vezet.
Az emphysema fő tünete a légszomj, azonban a betegeknél előfordulhat sípoló légzés, tartós köhögés vagy mellkasi szorító érzés is. Az emfizéma a krónikus hörghuruttal együtt a krónikus obstruktív tüdőbetegséget (COPD) alkotó állapotok közé tartozik. Míg a dohányzás a leggyakoribb ok, más kockázati tényezők közé tartozik a passzív dohányzás, a munkahelyi füstgáznak vagy pornak való kitettség, valamint a magas szennyezettségű területeken való élet.
A kezelés az állapot stádiumától (azaz a tünetek és a légúti elzáródás mértékétől) függ, de jellemzően a következőket foglalja magában:
- A dohányzás abbahagyása.
- Bronchodilatátorok a hörgőszűkület csökkentésére.
- Inhalációs kortikoszteroidok a légúti gyulladás csökkentésére.
- Antibiotikumok és orális szteroidok a betegség súlyosbodásakor.
- Hosszú távú oxigénterápia (LTOT) súlyos progresszív betegségben.
4. ábra – Emphysematosus tüdő