Gasutbyte

admin 0 Comments Articles

Gasutbyte

Gasutbyte är den process genom vilken syre och koldioxid rör sig mellan blodomloppet och lungorna. Detta är andningssystemets primära funktion och är viktigt för att säkerställa en konstant tillförsel av syre till vävnaderna samt för att avlägsna koldioxid för att förhindra dess ackumulering.

Denna artikel kommer att diskutera principerna för gasutbyte, faktorer som påverkar utbyteshastigheten och relevanta kliniska tillstånd.

Fysik för gasdiffusion

Rörelsen av gaser i ett inneslutet utrymme (i det här fallet lungorna) är slumpmässig, men den övergripande spridningen resulterar i en rörelse från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration. Diffusionshastigheten för en gas påverkas främst av

• Koncentrationsgradienten: Ju större gradient, desto snabbare hastighet.
• Yta för diffusion: Ju större yta, desto snabbare hastighet.
• Diffusionsvägens längd: Ju större längd på vägen, desto långsammare hastighet.

Gasmolekylernas kollision med behållarens sidor resulterar i ett tryck. Detta definieras av den ideala gaslagen, som ges i följande ekvation:

(n representerar antalet mol, R gaskonstanten (8.314), T den absoluta temperaturen och V behållarens volym)

Fig 1 – Ekvation för att beräkna trycket hos en gas i en behållare

Diffusion av gaser genom gaser

När gaser diffunderar genom andra gaser (t.ex. i alveolerna) kan deras diffusionshastighet definieras med Grahams lag:

”Diffusionshastigheten är omvänt proportionell mot kvadratroten av dess molära massa vid identiskt tryck och temperatur”

Med andra ord, ju mindre gasens massa är, desto snabbare diffunderar den.

Diffusion av gaser genom vätskor

När gaser diffunderar genom vätskor, till exempel genom alveolarmembranet och in i kapillärblodet, är gasernas löslighet viktig. Ju mer löslig en gas är, desto snabbare diffunderar den.

En gasens löslighet definieras av Henrys lag, som säger att:

”Mängden löst gas i en vätska är proportionell mot dess partialtryck över vätskan”.

Om vi antar att temperatur- och tryckförhållandena för alla gaser förblir oförändrade (vilket de i stort sett gör i alveolerna) så är det de inneboende skillnaderna mellan olika gaser som bestämmer deras löslighet.

Koldioxid är till sin natur mer löslig än syre och diffunderar därför mycket snabbare än syre i vätska.

Ficks lag

Ficks lag ger oss ett antal faktorer som påverkar diffusionshastigheten för en gas genom en vätska:

• Den partiella tryckskillnaden över diffusionsbarriären.
• Gasens löslighet.
• Vätskans tvärsnittsarea.
• Avståndet som molekylerna behöver för att diffundera.
• Gasens molekylvikt.
• Vätskans temperatur – inte viktig i lungorna och kan antas vara 37oC.

I lungorna är syre visserligen mindre än koldioxid, men skillnaden i löslighet innebär att koldioxid diffunderar ungefär 20 gånger snabbare än syre.

Denna skillnad i diffusionshastighet för de enskilda molekylerna kompenseras av den stora skillnaden i partialtryck för syre, vilket skapar en större diffusionsgradient än för koldioxid.

Hur som helst innebär detta att vid sjukdomstillstånd som försämrar lungornas förmåga att ventileras adekvat med syre, äventyras ofta syreutbytet före koldioxidutbytet.

Diffusion av syre

Det partiella trycket av syre är lågt i alveolerna jämfört med den yttre miljön. Detta beror på kontinuerlig diffusion av syre genom det alveolära membranet och den utspädande effekten av koldioxid som kommer in i alveolerna för att lämna kroppen.

Trots detta är partialtrycket fortfarande högre i alveolerna än i kapillärerna, vilket resulterar i en nettodiffusion till blodet. När den väl har diffunderat genom alveolär- och kapillarmembranen förenas den med hemoglobin. Detta bildar oxyhemoglobin som transporterar syret till andningsvävnader via blodomloppet.

Der finns ytterligare information om syretransport i blodet här.

Under träning tillbringar blodet upp till hälften av den normala tiden (en sekund i vila) i lungkapillärerna på grund av att den ökade hjärtminutvolymen förflyttar blodet snabbare runt i kroppen. Diffusionen av syre är dock fullständig inom en halv sekund från det att blodcellen anländer till kapillären, vilket innebär att träning inte begränsas av gasutbytet.

Fig 2 – Diagram som visar syre- och koldioxidens partialtryck i andningssystemet

Diffusion av koldioxid

Det partialtryck av koldioxid som finns i kapillärerna är mycket högre än det som finns i alveolerna. Detta innebär att nettodiffusion sker till alveolerna från kapillärerna. Koldioxiden kan sedan andas ut eftersom partialtrycket i alveolerna också är högre än partialtrycket i den yttre miljön.

Koldioxid transporteras i blodet på flera olika sätt; bland annat löst, associerad med proteiner och som bikarbonatjoner. Ytterligare information om transport av koldioxid i blodet finns här.

Diffusionsbarriären

Diffusionsbarriären i lungorna består av följande lager:

• Alveolär epitel
• Vävnadsvätska
• Kapillärt endotel
• Plasma
• Röda blodkroppars membran

Fig 3 – Diagram som visar de lager som utgör diffusionsbarriären i lungorna

Faktorer som påverkar diffusionshastigheten

Det finns många egenskaper som kan påverka diffusionshastigheten i lungorna. De viktigaste faktorerna är:

• Membrantjocklek – ju tunnare membran, desto snabbare diffusionshastighet. Diffusionsbarriären i lungorna är extremt tunn , men vissa tillstånd orsakar förtjockning av barriären, vilket försämrar diffusionen. Exempel på detta är:
  • Vätska i det interstitiella utrymmet (lungödem).
  • Tjockare alveolarmembran (lungfibros).
• Membranets yta – ju större ytan är, desto snabbare är diffusionshastigheten. Lungorna har normalt en mycket stor yta för gasutbyte tack vare alveolerna.
  • Sjukdomar som emfysem leder till att den alveolära arkitekturen förstörs, vilket leder till att det bildas stora luftfyllda utrymmen som kallas bullae. Detta minskar den tillgängliga ytan och fördröjer gasutbytet.
• Tryckskillnad över membranet
• Diffusionskoefficienten för gasen

Klinisk relevans – emfysem

Emfysem är en kronisk, progressiv sjukdom som resulterar i att alveolerna i lungorna förstörs. Detta resulterar i en kraftigt minskad yta för gasutbyte i lungorna, vilket vanligtvis leder till hypoxi (andningssvikt av typ 1).

Det huvudsakliga symtomet på emfysem är andnöd, men patienterna kan också uppleva väsande andning, en ihållande hosta eller trånghet i bröstet. Emphysem är tillsammans med kronisk bronkit de tillstånd som utgör kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL). Rökning är den vanligaste orsaken, men andra riskfaktorer är exponering för passiv rökning, exponering för rök eller damm i arbetet och boende i områden med höga föroreningsnivåer.

Behandlingen beror på tillståndsstadiet (dvs. graden av symtom och luftvägsobstruktion), men omfattar vanligen:

• Rökstopp.
• Bronkdilatatorer för att minska bronkialförträngningen.
• Inhalerade kortikosteroider för att minska luftvägsinflammation.
• Antibiotika och orala steroider vid exacerbationer av sjukdomen.
• Långvarig syrgasbehandling (LTOT) vid svår progressiv sjukdom.

Fig 4 – Emphysematösa lungor