Kaasujen vaihto

admin 0 Comments Articles

Kaasujen vaihto

Kaasujen vaihto on prosessi, jossa happi ja hiilidioksidi liikkuvat verenkierron ja keuhkojen välillä. Tämä on hengityselimistön ensisijainen toiminto, ja se on välttämätön, jotta kudokset saavat jatkuvasti happea ja jotta hiilidioksidi voidaan poistaa, jotta se ei pääse kertymään.

Tässä artikkelissa käsitellään kaasujen vaihdon periaatteita, vaihdon nopeuteen vaikuttavia tekijöitä ja asiaan liittyviä kliinisiä olosuhteita.

Kaasujen diffuusion fysiikka

Kaasujen liikkuminen suljetussa tilassa (tässä tapauksessa keuhkoissa) on satunnaista, mutta kaiken kaikkiaan diffuusio johtaa liikkeisiin korkean pitoisuuden alueilta matalan pitoisuuden alueille. Kaasun diffuusionopeuteen vaikuttaa ensisijaisesti

• konsentraatiogradientti: Mitä suurempi gradientti, sitä nopeampi nopeus.
• Diffuusion pinta-ala: Mitä suurempi pinta-ala, sitä nopeampi nopeus.
• Diffuusioreitin pituus: Mitä suurempi on diffuusioreitin pituus, sitä hitaampi on nopeus.

Kaasumolekyylien törmäys säiliön reunoihin aiheuttaa painetta. Tämä määritellään ideaalikaasulailla, joka esitetään seuraavassa yhtälössä:

(n edustaa moolien lukumäärää, R kaasuvakiota (8.314), T absoluuttinen lämpötila ja V astian tilavuus)

Kuva 1 – Yhtälö kaasun paineen laskemiseksi astiassa

Kaasujen diffuusio kaasujen läpi

Kun kaasut diffundoituvat toisten kaasujen läpi (kuten keuhkorakkuloissa), niiden diffuusionopeus voidaan määritellä Grahamin lain avulla:

”Diffuusionopeus on kääntäen verrannollinen sen moolimassan neliöjuureen identtisessä paineessa ja lämpötilassa.”

Toisin sanoen, mitä pienempi on kaasun massa, sitä nopeammin se diffundoituu.

Kaasujen diffuusio nesteiden läpi

Kun kaasut diffundoituvat nesteiden läpi, esimerkiksi alveolikalvon läpi ja kapillaariveriin, kaasujen liukoisuus on tärkeää. Mitä liukoisempi kaasu on, sitä nopeammin se diffundoituu.

Kaasun liukoisuus määritellään Henryn lailla, jonka mukaan:

”Nesteeseen liuenneen kaasun määrä on verrannollinen sen osapaineeseen nesteen yläpuolella”.

Jos oletetaan, että kaikkien kaasujen lämpötila- ja paineolosuhteet pysyvät muuttumattomina (kuten ne suunnilleen pysyvät keuhkorakkuloissa), eri kaasujen väliset luontaiset erot määräävät niiden liukoisuuden.

Hiilidioksidi on luontaisesti liukoisempi kuin happi, ja siksi se diffundoituu nesteeseen paljon nopeammin kuin happi.

Fickin laki

Fickin laki antaa meille useita tekijöitä, jotka vaikuttavat kaasun diffuusionopeuteen nesteen läpi:

• Diffuusioesteen yli oleva osapaine-ero.
• Kaasun liukoisuus.
• Nesteen poikkipinta-ala.
• Matkan, jonka molekyylit joutuvat diffundoitumaan.
• Kaasun molekyylipaino.
• Nesteen lämpötila – ei ole tärkeä keuhkoissa, ja sen voidaan olettaa olevan 37oC.

Keuhkoissa happi on pienempi kuin hiilidioksidi, mutta liukoisuuseron vuoksi hiilidioksidi diffundoituu noin 20 kertaa nopeammin kuin happi.

Tätä eroa yksittäisten molekyylien diffuusionopeuden välillä kompensoi hapen osapaineiden suuri ero, joka luo suuremman diffuusiogradientin kuin hiilidioksidin.

Tämä tarkoittaa kuitenkin sitä, että sairaustiloissa, jotka heikentävät keuhkojen kykyä ventiloida riittävästi happea, hapen vaihtuminen vaarantuu usein ennen hiilidioksidin vaihtumista.

Hapen diffuusio

Hapen osapaine on alveoleissa alhainen verrattuna ulkoiseen ympäristöön. Tämä johtuu hapen jatkuvasta diffuusiosta alveolikalvon läpi ja alveoleihin elimistöstä poistuvan hiilidioksidin laimentavasta vaikutuksesta.

Tästä huolimatta osapaine on silti korkeampi alveoleissa kuin kapillaareissa, mikä johtaa nettodiffuusioon vereen. Kun se on diffundoitunut alveoli- ja kapillaarikalvojen läpi, se yhdistyy hemoglobiiniin. Näin muodostuu oksihemoglobiini, joka kuljettaa happea hengittäviin kudoksiin verenkierron kautta.

Lisätietoa hapen kulkeutumisesta veressä löytyy täältä.

Liikunnan aikana veri viettää keuhkokapillaareissa jopa puolet tavanomaisesta ajasta (yksi sekunti levossa), mikä johtuu siitä, että sydämen tehon lisääntyessä veri kulkeutuu nopeammin ympäri kehoa. Hapen diffuusio on kuitenkin valmis puolen sekunnin kuluessa siitä, kun verisolu on saapunut kapillaariin, joten liikunta ei rajoita kaasujen vaihtoa.

Kuva 2 – Kaavio, jossa näkyvät hapen ja hiilidioksidin osapaineet hengityselimissä

Hiilidioksidin diffuusio

Hiilidioksidin osapaine kapillaareissa on paljon korkeampi kuin alveoleissa. Tämä tarkoittaa, että alveoleihin tapahtuu nettodiffuusiota kapillaareista. Hiilidioksidi voidaan sitten uloshengittää, koska alveoleissa oleva osapaine on myös korkeampi kuin ulkoisen ympäristön osapaine.

Hiilidioksidi kulkeutuu veressä monin tavoin; muun muassa liuenneena, proteiineihin liittyneenä ja bikarbonaatti-ioneina. Lisätietoja hiilidioksidin kulkeutumisesta veressä löytyy täältä.

Diffuusioeste

Diffuusioeste keuhkoissa koostuu seuraavista kerroksista:

• Alveoliepiteeli
• Kudosneste
• Kapillaarinen endoteeli
• Plasma
• Punasolukalvo

Kuva 3. Hengitysilman rakenne. Kaavio, jossa näkyvät keuhkojen diffuusioesteen muodostavat kerrokset

Tekijät, jotka vaikuttavat diffuusionopeuteen

On monia ominaisuuksia, jotka voivat vaikuttaa diffuusionopeuteen keuhkoissa. Tärkeimpiä tekijöitä ovat:

• Kalvon paksuus – mitä ohuempi kalvo, sitä nopeampi diffuusionopeus. Diffuusioeste keuhkoissa on erittäin ohut , mutta jotkin olosuhteet aiheuttavat esteen paksuuntumista, mikä heikentää diffuusiota. Esimerkkejä ovat:
  • Neste interstitiaalisessa tilassa (keuhkoödeema).
  • Alveolikalvon paksuuntuminen (keuhkofibroosi).
• Kalvon pinta-ala – mitä suurempi pinta-ala, sitä nopeampi diffuusionopeus. Keuhkoissa on normaalisti hyvin suuri pinta-ala kaasunvaihtoa varten keuhkorakkuloiden ansiosta.
  • Emfyseeman kaltaiset sairaudet johtavat keuhkorakkuloiden arkkitehtuurin tuhoutumiseen, mikä johtaa suurten ilmatäytteisten tilojen, niin sanottujen bullien, muodostumiseen. Tämä pienentää käytettävissä olevaa pinta-alaa ja hidastaa kaasunvaihdon nopeutta.
• Kalvon yli vallitseva paine-ero
• Kaasun diffuusiokerroin

Kliininen merkitys – Emphyseema

Emphyseema on krooninen, etenevä sairaus, joka johtaa keuhkojen alveolien tuhoutumiseen. Tämän seurauksena keuhkojen kaasujenvaihdon pinta-ala pienenee huomattavasti, mikä johtaa tyypillisesti hypoksiaan (tyypin 1 hengitysvajaus).

Emfyseeman pääasiallinen oire on hengenahdistus, mutta potilailla voi esiintyä myös hengityksen vinkumista, jatkuvaa yskää tai rintakehän ahtautta. Keuhkolaajentuma ja krooninen keuhkoputkentulehdus muodostavat yhdessä kroonisen obstruktiivisen keuhkosairauden (COPD). Vaikka tupakointi on yleisin syy, muita riskitekijöitä ovat muun muassa altistuminen passiiviselle tupakansavulle, altistuminen työperäisille savukaasuille tai pölylle ja asuminen alueilla, joilla on korkea saastepitoisuus.

Hoito riippuu tilan vaiheesta (eli oireiden ja hengitysteiden tukkeutumisen asteesta), mutta tyypillisesti siihen kuuluu:

• Tupakoinnin lopettaminen.
• Bronkodilataattorit keuhkoputkien ahtauman vähentämiseksi.
• Inhaloitavat kortikosteroidit hengitystietulehduksen vähentämiseksi.
• Antibiootit ja suun kautta otettavat steroidit taudin pahenemisvaiheisiin.
• Pitkäaikainen happihoito (Long-term Oxygen Therapy, LTOT) vaikeassa etenevässä taudissa.

Kuva 4 – Emphysematoottiset keuhkot