Wymiana gazowa
Wymiana gazowa to proces, w którym tlen i dwutlenek węgla przemieszczają się między krwiobiegiem a płucami. Jest to podstawowa funkcja układu oddechowego i ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia stałego dopływu tlenu do tkanek, a także usuwania dwutlenku węgla, aby zapobiec jego gromadzeniu się.
W tym artykule omówione zostaną zasady wymiany gazowej, czynniki wpływające na szybkość wymiany oraz odpowiednie warunki kliniczne.
Fizyka dyfuzji gazu
Ruch gazów w przestrzeni zamkniętej (w tym przypadku w płucach) jest przypadkowy, ale ogólna dyfuzja powoduje ruch z obszarów o wysokim stężeniu do tych o niskim stężeniu. Na szybkość dyfuzji gazu wpływa przede wszystkim
- Gradient stężenia: Im większy gradient, tym szybsza szybkość.
- Pole powierzchni dla dyfuzji: Im większa powierzchnia, tym szybsza szybkość.
- Długość drogi dyfuzji: Im większa długość drogi, tym wolniejsze tempo.
Zderzenie cząsteczek gazu ze ściankami naczynia powoduje powstanie ciśnienia. Jest to określone przez prawo gazu idealnego, podane w następującym równaniu:
(n oznacza liczbę moli, R stałą gazową (8.314), T temperatura bezwzględna i V objętość pojemnika)
Rys. 1 – Równanie do obliczania ciśnienia gazu w pojemnikuDYFUZJA GAZÓW PRZEZ GAZY
Gdy gazy dyfundują przez inne gazy (tak jak w pęcherzykach płucnych), ich szybkość dyfuzji można określić za pomocą prawa Grahama:
„Szybkość dyfuzji jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z jego masy molowej przy identycznym ciśnieniu i temperaturze”
Innymi słowy, im mniejsza masa gazu, tym szybciej będzie on dyfundował.
Dyfuzja gazów przez ciecze
Gdy gazy dyfundują przez ciecze, na przykład przez błonę pęcherzyków płucnych i do krwi kapilarnej, rozpuszczalność gazów jest ważna. Im bardziej rozpuszczalny jest gaz, tym szybciej będzie on dyfundować.
Rozpuszczalność gazu jest określona przez prawo Henry’ego, które mówi, że:
„Ilość rozpuszczonego gazu w cieczy jest proporcjonalna do jego ciśnienia cząstkowego nad cieczą”.
Jeśli założymy, że warunki temperatury i ciśnienia dla wszystkich gazów pozostają stałe (tak jak w przybliżeniu robią to w pęcherzykach płucnych), wtedy to nieodłączne różnice między różnymi gazami określają ich rozpuszczalność.
Dwutlenek węgla jest z natury bardziej rozpuszczalny niż tlen, a zatem dyfunduje znacznie szybciej niż tlen do cieczy.
Prawo Ficka
Prawo Ficka podaje nam szereg czynników, które wpływają na szybkość dyfuzji gazu przez ciecz:
- Różnica ciśnień cząstkowych przez barierę dyfuzji.
- Rozpuszczalność gazu.
- Przekrój poprzeczny płynu.
- Dystans, na jaki cząsteczki muszą dyfundować.
- Ciężar cząsteczkowy gazu.
- Temperatura płynu – nie ma znaczenia w obrębie płuc i można przyjąć, że wynosi 37oC.
W płucach, podczas gdy tlen jest mniejszy niż dwutlenek węgla, różnica w rozpuszczalności oznacza, że dwutlenek węgla dyfunduje w przybliżeniu 20 razy szybciej niż tlen.
Ta różnica między szybkością dyfuzji poszczególnych cząsteczek jest kompensowana przez dużą różnicę ciśnień parcjalnych tlenu, tworząc większy gradient dyfuzji niż w przypadku dwutlenku węgla.
Jednakże oznacza to, że w stanach chorobowych, które upośledzają zdolność płuc do odpowiedniej wentylacji tlenem, wymiana tlenu jest często zagrożona przed wymianą dwutlenku węgla.
Dyfuzja tlenu
Ciśnienie parcjalne tlenu jest niskie w pęcherzykach płucnych w porównaniu ze środowiskiem zewnętrznym. Wynika to z ciągłej dyfuzji tlenu przez błonę pęcherzyków płucnych i efekt rozcieńczania dwutlenku węgla wchodzącego do pęcherzyków płucnych, aby opuścić ciało.
Mimo to, ciśnienie parcjalne jest nadal wyższe w pęcherzykach płucnych niż w naczyniach włosowatych, co powoduje dyfuzję netto do krwi. Po dyfuzji przez błony pęcherzyków płucnych i kapilar, łączy się z hemoglobiną. W ten sposób powstaje oksyhemoglobina, która transportuje tlen do oddychających tkanek za pośrednictwem krwiobiegu.
Dalsze informacje na temat transportu tlenu we krwi można znaleźć tutaj.
Podczas wysiłku fizycznego krew spędza do połowy normalnego czasu (jedna sekunda w spoczynku) w kapilarach płucnych z powodu wzrostu rzutu serca, który powoduje szybsze przemieszczanie się krwi wokół ciała. Jednakże dyfuzja tlenu jest zakończona w ciągu pół sekundy od przybycia krwinki do kapilary, co oznacza, że wysiłek fizyczny nie jest ograniczony wymianą gazową.
Ryc. 2 – Schemat przedstawiający ciśnienia parcjalne tlenu i dwutlenku węgla w układzie oddechowymDYFUZJA DWUTLENKU WĘGLA
Ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla w kapilarach jest znacznie wyższe niż w pęcherzykach płucnych. Oznacza to, że dyfuzja netto występuje do pęcherzyków płucnych z naczyń włosowatych. Dwutlenek węgla może być następnie wydychany, ponieważ ciśnienie parcjalne w pęcherzykach płucnych jest również wyższe niż ciśnienie parcjalne w środowisku zewnętrznym.
Dwutlenek węgla jest transportowany we krwi na wiele sposobów; w tym rozpuszczony, związany z białkami i jako jony wodorowęglanowe. Dalsze informacje na temat transportu dwutlenku węgla we krwi można znaleźć tutaj.
Bariera dyfuzyjna
Bariera dyfuzyjna w płucach składa się z następujących warstw:
- Nabłonek pęcherzykowy
- Płyn tkankowy
- Śródbłonek kapilarny
- Plazma
- Błona krwinek czerwonych
Rys. 3 -. Diagram przedstawiający warstwy tworzące barierę dyfuzyjną w płucachFactors That Affect The Rate of Diffusion
Istnieje wiele właściwości, które mogą wpływać na szybkość dyfuzji w płucach. Do głównych czynników należą:
- Grubość błony – im cieńsza błona, tym szybsze tempo dyfuzji. Bariera dyfuzyjna w płucach jest niezwykle cienka, jednak niektóre warunki powodują pogrubienie tej bariery, upośledzając tym samym dyfuzję. Przykłady obejmują:
- Płyn w przestrzeni śródmiąższowej (obrzęk płuc).
- Pogrubienie błony pęcherzyków płucnych (zwłóknienie płuc).
- Powierzchnia błony – im większa powierzchnia, tym szybsze tempo dyfuzji. Płuca mają zwykle bardzo dużą powierzchnię do wymiany gazowej dzięki pęcherzykom płucnym.
- Choroby takie jak rozedma prowadzą do zniszczenia architektury pęcherzyków płucnych, co prowadzi do powstawania dużych przestrzeni wypełnionych powietrzem, zwanych pęcherzami. Powoduje to zmniejszenie dostępnej powierzchni i spowolnienie tempa wymiany gazowej.
- Różnica ciśnień przez błonę
- Współczynnik dyfuzji gazu
Znaczenie kliniczne – rozedma płuc
Rozedma płuc jest przewlekłą, postępującą chorobą, której skutkiem jest zniszczenie pęcherzyków płucnych w płucach. Powoduje to znaczne zmniejszenie powierzchni wymiany gazowej w płucach, co zwykle prowadzi do niedotlenienia (niewydolność oddechowa typu 1).
Głównym objawem rozedmy płuc jest brak tchu, jednak pacjenci mogą również odczuwać świszczący oddech, uporczywy kaszel lub ucisk w klatce piersiowej. Rozedma płuc, obok przewlekłego zapalenia oskrzeli, to schorzenia, które składają się na Przewlekłą Obturacyjną Chorobę Płuc (POChP). Podczas gdy palenie jest najczęstszą przyczyną, inne czynniki ryzyka obejmują narażenie na bierne palenie, narażenie na opary lub pył w miejscu pracy oraz życie w obszarach o wysokim poziomie zanieczyszczenia.
Leczenie zależy od stadium choroby (tj. stopnia objawów i obturacji dróg oddechowych), ale zazwyczaj obejmuje:
- Zaprzestanie palenia.
- Leki rozszerzające oskrzela w celu zmniejszenia zwężenia oskrzeli.
- Wziewne kortykosteroidy w celu zmniejszenia stanu zapalnego dróg oddechowych.
- Antybiotyki i doustne steroidy w przypadku zaostrzeń choroby.
- Długotrwała tlenoterapia (LTOT) w ciężkiej, postępującej chorobie.
Ryc. 4 – Rozedma płuc.