Schimbul de gaze

admin 0 Comments Articles

Schimbul de gaze

Schimbul de gaze este procesul prin care oxigenul și dioxidul de carbon se deplasează între fluxul sanguin și plămâni. Aceasta este funcția primară a sistemului respirator și este esențială pentru asigurarea unui aport constant de oxigen către țesuturi, precum și pentru eliminarea dioxidului de carbon pentru a preveni acumularea acestuia.

Acest articol va discuta principiile schimbului de gaze, factorii care afectează rata schimbului și condițiile clinice relevante.

Fizica difuziei gazelor

Mișcarea gazelor într-un spațiu închis (în acest caz, plămânii) este aleatorie, dar, în general, difuzia are ca rezultat deplasarea dinspre zonele cu concentrație mare spre cele cu concentrație mică. Viteza de difuzie a unui gaz este afectată în principal de

• Gradientul de concentrație: Cu cât gradientul este mai mare, cu atât viteza este mai rapidă.
• Suprafața de difuzie: Cu cât suprafața este mai mare, cu atât viteza este mai rapidă.
• Lungimea căii de difuzie: Cu cât lungimea căii de difuzie este mai mare, cu atât viteza de difuzie este mai mică.

Coliziunea moleculelor de gaz cu părțile laterale ale recipientului duce la apariția presiunii. Aceasta este definită de legea gazului ideal, dată de următoarea ecuație:

(n reprezintă numărul de moli, R constanta gazelor (8.314), T temperatura absolută și V volumul recipientului)

Fig 1 – Ecuația pentru calcularea presiunii unui gaz într-un recipient

Difuzia gazelor prin gaze

Când gazele difuzează prin alte gaze (cum ar fi în alveole), viteza lor de difuzie poate fi definită prin legea lui Graham:

„Viteza de difuzie este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei sale molare la presiune și temperatură identice”

Cu alte cuvinte, cu cât masa unui gaz este mai mică, cu atât va difuza mai rapid.

Difuzia gazelor prin lichide

Când gazele difuzează prin lichide, de exemplu prin membrana alveolară și în sângele capilar, solubilitatea gazelor este importantă. Cu cât un gaz este mai solubil, cu atât va difuza mai repede.

Solubilitatea unui gaz este definită de legea lui Henry, care afirmă că:

„Cantitatea de gaz dizolvat într-un lichid este proporțională cu presiunea parțială a acestuia deasupra lichidului”.

Dacă presupunem că condițiile de temperatură și presiune pentru toate gazele rămân fixe (așa cum se întâmplă aproximativ în alveole), atunci diferențele inerente dintre diferitele gaze sunt cele care determină solubilitatea lor.

Diescoxidul de carbon este în mod inerent mai solubil decât oxigenul și, prin urmare, difuzează mult mai repede decât oxigenul în lichid.

Legea lui Fick

Legea lui Fick ne oferă o serie de factori care influențează viteza de difuzie a unui gaz prin fluid:

• Diferența de presiune parțială de-a lungul barierei de difuzie.
• Solubilitatea gazului.
• Aria secțiunii transversale a fluidului.
• Distanța de care au nevoie moleculele pentru a difuza.
• Greutatea moleculară a gazului.
• Temperatura fluidului – nu este importantă în interiorul plămânilor și se poate presupune că este de 37oC.

În plămâni, în timp ce oxigenul este mai mic decât dioxidul de carbon, diferența de solubilitate înseamnă că dioxidul de carbon difuzează de aproximativ 20 de ori mai repede decât oxigenul.

Această diferență între viteza de difuzie a moleculelor individuale este compensată de diferența mare a presiunilor parțiale ale oxigenului, creând un gradient de difuzie mai mare decât cel al dioxidului de carbon.

Cu toate acestea, acest lucru înseamnă că în stările de boală care afectează capacitatea plămânilor de a ventila în mod adecvat cu oxigen, schimbul de oxigen este adesea compromis înaintea celui de dioxid de carbon.

Difuzia oxigenului

Presiunea parțială a oxigenului este scăzută în alveole în comparație cu mediul extern. Acest lucru se datorează difuziei continue a oxigenului prin membrana alveolară și efectului de diluare a dioxidului de carbon care intră în alveole pentru a părăsi organismul.

În ciuda acestui fapt, presiunea parțială este încă mai mare în alveole decât în capilare, ceea ce duce la o difuzie netă în sânge. Odată ce a difuzat prin membranele alveolare și capilare, se combină cu hemoglobina. Aceasta formează oxihemoglobina, care transportă oxigenul către țesuturile care respiră prin fluxul sanguin.

Mai multe informații despre transportul oxigenului în sânge pot fi găsite aici.

În timpul exercițiilor fizice, sângele petrece până la jumătate din timpul normal (o secundă în repaus) în capilarele pulmonare, datorită creșterii debitului cardiac care deplasează sângele mai rapid în tot corpul. Cu toate acestea, difuzia oxigenului este completă în mai puțin de o jumătate de secundă de la sosirea celulei sanguine în capilar, ceea ce înseamnă că exercițiul fizic nu este limitat de schimbul de gaze.

Fig 2 – Diagramă care prezintă presiunile parțiale ale oxigenului și dioxidului de carbon în sistemul respirator

Difuzia dioxidului de carbon

Presiunea parțială a dioxidului de carbon în capilare este mult mai mare decât cea din alveole. Acest lucru înseamnă că difuzia netă are loc în alveole din capilare. Dioxidul de carbon poate fi apoi expirat deoarece presiunea parțială din alveole este, de asemenea, mai mare decât presiunea parțială din mediul extern.

Dioxidul de carbon este transportat în sânge în mai multe moduri; inclusiv dizolvat, asociat cu proteine și sub formă de ioni de bicarbonat. Informații suplimentare despre transportul dioxidului de carbon în sânge pot fi găsite aici.

Bariera de difuzie

Bariera de difuzie din plămâni este formată din următoarele straturi:

• Epiteliul alveolar
• Fluidul tisular
• Endoteliul capilar
• Plasma
• Membrana eritrocitară

Fig 3. Diagramă care prezintă straturile care alcătuiesc bariera de difuzie în plămâni

Factori care afectează viteza de difuzie

Există multe proprietăți care pot afecta viteza de difuzie în plămâni. Principalii factori includ:

• Grosimea membranei – cu cât membrana este mai subțire, cu atât viteza de difuzie este mai rapidă. Bariera de difuzie în plămâni este extrem de subțire , însă unele condiții determină îngroșarea barierei, afectând astfel difuzia. Exemplele includ:
  • Fluid în spațiul interstițial (edem pulmonar).
  • Îngroșarea membranei alveolare (fibroză pulmonară).
• Suprafața membranei – cu cât suprafața este mai mare, cu atât viteza de difuzie este mai rapidă. În mod normal, plămânii au o suprafață foarte mare pentru schimbul de gaze datorită alveolelor.
  • Boli precum emfizemul duc la distrugerea arhitecturii alveolare, ducând la formarea unor spații mari pline de aer, cunoscute sub numele de buloase. Acest lucru reduce suprafața disponibilă și încetinește rata schimbului de gaze.
• Diferența de presiune de-a lungul membranei
• Coeficientul de difuzie al gazului

Relevanță clinică – Emfizemul

Efizemul este o boală cronică, progresivă, care duce la distrugerea alveolelor din plămâni. Acest lucru are ca rezultat o suprafață foarte redusă pentru schimbul de gaze în plămâni, ceea ce duce în mod obișnuit la hipoxie (insuficiență respiratorie de tip 1).

Simptomul principal al emfizemului este scurtarea respirației, însă pacienții pot prezenta, de asemenea, respirație șuierătoare, tuse persistentă sau senzație de apăsare în piept. Emfizemul, alături de bronșita cronică, sunt afecțiunile care alcătuiesc boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC). În timp ce fumatul este cea mai frecventă cauză, alți factori de risc includ expunerea la fumatul pasiv, expunerea la fumul sau praful de la locul de muncă și traiul în zone cu un nivel ridicat de poluare.

Tratamentul depinde de stadiul afecțiunii (adică de gradul de simptome și de obstrucție a căilor respiratorii), dar de obicei include:

• Încetarea fumatului.
• Bronhodilatatoare pentru a reduce constricția bronșică.
• Corticosteroizi pe cale inhalatorie pentru a reduce inflamația căilor respiratorii.
• Antibiotice și steroizi pe cale orală pentru exacerbări ale bolii.
• Oxigenoterapie pe termen lung (LTOT) în boala progresivă severă.

Fig 4 – Plămâni emfizematoși

.