Principes van gaswisseling; uitwisseling zuurstof en koolstofdioxide

De diffusie van zuurstof van de alveoli naar het pulmonaire bloed en diffusie van koolstofdioxide in tegengestelde richting verloopt willekeurig door de beweging van genoemde moleculen. De snelheid waarmee diffusie plaats vindt is een complex proces. Begrip hiervan vereist kennis van de natuurkundige principes van diffusie.


Diffusie en partiële gasconcentratie

Ademhalingsgassen diffunderen van gebieden met een hoge naar een lage partiële gasconcentratie. De snelheid van diffusie van ademhalingsgassen (zuurstof, stikstof, koolstofdioxide) is direct evenredig aan de druk veroorzaakt door elk individueel gas; dit wordt de partiële gasdruk genoemd. Partiële gasdruk wordt gebruikt om de concentratie van een gas weer te geven. De partiele druk van zuurstof, koolstofdioxide en stikstof worden PO2, PCO2 en PN2 genoemd. De partiële druk van een gas wordt berekend door de fractionele druk te bepalen. Lucht bestaat ongeveer uit 79 procent stikstof en ongeveer 21 procent zuurstof. De totale luchtdruk op zeeniveau is ongeveer 760mm Hg; 79 procent van de luchtdruk wordt daarom bepaald door stikstof (600mm Hg) en 21 procent (160mm Hg) wordt door zuurstof bepaald. De druk van een opgelost gas wordt niet alleen door de concentratie, maar ook door de oplosbaarheid bepaald. Sommige moleculen, met name koolstofmoleculen voelen zich fysisch en/of chemisch bijzonder aangetrokken tot watermoleculen. Hierdoor kunnen zeer veel koolstofmoleculen opgelost worden in water, zonder dat de druk in de oplossing toeneemt. De relatie tussen de concentratie van een gas en de oplosbaarheid van datzelfde gas wordt uitgedrukt met de wet van Henry

  • Druk=Concentratie van een opgelost gas/Oplosbaarheidscoefficient

De verdampingsdruk van water op lichaamstemperatuur is 47mm Hg. Wanneer lucht door de ademhalingswegen stroomt, wordt deze bevochtigd. Wanneer het gasmengsel volledig is verzadigd met water, is de partiele waterdruk van water 47mm Hg. Deze partiele waterdruk wordt PH2O genoemd.

Samenstelling van alveolair gas

De concentratie van gassen in lucht in de alveoli verschilt van de concentratie in atmosferische lucht.

  • Alveolaire lucht wordt bij elke ademteug deels vervangen door atmosferische lucht.
  • Zuurstof wordt constant uit de alveoli geabsorbeerd.
  • Koolstofdioxide diffundeert constant vanuit het bloed naar de alveoli.
  • Droge atmosferische lucht wordt bevochtigd, voordat het de alveoli bereikt.

Waterdamp verdunt de andere gassen in de ingeademde lucht. Atmosferische lucht bestaat voornamelijk uit stikstof en zuurstof; het bevat bijna geen koolstofdioxide en water. Atmosferische lucht wordt geheel verzadigd met water als het door de luchtwegen stroomt. De waterdamp bij normale temperatuur (47mm Hg) verdunt de andere gassen in de ingeademde lucht. De partiele druk van zuurstof in ingeademde lucht daalt van 159 naar 149mm Hg. Van stikstof daalt deze van 597 naar 563,4mm Hg.

Alveolaire lucht wordt traag vervangen door atmosferische lucht. Ongeveer 1 zevende deel van de alveolaire lucht wordt bij elke inademing vervangen door atmosferische lucht. Deze trage vervanging van alveolaire lucht, voorkomt grote schommelingen in gasconcentraties in het bloed. De alveolaire zuurstofconcentratie wordt gecontroleerd door de snelheid van zuurstofabsorptie in het bloed en de snelheid waarmee zuurstof in de longen stroomt. Hoe sneller zuurstof wordt geabsorbeerd des te lager is de concentratie in alveoli. Uitgeademde lucht is combinatie van lucht uit de dode ruimte en alveolaire lucht. Wanneer lucht wordt uitgeademd, wordt deze vochtig gemaakt door lucht in de dode ruimte.

Diffusie van gassen door het respiratoire membraan

Een respiratoire eenheid bestaat uit een bronchi, alveolaire wegen, voorhof en alveoli. Een long bestaat ongeveer uit 300 miljoen respiratoire eenheden. De alveolaire wand is extreem dun en wordt omgeven door zeer veel capillairen. Gaswisseling vindt plaats in alle terminale delen van de longen en niet alleen in de alveoli. Deze delen worden het respiratoire of pulmonaire membraan genoemd. Het respiratoire membraan bestaat uit diverse lagen. De gaswisseling van zuurstof en koolstofdioxide tussen het bloed en de alveolaire lucht vereist diffusie door de volgende lagen:

  • Een laagje vocht (surfactant) die de alveolus omhult.
  • Het alveolaire epitheel, welke bestaat uit dunne epitheelcellen.
  • Een epitheliaal basaal membraan.
  • Een dunne interstitiële ruimte tussen het alveolaire en capillaire membraan.
  • Een capillair basaal membraan dat samenkomt met het basaal epitheliaal membraan.
  • Het capillaire endotheliale membraan.

Het respiratoire membraan is geoptimaliseerd voor gaswisseling door de volgende fysiologische eigenschappen:

  • Dikte van het membraan. Ondanks de vele lagen is het gehele membraan niet dikker dan 0,6 micrometer.
  • Oppervlakte van het membraan. Het totale membraan heeft een oppervlakte van 70 vierkante meter (ongeveer even groot als een volleybalveld).
  • Capillaire bloedvolume is relatief groot (ongeveer 60 tot 140 milliliter).
  • Capillaire diameter is ongeveer 5 micrometer. Hierdoor raakt de erytrocyt de capillaire wand.

Verschillende factoren beïnvloeden de snelheid van de gaswisseling. Deze factoren zijn:

  • Dikte van het respiratoire membraan. De snelheid van gaswisseling kent een omgekeerd evenredig verband met de dikte van het membraan. Oedeem vertraagt de gaswisseling, omdat ademgassen niet alleen door het membraan, maar ook door de vloeistof heen moeten bewegen. Fibrose van sommige longdelen maakt het membraan ook dikker.
  • Oppervlakte van het respiratoire membraan. Emfyseem verkleint de gaswisselingsoppervlakte. Emfyseem kan de oppervlakte met een factor 5 verkleinen.
  • Diffusiecoëfficiënt. De diffusiecoëfficiënt van de verplaatsing van ieder gas over het respiratoire membraan is afhankelijk van de oplosbaarheid in het membraan en de wortel van het moleculaire gewicht van het desbetreffende gas.
  • Drukverschil over het membraan. Het verschil in partiële druk van een gas in de alveoli en het bloed is direct proportioneel aan de absorptiesnelheid.

Diffusiecapaciteit van het respiratoir membraan

De diffusiecapaciteit van de longen is voor koolstofdioxide 20 keer groter, dan voor zuurstof. Het vermogen van het respiratoir membraan om het gassen te transporteren, kan in een kwantitatieve maat uitgedrukt worden. Deze maat wordt de diffusiecapaciteit genoemd en is de hoeveelheid gas die bij een drukverschil van 1mm Hg per minuut over het membraan getransporteerd wordt. De diffusiecapaciteit van zuurstof in rust is ongeveer 21ml/min/mm Hg. De diffusiecapaciteit voor koolstofdioxide is 440ml/min/mm Hg. De diffusiecapaciteit voor zuurstof neemt toe tijdens inspanning. Tijdens inspanning stijgt oxygenisatie van bloed door een toegenomen ventilatie en een verbeterde diffusie van zuurstof. Tijdens zeer zware inspanning kan de diffusiecapaciteit toenemen tot 65ml/min/mm Hg. Deze toename wordt veroorzaakt door:

  • Oppervlaktevergroting. Het openen van gesloten capillairen en het verwijden van geopende capillairen vergroot de oppervlakte van diffusie.
  • Toegenomen ventilatie-perfusie ratio (VA/Q). Inspanning verbetert de verhouding tussen ventilatie van de alveoli en perfusie van de alveolaire capillairen.

Effect van de ventilatie-perfusie ratio op alveolaire gasconcentratie

In rust en bij sommige longziekten zijn sommige longgebieden zijn goed geventileerd, maar zijn niet doorbloed. Andere longgebieden zijn heel erg goed doorbloed, maar worden niet geventileerd. Onder deze omstandigheden is de gaswisseling verre van optimaal. Er is een kwantitatief concept ontwikkeld om dit principe te verklaren. Dit concept wordt de ventilatie-perfusie ratio genoemd (VA/Q). De VA/Q is de ratio tussen alveolaire ventilatie en pulmonaire bloedvoorziening. Wanneer VA (alveolaire ventilatie) normaal is bij een normale alveolaire bloedvoorziening (Q), dan is de VA/Q ook normaal.

  • Wanneer de VA/Q nul is, dan is er geen alveolaire ventilatie. De lucht in de alveolus bevat dezelfde hoeveelheid koolstofdioxide en zuurstof als het bloed. Omdat het bloed wat door de capillairen stroomt veneus bloed is, bereiken de gassen in het veneuze bloed een evenwicht met de gassen in de alveoli; de alveolaire PO2 is 40mm Hg en de PCO2 is 45mm Hg.
  • Wanneer VA/Q oneindig is, is er geen capillair bloed om zuurstof of koolstofdioxide te vervoeren. De alveolaire lucht heeft nu dezelfde concentratie als de bevochtigde ingeademde lucht, welke een PO2 van 149mm Hg en een PCO2 van 0mm Hg.
  • Wanneer de VA/Q normaal is, is er een normale alveolaire ventilatie en normale alveolaire capillaire bloedvoorziening; gaswisseling van zuurstof en koolstofdioxide is bijna optimaal. Alveolaire PO2 is normaal bij 104mm Hg en de alveolaire PCO2 is normaal 40mm Hg.

Concept van de fysiologische shunt

Als de fysiologische shunt toeneemt, daalt de oxygenisatie van het bloed. Wanneer de VA/Q daalt, is een gedeelte van het veneuze bloed niet van zuurstof voorzien. Dit gedeelte van het bloed noemt met “shunted” bloed. Een gedeelte van het totale HartMinuutVolume stroomt door de bronchiale vaten en niet door de alveolaire vaten (ongeveer 2 procent van het totale HartMinuutVolume). Dit bloed wordt ook niet van zuurstof voorzien. De totale hoeveelheid “shunted” bloed, wordt de fysiologische shunt genoemd.

Concept van de fysiologische dode ruimte

Wanneer de fysiologische dode ruimte groot is, wordt een groot gedeelte van de arbeid om te ademen verspild. Wanneer alveoli wel worden geventileerd, maar er stroomt geen bloed door heen is er zeer veel zuurstof wat niet het bloed bereikt. Ventilatie van de anatomische dode ruimte is ook verspild.

Afwijkingen van de VA/Q

VA/Q is hoog in de longtoppen en laag in de basis van de longen. Circulatie en ventilatie stijgen als verder wordt afgedaald in de longen. Circulatie neemt echter meer toe, dan de ventilatie. De VA/Q is daarom hoger in de longtoppen, dan in de basis van de longen. Tijdens inspanning neemt de circulatie in de longtop toe, zodat de fysiologisch dode ruimte afneemt en de gaswisseling optimaal is.

De VA/Q kan afnemen of toenemen bij COPD. Rokers ontwikkelen op den duur bronchiale obstructies, waardoor alveolaire lucht gevangen blijft. Hierdoor kan emfyseem ontstaan, welke de alveolaire wanden kan vernietigen. Twee afwijkingen kunnen bij rokers voorkomen:

  • Lage VA/Q. Omdat de kleine bronchiolen verstopt zijn. De alveoli achter de verstopping worden niet geventileerd.
  • Hoge VA/Q. in gebieden waar de alveolaire wanden vernietigd zijn, is nog steeds een alveolaire ventilatie. Deze is echter wel afgenomen door de verminderde circulatie.

Lees ook:

Loop geen inkomsten mis, schrijf over hobby, werk of studie en verdien extra inkomsten!

Maak je eigen geldmachine in 8 stappen en wordt financieel onafhankelijk

Functies van de luchtwegen; trachea, bronchi en bronchiolen

Longen en ademhaling

Rode bloedcellen (erythrocyten)

Respiratoire insufficiëntie

Transport van zuurstof en koolstofdioxide in bloed en weefsels

Bronnen:

JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology, Elsevier Inc

GA Thibodeau, Patton KT 2007, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier

EN Marieb, Hoehn K 2007, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings