气体交换
作者: 医知苑
最后更新时间: 2024-04-29
作者: 医知苑
最后更新时间: 2024-04-29
气体交换是氧气和二氧化碳在血液和肺部之间移动的过程。这是呼吸系统的主要功能。必须确保组织持续供应氧气，并清除二氧化碳以防止其积聚。
本文将讨论气体交换的原理、影响交换速率的因素以及相关的临床情况。
气体扩散物理学
气体在封闭空间（在本例中为肺部）中的运动是随机的。然而，总体扩散导致从高浓度区域向低浓度区域的移动。气体的扩散速率主要受以下因素 影响
- 浓度梯度： 梯度越大，速率越快
- 扩散表面积： 表面积越大，扩散速度越快
- 扩散路径的长度： 路径长度越长，速度越慢
气体分子与容器侧面的碰撞会产生压力。这是由理想气体定律定义的，如下式所示：
（n代表摩尔数，R代表气体常数（8.314），T代表绝对温度，V代表容器体积）
气体通过气体的扩散
当气体扩散通过其他气体（例如在肺泡中）时，它们的扩散速率可以由格雷厄姆定律定义：
“在相同压力和温度下，扩散速率与其摩尔质量的平方根成反比”
换句话说， 气体的质量越小，扩散的速度就越快。
气体通过液体的扩散
当气体通过液体扩散时，例如穿过肺泡膜并进入毛细血管血液中，气体的溶解度很重要。气体的溶解度越高，扩散的速度就越快。
气体的溶解度由亨利定律定义，该定律指出：
“液体中溶解气体的量与其在液体上方的分压成正比”。
如果我们假设所有气体的温度和压力条件保持固定（就像它们在肺泡中的情况一样），那么不同气体之间的固有差异决定了它们的溶解度。
二氧化碳本质上比氧气更易溶解 ，因此比氧气更快地扩散到液体中。
菲克定律
菲克定律为我们提供了许多影响 气体通过流体 扩散速率的因素：
- 穿过扩散势垒的分压差
- 气体的溶解度
- 流体的横截面积
- 分子需要扩散的距离
- 气体的分子量
- 液体温度 – 在肺部并不重要，可以假设为 37 o C
在肺部，虽然氧气比二氧化碳小，但溶解度的差异意味着二氧化碳的扩散速度大约 是氧气的20 倍 。
各个分子的扩散速率之间的差异可以通过氧分压的巨大差异来补偿，从而产生比二氧化碳更大的扩散梯度。
然而，这意味着在损害肺部充分通氧能力的疾病状态下，氧气交换通常会先于二氧化碳交换而受到损害。
氧气的扩散
与外部环境相比，肺泡中的氧分压较低。这是由于氧气持续 扩散穿过肺泡膜以及进入肺泡离开身体的二氧化碳的稀释作用。
尽管如此，肺泡中的分压仍然高于毛细血管中的分压，导致净扩散到血液中。一旦它扩散穿过肺泡和毛细血管膜，它就会与血红蛋白结合。这形成氧合血红蛋白，通过血流将氧气输送到呼吸组织。
有关血液内氧气输送的更多信息可以在此处找到。
运动期间，由于心输出量的增加，血液在身体各处的流动速度加快，血液在肺毛细血管中停留的时间是正常时间的一半（静止时一秒）。然而，氧气的扩散 在血细胞到达毛细血管后半秒内完成 。这意味着运动 不受 气体交换的限制。
图 2 – 显示呼吸系统中氧气和二氧化碳分压的图表
二氧化碳扩散
毛细血管中的二氧化碳分压远高于肺泡中的二氧化碳分压。这意味着净扩散从毛细血管进入肺泡。然后，由于肺泡中的分压高于外部环境中的分压，二氧化碳被 呼出。
二氧化碳在血液中以多种方式运输；包括溶解的、与蛋白质相关的以及作为碳酸氢 根离子的。有关血液中二氧化碳运输的更多信息，请参见此处。
扩散势垒
肺部的扩散屏障由以下几层组成：
- 肺泡上皮
- 组织液
- 毛细血管内皮
- 等离子体
- 红细胞膜
图 3 – 显示构成肺部扩散屏障的各层的图表
影响扩散速率的因素
有许多特性会影响肺部的扩散速率。主要因素包括：
-
膜厚度 ——膜越薄，扩散速度越快。肺部的扩散屏障非常薄，但某些情况会导致屏障增厚，从而损害扩散。示例包括：
- 间质内有液体（肺水肿）
- 肺泡膜增厚（肺纤维化）
-
膜表面积——表面积越大，扩散速度越快。由于肺泡，肺部通常具有非常大的表面积用于气体交换。
- 肺气肿等疾病会导致肺泡结构的破坏。这会导致形成大的充满空气的空间，称为大疱。这减少了可用表面积并减慢了气体交换速率
- 跨膜压差
- 气体扩散系数
临床相关性 -肺气肿
肺气肿是一种慢性进行性疾病，会导致肺部肺泡遭到破坏。这会导致肺部气体交换表面积大大减少，这通常会导致缺氧（1 型呼吸衰竭）。
肺气肿的主要症状是呼吸短促，但患者也可能会出现喘息、持续咳嗽或胸闷等症状。肺气肿与慢性 支气管炎一起构成慢性阻塞性肺病 ( COPD )。虽然吸烟是最常见的原因，但其他危险因素包括接触二手烟、接触职业烟雾或灰尘以及生活在污染严重的地区。
治疗取决于病情的阶段（即症状和气道阻塞的程度），但通常包括：
- 戒烟
- 支气管扩张剂可减少支气管收缩
- 吸入皮质类固醇 以减少气道炎症
- 抗生素和口服类固醇治疗疾病的感染性恶化
- 严重进展性疾病的长期氧疗 (LTOT)
图 4 – 肺气肿