A gázcsere fizikai alapja, gázcsere kiszámítása - a biofizika alapja
A tüdőben a szervezet és a környezet közötti csere van. A légzőizmok munkájának köszönhetően a tüdő alveolusok kicserélik ezeket a gázokat a légkörrel. Ez biztosítja az alveoláris gázkeverék relatív állandóságát. Az alveoláris gázkeverék és a pulmonalis kapillárisok vére közötti gázcsere az alveoláris-kapilláris membránon (AKM) történik. Az AKM sematikusan van ábrázolva:
Az alveoláris-kapilláris membrán és a gázok diffúziója a tüdőben
1 - alveoláris hám, 2 - intercelluláris környezet, 3 - kapilláris endotélium, 4 - vérplazma, 5 - eritrocita membrán
A tüdőben történő gázcserét csak egy erő - az AKM gázainak egyes koncentrációjának gradiensével - hajtják végre. A gázok tömeges átadása engedelmeskedik Fick egyenlete:
A Fick egyenlete az ACM-en keresztüli gázáram mennyiségi becslésével célszerű helyettesíteni a koncentráció gradiensét a részleges nyomás és a gázfeszültségek gradiensével.
A gáz részleges nyomása a gázkeverék komponensének olyan nyomása, amelyet a lezáró héjra gyakorol, ha az adott keverék teljes térfogatát elfoglalták.
-részleges nyomás az alveolusoktól.
-feszültség a kapillárisokban (a vérben).
Vizsgáljuk meg a gázkeverék alveolusaiban a részleges nyomás értékét. Egyrészt a tüdõkapillárisok vérében a térfogat. Ez olyan erők értékeléséhez szükséges, amelyek hatására az AKM-n keresztül történik a csere. A pulmonalis alveolák gázkeverékében mm.rt.st. vagy 13,7 kPa. Hgmm vagy 5,3 kPa. A részleges nyomások kiszámítását az alveolák gázkeverékében általában a következő képlet segítségével végezzük:
-a gáz részleges nyomása.
-a vízgőz telített gáznyomása az alveolákban, t = 36,7. = 47 mm Hg vagy 6,3 kPa.
-a gáz gázkeverékben való koncentrációja% -ban.
A gázkeverék részleges nyomása és alveolusai ellensúlyozzák az ilyen gázok ACM-feszültségét a pulmonalis kapillárisok vénás vérében, mint mmHg. vagy 4,9 kPa, mm Hg. vagy 6,1 kPa. Az egyes gázok összehasonlításából következik, hogy az AKM koncentráció gradiensekkel is lekerül, de ellentétes irányban: az alveoláris gázkeveréktől a vérig, és fordítva.
A számítások nem az AKM-n keresztül szállított gáz tömegére vonatkoznak, hanem a térfogatára. Ezután az egyenlet:
-hossz, vastagság AKM.
Ahhoz, hogy teljes mértékben értékelhesse az AKM-et, ismernie kell a vastagságot. Az AKM két sejtrétegből áll:
a pulmonalis kapillárisok endotéliuma,
és a közöttük lévő bazális membrán. Az AKM teljes vastagsága körülbelül 0,2 μm, de a nukleáris sejtrégióban körülbelül 10 μm.
Ezen összetevők mellett ez egy több szelektív rendszer, amelyen keresztül gáz diffundál. A tüdők tartalmaznak egy subfakt filmet is.
A szubfaktát alapja egy biomolekuláris lipidréteg, amely hasonlít a biológiai membrán foszfolipidrétegéhez.
A szubfaktumok felhalmozódása az alveolusok epitélium felületén további diffúziós közeget hoz létre az AKM-nek, mely gázok a tömegátadás során legyőznek. Az alfaktum következtében a diffúziós útvonal meghosszabbodik, ami viszont az AKM koncentráció-gradiensének bizonyos csökkenéséhez vezet. Azonban, anélkül subfaktata levegőt általában nem lenne lehetséges, mivel a falak a léghólyagokra mattított alatt jelentős felületi feszültséget, amely velejárója az alveoláris epithelium. A szubfaktát csökkenti az alveoláris falak felületi feszültségét, és megakadályozza, hogy az alveolák összezúzzanak.
A koncentrációs gradiensek és az ACM markánsan csökken a patológiában. Csökkenhetnek, mint az alveolákban vagy a pulmonalis kapillárisokban a koncentrációban bekövetkező változások, vagy az AKM elvékonyodása következtében. Az első oka jellemző arra, hogy megváltoztatják a szervezet gáznemű környezetét (ha az ember a légkörben marad), ha tüdőbetegség zavar (sok tüdőbetegségben, a légzőizmok elégtelen működésével). A második patológia tüdőödéma. Ebben az esetben a kapillárisokból kilépő folyadék felhalmozódik az intercelluláris közegben (bazális membrán). Ez az AKM elvékonyodásához vezet, és élesen csökkenti a gázkoncentráció gradiensét az AKM-ra, még akkor is, ha koncentrációjuk normális különbséggel bír.
Normális körülmények között a diffúziós útvonal megközelítőleg 5 μm. Ezen a távolságon a koncentrációs különbség nem azonos. Ez nagyobb, mint egy nagyságrenddel, és a parciális nyomás értékei, amelyek: körülbelül 70 mm. Hg. Art. vagy 9,3 kPa, körülbelül 6 mm. Hg. Art. vagy 0,8 kPa. Azonban a parciális nyomás ilyen jelentős különbsége és a gázok tömegátadása ugyanaz.
Ennek az az oka, hogy az AKM-en keresztül eltérő áteresztő képességük van. Mindegyikük áthatoló erejét a diffúziós együtthatóval becsüljük meg. Kísérletileg megállapítást nyert, hogy vízben. A levegőben 4-5 nagyságrend nagyobb (). A lipid több nagyságrenddel kisebb, mint a víz. Az AKM-n átnyúló teljesítmény jellemzi. Ez lehetővé tette számunkra, hogy arra következtethessünk, hogy áthalad az AKM-en a vízzel töltött pórusokon keresztül. Továbbá áthalad az AKM és a. de 20-25-ször gyorsabb. mivel jobban oldódik a vízben. A vízben való nagyfokú oldhatóság a kis (közel nulla) dipólus pillanatának köszönhető. A molekulák szimmetrikus szerkezete miatt nem polarizálódnak. A molekula nem lép kölcsönhatásba a biológiai membrán komponenseinek töltött csoportjaival, és könnyen áthalad rajta. E tekintetben a legmagasabb penetráló képesség kapcsolódik számos olyan folyamatban való részvételéhez, amelyek szabályozzák a szervezet légzését, keringését, metabolizmusait és egyéb funkcióit.