A gázcsere alapjai, a légzési gázok szállítása

Átírás

1 A gázcsere alapjai, a légzési gázok szállítása

2 Alapfogalmak szárazföldi gerincesek: a hatékony gázcseréhez a környezet és a sejtek közötti egyszerű diffúzió nem elég - légutak kialakítása (melegítés, párásítás, szűrés) - gázok szállítása a vérben vérplazmában, ill. vörösvértestek segítségével - áramlás folyamatos, kétirányú biztosítása a határfelszínek mentén (légmozgás és kapilláris-keringés) sejtlégzés: az anyagcsere folyamatokhoz szükséges O 2 felvétel és CO 2 leadás folyamata a sejtekben - gázcsere légzés: a légzési gázok kicserélése diffúzióval külső ~ : alveoláris levegő és tüdőkapillárisok között belső ~ : szöveti kapillárisok és szöveti sejtek között

3 Alapfogalmak speciális határfelszínek: alveólus hám; kapilláris endotélium + sejtmembrán alveólus epitélium levegő diffúzió kapilláris endotélium diffúzió sejtmembrán tüdő alveólus külső légzés véráramlás belső légzés szövetek O 2 felvétel és CO 2 leadás passzív folyamat (diffúzió); sebessége függ az adott gáz koncentráció (parciális nyomás) viszonyaitól a felület nagyságától a diffúziós távolságtól a gázmolekula méretétől és oldhatóságától - a transzport irányát is megszabja!

4 A levegő összetétele: N % O % CO % argon 0.93% Alapfogalmak O 2 nyomásviszonyok: tengerszinten 760 Hg mm Hg mm 6000 m 360 Hg mm - 80 Hg mm Egyes gázok vízoldhatósága légköri nyomásnál: N ml / 1000 ml viz O ml / 1000 ml viz CO ml / 1000 ml víz Magasabb nyomásnál nagyobb oldott gázmennyiség

5 Alapfogalmak parciális nyomás: a teljes gázkeverék össznyomásából az adott gázra eső nyomásérték oldott gáz nyomása (tenziója): azonos a vele egyensúlyban lévő gázfázisban az adott gáz parciális nyomásával (hőmérséklettől függ!) PO 2 (Hgmm) PO 2 (%) PCO 2 (Hgmm) PCO 2 (%) száraz levegő ,0 0,3 0,04 nedves levegő ,7 0,3 0,04 alveoláris gáz ,4 40 5,3 tüdő artéria 40 5,3 45 6,1 tüdő véna ,2 40 5,3 légköri légnyomás (tengerszinten): 760 Hgmm

6 A légzési gázok külső és belső légzés alatti parciális nyomásváltozásai kis vérkör alveolus CO 2 kilégzés O 2 belégzés tüdő kapillárisok légköri levegő: P O2 : 160 Hgmm P CO2 : 0,3 Hgmm alveoláris levegő: P O2 : 105 Hgmm P CO2 : 40 Hgmm deoxigenált vér: P O2 : 40 Hgmm P CO2 : 45 Hgmm tüdő felé külső légzés bal pitvar felé oxigenált vér: P O2 : 100 Hgmm P CO2 : 40 Hgmm nagy vérkör jobb pitvar felé belső légzés szöveti kapillárisok szövetek felé szövetek: P O2 : 40 Hgmm P CO2 : 45 Hgmm

7 Az alveoláris légzőhám felépítése respirációs (légzési) epitélium: 0,5 15 mm vastag, többrétegű specializált határfelület vérplazma vörösvértest II. típusú alveoláris sejt légzőhám I. típusú alveoláris sejt makrofág vörösvértest a tüdőkapillárisban kötőszövet rugalmas rost monocita O 2 diffúzió CO 2 diffúzió légzőhám surfactant vörösvértest endotél sejt kapilláris alaphártya hámszövet alaphártya I. alveoláris sejt szövet közötti folyadék alveoláris folyadék + surfactant kapilláris endotélium + alaphártya szövet közötti tér alveoláris epitélium (I. típusú sejtek) + alaphártya minél vastagabb a légzőhám, annál lassabb a diffúzió sebessége - cisztás fibrózis - tüdőödéma

8 Az O 2 szállítása O 2 fizikai oldódása rossz (halpusztulás, pipálás ) 5 l vér nyugalomban ml O 2 /min szállít, munkavégzéskor akár 4000 ml O 2 /min igény is lehet! hemoglobin (Hgb): O 2 oldódás ~70x növelése - oxihemoglobin élénkpiros, deoxihemoglobin sötét lilás-vörös (artériás/vénás vér színe) - vörösvértestekben tárolt - 4 fehérje-alegységből épül fel (globin; felnőttben pl. a 2 b 2 ) - reverzibilis O 2 kötés: hem (vastartalmú porfirinváz; Fe 2+ ) - max 4db O 2 kötés / Hgb hemoglobin

9 Vörösvérsejt képzés és lebomlás A vörös csontvelőben történik a vörösvérsejtek érése Szükséges faktorok: B 12 vitamin, B 6 és C vitamin, transzkortin, folsav eritropoetin (pajzsmirigyhormon, glükokortikoidok) A hemoglobin lebomlása: porfirin gyűrű felhasad zöld verdoglobin lehasad a vas és a globin zöld biliverdin utóbbi redukálódik- sárga bilirubin oxidálódik - barna urobilin ~120 nap a keringésben vvt pusztulás, fagocitózis makrofág (lép, máj, csontvelő) vizelet vese széklet vastagbél máj vékonybél vérképzés vörös csontvelő vérben epében

10 A hemoglobin O 2 kötése a Hgb O 2 -telítettsége (%) - O 2 -kötési képességét az ún. szaturációs (telítettségi) görbe jelzi 100% telítettség: csak oxihgb; mindegyik Hgb 4 O 2 -t köt 50% telítettség: pl. a Hgb 50%-a köt O 2 -t, ill. a 4 helyett csak 2 O 2 / Hgb kötés - az O 2 -kötési képessége a parciális O 2 -nyomástól igen jelentősen függ minél nagyobb a P O2, annál nagyobb a Hgb O 2 -telítettsége deoxigenált vér (összehúzódó vázizom) deoxigenált vér a szövetekben (nyugalomban) oxigenált vér az artériákban artériás, oxigenált vérben a Hgb ~100%-ban telített - a szöveti kapillárisokban, 40 Hgmm P O2 mellett a Hgb ~70%-ban telített -> O 2 leadás történt fokozott izomműködés esetén a Hgb telítettsége már csak ~ 35% -> igen nagyfokú O 2 leadás

11 A hemoglobin O 2 kötése a Hgb O 2 -telítettsége (%) - O 2 -kötési képességét az ún. szaturációs (telítettségi) görbe jelzi "jobbra tolt" görbe: azonos P O2 mellett a Hgb kevesebb O 2 -t köt - azaz több O 2 -t tud leadni pl. a szövetekben az alacsony affinitás (azaz az alacsony O 2 -kötés és nagy O 2 -leadás) a jó "balra tolt" görbe: azonos P O2 mellett a Hgb több O 2 -t köt - azaz több O 2 -t tud felvenni PO 2 (parciális O 2 nyomás; Hgmm) O 2 felvétel fokozódása O 2 leadás fokozódása pl. a tüdőben a magas affinitás (azaz a magas O 2 - kötés és a kis O 2 -leadás) a jó

12 A hemoglobin O 2 kötése - a P O2 mellett számos más tényező is befolyásolja a Hgb szaturációs görbéjét "jobbra tolt" görbe: savasodás (ph ), ill. CO 2 termelése (pco 2 ) magasabb hőmérséklet (T ) vörösvértestek aerob anyagcseréje (glikolízis; 2,3-difoszfoglicerát termelés ) magaslati tartózkodás "balra tolt" görbe: lúgosabb környezet (ph ), ill. alacsonyabb CO 2 szint (pco 2 ) alacsonyabb hőmérséklet (T ) vörösvértestek csökkent anyagcseréje (glikolízis, 2,3-difoszfoglicerát termelés ; ld. "vérkonzerv") Hgb alegységek típusa: pl. magzati hemoglobin vagy mioglobin a Hgb O 2 -telítettsége (%) PO 2 (parciális O 2 nyomás; Hgmm) "balra tolt" görbe "normál" görbe "jobbra tolt" görbe O 2 felvétel fokozódása O 2 leadás fokozódása

13 A hemoglobin O 2 kötése a Hgb O 2 -telítettsége (%) "balra tolt" görbe (folyt.): magzati Hgb - a magzati O 2 -felvétel biztosítása a placenta kapillárisaiba már részlegesen deszaturált vér kerül - azonos O 2 affinitás mellett a magzat O 2 ellátása nem lenne megoldott a magzati Hgb O 2 kötési képessége az anyai hemoglobinnál nagyobb a felnőtt a 2 b 2 összetétel helyett e és g láncok a magzati fejlődés során alacsonyabb plazma po 2 mellett is képes O 2 -t felvenni az anyai Hgb-tól anyai Hgb O 2 felvétel fokozódása O 2 leadás fokozódása - izomban a mioglobin is nagyobb O 2 -affinitással rendelkezik, mint a Hgb: fokozott munkavégzénél nagyobb mértékű O 2 felvétel érhető el az izomban

14 A hemoglobin O 2 kötése - CO (szénmonoxid) mérgezés 200x nagyobb affinitás CO iránt, mint O 2 iránt, így a disszociáció is sokkal lassabb 0,1% CO mellett a Hgb többsége már nem köt O 2 -t - Fe 2+ -> Fe 3+ oxidáció kötött O 2 maga is lassan oxidál Fe 3+ : methemoglobin, O 2 -kötésre nem képes methemoglobin-reduktáz (NADPH): fiziológiásan keletkezett methemoglobin folyamatos redukálása - örökletes methemoglobinaemia: enzim mutációja, inaktiváció - nitrát-szennyezés: fokozott oxidáló hatás, enzim nem képes visszaredukálni csecsemőknél különösen veszélyes

15 Az O 2 transzport károsodása a vér O 2 szállító képessége függ: a hemoglobin tartalomtól hipoxia: O 2 hiány a hemoglobin (O 2 -telítettségétől) szaturációjától a keringő vér mennyiségétől hipoxiás hipoxia: kevés az artériákban az O 2 alacsony po 2 (magas hegy) légzőizmok elégtelen működése (légmell) légzőközpont gyenge működése asztma, tüdőödéma, cisztás fibrózis, tüdőtágulás, pitvari sövény hiánya anémiás hipoxia: kevés a működőképes Hgb vérszegénység, CO mérgezés hipovolémiás, hipotenziós hipoxia: szövetekhez nem jut el az O 2 alacsony perctérfogat, alacsony vértérfogat, érelzáródás, szívelégtelenség szöveti hipoxia: szövetek nem tudják az O 2 -t felhasználni ciánmérgezés (terminális oxidáció, O 2 felvétel gátlása)

16 Az O 2 transzport károsodása búvármerülés: 10 m-ként 1 atm nyomásfokozódás külső nyomást ellensúlyozni kell -> sűrített levegő tiszta O 2 toxikus (tüdő, kognitív károsodás, de motoros funkció O.K.) m-ig: 80% N 2, 20% O 2 ; mélyebben P N2 fokozódása miatt mélységi mámor mélyebb merülés: N 2 helyett pl. hélium (remegés, motoros aktivitás károsodása, EEG a aktivitás csökkenés, de kognitív képességek OK) keszon betegség: gyors felmerülés P N2 hirtelen csökken, buborékképződés (10-30 min: csuklás, fájdalom, neurológiai problémák, gerincvelői paralízis) - a gáz tágulása a tüdővénákat szétrepesztheti, keringésbe levegő kerül (levegő embólia) - nagy mennyiség a kamrában felgyűlhet, kis buborék a kisebb ereket zárhatja el; már 5m mélységből is! - kezelés: túlnyomásos kamrában

17 A CO 2 szállítása 1. fizikai oldódás: a vérplazmában elég jó (0,7 ml/l), (5-7%) hőmérséklettől, CO 2 oldékonyságtól, CO 2 tenziótól lineárisan függ 2. hemoglobin karbamino-kötés (~23%) CO 2 diffúzió közvetlenül a vörösvértestbe CO 2 a hemoglobin szabad NH 2 csoportjával reagál karbamino-hgb egyensúlyi folyamat, függ Hgb + CO 2 Hgb-CO 2 - P CO2 -től (szöveti kapillárisban karbamino-hgb, tüdő-kapillárisban CO 2 képződés) - Hgb oxigenáltságától (deoxihgb nagyobb, oxihgb kisebb mértékben szállítja vénás vérben magasabb karbamino-hgb tartalom)

18 A CO 2 szállítása 3. szénsavképződés: szállítás HCO 3- formában a vérplazmában (~70%) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - vörösvértest citoplazma: nagy mennyiségű szénsavanhidráz - katalizátor; a reakciót mindkét irányba gyorsítani tudja vörösvértest membrán: sok Cl - / HCO 3- transzporter - passzív transzport; a keletkező HCO 3- -t kiszállítja a vérplazmába, helyette Cl - -t szállít be 1 3 légzőhám 2 kapillárisfal lassú szövet légzőhám vörösvértest alveoláris tér karbamino-hgb vérplazma szénsavanhidráz alveoláris tér gyors kloridcsere szénsavanhidráz vérplazma - klorid csere (Hamburgereltolódás) szénsavanhidráz

19 A CO 2 szállítása 3. szénsavképződés a szövetekben a vvt-n belül a Hgb megköti a keletkező H + -t, így jelentős a HCO 3 - képződés Cl - /HCO 3- csere: a HCO 3- a vérplazmába transzportálódik, helyébe Cl - kerül a szöveti kapillárisokban a CO 2 a vvt-n belül hidrokarbonáttá (HCO 3 -) alakul, majd a vérplazmában szállítva jut el a tüdőbe szöveti kapillárisokban a vvt Hgb deoxigenálódik - a deohgb viszont jobban köti a H + -t 3 légzőhám kapillárisfal lassú szövet légzőhám alveoláris tér karbamino-hgb vérplazma szénsavanhidráz alveoláris tér gyors kloridcsere a HCO 3- -képződés a Hgb deoxigenálódásától is függ vörösvértest vérplazma szénsavanhidráz

20 A CO 2 szállítása 3. szénsavképződés a tüdőkapillárisokban a vvt-ben a Hgb O 2 -t köt, így a H + disszociál > a vvt citoplazmájában a HCO 3- szénsavvá alakul, majd disszociál vvt citoplazmában felszabaduló CO 2 a vérplazmába, majd az alveoláris térbe diffundál alveoláris tér vvt-n belüli HCO 3- mennyisége csökken > a Cl - /HCO 3- - transzporter a magas vvt Cl - helyett a vérplazmából HCO 3- -t hoz be vvt-n belül folyamatos CO 2 képződés, amely diffúzióval az alveoláris térbe jut légzőhám vérplazma kloridcsere szénsavanhidráz vörösvértest