A gázcsere alapjai, a légzési gázok szállítása

A gázcsere alapjai, a légzési gázok szállítása

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

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!

A levegő összetétele: N 2 78.09% O 2 20.95% CO 2 0.03% argon 0.93% Alapfogalmak O 2 nyomásviszonyok: tengerszinten 760 Hg mm - 160 Hg mm 6000 m 360 Hg mm - 80 Hg mm Egyes gázok vízoldhatósága légköri nyomásnál: N 2 16.9 ml / 1000 ml viz O 2 34.19 ml / 1000 ml viz CO 2 11019 ml / 1000 ml víz Magasabb nyomásnál nagyobb oldott gázmennyiség

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 160 21,0 0,3 0,04 nedves levegő 150 19,7 0,3 0,04 alveoláris gáz 105 13,4 40 5,3 tüdő artéria 40 5,3 45 6,1 tüdő véna 100 13,2 40 5,3 légköri légnyomás (tengerszinten): 760 Hgmm

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

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

Az O 2 szállítása O 2 fizikai oldódása rossz (halpusztulás, pipálás ) 5 l vér nyugalomban 250-280 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

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

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

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

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 (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 PO 2 (parciális O 2 nyomás; Hgmm) "balra tolt" görbe "normál" görbe "jobbra tolt" görbe O 2 felvétel fokozódása O 2 leadás fokozódása

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

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

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)

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.) 30-40 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

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)

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

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

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