Chương 40: Nguyên tắc của sự trao đổi khí; Khuếch tán của O2 và CO2 thông qua màng hô hấp

Chương 40: Nguyên tắc của sự trao đổi khí; Khuếch tán của O2 và CO2 thông qua màng hô hấp Sau khi các phế nang alveoli được thông khí phổi, bước tiếp theo của quá trình hô hấp là sự tr

Chương 40: Nguyên tắc của sự trao đổi khí; Khuếch tán của O2 và CO2

thông qua màng hô hấp

Sau khi các phế nang (alveoli) được thông khí phổi, bước tiếp theo của quá trình hô hấp là

sự trao đổi(khuếch tán) khí O 2 từ phế nang vào trong máu phổi và sự khuếch tán khí CO 2

theo hướng ngước lại là đi từ máu tới các phế nang Quá trình khuếch tán chỉ đơn giản là

sự khuếch tán qua lại 1 cách ngẫu nhiên giữa các phân tử khí khi qua màng hô hấp và dịch liền kề Tuy nhiên trong sinh lý hô hấp ta không những quan tâm tới cơ chế cơ bản của sự khuếch tán mà còn là tốc độ nó xảy ra, đòi hỏi cần sự hiểu biết rất nhiều về vật lý của sự khuếch tán trao đổi khí.

Vật lý của sự khuếch tán khí và phân áp khí.

Cơ sở phân tử của khuếch tán khí.

Tất cả các khí tập trung trong sinh lý học hô hấp là các phân tử có sự chuyển động tự do qua lại trong quá trình khuếch tán Điều này cũng đúng với chất khí hoà tan trong chất lỏng và mô trong cơ thể.

Trong quá trình khuếch tán cần phải được cung cấp năng lượng, nguồn năng lượng này được cung cấp bởi sự chuyển động động học các phân tử(chú ý khi ở nhiệt độ không tuyệt đối sự chuyển động của các phân tử sẽ không còn).

Đối với 1 số phân tử mà không có sự gắn bó với các phận tử khác nghĩa là có sự chuyển động tuyến tính tốc độ cao thì chúng sẽ tấn công các phân tử khác, sau đó chúng nảy đến các vị trí khác và tiếp tục di chuyển và lại tiếp tục tới tấn công các phân tử khác như vậy nữa Bằng cách này mà các phân tử chuyển động 1 cách nhanh chóng và ngẫu nhiên! ( bạn hãy tưởng tượng tới sự chuyển động của các quả bi-a trên bàn bi-a :D )

Khuếch tán thực của dòng khí trong chuyển động 1 chiều—kết quả của Gradient

nồng độ

Nếu có 1 buồng khí hay 1 dung dịch có nồng độ cao của 1 chất khí đặc biệt tại 1 đầu của 1

buồng và nồng độ thấp tại 1 đầu kết thúc như thể hiện trong Figure 40-1 (hình 40-1) thì

sự khuếch tán thực của chất khí là đi từ vùng có nồng độ tới vùng có nồng độ thấp Lý do

rõ ràng các phân tử ở đầu A của buồng và ngược lại Do đó tốc độ khuếch tán của 1 trong

2 hướng là có sự cân đối khác nhau được biểu hiện bằng hình mũi tên trong hình.

Áp lực của 1 chất khí trong hỗn hợp các chất khí-“Áp xuất riêng phần”của từng chất khí:

Áp suất được gây ra bởi nhiều tác động của các phân tử chuyển động chống lại một bề mặt, do đó, áp lực của một chất khí tác động lên bề mặt của đường hô hấp và các phế nang cũng tỷ lệ thuận với lực tác động mà tất cả các phân tử khí ở bề mặt ngoài Điều này có nghĩa rằng áp lực là tỷ lệ thuận với nồng độ chất khí!

Trong sinh lý hô hấp với các chất khí của sự hô hấp như O 2 , CO 2 và N 2 thì tỷ lệ khuếch tán của mỗi của các loại khí là tỷ lệ thuận áp lực gây ra bởi khí đó một mình, mà được gọi là

áp suất riêng phần của khí(phân áp) Khái niệm về áp suất riêng phần có thể được giải thích như sau:

Trong không khí khi ta coi có 79% là N 2 và 21% là O 2 ,với áp xuất của không khí là

760mmHg mà lại có áp lực mà mỗi loại khí góp phần vào việc tổng áp lực tỷ lệ thuận với nồng độ của nó nên 79% của 760mmHg được tạo bởi N 2 (600mmHg) và 21% của

760mmHg được tạo bởi O 2 (160mmHg).Như vậy áp xuất riêng phần của từng chất khí là

áp xuất riêng rẽ của các khí trong hỗn hợp khí được tạo bởi tổng của P O2 ,P N2 ,P CO2 , và các chất khí khác.

Áp lực của khí hoà tan trong nước và mô:

Khí hoà tan trong nước hoặc mô trong cơ thể cũng gây áp lực và các phân tử khí hòa tan được di chuyển ngẫu nhiên và có động năng Hơn nữa, khi các khí hòa tan trong chất lỏng gặp một mặt như màng của một tế bào, nó cũng tác động áp xuất riêng phần của mình lên mặt đó Những áp lực một phần các khí hoà tan riêng biệt được tạo giống như những áp lực riêng phần trong không khí- Nó gồm P O2 , P CO2 , P N2 và các chất khí khác

Những yếu tố quyết định áp suất riêng phần của một khí hoà tan trong 1 chất lỏng:

Áp xuất riêng phần của 1 chất khí cũng như trong dung dịch đươc xác định không chỉ bởi nồng độ của nó mà còn được xác định bởi hệ số hoà tan của chất khí đó(solubility

coefcient), đặc biệt là CO 2 ,được các phân tử nước hút lại trong khi các loại phân tử khác thì bị đẩy lùi nên phân tử đó tan ra và sẽ không tạo nhiều áp xuất trong dung dịch và ngược lại các phân tử khác bị nước đẩy ra và sẽ tạo nhiều áp xuất trong dung dịch Mối

quan hệ này được thể hiện bằng quy luật Henry:

Với Partial pressure : áp xuất riêng phần

Concentration of dissolved gas : nồng độ chất khí

Solubility coefficient : hệ số hoà tan

Chú ý áp xuất riêng phần được tính bằng áp xuất khí quyển(atm)

Ta có hệ số hoà tan của 1 số chất:

Từ bảng trên ta thấy CO 2 có hệ số hoà tan gấp khoảng 20 lần O 2 , do đó áp suất riêng phần của CO 2 (đối với một nồng độ nhất định) là ít hơn 1/20 lần so với O 2

Sự khuếch tán của các khí giữa các pha khí trong phế nang và các giai đoạn hoà tan trong máu phổi:

Áp xuất riêng phần của mỗi khí trong phế nang có xu hướng ép các phân tử khí đó vào máu mao mạch của phế nang và ngược lại áp xuất riêng phần của mỗi khí trong máu mao mạch của phế nang có xu hướng đẩy các phân tử này vào trong phế nang Nên tỷ lệ các phân tử khí được khuếch tán tỷ lệ thuận với áp xuất riêng phần mỗi khí.

Nhưng sự chuyển động 1 chiều của khuếch tán thực của các phân tử khí có xảy ra? Để giải thích điều này, đó là sự khác nhau giữa 2 áp xuất riêng phần, ví dụ ở phế nang có áp xuất riêng phần O 2 lớn hơn áp xuất riêng phần của O 2 trong mao mạch máu của phế nang nên

O 2 sẽ đi từ phế nang sang mao mạch và ngược lại đối với CO 2

Sự khác biệt về áp lực-nguyên nhân gây nên khuếch tán thực của các chất khí

Từ những thảo luận trên, ta thấy sự khuếch tán thực của các chất khí là khi các chất khí đi

từ vùng có áp lực cao tới vùng có áp lực thấp Ta nhìn lại Figure 40-1, ta có thể thấy dễ dàng các phân tử ở vùng khí có áp lực cao bởi vì chúng có số lượng lớn, các phân tử này

có cơ hội lớn về sự di chuyển ngẫu nhiên tới vùng có áp lực thấp hơn so với vùng có áp lực thấp hơn chuyển động về vùng có áp lực cao hơn do vùng có áp lực cao có mật độ các phân tử khí dày đặc nên các phân tử tại nơi có mật độ thấp di chuyển khó khăn hơn đến vùng này.Tuy nhiên, một số phân tử chuyển động một cách ngẫu nhiên từ khu vực áp lực thấp đối với các khu vực áp lực cao.

Các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ khuếch tán trong chất lỏng:

Ngoài sự khác biệt áp suất, một số yếu tố khác ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán khí trong chất lỏng.Chúng là (1) độ tan của khí trong chất lỏng, (2) diện tích mặt cắt ngang của chất

lỏng (3) khoảng cách mà qua đó khí phải khuếch tán, (4) trọng lượng phân tử của khí, và ( 5) nhiệt độ của chất lỏng Trong cơ thể, người cuối cùng của những yếu tố này, nhiệt độ, vẫn là hợp lý liên tục và thường không cần phải được xem xét.

Ta có phương trình tính tốc độ khuếch tán chất khí như sau:

Với D là tốc độ khuếch tán chất khí

là chênh lệch áp xuất riêng phần của chất khí

A là diện tích vùng khuếch tán

S là độ tan của chất khí

d là khoảng cách giữa 2 nơi khuếch tán

là √ trọng lượng phân tử của chất khí

Rõ ràng từ công thức này mà các đặc điểm của khí tự xác định hai yếu tố của công thức:

độ tan và trọng lượng phân tử Cùng với nhau, hai yếu tố này xác định hệ số khuếch tán của khí, đó là tỷ lệ thuận với S/√MW và tỷ lệ này tỷ lệ thuận với S và tỷ lệ nghịch với

√MW Nếu quy ước hệ số khuếch tán của O 2 là 1 thì ta có hệ số khuếch tán các chất khí ở bảng sau:

Sự khuếch tán các chất khí ở các mô:

Các chất khí có tầm quan trọng về đường hô hấp đều cao hòa tan trong chất béo, và kết quả là hòa tan cao trong tế bào màng nhưng các chất khí lại khuếch tán ở các mô hết sức khó khăn Do đó, sự khuếch tán của khí qua các các mô, kể cả thông qua màng hô hấp, là gần như tương đương với sự khuếch tán của các chất khí trong nước.

Thành phần của các khí phế nang và khí

quyển là khác nhau:

Không khí phế nang không có cùng nồng độ của khí như không khí trong khí quyển(Table

40-1_Bảng 40-1) Chúng có sự khác biệt rõ rệt:

Đầu tiên, không khí phế nang là chỉ thay thế một phần bởi không khí trong khí quyển với mỗi hơi thở

Thứ hai, O 2 là liên tục được hấp thu vào máu phổi từ không khí phế nang.

Thứ ba, CO2 là liên tục khuếch tán từ máu phổi vào phế nang

Thứ tư, không khí trong khí quyển khô xâm nhập vào đường hô hấp đoạn được làm ẩm ngay cả trước khi nó đạt đến các phế nang.

Sự làm ẩm của không khí trong đường hô hấp:

Table 40-1 đã cho thấy được khí quyển gần như là có N 2 và O 2 nó thường chứa

hầu như không có CO2 và hơi nước nhỏ Tuy nhiên, ngay sau như không khí trong khí quyển đi vào đường hô hấp, nó được tiếp xúc với các chất lỏng bao phủ bề mặt hô hấp Ngay cả trước khi không khí đi vào các phế nang, nó trở nên gần hoàn toàn ẩm.

Áp suất riêng phần của hơi nước ở bình thường nhiệt độ cơ thể của 37 ° C là 47 mm Hg,

mà do đó là áp suất riêng phần của hơi nước trong các phế nang không khí Bởi vì áp suất trong các phế nang không thể tănghơn áp suất khí quyển (760mm Hg) hơi nước này chỉ

đơn giản là làm loãng tất cả các khí khác trong không khí hít vào.Ta có Table 40-1

Khí phế nang đang từ từ đổi mới nhờ khí không khí trong khí quyển:

Ở chapter 38, chúng ta có FRC ( dung tích cặn chức năng) của nam giới có giá trị trung bình là 2.3l Tuy nhiên chỉ có 350ml khí mới được đưa vào các phế nang khi hít vào bình thường nên cũng có 350ml khí phế nang được đi ra ngoài khi ta thở ra.

Nên thể tích khí phế nang được thay thế với khí của khí quyển ở mỗi hơi thở chỉ bằng 1/7

so với FRC.

Figure 40-2 cho thấy sự chậm đổi mới của khí phế nang, và sau 16 lần thở (breaths) thì

khí dư thừa vẫn chưa được loại bỏ hoàn toàn từ các phế nang.

Figure 40-3 cho thấy tốc độ khí phế nang được loại bỏ, cho thấy 1 nửa lượng khí được

loại bỏ trong 17s đầu tiên với thông khí phổi ở người bình thường, khi tốc độ thông khí phổi ở người mà bằng ½ so với người bình thường thì phải mất 34s để loại bỏ được ½ lượng khí phế nang, khi tốc độ thông khí phổi ở người mà bằng 2 lần so với người bình thường thì mất 8s.

Tầm quan trọng của việc thay thế chậm khí phế nang:

Sự thay đổi chậm khí phế nang có tầm quan trọng để ngăn ngừa sự thay đổi đột ngột của

nồng độ các khí trong máu và cũng giúp cho sự hô hấp ổn định hơn, ngăn ngừa sự tăng hay giảm quá mức của khí oxi ở các mô, nồng độ CO 2 ở mô, pH ở mô khi hô hấp bị gián đoạn.

Nồng độ O2 và áp xuất riêng phần ở các phế nang:

O 2 liên tục được hấp thu từ các phế nang vào máu phổi thông qua quá trình hít vào Vì thế nồng độ khí O 2 cũng như áp xuất riêng phần của nó được phụ thuộc bởi:

(1) tốc độ hấp thu O 2 vào máu

(2) tỷ lệ thâm nhập của khí O 2 mới vào phổi bởi quá trình thông khí

Figure 40-4 cho thấy tác dụng của thông khí ở phổi và tỷ lệ hấp thụ O 2 vào máu phế nang

và áp xuất riêng phần của O 2 tại phế nang(P O2 ) Với 1 đường cong đại diện cho sự hấp thu

O 2 với tốc độ 250ml O 2 /phút (đường nét liền) và 1000ml O 2 /phút (đường nét đứt) Khi thông khí bình thường với tỷ lệ 4.2l/phút và với tỷ lệ O 2 hấp thu với tốc độ 250ml/phút thì

điểm A là điểm hoạt động bình thường với P O2 tại điểm A là 104mmHg nhưng khi tốc độ

hấp thu O 2 là 1000ml O 2 /phút thì cần tăng tỷ lệ thông khí ở phổi lên 4 lần mới duy trì được

P O2 về bình thường Khi 1 người hít thở trong khí quyển bình thường ở áp xuất mực nước biển thì P O2 không bao giờ quá được 149mmHg.

Nồng độ CO2 và áp xuất riêng phần tại các phế nang:

CO 2 liên tục được hình thành trong cơ thể và sau đó vào máu tĩnh mạch và được đưa tới các phế nang, và sau đó nó tiếp tục được đẩy ra ngoài phế nang thông qua hô hấp.

Figure 40-5 cho thấy mối quan hệ tác động áp xuất riêng phần tại phế nang(alveolar

partial pressure) của CO 2 (P O2 ) và thông khí ở phổi(Alveolar ventilation) của CO 2 với 2 tốc

độ bài tiết CO 2 là 200ml CO 2 /phút và 800ml CO 2 /phút Từ hình vẽ trên ta thấy tại điểm A điểm mà hoạt động hô hấp bình thường thì với tốc độ bài tiết CO 2 là 200ml CO 2 /phút thì tỷ

lệ thông khí phooti là 4.2l và P CO2 = 40mmHg.

Trong Figure 40-5 ta rút ra được 2 điều:

+Thứ nhất: P CO2 tại các phế nang sẽ tăng trực tiếp cân xứng với tốc độ CO 2 bài tiết

+Thứ hai:Lượng CO 2 ở phế nang sẽ tỷ lệ nghịch với tỷ lệ thông khí ở phổi tức là khi thông khí phổi tăng CO 2 sẽ ra ngoài nhiều và lúc này CO 2 phế nang sẽ có ít.

Khí thở ra là 1 hỗn hợp gồm không gian chết và khí phế nang:

Không gian chết là khối lượng của không khí được hít vào mà không tham gia vào việc

trao đổi khí.

Các thành phần trong khí thở ra được xác định bởi:

(1) thể tích khí của không gian chết

(2) thể tích khí được trao đổi ở các phế nang

Figure 40-6 cho thấy quá trình thay đổi áp xuất riêng phần của CO 2 và O 2 trong quá trình thở ra bình thường.Đầu tiên, trong không khí này là không gian chết, đây là 1 khí ẩm điển hình Sau đó dần dần không khí phế nang trộn với khí trong không gian chết, và lúc này khí thở ra là các khí phế nang.

Vì vậy khí thở ra bình thường bao gồm khí phế nang và khí của không gian chết, và lúc này nồng độ khí và áp xuất riêng phần mỗi khí được thể hiện ở Table 40-1.

Sự khuếch tán của khí qua màng hô hấp:

Trước hết ta hãy tìm hiểu cấu tạo của đơn vị hô hấp( hay còn gọi là tiểu thùy), nó là 1 nhành nhỏ của phế quản xung quanh nó có các phế nang bao quanh Có khoảng 300 triệu phế nang trong 2 phổi, mỗi phế nang có đường kính trung bình là khoảng 0.2mm, màng phế nang rất mỏng Xung quanh màng phế nang có các đám rối mao mạch ở phế nang bao quanh dày đặc nên các khí phế nang là ở rất gần với máu của các mao mạch phổi Xem

Figure 40-7 và Figure 40-8 để hiểu rõ hơn.

Màng hô hấp:Theo dõi hình Figure 40-9 ta thấy cấu trúc của màng hô hấp được vẽ ở

phần trên bên trái của thế bào màu đỏ hay hồng cầu(red blood cell) Màng hô hấp gồm có

6 lớp:

+Lớp thứ 1: Là lớp chất hoạt diện(surfactant), lớp này lót ở mặt trong các phế nang có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt phế nang.

+Lớp thứ 2: Là lớp tế bào biểu mô phế nang, nó là 1 lớp mỏng.

+Lớp thứ 3: Là lớp màng nền của tế bào biểu mô.

+Lớp thứ 4: Một khoảng kẽ mỏng giữa biểu mô phế nang và màng mao mạch.

+Lớp thứ 5: Lớp màng nền của mao mạch, trong màng này có nhiều chỗ mà hòa lẫn vào màng nền của mao mạch.

+Lớp thứ 6: Lớp nội mô của màng mao mạch.

Mặc dù có 6 lớp nhưng độ dày của màng hô hấp lại mỏng từ 0.2µm tới 0.6µm Đối với người nam trưởng thành thì tổng diện tích của màng hô hấp khoảng 70m 2 Tổng lượng

máu có trong mao mạch phổi dạo động từ 60ml tới 140ml, ta thấy với 1 lượng nhỏ thể tích máu mao mạch mà tại mao mạch lại có tổng diện tích lớn nên thế sẽ rất dễ dàng cho sự trao đổi khí CO 2 và O 2

Đường kính mao mạch phổi ở đây là 5µm mà đường kính hồng cầu trưởng thành trung bình là 7.2µm nên muốn có sự trao đổi khí thì hồng cầu phải chui qua mao mạch nhưng do

màng hồng cầu dễ thay đổi nên dễ dàng chui qua và như vậy màng hồng cầu áp sát vào màng mao mạch Nên thế CO 2 và O 2 được khuếch tán qua lại từ phế nang với hồng cầu và làm tăng nhanh quá trình hô hấp.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự khuếch tán khí qua màng hô hấp:

Các yếu tố quyết định sự khuếch tán khí nhanh qua màng là:

+Thứ 1: Độ dày của màng.

+Thứ 2: Diện tích bề mặt của màng.

+Thứ 3: Hệ số khuếch tán của khí trong chất của màng.

+Thứ 4: Sự chênh lệch áp xuất riêng phần của khí giữa 2 bên màng.

*Độ dày của màng hô hấp thỉnh thoảng tăng trong các trường hợp: Phù nề của khoảng kẽ của màng hô hấp hay chính ngay trong phế nang, ngoài ra còn một số bệnh phổi gây xơ hóa phổi, có thể làm tăng độ dày của một số phần của màng tế bào đường hô hấp Vì khuếch tán qua màng là tỷ lệ nghịch với bề dày màng hô hấp, bất kỳ 1 yếu tố nào làm tăng

bề dày của màng lên 2 hay 3 lần làm cho trở ngại sự hô hấp.

*Diện tích của màng hô hấp có thể giảm gặp trong các trường hợp như:Cắt thùy phổi, ngoài ra trong khí thũng nhiều phế nang hợp lại làm mất vách phế nang dẫn tới giảm diện tích phổi có khi còn có thể làm giảm diện tích tới 5 lần Khi tổng diện tích bề mặt phổi giảm chỉ còn bằng 1/3 hay 1/4 so với bình thường thì về cơ bản sự hô hấp đã bị ngăn cản.

*Hệ số khuếch tán khí phụ thuộc vào khả năng hòa tan của khí trong màng tế bào, và hệ số này tỷ lệ nghich với √trọng lượng phân tử Tỷ lệ khuếch tán khí trong màng hô hấp là gần như chính xác tương tự như trong nước Như vậy tỷ lệ khuếch tán của CO 2 nhanh gấp 20 lần O 2 và O 2 nhanh gấp 2 lần với N 2

*Sự khác biệt áp suất qua màng hô hấp là sự khác biệt giữa áp suất riêng phần của khí trong phế nang và áp suất riêng phần của khí trong máu mao mạch phổi Đối với O 2 , áp xuất riêng phần tại phế nang cao hơn là áp xuất riêng phần của khí đó trong máu mao mạch phổi nên khuếch tán thực sẽ đi từ phế nang sang mao mạch phổi với CO 2 thì ngược lại.

Công xuất khuếch tán của màng hô hấp:

Công xuất khuếch tán của màng hô hấp là số ml khí qua màng trong 1 phút dưới tác dụng chênh lệch áp xuất riêng phần 1mmHg.