5 - Fizyoloji Alveollerde Gaz Değişimi 01.2013 1 Alveollerde Gaz De ği ş imi Prof. Dr. Nazan Dolu Erciyes Ü niversitesi T p Fak ü ltesi Fizyoloji AD dolu@erciyes.edu.tr01.2013 2 VENT İ LASYON Dakika (Toplam) ventilasyon (V E ), • AC’lere dk’da giren ç kan hava hacmi V E = f xTV • f: frekans, dk’da soluk say s • TV: Her solukla al nan hava hacmi •01.2013 3 ALVEOLER VENT İ LASYON Atmosfer havas ile ba şlar. • Gazlar n yay lmas k üçü k hava yollar ndan • alveollere (hava › hava), Alveolerden kana (hava › s v ), • Kandan dokuya (s v › doku) olur. • Gaz yay lmas pasifdir ve enerjiye ba ğ l de ğ ildir. • S v yada gaz ortamda benzer şekilde • ger ç ekle şir. 01.2013 4 Gazlar s v ortamda bulunduklar nda • molek ü ler ö zelliklerini s ü rd ü r ü rler ve k smi (parsiyal) bas n ç olu ştururlar. Solunum havas ndaki k smi bas n ç lar n • toplam , toplam hava bas nc na e şittir (Dalton yasas ). Bir gaz n k smi bas nc azal rsa, ba şka bir • gaz n k smi bas nc n n y ü kselmesi gerekir.01.2013 5 Dalton Yasas Kar ş m n total bas nc , gazlar n tek tek • bas n ç lar n n toplam d r. 1 ATM = 760 mm Hg veya 760 Torr = • 101.3 kPa (kilopaskal) Toplam bas nc n 760 mmHg oldu ğ u deniz • seviyesinde, atmosfer havas ndaki gazlar n k smi bas n ç lar şu şekilde ifade edilir. P b (Atm. P)= P O2 +P N2 +P argon ve di ğ er gazlar •01.2013 6 Parsiyal Bas n ç = Total bas n ç x gaz n • kar ş mdaki y ü zdesi (Dalton kanunu), Pgaz = Ptotal x fgaz P O2 = Pb x f O2 • P O2 = 760 mmHg x 0.21 • P O2 = 159 mmHg veya torr •01.2013 7 Deniz seviyesinde ve y ü ksekte atmosfer havas ndaki gazlar n k smi bas n ç lar01.2013 8 Atmosfer havas ve alveoler ventilasyonda • en etkili iki gaz kanunu; Boyle yasas – Dalton yasas –01.2013 9 Boyle Yasas Genel Gaz kanunu: PV = nRT Standart s cakl k ve bas n ç ta ideal birgaz n hacmi 22,4 litredir. P=Bas n ç , V=Hacim, T=S cakl k, n=Mol say s , R=Reinnberg sabiti01.2013 10 Su buhar bas nc = 47 mmHg İ nspirasyon ba şlad ğ nda, • atmosferdeki gazlar, havayoluna girer, burada nemlenir ve v ü cut s cakl ğ na kadar s t l r. Solunumla al nan gazlar • su buhar ile doyurulur. Toplam bas n ç sabit • kald ğ i ç in, su buhar di ğ er gazlar n bas n ç lar n azalt r01.2013 11 İ letici hava yollar nda gazlar n k smi bas nc İ letici hava yollar nda gazlar n k smi • bas n ç lar toplam : P b (trakea)= P O2 + P H2O +P N2 +P argon ve di ğ er • gazlar 150+ 563+47 = 760 mmHg » Pgaz = Ptotal x fgaz P trakeaO2 = Pb- P H2O x f O2 • P O2 = (760-47) mmHg x 0.21 • P O2 = 150 mmHg veya torr (Atmosferde • 159 mm Hg idi)01.2013 12 Deniz seviyesinde gazlar n toplam ve k smi bas n ç lar 760 760 760 760 760 PTOTAL 571 571 571 563 601 PN2 47 47 47 47 0 PH2O 46 40 40 0 0 PCO2 40 90 102 150 159 PO2 Kar ş k ven ö z kan Sistemik arter Alveol gaz Nemli trakea Atm (kuru)01.2013 13 Changes in Partial Pressures Parsiyel bas n ç taki de ğ i ş iklikler01.2013 14 Alveoler Gaz Bile şimi P(alveol)=P O2 + P H2O +P N2 + P CO2 +P • argon ve di ğ er gazlar 46 40 40 0 0 PCO2 40 90 102 150 159 PO2 Kar ş k ven ö z kan Sistemik arter Alveol gaz Nemli trakea Atm (kuru)01.2013 15 Atmosfer havas ile alveol havas n n farkl olmas n n nedenleri; Alveoler hava her solukta atmosfer • havas ile k smen de ğ i şir. O2 devaml alveoler havadan absorbe • edilir. CO2 devaml olarak pulmoner kandan • alveollere dif ü ze olur. Kuru atmosfer havas solunum • yollar nda nemlendirilir.01.2013 16 Alveol havas ile atmosfer havas yenilenme h z FRC 2300 ml.dir. • Her solukla 350 ml yeni hava alveollere al n r ve • ayn miktar eski alveol havas geri verilir. Yani her solukta, yeni atmosfer havas ile yer • de ğ i ştiren eski alveoler hava miktar , total alveoler havan n 1/7’si kadard r. B ö ylece kandaki gaz konsantrasyonlar n n ani • de ğ i şimi ö nlenir.01.2013 17 Atmosferik havan n PO2’sinin alveoler PO2’ sine etkisi Y ü ksek irtifada bulunma • D üş ü k PO2’ye sahip havan n solunmas • D üş ü k alveoler PO2’ye neden olur. • Y ü ksek O2’li gaz kar ş m soluma; • Y ü ksek alveoler PO2’ye neden olur •01.2013 18 Alveollerdeki O2 konsantrasyonu Atmosferik havan n PO2’si • H ü crenin O2 t ü ketim h z • Alveoler ventilasyon •01.2013 19 Alveoldeki O2’nin k smi bas nc (P AO2 ) Alveoldeki O2’nin k smi bas nc (P AO2 ) ayn • zamanda ideal alveoler gaz denklemi olarak bilinen alveoler gaz denklemi ile verilir. P AO2 = P IO2 - (P ACO2 / R) P IO2 = [(Pb- P H2O ). F IO2 ] P AO2 = [(Pb- P H2O ). F IO2 ] - (P ACO2 / R) P IO2 = solunan oksijenin k smi bas nc R= solunum katsay s01.2013 20 P AO2 = [(Pb- P H2O ). F IO2 ] - (P ACO2 / R) Alveolle al nan • oksijen miktar , ç kar lan CO2 miktar n a şar. R=V CO2 / V O2 V CO2= Ç kar lan CO2 VO2= Al nan O2 R= 0.7- 1.0 R= 0.801.2013 21 Alveoler CO2 denklemi Alveollerdeki CO2 oran ; • Metabolizma esnas nda h ü crelerin CO2 – ü retim h z CO2’in alveolden at l m h z n n fonksiyonudur – (alveoler ventilasyon). V CO2 = V A x F ACO2 V CO2 = v ü cudun CO2 ü retimi V A = alveoler ventilasyon F ACO2 = kuru alveol gaz i ç indeki CO2 oran01.2013 22 Alveoler CO2 denklemi V CO2 = V A x F ACO2 • F ACO2 = V CO2 / V A • kuru alveol gaz i ç indeki CO2 oran = v ü cudun CO2 • ü retimi / alveoler ventilasyon P ACO2 = F ACO2 x (Pb- P H2O ) • P ACO2 = V CO2 x (Pb- P H2O ) / V A • P ACO2 ve V A aras ndaki ters ili şki ö nemlidir. •01.2013 23 Alveol havas n n bile ş imine etki eden fakt ö rler Ventilasyonla alveole • gelen ve alveolden sal nan gaz n niceli ğ i ve niteli ğ i Gaz n alveol ve • pulmoner kapiller aras ndaki dif ü zyon h z Alveole CO2 getirip, • O2’i uzakla ş t ran pulmoner kapillerlerin ak m h z ve kardiyak output01.2013 24 Gazlar n S v larda Dif ü zyonu Bir gaz n eriyikteki konsantrasyonu; 1- Gaz n parsiyel bas nc (Henry yasas ) 2- Gaz n erime katsay s ile belirlenir (Graham yasas ).01.2013 25 Belli bir s cakl kta bir s v i ç inde çö z ü nen gaz miktar , o gaz n k smi bas nc ile do ğ ru orant l d r. Parsiyel P= Erimi ş gaz n konsant./Erime katsay s Henry yasas Çö z ü nm üş O2 Ba ş lang ç durumu Sol ü syonda O2 0 mmHg01.2013 26 Graham Yasas Bir gaz n s v i ç inde yay lma h z , erime katsay s ile • do ğ ru orant l , gaz n gram molek ü l a ğ rl ğ n n (GMA) kareke ö k ü ile ters orant l d r. Ö nemli solunum gazlar n n erime katsay lar ; • Oksijen 0.024 Karbon dioksit 0.59 Karbonmonoksid 0.018 Azot 0.012 Karbon dioksid erime katsay s oksijeninkinin 24 • kat d r. Ancak oksijenin gram molek ü l a ğ rl ğ = GMA’ (GMA- • 32), CO2’den (GMA-44) daha k üçü k oldu ğ u i ç in oksijen daha h zl yay lacakt r. Toplam sonu ç : CO2 kanda O2’ye g ö re (yakla ş k 20 • kat) daha b ü y ü k yay lma h z na sahiptir.01.2013 27 Y ü ksek bas n ç alan ndan d üşü k bas n ç alan na do ğ ru hareket eden molek ü ller ile, z t y ö nde hareket eden molek ü llerin fark na e şittir. (Dif ü zyon i ç in bas n ç fark ) Gazlar n S v larda Dif ü zyonu Ba ş lang ç Ara basamak Denge01.2013 28 Fick Yasas Bir gaz n bir doku tabakas ndan s zmas • (V), dokunun enine kesit alan (A), ö zg ü l gaz n – yay lma sabiti (D) ve iki mesafe aras bas n ç fark ( P) ile do ğru; dokunun kal nl ğ (dif ü zyon mesafesi, T) ile – ters ili ş kilidir.01.2013 29P= İ ki mesafe aras bas n ç fark D = ö zg ü l gaz n yay lma sabiti A = Enine kesit alan T= Dif ü zyon yolunun uzunlu ğu Dif ü zyon H z (V) ? T P x A x D Farkl gazlar ayn bas n ç d ü zeylerinde dif ü zyon katsay lar na g ö re dif ü ze olurlar. Dif ü zyon katsay s (S / MW)= O2 = 1, CO2 = 20, CO = 0.8 O 2 CO 2 P 1 P 2 kalnlk alan01.2013 30 Alveollerde Gaz De ğ i ş imi01.2013 31 Solunum membran Alveol ü kaplayan s v tabakas (s ü rfaktan da • i ç erir) İ nce epitelyal h ü crelerden olu şan alveol epiteli • Epitel bazal membran • Alveol epiteli ile kapiller membran aras nda • kalan ince bir interstisyel bo şluk Bir ç ok yerinde epitel bazal membran ile • kayna şm ş kapiller bazal membran Kapiller endotel membran •01.2013 32 İ nsanlarda gazlar n dif ü zyonu i ç in gerekli alan ç ok geni ştir ~50-100 m 2 Dif ü zyon yolu uzunlu ğ u ç ok k üçü kt ü r. 01.2013 3301.2013 34 Solunum membran n n dif ü zyon kapasitesi 1 mmHg bas n ç fark ile 1 dakikada • membrandan dif ü zyona u ğ rayan gaz hacmidir.01.2013 35 Solunum membran nda gazlar n dif ü zyon h z n etkileyen fakt ö rler Membran kal nl ğ • Membran y ü zeyi • Membran i ç inde gaz n dif ü zyon • katsay s Membran n iki taraf aras ndaki bas n ç • fark01.2013 36 Y ü zey alan n n gaz de ğ i şimine etkileri Y ü zey alan nda artma Egzersiz › Tidal vol ü mde artma Y ü zey alanda artma Alveoler kal nl kta azalma Gaz de ğ i şimi i ç in y ü zey alanda artma Gaz de ğ i şiminde iyile şme Kardiyak output art ş AC vaskuler P art ş Pulmoner kapillerlerin Say lar ve boyutlar nda artma01.2013 37 Y ü zey alan n n gaz de ğ i şimine etkileri Y ü zey alan nda azalma Amfizem Alveol duvarlar n n haraplanmas AC kompliyans nda artma Gaz de ğ i şim i ç in gerekli b ö lgelerde azalma Di ğ erleri: Atelektazi (AC parankiminin kollaps ) AC dokusunun cerrahi olarak ç kar lmas01.2013 38 Membran kal nl ğ n n gaz de ğ i şimine etkileri Kal nl k artmas Pulmoner fibrozis Alveol duvarlar nda skar olu şumu & kollojen birkimi Asbest, silikoz birikimi Radyasyon, zehirler01.2013 39 Membran kal nl ğ n n gaz de ğ i şimine etkileri Kal nl k artmas Pn ö mani Pulmoner ö dem01.2013 40 Alveolokapiller zardan dif ü zyon Maddeler alveollerden kapiller kana ister • ge ç sin, ister ge ç mesin dinlenme s ras nda kan n akci ğ erlerden ge ç i ş s ü resi 0.75 sn. Alveollerden kana ge ç en maddelerin kanla • dengelenmeleri bunlar n kandaki maddelerle girecekleri reaksiyona ba ğ l d r.01.2013 41 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Pulmoner kapillerlerde zaman (sn) 100 40 PO 2 (mm Hg) Denge oluşumu 0.2-0.25 sn Kan ile alveol gazlar ne kadar zamanda dengeye gelir? time in pulmonary capillary (sec) Oksijen: Toplam: 0.75 sn01.2013 42 V= [A x D x P ] / T • AD/T oran , gaz n alveolden kana • iletilebilirli ğ ini g ö sterir. O2’nin AC’lerde yay lma ö zelli ğ ini • de ğ erlendirmek i ç in Fick yasas ; V= D L x P D L = V / P • Ancak kapiller PO2 ö l çü lememektedir . • Bu y ü zden CO kullan larak hesap • yap lmaktad r. Dif ü zyon H z (V) ? T P x A x D01.2013 43 AC ’ lerin dif ü zyon kapasitesi CO’in kapiller zarda eriyebilirli ğ i d üşü kt ü r ve kapillerin kar ş taraf ile • CO i ç in denge kurma h z yava şt r. Kapiller k smi bas n ç CO i ç in s f r kabul edilir. Kap lmas dif ü zyonla s n rl oldu ğ u i ç in CO’in dif ü zyon kapasitesi • (D LCO ) akci ğ erin dif ü zyon kapasitesi olarak kullan l r. D LCO = V CO / (P ACO -P aCO ) Vco= Absorbe edilen CO miktar PACO= Alveollerde CO parsiyel bas nc PaCO= Akci ğ er kapilllerine giren CO parsiyel bas nc PaCO= 0 oldu ğ undan D LCO = V CO / P ACO 01.2013 44 Dinlenme s ras nda; • D LCO = 17 ml/dak/mmHg’d r. Egzersizde kapiller dilatasyon ve aktif kapiller • say s artar, D LCO ’da 3 kat artar. O2 dif ü zyon katsay s :1 CO’in :0.81 • (O2’nin 1.23 kat fazla) Dinlenimde D LCO x 1.23 ? D LO2 =21 ml/dak/mmHg • Egzersizde D LO2 = 65 ml/dak/mmHg olur. •01.2013 45 O2 i ç in dif ü zyon kapasitesi 21 ml/dk/mmHg • Dinlenimde alveol PO2= 101 mmHg, • Pulmoner arter kapillerlerinde PO2= 90 • mmHg. Solunum membran 2 ucu aras bas n ç • fark yakla ş k =11 mmHg 11 x 21 = 230 ml, solunum membran ndan • 1 dakikada dif ü zyona u ğ rayan O2 hacmi = v ü cudun O2 kullanma h z01.2013 46 Solunum membran n n her iki taraf ndaki O2 ve • CO2’lerin parsiyel bas n ç farkl l klar O2’nin kana, CO2’nin alveole dif ü zyonu ile sonu ç lan r. Kapiller PO2 artar, CO2 azal r. • Kapiller ve alveolar bas n ç lar dengelenince • durur. De ğ i ş im ö yle h zl d r ki, kan neredeyse alveol • havas ndaki ayn PO2 ve PCO2 ile AC’lerden ayr l r.01.2013 47 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Pulmoner kapillerlerde zaman (sn) 100 40 PO 2 (mm Hg) Denge oluşumu 0.2-0.25 sn Kan ile alveol gazlar ne kadar zamanda dengeye gelir? time in pulmonary capillary (sec) Oksijen: O2’in kana giri ş i dif ü zyonla s n rl de ğ ildir. Toplam: 0.75 sn01.2013 48 G ö receli Çö z ü n ü rl ü k & Gaz Transferinin S n rland r lmas Bir tren yolundaki vagonlar n bir k ö m ü r tank n n alt nda 0.75 saniye kald ğ n d üşü nelim Membranda gaz n çö z ü n ü rl ü ğ ü = k ö m ü r ak ş n n b ü y ü kl ü ğ ü ne Kanda gaz n çö z ü n ü rl ü ğ ü = tren yolundaki vagonlar n b ü y ü kl ü ğ ü ne • Çö z ü n ü rl ü k membran ve kanda iyi e şle şti ğ inde, Arabalar k ö m ü r tank n n alt nda tamam ile dolabilir. K ö m ü r ü n transferi, arabalar n hacmi ile s n rl olacakt r- “ perf ü zyon s n rl ” . • Membran ve kanda çö z ü n ü rl ü k farkl oldu ğ u zaman, arabalar tamamen dolamayacakt r. K ö m ü r ü n transferi tankdan k ö m ü r ak ş n n miktar ile s n rl olacakt r - “ dif ü zyon s n rl ” .01.2013 49 Perf ü zyon ile s n rl olanlar Inert gazlar kanda çö z ü n ü rler, fakat Hb molek ü l ü ile kimyasal olarak birle ş mezler. Nitrik oksit Eter Helyum vb. Alveol gaz ve kapiller aras ndaki denge h zl kurulur (0.75 snden daha k sa s ü rede (0.1 snde) dengeye ula ş rlar). Perf ü zyon s n rl d rlar. Nitrikoksit k smi bas nc ç abuk zirveye ula ş r ve 0.25 snde en y ü ksek d ü zeydedir, bundan sonra daha fazla nitrikoksit ge ç i ş i olmaz Inert gazlar n çö z ü nm üş gaz i ç erikleri ile- parsiyel bas n ç lar aras nda do ğ rusal bir ili ş ki bulunmaktad r. 01.2013 50 Her iki gaz perf ü zyon s n rl . Kapiller membran ve kandaki çö z ü n ü rl ü kleri ayn . • Perf ü zyon art r l nca, ge ç i ş s ü resi k sal r, ancak ta ş nan gaz miktar de ğ i ş mez. • Artan kardiyak output helyum yada etherin ta ş nmas na ne etki yapar? 01.2013 51 Dif ü zyon ile s n rl olanlar • Alveolar-Kapiller membranda ç ok yava ş çö z ü n ü r & Kanda y ü ksek çö z ü n ü rl ü ğ ü vard r, ancak CO, eritrositlerdeki Hb taraf ndan ç ok h zl kap l r. Alveol ve kan gazlar n n dengeye gelmesi ç ok yava ş t r Kapillerlerdeki parsiyel bas nc ç ok d üşü k kal r. AC kapillerlerinde 0.75 snde uzun s ü re dengeye ula ş amaz. Yani CO transferi perf ü zyonla s n rl olmay p D İ F Ü ZYON’la s n rl d r.01.2013 52 Oksijen & Karbondioksit Perf ü zyon ve Dif ü zyon s n rlanmas nda arada Her iki gazda kanda Hb ile kimyasal olarak birle ş ir. • Kanda kapiller membrandakinden daha y ü ksek çö z ü n ü rl ü ğ e sahiptir, b ö ylece yava ş dengeye gelir. Kapiller kan ile dengeye ula şmas 0.2 sn s ü rer. • Yava ş olmas na ra ğ men, dengeye ula şma pulmoner ge ç i ş zaman nda tamamlan r. 01.2013 53 Yani O2’nin kap lmas • da perf ü zyonla s n rl d r.01.2013 5401.2013 55 Hipoventilasyon: Alveoler ventilasyon ile • CO 2 ü retimi dengelenemez ve alveol PCO 2 artar. Hiperventilasyon: Alveoler ventilasyon ile • CO 2 ü retim oran nda d üş me, alveoler PCO 2 d üşü kt ü r.01.2013 56 Alveoler ventilasyondaki de ğ i şimler Dinlenimdeki bir ki şi normaldeki 4 l /dk dan • ^ alveoler ventilasyon yaps n H ü cresel O2 kullan m de ğ i şmesin (250 • ml/dk) Alveoler PO2 y ü ksek • Alveoler CO2 d üşü k (y ü ksek alvoler • ventilasyon nedeni ile daha fazla dil ü e olur) olacakt r.01.2013 57 Normal O2 kullan m , CO2 ü retimi olan • bir ki şide alveoler ventilasyon azal r ise; Alveoler PO2 d üş er, PCO2 artar. •01.2013 58 Basit alveoler ventilasyon, artm ş h ü cresel • O2 kullan m ve artm ş CO 2 olu şumu bulunuyorsa; Alveoler PO2 d üş er, O2nin b ü y ü k k sm • kapillerlere ge ç er. Alveoler PCO 2 artar, kandan alveoller • giren CO 2 artm şt r.01.2013 59 Anl k orans z artan alveoler ventilasyon, • artm ş h ü cresel O2 kullan m ve artm ş CO 2 ü retimi, Gaz bas n ç lar de ğ i şmeden kal r (Orta • şiddetli egzersiz)