肺换气和组织换气的气体交换机制及影响

2023-11-02 理论教育版权反馈

【摘要】：肺换气是指肺泡与肺毛细血管血液之间进行的气体交换，组织换气是指血液与组织细胞之间进行的气体交换。体内的气体交换也是通过扩散进行的。呼吸膜的通透性、厚度以及呼吸膜的扩散面积均会影响气体交换的效率。病理情况下，如肺炎、肺气肿和肺纤维化等，使呼吸膜的厚度增加，气体交换速率减慢，肺换气效率降低；肺不张、肺气肿时，使呼吸膜扩散面积减小，导致气体交换减少。

（一）气体的交换

气体的交换包括肺换气与组织换气。肺换气是指肺泡与肺毛细血管血液之间进行的气体交换，组织换气是指血液与组织细胞之间进行的气体交换。

1.气体交换的原理

气体交换的动力是膜两侧气体分压差。无论是处于气态的气体，还是溶解于液体中的气体，气体分子的运动总是从压力高处向压力低处运动，直至两处压力相等为止，这一气体的运动过程称为扩散。体内的气体交换也是通过扩散进行的。混合气体中某一种气体所占的压力称该气体的分压，可用混合气体的总压力乘以该气体所占容积的百分比求得。如：空气总压力为760 mmHg，其中O2的容积百分比约为21％，则O2的分压（PO2）为760×21％=159 mmHg，CO2的容积百分比约为0.04％，则CO2的分压（PCO2）为760×0.04％=0.3 mmHg。安静状态下，肺泡气、血液及组织中PO2、PCO2（表5-2）。

表5-2　安静时肺泡、血液和组织内O2和CO2的分压（单位：mmHg）

单位时间内气体扩散的量称为气体扩散速率，气体扩散速率除受气体分压差影响外，还与该气体的溶解度、分子量、扩散面积、扩散距离以及温度有关。当温度、扩散面积以及扩散距离恒定的情况下，肺泡与静脉血之间O2的分压差约比CO2的分压差大10倍，CO2的溶解度比O2的溶解度大24倍，CO2与O2的分子量平方根之比为1.14∶1，几种因素综合作用的结果是CO2扩散系数约是O2的20倍。由于CO2比O2容易扩散，故临床上，发生换气功能障碍时，缺O2比CO2潴留更为常见，呼吸困难的患者常常先出现缺O2。

2.气体交换过程

考点提示

影响气体交换的因素。

（1）肺换气过程：当静脉血流经肺毛细血管时，由于肺泡内气体不断更新，使肺泡气PO2高于静脉血PO2，肺泡气的PCO2低于静脉血的PCO2，因此，在分压差的作用下，O2顺分压差由肺泡向静脉扩散，CO2则顺分压差由静脉向肺泡扩散，经气体交换后，血中PO2升高，PCO2降低，静脉血变成动脉血。

（2）组织换气过程：当动脉血流经组织时，由于组织细胞在新陈代谢过程中不断消耗O2并生成CO2，使动脉血PO2高于组织PO2，动脉血的PCO2低于组织的PCO2，因此，在分压差的作用下，O2由动脉血向组织扩散，CO2则由组织向动脉血扩散，经气体交换后，血中PO2降低，PCO2升高，动脉血变成静脉血。

3.影响气体交换的因素

（1）呼吸膜厚度与面积：肺换气时，O2和CO2在肺部扩散须经过呼吸膜。正常情况下，呼吸膜厚度极薄，总厚度不到1 μm，其通透性很大，非常有利于气体的扩散。正常成人呼吸膜的总面积约70m2，安静状态下，用于气体扩散的呼吸膜面积约40m2，因此，有相当大的贮备面积。呼吸膜的通透性、厚度以及呼吸膜的扩散面积均会影响气体交换的效率。病理情况下，如肺炎、肺气肿和肺纤维化等，使呼吸膜的厚度增加，气体交换速率减慢，肺换气效率降低；肺不张、肺气肿时，使呼吸膜扩散面积减小，导致气体交换减少。

（2）通气/血流比值：是指每分肺泡通气量（VA）和每分钟肺血流量（Q）之间的比值（简称为VA/Q）。正常成人安静时，每分肺泡通气量约为4.2L，每分心输出量约为5.0L，则VA/Q的比值为0.84。VA/Q比值在0.84的情况下，肺泡通气量与肺血流量配置适当，气体交换效率最高，静脉血流经肺毛细血管时，将全部变为动脉血。如果VA/Q＜0.84，表示肺通气不足，部分血液流经通气不良的肺泡，未能得到充分的气体交换，意味着出现了功能性动-静脉短路，如支气管哮喘。如果VA/Q＞0.84，表示通气量大或肺血流量不足，部分肺泡气未能与血液气体充分交换，意味着肺泡无效腔增大，如肺血管栓塞；VA/Q比值大于或小于0.84，都将影响换气效率，使换气效率降低（图5-7）。

图5-7　通气/血流比值示意图(www.chuimin.cn)

（二）气体在血液中的运输

考点提示

氧的运输、发绀。

气体通过在血液中的运输，沟通了肺换气和组织换气。O2和CO2在血液中的运输形式有两种，即物理溶解和化学结合。物理溶解运输的量很少，但它是化学结合和释放的前提。进入血液的气体必须先溶解，然后才能结合；气体释放时也必须从化学结合状态解离成溶解状态，然后才能离开血液。物理溶解和化学结合两者之间处于动态平衡。

1.O2的运输

（1）物理溶解：O2在血液中溶解的量很少，当血液O2分压在100 mmHg时，每100 ml血液中可溶解0.3 ml，仅占血液运输O2总量的1.5％。

（2）化学结合：指O2与血红蛋白（Hb）结合，形成氧合血红蛋白（HbO2）。它是O2在血液中运输的主要形式，正常成人每100 ml动脉血液中Hb结合的O2约为19.5 ml，占血液运输O2总量的98.5％。

此反应迅速、可逆，不需要酶的参与，决定反应方向的因素是血液中PO2。当PO2高时，Hb与O2结合成HbO2，而当PO2低时，HbO2则解离成Hb和O2。此反应中，Fe2+与O2结合后仍是二价的铁，所以该反应是氧合，而不是氧化。氧合血红蛋白呈鲜红色，去氧血红蛋白呈紫蓝色，故动脉血含氧血红蛋白多，血液呈鲜红色；静脉血含去氧血红蛋白多，血液呈紫蓝色。如果毛细血管床血液含去氧血红蛋白达50 g/L时，则口唇、皮肤、甲床或黏膜出现浅蓝色，称为发绀，发绀一般标志着机体缺氧。此外，CO与Hb的结合能力是O2的210倍。当CO中毒时，CO与Hb结合形成一氧化碳血红蛋白（HbCO），使血液呈樱桃红色，机体可有严重缺O2但并不发绀。

2.CO2的运输

（1）物理溶解：约占血液运输CO2总量的5％。

（2）化学结合：化学结合形式有两种（图5-8）。

图5-8　O2和CO2运输示意图

①形成碳酸氢盐：是血液运输CO2的主要形式，约占CO2运输总量的88％。当血液流经组织时，CO2由组织扩散入血浆，血浆中的CO2大部分进入红细胞，在碳酸酐酶（CA）的催化下，CO2迅速与H2 O结合生成H2 CO3，并解离成H+和HCO3-。HCO3-除少部分在红细胞内与K+生成KHCO3外，绝大部分顺浓度差扩散入血浆，与血浆中Na+生成NaHCO3。

②形成氨基甲酸血红蛋白（HbNHCOOH）：进去红细胞内的少部分CO2可直接与红细胞内Hb的氨基结合形成氨基甲酸血红蛋白，这一反应不需酶的催化，且CO2与Hb的结合松散，因而迅速、可逆，约占CO2运输总量的7％。

肺换气和组织换气的气体交换机制及影响

相关推荐