04/13/23 1

Alveollerde Gaz Değişimi

Prof. Dr. Nazan DoluErciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi

Fizyoloji AD

dolu@erciyes.edu.tr

04/13/23 2

VENTİLASYON• Dakika (Toplam) ventilasyon (VE),

AC’lere dk’da giren çıkan hava hacmi

• VE= f xTV

• f: frekans, dk’da soluk sayısı

• TV: Her solukla alınan hava hacmi

04/13/23 3

ALVEOLER VENTİLASYON

• Atmosfer havası ile başlar.• Gazların yayılması küçük hava yollarından

alveollere (hava→hava),• Alveolerden kana (hava→sıvı),• Kandan dokuya (sıvı →doku) olur.• Gaz yayılması pasifdir ve enerjiye bağlı değildir.• Sıvı yada gaz ortamda benzer şekilde

gerçekleşir.

04/13/23 4

• Gazlar sıvı ortamda bulunduklarında moleküler özelliklerini sürdürürler ve kısmi (parsiyal) basınç oluştururlar.

• Solunum havasındaki kısmi basınçların toplamı, toplam hava basıncına eşittir (Dalton yasası).

• Bir gazın kısmi basıncı azalırsa, başka bir gazın kısmi basıncının yükselmesi gerekir.

04/13/23 5

Dalton Yasası• Karışımın total basıncı, gazların tek tek

basınçlarının toplamıdır.

• 1 ATM = 760 mm Hg veya 760 Torr =

101.3 kPa (kilopaskal)• Toplam basıncın 760 mmHg olduğu deniz

seviyesinde, atmosfer havasındaki gazların kısmi basınçları şu şekilde ifade edilir.

• Pb (Atm. P)= PO2+PN2+P argon ve diğer gazlar

04/13/23 6

• Parsiyal Basınç = Total basınç x gazın karışımdaki yüzdesi (Dalton kanunu),

Pgaz = Ptotal x fgaz

• PO2 = Pb x fO2

• PO2 = 760 mmHg x 0.21

• PO2 = 159 mmHg veya torr

04/13/23 7

Deniz seviyesinde ve yüksekte atmosfer havasındaki gazların

kısmi basınçları

04/13/23 8

• Atmosfer havası ve alveoler ventilasyonda en etkili iki gaz kanunu;– Boyle yasası– Dalton yasası

04/13/23 9

Boyle YasasıBoyle Yasası

Genel Gaz kanunu: PV = nRT

Standart sıcaklık ve basınçta ideal birgazın hacmi 22,4 litredir.P=Basınç, V=Hacim, T=Sıcaklık, n=Mol sayısı, R=Reinnberg sabiti

04/13/23 10

Su buharı basıncı = 47 mmHg

• İnspirasyon başladığında, atmosferdeki gazlar, havayoluna girer, burada nemlenir ve vücut sıcaklığına kadar ısıtılır.

• Solunumla alınan gazlar su buharı ile doyurulur.

• Toplam basınç sabit kaldığı için, su buharı diğer gazların basınçlarını azaltır

04/13/23 11

İletici hava yollarında gazların kısmi basıncı

• İletici hava yollarında gazların kısmi basınçları toplamı:

• Pb (trakea)= PO2+ PH2O +PN2+P argon ve diğer

gazlar» 150+ 563+47 = 760 mmHg

Pgaz = Ptotal x fgaz• PtrakeaO2 = Pb- PH2O x fO2

• PO2 = (760-47) mmHg x 0.21• PO2 = 150 mmHg veya torr (Atmosferde

159 mm Hg idi)

04/13/23 12

Deniz seviyesinde gazların toplam ve kısmi basınçları

Atm (kuru)

Nemli trakea

Alveol gazı

Sistemik arter

Karışık venöz kan

PO2 159 150 102 90 40

PCO2 0 0 40 40 46

PH2O 0 47 47 47 47

PN2 601 563 571 571 571

PTOTAL 760 760 760 760 760

04/13/23 13

Changes in Partial PressuresParsiyel basınçtaki değişiklikler

04/13/23 14

Alveoler Gaz Bileşimi

• P(alveol)=PO2+ PH2O +PN2+ PCO2 +P argon ve diğer gazlar

Atm (kuru)

Nemli trakea

Alveol gazı

Sistemik arter

Karışık venöz kan

PO2 159 150 102 90 40

PCO2 0 0 40 40 46

04/13/23 15

Atmosfer havası ile alveol havasının farklı olmasının nedenleri;

• Alveoler hava her solukta atmosfer havası ile kısmen değişir.

• O2 devamlı alveoler havadan absorbe edilir.

• CO2 devamlı olarak pulmoner kandan alveollere difüze olur.

• Kuru atmosfer havası solunum yollarında nemlendirilir.

04/13/23 16

Alveol havası ile atmosfer havası yenilenme hızı

• FRC 2300 ml.dir.• Her solukla 350 ml yeni hava alveollere alınır ve

aynı miktar eski alveol havası geri verilir.• Yani her solukta, yeni atmosfer havası ile yer

değiştiren eski alveoler hava miktarı, total alveoler havanın 1/7’si kadardır.

• Böylece kandaki gaz konsantrasyonlarının ani değişimi önlenir.

04/13/23 17

Atmosferik havanın PO2’sinin alveoler PO2’ sine etkisi

• Yüksek irtifada bulunma

• Düşük PO2’ye sahip havanın solunması

• Düşük alveoler PO2’ye neden olur.

• Yüksek O2’li gaz karışımı soluma;

• Yüksek alveoler PO2’ye neden olur

04/13/23 18

Alveollerdeki O2 konsantrasyonu

• Atmosferik havanın PO2’si

• Hücrenin O2 tüketim hızı

• Alveoler ventilasyon

04/13/23 19

Alveoldeki O2’nin kısmi basıncı (PAO2)

• Alveoldeki O2’nin kısmi basıncı (PAO2) aynı zamanda ideal alveoler gaz denklemi olarak bilinen alveoler gaz denklemi ile verilir.

PAO2= PIO2- (PACO2 / R)

PIO2= [(Pb- PH2O ). FIO2]

PAO2= [(Pb- PH2O ). FIO2] - (PACO2 / R)

PIO2= solunan oksijenin kısmi basıncı

R= solunum katsayısı

04/13/23 20

PAO2= [(Pb- PH2O ). FIO2] - (PACO2 / R)

• Alveolle alınan oksijen miktarı, çıkarılan CO2 miktarını aşar.

R=VCO2/ VO2

VCO2= Çıkarılan CO2VO2= Alınan O2

R= 0.7- 1.0R= 0.8

04/13/23 21

Alveoler CO2 denklemi• Alveollerdeki CO2 oranı;

– Metabolizma esnasında hücrelerin CO2 üretim hızı

– CO2’in alveolden atılım hızının fonksiyonudur (alveoler ventilasyon).

VCO2= VA x FACO2

VCO2= vücudun CO2 üretimi

VA = alveoler ventilasyon

FACO2= kuru alveol gazı içindeki CO2 oranı

04/13/23 22

Alveoler CO2 denklemi

• VCO2= VA x FACO2

• FACO2 = VCO2 / VA

• kuru alveol gazı içindeki CO2 oranı= vücudun CO2 üretimi / alveoler ventilasyon

• PACO2 = FACO2 x (Pb- PH2O)

• PACO2 = VCO2 x (Pb- PH2O) / VA

• PACO2 ve VA arasındaki ters ilişki önemlidir.

04/13/23 23

Alveol havasının bileşimine etki eden faktörler

• Ventilasyonla alveole gelen ve alveolden salınan gazın niceliği ve niteliği

• Gazın alveol ve pulmoner kapiller arasındaki difüzyon hızı

• Alveole CO2 getirip, O2’i uzaklaştıran pulmoner kapillerlerin akım hızı ve kardiyak output

04/13/23 24

Gazların Sıvılarda Difüzyonu

Bir gazın eriyikteki konsantrasyonu;

1- Gazın parsiyel basıncı (Henry yasası)

2- Gazın erime katsayısı ile belirlenir (Graham yasası).

04/13/23 25

Belli bir sıcaklıkta bir sıvı içinde çözünen gaz miktarı, o gazın kısmi basıncı ile doğru orantılıdır.

Parsiyel P= Erimiş gazın konsant./Erime katsayısı

Henry yasasıÇözünmüş O2Başlangıç durumu

Solüsyonda O2 0 mmHg

04/13/23 26

Graham Yasası• Bir gazın sıvı içinde yayılma hızı, erime katsayısı ile

doğru orantılı, gazın gram molekül ağırlığının (GMA) karekeökü ile ters orantılıdır.

• Önemli solunum gazlarının erime katsayıları;Oksijen 0.024Karbon dioksit 0.59Karbonmonoksid 0.018Azot 0.012

• Karbon dioksid erime katsayısı oksijeninkinin 24 katıdır.

• Ancak oksijenin gram molekül ağırlığı= GMA’ı (GMA-32), CO2’den (GMA-44) daha küçük olduğu için oksijen daha hızlı yayılacaktır.

• Toplam sonuç: CO2 kanda O2’ye göre (yaklaşık 20 kat) daha büyük yayılma hızına sahiptir.

04/13/23 27

Yüksek basınç alanından düşük basınç alanına doğru hareket eden moleküller ile, zıt yönde hareket eden moleküllerin farkına eşittir. (Difüzyon için basınç farkı)

Yüksek basınç alanından düşük basınç alanına doğru hareket eden moleküller ile, zıt yönde hareket eden moleküllerin farkına eşittir. (Difüzyon için basınç farkı)

Gazların Sıvılarda DifüzyonuGazların Sıvılarda Difüzyonu

Başlangıç Ara basamak Denge

04/13/23 28

Fick Yasası

• Bir gazın bir doku tabakasından sızması (V), – dokunun enine kesit alanı (A), özgül gazın

yayılma sabiti (D) ve iki mesafe arası basınç farkı (ΔP) ile doğru;

– dokunun kalınlığı (difüzyon mesafesi, T) ile ters ilişkilidir.

04/13/23 29

ΔP= İki mesafe arası basınç farkı

D = özgül gazın yayılma sabiti

A = Enine kesit alanı

T= Difüzyon yolunun uzunluğu

Difüzyon Hızı (V) T

ΔP x A x D

Farklı gazlar aynı basınç düzeylerinde difüzyon katsayılarına göre difüze olurlar.

Difüzyon katsayısı (S / MW)= O2 = 1, CO2 = 20, CO = 0.8

O2

CO2

P1

P2

kalınlık

alan

04/13/23 30

Alveollerde Gaz Değişimi

04/13/23 31

Solunum membranı• Alveolü kaplayan sıvı tabakası (sürfaktanı da

içerir)• İnce epitelyal hücrelerden oluşan alveol

epiteli• Epitel bazal membranı• Alveol epiteli ile kapiller membran arasında

kalan ince bir interstisyel boşluk• Bir çok yerinde epitel bazal membranı ile

kaynaşmış kapiller bazal membranı• Kapiller endotel membranı

04/13/23 32

İnsanlarda gazların difüzyonu

için gerekli alan çok geniştir

~50-100 m2

Difüzyon yolu uzunluğu çok küçüktür.

04/13/23 33

04/13/23 34

Solunum membranının difüzyon kapasitesi

• 1 mmHg basınç farkı ile 1 dakikada membrandan difüzyona uğrayan gaz hacmidir.

04/13/23 35

Solunum membranında gazların difüzyon hızını etkileyen faktörler

• Membran kalınlığı

• Membran yüzeyi

• Membran içinde gazın difüzyon katsayısı

• Membranın iki tarafı arasındaki basınç farkı

04/13/23 36

Yüzey alanının gaz değişimine etkileriYüzey alanında artma

Egzersiz → Tidal volümde artma

Yüzey alanda artmaAlveoler kalınlıkta azalma

Gaz değişimi için yüzey alanda artmaGaz değişiminde iyileşme

Kardiyak output artışı

AC vaskuler P artışı

Pulmoner kapillerlerinSayıları ve boyutlarındaartma

04/13/23 37

Yüzey alanının gaz değişimine etkileriYüzey alanında azalma

Amfizem

Alveol duvarlarının haraplanması

AC kompliyansında artma

Gaz değişim için gerekli bölgelerde azalma

Diğerleri: Atelektazi (AC parankiminin kollapsı)AC dokusunun cerrahi olarak çıkarılması

04/13/23 38

Membran kalınlığının gaz değişimine etkileri Kalınlık artması

Pulmoner fibrozis

Alveol duvarlarında skar oluşumu & kollojen birkimi

Asbest, silikoz birikimi

Radyasyon, zehirler

04/13/23 39

Membran kalınlığının gaz değişimine etkileri Kalınlık artması

Pnömani

Pulmoner ödem

04/13/23 40

Alveolokapiller zardan difüzyon

• Maddeler alveollerden kapiller kana ister geçsin, ister geçmesin dinlenme sırasında kanın akciğerlerden geçiş süresi 0.75 sn.

• Alveollerden kana geçen maddelerin kanla dengelenmeleri bunların kandaki maddelerle girecekleri reaksiyona bağlıdır.

04/13/23 41

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Pulmoner kapillerlerde zaman (sn)

100

40

PO2

(mm Hg)Denge oluşumu

0.2-0.25 sn

Kan ile alveol gazları ne kadar zamanda dengeye gelir?

time in pulmonary capillary (sec)

Oksijen:

Toplam: 0.75 sn

04/13/23 42

• V= [A x D x ΔP] / T• AD/T oranı, gazın alveolden kana

iletilebilirliğini gösterir. • O2’nin AC’lerde yayılma özelliğini

değerlendirmek için Fick yasası;• V= DL x ΔP DL= V / ΔP • Ancak kapiller PO2 ölçülememektedir.• Bu yüzden CO kullanılarak hesap

yapılmaktadır.

Difüzyon Hızı (V) T

ΔP x A x D

04/13/23 43

AC’lerin difüzyon kapasitesi

• CO’in kapiller zarda eriyebilirliği düşüktür ve kapillerin karşı tarafı ile CO için denge kurma hızı yavaştır. Kapiller kısmi basınç CO için sıfır kabul edilir.

• Kapılması difüzyonla sınırlı olduğu için CO’in difüzyon kapasitesi (DLCO) akciğerin difüzyon kapasitesi olarak kullanılır.

DLCO= VCO / (PACO-PaCO)

Vco= Absorbe edilen CO miktarı

PACO= Alveollerde CO parsiyel basıncı

PaCO= Akciğer kapilllerine giren CO parsiyel basıncı

PaCO= 0 olduğundan

DLCO= VCO / PACO

04/13/23 44

• Dinlenme sırasında;

DLCO = 17 ml/dak/mmHg’dır.

• Egzersizde kapiller dilatasyon ve aktif kapiller sayısı artar, DLCO’da 3 kat artar.

• O2 difüzyon katsayısı:1 CO’in :0.81

(O2’nin 1.23 kat fazla)

• Dinlenimde DLCO x 1.23DLO2=21 ml/dak/mmHg

• Egzersizde DLO2 = 65 ml/dak/mmHg olur.

04/13/23 45

O2 için difüzyon kapasitesi

• 21 ml/dk/mmHg• Dinlenimde alveol PO2= 101 mmHg,• Pulmoner arter kapillerlerinde PO2= 90

mmHg.• Solunum membranı 2 ucu arası basınç

farkı yaklaşık =11 mmHg• 11 x 21 = 230 ml, solunum membranından

1 dakikada difüzyona uğrayan O2 hacmi = vücudun O2 kullanma hızı

04/13/23 46

• Solunum membranının her iki tarafındaki O2 ve CO2’lerin parsiyel basınç farklılıkları O2’nin kana, CO2’nin alveole difüzyonu ile sonuçlanır.

• Kapiller PO2 artar, CO2 azalır.• Kapiller ve alveolar basınçlar dengelenince

durur.• Değişim öyle hızlıdır ki, kan neredeyse alveol

havasındaki aynı PO2 ve PCO2 ile AC’lerden ayrılır.

04/13/23 47

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Pulmoner kapillerlerde zaman (sn)

100

40

PO2

(mm Hg)Denge oluşumu

0.2-0.25 sn

Kan ile alveol gazları ne kadar zamanda dengeye gelir?

time in pulmonary capillary (sec)

Oksijen:

O2’in kana girişi difüzyonla sınırlı değildir.

Toplam: 0.75 sn

04/13/23 48

Göreceli Çözünürlük & Gaz Transferinin Sınırlandırılması

Bir tren yolundaki vagonların bir kömür tankının altında 0.75 saniye kaldığını düşünelim

Membranda gazın çözünürlüğü = kömür akışının büyüklüğüneKanda gazın çözünürlüğü = tren yolundaki vagonların büyüklüğüne

• Çözünürlük membran ve kanda iyi eşleştiğinde,Arabalar kömür tankının altında tamamı ile dolabilir. Kömürün transferi, arabaların hacmi ile sınırlı olacaktır- “perfüzyon sınırlı”.

• Membran ve kanda çözünürlük farklı olduğu zaman, arabalar tamamen dolamayacaktır. Kömürün transferi tankdan kömür akışının miktarı ile sınırlı olacaktır -“difüzyon sınırlı”.

04/13/23 49

Perfüzyon ile sınırlı olanlar

Inert gazlar kanda çözünürler, fakat Hb molekülü ile kimyasal olarak birleşmezler. Nitrik oksitEterHelyum vb.Alveol gaz ve kapiller arasındaki denge hızlı kurulur (0.75 snden daha kısa sürede (0.1 snde) dengeye ulaşırlar).

Perfüzyon sınırlıdırlar.

Nitrikoksit kısmi basıncı çabuk zirveye ulaşır ve 0.25 snde en yüksek düzeydedir, bundan sonra daha fazla nitrikoksit geçişi olmazInert gazların çözünmüş gaz içerikleri ile-parsiyel basınçları arasında doğrusal bir ilişki bulunmaktadır.

04/13/23 50

Her iki gaz perfüzyon sınırlı. Kapiller membran ve kandaki çözünürlükleri aynı. • Perfüzyon artırılınca, geçiş süresi kısalır, ancak taşınan gaz miktarı değişmez.

• Artan kardiyak output helyum yada etherin taşınmasına ne etki yapar?

04/13/23 51

Difüzyon ile sınırlı olanlar

• Alveolar-Kapiller membranda çok yavaş çözünür & Kanda yüksek çözünürlüğü vardır, ancak CO, eritrositlerdeki Hb tarafından çok hızlı kapılır.Alveol ve kan gazlarının dengeye gelmesi çok yavaştırKapillerlerdeki parsiyel basıncı çok düşük kalır. AC kapillerlerinde 0.75 snde uzun süre dengeye ulaşamaz. Yani CO transferi perfüzyonla sınırlı olmayıp DİFÜZYON’la sınırlıdır.

04/13/23 52

Oksijen & Karbondioksit Perfüzyon ve Difüzyon sınırlanmasında arada

Her iki gazda kanda Hb ile kimyasal olarak birleşir.

• Kanda kapiller membrandakinden daha yüksek çözünürlüğe sahiptir, böylece yavaş dengeye gelir.Kapiller kan ile dengeye ulaşması 0.2 sn sürer.

• Yavaş olmasına rağmen, dengeye ulaşma pulmoner geçiş zamanında tamamlanır.

04/13/23 53

• Yani O2’nin kapılması da perfüzyonla sınırlıdır.

04/13/23 54

04/13/23 55

• Hipoventilasyon: Alveoler ventilasyon ile CO2 üretimi dengelenemez ve alveol PCO2 artar.

• Hiperventilasyon: Alveoler ventilasyon ile CO2 üretim oranında düşme, alveoler PCO2 düşüktür.

04/13/23 56

Alveoler ventilasyondaki değişimler

• Dinlenimdeki bir kişi normaldeki 4 l /dk dan↑ alveoler ventilasyon yapsın

• Hücresel O2 kullanımı değişmesin (250 ml/dk)

• Alveoler PO2 yüksek • Alveoler CO2 düşük (yüksek alvoler

ventilasyon nedeni ile daha fazla dilüe olur) olacaktır.

04/13/23 57

• Normal O2 kullanımı, CO2 üretimi olan bir kişide alveoler ventilasyon azalır ise;

• Alveoler PO2 düşer, PCO2 artar.

04/13/23 58

• Basit alveoler ventilasyon, artmış hücresel O2 kullanımı ve artmış CO2 oluşumu bulunuyorsa;

• Alveoler PO2 düşer, O2nin büyük kısmı kapillerlere geçer.

• Alveoler PCO2 artar, kandan alveoller giren CO2 artmıştır.

04/13/23 59

• Anlık oransız artan alveoler ventilasyon, artmış hücresel O2 kullanımı ve artmış CO2 üretimi,

• Gaz basınçları değişmeden kalır (Orta şiddetli egzersiz)