Wymiana gazowa

Wyróżnia się dwa typy wymiany gazowej: zewnętrzną i wewnętrzną.

Wymiana gazowa zewnętrzna zachodzi na poziomie pęcherzyków płucnych. Podczas tego procesu zawarty we wdychanym powietrzu tlen, przenika do krwi, a z krwi do wydychanego powietrza przechodzi dwutlenek węgla. 

Wynikiem wymiany gazowej zewnętrznej jest różna zawartość poszczególnych gazów oddechowychgazy oddechowegazów oddechowych w powietrzu wdychanym i wydychanym. 

Wymiana gazowa wewnętrzna polega na przenikaniu gazów oddechowych między krwią a komórkami ciała. Podczas tego procesu  dwutlenek węgla przenika z komórek ciała do krwi, natomiast tlen z krwi do komórek ciała. 

Mechanizm wymiany gazowej

Oba rodzaje wymiany gazowej zachodzą na drodze dyfuzji prostej, która jest możliwa dzięki różnicy ciśnień parcjalnychciśnienie parcjalneciśnień parcjalnych tych gazów. Zarówno tlen jak i dwutlenek węgla przenikają z miejsc gdzie ich ciśnienie parcjalne jest większe, do miejsc, gdzie ciśnienie jest mniejsze.

Rf7Z71QQi6dKH

Ilustracja przedstawia wymianę gazową zewnętrzną. Na ilustracji naczynie krwionośne w postaci rurki łączy się z okrągłą strukturą przedstawiającą pęcherzyk płucny otoczony nabłonkiem. Rurka łącząca się z pęcherzykiem płucnym to po lewej stronie tętniąca płucna przychodząca po prawej stronie w żyłę. Na początku tętnicy jest strzałka skierowana w stronę żyły. Naczynie krwionośne otoczone jest nabłonkiem naczynia włosowatego. Pomiędzy pęcherzykiem płucnym a naczyniem krwionośnym zaznaczono powierzchnię wymiany gazowej. Pomiędzy pęcherzykiem płucnym a naczyniem krwionośnym są dwie strzałki – jedna oznaczająca tlen skierowana jest w stronę tętnicy płucnej z opisem: ciśnienie parcjalne tlenu równa się 40, ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla równa się 45. Od napisu biegnie strzałka w dół w stronę pęcherzyka płucnego. Strzałka oznacza dwutlenek węgla. Po stronie żyły płucnej są następujące wartości ciśnienie parcjalne tlenu równa się 100, ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla równa się 40. W pęcherzyku płucnym zaznaczono ciśnienie parcjalne tlenu równe jest 100 i ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla równe jest 40.

W przypadku wymiany gazowej zewnętrznej tlen dyfunduje do krwi, gdzie ciśnienie parcjalne tego gazu jest niższe, niż w pęcherzykach płucnych. Dwutlenek węgla zaś, zgodnie z różnicą ciśnień parcjalnych, z krwi przechodzi do pęcherzyków płucnych, skąd podczas wydechu zostaje usunięty na zewnątrz.

W komórkach ciała ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla jest wyższe niż we krwi (jest produktem oddychania komórkowego), natomiast tlenu niższe (jest wykorzystywany przez komórki w oddychaniu komórkowym). W rezultacie  dwutlenek węgla dyfunduje do krwi, a tlen z krwi, do komórek ciała. 

Rp10kd4eRSkhL

Na ilustracji przedstawiono wymianę gazową wewnętrzną. Po lewej stronie ilustracji jest naczynie krwionośne na dole opisane jako tętnica płucna (tętnicę oznaczono kolorem niebieskim), w górnej części jako żyła płucna (zaznaczono ją na czerwono). Od dołu naczynia krwionośnego jest strzałka skierowana ku górze, w stronę żyły płucnej. Po prawej stronie naczynia krwionośnego są cztery komórki o różnych kształtach. Pomiędzy podłużną komórką a naczyniem krwionośnym są dwie strzałki – jedna oznacza dwutlenek węgla – jest skierowana od naczynia krwionośnego do komórki. Druga strzałka, oznaczająca tlen, biegnie od komórki w stronę naczynia krwionośnego. Poniżej strzałki oznaczającej tlen opisano: ciśnienie parcjalne tlenu jest równe 40, ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla jest równe lub większe 45. Na wysokości strzałki z tlenem na naczyniu krwionośnym po stronie tętnicy płucnej są wartości: ciśnienie parcjalne tlenu wynosi 40, ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla wynosi 45. W części żyły płucnej są wartości: ciśnienie parcjalne tlenu wynosi 100, ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla wynosi 40.

Transport gazów oddechowych we krwi

Transport tlenu w krwi

W transporcie gazów oddechowych uczestniczy osocze oraz erytrocyty. Osocze przenosi jedynie niecałe 3% rozpuszczonego w nim tlenu. Resztę, czyli 97% transportuje hemoglobina (Hb), czerwony barwnik krwi. 

Budowa i właściwości hemoglobiny

Proces wiązania tlenu z hemoglobiną nazywany jest utlenowaniem (nie mylić z utlenianiem), ponieważ cząsteczki tlenu przyłączają się na tyle nietrwale, że nie dochodzi do utlenienia żelaza. Związana z tlenem hemoglobina przekształca się w oksyhemoglobinęoksyhemoglobina (HbOIndeks dolny 2₂)oksyhemoglobinę (HbOIndeks dolny 2₂), która przybiera kolor jasnoczerwony. To jej właśnie zawdzięcza swą barwę krew tętnicza. Łączenie się hemoglobiny z tlenem jest procesem odwracalnym, dzięki czemu przyłączony tlen w miarę potrzeby może być uwalniany. Odtlenowana hemoglobina jest ciemnoczerwona, co nadaje barwę krwi żylnej.

Stopień wysycenia hemoglobiny tlenem (czyli równowaga między tworzeniem oksyhemoglobiny a uwalnianiem z niej OIndeks dolny 2₂) zależy od wielu czynników, m.in.: ciśnienia parcjalnego OIndeks dolny 2₂–pIndeks dolny OIndeks dolny 2₂ Indeks dolny koniec_{OIndeks dolny 22}, ciśnienia parcjalnego COIndeks dolny 2₂–pIndeks dolny COIndeks dolny 2₂ Indeks dolny koniec_{COIndeks dolny 22}, stężenia jonów wodorowych (pH) oraz temperatury.

Ciśnienie parcjalne (cząsteczkowe) OIndeks dolny 2₂ – pIndeks dolny OIndeks dolny 2₂ Indeks dolny koniec_{OIndeks dolny 22}

Ciśnienie parcjalne (cząsteczkowe) OIndeks dolny 2₂ – pIndeks dolny OIndeks dolny 2₂ Indeks dolny koniec_{OIndeks dolny 22}

W pęcherzykach płucnych, gdzie ciśnienie parcjalne tlenu jest duże (100 mm Hg), hemoglobina wiąże znaczne ilości tlenu, osiągając 98% wysycenia tym pierwiastkiem. W tkankach ciśnienie parcjalne tlenu jest niższe (940 mm Hg) i hemoglobina jest wysycona w 70%. Do aktywnych metabolicznie tkanek (np. podczas wysiłku fizycznego) hemoglobina może oddawać dodatkowe porcje tlenu.

R14ockJoc3GuW

Wykres przedstawia zależność między wysyceniem hemoglobiny tlenem a ciśnieniem parcjalnym tlenu. W pęcherzykach płucnych, gdzie ciśnienie parcjalne tlenu jest duże (100 mm Hg), hemoglobina wiąże znaczne ilości tlenu, osiągając 98% wysycenia tym pierwiastkiem. W tkankach ciśnienie parcjalne tlenu jest niższe (940 mm Hg) i hemoglobina jest wysycona w 70%. Do aktywnych metabolicznie tkanek, podczas wysiłku fizycznego, hemoglobina może oddawać dodatkowe porcje tlenu.

Ciśnienie parcjalne (cząsteczkowe) COIndeks dolny 2₂ – pIndeks dolny COIndeks dolny 2₂ Indeks dolny koniec_{COIndeks dolny 22}

Ciśnienie parcjalne (cząsteczkowe) COIndeks dolny 2₂ – pIndeks dolny COIndeks dolny 2₂ Indeks dolny koniec_{COIndeks dolny 22}

Wzrost ciśnienia parcjalnego COIndeks dolny 2₂ podczas oddychania komórkowego utrudnia wiązanie się hemoglobiny z tlenem. 

RTCcTyih693qc

Wykres przedstawia stopień wysycenia hemoglobiny tlenem w zależności od ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla. Wzrost ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla, podczas oddychania komórkowego zwiększa dysocjację hemoglobiny. Gdy nasycenie krwi tlenem niebezpiecznie spadnie, to może prowadzić nie tylko do niewydolności oddechowej, ale także do niewydolności i uszkodzenia wielu narządów.

Stężenie jonów wodorowych (pH)

Stężenie jonów wodorowych (pH)

Uwalniany w procesie oddychania komórkowego COIndeks dolny 2₂ reaguje z wodą i tworzy kwas węglowy, który zakwasza krew − obniża pH. Oksyhemoglobina w kwaśnym środowisku łatwiej oddaje cząsteczki OIndeks dolny 2₂. W tkankach o dużej aktywności metabolicznej spada pH, co sprzyja uwalnianiu tlenu, który może zostać wykorzystany do oddychania komórkowego w tkankach.

R1cFfY0RlklVf

Wykres przedstawia stopień wysycenia hemoglobiny tlenem w zależności od stężenia jonów wodorowych. Uwalniany w procesie oddychania komórkowego dwutlenek węgla reaguje z wodą i tworzy kwas węglowy, który zakwasza krew − obniża pH. Oksyhemoglobina w kwaśnym środowisku łatwiej oddaje cząsteczki tlenu. Zależność między poziomem pH krwi a zdolnością dysocjacji hemoglobiny nazywa się efektem Bohra. To efekt wzrostu prawdopodobieństwa dysocjacji tlenu z oksyhemoglobiny wraz ze wzrostem stężenia dwutlenku węgla. Przy określonym ciśnieniu parcjalnym tlenu, np. 40 mm Hg i niskim pH krwi, np. 7,2, oksyhemoglobina oddaje więcej tlenu niż przy pH normalnym (7,4). W tkankach o dużej aktywności metabolicznej spada pH, co sprzyja uwalnianiu tlenu, który może zostać wykorzystany do oddychania komórkowego w tkankach.

Temperatura

Temperatura

Wraz ze spadkiem temperatury – w tych samych warunkach ciśnienia parcjalnego tlenu – hemoglobina wiąże więcej tego pierwiastka.

RkvIjIu5X39L2

Wykres przedstawia stopień wysycenia hemoglobiny tlenem w zależności od temperatury. Wraz ze spadkiem temperatury, w tych samych warunkach ciśnienia parcjalnego tlenu, hemoglobina wiąże więcej tego pierwiastka.

Inne białka transportujące tlen

W mięśniach oraz we krwi płodu znajdują się białka wiążące tlen inne niż hemoglobina dorosłego człowieka (HbA). Należą do nich mioglobina i hemoglobina płodowa (HbF). Oba te białka mają wyższe powinowactwo do tlenu niż HbA, co oznacza, że silnie wysycają się tlenem już przy niższym ciśnieniu parcjalnym tego gazu.

RP2A8427PB85P

Wykres przedstawia porównanie krzywych saturacji mioglobiny z hemoglobiną oraz hemoglobiną płodową. Wykres przedstawia wysycenie tlenem różnych rodzajów hemoglobiny w zależności od ciśnienia parcjalnego tlenu. Przy ciśnieniu parcjalnym tlenu 30 mm Hg ponad 90% mioglobiny wiąże się z tym pierwiastkiem. Uwalnianie tlenu z mioglobiny następuje w warunkach znacznego spadku ciśnienia parcjalnego tlenu. Oksyhemoglobina przy ciśnieniu parcjalnym 22 mm Hg jest zdysocjowana w 50%. Mioglobina osiąga ten stopień rozkładu przy 3 mm Hg. Krzywe saturacji mają różne kolory. Krzywa saturacji mioglobiny jest czerwona, hemoglobiny płodowej niebieska, a hemoglobiny zielona.

Mioglobina znajduje się w mięśniach i działa jako magazyn tlenu. Wiąże tlen bardzo silnie, aby mógł być on wykorzystany w trakcie intensywnej pracy mięśni. Hemoglobina płodowa występuje w krwi płodu; dzięki temu że ma większe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina dorosłego człowieka, krew płodu może pobierać tlen z krwi matki w łożysku. 

Transport dwutlenku węgla

Cząsteczki dwutlenku węgla powstałe podczas oddychania komórkowego przenikają z tkanek do krwi, skąd transportowane są do płuc w różnej postaci.

Około 70% dwutlenku węgla jest transportowane w postaci jonów wodorowęglanowych (HCOIndeks dolny 3₃Indeks górny -^-) powstających w osoczu. Około 23% wiąże się z częścią białkową hemoglobiny, tworząc karbaminohemoglobinękarbaminohemoglobina (HbCOIndeks dolny 2₂)karbaminohemoglobinę (HbCOIndeks dolny 2₂), natomiast pozostałe 7% rozpuszcza się bezpośrednio w osoczu.

Mechanizm transportu gazów oddechowych we krwi

R13JF6RB6Z9L8

Ilustracja przedstawia transport gazów oddechowych między krwią a tkankami. Na ilustracji w czerwonym kole symbolizującym erytrocyt umieszczono trzy równania reakcji. Po lewej stronie koła znajdują się komórki ciała. Pomiędzy czerwonym kołem a komórkami są strzałki. Pod czerwonym kołem jest napis osocze. Pierwsza strzałka od góry ilustracji biegnąca od komórki w stronę osocza oznacza rozpuszczony C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego. Kolejna strzałka poniżej znowu biegnie od komórki, ale tym razem w stronę równania reakcji zamieszczonego w czerwonym kole. Równanie jest następujące: C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, plus, H indeks dolny, b, koniec indeksu dolnego, ⟶ H b C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego. H b C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego to karbaminohemoglobina. Kolejna strzałka także biegnie w od komórki w stronę czerwonego koła, do równania reakcji: C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, plus, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O ⟶ H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C O indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego⟶H C O, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego. Reakcja ta jest katalizowana przez anhydrazę węglanową. W reakcji od H C O, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego są dwie strzałki skierowane w przeciwnych kierunkach, biegną do anionu chloru, który jest poza czerwonym kołem. Natomiast od H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C O indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego biegnie strzałka w dół do H indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, a od kationu wodoru biegnie strzałka narysowana linią przerywaną do cząsteczki HHb, która znajduje się w ostatnim równaniu reakcji. Przy równaniu jest strzałka skierowana w stronę komórki. Równanie jest następujące: O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, plus, H H b←H b O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego.

ROEP7TDKRZXBE

Ilustracja przedstawia transport dwutlenku węgla z krwi do płuc. Na ilustracji w czerwonym kole symbolizującym erytrocyt umieszczono trzy równania reakcji. Po prawej stronie koła znajdują się pęcherzyki płucne. Pomiędzy czerwonym kołem a komórkami są strzałki. Pod czerwonym kołem jest napis osocze. Pierwsza strzałka od góry ilustracji biegnąca od komórki w stronę pęcherzyków oznacza rozpuszczony C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego. Kolejna strzałka poniżej biegnie od równania reakcji zamieszczonego w kole w stronę pęcherzyków. Równanie jest następujące: H b C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, ⟶ H b, plus, C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego. H b C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego to karbaminohemoglobina. Przy kolejnym równaniu również strzałka biegnie od czerwonego koła w stronę pęcherzyków płucnych. Równanie jest następujące: H C O, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, ⟶ H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C O indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, ⟶ H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, plus, C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego. Przy H C O, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego znajdują się dwie strzałki skierowane w przeciwną stronę. Prowadzą do anionu chloru znajdującego się poza czerwonym kołem. Katalizatorem w reakcji jest anhydraza węglanowa. Od pęcherzyków płucnych biegnie strzałka w stronę ostatniego równania umieszczonego w czerwonym kole. Równanie jest następujące: H b O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego←H H b, plus, O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego. Od HHb biegnie strzałka zaznaczona linią przerywaną do H indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, a od kationu wodoru strzałka prowadzi do cząsteczki H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C O indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego z poprzedniego równania.

Ciekawostka

6,6

Hemoglobina wykazuje duże powinowactwo do tlenku węgla(II), zwanego potocznie czadem. Łączy się z nim, tworząc karboksyhemoglobinę (HbCO) – związek słabo dysocjujący, bardziej trwały niż połączenie tlenu z hemoglobiną. Tlenek węgla(II) wysyca w cząsteczce hemoglobiny te wiązania, które łączą się z tlenem, a więc erytrocyt traci zdolność do przenoszenia tlenu. Nadmiar karboksyhemoglobiny powoduje niedotlenienie organizmu objawiające się zmęczeniem i zawrotami głowy. Wzrost jej stężenia do 20% daje objawy zatrucia, a przy stężeniu powyżej 60% następuje utrata świadomości i najczęściej śmierć przez tzw. zatrucie tlenkiem węgla(II) (zaczadzenie). HbCO może się rozkładać pod wpływem podwyższonego stężenia OIndeks dolny 2₂, jednak jest to proces bardzo długi i nie zawsze możliwy.

RvWuSwdhC3Hrn

Zdjęcie przedstawia kobietę leżącą w komorze hiperbarycznej. Dolna część komory przypomina łóżko. Na obudowie znajdują się przyciski, dwie okrągłe tarcze wskazujące parametry, a także słuchawka telefoniczna. Górną część łóżka stanowi przezroczysty tunel w kształcie cylindra. Tam leży pacjentka.

Podsumowanie

• Wymiana gazowa zewnętrzna zachodzi w pęcherzykach płucnych – tlen z powietrza dyfunduje do krwi, a CO₂ z krwi do pęcherzyków.

• Wymiana gazowa wewnętrzna zachodzi między naczyniami włosowatymi a komórkami ciała – tlen dyfunduje do komórek, a CO₂ w przeciwną stronę.

• Powietrze wdychane zawiera około 21% tlenu, 0,03% CO₂ i 78% azotu, a wydychane – około 16% tlenu, 4% CO₂ i 78% azotu.

• Tlen transportowany jest we krwi głównie w postaci związanej z hemoglobiną, w niewielkim stopniu jako rozpuszczony w osoczu krwi. Natomiast CO₂ transportowany jest w postaci jonów wodorowęglanowych (ok. 70%), związany z hemoglobiną (ok. 23%) oraz rozpuszczony w osoczu (ok. 7%).

• Hemoglobina ma wysokie powinowactwo do tlenu – zdolność wiązania tlenu zależy ciśnienia parcjalnego O₂ i CO₂, pH, temperatury. Czynniki zwiększające oddawanie tlenu przez hemoglobinę (obniżające jej powinowactwo) to: wzrost temperatury, wzrost stężenia CO₂, spadek pH.

• Mioglobina, obecna w mięśniach, ma jeszcze wyższe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina dorosłego człowieka – magazynuje tlen i uwalnia go przy niskim ciśnieniu parcjalnym. Natomiast hemoglobina płodowa (HbF) ma wyższe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina dorosłych, umożliwiając efektywny transport tlenu z krwi matki do płodu.

Ćwiczenia utrwalające