1、第二节 气体的交换,气体的交换: (一)动力: (二)过程： 三影响肺换气的因素：,一、 气体交换的原理 Physical Principles of Gas Exchange : Diffusion of Oxygen and Carbon Dioxide （一） 气体的扩散 概念：气体分子不停地进行着无定向的运动，其结果是气体分子从分压高处向分压低处发生净移动，这一过程称为气体扩散 气体扩散的动力是气体的分压差,气体交换 肺部:肺泡气中O2的分压大于 肺毛细血管O2 的分压, O2 进入血管. 肺泡气中CO2 的分压小于 肺毛细血管CO2 的分压, CO2进入肺泡. 组织:组织中O2的分压
2、小于毛细 血管O2 的分压, O2进入组织. 组织中CO2 的分压大于毛细 血管CO2 的分压, CO2进入 血管.,(二) 扩散速率（diffusion rate，D）: 单位时间内气体扩散的容积 D,1. 气体的分压差 气体分压（ partial pressure ，P）：在混合气体的总压力中，某种气体所占有的压力，称为该气体的分压 气体分压 = 总压力 该气体的容积百分比 . PO2 = 760 mmHg 20.1 % = 159.6 mmHg PCO2 = 760 mmHg 0.04 % = 0.3 mmHg,气体的张力 ：溶解在液体中的气体分子从液体中逸出的力，称为液体中该气体的张力
3、，张力就是液体中该气体的分压。 : Pressure =,2. 气体分子量与溶解度(S) A. 气体的溶解度 The solubility coefficient ：单位分压差下溶解于单位容积的溶液中的气体量 The solubility is the volume of the gas in100ml water at one atmosphere pressure of the gas at 38(centigrade ) 在一个标准大气压下，38时，每100 ml 血浆中溶解的气体的 ml 数： O2的溶解度：21.1ml / L CO2的溶解度：515.0 ml / L CO2的溶解度
4、是O2的溶解度的24倍 Solubility coefficient of different gases O2 : 0.024 CO2: 0.57,B. 气体的分子量越大，扩散速率越慢 气体的扩散系数 Diffusion coefficient: S/MW is called diffusion coefficient of gas = S / (MW)1/2 CO2 的扩散系数是 O2的 20 倍 气体的分子量和溶解度是气体分子本身的性质,3. 扩散面积和距离（A、d）,the Respiratory Membrane,4. 温度（T） 影响气体扩散速率的因素： DP*S*T*A / d*
5、( MW ) 1 / 2 D： 扩散速率 P ：I扩散界面两侧的某种气体分压差 A ：扩散面积 S：某气体的溶解度 MW: 气体的分子量 ：气体的粘滞度 d ：气体的扩散距离 CO2 的溶解度是 O2的 24 倍 CO2 的扩散系数是 O2的 20 倍 肺换气中, CO2 的扩散速率是 O2的 2 倍,二、肺换气 (一) 肺换气过程： PO2和PCO2分压差决定扩散方向、动力 肺泡气 ： PO2 102 mmHg PCO2 40 mmHg 肺毛细血管静脉端 PO2为 40 mmHg PCO2为 46 mmHg 在肺，静脉血变为动脉血 PO2 100 mmHg PCO2 40 mmHg,通常在血
6、液流经肺毛细血管全长的1/3时，已完成肺换气过程,(二) 影响肺部气体交换的因素 Factors that Affect the Rate of Gas Diffusion Through the Respiratory Membrane 1. 气体的分压差,2. 呼吸膜的厚度 呼吸膜厚度：通常六层不足1m The thickness of the membrane (edema fluid ,fibrosis of the lungs causes the increase in t hickness ) 3. 呼吸膜的面积 3亿个肺泡，40 70 肺毛细血管丰富，血流慢、压强低、血管直径小
7、 （8 m），肺毛细血管总血量仅60 140ml 肺水肿、肺纤维化时厚度增加，肺炎、肺气肿、 肺不张时面积减小，都使肺换气功能减弱 运动时，肺血流速度加快 The surface area of the respiratory membrane (removal of an entire lung ,emphysema),4. 通气/血流比值 Ventilation /perfusion ratio (Va/Q) ：（Va / Q = 4.2 / 5 = 0.84） 通气/血流比值（ventilation / perfusion ratio）： 每分肺泡通气量和肺血流量之间的比值 Va/Q i
8、s the ratio of minute alveolar ventilation and minute pulmonary perfusion. 正常情况下 Va / Q = 4.2 / 5 = 0.84,Va / Q 比值在0.84 时气体交换的效率最高 Va/Q比值大于0.84: 血泵功能下降时，Va / Q 比值 大于 0.84 : 相当于增大了肺泡无效腔 “Physiologic dead space” increases when Va/Q is greater than normal ( 0.84 ). 气泵功能下降时，Va / Q 比值小于 0.84 : 相当于发生了机能性
9、A - V短路 “physiologic shunt ” when Va/Q is below normal ( 0.84 ),肺毛细血管动脉端,肺泡,肺泡,肺毛细血管静脉端,Va/Q,Va/Q,肺毛细血管动脉端,肺泡,肺泡,肺毛细血管静脉端,三 、 组织换气 组织细胞内 PO2可低于 30 15 mmHg PCO2可高达 50 mmHg 毛细血管动脉端 PO2为 97100 mmHg PCO2为 40 mmHg 动脉血变为静脉血,影响组织换气 的因素 组织换气时，组织和组织毛细血管动脉端的氧和二氧化碳的分压差随细胞内氧化代谢的强度和血流量而异 血流量不变时，代谢强则组织 PO2低，PCO2高
10、 ，分压差大。 代谢强度不变时，血流量大则细胞外 PO2高，PCO2低，分压差大。,第三节 气体在血液中的运输 Transport of O2 and CO2 in the Blood,一、 O2和CO2在血液中存在的形式 形式： 物理溶解 化学结合 （ 分压） （张力） 血液 肺泡O2 溶解状 化学结合状 组织O2 组织CO2 溶解状 化学结合状 肺泡CO2,实际上： 动脉血O2 含量约为 20 ml / 100 ml而不是0.31 故O2 总运输量中 物理溶解形式占 1.5 %， 化学结合形式占 98.5 % About 98.5 percent of O2 is transported
11、in the form of chemical combination with Hb in the red blood cells, About 1.5% of O2 is transported in the dissolved state in the water of the plasma and the cells,静脉血CO2含量约为 53 ml / 100 ml而不是2.91 故CO2 总运输量中 物理溶解形式占 5.8% 化学结合形式占 94.2% only 5.8 percent of all CO2 is transported in dissolved state . A
12、bout 94.2 percent of CO2 is transported in the form of chemical combination 血液中的气体绝大多数是以化学结合的形式存在和运输的,虽然溶解形式的O2 、 CO2很少，对气体运输意义不大，但对气体交换至关重要，因为: 肺和组织进行气体交换时，进入血液的O2 、 CO2都是先溶解提高分压形成化学结合的方式 ; O2 、 CO2从血液释放时，也是溶解的先溢出（或扩散）分压下降化学结合形式的气体再解离为溶解形式的气体,二、 氧的运输,物理溶解方式 1.5 % 化学结合方式 98.5 % O2 肺血液溶解O2 组织 HbO2,(一
13、) Hb (hemoglobin)分子结构 由一个珠蛋白和四个血红素组成 每个珠蛋白由两条和两条肽链组成 每条肽链结合一个血红素 每个血红素含一个Fe + 每个Fe +可与一分子O2结合 Each Fe2+ carrying one molecule of O2 所以，一分子Hb可与四分子O2结合成为氧合血红蛋白 One molecule of hemoglobin can bind with 4O2,Hb 的4个亚单位之间和亚单位内部由盐键连接 Hb 与 O2的结合或解离将影响盐键的形成（解离时）或断裂（结合时），使Hb的构型发生改变， Hb与O2的亲和力也发生改变 氧离血红蛋白：紧密型（T
14、型 ，盐键形成） 氧合血红蛋白：疏松型（R型，盐键断裂） 原因：氧与T型 Hb的Fe +结合后， Fe +的电子自旋状态改变，则盐键断裂， T型 Hb变为R型，而R型Hb对O2的亲和力逐步增加， R型Hb对O2的亲和力为T型的数百倍， 反之，氧与R型Hb解离时， R型 Hb变为T型，Hb对O2的亲和力逐步减弱,（二）Hb与O2结合的特征 1. 反应快，可逆，不需酶催化，受PO2影响 Hb（去氧血红蛋白） HbO2 （氧合血红蛋白） PO2高（肺） Hb + O2 HbO2 (暗红） PO2低（组织） （鲜红） 2 . Fe2+与O2结合为氧合（oxygenation），不是氧化 反应（oxid
15、ation），因结合后铁仍为二价铁,3. 1分子Hb结合4分子O2， Hb 的分子量为64000 67000道尔顿 所以1g Hb可携带1.34 1.39 ml 氧 a. Hb氧容量 Oxygen capacity 或血氧容量： 100ml血液中， Hb所能结合的最大O2量 Oxygen capacity : It is the maximum volume of oxygen that can be carried by per 100 milliliter of blood 1.34 15g = 20.1 （ml / 100ml血液） b. Hb氧含量 Oxygen content或血氧含
16、量： 100ml血液中， Hb实际结合的O2量 Oxygen content : It is the actual volume of oxygen that is carried by 100 ml of blood,c. Hb氧饱和度 Oxygen saturation或血氧饱和度： 氧含量/氧容量 Oxygen saturation := 100% d. Cyanosis（紫绀，发绀）,oxygen content,oxygen capacity,一氧化碳中毒： CO和血红蛋白上氧的结合位点相结合， CO和血红蛋白的亲和力是O2的250倍 Combination of Hemoglobi
17、n with Carbon Monoxide - Displacement of Oxygen CO competes for the same binding sites in the Hb with O2 (competitive inhibition ) The affinity of Hb for CO is about 250 times as great as for O2.,三、 二氧化碳的运输 Transport of Carbon Dioxide in The Blood,（一） CO2的 运输形式 物理溶解占 5.5 %. Only 5.5 percent of all C
18、O2 is transport in dissolved state . 化学结合占 94.5 % 1.碳酸氢盐形式 占总运输量的 87 % 左右 CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ 红细胞内CA催化，反应加快5000倍（双向催化）,CA PCO2 时，在组织 CA PCO2 时，在肺,2 . 形成氨基甲酸Hb（ CO2与Hb上的氨基结合） 占总运输量的 7 %左右，可逆，快，无酶催化 HbNH2O2 + H+ + CO2 HHbNHCOOH + O2 在组织，HbO2 (酸性强）解离出 O2 ，变为Hb（酸性弱，易于结合H+使反应向右进行） 在肺HbO2多(酸性强），易于促
19、使H+ 和 CO2 释放和解离，使反应向左进行,在组织,在肺,（二） CO2解离曲线 carbon dioxide dissociation curve a. 概念： 是表明PCO2 与CO2含量关系曲线 血中CO2含量随 PO2的升高而增加 Concept: The curve showing the dependence of total blood CO2 in all forms on PCO2. b. 呈线性关系，无饱和现象 c. 不同 PO2 时的CO2解离曲线位置不同， PO2升高时右移 PO2降低时左移,(三) O2与Hb结合对CO2运输的影响 何尔登效应 Haldane ef
20、fect : O2与Hb结合促使 CO2释放的效应称为何尔登效应 机制： PO2高时（在肺）HbO2多，其酸性强，不易与H+ 和 CO2结合形成氨基甲酸Hb PO2低时（在组织）Hb多，其酸性弱，易与H+ 和 CO2结合形成氨基甲酸Hb,意义： a. 在组织细胞HbO2Hb+O2，有利于将细胞代谢产生的CO2和H+结合和运输到排泄器官 b. 在肺部，Hb+O2HbO2，有利于Hb释放CO2和H+，有利于CO2排出体外,组织 血浆 红细胞,CO2,CO2,CO2,CO2,碳酸酐酶,H2CO3,HCO3- H+,KHCO3 Cl -,H2O,HHb,HHb CO2,CO2,K+ Hb,KHbO2,O2,O2,O2,Cl -,HCO3-,Na+,NaHCO3,肺泡 血浆 红细胞,CO2,CO2,CO2,CO2,碳酸酐酶,H2CO3,HCO3- H+,KHCO3 Cl -,H2O,HHb,HHb CO2,CO2,K+ Hb,KHbO2,O2,O2,O2,Cl -,HCO3-,Na+,NaHCO3,O2,O2,O2,
