【生理学】肺换气和组织换气

【生理学】肺换气和组织换气
一、气体交换的基本原理
（一）气体的扩散
气体分子不停地进行无定向运动，当不同区域存在气压差时，气体分子将从气压高处向气压低除发生净转移，这一过程称为气体的扩散。

混合气体中各种气体都按其各自的分压差由分压高处向分压低处扩散，直到取得动态平衡。

肺换气和组织换气均以扩散方式进行。

单位时间内气体扩散的容积称为气体扩散速率。

1. 气体的分压差是指混合气体中各气体组分所产生的压力。

在温度恒定时，某种气体的分压等于混合气体的总压力诚意该气体在混合气体中所占容积百分比。

气体分压差是指两个区域之间某气体分压的差值，它是气体扩散的动力和决定气体扩散方向的关键因素。

2. 气体的分子量和溶解度根据Graham定律，在相同条件下，气体分子的相对扩散速率与气体分子量的平方根成反比，因此分子量小的气体扩散速率较快。

如果扩散发生于气相和液相之间，扩散速率还与气体在溶液中的溶解度成正比。

溶解度（S）是单位分压下溶解于单位容积溶液中的气体量。

一般以1个大气压下，38℃、100ml液体中溶解的气体毫升数来表示。

气体分子的溶解度与分子量的平方根之比称为扩散系数，它取决与气体分子本身的特点。

二氧化碳的扩散系数约为氧气的20倍，主要是因为二氧化碳在血浆中的溶解约为氧气的24倍。

3. 温度在正常人体，体温相对恒定，温度因素可忽略不计。

4. 扩散面积和距离扩散面积越大，所扩散的分子总数也越大；分子扩散的距离越大，扩散的时间越长。

（二）呼吸气体和人体不停部位气体的分压
1. 呼吸气和肺泡气的成分和分压人体吸入的气体是空气。

空气成分中具有生理意义的是氧和二氧化碳。

吸入的空气在呼吸道内被水蒸气饱和，所以呼吸道内吸入气的成分不同于大气，各种气体成分的分压也发生变相的改变。

呼出气是无效腔内的吸入气和部分肺泡气的混
合气体。

2. 血液气体和组织气体的分压
人体血液和组织中气体的分压（mmHg）
二、肺换气
（一）肺换气过程
混合静脉血流经肺毛细血管时，血液PO2为40mmHg，比肺泡气102mmHg的PO2低，O2就在分压差的作用下由肺泡气向血液净扩散，使血液PO2逐渐上升，最后接近肺泡气的PO2；混合静脉血PCO2为46mmHg，所以，CO2便向相反的方向净扩散，即从血液向肺泡扩散。

O2和CO2在血液和肺泡之间的扩散都极为迅速。

不到0.3秒即可达到平衡。

当血液流经毛细血管全场约1/3时，肺换气过程已基本完成。

可见，肺换气有很大的储备能力。

正常安静状态下，经过肺换气过程，毛细血管血液的O2含量由100ml血液15ml升至20ml，CO2含量则由100ml血液52ml降至48ml。

若按心输出量为5L/min计，则流经肺毛细血管的血流每分钟可自肺泡摄取O2250ml，并释出200ml。

（二）影响肺换气的因素
1. 呼吸膜的厚度肺泡与血液进行气体交换需通过呼吸膜，即肺泡-毛细血管膜。

呼吸膜又称气-血屏障，由六层结构组成；含肺表面活性物质的液体层、肺泡上皮细胞层、上皮基底膜层、上层基底膜和毛细血管基膜之间的间隙、毛细血管基膜层及毛细血管内皮细胞层。

呼吸膜的总厚度＜1μm，最薄处只有0.2μm。

气体易于扩散通过。

气体扩散速率与呼吸膜厚度成反比，呼吸膜越厚，扩散需要的时间就越长，单位时间内交换的气体量就越少。

人工呼吸膜不仅薄而且整个肺的呼吸膜面积很大，而肺毛细血管总血量只有60-140ml。

因而血液层很薄，非常利于气体交换。

肺毛细血管直径平均约5μm，红细胞需要挤过毛细血管。

2. 呼吸膜的面积气体扩散速率与扩散面积成正比。

正常成年人两肺的总扩散面积约70m2。

在安静状态下，用于气体扩散的呼吸膜面积约40m2。

因此有相当大的储备面积。

劳动或运动时，因肺毛细血管开
放数量和开放程度的增加，有效扩散面积也大大增加。

肺不张、肺实变、、肺叶切除或毛细血管关闭和阻塞等，均可使肺呼吸膜扩散面积减小而影响肺换气。

3. 通气/血流比值是指每分钟肺泡通气量（V A）和每分钟肺血流量（Q）的比值（V A/Q)。

正常成年人安静时，V A/Q约为0.84，这意味着两者比例适宜，气体交换率高。

如果该比值增大意味着通气过渡偶血流相对不足，部分肺泡气体未能与血液气体充分交换，致使肺泡无效腔增大。

反之，该比值减小意味着通气不足或血流相对过多，部分血液流经通气不良的肺泡，混合静脉血中的气体不能得到充分更新，犹如发生了功能性动-静脉短路。

当V A/Q异常时，主要表现为缺氧O2的原因在于：①动、静脉血液之间PO2差远大于PCO2差，所以当发生动-静脉短路时，动脉血PO2下降程度大于PCO2升高程度；②CO2的扩散系数约为O2的20倍，所以CO2扩散比O2快，不易潴留；③动脉血PO2下降和PCO2升高时，可刺激呼吸，增加肺泡通气量，有助于CO2的排出，却无助于O2的摄取，这是由O2解离曲线和CO2解离曲线的特点所决定的。

（三）肺扩散容量
气体在单位分压（1mmHg）的作用下，每分钟通过呼吸膜扩散毫升数称为肺扩散容量。

肺部疾病时，肺扩散容量可因有效扩散面积减小或扩散距离增加而减小。

三、组织换气
气体的交换发生于液相介质之间，且扩散膜两侧O2和CO2的分压随细胞内氧化代谢的强度和组织血流量的多寡而改变。

如果血流量不变，代谢增强，则组织中的PO2降低，PCO2升高；如果代谢率不变，血流量增多，则组织液中的PO2升高，PCO2降低。

在组织中，由于细胞的有氧代谢，O2被利用，并产生CO2，所以PO2可降低至30mmHg，而PCO2可高达50mmHg以上。

动脉血液流经组织毛细血管时，O2便顺分压差从血液向组织液和细胞扩散，CO2则由组织液和细胞向血液扩散，动脉血因失去O2和得到CO2而变成静脉血。