Anatomie van de longen

De cavitas thoracica bestaat uit drie compartimenten, wetende:

• Een linker en een rechter cavitas pulmonalis; in deze compartimenten liggen de longen en de pleura. De compartimenten nemen het grootste deel van de borstholte in beslag;

• Het mediastinum in het midden van de thorax; het mediastinum scheidt de linker- en rechter- cavitas pulmonalis van elkaar en bevat alle andere structuren uit de borstholte (hart, delen van de grote vaten en de trachea, oesophagus, thymus en andere structuren).

Pleurae

De twee cavitas pulmonalis zijn bedekt met pleura. Deze slaan om en bedekken ook de buitenkant van de longen. De ruimte tussen het deel van de pleura dat de longen bedekt (pleura visceralis) en het deel dat de wanden van de cavitas pulmonale (pleura parietalis) bedekt wordt de pleurale holte genoemd. Deze holte is gevuld met een sereus laagje pleuraal vocht. De aanwezigheid van dit laagje maakt het voor de twee lagen mogelijk over elkaar te schuiven tijdens een ademhaling. De oppvervlaktespanning van dit laagje zorgt voor de cohesie tussen de wand van de long en de wand van de thorax. Als de thorax vergroot, zit de long er als het ware aan vas geplakt waardoor deze uitgerekt wordt en zich met lucht kan vullen. De pleura zijn tijdens de embryonale ontwikkeling ontstaan. Het coelemische epitheel bedekt de primordia van de longen en wordt uiteindelijk de viscerale pleura. Het epitheel dat de wanden van het pericardioperitoneale kanaal bedekt, wordt later de pariëtale pleura. De pleura visceralis bedekt de long en volgt de hele oppervlakte, ook de oppervlakte in de fissura horizontalis en de fissurae obliques. Meestal kan de viscerale pleura niet van de long gescheiden worden met dissectie. De pleura visceralis is continu met de pleura parietalis bij de hilus. Hier bevindt zich de wortel of radix van de long, die de bronchus en pulmonaire vaten bevat. De pleura parietalis is dikker dan de visceralis en kan gescheiden worden van de thoraxwand.

De pleura parietalis kan opgedeeld worden in de volgende drie delen:

1. De pleura costalis (of costovertebralis) bedekt het interne oppervlak van de thoraxwand en wordt door de fascia endothoracica gescheiden van het interne oppervlak van de cavitas thoracica (dus: de ribben, de intercostaalspieren etc.);

2. De pleura mediastinalis bedekt het laterale deel van het mediastinum;

3. De pleura diafragmatica wordt met het spierweefsel van het diafragma verbonden door een dunne, meer elastische phrenopleurale fascia.

De cervicale pleura bedekt de apex van de long en wordt versterkt door een bindweefselmembraan: het suprapleurale membraan (ook wel de fascia van Sibson genoemd). Deze is bevestigd aan de interne grens van de eerste rib en de processus transversus van wervel C7. De pariëtale pleura maakt relatief abrupte bochten bij overgang van de ene zijde van de cavitas thoracica naar de andere. Deze lijnen worden de lijnen van pleurale reflectie genoemd. Omdat het hart wat meer naar links ligt, is er een verschil tussen rechter- en linkersternale belijning van pleurale reflectie. De longen vullen niet de gehele longholtes tijdens expiratie. Er zijn een recessus costodiafragmatica en een recessus costomediastinalis aanwezig, die zich om de longen heen bevinden en zich met long vullen bij een (diepe) inspiratie.

De longen

De longen hebben als hoofdfunctie het afgeven van zuurstof aan het bloed door ingeademde lucht  dicht bij veneus bloed te brengen in pulmonaire capillairen. ‘Levende’ longen zijn licht, zacht en sponsachtig, op de snijzaal zullen de longen echter niet zo aanvoelen.

Elke long is opgebouwd uit de volgende onderdelen:

• Een apex;

• Een basis;

• Twee of drie lobben, gevormd door een of twee fissurae;

• Drie oppervlakken (costaal, mediastinaal en diafragmatisch);

• Drie grenzen (anterior, inferior en posterior).

De rechterlong wordt opgedeeld door de fissura oblique dextra en fissura horizontalis dextra in drie longkwabben, wetende de lobus superior, de lobus media en de lobus inferior. De rechter long is groter en zwaarder dan de linkerlong, maar tegelijkertijd ook korter en breder (als gevolg van het hart dat meer naar links ligt).  De linkerlong bestaat slechts uit twee lobben (in plaats van drie). Het longoppervlak kan evenals de pleura parietalis verdeeld worden in een facies costalis, mediastinalis en diafragmatica. De longhilus kan gezien worden als de poort naar de long. Door deze radix komen allerlei belangrijke structuren de long binnen, zoalsde arteria pulmonalis, de bronchi, de pulmonaire venen, enzovoorts. Inferieur aan de longwortel is er een continuïteit tussen pariëtaal en visceraal pleura: het ligamentum pulmonaris.

De sublaryncheale luchtweg bestaat uit de tracheobronchiale boom. Hiermee wordt de vertakking van trachea, via de primaire bronchi, de lobulaire brochi, de segmentale bronchi, de terminale bronchi en uiteindelijk de alveolaire ducts bedoeld. Elke lobus wordt door segmentale brochi verdeeld in bronchopulmonaire segmenten. Deze bronchopulmonaire segmenten zijn de kleinste bouwstenen van een longkwab. Het zijn piramidevormige segmenten die gescheiden worden van aanliggende segmenten door septa van bindweefsel. Deze stukjes worden onafhankelijk voorzien van (onder andere) bloed en lucht door een segmentale bronchus en een tertiaire tak van de arteria pulmonalis. Het segment wordt genoemd naar de bronchus die hem van lucht voorziet en wordt gedraineerd door intersegmentale delen van de pulmonaire venen, welke in het bindweefsel tussen de segmenten gelegen zijn. Er zijn ongeveer 8-10 bronchopulmonaire segmenten per lobus van de long. Deze segmenten zijn klinisch van belang, omdat het de kleinste eenheid van een long is die chirurgisch te verwijderen valt. Helemaal aan het einde van de tracheabronchiale boom, dus bij de alveaolaire ducti, eindig je in de alveoli (enkelvoud: alveolus). In deze extreem dunne blaasjes vindt de gaswisseling plaats.

Fysiologie ademhalingsstelsel

Interactie tussen de longen en de thoraxwand bepaalt het longvolume. Longen zijn elastisch, waardoor ze de neiging hebben in te klappen. De borstkas is ook elastisch, deze wordt omhoog getrokken. Normaal zijn deze terugverende krachten in evenwicht. Tussen de longen en de borstkas bevindt zich de intrapleurale ruimte. Deze ruimte is gevuld met pleuraal vocht.

De intrapleurale druk (P_IP) is lager dan de barometerdruk (P_b), omdat de longen en borstkas uit elkaar getrokken worden. De intrapleurale ruimte is een relatief vacuum. De P_IP is gelijk aan verschillende andere drukken in de thorax, wetende:

1. De virtuele ruimte tussen de borstwand of het diafragma en de pariëtale pleura;

2. De virtuele ruimte tussen de longen en de viscerale pleura;

3. Het interstitium rondom de pulmonale luchtwegen;

4. In de ruimte rondom hart en vaten;

5. Rondom en in de oesophagus.

Je kunt P_ip versimpeld zien als de druk overal in de thorax, behalve in bloedvaten, lymfevaten en luchtwegen. De P_IP wordt meestal uitgedrukt in cm H₂O in relatie tot een P_b van 0 cm H₂O. De P_IP is niet homogeen verdeeld. Wanneer iemand rechtop zit, is de P_IP rondom de apex van de longen het laagst en rondom de basis van de longen het hoogst. Deze verschillen worden veroorzaakt door houding en zwaartekracht. De zwaartekracht trekt de longen naar beneden, waardoor het vacuum bij de apex wordt vergroot en bij de basis verkleind. Een verandering in het evenwicht tussen de plaats van de thorax en de longen zorgt voor een verandering in het longvolume (V_L).

De ademhalingsspieren

De tegenovergestelde elastische krachten van de longen en de thoraxwand veroorzaken dus een negatieve intrapleurale druk die de longen gespannen houdt. Veranderingen in deze balans leiden tot veranderingen in het longvolume. De inademingsspieren laten de borst uitzetten, waardoor de P_IP negatiever wordt. De longen zetten hierdoor passief uit, waardoor het longvolume toeneemt. De spieren die een rustige inademing veroorzaken, heten de primaire inademingsspieren. Dit zijn het diafragma en veel externe en interne intercostale spieren. Deze intercostale spieren overspannen het gedeelte tussen twee ribben en worden geïnnerveerd door spinale zenuwen. De actie van de intercostale spieren is afhankelijk van de positie op de rib. Dorsale en rostrale externe intercostale spieren en parasternale interne intercostale spieren zorgen voor de inademing. Door contractie wordt de thoraxwand stijver, waardoor ribben 2 tot 10 en het sternum naar boven en naar buiten bewegen. Hierdoor wordt het thoraxvolume vergroot. De accessoire of secundaire inademingsspieren zijn de scaleni, de sternocleidomastoïdeus, de nek- en rugspieren en de spieren van het bovenste deel van de luchtwegen. Deze worden aangespannen bij geforceerde ademhaling.

Een rustige uitademing wordt veroorzaakt door een ontspanning van de primaire inademingspieren, waardoor door het ontstane drukverschil lucht de longen uitgeblazen wordt. Expiratie is echter niet altijd geheel passief. Bij een geforceerde uitademing bij een gezond persoon of bij een normale uitademing bij een persoon met een verhoogde weerstand van de luchtweg (R_AW) zorgen de accessoire uitademingspieren voor een positievere P_IP en voor het overwinnen van de R_AW. Deze spieren zijn de abdominale spieren, de intercostale spieren en nek- en rugspieren.

De transmurale druk en de transpulmonaire druk

Bij een pneumothorax is de P_IP gelijk aan de P_b, waardoor er geen vacuüm is dat de terugverende kracht van de long tegenwerkt. Hierdoor zullen de alveoli samenvallen (atelectasis). Het resulterende minimale volume van de long is 500 ml. Het volume is niet nul, omdat grote luchtwegen eerder samenvallen dan kleine luchtwegen, waardoor lucht wordt ingevangen. Wanneer de lucht weer uit de thorax wordt gezogen, wordt P_ip weer negatief en spreiden de longen zich weer uit. De transmurale druk is het drukverschil tussen het lumen van de luchtwegen en de interpleurale ruimte, oftewel de druk over de luchtwegwand. De transpulomaire druk is het drukverschil tussen de alveolairen en de interpleurale ruimte. In statische condities is de alveolaire druk gelijk aan 0 cm H₂O.

Er zijn vier fases van V_L tijdens het opnieuw opblazen van de longen te onderscheiden (gemeten onder statische omstandigheden):

1. Eerst is er een stabiele V_L aanwezig. Dit komt doordat de P_TP heel groot moet zijn om een totaal ingevallen luchtweg te openen, doordat de oppervlaktespanning van het water-luchtoppervlak, die de luchtweg dichthoudt, groot is;

2. Vervolgens gaan de luchtwegen open, doordat de P_TP groot genoeg is geworden. Eerst openen de proximale luchtwegen met de grootste compliantie zich. Vervolgens stijgt de V_L steeds sneller, omdat ook andere luchtwegen openen of zich verder verwijden;

3. Hierna treedt lineaire expansie van al geopende luchtwegen op, waardoor de V_L ongeveer lineair stijgt;

4. Tot slot wordt de limiet van de inflatie van de luchtwegen bereikt, wanneer V_L de totale longcapaciteit (TLC) nadert. Dit komt door de afnemende compliantie van de luchtwegen en borstwand en limieten aan de kracht van de spieren.

Wanneer bij de tot TLC opgeblazen longen de P_IP opnieuw toeneemt tot 0 mm H₂O, zal V_L afnemen. Er is een verschil tussen het pad van in- en uitademing (hysteresis), waardoor een P_IP-V_L-lus ontstaat. Hysteresis ontstaat doordat voor het openen van een door een tekort aan surfactant  gesloten luchtweg een grotere P_TP nodig is dan voor het openhouden van een al geopende luchtweg, als gevolg van een teveel aan surfactant. Tijdens een normale ademhaling, is er sprake van slechts een kleine hysteresis.

De compliantie van een long is te berekenen volgens de volgende formule:

• C = ΔV_T/ ΔP_TP

Waarbij ΔV_T in L wordt aangegeven en ΔP_TP in cm H₂O. Wanneer de metingen in de afwezigheid van luchtstroom gedaan zijn, is C de statische compliantie.

De elasticiteit, een maat voor de elastische terugvering, is te berekenen volgens een andere formule, betreffende:

• E = 1/C

Hieruit volgt dat longen met een hoge compliantie en lage elasticiteit hebben, en vice versa. Iemand met een restrictieve longziekte, zoals pulmonaire fibrose, heeft een verminderde C. Bij pulmonaire fibrose wordt dit veroorzaakt door de afzetting van fibreus weefsel in de longen. De elasticiteit is echter vergroot. Bij een patiënt met emfyseem is longweefsel vernietigd, waardoor de elasticiteit van de long afneemt. Hierdoor kan een patiënt makkelijker inademen, maar de luchtwegen klappen gemakkelijker dicht tijdens het uitademen, waardoor de R_AW sterk toeneemt.

De longcellen en de extracellulaire matrix (collageen en elastine) zorgen voor een klein deel van de elasticiteit, de oppervlaktespanning bij de grens tussen water en lucht zorgt voor het grootste deel van de elasticiteit. De oppervlaktespanning (T) is een maat voor de kracht die bij een lucht-vloeistofgrens de vloeistof-oppervlaktemoleculen naar elkaar trekt. Moleculen aan het oppervlak worden, in tegenstelling tot de moleculen in het midden van de vloeistof, niet in alle richtingen evenveel aangetrokken tot de andere moleculen. De moleculen aan het oppervlak worden sterker naar de andere vloeistofmoleculen getrokken dan naar de luchtmoleculen, waardoor tussen de moleculen aan het oppervlak een spanning ontstaat. Door de kracht die richting de vloeistof wijst, ontstaat ook een parallelle kracht langs het oppervlak. Deze laatstgenoemde kracht  is de oppervlaktespanning. Het kost kracht om de oppervlaktespanning te overwinnen. De oppervlaktespanning is te berekenen met de volgende formule:

• T = F / l

Waarbij F de kracht in dynes is, en l de lengte van het oppervlak waaraan getrokken wordt in centimeters.

Bij een gasbel omgeven door water werkt de oppervlaktespanning om het volume gas binnen de bubbel te verminderen.  Hierdoor verhoogt de druk in de gasbel. De vergelijking van Laplace beschrijft het evenwicht in deze situatie, wanneer de neiging van de verhoogde druk om de bel te laten uitdijen en de neiging van de oppervlaktespanning om de bel te laten krimpen, gelijk zijn. Deze formule betreft de volgende::

• P = 2T/r

Hierbij is T een constante voor een bepaalde vloeistof-gasgrens en r de straal van de bel. Hieruit is af te leiden dat bij een kleinere straal een grotere kracht nodig is om de bel open te houden. Omdat een dunne waterlaag de binnenkant van de alveoli bedekt, is dit verband belangrijk. De oppervlaktespanning zorgt er namelijk voor dat de alveoli de neiging hebben om dicht te vallen. Wanneer twee bellen lucht van verschillende grootte met elkaar verbonden zijn, zal de kleinste bel lucht in de grootste legen, omdat de druk die nodig is om de kleinste bel open te houden veel groter is dan de druk die nodig is om de grootste open te houden. Dit proces speelt ook een rol in de longen, omdat kleinere alveoli de neiging hebben om te legen in grotere alveoli. Het nadeel van een aantal grotere alveoli in plaats van meerdere kleinere is dat het oppervlak waarover diffusie plaats kan vinden veel kleiner zou worden.

Er zijn twee oplossingen voor dit probleem, wetende:

• Pulmonair surfactant;

• Verbindingen tussen allerlei alveoli (het principe van interdependence), waardoor de alveoli open blijven.

Surfactant, een oppervlakteactieve stof, verkleint de oppervlaktespanning. Het heeft een hydrofiel en een hydrofoob deel, waardoor het de neiging heeft om op de lucht-watergrens te gaan zitten. Het hydrofiele deel van het surfactant gaat interacties aan met de oppervlakkig gelegen watermoleculen, en trekt deze naar boven, waardoor de nettokracht op deze moleculen vermindert en dus ook de oppervlaktespanning vermindert. De hydrofobe staart van het surfactant zorgt ervoor dat het surfactant niet het water ingetrokken wordt. Type II pneumocyten produceren pulmonair surfactant, een mix van vetten en eiwitten. Het grootste deel van het pulmonaire surfactant bestaat uit vetten. Deze vetten zijn verantwoordelijk voor het oppervlakteactieve effect van het surfactant. De eiwitten SP-A en SP-D in pulmonair surfactant zijn hydrofiel en helpen bij het identificeren van indringers. SP-B en SP-C zijn hydrofoob en vergroten de snelheid waarmee surfactant de lucht-watergrens bereikt, en verspreiden zich dan als een laagje over het oppervlak.

De aanwezigheid van pulmonair surfactant heeft een aantal effecten:

• De longen worden meer compliant en minder elastisch. Hierdoor wordt het makkelijker om in te ademen;

• De oppervlaktespanning wordt minder, waardoor er minder vloeistofophoping is in de alveoli is;

• Surfactant houdt de grootte van de alveoli gelijk tijdens de ademhaling. Wanneer twee alveoli een verschillende instroomsnelheid hebben, heeft de ene alveolus uiteindelijk een kleinere diameter dan de andere. Hierdoor is de totale oppervlakte van de beide alveoli kleiner dan wanneer ze even snel zouden vullen, en is de ventilatie van de grotere alveolus groter.

Surfactant zorgt ervoor dat alveoli hun opblaas- en leegloopsnelheden aanpassen aan elkaar, waardoor de ventilatie gelijkmatiger gaat.

De luchtwegweerstand of R_AW varieert met de locatie en is het grootst in de pharynx en larynx en de grote luchtwegen. Hoewel de weerstand groter wordt bij een afname van de straal, zijn er zoveel kleine vertakkingen dat hun samengestelde weerstand erg laag is, hoewel de individuele weerstand van de vertakkinkjes heel hoog kan zijn. Bij obstructieve pulmonaire aandoeningen zorgt het pathologische proces voor een verhoging van de R_AW. Een toename van de R_AW zorgt voor een toename van de arbeid die nodig is om te ademen. Dit kan acuut zijn, zoals bij de inademing van een vreemd voorwerp, door ophoping van slijm of door astma. Bij astma reageert iemand extreem op de inhalatie van een trigger, waardoor bronchoconstrictie optreedt.

V (met een puntje erboven) wordt bij een sterke uitademing het grootst bij waarden net onder TLC en daalt daarna langzaam naar 0, wanneer V_L naar RV daalt. Bij een hoge V_L wordt de V (met een puntje erboven) groter wanneer de ademinspanning en dus de P_a toeneemt. Bij hoge waarden voor V_L is de stroom inspanningsafhankelijk. Bij een lage V_L is de flow constant. De flow stijgt met de P_a tot een bepaalde waarde, maar stijgt daarna niet meer omdat dan de R_AW te groot wordt. Bij lage longvolumes is de flow dus inspanningsonafhankelijk, omdat de mechanische bevestiging de luchtwegen niet goed meer open kan houden.

Restrictieve aandoeningen

Er wordt gesproken van een restrictieve longaandoening wanneer de aandoening de functionele residuale capaciteit, de vitale capaciteit of de TLC vermindert, waardoor de longen moeilijker op te blazen zijn. Restrictieve aandoeningen van het longparenchym verminderen de C van de long, waardoor inademen extra moeite kost. Patiënten ademen met snelle, oppervlakkige teugen. De ophoping van lucht (pneumothorax) of water (pleurale effusie) beperkt de expansie van alveoli; Rigiditeit van de borstwand maakt het moeilijk om het borstvolume te vergroten. Bij ankylosing spondylitis is het axiale deel van het skelet ontstoken, wat ademen bemoeilijkt. Bij kyphoscoliose zorgt deformatie van de wervels en ribben voor minder ventilatie; problemen met het neuromusculaire systeem geven ook problemen met de ademhaling. Bij polio worden soms ademhalingscentra in de hersenstam aangedaan. ALS zorgt voor de afbraak van premotorische en motorische neuronen. Een aantal medicijnen remt in overdosis de ademhalingscentra. Lokale paralyse van intercostale spieren zorgt ervoor dat de intercostale spieren naar binnen gezogen worden bij inademing. Bij gebroken ribben kan dit ook voorkomen (flail chest).

Bij een patiënt met emfyseem zijn wanden van de alveoli afgebroken, waardoor er minder en grotere luchtruimtes ontstaan en er minder aanhechtingspunten zijn. Hoewel de compliantie van de alveoli toegenomen is, waardoor ze aan het eind van een inademing groter zijn, zijn de wanden van de alveoli dun en hebben ze weinig openhoudend effect op de luchtwegen. Hierdoor vallen de luchtwegen van patiënten met emfyseem snel samen tijdens een uitademing. Patiënten met emfyseem maken het uitademen gemakkelijker op drie manieren:

1. Ze ademen langzaam uit, waardoor de P_a en dus ook de P_IP minder positief worden, waardoor de luchtwegen minder geneigd zijn samen te vallen;

2. Ze ademen op een hoger V_L, waardoor de mechanische bevestiging het grootste effect heeft en de R_AW vermindert;

3. Ze ademen uit door getuite lippen, waardoor de weerstand en dus de druk bij de lippen hoog gehouden wordt. Hierdoor daalt een groter deel van de P_AW bij de lippen in plaats van bij de kraakbeenvrije luchtwegen.

Vervoer van gassen in het bloed

Zuurstof wordt in het bloed op twee manieren vervoerd. Een deel van het zuurstof is opgelost in het bloedplasma of in het cytoplasma van de bloedcellen, maar dit is niet genoeg om de weefsels van zuurstof te voorzien. Meer dan 98% van de zuurstof wordt daarom gebonden aan hemoglobine en (dus) in erytrocyten vervoerd. Hemoglobine is een tetrameer van twee α-units en twee β-units. Elke unit bevat een heemgroep en  globuline. Per Hb kunnen 4 zuurstofmoleculen binden (één aan elke heemgroep). De heemgroep is een term voor het metaalion (Fe). Hb kan alleen O₂ binden als het ijzeratoom zich in de Fe²⁺-staat bevindt. Wanneer eht ijzeratoom spontaan of onder invloed van andere stoffen oxideert naar Fe³⁺, ontstaat methemoglobine (metHb). Dit kan geen O₂ binden. Het enzym methemoglobine reductase in de RBC zet metHb weer om in Hb. Normaal gesproken bevindt ongveer 1,5% van Hb zich in de metHb staat. Om van nut te zijn moet de binding tussen heem en zuurstof onder fysiologische omstandigheden compleet reversibel zijn. Normaal gesproken oxideert de binding van zuurstof aan vrij Fe²⁺ of vrij heem het ijzer irreversibel tot Fe³⁺. Wanneer heem in Hb zit, zorgen aminozuren ervoor dat zuurstof los en reversibel aan heem bindt. Er ontstaat een O₂-Fe²⁺-complex. Histidine doneert negatieve lading en zorgt zo voor stabilisatie van het complex. Daarnaast heeft histidine een rol in de informatieoverdracht naar de rest van de Hb-tetrameer. Het geeft aan of er zuurstof gebonden is doordat er dan een conformatie verandering optreedt. Wanneer geen enkele subunit zuurstof heeft gebonden, is Hb in de T (tensed)-state. De affiniteit voor zuurstof is dan erg laag. Wanneer enkele subunits zuurstof binden, gaat Hb over in de R (relaxed)-state. In deze conformatie is de affiniteit voor zuurstof hoog. Hieruit volgt dat als de P_O2  in de omgeving laag is, Hb zich in de T-stand bevindt. Wanneer de P_O2  hoog is, zal zuurstof binden en is Hb in de R-stand.

Myoglobine  kan ook zuurstof binden met behulp van heem. Het functioneert als een monomeer (α of β) en kan dus één molecuul zuurstof binden. Myoglobine heeft echter een veel hogere affiniteit voor zuurstof. Hierdoor kan hemoglobine vanuit het bloed zuurstof doorgeven aan myoglobine in de spieren.

Saturatie

Er zit een maximum aan de hoeveelheid zuurstof die aan Hb kan binden.

• Maximale hoeveelheid O₂  gebonden aan Hb = (zuurstofcapaciteit Hb) · (Hb-inhoud bloed)

De zuurstofcapaciteit van Hb is de hoeveelheid zuurstof die maximaal aan Hb kan binden (ongeveer 1,39 ml O2/gram Hb). Deze waarde valt in werkelijkheid iets lager uit, omdat er ook metHB aanwezig is, dat geen zuurstof kan binden.  Het saturatiepercentage van Hb is te berekenen via de volgende formule:

• Saturatiepercentage Hb = ((hoeveelheid O₂ gebonden aan Hb) / (zuurstofcapaciteit Hb)) · 100.

De verzadigingscurve van Hb voor O₂ is sigmoïdaal. Bij zowel hoge als lage verzadigingswaarden geeft een toename van de hoeveelheid O₂ een kleine toename van de saturatie, maar bij gemiddelde hoeveelheden gebonden O₂ geeft een kleine hoeveelheid zuurstof een grote toename van de saturatie. Dit S-diagram wordt veroorzaakt door de eerder besproken conformatieverandering van Hb. De eerste kleine toename in zuurstofsaturatie weerspiegelt de lage zuurstofaffiniteit van Hb in de T-stand. De middelste, snelle toename in zuurstofsaturatie weerspiegelt de hoge zuurstof affiniteit van Hb in de R-stand. Wanneer steeds meer Hb gesatureerd raakt, vlakt de grafiek uiteindelijk weer af. De P_O2 waarbij de helft van de Hb verzadigd is met O₂, is de P₅₀. Normaal gesproken is de zuurstofsaturatie van arterieel bloed ongeveer 97,5%. In veneus bloed is deze gedaald naar ongeveer 75%. Het verschil tussen deze twee waarden geeft aan hoeveel zuurstof de longen aan het veneuze bloed toevoegen, of hoeveel de weefsels uit het arteriële bloed opnemen.

De totale zuurstofcontent van het bloed bestaat uit de O₂ die aan Hb gebonden is (98%) en de in plasma opgeloste hoeveelheid O₂. De verhouding tussen [O₂]_Diss en P_O2 is lineair, dus de hoeveelheid O₂ opgelost in plasma heeft geen maximum. De hoeveelheid door Hb vervoerde O₂ zal normaal gesproken altijd groter blijven dan de [O₂]_Diss. Een afname van de hoeveelheid Hb in het bloed, anemie (bloedarmoede), zorgt dus voor een vermindering van het zuurstoftransport. Het lichaam compenseert hiervoor door de cardiac output te verhogen en de zuurstofextractie te verhogen.

Factoren die van invloed zijn op de afgifte van O₂ aan weefsels

De hoge temperatuur, de hoge P_CO2 en de lage pH van metabool actieve weefsels zorgen ervoor dat Hb makkelijker zuurstof afgeeft. Dit gebeurt omdat deze factoren het evenwicht tussen T- en R-states van het Hb meer richting de T-state verschuiven. Hierdoor neemt de affiniteit voor zuurstof af. In inactieve weefsels is de temperatuur lager, de P_CO2  minder hoog en de pH minder laag, waardoor hier minder zuurstof wordt afgegeven. In longcapillairen zorgen de lagere temperatuur, de lage P_CO2 en hoge pH ervoor dat Hb meer O₂ bindt.

De effecten op zuurstofaffiniteit van Hb betreffen dus de volgende:

• Een verhoogde temperatuur. Dit verlaagt de zuurstofaffiniteit. De Hb-saturatiecurve verschuift naar rechts, waardoor in warmere weefsels zuurstof afgegeven wordt;

• Een verhoogde pH. Dit verlaagt de zuurstofaffiniteit en staat bekend als het Bohreffect. Ook hierbij schuift de curve naar rechts. Een milde respiratoire acidose treedt op wanneer erytrocyten de systemische capillairen binnengaan. Hb is gevoelig voor de pH omdat het een bufferende werking heeft en H⁺ in plaats van O₂ kan binden. (Hb + H⁺ ↔ HbH);

• Een verhoogde CO₂. Dit verlaagt de O₂-affiniteit. Een klein deel van het Bohreffect ontstaat door hypercapnie, het CO₂-Bohreffect. Wanneer de P_CO2 toeneemt, bindt CO₂ met aminogroepen op Hb tot carbominogroepen, zoals Hb-NH-COO^-. Het effect van carbamino-vorming is een verandering van een zijketen van een aminozuur, waardoor de affiniteit van Hb voor zuurstof afneemt. Een toename van de P_CO2 zorgt dus voor de afgifte van zuurstof;

• De affiniteit voor zuurstof. Dit is tevens erg afhankelijk van het 2,3-DPG metaboliet. DPG verlaagt de affiniteit voor zuurstof, doordat het een binding aangaat met Hb.

CO₂-transport

CO₂ kan op vijf manieren door het bloed vervoerd worden, te weten:

1. Als bicarbonaat (HCO₃^-): ongeveer 90% van de totale hoeveelheid CO₂ in arterieel bloed wordt vervoerd als HCO₃^-. Dit kan gevormd worden uit carbonzuur, uit CO₂ en OH^- en uit carbonaat en H⁺.
   Wanneer CO₂ oplost, geldt: CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-;

2. Als carbaminocomponent (de belangrijkste hiervan is Hb-NH-COO^-): in arterieel bloed wordt 5% van de totale hoeveelheid CO₂ op deze manier vervoerd;

3. Als opgelost CO₂: dit betreft ongeveer 5% van de totale hoeveelheid CO₂ in arterieel bloed;

4. Als carbonzuur (H₂CO₃): dit kan gevormd worden uit CO₂ en H₂O of uit HCO₃^- en H⁺, maar deze transportvorm is niet significant van belang voor CO₂-transport;

5. Als carbonaat (CO₃^2-): dit ontstaat uit bicarbonaat, maar deze vorm van CO₂-transport is tevens niet significant van belang voor het transport van CO₂ in het bloed.

Het CO₂-gehalte van arterieel bloed is ongeveer 48 ml per deciliter bloed. In de capillairen wordt hier CO₂ aan toegevoed, waardoor de concentratie in veneus bloed 52 ml per deciliter bloed wordt. Deze toename in CO₂-transport vindt plaats in opgeloste vorm, als HCO₃^- en als carbaminocomponenten. CO₂ diffundeert de weefsels uit, de extracellulaire ruimte en het capillaire endotheel door, de bloedbaan in. Een deel (11%) van dit CO₂ blijft in het plasma als opgelost CO₂, HCO₃^-  en carbaminocomponenten met plasmaeiwitten. Het grootste deel (89%) gaat de RBC binnen, vaak via ‘gaskanaaltjes’ als AQP1 en het Rh-complex. In de RBC wordt CO₂ ook vervoerd als opgelost CO₂. Daarnaast zijn er in de RBC carbonanhydrases aanwezig die CO₂ omzetten in  HCO₃^- . Ondertussen wordt HCO₃^-  via de Cl^--HCO₃^--exchanger naar buiten vervoerd, waardoor steeds meer HCO₃^-  kan worden gemaakt. Tenslotte vormt CO₂ carbaminocomponenten met Hb. Omdat H₂O de RBC’s ingaat bij de vorming van HCO₃^-, zwellen de RBC’s op wanneer ze de systemische capillairen door gaan. Wanneer het gemengd-veneuze bloed de longcapillairen bereikt, gaat CO₂ vanuit de RBCs en het plasma de alveoli in. Hierbij verlaten Cl^- en H₂O de RBC’s weer, waardoor ze weer krimpen. Het vervoer van CO₂ in het bloed hangt af van drie bloedgasparameters: P_CO2, plasma-pH en P_O2. Hoe hoger de P_CO2, hoe meer CO₂ er in het bloed vervoerd wordt. Bij een toename van de P_CO2 stijgt de hoeveelheid opgelost CO₂ slechts lichtjes. De pH neemt af wanneer de P_CO2 toeneemt.

Het Haldane-effect

Wanneer de P_O2 (of de Hb-saturatie) daalt, stijgt de hoeveelheid CO₂ in het bloed. Dit staat bekend als het Haldane-effect. Het omgekeerde effect treedt ook op. Binding van zuurstof destabiliseert namelijk geprotonneerd Hb (Hb-H⁺), waardoor H⁺-afgifte gestimuleerd wordt. Dit H⁺ stimuleert de vorming van CO₂ uit carbamino-Hb en HCO₃^-. De binding van zuurstof destabiliseert carbamino-Hb ook, waardoor nog meer CO₂ vrij kan komen.

Opname en afgifte van gassen in de longen

De opname van O₂ en de afgifte van CO₂ in de longen berust op passieve diffusie. Intussen moet het lichaam via circulatie (perfusie) en ventilatie de concentratiegradiënten laag houden, zodat de diffusie door blijft gaan. De unidirectionele stroom van O₂-moleculen van compartiment 1  door een membraan naar een compartiment 2 is evenredig aan de druk in compartiment 1. Andersom is de unidirectionele stroom van O₂-moleculen van compartiment 2 naar 1 evenredig aan de druk in compartiment 2. De nettostroom van een stof van de ene naar de andere kant van een membraan is afhankelijk van het verschil tussen de twee unidirectionele stromen: Flow_net is evenredig met het verschil tussen de twee drukken.

De flow (in mol/sec) weergeeft het aantal O₂-moleculen dat over de hele barrière stroomt gedurende een bepaalde tijd. De flux (in mol / (cm² · sec)) geeft de flow weer voor een bepaald oppervlak van de barrière. V geeft het volume aan, V (met een puntje erboven) staat voor het volume gas dat per eenheid tijd verplaatst word;, de flow dus.

De nettoflow is als volgt weer te geven:

• Netto flow = D_L · (drukverschil)

Hierbij is D_L de diffusiecapaciteit in ml/(min ∙ mmHg). Deze vergelijking is een versimpeling van de wet van Fick, die aangeeft dat de nettoflow evenredig is met de concentratiegradiënt.

• Twee eigenschappen van het gas bepalen D_L: het moleculair gewicht (MW) en de wateroplosbaarheid (s) van het gas. De diffusie daalt  als MW stijgt. D_L is omgekeerd evenredig met de wortel van de MW. De s is van belang, omdat de flow van het gas over de natte barrière evenredig is met de concentratiegradiënt van het in het water opgeloste gas.

• Twee eigenschappen van de barrière bepalen ook de D_L: de diffusieoppervlakte (A) en de dikte (a) van de barrière. De nettoflow is evenredig met het diffusieoppervlak en omgekeerd evenredig met de dikte van de barrière.

Naast deze vier eigenschappen bepaalt een laatste, vijfde eigenschap van het gas en de barrière samen tevens de D_L, te weten de interactie van het gas en de barrière (een constante, genaamd k). Van de vijf eigenschappen die D_L bepalen, variëren er twee over de tijd. Hierdoor kan de zuurstofdiffusie tussen de longen en het bloed niet goed worden berekend. Ten eerste varieert de P_AO2 over de tijd: bij inademing vergroot het oppervlak en bij uitademing verkleint het. Ten tweede wisselt de dikte ook bij inademing en uitademing. Door deze twee factoren zou D_L aan het eind van de inademing het grootst moeten zijn. Er zijn echter ook verschillen in de alveolaire wand zelf. Naast oppervlakte en dikte varieert ook de zuurstofdruk. De zuurstofdruk in de alveolairen is het grootst tijdens inspiratie en het laagst net voor de volgende inspiratie. Dit zijn temporele verschillen. Wanneer een persoon staat, verschilt de P_O2 in de alveolairen door invloed van de zwaartekracht: in de apex van de long is de druk het hoogst, en in de basis van de long het laagst. Door lokale verschillen in de weerstand van de luchtwegen en door verschillen in de compliantie van de alveoli, varieert de zuurstofdruk. Dit zijn spatiële verschillen. Wanneer bloed de longcapillairen instroomt, stijgt de zuurstofdruk in de capillairen totdat deze gelijk wordt aan de zuurstofdruk in de capillairen. De zuurstofdiffusie is daarom maximaal aan het begin van de capillairen (hier is het drukverschil het grootst). Aan het eind van de longcapillairen is de diffusie bijna gelijk aan nul. Andersom geldt dit ook voor de CO₂-diffusie. De Pc_O2 is het grootst aan het begin van de longcapillairen, waardoor daar de meeste diffusie naar de alveoli plaats vindt.  Pc_{O2 is} het laagst aan het eind van de longcapillairen, waar de diffusie bijna nul is.

De barrière die het O₂ over moet om vanuit de alveolaire lucht in het bloed te komen, is een uit drie lagen bestaande barrière. Deze drie lagen betreffen de alveolaire epitheliale cel, een endotheelcel van de capillair, en de tussenliggende interstitiële ruimte. Wanneer een O₂-molecuul vanuit de alveolaire lucht naar een erytrocyt diffundeert, moet het 12 mini-barrières over, elk met een mini-diffusiecapaciteit die ieder bijdraagt aan de totale membraandiffusiecapaciteit (D_M). Zie hiervoor plaatje 30-4 blz. 689 van B&B. Omdat de totale weerstand de som van alle weerstanden is, geldt er de volgende formule:

• 1/D_M = 1/D₁ + 1/D₂ + … + 1/D₁₁ + 1/D₁₂

 Ook deze waarden variëren per locatie van de long en periode in de ademhalingscyclus.

De meeste O₂-moleculen binden uiteindelijk aan Hb, waardoor de snelheid van de O₂-opname door erytrocyten ook bijdraagt aan de D_L. De snelheid van O₂-opname door erytrocyten kan berekend worden met de volgende formule:

• θ · V_c · P_O2

Hierbij is θ de snelheidsconstante die per minuut aangeeft hoeveel ml O₂ aan Hb in 1 ml bloed bindt per mmHg, V_c het bloedvolume in longcapillairen en P_O2 de aanwezige zuurstofdruk.

De D_L is uit te drukken met behulp van de volgende formule:

• 1/D_L = 1/D_M + 1/(θ · V_c)

De voorgaande berekeningen kunnen ook voor CO₂ gedaan worden. Bij O₂-diffusie is de 1/D_M-term het belangrijkst, omdat de binding van zuurstof aan Hb erg snel gaat (1/(θ · V_c) is erg laag). Bij CO₂-diffusie zijn beide termen ongeveer even belangrijk. Omdat de interactie van CO₂ met de erytrocyt ingewikkelder ligt dan die van O₂, verloopt de binding aan Hb langzamer ( 1/(θ · V_c) is hoog). Hierdoor is de D_L van CO₂ lager dan verwacht wordt op grond van de hogere oplosbaarheid in water van CO₂.

Ventilatie en perfusie

Ventilatie en perfusie zijn uitermate belangrijk voor de gaswisseling, omdat zij zorgen voor de concentratiegradiënten van O₂ en CO₂.. “Ventilatie is de convectieve beweging van lucht die gassen uitwisselt tussen de atmosfeer en de alveoli. Perfusie is de convectieve beweging van bloed dat de opgeloste gassen van en naar de long draagt.” (Boron, 2009: 700) De verhouding tussen ventilatie en perfusie is heel belangrijk voor de gasuitwisseling en voor de samenstelling van de arteriële bloedgassen: P_O2, P_CO2 en pH.

De totale ventilatie, soms ook de minuutventilatie genoemd, is het luchtvolume dat per tijdsdeel de longen uitbeweegt en is uit te drukken met de volgende formule:

• V_T (met een puntje erboven) = V / (t)

V is hier het luchtvolume dat de longen verlaat tijdens een bepaalde tijd (t).

De totale ventilatie is ook uit te drukken met de volgende formule:

• V_T (met een puntje erboven) = V_T · f (ademfrequentie)

De absolute regionale ventilatie is de absolute hoeveelheid lucht die een bepaalde regio bereikt. De regionale ventilatie per unit volume is de ventilatie per regio bij een bepaald ingeademd volume. Dankzij houding en de zwaartekracht, die de PIP (interpleurale druk) beïnvloeden, neemt de ventilatie in een staand persoon langzaam af vanaf de basis van de longen naar de apex. Omdat de PIP aan de basis van de long minder negatief is, zijn de alveoli aan de basis van de long relatief te klein opgeblazen bij FRC. Deze alveoli hebben echter wel een grotere statische compliantie, waardoor dezelfde ΔPIP daar een grotere volumeverandering per tijdseenheid geeft dan bij de apex van de longen. Wanneer er bijna geen zwaartekracht is, zijn er nog steeds variaties in de ventilatie op microscopisch en lokaal niveau, omdat er kleine verschillen zitten in de lokale statische compliantie (C) en de luchtwegweerstand (RAW). Deze lokale verschillen kunnen vergroot worden door pathologische veranderingen.

De pulmonaire circulatie krijgt dezelfde cardiac output als de systemische circulatie. De linkerkamer werkt echter met hogere drukken, omdat het bloed veel verder rondgepompt moet worden en de systemische circulatie een hoge weerstand heeft. Deze hoge weerstand wordt gebruikt om de bloedstroom te kunnen bepalen. De systemische weerstand kan berekend worden via de volgende formule:

• Rsystemisch = ΔP / CO

De druk in de longcirculatie kan laag zijn, omdat het bloed alleen tot bovenin de long hoeft te komen. Ook zou er volgens het Starling-principe bij een hogere druk vocht uit de capillairen treden (filtratie), waardoor er vocht in het longweefsel zou komen.  Dit zou de diffusieafstand vergroten, waardoor er minder goed gaswisseling plaats kan vinden. Omdat het drukverschil minder groot is, is de weerstand in de longcirculatie ook lager dan die van de systemische circulatie. In de longcirculatie daalt de bloeddruk uniform tussen de longslagader en het einde van de capillairen, in tegenstelling tot in de systemische circulatie, waar de bloeddruk vooral bij de arteriolen daalt. De arteriën van de longcirculatie volgen grotendeels de luchtwegen en eindigen in heel veel sterk anastomoserende capillairen. Eén pulmonaire arteriole voorziet alle capillairen van een pulmonaire eenheid. Door de vele alveoli en capillairen ontstaat een uitwisselingsoppervlak van gemiddeld 100 m2. Venules verzamelen het zuurstofrijke bloed en via de pulmonaire aderen stroom dit het linkeratrium in. In totaal duurt de longcirculatie 4 tot 5 seconden.

De perfusie van de long is niet overal even groot wegens de zwaartekracht en lokale weerstandsverschillen van de vaten. Dichtbij de basis van de long is de perfusie het hoogst, en deze neemt af naar de apex van de long door de invloed van de houding (rechtopstaan) en de zwaartekracht. Aan de hand van perfusie is de long in vier fysiologische zones te verdelen:

• Zone 1, in de apex van de long: in zone 1 is de druk in de pulmonairarteriolen (P_PA) en in de pulmonairvenulen (P_PV) lager dan die in de alveoli (P_A). Deze hogere P_A zorgt ervoor dat de negatieve P_TM de bloedvaten samendrukt. Deze omstandigheden komen voor bij een afname van de P_PA en bij een toename van de P_A;

• Zone 2, vanaf de apex tot het midden van de long: in zone 2 geldt: P_PA > P_A > P_PV, waardoor aan het begin van de capillairen de positieve P_TM de vaten verwijdt en aan het einde de negatieve P_TM de vaten samen laat vallen. Lager in zone 2 neemt de weerstand af, omdat de druk in de vaten stijgt;

• Zone 3, vanaf het midden van de long tot het lagere deel van de long: zowel de P_PA als de P_PV zijn groter dan de P_A, waardoor de P_TM overal positief is en de vaten verwijd zijn. Lager in zone 3 wordt de P_TM steeds positiever, waardoor de vaten steeds meer uitzetten en de weerstand steeds lager wordt. De perfusie wordt dus groter naarmate je lager in de long komt. Dit proces, waarbij een variabele P_TM de bloedstroom bepaalt, heet een Starling resistor;

• Zone 4, de extreme basis van de long: In zone 4 gedragen de alveolaire vaten zich als in zone 3, maar de extra-alveolaire vaten gedragen zich anders. De extra-alveolaire vaten worden opengehouden door de P_IP, maar deze is veel kleiner in zone 4 dan in zone 3, waardoor de extra-alveolaire vaten samengedrukt worden. De extra-alveolaire vaten voorzien de alveolaire vaten van bloed, waardoor de perfusie van de alveolaire vaten ook afneemt.

De lokale ventilatie-perfusieratio (V_A (met een puntje erboven)/Q_A (met een puntje erboven)) bepaalt de lokale P_AO2 en P_ACO2 in de alveoli. Wanneer de ventilatie-perfusieratio groot is, is de P_AO2 hoog en de P_CO2 laag. De ventilatie-perfusieratio is het laagst bij de basis van de long en stijgt naarmate je hoger in de longen komt. Hoog in de longen stroomt weinig bloed, waarvan de P_O2 en de P_CO2 veel neigen naar die in de ingeademde lucht. Laag in de longen stroomt veel bloed, waarvan de P_O2 en de P_CO2 neigen naar die van gemengd-veneus bloed. Het bloed vanuit alle delen van de long komt samen en wordt rondgepompt. De ventilatie-perfusieratio van ingeademde lucht is oneindig en die van gemengd veneus bloed is 0.

Problemen met ventilatie en perfusie

Wanneer de bloedstroom naar een groepje alveoli afgesloten wordt, bijvoorbeeld door een embolie, wordt de ventilatie-perfusieratio oneindig groot. Er is geen gaswisseling meer in de van bloed afgesloten alveoli en deze alveoli worden alveolaire dode ruimtes. De blokkering van de bloedstroom naar enkele alveoli zorgt voor een toename van de perfusie van andere alveoli, waardoor de ventilatie-perfusieratio in die gebieden afneemt. In de alveolaire dode ruimte daalt de P_CO2 naar 0, waardoor respiratoire alkalose in de omgevende interstitiële vloeistof optreedt en de bronchiën samentrekken. Na een korte tijd gaat er dus minder lucht de alveolaire dode ruimte in en komt er meer lucht in de alveoli die wel bloed krijgen. Achter de verstopping krijgen de type II pneumocyten ook geen voedingsstoffen meer, waardoor ze geen surfactant meer kunnen maken. Hierdoor neemt na een langere tijd de compliantie van de alveoli af en vallen ze dicht. Deze compensatoire mechanismen werken wanneer het dode alveolaire volume relatief klein is. Normaal geeft iedere long de helft van de af te geven CO₂ af en neemt iedere long de helft van het op te nemen O₂ op. Wanneer er geen bloedstroom is naar een van de twee longen en er geen compensatoire mechanismen optreden, zal het bloed dat normaal gesproken over twee longen verdeeld wordt naar de niet-aangedane long gaan. De ingeademde lucht wordt echter nog wel over twee longen verdeeld. De ventilatie-perfusieratio van de aangedane long is oneindig groot, en die van de niet-aangedane long verlaagd.

De luchtwegen kunnen ook afgesloten worden door een corpora aliena of een tumor. Ook kunnen alveoli samenvallen (atelectase), bijvoorbeeld bij een pneumothorax. Hierdoor worden de alveoli niet meer geventileerd, waardoor geen gaswisseling meer kan plaatsvinden. De ventilatie-perfusieratio neemt af. Er ontstaat een shunt, waarbij het bloed van de rechterkamer naar het linkeratrium gaat zonder dat er gaswisseling plaats heeft gevonden. Hierdoor treedt hypoxie op in de systemische circulatie. Een gedeeltelijke afsluiting van de luchtwegen, bijvoorbeeld bij astma, zorgt ook voor een verlaging van de ventilatie-perfusieratio. Wanneer minder lucht naar bepaalde alveoli gaat, gaat er meer lucht naar andere alveoli. Hierdoor neemt de ventilatie-perfusieratio in de aangedane alveoli toe en in de niet-aangedane alveoli af. De lokale verschillen tussen de ventilatie-perfusieratio’s worden dus groter.

Meestal wordt een afwijkende ventilatie-perfusieratio gediagnostiseerd wanneer er geen andere verklaring voor de afgenomen P_O2 gevonden kan worden. De alveolaire-arteriële (A-a-) gradiënt voor de P_O2 is het verschil tussen de P_O2 van de alveoli en de systemische P_O2. Fysiologische mismatches zorgen ervoor dat de arteriële P_O2 net onder de alveolaire P_O2 gelegen is. Ventilatie-perfusieratio mismatches vergroten de alveolaire-arteriële gradiënt voor de P_O2. Deze gradiënt is een mate voor de ernst van de verstoring. Wanneer een ventilatie-perfusieratio mismatch gediagnostiseerd is, is het belangrijk om de oorzaak (afgenomen perfusie of afgenomen ventilatie) te achterhalen. Dit wordt gedaan door een patiënt 100% zuurstof te laten inademen. Wanneer een probleem met de perfusie de oorzaak van de hypoxie is, stijgt de P_O2 in het bloed dat de longen verlaat. Wanneer iemand met een probleem met de ventilatie 100% zuurstof inademt, neemt de arteriële P_O2 nauwelijks toe en wordt de A-a gradiënt groter.

De dode ruimte

Vóór de inademing zijn de geleidende luchtwegen gevuld met 150 ml stilstaande lucht met dezelfde samenstelling als de alveolaire lucht. Tijdens een ademhaling ademt een persoon van ongeveer 70 kg ongeveer 500 ml verse lucht in. Slechts de eerste 350 ml hiervan komt terecht in je alveoli, de overgebleven 150 ml blijft in de anatomische dode ruimte achter: in de neus, de pharynx, de larynx, de trachea en de luchtwegen zonder alveoli. Daarnaast komt ook de 150 ml stilstaande lucht in de alveolairen terecht. Deze mengt door diffusie samen met het deel verse lucht. Aan het eind van de inademing is er dus 500 ml lucht in de alveoli gekomen. Tijdens uitademing wordt eerst de 150 ml verse lucht, die was achtergebleven in de dode ruimte, uitgeademd. Vervolgens wordt nog eens 350 ml alveolaire lucht uitgeademd. De overige 150 m uit de alveoli blijft in de dode ruimte achter als stilstaande lucht. In totaal verlaat er dus 500 ml lucht het lichaam. Kortom, tijdens elke inademing van 500 ml bereikt slechts de eerste 350 ml de alveoli. Tijdens elke uitademing van 500 ml is slechts de laatste 350 m vanuit de alveoli afkomstig. Intussen wordt de dode ruimte (150 lL) wisselend gevuld door verse lucht tijdens inademing en alveolaire lucht tijdens uitademing.

De dode-ruimteventilatie (V_D met een puntje erboven) is het volume oude lucht dat per minuut heen en weer gaat tussen de dode ruimte en de alveoli (150*f). De alveolaire ventilatie (V_A met een puntje erboven) is het volume verse lucht dat per minuut de alveoli bereikt, of het volume alveolaire lucht dat de atmosfeer bereikt (350*f). De totale ventilatie is de som van de dode ruimteventilatie en de alveolaire ventilatie. Omdat het bloed in de capillairen O₂ opneemt en CO₂ afgeeft, is de P_O2 van de lucht in de alveoli net vóór een inademing het laagst en de P_CO2 het hoogst. Tijdens inademing stroomt er weer zuurstofrijke lucht in de alveoli, waardoor de P_O2  stijgt en de P_CO2  daalt. Vervolgens daalt de P_O2  en stijgt de P_CO2 weer tijdens uitademing.

De grootte van de anatomische dode ruimte is te bepalen door een proef met N₂ te doen (Fowler’s methode). Alveolaire lucht bevat gemiddeld 75% N₂. Laat een proefpersoon eerst, na een rustige uitademing, rustig lucht met 100% O₂ inademen. Vervolgens ademt de proefpersoon rustig uit. Omdat er geen menging tussen de lucht in de anatomische dode ruimte en de rest van de longen optreedt, zal het eerste deel van de uitgeademde lucht geen N₂ bevatten. Het laatste deel van de uitgeademde lucht bevat wel N₂, en heeft dus wel de alveoli bereikt. In realiteit treedt er enige menging op, waardoor een S-curve van de hoeveelheid N₂ in de uitgeademde lucht ontstaat. Wanneer door deze S-curve een verticale lijn getrokken wordt, zodat boven en onder het schuine deel even grote driehoeken ontstaan, geeft die verticale lijn de scheiding tussen de lucht uit de anatomische dode ruimte en de rest van de longen aan. Een alveolair luchtmonster wordt genomen van de lucht die na deze scheiding uitgeademd is. In plaats van N₂ kan ook een ander gas waarvan het uitademingsprofiel op N₂ lijkt gebruikt worden (bijvoorbeeld CO₂). Kamerlucht bevat nauwelijks CO₂. Wanneer 500 ml ingeademd wordt, komt 350 ml in de alveoli en 150 ml in de dode ruimte terecht. In de alveoli vindt diffusie plaats van CO₂, dat mengt met de alveolaire lucht. Wanneer de persoon uit gaat ademen kunnen we eerst 150 ml CO₂-vrije lucht meten, afkomstig uit de dode ruimte. Vervolgens wordt de CO₂-rijke alveolaire lucht uitgeademd.

Bohr stelde hieruit de volgende formule op:

• V_D/V_E = (P_ACO2 – P_ECO2) / P_ACO2

Hierbij is V_D het volume van de dode ruimte, V_E het expiratievolume, P_ACO2 de CO₂–druk in de alveoli, en P_ECO2 de gemiddelde CO₂–druk in de uitgeademde lucht. Wanneer het ademhalingsvolume kleiner is dan het volume van de dode ruimte, komt er geen verse lucht in de alveoli en vindt daar geen uitwisseling plaats. De methode van Fowler (met N₂) en van Bohr (met CO₂) meten beide de dode ruimte, maar met de methode van Fowler is de anatomische dode ruimte te meten (volume van de geleidende luchtwegen), en met de methode van Bohr is de fysiologische dode ruimte te meten (geleidende luchtwegen en alveoli die geen CO₂ ontvangen). De fysiologische dode ruimte komt in een gezond persoon meestal overeen met de anatomische dode ruimte. Wanneer in sommige alveoli geen perfusie, maar wel ventilatie plaatsvindt,, bevat die alveolaire lucht geen CO₂. Deze alveolaire dode ruimte vormt samen met de anatomische dode ruimte de fysiologische dode ruimte. Bij een pulmonaire embolie worden alveoli onder de embolie wel geventileerd maar niet doorbloed, waardoor deze alveoli alveolaire dode ruimte zullen worden en dus de fysiologische dode ruimte groter wordt dan de anatomische dode ruimte.

Hyperventilatie

Het lichaam produceert normaal gesproken 200 ml CO₂ per minuut. De longen scheiden dus ook gemiddeld genomen 200 ml CO₂  per minuut uit in het alveolair volume. Tijdens hyperventilatie stijgt het alveolair volume doordat de ademfrequentie hoger en/of het inademingsvolume groter wordt. Hierdoor wordt er een groter volume en dus ook meer CO₂ uitgeademd. De CO₂-levels in het bloed zullen dan dalen. Doordat de koolstofdruk daalt, contraheren de arteriolen van het brein. Dit veroorzaakt duizeligheid. Uiteindelijk daalt ook de alveolaire zuurstofdruk en stelt zich een nieuw evenwicht in. Wanneer de alveolaire ventilatie toeneemt, stijgt ook de alveolaire zuurstofdruk.

De respiratoire quotiënt

De respiratoire quotiënt (RQ) is de verhouding tussen de CO₂-productie en de O₂-consumptie en is uit te drukken met behulp van de volgende formule:

• RQ = V_CO2 (met een puntje erboven) / V_O2 (met een puntje erboven)

Wanneer RQ 1 is, vervangt het lichaam de opgenomen O₂ door evenveel CO₂. De alveolaire P_O2 is in dit geval uit te drukken met behulp van de volgende formule:

• P_AO2 = P_IO2 – P_ACO2

In een dieet met veel vetten is de RQ ongeveer 0.8. Hierdoor neemt het volume alveolaire lucht een beetje af tijdens de gasuitwisseling en is het uitgeademde volume dus iets kleiner dan het ingeademde volume. De alveolaire gasvergelijking beschrijft hoe de P_O2 van de RQ afhangt. Een versimpeling van deze formule is terug te zien in de volgende formule:

• P_AO2 = P_IO2 – (P_ACO2 / RQ)

De longcirculatie heeft een lage weerstand, omdat longbloedvaten over het algemeen korter en wijder dan systemische vaten zijn. Ook heeft de longcirculatie veel meer (in aantal) minder gespierde arteriolen dan de systemische circulatie. De vaten van de longcirculatie hebben een dunne wand met weinig spieren, waardoor ze een hoge compliantie hebben. Hierdoor kunnen ze ten eerste relatief grote hoeveelheden bloed opnemen. Ten tweede kunnen ze bij een vrij kleine toename van de bloeddruk al veel uitzetten, en ten derde is de absolute polsdruk van de longcirculatie vrij laag.

Door de grote compliantie van de pulmonaire vaten kunnen deze vaten makkelijk worden vervormd door externe krachten. Deze externe krachten verschillen voor alveolaire vezels en extra-alveolaire vezels. De alveolaire vezels zijn capillairen en iets grotere vezels die de alveoli aan alle kanten omringen. De weerstand van alveolaire vaten is afhankelijk van de transmurale drukgradiënt en het longvolume. De transmurale drukgradiënt (P_TM) is voor vaten van de alveoli het verschil tussen de druk in het lumen van de vaten en in de alveoli. De druk in de vaten van de alveoli varieert met de hartcyclus; de bloedstroom is namelijk pulserend. Daarnaast is de druk in de vaten afhankelijk van de afstand tot het hart. Er geldt: hoe hoger de vaten gelegen zijn, hoe lager de druk zal zijn. De druk in de alveoli varieert met de ademhalingscyclus. Bij een negatieve P_a en een hoge intravasculaire druk worden de vaten vergroot. Echter, bij een positieve P_a en een lage intravasculaire druk vernauwen de vaten en wordt de weerstand op die manier vergroot. Wanneer er geen luchtstroom is, is de druk in de alveoli nul. Bij een toename van V_L (longvolume) worden de alveoli uitgerekt, en de vaten samengedrukt en uitgerekt, waardoor de weerstand van de vaten toeneemt. Externe alveolaire vezels worden niet omringd door alveolairen en zijn daarom gevoelig voor de intrapleurale druk. Wanneer de intrapleurale druk meer negatief wordt voor een groter longvolume, wordt de transmurale druk ook groter. Hierdoor dilateren de vezels en neemt de weerstand af.

Regulatie van de ademhaling

De pulmonaire circulatie heeft tijdens rust een lage weerstand, maar het kan zijn weerstand nog verder verlagen. Tijdens inspanning verhoogt de cardiac output, waardoor de pulmonaire arteriële druk maar minimaal wordt verhoogd en de weerstand aanzienlijk wordt verlaagd. Dit komt door passieve/elastische eigenschappen: door versterking en uitzetting van capillaire arteriën. Tijdens rust is een deel van de pulmonaire capillairen open, en geleidt bloed. Een ander deel is ook open, maar geleidt geen bloed. De rest van de capillairen is gesloten. De longcirculatie is een sterk anastomoserend netwerk, waardoor vaten met een net iets hogere weerstand dan andere vaten wel open kunnen zijn, maar geen bloed kunnen vervoeren omdat het bloed door vaten met een lagere weerstand stroomt. Een aantal vaten is ook dicht, omdat voor het openen van het vat een hogere druk nodig is. Wanneer de arteriële druk toeneemt, zullen meer capillairen bloed gaan geleiden, en openen. Hierdoor neemt de totale vasculaire weerstand af. Dit mechanisme staat bekend als versterking. Wanneer een vezel open is, zal bij een verhoogde arteriële druk de transmurale druk verhogen. Hierdoor dilateert de vezel en neemt de weerstand af. Dit mechanisme staat bekend als uitzetting.

De effecten van P_O2, P_CO2 en pH op de pulmonaire vasculaire weerstand is tegengesteld aan de effecten op de systemische circulaite. Hypoxie (zuurstoftekort) van de lucht in de alveoli zorgt voor vasoconstrictie in de longcirculatie door het stimuleren van de gladde spiercellen van de bloedwand. Een hoge P_CO2 en een lage interstitiale pH zorgen ook voor vasoconstrictie. Het sympathische deel van het AZS vermindert de compliantie van longslagaders, zonder onmiddellijk de weerstand te verhogen.

Het ademhalingscontrolecentrum moet het automatische ademhalingsritme instellen en moet het ademhalingsritme aanpassen aan metabolische behoeften (P_O2, P_CO2 en pH), mechanische veranderingen van houding en non-ventilatoire gedragingen (spreken, eten, enz.).

Neuronen vanuit de medulla innerveren via craniale en spinale motorneuronen de ademhalingsspieren. De centrale patroongenerator (CPG), waar de neuronen liggen die het ademhalingsritme onder normale omstandigheden aansturen, is nog niet ontdekt. Ademhalingsgerelateerde neuronen (respiratory-related neurons, RRN’s) in de medulla, pons en andere regionen van de hersenstam vuren meer tijdens specifieke delen van de ademhalingscyclus. In de medulla bevinden zich zowel inademingsneuronen als uitademingsneuronen. RRN’s zijn bijvoorbeeld interneuronen, premotorische neuronen en motorische neuronen. De belangrijkste motorneuronen innerveren het diafragma. Wanneer de ademhaling verder toeneemt, worden ook motorneuronen van bijkomende ademhalingsspieren geïnnerveerd. Elke spier is actief op een bepaalde tijd in de ademhalingscyclus. Deze timing wordt gereguleerd door de hersenen, waar premotorneuronen het programma opstellen.

Eupneu is het patroon van inademings- en uitademingsactiviteit dat optreedt tijdens de non-rapid eye movement (NREM) slaap, tijdens rust en tijdens milde inspanning. Hierbij is de neurale output naar de ademhalingsspieren regelmatig en ritmisch. Inademing berust op aanspanning van het diafragma en de intercostale spieren. Uitademing berust op het elastisch terugveren van de borstwand en de longen. Bij een grotere inspanning wordt de innervatiefrequentie van het diafragma groter en gaan bijkomende inspannings- en uitademingsspieren meewerken aan de ademhaling. Dyspneu is een gevoel van kortademigheid en zorgt voor een verhoogde ademinspanning. Het treedt op wanneer de arteriële P_O2 daalt of de P_CO2 stijgt, maar het kan ook voorkomen wanneer de luchtwegweerstand verhoogd is, bij zware inspanning en bij paniekaanvallen.

De CPG reguleert het automatische ritme van inademing en uitademing. Wanneer de CPG de neuronen niet aanstuurt omdat het geen opwekkende signalen ontvangt, ontstaat een afwezigheid van ventilatie: apneu. Deze opwekkende signalen komen van de perifere chemoreceptoren (in de carotislichamen in de nek en aortalichamen in de thorax) en de centrale chemoreceptoren (in het brein), die de arteriële bloedgassen meten (P_O2, P_CO2 en pH). De perifere chemoreceptoren zijn voornamelijk gevoelig voor een afname van de arteriële P_O2, verder zijn ze gevoelig voor een afname van de arteriële pH en een toename van de P_CO2. De centrale chemoreceptoren zijn gevoelig voor een toename van de arteriële P_CO2 en een afname van de arteriële pH. Al deze signalen zorgen voor een toename van de alveolaire ventilatie. De perifere en centrale chemoreceptoren vormen een sensorisch deel van een negatief feedbacksysteem dat de gasdrukken in de arteriën constant houdt.

Er zijn veel receptoren die de medulla van informatie over de ademhaling voorzien, zoals pulmonaire rekreceptoren, receptoren die vreemde objecten of chemicaliën in de longen opmerken, receptoren die de beweging van gewrichten monitoren, mechanoreceptoren en chemoreceptoren. Andere delen van de hersenen die niet direct de ademhaling aansturen, hebben wel veel interacties met de ademhalingscentra, waardoor de ademhaling bewust aangepast kan worden. Hierbij gaat het bijvoorbeeld om centra met betrekking tot spraak en slikken. De regulatie van de ademhalingscyclus staat ook onder controle van het autonome zenuwstelsel.

Neuronen die het ademhalingsritme reguleren zijn gelokaliseerd in de medulla. Deze kan een basis ademhalingsritme genereren. Andere regulerende gebieden, zoals hogere hersencentra en de pons, beïnvloeden dit ritme en zorgen voor het ‘normale’ ademhalingspatroon. De pons heeft invloed op de respiratoire output. De caudale pons bevat een apneutisch centrum (veroorzaakt apneu) en de rostrale pons bevat een pneumotaxisch centrum (voorkomt apneu). De medulla bevat inspiratoire neuronen die tijdens inademing vele actiepotentialen vuren, en exspiratoire neuronen die tijdens uitademing vele actiepotentialen sturen. Niet alle RRN’s hebben een directe rol in de ademhaling, en behalve de RRN’s zijn er meer neuronen die de ademhaling beïnvloeden (zoals chemoreceptoren). Het brein stuurt informatie via het midcervicale ruggenmerg naar de spieren van het diafragma, waardoor de ademhalingsbewegingen tot stand komen. 

Het ademhalingssysteem reguleert de gasparameters in het arteriële bloed (P_O2, P_CO2 en pH). Het lichaam controleert deze parameters door middel van de perifere en centrale chemoreceptoren. Hypoxie, hypercapnie en acidose veroorzaken een toename van de ventilatie. Hierdoor worden de gasparameters hersteld: de P_O2 zal weer stijgen, de P_CO2 zal dalen en de pH zal stijgen. De  perifere en centrale chemoreceptoren zorgen er dus via een feedbackloop voor dat de arteriële P_O2, P_CO2 en pH constant blijven. De perifere chemoreceptoren zijn de carotislichamen en de aortalichamen. Deze reageren voornamelijk op een gedaalde P_O2. Bij een normale P_CO2 en pH van het bloed, maar een gedaalde P_O2, gaan de chemoreceptoren van het carotislichaam vuren via de nervus sinus carotis. Deze gaat ook harder vuren bij hypercapnie zonder een verandering in de andere parameters. Verder kan het carotislichaam acidose opmerken wanneer de andere parameters niet veranderd zijn. Respiratoire acidose maakt het carotislichaam gevoeliger voor hypoxie. Respiratoire alkalose heeft een tegenovergesteld effect.

De carotislichamen zijn gelegen in de bifurcatie van de beide aa. Carotes, en de aortalichamen zijn gelegen in de onderkant van de aortaboog. Beide receptoren registeren hypoxie in het arteriële bloed en geven dit door aan de medulla, zodat de ventilatie wordt verhoogd. De carotislichamen verhogen de ventilatie via de n. glossopharyngeus en de aortalichamen doen dit via de n. vagus. De carotislichamen zijn heel erg klein. Daarnaast is het metabolisme in de carotislichamen heel hoog en hebben ze een relatief grote bloedflow, waardoor de bloedsamenstelling in de carotislichamen ongeveer gelijk is aan die van de systemische arteriën. De chemosensitieve cellen van de carotislichamen zijn de glomuscellen (type I cellen), die als spiraalvormige cellen in clusters gelegen zijn. Ze communiceren met elkaar via gap junctions. Sensorische zenuwuiteinden van de nervus sinus carotis staan in verbinding met de glomuscellen. Neurotransmitters van de glomuscellen veroorzaken actiepotentialen in de nervus, die de signalen doorgeeft aan de medulla. Rondom de clusters glomuscellen liggen sustentaculaire cellen (type II cellen), die de glomuscellen ondersteunen. Verder ligt dichtbij de glomuscellen een dicht gefenestreerd netwerk van capillairen. Door deze gefenestreerde capillairen en de grote bloedstroom zijn de carotislichamen ideaal om de gasparameters te registeren. De carotislichamen worden geïnnerveerd door zowel de sympathicus als de parasympathicus, waardoor het AZS de werking van de carotislichamen kan beïnvloeden. Toename van sympathische stimulatie verlaagt de bloedstroom door de carotislichamen. Door hun hoge metabole actie daalt lokaal de P_O2 van de glomus cellen zonder dat de arteriële P_O2 daalt. De carotislichamen zullen signalen van hypoxie versturen, waardoor de ventilatie toe zal nemen. De aortalichamen bevatten ook verspreide glomuscellen met dezelfde functie, maar deze glomuscellen reageren anders dan de glomuscellen van de carotislichamen. Glomuscellen reageren dus op drie stimuli (P_O2, P_CO2 en pH). Ten gevolge van deze stimuli worden K⁺- kanalen geremd, waardoor de cel depolariseert. Er ontstaat een actiepotentiaal en er worden Ca²⁺- kanalen geopend. Hierdoor versmelten blaasjes met neurotransmitter met het membraan, waardoor afferente zenuwen worden gestimuleerd. De drie stimuli verschillen in het mechanisme waarop zij het K⁺-kanaal remmen.

De centrale chemoreceptoren reageren op een arteriële hypercapnie, maar vooral op de lage pH in of rondom de chemoreceptorneuronen die hierdoor ontstaat. Ze zijn gelegen in het hersenparenchym en reageren zowel op veranderingen in het arteriële bloed als in de cerebrospinale vloeistof. Een toename van de arteriële P_CO2 heeft een veel sterker effect op de ventilatie dan hypoxie. Bij een plotselinge toename van de P_CO2 stijgt eerst de diepte en vervolgens de frequentie van de ademhaling. Wanneer er sprake van een metabolische acidose is, neemt de ventilatie langzamer en minder toe. Het verschil wordt veroorzaakt door de bloed-hersenbarrière, die ongeladen kleine moleculen goed uit het bloed naar de extracellulaire vloeistof van de hersenen doorlaat (zoals CO₂ en O₂), maar geladen moleculen er nauwelijks doorheen laat (H⁺ , HCO₃^-). Hierdoor leidt een stijging van de arteriële P_CO2 snel tot eenzelfde stijging in de cerebrospinale vloeistof, maar een stijging van H⁺ of HCO₃^-  in het arteriële bloed niet. Nadat de pH van de cerebrospinale vloeistof en de extracellulaire vloeistof van de hersenen snel gedaald is door de toename van de arteriële P_CO2 (of, in minder sterke mate, een verlaging van de arteriële pH), zorgen de plexus choroideus en misschien de bloed-hersenbarrière ervoor dat de pH in die compartimenten weer hersteld wordt.

De invloed van het CZS op de ademhaling

Het CZS moet niet alleen de ademhaling op de P_O2, P_CO2 en pH van het bloed afstemmen, maar moet ook de ademhaling beïnvloeden voor non-respiratoire bezigheden en dingen die gedaan moeten worden zonder luchtstroom. Naast de receptoren voor de P_O2, P_CO2 en pH  ontvangt het ademhalingssysteem input van rek- en chemische receptoren, die de omvang van de luchtwegen bepalen, en van hogere hersencentra, die de non-respiratoire bezigheden reguleren. Sensoren in de longen en bovenste luchtwegen detecteren lichaamsvreemde lichamen en chemische irritaties. Zij beschermen zo de longen. Pulmonaire rekreceptoren reageren op uitrekking van de luchtwegwanden en registreren zo het longvolume. Uitrekking remt de output naar de spieren van het diafragma, waardoor overvulling van de longen wordt voorkomen. Dit noemen we de Hering-Breuerreflex. De premotorneuronen die vanaf de medullaire ademhalingscentra naar respiratoire spieren gaan, zijn waarschijnlijk anders dan de neuronen die betrokken zijn bij complexe niet-ventilatoire gedragingen. Veel non-respiratoire regio’s van het CZS, zoals het reticulaire activerende systeem, stimuleren of remmen de ademhaling. De bewuste controle van de ademhalingsspieren is niet absoluut en kan overwonnen worden. De cerebrale cortex heeft neuronen met axonen naar ademhalingscentra in de medulla, en sommige corticale premotorneuronen komen uit op motorneuronen die de ademhalingsspieren aansturen. Bij respiratoire apraxie houden laesies in bepaalde delen van de cerebrale cortex het bewust je adem inhouden tegen.

De ademhaling tijdens slaap

Tijdens de non-rapid eye movement (NREM) slaap wordt de normale, rustige ademhaling regelmatiger. Verder neemt de gevoeligheid van het ademhalingssysteem voor CO₂ en de stimulatie van de pharynxspieren af. Tijdens de rapid eye movement (REM) slaap wordt het ademhalingspatroon heel irregulair en neemt de gevoeligheid van het ademhalingssysteem voor CO₂ nog verder af.