HC30&31: Gaswisseling en -transport

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de uitwisseling en transport van O₂ en CO₂ van de atmosfeer naar het bloed uitgelegd
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Alveolair gastransport

Gastransport vindt in het menselijk lichaam op twee manieren plaats:

• Alveolair transport en diffusie van gassen (O₂ en CO₂)
  • A = alveolair
• Transport van gassen in het bloed
  • a = arterieel

Er is een ventilatie-perfusie verhouding. Druk kan op twee manieren uitgedrukt worden:

• 1 kPa = 7,5 mm Hg
• 1 mm Hg = 1,35 cm H₂O

Het drukverschil is de drijvende kracht voor verplaatsing van gas tussen compartimenten → gas diffundeert van hoge naar lage druk:

• De buitenlucht heeft op zeeniveau een zuurstofdruk (PO₂) van 20 kPa (150 mm Hg)
• In de mitochondriën is de zuurstofdruk bijna 0
• Bij transport door het lichaam wordt de druk steeds lager
• De alveolaire PAO₂ is lager dan de PO₂ in de buitenlucht → de concentratie van water en CO₂ is hier hoog → de buitenlucht mengt hiermee → de PAO₂ wordt minder

De alveolaire zuurstofdruk is te berekenen met de arteriële CO₂-druk en de inspiratoire O₂-druk:

• P_AO₂ = P_iO₂ - 1,25 x P_aCO₂
  • P_AO₂: de hoeveelheid zuurstof in de alveoli
  • P_iO₂: de hoeveelheid ingeademde zuurstof
  • P_aCO₂: de hoeveelheid CO₂ in arterieel bloed

Dit wordt afgeleid uit de wet van Dalton.

Diffusie en perfusie:

De wet van Fick beschrijft de diffusie:

• V = (D x A x (P₁ - P₂))/L²
  • D = diffusieconstante
  • A = area/oppervlak
  • P₁ - P₂ = het drukverschil
  • L = lengte/afstand

Het alveolaire gastransport kan beperkt worden door diffusie of perfusie (doorbloeding):

• Perfusielimitatie: als bij het gastransport tussen alveolus en capillair de zuurstof (P_AO₂ en P_iO₂) een evenwicht wordt bereikt → in het capillair is de PO₂ hetzelfde als in de alveolaire ruimte
  • Als het bloed sneller zou stromen, zou er geen zuurstof meer opgenomen kunnen worden
  • In het capillair wordt een evenwicht bereikt → transport verandert relatief weinig op diffusieveranderingen → perfusie geeft de beperking
  • Er wordt dus snel een evenwicht bereikt → er is reservetijd in de contacttijd
  • Perfusiegelimiteerd betekent: "afhankelijk van de perfusie"
  • Vindt plaats bij O₂ en CO₂
• Diffusielimitatie: een arteriole heeft een bepaalde tijd waarin het contact maakt met het longblaasje: zuurstof kan dan worden opgenomen → bij een toename van diffusie neemt het transport toe
  • In de capillair wordt geen evenwicht bereikt → transport verandert relatief weinig op perfusieveranderingen → diffusielimitatie
  • Diffusiegelimiteerd betekent: "afhankelijk van de diffusie"
  • Vindt plaats bij CO

Koolstofmono-oxide:

Bij CO (koolstofmono-oxide) wordt er geen evenwicht bereikt: hoeveel CO het bloed ook opneemt, de concentratie wordt niet hetzelfde als in de alveoli → er komt geen evenwicht. Dit omdat hemoglobine een hele grote affiniteit voor CO heeft en het meteen opneemt → er is sprake van diffusielimitatie. De P_CO bouwt nauwelijks op. De CO kan niet snel genoeg diffunderen door het membraan om het bloed te verzadigen:

• Als de perfusie sneller wordt, wordt de contacttijd met de alveoli korter → er komt evenredig minder CO in het bloed
• Als de perfusie trager wordt, wordt de contacttijd met de alveoli langer → er komt evenredig meer CO in het bloed

Er is dus geen sprake van perfusielimitatie.

Als er geen perfusielimitatie is, bepaalt de diffusielimitatie van de membraandoorgang de druk die wordt opgebouwd. Dit kan met CO getest worden:

• Als het in de long komt en het allemaal verdwijnt, heeft het membraan een goede doorgang
• Als het in de long komt en er nog veel aanwezig is, is het membraan slecht doorlaatbaar (bijv. dikker)
  • Bij inspanning kan dit lastig zijn: het bloed gaat sneller langs → het evenwicht wordt niet bereikt →

Arterieel gastransport

O₂-transport:

Het zuurstof in bloed is grotendeels opgenomen in erytrocyten gebonden aan hemoglobine:

• Zuurstof gebonden aan Hb = HbO₂

Naarmate de zuurstofspanning stijgt, stijgt ook de saturatie van hemoglobine.

De hoeveelheid zuurstof die oplost in bloed is heel weinig. De kleine hoeveelheid opgeloste zuurstof bepaalt de zuurstofsaturatie (S_aO₂), ofwel de O₂-content. Met de zuurstofsaturatie wordt berekend hoeveel zuurstof is gebonden aan hemoglobine:

• S_aO₂= [HbO₂]/([Hb] + [HbO₂]) → de hoeveelheid hemoglobine met zuurstof gedeeld door de totale hoeveelheid hemoglobine

Zuurstof wordt dus getransporteerd door hemoglobine: het is geen opslagmiddel maar een transportmiddel. Voor het opslaan van 1 gram zuurstof is 535 gram hemoglobine nodig. De kleine hoeveelheid opgeloste zuurstof bepaalt de zuurstofdruk en daarmee het transport van en naar andere compartimenten.

De relatie tussen de zuurstofconcentratie en de PaO₂ geeft de zuurstof content curve. Deze geeft de relatie tussen de zuurstofconcentratie en de zuurstofdruk in de arteriën. De relatie tussen SaO₂ en PaO₂ wordt weergegeven in de zuurstofsaturatiecurve. Beiden kunnen weergegeven worden in een grafiek:

• Y-as links: hemoglobinesaturatie
• Y-as rechts: O₂-content (ml O₂/dl bloed)
• X-as: PO₂ (mm Hg)
• Bij een hoge P_CO2 verbetert O₂-afgifte in weefsels → de curve schuift naar rechts → bij spieren en organen wordt door hemoglobine meer zuurstof afgegeven
  • Bij een bepaalde PO₂ blijft minder zuurstof gebonden aan hemoglobine
• Bij een lage P_CO2 wordt is er meer O₂-opname door het bloed → de curve schuift naar links
• De pH heeft ook invloed op de saturatiecurve

Hemoglobine kan zuurstof opnemen en afgeven. Doordat de curve verschuift is hemoglobine het ideale transportmiddel → er is een Bohr effect: als de concentratie van CO₂ toeneemt, neemt de afgifte van zuurstof aan cellen toe.

Het bloed heeft een PO₂ van ongeveer 13 kPa. Zuurstoftransport heeft dus een aantal kenmerken:

• Gas wordt verplaatst van hoge naar lage druk
• Diffusie vindt plaats van de alveolus naar erytrocyt en wordt bepaald door: A, L en P-verschil
• In bloed is er weinig fysisch opgelost O₂ maar dat bepaalt wel de P_O2
• Hemoglobine is een ideaal transportmiddel: er is een S-vormige en verschuivende saturatiecurve
• Saturatie is afhankelijk van de PO₂, niet andersom
• Het O₂-gehalte is niet hetzelfde als de O₂-saturatie, maar de curves zijn bijna gelijk

CO2-transport:

CO₂ in het bloed wordt op een andere manier vervoerd:

• CO₂+ H₂O <-> HCO_{3 <->} H⁺+ HCO3^-
• 5% opgelost CO₂
• 90% HCO₃
• 0% HCO₃
• 5% carbamino-CO₂: CO₂ dat aan een eiwit gebonden CO₂ gebonden is

Dit is een open buffersysteem: CO₂ kan uitgeademd worden. Mensen met diabetes hebben vaak een ontregelde bloedsuikerspiegel → krijgen ketonen → het bloed wordt zuurder. Om dit te compenseren gaan ze koolzuur uitademen.

Het Haldane-effect beschrijft dat de hoeveelheid zuurstof invloed op het CO₂-transport heeft. Bij een lage zuurstofcondities bevat het bloed meer CO₂ dan bij hoge zuurstofcondities. Op het punt dat de pO₂ in weefsel daalt, kan het bloed meer CO₂ oppakken en vervoeren naar de longen.

De P_O2 beïnvloedt dus het CO₂-transport en omgekeerd. Dit wordt beschreven in het Bohr- en het Haldane-effect.

Ventilatie-perfusieverhouding

Ventilatie en perfusie zijn niet perfect op elkaar afgestemd. De ventilatie-perfusieverhouding verschilt in verschillende plekken in de long:

• Bij lage druk (bovenin de long) zijn de longblaasjes groot en open
• Bij hoge druk (onderin de long) kunnen de longblaasjes zich met kleinere drukverschillen in grootte aanpassen en zijn ze kleiner
• Er is een verschil tussen de alveolaire en arteriële hoeveelheid zuurstof: het A-a verschil
  • Wordt berekend met de alveolaire gasvergelijking en bloedgasbepaling: P_AO ₂= P_iO₂ - 1,25 x P_aCO₂
  • Wordt voor 1/3 verklaard door de anatomische shunts: 
    • Er gaat een beetje zuurstofarm bloed vanuit de vena bronchialis naar het zuurstofrijke bloed in de vena pulmonalis naar het linkeratrium
    • Afsluitingen in de bronchioli zorgen voor shunts
    • Afsluiten in de bloedvaten zorgen voor een grotere dode ruimte
  • Wordt voor 2/3 verklaard door V-Q mismatch: ventilatie-perfusie mismatch veroorzaakt door de zwaartekracht
    • In het bovenste deel is de alveolaire druk hoog en de perfusiedruk laag → het bloed staat stil → er is vrijwel geen perfusie
    • In het onderste deel is de arteriële druk hoog en de alveolaire druk laag → de perfusie gaat te snel → er kan weinig zuurstof door het bloed worden opgenomen → er is tekort aan ventilatie: de V-Q verhouding is laag

Iedereen heeft dus een arteriële P_O2 die iets onder de alveolaire P_O2 ligt. Echter is de ventilatie van de long basaal wel het hoogste. Daartussenin ligt ergens de ideale verhouding: de alveolaire wandspanning is lager en de perfusiedruk is hoger. Op de IC wordt geëxperimenteerd met de houding van patiënten om een zo klein mogelijke V-Q mismatch te krijgen.