Trao đổi khí ở phổi: vật lý của sự khuếch tán khí và phân áp khí

2021-01-04 05:03 PM

Áp suất được gây ra bởi tác động của phân tử chuyển động chống lại bề mặt, do đó, áp lực của khí tác động lên bề mặt của đường hô hấp và các phế nang cũng tỷ lệ thuận với lực tác động mà tất cả các phân tử khí ở bề mặt ngoài.

Biên tập viên: Trần Tiến Phong

Đánh giá: Trần Trà My, Trần Phương Phương

Sau khi các phế nang (alveoli) được thông khí phổi, bước tiếp theo của quá trình hô hấp là sự trao đổi (khuếch tán) khí O2 từ phế nang vào trong máu phổi và sự khuếch tán khí CO2 theo hướng ngước lại là đi từ máu tới các phế nang. Quá trình khuếch tán chỉ đơn giản là sự khuếch tán qua lại 1 cách ngẫu nhiên giữa các phân tử khí khi qua màng hô hấp và dịch liền kề. Tuy nhiên trong sinh lý hô hấp ta không những quan tâm tới cơ chế cơ bản của sự khuếch tán mà còn là tốc độ nó xảy ra, đòi hỏi cần sự hiểu biết rất nhiều về vật lý của sự khuếch tán trao đổi khí.

Cơ sở phân tử của khuếch tán khí

Tất cả các khí tập trung trong sinh lý học hô hấp là các phân tử có sự chuyển động tự do qua lại trong quá trình khuếch tán. Điều này cũng đúng với chất khí hoà tan trong chất lỏng và mô trong cơ thể.

Trong quá trình khuếch tán cần phải được cung cấp năng lượng, nguồn năng lượng này được cung cấp bởi sự chuyển động động học các phân tử(chú ý khi ở nhiệt độ không tuyệt đối sự chuyển động của các phân tử sẽ không còn).

Đối với 1 số phân tử mà không có sự gắn bó với các phận tử khác nghĩa là có sự chuyển động tuyến tính tốc độ cao thì chúng sẽ tấn công các phân tử khác, sau đó chúng nảy đến các vị trí khác và tiếp tục di chuyển và lại tiếp tục tới tấn công các phân tử khác như vậy nữa. Bằng cách này mà các phân tử chuyển động 1 cách nhanh chóng và ngẫu nhiên! (tưởng tượng tới sự chuyển động của các quả bi-a trên bàn bi-a: D).

Khuếch tán thực của dòng khí trong chuyển động 1 chiều - kết quả của Gradient nồng độ

Nếu có 1 buồng khí hay 1 dung dịch có nồng độ cao của 1 chất khí đặc biệt tại 1 đầu của 1 buồng và nồng độ thấp tại 1 đầu kết thúc như thể hiện trong hình thì sự khuếch tán thực của chất khí là đi từ vùng  có nồng độ tới vùng có nồng độ thấp. Lý do rõ ràng các phân tử ở đầu A của buồng và ngược lại. Do đó tốc độ khuếch tán của 1 trong 2 hướng là có sự cân đối khác nhau được biểu hiện bằng hình mũi tên trong hình.

Sự khuếch tán oxy từ đầu này sang đầu kia của buồng

Hình. Sự khuếch tán oxy từ đầu này sang đầu kia của buồng. Sự khác biệt giữa độ dài của các mũi tên thể hiện sự khuếch tán ròng

Áp lực của 1 chất khí trong hỗn hợp các chất khí - Áp xuất riêng phần của từng chất khí

Áp suất được gây ra bởi nhiều tác động của các phân tử chuyển động chống lại một bề mặt, do đó, áp lực của một chất khí tác động lên bề mặt của đường hô hấp và các phế nang cũng tỷ lệ thuận với lực tác động mà tất cả các phân tử khí ở bề mặt ngoài. Điều này có nghĩa rằng áp lực là tỷ lệ thuận  với nồng độ chất khí.

Trong sinh lý hô hấp với các chất khí của sự hô hấp như O2, CO2 và N2 thì tỷ lệ khuếch tán của mỗi của các loại khí là tỷ lệ thuận áp lực gây ra bởi khí đó một mình, mà được gọi là áp suất riêng phần của khí (phân áp). Khái niệm về áp suất riêng phần có thể được giải thích như sau:

Trong không khí khi ta coi có 79% là Nito và 21% là O2, với  áp xuất của không khí là 760mmHg mà lại có áp lực mà mỗi loại khí góp phần vào việc tổng áp lực tỷ lệ thuận với nồng độ của nó nên 79% của 760mmHg được tạo bởi N2 (600mmHg) và 21% của 760mmHg được tạo bởi O2 (160mmHg). Như vậy áp xuất riêng phần của từng chất khí là áp xuất riêng rẽ của các khí trong hỗn hợp khí được tạo bởi tổng của PO2, PN2, PCO2, và các chất khí khác.

Áp lực của khí hoà tan trong nước và mô

Khí hoà tan trong nước hoặc mô trong cơ thể cũng gây áp lực và các phân tử khí hòa tan được di chuyển ngẫu nhiên và có động năng. Hơn nữa, khi các khí hòa tan trong chất lỏng gặp một mặt như màng của một tế bào, nó cũng tác động áp xuất riêng phần của mình lên mặt đó. Những áp lực một phần các khí hoà tan riêng biệt được tạo giống như những áp lực riêng phần trong không khí- Nó gồm PO2, PCO2, PN2 và các chất khí khác.

Những yếu tố quyết định áp suất riêng phần của một khí hoà tan trong 1 chất dịch

Áp xuất riêng phần của 1 chất khí cũng như trong dung dịch đươc xác định không chỉ bởi nồng độ của nó mà còn được xác định bởi hệ số hoà tan của chất khí đó (solubility coefcient), đặc biệt là CO2 ,được các phân tử nước hút lại trong khi các loại phân tử khác thì bị đẩy lùi nên phân tử đó tan ra và sẽ không tạo nhiều áp xuất trong dung dịch và ngược lại các phân tử khác bị nước đẩy ra và sẽ tạo nhiều áp xuất trong dung dịch. Mối quan hệ này được thể hiện bằng quy luật Henry:

Partial pressure = Concentration of dissolved gas/Solubility coeff icient

Với Partial pressure: áp xuất riêng phần.

Concentration of dissolved gas: nồng độ chất khí.

Solubility coefficient: hệ số hoà tan.

Chú ý áp xuất riêng phần được tính bằng áp xuất khí quyển (atm).

Ta có hệ số hoà tan của 1 số chất:

Oxygen: 0.024.

Carbon dioxide: 0.57.

Carbon monoxide: 0.018.

Nitrogen: 0.012.

Helium: 0.008.

Từ bảng trên ta thấy CO2 có hệ số hoà tan gấp khoảng 20 lần O2, do đó áp suất riêng phần của CO2 (đối với một nồng độ nhất định) là ít hơn 1/20 lần so với O2.

Sự khuếch tán của các khí giữa các pha khí trong phế nang và các giai đoạn hoà tan trong máu phổi

Áp xuất riêng phần của mỗi khí trong phế nang có xu hướng ép các phân tử khí đó vào máu mao mạch của phế nang và ngược lại áp xuất riêng phần của mỗi khí trong máu mao mạch của phế nang có xu hướng đẩy các phân tử này vào trong phế nang. Nên tỷ lệ các phân tử khí được khuếch tán tỷ lệ thuận với áp xuất riêng phần mỗi khí.

Nhưng sự chuyển động 1 chiều của khuếch tán thực của các phân tử khí có xảy ra? Để giải thích điều này, đó là sự khác nhau giữa 2 áp xuất riêng phần, ví dụ ở phế nang có áp xuất riêng phần O2 lớn hơn áp xuất riêng phần của O2 trong mao mạch máu của phế nang nên O2 sẽ đi từ phế nang sang mao mạch và ngược lại đối với CO2.

Bài viết cùng chuyên mục

Điều hòa hoạt động của tim bằng cơ chế thần kinh

Cơ chế điều hòa hoạt động tim thông qua phản xạ thần kinh và thể dịch, là yếu tố đặc biệt quan trọng để tăng cung lượng tim khi mạng ngoại vi giám, tăng tuần hoàn tĩnh mạch.

Sinh lý tuyến tuỵ nội tiết

Tụy nằm trong khung tá tràng, sau dạ dày. Trọng lượng 70-80g. Dài 10-18cm, cao 6cm, dày 1-3cm. Tụy nội tiết gồm những đảo Langerhans (gồm từ 1-2 triệu đảo), là những tế bào tụ thành từng đám, chiếm 1g tổ chức tụy, thường ở gần mạch máu.

Sinh lý học thị giác (mắt)

Người mắc bệnh nhược cơ thì mí mắt hay sụp xuống, Làm nghiệm pháp Jolly chớp mắt liên tục 15 lần thì không mở mắt được nữa.

Các dạng khác nhau của các tuyến tiêu hóa

Hầu hết sự tạo thành các enzym tiêu hóa đều là do việc đáp ứng lại với sự có mặt của thức ăn trong đường tiêu hóa, và lượng được bài tiết trong mỗi đoạn của đường tiêu hóa luôn luôn phù hợp với lượng thức ăn đó.

Sinh lý sinh dục nam giới

Mỗi người nam có 2 tinh hoàn, khi trưởng thành mỗi tinh hoàn có kích thước trung bình khoảng 4,5 x 2,5 cm, nặng khoảng 10 - 15 gram.

Tỷ lệ thay đổi hô hấp: thương số hô hấp

Khi O2 phản ứng với chất béo, một phần lớn của O2 kết hợp với các nguyên tử H+ từ các chất béo để tạo thành H2O thay vì CO2. Nói cách khác, khi chất béo được chuyển hóa.

Canxi và photphatase trong dịch ngoại bào và huyết tương

Những tế bào dễ bị kích thích rất nhạy cảm với sự thay đổi của nồng độ ion canxi, nếu tăng quá ngưỡng bình thường gây giảm hoạt động của hệ thần kinh; ngược lại, giảm nồng độ canxi trong máu (hạ canxi máu) làm cho các tế bào thần kinh trở nên dễ bị kích thích hơn.

Chức năng tuyến tiền liệt

Thể dịch tuyến tiền liệt có tính kiềm nhẹ giúp trung hòa bớt tính acid của các dịch khác khi xuất tinh, do đó tăng khả năng vận động và khả năng thụ tinh của tinh trùng.

Trí nhớ dài hạn của con người

Không có một ranh giới rõ ràng giữa loại kéo dài hơn của trí nhớ trung hạn và trí nhớ dài hạn thực sự. Sự khác biệt chỉ là một mức độ. Mặc dù, trí nhớ dài hạn thông thường được cho rằng là kết quả của sự thay đổi cấu trúc.

Cấu trúc giải phẫu đặc biệt của tuần hoàn thai nhi

Tim thai phải bơm một lượng lớn máu qua nhau thai. Do đó, sự sắp xếp giải phẫu đặc biệt làm cho tuần hoàn thai có nhiều khác biệt so với tuần hoàn của trẻ sơ sinh.

Khuếch tán khí qua màng hô hấp: các yếu tố ảnh hưởng

Hệ số khuếch tán khí phụ thuộc vào khả năng hòa tan của khí trong màng tế bào, và hệ số này tỷ lệ nghịch với trọng lượng phân tử. Tỷ lệ khuếch tán khí trong màng hô hấp là gần như chính xác tương tự như trong nước.

Điều hòa lưu lượng máu bằng cách phát triển tuần hoàn bàng hệ

Sự mở các tuần hoàn bàng hệ sau đó trong vòng nhiều giờ kế tiếp, sao cho trong vòng 1 ngày, một nửa mô cần máu có thể được đáp ứng, và trong vòng 1 vài ngày dòng máu thường đủ để đến các mô.

Cung lượng tm: sự điều chỉnh thông qua tuần hoàn tĩnh mạch - nguyên lý Frank - starling

Dưới điều kiện sinh lý bình thường, cung lượng tim được kiểm soát bằng các yếu tố ngoại biên, được xác định bởi tuần hoàn tĩnh mạch.

Sinh lý quá trình sinh nhiệt thải nhiệt cơ thể

Hầu hết lượng nhiệt sinh ra trong cơ thể được tạo thành từ các cơ quan ở sâu như gan, não, tim và cơ (khi có vận cơ). Rồi thì nhiệt được vận chuyển đến da là nơi có thể thải nhiệt vào môi trường xung quanh.

Vỏ não thị giác: sáu lớp sơ cấp phân khu

Vỏ não thị giác được tổ chức cấu trúc thành hàng triệu cột dọc của tế bào thần kinh, mỗi cột có đường kính từ 30 đến 50 micromet. Tổ chức cột dọc tương tự cũng được tìm thấy trên khắp vỏ não chi phối các giác quan khác.

Ngừng tim trong rối loan nhịp tim

Giảm oxy máu khiến cho sợi cơ tim và sợi dẫn truyền mất điện thế màng bình thường và tính dễ kích thích này làm cho nhịp tự động biến mất.

Cung lượng tim: là tổng máu tuần hoàn qua mô phụ thuộc vào tuần hoàn ngoại vi

Tổng lưu lượng máu của tuần hoàn ngoại vi chính là tuần hoàn tĩnh mạch, và tim hoạt động một cách tự động để bơm máu quay trở lại tuần hoàn chung của cơ thể.

Phương pháp đo tỷ lệ chuyển hoá của cơ thể

Để xác định tỷ lệ chuyển hoá bằng cách đo trực tiếp, sử dụng một calorimeter, được đo sẽ ở trong một buồng kín và bị cô lập để không một lượng nhiệt nào có thể thoát ra ngoài.

Tổn thương cơ tim: dòng điện tim bất thường

Phần tim bị tổn thương mang điện âm vì đó là phần đã khử cực và phát điện âm vào dịch xung quanh, trong khi những vùng còn lại của tim trung tính hoặc dương điện.

Hàng rào máu dịch não tủy và hàng rào máu não

Hàng rào tồn tại ở cả đám rối mạch mạc và ở quanh mao mạch não tại hầu hết các vùng nhu mô não ngoại trừ một số vùng như vùng dưới đồi, tuyến tùng và vùng postrema, nơi các chất khuếch tán dễ dàng vào mô não.

Hormone tăng trưởng (GH) điều khiển sự phát triển các mô cơ thể

Hormone tăng trưởng GH điều khiển làm tăng kích thước tế bào và tăng nguyên phân, cùng sự tăng sinh mạnh số lượng tế bào của các loại tế bào khác nhau như tạo cốt bào và các tế bào cơ còn non.

Điểm nhiệt chuẩn trong điều nhiệt cơ thể

Điểm nhiệt chuẩn tới hạn của vùng dưới đồi, mà ở đó ở dưới mức run cơ và trên mức bắt đầu đổ mồ hôi, được xác định chủ yếu bởi hoạt động của receptor càm nhận nhiệt trong vùng trước thị-trước dưới đồi.

Cơ sở giải phẫu của hấp thu ở ruột

Bề mặt hấp thu của niêm mạc ruột non, thể hiện nhiều nếp gấp được gọi là nếp vòng, chúng tăng diện tích hấp thu của niêm mạc khoảng 3 lần, chúng thường nhô lên 8mm vào lòng ruột.

Điều hòa glucose máu

Khi lượng đường trong máu tăng lên đến một nồng độ cao sau bữa ăn và insulin tiết ra cũng tăng lên, hai phần ba lượng đường hấp thu từ ruột là gần như ngay lập tức được lưu trữ dưới dạng glycogen trong gan.

Kiểm soát hoạt động của trung tâm hô hấp và các tín hiệu ức chế hít vào

Tính tới thời điểm này, đã biết về các cơ chế cơ bản tạo ra hiện tượng hít vào và thở ra, nhưng cũng rất cần tìm hiểu xem làm thế nào cường độ tín hiệu điều hòa có thể làm tăng hoặc giảm thông khí theo như cầu của cơ thể.