Trang chủ
Sách y học
Sinh lý y học
Trao đổi khí ở phổi: vật lý của sự khuếch tán khí và phân áp khí

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

Tiêu cự của thấu kính: nguyên lý quang học nhãn khoa

Các tia sáng đi đến thấu kính hội tụ không phải là một chùm tia song song mà là phân kì bởi vì nguồn phát các tia sáng không đặt xa thấu kính đó.

Các receptor ở các cơ quan đích hệ giao cảm và phó giao cảm

Các receptor nằm ở mặt ngoài của màng tế bào. Sự bám của các chất dẫn truyền thần kinh vào các receptor gây ra sư thay đổi về hình dạng trong cấu trúc của phân tử protein. Kế tiếp, phân tử protein bị biến đổi sẽ kích thích hoặc ức chế tế bào.

Tín hiệu nội bào sau khi receptor hormone được kích hoạt

Nhiều loại mô khác nhau có cùng loại receptor nội bào giống nhau, tuy nhiên gen được kích thích bởi các receptor ở một số mô lại khác nhau.

Xác định dung tích cặn chức năng, thể tích cặn, dung tích toàn phổi

Thiết bị đo dung tích với thể tích được làm đầy bởi không khí trộn với khí Heli. Trước khi thở từ thiết bị này, mỗi người được thở ra bình thường. Kết thúc thở ra, thể tích duy trì trong phổi bằng FRC.

Cortisol quan trọng trong chống stress và chống viêm

Mặc dù cortisol thường tăng nhiều trong tình trạng stress, một khả năng là glucocorticoid làm huy động nhanh acid amin và chất béo từ tế bào dự trữ.

TSH từ thùy trước tuyến yên kiểm soát bài tiết hormon giáp

Kết hợp TSH với receptor đặc hiệu trên bề mặt màng tế bào tuyến giáp, hoạt hóa adenylyl cyclase ở màng tế bào, cuối cùng cAMP hoạt động như một chất truyền tin thứ 2 hoạt hóa protein kinase.

Triglycerides tạo năng lượng: hình thành Adenosine Triphosphate

Đầu tiên trong quá trình sử dụng triglycerides cung cấp năng lượng là thủy phân chúng tạo các acid béo và glycerol. Sau đó, cả acid béo và glycerol đều được vận chuyển trong máu tới các mô hoạt động.

Cảm giác tư thế: cảm giác cảm thụ bản thể

Sự nhận thức về tư thế, gồm cả động và tĩnh, phụ thuộc vào nhận biết về mức độ gập góc của tất cả các khớp trong các mặt phẳng và sự thay đổi tốc độ của chúng.

Hệ mạch cửa dưới đồi yên của thùy trước tuyến yên

Mạch máu đi vào các xoang đầu tiên đều đi qua giường mao mạch ở phần dưới vùng dưới đồi, dòng máu sau đó chảy qua các mạch cửa dưới đồi yên rồi đổ vào các xoang ở tuyến yên trước.

Phản xạ tư thế: dáng đi ở tủy sống

Ở động vật có xương sống, khi cơ thể bị ngả về một bên thì sẽ xuất hiện các động tác không đồng vận để cố gắng giúp nó đứng thẳng dậy. Phản xạ này được gọi là phản xạ đứng dậy tuỷ sống.

Cơ chế hô hấp trong khi vận động

Phân tích nguyên nhân gây ra sự gia tăng thông khí trong quá trình vận động, một trong những nguyên nhân gây tăng thông khí là do tăng CO2 máu và hydrogen ions, cộng với sự giảm O2 máu.

Đau thắt ngực trong bệnh mạch vành

Các chất có tính axit, chẳng hạn như axit lactic hoặc các sản phẩm làm giảm đau khác, chẳng hạn như histamine, kinin hoặc các enzym phân giải protein của tế bào, không bị loại bỏ đủ nhanh bởi dòng máu mạch vành di chuyển chậm.

Các yếu tố ruột ức chế bài tiết dịch dạ dày

Dạ dày bài tiết một ít ml dịch vị mỗi giờ trong suốt giai đoạn giữa các lần phân giải thức ăn, khi mà có ít hoặc không có sự tiêu hóa diễn ra ở bất cứ vị trí nào của ruột.

Tăng vận chuyển ô xy đến mô: CO2 và H+ làm thay đổi phân ly oxy-hemoglobin (hiệu ứng bohr)

Khi máu đi qua các mô, CO2 khuếch tán từ tế bào ở mô vào máu, sự khuếch tán này làm tăng PCO2 máu, do đó làm tăng H2CO3 máu (axit cacbonic) và nồng độ ion H+. Hiệu ứng này sẽ làm chuyển dịch đồ thị phân ly oxy- hemoglobin sang bên phải và đi xuống.

Thông khí thở: sự thích nghi của những người ở vùng cao

Cho dù những người ở đồng bằng có thể chuyển lên sống ở vùng cao trên 10 năm, nhưng vẫn không thể thích nghi tốt với độ cao băng những người bản xứ xét về mọi khía cạnh.

Sự vận chuyển CO2 trong máu và mô kẽ

Khi các tế bào sử dụng O2, hầu hết sẽ tạo ra PO2, và sự biến đổi này làm tăng PCO2 nội bào; vì PCO2 nội bào tăng cao nên CO2 khuếch tán từ tế bào vào các mao mạch và sau đó được vận chuyển trong máu đến phổi.

Thùy trước và thùy sau tuyến yên

Hai thùy tuyến yên có nguồn gốc khác nhau, thùy trước từ túi Rathke, là một vùng lõm vào của lớp thượng bì hầu họng, và thùy sau từ một mô thần kinh phát triển ra từ vùng dưới đồi.

Vai trò của O2 trong điều hòa hô hấp: điều hòa hô hấp bởi thụ thể ngoại vi

Oxygen không có ảnh hưởng trực tiếp tới trung tâm hô hấp của não trong việc điều hòa hô hấp. Thay vào đó, nó tác động gần như hoàn toàn lên các hóa thụ thể ở ngoại vi nằm trong động mạch cảnh và thân động mạch chủ.

Phức bộ QRS: hình dạng giãn rộng bất thường

Phức bộ QRS được xem là không bình thường khi kéo dài ít hơn 0,09s; khi nó giãn rộng trên 0,12s- tình trạng này chắc chắn gây ra bởi bệnh lý block ở 1 phần nào đó trong hệ thống dẫn truyền của tim.

Chức năng điều hoà nội môi sinh lý của thận

Áp suất thẩm thấu do các chất hòa tan trong huyết tương tạo nên, đặc biệt là Na+. Thông qua quá trình điều hòa thành phần các chất trong huyết tương, thận đã điều hòa áp suất thẩm thấu của dịch ngoại bào, bảo đảm áp suất này hằng định ở khoảng 300 mOsm/L.