22.4: Wymiana gazowa i transport

Wymiana gazowa, czyli pobieranie tlenu cząsteczkowego (O₂) ze środowiska i odpływ dwutlenku węgla (CO₂) do środowiska, jest niezbędna do funkcjonowania komórek. Wymiana gazowa podczas oddychania zachodzi głównie poprzez ruch cząsteczek gazu wzdłuż gradientów ciśnienia. Gaz przemieszcza się z obszarów o wyższym ciśnieniu cząstkowym do obszarów o niższym ciśnieniu cząstkowym. U ssaków wymiana gazowa zachodzi w pęcherzykach płucnych, które sąsiadują z naczyniami włosowatymi i dzielą z nimi błonę.

Gdy płuca się rozszerzają, wynikający z tego spadek ciśnienia w stosunku do atmosfery powoduje zasysanie tlenu do płuc. Powietrze dostające się do płuc z otoczenia ma wyższe stężenie tlenu i niższe stężenie dwutlenku węgla niż pozbawiona tlenu krew, która przemieszcza się z serca do płuc. W ten sposób tlen dyfunduje z pęcherzyków płucnych do krwi w naczyniach włosowatych, skąd może zostać dostarczony do tkanek. Natomiast dwutlenek węgla dyfunduje z naczyń włosowatych do pęcherzyków płucnych, skąd może zostać wydalony poprzez wydech.

Ciśnienie częściowe

Przepływ gazu zależy od gradientu ciśnienia każdego gazu, przy czym każdy gaz przemieszcza się w dół swojego gradientu. Ciśnienie wywierane przez pojedynczy gaz w mieszaninie gazów jest jego ciśnieniem cząstkowym, a każdy gaz przemieszcza się od wyższego do niższego ciśnienia cząstkowego. Zatem ruch O₂ i CO₂ nie jest bezpośrednio powiązany.

Pełny obraz

Tlen jest wykorzystywany przez organizm ludzki do przekształcania cukru i innych cząsteczek organicznych w związek energetyczny ATP podczas procesu oddychania komórkowego. Produktem ubocznym oddychania komórkowego jest CO₂, który należy usunąć z komórek, w przeciwnym razie zmieni on pH i uszkodzi komórki. Ponieważ tlen jest niezbędny do zapewnienia energii dla kluczowych funkcji komórkowych, a CO₂ nie można dopuścić do gromadzenia się CO₂, organizm ludzki potrzebuje stałego przepływu krwi do i ze wszystkich tkanek, aby umożliwić wymianę gazową. p>

Pęcherzyki

Układ oddechowy i krwionośny strukturalnie i funkcjonalnie spotykają się w pęcherzykach płucnych. Pęcherzyki i naczynia włosowate są ze sobą powiązane i fizycznie się stykają, a ponieważ oba mają zazwyczaj grubość jednej komórki, wymiana gazowa między nimi łatwo zachodzi. Mimo że płuca nie są duże, ilość wymienianego O₂ i CO₂ jest ogromna, ponieważ w każdym płucu znajduje się wiele pęcherzyków płucnych — setki milionów — z powierzchnia około 100 m²!

Dostarczanie tlenu i usuwanie dwutlenku węgla są integralną częścią wydajności i przetrwania komórek. Ta wymiana gazowa jest napędzana przez dyfuzję gazu do obszarów o niższym ciśnieniu parcjalnym. Ciśnienie, które jest wywierane przez jeden gaz w mieszaninie gazów w różnych częściach układu oddechowego i krążenia.

Kiedy tlen dostaje się do płuc, miesza się z resztkowym powietrzem, zmniejszając ciśnienie parcjalne tlenu w pęcherzykach płucnych i zwiększając pobieranie tlenu przez płuca. Tlen następnie dyfunduje przez pęcherzyki płucne do sąsiednich naczyń włosowatych, ponownie przechodząc do ośrodka o niższym ciśnieniu cząstkowym.

We krwi tlen wiąże się z hemoglobiną barwnikową znajdującą się w czerwonych krwinkach i przemieszcza się do tkanki, w której ciśnienie parcjalne tlenu jest niższe. Więc odcina się od hemoglobiny i jest uwalniany. 

W ten sam sposób dwutlenek węgla przechodzi w dół gradientu ciśnienia od tkanki do krwi i jest transportowany z powrotem do płuc, gdzie gradient ciśnienia kieruje dwutlenek węgla do pęcherzyków płucnych i tlen do krwi, rozpoczynając cykl od nowa.