สรีรวทยาระบบหายใจิ 3 · a a – surface area t t – thickness...

สรรวทยาระบบหายใจ 3จดประสงคการเรยนร

1. อธบายลกษณะเลอดไหลเวยนสปอดได

2. อธบายการแพรของแกสในถงลมปอด (gas diffusion)ได

3. อธบายความสาคญของการกระจายของอากาศและเลอดในปอดได

4. อธบายการขนสงแกส oxygen และ carbon dioxide ในเลอดได

5. อธบายการขนสงของออกซเจนโดยฮโมโกลบนและเขาใจความสาคญของ oxygen

hemoglobin dissociation curve

ดร.นพ. สรชย ศรสมะ

6. บรรยายหนาทของระบบหายใจในสมดลยของกรด-ดางในเลอดได

ภาควชา สรรวทยา

คณะแพทยศาสตรศรราชพยาบาล

มหาวทยาลยมหดล

[email protected]

Pulmonary CirculationyCO2 O2

Lungs

L A

Pulmonary

circulationPulmonary

artery

Pulmonary

vein• รบเลอด deoxygenated มาจากหวใจ

หองขวา สงไปทถงลมทาง

HeartHepatic

artery

R.A. R.V. L.V.

L.A.

pulmonary artery เพอแลกเปลยน

แกส

Systemic

circulation

artery

na c

ava

Liver

Aorta

แกส

• เลอดทไดรบการแลกเปลยนแกสเปน

ไcirculation

Ven Hepatic

Portal vein Intestines

Kidneys

oxygenated blood ถกสงไปยงหวใจ

หองซายทาง pulmonary veinKidneys

Tissue capillaries

FluidFluid

Tissue cells

O2CO2

Pulmonary Circulation vs Systemic CirculationPulmonary Circulation vs Systemic Circulation

ใ • หลอดเลอด artery ใน pulmonary circulation มผนงบาง มกลามเนอเรยบนอย

สามารถยดขยายไดงายกวาเมอเทยบกบหลอดเลอด artery ใน systemic

circulation

• ความดนภายในหลอดเลอดปอด มคาตากวาความดนใน systemic circulation เชน

ความดนเฉลยใน pulmonary artery = 14 mmHg ความดนเฉลยใน aorta = 100

mmHg

• ปรมาณเลอดทไหลผาน pulmonary circulation มอตราการไหลเทากบปรมาณ

เลอดทไหลผาน systemic circulation cardiac output นนเองy p

• จาก Ohm’s Law P = Q x R นกศกษาคดวา pulmonary vascular resistance เปน

อยางไรเทยบกบ systemic vascular resistanceอยางไรเทยบกบ systemic vascular resistance

ความตานทานของหลอดเลอดในปอด

(Pulmonary vascular resistance)• มคาตากวา systemic vascular resistance ถง 16 เทา

ในขณะพก

• เปลยนแปลงตาม pulmonary blood flow หรอความดน

Recruitment

เปลยนแปลงตาม pulmonary blood flow หรอความดน

ใน pulmonary artery

↑Cardiac output ↓ pulmonary vascular ↑Cardiac output ↓ pulmonary vascular

resistance

↓ ↑↓Cardiac output ↑ pulmonary vascular

resistance

• เมอความดนหรอ blood flow เพม เกดการเปดหลอด

เลอดทปดอยเพอใหเลอดไหลผาน(recruitment) หรอ

Distensionไปดนใหหลอดเลอดทเปดอยแลวขยายตวเพมเพอเพม

ปรมาตรเลอดทไหลผาน (distension)

การกระจายของเลอดในปอด

(Blood Distribution in the Lung )

โ ใ ใ• ผลของแรงโนมถวง ทาใหการกระจายของเลอดใน

ปอดไมสมาเสมอ ในทานงหรอยน (upright

position)

• ทฐานปอด มเลอดไหลเวยนมากกวา (overperfusion)

flow

ทสวนยอดปอด (underperfusion)

• ในทานอน pulmonary blood flow มการกระจายท

Blo

od f

เทาๆกนจากฐานปอดสยอดปอด

• ในขณะออกกาลงกายในทายน cardiac output Rib number

Bottom Top 5 4 3 2

ในขณะออกกาลงกายในทายน cardiac output

เพมขน ทาให pulmonary arterial pressure เพมขน

เปนการเพม pulmonary blood flow ไปบรเวณยอด

Rib number

เปนการเพม pulmonary blood flow ไปบรเวณยอด

ปอด

Diffusion of Gases across alveolar-capillary membranep y

Bronchiole

Deoxygenated blood from

the pulmonary artery

Oxygenated blood to

the pulmonary vein

Alveolus

Capillaries

Alveolar wallCapillary wall

O2 – deficient RBC

CO2

O2O saturated RBCO2 – saturated RBC

Diffusion of GasesDiffusion of Gases

การแพรของแกส (simple diffusion) เกดขนตาม concentration gradient

อธบายโดยอาศย กฎของ Fick

V gas = x D x (P1 – P2)A

1 2

A – surface area

T

T – thickness of alveolar capillary membrane

D – diffusion coefficient of the gas

ขนอยกบความสามารถในการละลายของ gas

(P1 – P2) – pressure gradient of gas1 2

Ventilation perfusion relationshipsVentilation-perfusion relationships

การแลกเปลยนแกสทมประสทธภาพในถงลมปอดและเลอดทมาเลยงทปอด อาศยการ

กระจายของอากาศและเลอดททวถงกน

ใ ในขณะพก สดสวนการกระจายของอากาศและเลอด (VA/Q ratio)

มคาแตกตางกน จากยอดปอด ถงฐานปอด เรยกวา VA/Q inequality

ApexVentilation

(L/min)

Blood flow

(L/min) Ratio( )

0.070.24 3.3

1 290 82 0 63

Base

1.290.82 0.63

Ventilation-perfusion relationships

การขนสง O ในเลอดการขนสง O2 ในเลอด

Oxygen transport in blood ม 2 รปแบบ

1. O2 ทละลายในนาเลอด (plasma) หรอ dissolved O2 (PaO2)2 2 2

• คาเฉลยของ PaO2 ประมาณ 95 mmHg

• ชวงปกต 85-100 mmHg

• ม alveolar-arterial oxygen difference เกดขนจาก VA/Q inequality

• ventilation จะเพมขนถาระดบ PaO2 ตากวา 60 mmHg2

การขนสง O ในเลอด

2. ออกซเจนทจบกบฮโมโกลบน หรอ oxyhemoglobin (99%)

การขนสง O2 ในเลอด

Hb + 4O2 Hb(O2)42 2 4

deoxyhemoglobin oxyhemoglobin

1 gram ของฮโมโกลบน สามารถจบกบ O2 ไดเตมท 1.34 mL

ปจจยทกาหนดปฏกรยาน ไดแก

PO2 ในพลาสมา คาเฉลย PaO2 ~ 95 mmHg2 2

PO2 สง ปฏกรยาเคลอนไปทางขวา ถา PO2 ตา ปฏกรยาเคลอนไปทางซาย

affinity หรอการจบแนนระหวาง hemoglobin และ O2

แสดงใน oxyhemoglobin dissciation curve

Oxyhemoglobin dissociation curvey gio

n

Amount of O unloaded to tissues

10

0

20

n sa

tura

ti

t lood

)

Amount of O2 unloaded to tissues

8015

emog

lobi

n

en c

onte

nt

100

mL

b60

10

cent

oxy

he

Oxy

ge

(mL

O2

/ 1

20

40

5

Perc (

Veins

(at rest)

Arteries

0

20

0

ใ

PO2 (mmHg)

00

20 40 60 80 10

0

0

ในภาวะออกกาลงกายอยางหนก ระดบ PVO2 = 18-20 mmHg นกศกษาคดวาเนอเยอ

สามารถรบออกซเจนไดเทาไร และเหลอออกซเจนจบกบ Hb อยเทาไร

Oxyhemoglobin

Hb 1 molecule สามารถจบออกซเจนไดเตมทถง 4 molecules ( 4 O )

y g

4 molecules ( 4 O2 )

O2 molecule แรก จบบน Hb ท PO2 คาตาๆ

urat

ion

100

O2 molecule ทสอง จบบน Hb ท PO2 เทากบ 26 mmHg หรอเทากบ 50% saturation (ม 2

ไ glob

in sa

tu

75

50P50

molecules จากจบไดทงหมด 4 molecules)

O2 molecule ทสาม จบบน Hb ท PO2 เทากบ 40

oxyh

emog 50

252 2

mmHg หรอ 75% saturation ซงสมพนธกบsystemic venous blood

Perc

ent o

PO (mmHg)0 10

0

26 40

O2 molecule ทส จบบน Hb ท PO2 ประมาณ 100 mmHg หรอ 97% saturation ซงสมพนธกบ

PO2 (mmHg) 0

systemic arterial blood ซง molecule นจบกบHb ไดแนนนอยทสด

ปรมาณ O ในเลอด (O content)

Oxygen content = O bound to Hb + dissolved O in blood

ปรมาณ O2 ในเลอด (O2 content)

Oxygen content = O2 bound to Hb + dissolved O2 in blood

= 1.35 x [Hb] x SO2 + 0.003 x PO2

1 g of Hb can combine with 1.35 mL of O2

Normal Hb level = 15 g /100 mL blood

SO2 = oxygen saturation

1 mmHg PO2 0.003 mL of O2 / 100 mL blood

คา P50 และ การจบแนนของออกซเจนกบฮโมโกลบน50P50 คอ ระดบ PO2 ทมผลทาใหตาแหนงของ hemoglobin ถกจบดวย O2 ไป 50% ( 50% saturation หรอ ม 2 molecules จากจบไดทงหมด 4 molecules))

tura

tion

100

glob

in sa

t75

50P50

oxy

hem

o

25

Perc

ent

PO2 (mmHg)0 10026 40

คา P50 เพมขน curve เคลอนไปทางขวา ฮโมโกลบนมแนวโนมปลอยออกซเจนไดเพมขน(relaxed state)

2 ( g)

( )

คา P50 ลดลง curve เคลอนไปทางซาย ฮโมโกลบนมแนวโนมจบออกซเจนไดแนนขน หรอปลอยไดยากขน (tight state)

ผลของ CO2 ตอการจบ-ปลอยออกซเจนจากฮโมโกลบน2

PCO2 สง curve shift to the right 2 g

ปลอยออกซเจนไดดขน

ทกลามเนอ ขณะออกกาลงกาย มระดบ PCO2 สงขน 2

ผลทาให Hb ปลอยออกซเจนไดดขน

มผลทาให เซลลกลามเนอรบออกซเจนไดมากขนเพอการสรางพลงงาน (metabolism)

pH pH

pH ( power of H + ) = – log [ H + ]

ภาวะเปนกรด (acidosis) มระดบ [ H + ] สง มคา pH ลดลง

ภาวะเปนดาง (alkalosis) มระดบ [ H + ] ตา มคา pH เพมขน

ในเลอด ระดบ pH มคาประมาณ 7.4

Normal pH

Acidosis Alkalosis

7.47.0 7.8

survival range

ผลของ pH ตอการจบ-ปลอยออกซเจนจากฮโมโกลบนp

pH ตา

hif h i h curve shift to the right

ปลอยออกซเจนไดดขนจากฮโมโกลบน

โ โ H + ป ใ ฮโมโกลบนจบกบ H + เพอปองกนมใหpH เปลยนแปลงมาก

ถอวา hemoglobin เปน บฟเฟอร (buffer) ถอวา hemoglobin เปน บฟเฟอร (buffer) ชนดหนง

ทกลามเนอ ขณะออกกาลงกายอยางหนก มการสรางกรด lactic (lactic acid) ปรมาณ

ใ มาก ดงนน pH จงมคาตาลง ผลทาให Hb ปลอยออกซเจนไดดขน

มผลทาให เซลลกลามเนอรบออกซเจนไดมผลทาให เซลลกลามเนอรบออกซเจนไดมากขนเพอการสรางพลงงาน (metabolism)

ผลของอณหภมตอการจบ ปลอยออกซเจนจากฮโมโกลบนผลของอณหภมตอการจบ-ปลอยออกซเจนจากฮโมโกลบน

ท pH คงท

Temperature ↑ curve shift to the right


ทกลามเนอ ขณะออกกาลงกาย มความรอนเพมขน



Temperature ↓ curve shift to the left

ปลอยออกซเจนไดยากขน หรอจบออกซเจนไดแนนขน

ผลของ 2,3- DPG ตอการจบ-ปลอยออกซเจนจากฮโมโกลบน

ระดบ 2,3 – diphosphoglycerate ในเมดเลอดมผลตอการจบ-ปลอยออกซเจน

เมดเลอดแดงไมม nucleus และ mitochondria การสรางพลงงานในเมดเลอดแดงจงเปนแบบ anaerobic glycolysis คอไมตองใชออกซเจน

ผลผลตทเกดขนจากปฏกรยาคอ 2,3-DPG

2,3-DPG↑ curve shift to the right


ในทสง (high altitude) หรอในคนทมโลหตจาง

(anemia) พบวาม 2,3-DPG เพมขน

มผลทาให RBC ปลอยออกซเจนไดมากขน

ผลของ CO ตอการจบ-ปลอยออกซเจนจากฮโมโกลบน

Carbon monoxide (CO) เกดจากการเผาผลาญ

ญทมอากาศไมเพยงพอ

CO เปนแกสทไมมส ไมมกลน

CO แยง O2 จบกบ Hb ไดดกวา 250 เทา

นอกจากนฮโมโกลบนจบกบ O2

CO แยง O2

จบกบฮโมโกลบน

CO curve shift to the left

ปลอยออกซเจนไดยากขน

2

ไดดกวา 250 เทา

ลดการขนสงออกซเจนทางกระแสเลอด

และลดการปลอยออกซเจนไปสเนอเยอ ฮโมโกลบน

เมดเลอดแดงเกดภาวะขาดออกซเจน anoxia

เมดเลอดแดงO2 ไมถกขนสงอกตอไป

ปจจยทมผลตอการจบ-ปลอยออกซเจนจากฮโมโกลบนแสดงไดโดย การเคลอนของ oxyhemoglobin dissociation curve ไปทางซายหรอขวา

ปจจยทสาคญไดแก

1 PCO atio

n Shift to left

PaCO2

90

100

1. PCO2

2. H + หรอ pH

3 Temperature bin

satu

ra

Shift to right

PaCO2

Temperature

pH70

80

3. Temperature

4. 2,3 - diphosphoglycerate

5 PCO (carbon monoxide) yhem

oglo

b Temperature

pH

40

50

60

5. PCO (carbon monoxide)er

cent

oxy

Normal20

30

Pe

0

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

PO2 (mmHg)

การขนสงออกซเจนในกลามเนอmyoglobin เปน protein ทจบออกซเจน พบในใยกลามเนอโครงสรางและกลามเนอหวใจ ทมอตราการเผาผลาญพลงงานแบบใชออกซเจนสง (high aerobic capacity)

การขนสงออกซเจนในกลามเนอ

ทมอตราการเผาผลาญพลงงานแบบใชออกซเจนสง (high aerobic capacity)

myoglobin จบกบออกซเจนไดแนนกวาท Hb จบกบออกซเจน กลาวคอ curve สวนลาดชนอยในชวง PO ท 0 20 H ดงนน P ของ l bi มคาตากวาชนอยในชวง PO2 ท 0-20 mmHg ดงนน P50 ของ myoglobin มคาตากวา

100myoglobin ปลอยออกซเจนให

tura

tion

myoglobin80

เซลลกลามเนอท PO2 คาตา คอ1-2 mmHg ดงนน myoglobin ทาหนาทเปนทสะสมออกซเจน

oxyg

en sa

t

40

60 hemoglobinทาหนาทเปนทสะสมออกซเจนสารองใหแกเซลลกลามเนอ เมอเรมออกกาลงกาย

Perc

ent o

20

venous blood arterial bloodเมอสนสดการออกกาลง ใ

PO2 (mmHg)0 20 40 60 80 120100

ออกซเจนจากอากาศทหายใจเขามาจบกบ myoglobin

Oxyhemoglobin dissociation curve ขณะออกกาลงกายy g

Curve shifts to right100n80Factors shifting

pHsatu

ratio

nnormal pH

60

curve to right

pH

pm

oglo

bin

s

40

25

Temperature

PCO2

nt o

xyhe

m

35

2025 2,3-DPG

Perc

en

ใ Hb ป ไ

PO2 (mmHg)0 20 40 60 80 100



การขนสง CO ในเลอดการขนสง CO2 ในเลอด

Carbon dioxide transport in blood ม 3

ปรปแบบ

1. CO2 ทละลายในนาเลอด (plasma)

Tissue cells

COหรอ dissolved CO2 (PaCO2)

• เปนสวนนอย ประมาณ 10% ของ

ใ

CO2

CO2 dissolved CO2 ในเลอด

• PaCO2 ประมาณ 40 mmHg

in plasma (10%)

CO2 combined with CO2 + H2O H2CO3

2. CO2 จบกบ Hb เรยกวา

carbaminohemoglobin

ป ใ

hemoglobin to form

carbaminohemoglobin

(20%)

H2CO3 H + + HCO3–

H + combines with

hemoglobin• มประมาณ 20% ของ CO2 ในเลอด

3. Bicarbonate ( HCO3– )

ป ป Plasma

Red blood cells

hemoglobin

Cl –HCO3

–

(70%)

chloride shift• เปนรปแบบทถกขนสงมากทสด

ประมาณ 70% ของ CO2 ในเลอด

การสราง HCO3– ในเมดเลอดแดง

CO2 + H2O H2CO3 H + + HCO3–carbonic

CO2 H2O H2CO3 H HCO3anhydrase

CO2 แพรเขาไปในเมดเลอดแดง รวมตวกบนาได

carbonic acid ซงไมเสถยร แตกตวได hydrogen

ions ( H + ) และ bicarbonate ( HCO3– )

Bicarbonate เปนสาร buffer นอกเซลลทสาคญมาก

ถกขนสงออกนอกเซลลเมดเลอด มาอยใน plasma ถกขนสงออกนอกเซลลเมดเลอด มาอยใน plasma

โดยอาจรวมตวกบ H + เพอปองกนมให pH เปนกรด

การขนสง CO2 ในเมดเลอดแดงและการขบ CO2 ทางปอด


anhydrase

ไ Alveoli

เมอเลอดไหลผาน pulmonary

capillary CO2 แพรจากเลอดไปยงถง

ป

CO2

ลมปอด CO2 dissolved

in plasma

hemoglobin + CO2

O2 จบกบ Hb ทาให H + เปนอสระ

HCO3– ผานเขาไปใน RBC เพอรวมตว

g 2 CO2 + H2O H2CO3

carbaminohemoglobin HCO3– + H + H2CO33

กบ H + ได carbonic acid และในทสด

แตกตวเปน CO2 และนาPlasma

Red blood cellsHCO3

– Cl –

2From pulmonary artery To pulmonary vein

ระบบหายใจและสมดลยกรด-ดาง


anhydrase

ระบบหายใจทาหนาทกาจดกรดสวนเกนได โดยผานปฏกรยาขางตน (shift ไป

ทางซาย) เกดการกาจด CO2 ทางการหายใจ

ถา metabolism ปกต การเพมขนของการหายใจ (hyperventilation) ทาให CO2 ( yp ) 2

ถกขบออกมากเกนไป ระดบ H + ลดลง ม pH สงขน (alkalosis)

การลดลงของการหายใจ (hypoventilation) เมอ metabolism ปกต ทาใหมการ การลดลงของการหายใจ (hypoventilation) เมอ metabolism ปกต ทาใหมการ

สะสมของ CO2 และมระดบของ H + เพมขน มผลทาให pH ลดลง เกดภาวะ

กรด (acidosis)กรด (acidosis)

สรป: สรรวทยาระบบหายใจ ชวโมงท 3

• ระบบไหลเวยนเลอดในปอดมระดบความดนตา แตมอตราการไหล (blood flow)

เทากบ t i i l tiเทากบ systemic circulation

• ในทาตรง การกระจายของเลอดมมากทฐานปอดเนองจากแรงโนมถวงของโลก

• การแลกเปลยนแกสท alveolar capillary membrane ผานขบวนการแพร (simple

diffusion) ตามความแตกตางของความดนแกส

• อตราการแพรขนอยกบพนทผว ความแตกตางของความดนแกส ความสามารถใน

การละลาย ความหนาของ alveolar capillary membrane

• การแลกเปลยนทมประสทธภาพทผนงถงลมปอดตองมการกระจายทเทากนของ

อากาศและเลอดในปอด (ventilation-perfusion match)อากาศและเลอดในปอด (ventilation perfusion match)

• Oxygen ขนสงผานการจบกบ hemoglobin ถง 99%

ป ป ไป • การปลอย-จบกบ oxygen ของ hemoglobin เปนไปตามความสมพนธของ

oxyhemoglobin dissociation curve

สรป: สรรวทยาระบบหายใจ ชวโมงท 3 (ตอ)

• การเพมอณหภม การเพม PCO2 การลดลงของ pH หรอภาวะเปนกรด ทาใหกราฟ

h l bi di i ti เคลอนไปทางขวา คา P เพมขน oxyhemoglobin dissociation curve เคลอนไปทางขวา คา P50 เพมขน

hemoglobin ปลอยออกซเจนไดมากขน เชน ในภาวะออกกาลงกาย

ใ ไ ป • CO2 ขนสงในเลอดได 3 รปแบบ คอ PCO2, carbaminohemoglobin และ HCO3–

• HCO3– เปนรปแบบการขนสง CO2 ทมากทสด

• การเพมการหายใจ ในขณะท metabolism คงท ทาใหคา PCO2 และ H + ในเลอด

ลดลง เปนการเพม pH (alkalosis)

• ในทางกลบกน การลดการหายใจ ทาใหคา PCO2 และ H + ในเลอดเพมขน เปนการ

ลด pH (acidosis)ลด pH (acidosis)

สรีรวทยาระบบหายใจิ 3 · a a – surface area t t – thickness...

Documents