De lucht is een mengsel van grotendeels stikstof, zuurstof en koolstofdioxide. In het ademhalingsstelsel verandert de concentratie van de verschillende gassen door enerzijds verzadiging met waterdamp en anderzijds vermenging met reeds aanwezig gas in het ademhalingsstelsel. Onder de wet van diffusie vindt gaswisseling plaats tussen gas in de alveoli en gassen aanwezig in de het bloed van capillairen van de alveoli. Het bloed wat in de longen aankomt bevat veel koolstofdioxide en weinig zuurstof. Het bloed wat de longen verlaat, heeft een hoge concentratie zuurstof en een lage concentratie koolstofdioxide. In de weefsels vindt het omgekeerde proces plaats. Bloed wat in de weefsels aankomt, heeft een hoge concentratie zuurstof en een lage concentratie koolstofdioxide. Bloed wat de weefsels verlaat bevat veel koolstofdioxide en weinig zuurstof.
Concentratie van gassen in de lucht
De lucht die we dagelijks inademen is een mengsel van gassen. Dit mengsel van gassen bestaat voor het grootste deel uit de gassen stikstof (N), zuurstof (O2) en koolstofdioxide (CO2). De lucht bestaat voor 79,04% uit N, voor 20,93% uit O2 en 0,03% uit CO2. Deze verhouding van gassen wordt niet anders op grotere hoogte. Echter is de luchtdruk op grotere hoogte lager, waardoor de totale hoeveelheid van ieder afzonderlijk gas afneemt.
Op zeeniveau (0 meter hoogte) is er sprake van 1 atmosfeer (atm). Een atmosfeer staat gelijk aan een totale luchtdruk van 760mm Hg (millimeter kwikdruk). Dit betekent dat elk afzonderlijk gas ook een luchtdruk heeft. Deze afzonderlijke druk van elk gas wordt partiële druk; oftewel P genoemd. De druk van elk N (PN), O2 (PO2) en CO2 (PCO2) op zeeniveau is:
- 600,7 mm Hg
- 159 mm Hg
- 22,8 mm Hg
Tijdens de ademhaling verandert de concentratie van gassen
Tijdens de ademhaling blijft de concentratie van gassen niet hetzelfde. Zo wordt eerst de lucht in de luchtpijp (trachea) volledig verzadigd met waterdamp. Door deze verzadiging met waterdamp daalt de partiële druk van zuurstof in de luchtpijp van 159 mm Hg naar 149 mm Hg. Op de PCO2 verandert weinig in de luchtpijp. Uiteindelijk komt de lucht vanuit de luchtpijp in de alveoli (longblaasjes).
In de alveoli wordt voortdurend O2 en CO2 tussen longen en bloed uitgewisseld. Hierdoor is de partiële druk in de alveoli (PA) en de concentratie van CO2 in de alveoli veel hoger en de concentratie van O2 en partiële druk van O2 (PAO2) veel lager. De concentratie en PACO2 in de alveoli zijn respectievelijk 5,5% en 39 mm Hg. De concentratie en PAO2 in de alveoli zijn respectievelijk 14,5% en 103 mm Hg.
Gaswisseling tussen alveoli en bloed
Diffusie en gaswisseling
Gaswisseling is onderhevig aan de wetten van diffusie. De snelheid van diffusie is afhankelijk van de wet van Fick. In de wet van Fick hebben de volgende factoren een grote invloed op de diffusiesnelheid. Deze factoren zijn:
- Temperatuur; bij een hogere temperatuur neemt de diffusiesnelheid toe. In de longen is het ongeveer 37 graden celcius. Dit stimuleert de diffusie
- Diffusie-oppervlak; een groot diffusie-oppervlak vergroot de diffusiesnelheid. In de longen is er een zeer groot diffusie-oppervlak
- Diffusie-afstand; een kleine diffusie-afstand vergroot de diffusiesnelheid. In de longen is de diffusie-afstand zeer klein, omdat zowel de alveoli als de bloedvaatjes van de longen zeer dunne wanden hebben
- Concentratieverschil van de gassen; hoe groter het concentratieverschil, des te groter de diffusiesnelheid. In de longen is er een groot concentratieverschil van gassen in het bloed en de longen
- Oplosbaarheid van gassen; hoe beter een gas oplost, des te groter de diffusiesnelheid. De oplosbaarheid van CO2 in het bloed is goed, maar van O2 slecht. Hier heeft het lichaam iets op gevonden. O2 wordt namelijk direct gebonden aan hemoglobine, waardoor de concentratie van O2 laag is in het bloed
In de longen heerst dus een milieu die een optimale diffusie ondersteunt. Door deze optimale omstandigheden komt in rust binnen een kwart seconde de volledige gaswisseling tussen longen en bloed tot stand.
Gaswisseling in weefsels
Het bloed wat in de longen aankomt, bevat relatief veel CO2 en weinig O2. De PCO2 en PO2 van bloed wat in de longen aankomt, zijn respectievelijk 46 en 40 mm Hg. Tussen het bloed in capillairen van de alveoli en de alveoli vindt er diffusie plaats tot dat er een evenwicht tot stand is gekomen. Het bloed wat de longen verlaat heeft een PO2 van 100 mm Hg en een PCO2 van 40 mm Hg. In de actieve weefsels vindt het omgekeerde proces plaats. Het arteriële bloed geeft namelijk O2 aan de weefsels en neemt CO2 op. Het bloed wat de weefsels verlaat (veneus bloed) heeft een PO2 van 40 mm Hg en een PCO2 van 46 mm Hg. Dit bloed stroomt weer naar de alveoli, waar het proces opnieuw begint.
Bronnen:
William D. McArdle, Victor L. Katch, & Frank I. Katch (2014) Exercise Physiology, Nutrition, Energy, and Human Performance, LWW Philadelphia