У легких відбувається обмін між організмом і навколишнім середовищем. Завдяки роботі дихальних м'язів легеневі альвеоли обмінюються цими газами з атмосферою. Це забезпечує відносну сталість і в альвеолярної газової суміші. Газообмін між альвеолярної газовою сумішшю і кров'ю легеневих капілярів відбувається на альвеолярно-капілярної мембрани (АКМ). Схематично АКМ представляється:
Схема альвеолярно-капілярної мембрани і дифузії газів у легенях
1 альвеолярний епітелій, 2 - міжклітинна середа, 3 - ендотелій капіляра, 4 - плазма крові, 5 - еритроцитарна мембрана
Газообмін у легенях здійснюється під дією тільки однієї сили - концентраційного градієнта кожного з газів на АКМ. Массоперенос газів підпорядковується рівнянню Фіка:
Використовуючи рівняння Фіка для кількісної оцінки газопереноса через АКМ доцільно замінити градієнт концентрацій на градієнт парціальних тисків і напруг газів.
Парціальний тиск газу - такий тиск компонента газової суміші, яке він надав би на що містить його оболонку, якби один займав весь об'єм, наданий цій суміші.
-парціальний тиск з боку альвеол.
-напруга в капілярах (в крові).
Розглянемо величини парціальних тисків і в альвеолах газової суміші. З одного боку та обсяг в крові легеневих капілярів з іншого. Це необхідно для оцінки сил під дією яких відбувається обмін через АКМ. У газовій суміші легеневих альвеол мм.рт.ст. або 13,7 кПа. мм рт.ст. або 5,3 кПа. Розрахунок парціальних тисків в газовій суміші альвеол зазвичай роблять за формулою:
-парціальний тиск газу.
-тиск насиченої газу парів води в альвеолах при t = 36,7. = 47 мм.рт.ст. або 6,3 кПа.
-концентрація даного газу в газовій суміші в%.
Парціальному тиску і в альвеолах газової суміші протидіє на АКМ напруга цих газів у венозній крові легеневих капілярів як мм.рт.ст. або 4,9 кПа, мм.рт.ст. або 6,1 кПа. З зіставлення і кожного з газів слід, що і долають АКМ по концентраційним градиентам, але в протилежних напрямках: з альвеолярної газової суміші в кров, а навпаки.
Проводиться уваги не маси газу, що переноситься через АКМ, а його обсяг. Тоді рівняння:
-довжина, товщина АКМ.
Для повної оцінки grad на АКМ необхідно знати товщину. АКМ складається з двох шарів клітин:
ендотелію легеневих капілярів,
і базилярної мембрани, розташованої між ними. Загальна товщина АКМ приблизно 0,2 мкм, але в області ядерних клітин приблизно 10 мкм.
Крім перерахованих компонентів ця многомембранная система, через яку дифундує газ. Легкі також включають плівку субфактата.
Основою субфактата є біомолекулярний ліпідний шар, подібний Фосфоліпідний шару біологічної мембрани.
Нашарування субфактата на епітеліальну поверхню альвеол створює додаткову до АКМ диффузионную середу, яку гази долають при їх масопереносу. За рахунок субфактата подовжується дифузний шлях, що в свою чергу призводить до деякого зниження концентраційних градієнтів на АКМ. Однак без субфактата дихання взагалі було б неможливим, так як стінки альвеол злиплися б під дією значного поверхневого натягу, яке притаманне альвеолярному епітелію. Субфактат знижує поверхневий натяг альвеолярних стінок і запобігає злипання альвеол.
Концентраційні градієнти і на АКМ різко падають при патології. Вони можуть зменшаться як при зміні різниці концентрацій в альвеолах або легеневих капілярів, так і внаслідок стоншення АКМ. Перша причина характерна для зміни газового середовища, в якій знаходиться організм (при перебуванні людини в розрідженій атмосфері), при порушенні легеневого дихання (при багатьох хворобах легенів, при недостатній роботі дихальних м'язів). Друга патологія - набряк легенів. При цьому рідина, яка виходить з капілярів накопичується в міжклітинному середовищі (базилярна мембрана). Це призводить до утоньшенію АКМ і різко знижує градієнт концентрації газів на АКМ навіть при нормальній різниці їх концентрації.
У нормальних умовах дифузний шлях становить приблизно 5 мкм. На цій відстані перепад концентрацій і неоднаковий. Він різниться більш ніж на порядок і виражається величинами парціального тиску, складові відповідно: для приблизно 70 мм. рт. ст. або 9,3 кПа, для приблизно 6 мм. рт. ст. або 0,8 кПа. Але при таких значних перепадах парціальних тисків і масоперенос цих газів однаковий.
Причина того полягає в тому, що і мають різну проникність через АКМ. Проникаюча здатність кожного з них оцінюється коефіцієнтом дифузії. Експериментально встановлено, що в воді. У повітрі на 4-5 порядків вище (). У ліпідів на кілька порядків нижче в порівнянні з водою. Проникаюча здатність через АКМ характеризується. Це дозволило зробити висновок, що проходить через АКМ крізь пори, заповнені водою. Також проходить через АКМ і. але він робить це в 20-25 разів швидше, ніж. так як краще розчиняється в воді. Високий ступінь розчинності в воді обумовлюється його малим (близьким до нуля) дипольниммоментом. Молекули не поляризоване завдяки своїй симетричною структурі. Молекула не взаємодіє з зарядженими групами компонентів біологічної мембрани і легко проходить крізь неї. В цьому відношенні з високою проникаючою здатністю пов'язано його участь у багатьох процесах які забезпечують регуляцію дихання, кровообігу, обміну речовин та інших функцій організму.