ガイトン生理学 40章　ガス交換の原則,膜を介したガスの拡散

1. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 ガス交換の原則,
膜を介した酸素と炭酸ガスの
拡散

2. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
ガス拡散の分子基盤
 呼吸に関連するガスは,気相,液相いずれでも拡
散により自由に移動できる.
 拡散のためのエネルギー源は,分子の運動による.
 すべての分子は,持続的に運動している.
 フリーの分子は,他の分子に衝突するまで,直線
的に早い速度で動いている.
 衝突後は,その後の衝突まで直線的に移動する.
 各分子は,高速かつ無原則に動いている.

3. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
酸素の拡散
溶解しているガスの分子
矢印の長さの差が純粋な拡散を示す.

4. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
混合ガスのガス分圧
あるガスの分子濃度とそのガスの分圧は正比例す
る.
拡散する率は,各々のガスの分圧に正比例する.
空気
79% 窒素
21% 酸素
海抜0mでは,空気全体で平均760mmHg
窒素の分圧 760×0.79=600
酸素の分圧 760×0.21=160
Po2, Pco2, PN2, PHeなどと表記

5. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
溶存ガスの分圧を決定する因子
ヘンリーの法則
( Henry’s law)
溶解係数
溶存ガスの濃度
分圧 
酸素 0.024
二酸化炭素 0.57
一酸化炭素 0.018
窒素 0.012
ヘリウム 0.008
気体の水に対する溶解係数(1気圧の気体が水1cm3に溶解する
容積cm3,37゜Cの場合)

6. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
水の蒸気圧
 水の表面から逃げる水分子の分圧を蒸気圧と
称する.
 体温37゜Cの時の蒸気圧は47mmHg
 ガスが完全に加湿され平衡に達すると
水蒸気圧=47mmHg (=PH2O)
 水蒸気圧は,温度依存性
0゜C 5mmHg
100゜C 760mmHg
37゜C 47mmHg

7. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
拡散に影響する因子
1. その液体に対する溶解度
2. その液体の接触面積
3. 拡散する距離
4. そのガスの分子量
5. その液体の温度
(人体では,体温は一定のため考慮する必要
はない.)

8. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
拡散の速度をきめる因子
MWd
SAP
D



Δ
D:拡散率 diffusion rate
ΔP:両側の分圧較差
A:拡散面の断面積
S:ガスの溶解度
d:拡散距離
MW:ガスの分子重量(平方根が分子
の運動量と逆比例)

9. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
拡散係数 diffusion coefficient
MWd
SAP
D



Δ
MW
S
 拡散係数
酸素 1.0
二酸化炭素 20.3
一酸化炭素 0.81
窒素 0.53
ヘリウム 0.95
相対的拡散係数

10. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
組織における拡散
 呼吸上重要なガスはすべて,脂溶性に富む
→細胞膜に溶けやすい
 組織の細胞膜よりは,組織液中の拡散が律
速因子
 組織のおける拡散も,前述の相対的拡散係
数と同様になる.

11. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
肺を出入りするガスの分圧(海抜0m)
大気 加湿された空気 肺胞気 呼気
(mmHg) (%) (mmHg) (%) (mmHg) (%) (mmHg) (%)
N2 597 (78.62) 563.4 (74.09) 569 (74.9) 566 (74.5)
O2 159 (20.84) 149.3 19.67) 104 (13.6) 120 (15.7)
CO2 0.3 0.04) 0.3 (0.04) 40 (5.3) 27 (3.6)
H2O 3.7 0.50) 47 (6.20) 47 (6.2) 47 (6.2)
計 760 (100) 760 (100) 760 (100) 760.0 (100)

12. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
連続呼吸による肺胞気の呼出
成人男性の機能的残気量は,2300ml.その一回換気量が350mlとすると1回の換気
で入れ替わる量は1/7に過ぎない. 16回の呼吸のあとでも,肺胞内は肝前には入れ代
わっていない.

13. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
肺胞からのガス除去率

14. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
肺胞気の緩徐な入れかわりの重要性
血液内のガスが,急激にいれかわるのを防いで
いる.
呼吸の調節メカニズムを安定させている.
呼吸が,一過性に中断したときに,組織の酸素,
二酸化炭素,pHの過剰な増減を防いでいる.

15. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
肺胞気の酸素濃度は,以下の二つの要素
のバランスによって決まる.
1.肺胞から血液に吸収される酸素の早さ
2.換気により新たな酸素が肺に流入する
早さ
肺胞内の酸素濃度と分圧

16. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
酸素摂取率と肺胞換気量

17. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
二酸化炭素排泄量とPACO2
39章 ガス交換の物理学的原理
A点:PACO2 40mmHg, 4.2L/min
肺胞換気量(L/min)
二酸化炭素の肺胞内分圧
(mmHg)

18. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
呼気ガス中のPO2,PCO2

19. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
肺を出入りするガスの分圧(海抜0m)
大気 加湿された空気 肺胞気 呼気
(mmHg) (%) (mmHg) (%) (mmHg) (%) (mmHg) (%)
N2 597 (78.62) 563.4 (74.09) 569 (74.9) 566 (74.5)
O2 159 (20.84) 149.3 19.67) 104 (13.6) 120 (15.7)
CO2 0.3 0.04) 0.3 (0.04) 40 (5.3) 27 (3.6)
H2O 3.7 0.50) 47 (6.20) 47 (6.2) 47 (6.2)
計 760 (100) 760 (100) 760 (100) 760.0 (100)

20. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
呼吸ユニット(呼吸小葉)
終末細気
管支
呼吸細気
管支
肺胞管
肺胞嚢
平滑筋
弾性線維
•両側肺に3億の肺胞がある.
•肺胞の平均径は,0.2mm

21. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
ひとつの肺胞壁にある毛細血管表面

22. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange

23. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
肺胞呼吸膜の微細構造
39章 ガス交換の物理学的原理
肺胞上皮 上皮基底膜
液体,サーファ
クタント層
肺胞 毛細
血管
拡散
拡散
酸素
二酸化炭素
赤血球
血管内皮細胞
内皮細胞基底膜
間質腔
•呼吸膜全層の厚さは,薄いとこ
ろでは0.2μm
•細胞の核の部分を除くと,平均
でも0.6μm
•呼吸膜の全面積は,成人男
性で70m2
•毛細血管内の血液量は60-
140ml
•毛細血管径は,平均5μmし
かないのでRBCが通るのはやっ
と. ほとんど血管壁に接触しな
がら通過する.だから,間に血漿
が介在しない分ガスの拡散が容
易となる.

24. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
70m2

25. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
呼吸膜を介した拡散に影響する因子
 呼吸膜の厚さ(d)
 間質腔や肺胞内の浮腫液の貯留
 肺の繊維化
 呼吸膜の表面積(A)
 一側肺の摘出で,面積は半減.
 肺気腫では,多くの肺胞が合体し,肺胞壁は最高1/5と
なる. 面積が1/3ないし1/4にまで減少すると安静時
でもかなり拡散が障害される.激しい運動時には,わずか
な表面積の減少もガス交換に障害となる.
 拡散係数(∝S/√MW)
 同じ分圧較差でも,炭酸ガスは酸素の20倍速く拡散す
る.酸素は,窒素の2倍の速さで拡散する.
 分圧較差(ΔP)
MWd
SAP
D



Δ
D:拡散率 diffusion
rate
ΔP:両側の分圧較差
A:拡散面の断面積
S:ガスの溶解度
d:拡散距離
MW:ガスの分子重量

26. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
呼吸膜の拡散能
(diffusing capacity)
定義 “圧較差1mmHgあたり,一分間に拡
散するガスの量.”
平均的な若者で,O2 21ml/min/mmHg
正常,安静時の呼吸膜両側のO2分圧較差は約
11mmHg
したがって,21×11≒230ml/分が拡散量
この量は,安静時酸素消費量に一致する.

27. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
成人男性では,65ml/min/mmHgまで増
加(通常の3倍)
閉鎖していた毛細血管の開通
すでに開放していた血管径の増大
換気血流比の改善
運動時は,換気量だけでなく拡散能も増大して血管
内の酸素を増量する.
運動時の酸素拡散能増加

28. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
 炭酸ガスの拡散能は,その速度が速すぎて測
定することができなかった.
 肺の血中の炭酸ガス分圧と,肺胞の炭酸ガス
分圧では,ほとんど差がない(1mmHg以下)
 炭酸ガスの拡散係数は,酸素の20倍+α
 安静時 400-450ml/分/mmHg
 労作時 1200-1300ml/分/mmHg
炭酸ガスの拡散能

29. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
安静時,運動時の拡散能
安静時
運動時
拡散能(ml/min/mmHg)
CO O2 CO2

30. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
一酸化炭素による拡散能の測定
1. 少量のCOを吸入する.
2. 肺胞気のCOの分圧を測定する.
3. Hb.とCOとの親和性がきわめて高いので,COの血中の
分圧は理論的にzero.
4. COにかんする圧較差は,肺胞気の分圧に等しい.
5. CO拡散能=吸入されたCOの量/肺胞気CO分圧
6. O2拡散能=1.23×CO拡散能
O2拡散能: 21ml/min/mmHg
CO拡散能: 17ml/min/mmHg

31. 40 Gas Exchange
PO2-PCO2, VA/Q diagram
39章 ガス交換の物理学的原理
正常
正常肺胞気

32. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
 VA/Qが正常を下回ると増加
生理的シャント
2OV2O
2O2O
T CCi
CaCi
Q
psQ





QPS : 生理的シャント流量/分
QT : 心拍出量/分
CiO2 : 理想換気血流比の動脈血の酸素含量
:C 2OV
混合静脈血酸素含量
CaO2 : 動脈血酸素含量

33. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
生理的死腔
𝐕 𝐃𝐩𝐡𝐲𝐬
𝐕 𝐓
=
𝐏𝐚𝐂𝐎 𝟐 − 𝐏 𝐞𝐂𝐎 𝟐
𝐏𝐚𝐂𝐎 𝟐
𝐕 𝐓
𝐕 𝐃𝐩𝐡𝐲𝐬
𝐏𝐚𝐂𝐎 𝟐
𝐏 𝐞𝐂𝐎 𝟐
: 生理的死腔
: 一回換気量
: 動脈血炭酸ガス分圧
: 呼気平均炭酸ガス分圧
VA/Qが正常を上回ると増加

34. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
 肺尖部
 理想値の2.5倍のVA/Q
 肺尖部が生理的死腔状態
 肺底部
 理想値の0.6倍のVA/Q
 肺底部が生理的シャント状態
ただし,労作時は上肺に対する血流が,著明に増加して
死腔を減らし,ガス交換効率を最適にする.
正常肺のVA/Q

35. 40 Gas Exchange
Guyton and Hall Textbook of Medical PHysiology 13th Ed.
40 Gas Exchange
喫煙
→Air trapping
→肺気腫
→肺胞壁の破壊
→多くの細気管支が閉塞されている
末梢の肺は換気されない(シャント)
→肺胞壁が破壊されているが換気は残っている.
 血流が不十分で,多くの換気が無駄になる(死腔).
ガス交換効率は,正常の1/10にまで低下する.
COPD患者のVA/Q