呼吸器の解剖生理⑤～呼吸とは何か～

今回より呼吸器の生理学に入ります。

記事タイトルにもあるように「呼吸とは何か」ということで熱く語っていきますので心の準備をお願いしますｗ

では行ってみましょう！！

呼吸とは何か

Youtubeでとある先生の講義で言っていたことです。

『呼吸＝換気ではない』

換気とは空気を入れかえることであって呼吸の動作の一部にしか過ぎない

換気、拡散（ガス交換）、運搬この一連の動作を呼吸ということになります。

その先生が言うには人工呼吸器は人工換気器と呼ぶべきといっていました。

確かに人工呼吸器の役割を考えると人工換気器という言葉の方が適切かもしれませんね。

人工呼吸器についても後日ブログで記事を作ります。

本題に入る前に、補足事項として少し解説します。

大気中のガス組成の割合と分圧

大気中には窒素（N₂）、酸素（O₂）、二酸化炭素（CO₂）が含まれています。

その割合は、N₂が79％、O₂が21%、CO₂が0％となります。

（厳密にはO₂が20.96%、CO₂が0.04％ですが当記事ではO₂が21％、CO₂が0％として話を進めます）

それぞれを分圧で表すと以下のようになります。ちなみに大気圧は760Torrです。

大気中にN₂は72％を占めているため、760×79％で大気中の窒素分圧（PN₂）は600Torrになります。

上記の式のように大気圧×各ガスが占める割合によって各分圧を求めることができます。

よって酸素分圧（PO₂）は160Torr、二酸化炭素分圧（PCO₂）は0Torrとなります。

体内での酸素分圧、二酸化炭素分圧の表記

【Fig.1】

ガス交換と運搬

まず、鼻腔より取り込んだO₂を気道、気管支を通って肺胞まで届け、肺胞から気管支、気道を通って鼻腔よりCO₂を排出する。

これを換気と呼ぶ

何故O₂を取り込みCO₂は排出する必要があるのか。

細胞の活動に必要なエネルギーの生成にO₂が必要であり、エネルギーを生成する過程でCO₂が生成される。

このCO2が体内にたまってしまうと後日解説する酸塩基平衡のバランスを崩す要因となるため、体外に排出する必要がある。

外呼吸と内呼吸

外呼吸とは口腔、鼻腔より取り込まれたO₂を肺胞から赤血球（RBC：red blood cell）内のHbが受け取る、そしてCO₂が血液中から肺胞へ移動し口腔、鼻腔より排出する過程を言う。

内呼吸とは、Hbが受け取ったO₂を細胞へ渡し、細胞側から不要なCO₂を血液中に送り出す過程を言う。

この肺胞からRBC中のHbへのO₂の移動、Hbから細胞へのO₂の移動、細胞から血液中へのCO₂の移動、血液中から肺胞へのCO₂の移動には拡散という現象によって行われいる。

【Fig.2】

ガス交換

上記補足事項でも書いているようにガス交換では圧勾配での拡散によってガス交換が行われている。

外呼吸によるガス交換

【Fig.4】

P_AO₂とP_vO₂の分圧差により拡散が起こり、O₂は肺胞から血液中へ拡散する。

P_ACO₂とP_vCO₂の分圧差により拡散が起こり、CO₂は血液中から肺胞へ拡散する。

拡散が終わるとP_aO2＝P_AO2、P_aCO2＝P_ACO2となる。

※外呼吸でのP_vO₂、P_vCO₂は混合静脈血を指しており、本来は【Fig.3】で書いている表記となるのですが、ブログ上でーが表示できないのでP_vO2、P_vCO2と表記しています。

ここで混合静脈血のガス分圧で拡散しているならP_AO₂は下がって、P_ACO₂は上がるのではないの？と思った人もいると思います。

ナイス疑問です！！

実際には換気は常に行っていますよね。そのためP_AO₂＝100Torr、P_ACO₂＝40Torrはほぼ一定になっています。

ではここで息止めをしたらどうなるでしょう。

息止めしても血液の循環は止まりませんので、拡散は起こり続けます。

その結果、P_AO₂は下がっていき、P_ACO₂は上がっていきます。そうすると苦しくなって意識がある状態、気道が閉塞していない場合では呼吸し始めますよね。

これが、前回の解剖の記事で説明した化学受容体の働きによるものです。

内呼吸によるガス交換

【Fig.5】

P_tO₂とP_aO₂の分圧差により拡散が起こり、O₂は血液中から組織へ拡散する。

P_tCO₂とP_aCO₂の分圧差により拡散が起こり、CO₂は組織から血液中へ拡散する。

拡散が終わるとP_vO₂=P_tO₂、P_vCO₂＝P_tCO₂となる。

ガス運搬

O₂やCO₂の運搬にはRBC（特にHb）が重要な役割を果たしている。

【Fig.6】

HbはO₂が豊富なところ（肺）ではO₂を放しにくく、O₂が乏しいところ（組織）ではO₂を放しやすい特性を持っている。

この特性を示しているグラフを酸素解離曲線といいます。

【Fig.7】

①酸素分圧が高い領域

縦軸を見ると90～100％になっています。これはHbが酸素を放さないでほとんど（または全て）持っている状態を表します。

②酸素分圧が低い領域

縦軸を見ると50～90％になっています。これはHbが50～10％の酸素を放している状態を表します。

ちょっとトラックと工場と倉庫で例えてみます。

【Fig.8】

工場：肺胞、トラック：Hb、倉庫：組織、道路：血管

1. 肺胞という
   名の工場からO2をたくさん積んだトラック（A）が出発
2. ①倉庫では酸素があるので必要ないとのことでトラック（B）からは酸素を下ろさずに通過
   （これがFig.3の①酸素分圧が高い領域）
3. ②倉庫では酸素が足りないとのことなのでトラックからO2を下ろして出発
   （これがFig.3の②酸素分圧が低い領域）
4. O2が少なくなったトラック（C）はO2を積みに工場へ戻る

酸素解離曲線の横軸は工場の残O2量、縦軸はトラックのO2積載量を表しているイメージです。

酸素解離曲線の右方移動

体が酸素不足に陥ると酸素解離曲線は右側に移動します。

そのため、低酸素状態ではHbとO₂の親和性が低下しO₂を放しやすくなります。

CO₂分圧、pHの変化で酸素解離曲線が左右に移動することをBohr（ボーア）効果といいます。

では、運動時の筋肉における酸素解離曲線を例にして右方移動についてみていきます。

【Fig.9】

上図の右方移動では酸素分圧が100Torrから40Torrに下がった場合、右方移動前に比べてA分（この場合25％分）多く放出していることになります。

※黒の線が右方移動前、紫の線が右方移動後のグラフです。

血液中でのCO₂の運搬方法

RBCのHbはCO₂とは直接結合しません。

ではどのようにして運搬されるのでしょうか。【Fig.10】は赤血球内におけるCO₂の変化を図解したものです。

【Fig.10】

正直よくわからないと思いますパパもわからないのでｗ

そして、すべてを覚える必要はないと思いますパパも覚えていないのでｗ

ただこの図中で重要なのが、

• RBC内に入ったCO₂は炭酸脱水酵素（CA：carbonic anhydrase）によってH₂CO₃に変換されるということ
• HCO₃^–の濃度がRBC内＞血漿中となると、拡散により血漿へ移動するということ
• HCO₃^–が血漿中に移動すると、電気的中性を保つために血漿中のCl^–がRBC内に移動してくるということ

CO₂の約85％はRBC内ではHCO₃^–に変換されて血液中を運搬されて、肺胞の近くに来ると再びHCO₃^–はCO₂に合成される仕組みになっています。

HCO₃^–に変換する他に血漿蛋白質と結合してカルバミノ化合物として運搬されるのが約10％、遊離CO₂として血漿中に溶解するのが約5%となって肺胞付近まで運ばれます。

O₂分圧の上昇に伴って、HbとCO2が離れやすくなる現象をHaldane（ホールデン）効果といい、多くのCO₂を肺胞で排出することができる。

死腔

漢字単品で見るとGoogleさんよりペナルティくらわないか心配ですが、大事なことなので言い回ししないで書いていきます。

ちゃんとした解剖学的用語なので大丈夫だよね。。。うん

box class=”box22″ title=”解剖学的死腔とは”]

ガス交換を行われない所＝ガス交換に関するデッドスペース

具体的には鼻腔・口腔～終末細気管支までの部分のことを言います。

このガス交換が行われない鼻腔・口腔～終末細気管支までのことを解剖学的死腔と呼びます。

[/box]

正常な成人の1回換気量（V_T：tidal volume）は約500mLである。

このうち約350mLははいほうまで到達しガス交換が行われるが、残りの約150mLは鼻腔・口腔～終末細気管支に残っており、ガス交換が行われない

死腔の増減要因

死腔は様々な要因によって増減する。

• 性別
  男性＞女性
  女性よりも男性の方が死腔量が多い
• 年齢
  高齢＞若年
  高齢者ほど死腔量は多くなる
• 体位
  立位＞仰臥位
  仰向けに寝ているときよりも立っているときのほうが死腔量が多い

生理学的死腔

先ほど説明した鼻腔・口腔～終末細気管支のガス交換に関与しない解剖学的死腔と肺胞死腔（次回記事にて説明します）を合わせたものを生理学的死腔と呼ぶ

正常な肺の場合、肺胞死腔は生理学的死腔の20％以下である。

【Fig.11】