background image

Respiratory System Physiology           Dr. Amjed Hassan Al-Juboory              lecture 3 

 

 

Ventilation and Perfusion Ratios for Optimum Gas Exchange 

Ventilation/perfusion  ratio  is  the  ratio  of  alveolar  ventilation  V  to 

perfusion (pulmonary blood flow)Q. 

– In healthy lungs, the V/Q ratio is close to 1:1, resulting in optimum gas 

pressures and oxygenation in systemic arterial blood. 

Distribution of V/Q Ratios 

There  are  regional  differences  in  alveolar  ventilation  and  blood  flow  in 

the upright individual. 

– Blood flow is very low at the apex of the lung and very high at the base 

due to the effects of gravity. 

The differences in regional blood flow are greater than the differences in 

regional ventilation. This creates different V/Q ratios at various levels of 

the lung. Typical values are as follows: 

– Apex V/Q is ~3:1. 

– Middle of lungs (heart level) V/Q is ~1:1. 

– Base of lungs V/Q is ~1:2. 

Gas Exchange and Transport 

Partial Pressures 

In a gas mixture, each gas species exerts a pressure, the partial pressure of 

that gas. The sum of the partial pressures of the gases in a mixture equals 

the total gas pressure. 

Partial pressure for an individual gas = the fraction of that gas in the gas 

mixture × total gas pressure 

Consider  air,  which  has  an  approximate  composition  of  79  %  nitrogen 
and 21 % oxygen. The total pressure of this mixture at sea level averages 
760 mm Hg, each gas contributes to the total pressure in direct proportion 
to  its  concentration.  Therefore,  79  %  of  the  760  mm  Hg  is  caused  by 
nitrogen (600 mm Hg) and 21 % by oxygen (160 mm Hg).  
The partial pressures of individual gases in a mixture are designated by 
the symbols Po2, Pco2, Pn2, and so forth. 


background image

Respiratory System Physiology           Dr. Amjed Hassan Al-Juboory              lecture 3 

 

 

Gas Exchange 
Diffusion of Gases 
O2  and  carbon  dioxide  (CO2  )  diffuse  between  alveolar  gas  and 

pulmonary capillary blood according to standard physical principles 

–  The  total  amount  moved  per  unit  of  time  is  proportional  to  the  area 

available  for  diffusion  and  to  the  difference  in  partial  pressure  between 

alveolar gas and pulmonary capillary blood, and inversely proportional to 

the thickness of the diffusion barrier. 

–  Gas  will  diffuse  from  the  alveoli  (higher  partial  pressures)  to  the 

pulmonary capillaries (lower partial pressures) until they equilibrate and 

no  partial  pressure  gradient  exists.  As  a  result,  blood  entering  the 

pulmonary  veins  from  the  pulmonary  capillaries  has  virtually  the  same 

partial pressures as gases in the alveoli. 

 

The diffusion barrier (respiratory membrane) 
is  very  thin,  which  ensures  that  the  diffusion  distance  between  alveolar 

gas and pulmonary capillary blood is very short. This allows blood in the 

pulmonary  capillaries  to  equilibrate  with  alveolar  gas  during  the  short 

time (< 1 sec) that the blood is in the capillaries. 

 

Structure of respiratory membrane 

Respiratory membrane is 0.2 micrometer thickness and composed of: 1) 

fluid  (surfactant),  2)  epithelium,  3)  epithelial  basement  membrane,  4) 

interstitial fluid, 5) capillary basement membrane, 6) endothelial cells. 

The  total  surface  area  is  70  m2  and  contain  60-140ml  blood.  The 

diameter  of  the  capillary  is  5micrometers  (RBC  is  7  micrometers),  so 

RBC squeeze inside. 


background image

Respiratory System Physiology           Dr. Amjed Hassan Al-Juboory              lecture 3 

 

 

 

Figure  .  Ultra  structure  of  the  respiratory  membrane  where  diffusion 
occurs. 

Partial Pressure Changes of Oxygen and Carbon Dioxide 

Following Gas Exchange 

Partial Pressure Changes of Oxygen 

– The PO2 of humidified inspired air is 150 mm Hg. 

– The PO2 of alveolar air is 100 mm Hg. This is due to the diffusion of 

O2 from alveolar air into pulmonary capillary blood. 

– The PO2 of systemic arterial blood is 95 mm Hg. It is almost the same 

as  the  PO2  of  alveolar  air  because  the  partial  pressure  of  pulmonary 

capillary  blood  equilibrates  with  alveolar  air.  However,  ~2%  of  the 

cardiac output bypasses the pulmonary circulation, which accounts for the 

slight discrepancy in partial pressures. 

– The PO2 of venous blood is 40 mm Hg because O2 has diffused from 

arterial blood into the tissues. 

Partial Pressure Changes of Carbon Dioxide 

– The PCO2 of humidified inspired air is almost zero. 

– The PCO2 of alveolar air is 40 mm Hg because CO2 from venous blood 

entering the pulmonary capillaries diffuses into alveolar air. 


background image

Respiratory System Physiology           Dr. Amjed Hassan Al-Juboory              lecture 3 

 

 

– The PCO2 of systemic arterial blood is 40 mm Hg because pulmonary 

capillary blood equilibrates with alveolar air. 

–  The  PCO2  of  venous  blood  is  46  mm  Hg.  It  is  higher  than  systemic 

arterial  blood  due  to  the  diffusion  of  CO2  from  the  tissues  into  venous 

blood following cellular respiration. 

Diffusion  across  the  alveolocapillary  membrane  (respiratory 
membrane) 
Gases diffuse from the alveoli to the blood in the pulmonary capillaries or 
vice  versa  across  the  thin  alveolocapillary  membrane.The  diffusing 
capacity of the lung for a given gas is directly proportional to the surface 
area  of  the  alveolocapillary  membrane  and  inversely  proportional  to  its 
thickness. 
The Po2 of alveolar air is normally 100 mm Hg, and the Po2 of the blood 
entering  the  pulmonary  capillaries  is  40  mm  Hg,  so  O2  diffuses  from 
alveoli  into  the  blood,  and  the  Po2  of  blood  is  raised  to  97  mm  Hg,  a 
value just under the alveolar Po2. 
The Pco2 of venous blood is 46 mm Hg, whereas that of alveolar air is 40 
mm  Hg,  and  CO2  diffuses  from  the  blood  into  the  alveoli  along  this 
gradient. 
Factors Affecting Diffusion through the Respiratory Membrane 

1.  Thickness of the membrane. 
2.  Surface area of the membrane. 
3.  Diffusion coefficient. 
4.  Difference in partial pressure. 

 
Transport of Oxygen and Carbon Dioxide in Blood and Tissue Fluids 
Once oxygen has diffused from the alveoli into the pulmonary blood, it is 
transported  to  the  peripheral  tissue  capillaries  almost  entirely  in 
combination  with  hemoglobin.  The  presence  of  hemoglobin  in  the  red 
blood cells allows the blood to transport 30 to 100 times as much oxygen 
as could be transported in the form of dissolved oxygen in the water of 
the blood. 
In the body’s tissue cells, oxygen reacts with various foodstuffs to form 
large quantities of carbon dioxide. This carbon dioxide enters the tissue 
capillaries  and  is  transported  back  to  the  lungs.  Carbon  dioxide,  like 


background image

Respiratory System Physiology           Dr. Amjed Hassan Al-Juboory              lecture 3 

 

 

oxygen,  also  combines  with  chemical  substances  in  the  blood  that 
increase carbon dioxide transport 15- to 20-fold. 
 
Oxygen and Carbon Dioxide Transport in Blood 
Two forms of the gases: physical dissolution and chemical combination. 
Most of O2 and CO2 in the blood is transported in chemical combination 
1.Transport of Oxygen 

Method                                                               Percentage 
Dissolved in Plasma                                                 1.5 % 
Combined with Hemoglobin Structure               98.5 % 
 

 

 

 

 
 
Oxygen  is  carried  in  the  blood  in  two  forms,  dissolved  and  combined 

with  haemoglobin  (Hb)  which  increases  oxygen  carrying  capacity  50x 

(97% of  O2 in blood  is transported by combining with hemoglobin and 

only 3% is dissolved). 

Partial  pressure  of  O2  in  blood  leaving  the  lung  is  95mmHg  =  97% 

saturation and venous blood contains 40mmHg (75% saturation). 

   Each gram of Hb binds to 1.34ml O2, so 1.34 X 15gm = 20.1ml O2 in 

100% saturation. So 95 mmHg (97%) blood carries 19.4 ml  O2 , while in 

tissues,  the    saturation  40%  and  in  veins  (75%)  carrying  14.4ml  O2  in 

each 100ml of blood. 

 
Hemoglobin structure 
Protein  made  up  of  4  subunits,  every  subunit  contains  a  heme  moiety 
attached to a polypeptide chain.  

Bound to Hgb
Dissolved


background image

Respiratory System Physiology           Dr. Amjed Hassan Al-Juboory              lecture 3 

 

 

 

 
Basic concepts:  
      Oxygen  Capacity  :  The  maximum  quantity  of  oxygen  that  will 
combine chemically with the hemoglobin in a unit volume of blood  
Normal Value: 1.34 ml of O2 per gm of Hb or 20 ml of O2 per 100 ml of 
blood. 
Oxygen Content: how much oxygen is in the blood 
Oxygen Saturation: The percentage of all the available heme binding sites 
saturated with oxygen 
 
The oxygen-hemoglobin dissociation curve: 
The  curve  explains  the  relationship  between  oxygen  levels  and 

hemoglobin saturation in the lungs and tissues. 

The 'plateau' portion of the oxyhemoglobin dissociation curve is the range 

that  exists  at  the  pulmonary  capillaries  (minimal  reduction  of  oxygen 

transported until the PO2 falls 50 mmHg). 

 The 'steep' portion of the oxyhemoglobin dissociation curve is the range 

that exists at the systemic capillaries (a small drop in systemic capillary 

PO2  can  result  in  the  release  of  large  amounts  of  oxygen  for  the 

metabolically active cells). 

In the lungs: 

     

PO2  is  95mmHg.  Hb  is  nearly  97%  saturated.  Due  to  positive 

cooperativity, affinity of Hb for O2 is the highest, which corresponds to 

flat portion of curve. Therefore, O2 diffuses into the pulmonary capillary 


background image

Respiratory System Physiology           Dr. Amjed Hassan Al-Juboory              lecture 3 

 

 

blood.  The  flat  position  of  curve  extends  from  100mmHg  to  60mmHg. 

This means, human can tolerate substantial decreases in alveolar PO2 to 

60mmHg  (e.g.  caused  by  decreases  in  atmosphere  pressure)  without 

compromising the O2-carrying capacity of Hb. 

In the tissues: 

       

PO2  is  40mmHg.  Hb  is  75%  saturated  and  the  affinity  for  O2  is 

decreased.  O2 is  not  tightly  bound  which  facilitates  unloading  of  O2  in 

the tissues.

 

 

      Figure: Oxygen-hemoglobin dissociation curve 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 186 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل