Funktion
Die Zusammensetzung der Umgebungsluft ist ungefähr 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, 1% Argon und Spurenanteile von Kohlendioxid, Neon, Methan, Helium, Krypton, Wasserstoff, Xenon, Ozon, Stickstoffdioxid, Jod, Kohlenmonoxid und Ammoniak. Daher können die Partialdrücke der verschiedenen Gase auf Meereshöhe, wo der atmosphärische Druck bekanntermaßen 760 mm Hg beträgt, auf Partialdrücke von etwa 593 mm Hg für Stickstoff, 160 mm Hg für Sauerstoff und 7,6 mm Hg für Argon geschätzt werden. Diese Partialdrücke spiegeln jedoch nicht genau die Partialdrücke wider, die für die Diffusion innerhalb der Alveolen der Lunge zur Verfügung stehen. Wenn die Luft durch die oberen Atemwege eingeatmet wird, wird sie durch den Lungentrakt erwärmt und befeuchtet. Das Ergebnis dieses Prozesses ist das Vorhandensein signifikanter Mengen an Wasserdampf, der dann die Partialdrücke der anderen Gase, einschließlich Sauerstoff, anpasst. Es ist nicht möglich, Gase direkt in den Alveolen zu sammeln. Die Alveolengasgleichung ist eine große Hilfe bei der Berechnung und genauen Abschätzung des Sauerstoffpartialdrucks in den Alveolen. Die Alveolengasgleichung wird verwendet, um den alveolären Sauerstoffpartialdruck zu berechnen:
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PAO2 = (Patm – PH2O) FiO2 – PaCO2 / RQ
Wobei PAO2 der Partialdruck von Sauerstoff in den Alveolen ist, Patm ist der atmosphärische Druck auf Meereshöhe, der 760 mm Hg entspricht. PH2O ist der Partialdruck von Wasser, der etwa 45 mm Hg entspricht. FiO2 ist die Fraktion des eingeatmeten Sauerstoffs. PaCO2 ist der Kohlendioxidpartialdruck in den Alveolen, der unter normalen physiologischen Bedingungen etwa 40 bis 45 mm Hg beträgt, und der RQ (respiratorischer Quotient). FiO2 steht in direktem Zusammenhang mit der prozentualen Zusammensetzung des Sauerstoffs in der eingeatmeten Luft. Ohne Unterstützung auf Meereshöhe beträgt dieser 21 % oder 0,21. Jeder Liter zusätzlicher Sauerstoff in der inspirierten Luft erhöht diesen Wert jedoch um ca. 4 % oder 0,04. Daher erhöhen 2 Liter zusätzlicher Sauerstoff den FiO2 auf Meereshöhe um 8% oder 0,08 auf 29% oder 0,29. Der Wert des RQ kann je nach Art der Ernährung und der Stoffwechsellage der Person variieren. Ein Standardwert von 0,82 für die typische menschliche Ernährung. Auf Meereshöhe ohne ergänzende inspirierte Oxygenierung beträgt der alveoläre Sauerstoffpartialdruck (PAO2):
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PAO2 = (760 – 47) 0,21 – 40 / 0,8 = 99.7 mm Hg
Dieser alveoläre Sauerstoffpartialdruck ist dann die treibende Kraft für die Diffusion von Sauerstoff durch die Alveolarmembranen, durch die pulmonalen Kapillarwände und in den arteriolären Blutstrom und die Erythrozyten für den Transport durch den Körper in die peripheren Gewebe. Der Diffusionsgradient vom Alveolarraum in die Kapillare wird über den A-a-Gradienten quantifiziert, der wie folgt berechnet wird:
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A-a-Sauerstoffgradient = PAO2 – PaO2
PaO2 wird mit Hilfe eines arteriellen Blutgases gemessen, und PAO2 wird wie oben berechnet. Ein größerer Gradient weist darauf hin, dass eine Pathologie den Sauerstofftransfer in die Kapillare behindert, was sich auf den verfügbaren Sauerstoffpartialdruck im gesamten Körper auswirkt. Die erforderlichen Sauerstoffpartialdrücke in den Geweben sind variabel und hängen von den metabolischen Anforderungen der Gewebe ab. Es wurde festgestellt, dass das Gehirn einen Sauerstoffpartialdruck von mindestens 35 mm Hg unten benötigt. Die geistigen Funktionen werden beeinträchtigt, weil der aerobe Stoffwechsel von Glukose zur Energiegewinnung nicht effizient ablaufen kann. Die Haut hat typischerweise ein Partialdruckspektrum, das auf der Tiefe der Hautschicht von der Oberfläche basiert. Im oberflächlichen Bereich der Haut in 5 bis 10 Mikrometern Tiefe beträgt der Sauerstoffpartialdruck etwa 5,0 bis 11 mm Hg. Dermale Papillen in 45 bis 65 Mikrometern Tiefe haben typischerweise einen Sauerstoffpartialdruck von 18 bis 30 mm Hg, und im subpapillären Plexus in 100 bis 120 Mikrometern Tiefe beträgt der Sauerstoffpartialdruck etwa 27 bis 43 mm Hg. Die Därme haben ebenfalls einen variablen Sauerstoffpartialdruck, wobei der serosale Teil des Dünndarms 53,0 bis 71,0 mm Hg beträgt. Die Sauerstoffpartialdrücke in der Leber wurden mit etwas variablen Ergebnissen untersucht, so dass 2 separate Gruppen Medianwerte von 42,04 mm Hg und 34,53 mm Hg aufwiesen. Die Nieren bilden ein weiteres Organsystem, das aufgrund des hohen Energie- und anschließenden Stoffwechselbedarfs bei den aktiven Transportprozessen der Nephron-Rückresorptionssysteme einen hohen Sauerstoffbedarf hat. So liegt der medulläre Sauerstoffpartialdruck bei 10 bis 20 mm Hg, während der Kortex 52 bis 92 mm Hg benötigt. Der muskuläre Sauerstoffbedarf ist sehr variabel und hängt von der Aktivitätsintensität und -dauer des Muskels ab. Zu Beginn liegen die muskulären Sauerstoffpartialdrücke bei 27 mm Hg bis 31 mm Hg. Im Laufe des Sauerstoffverbrauchs durch die verschiedenen Gewebe sinkt der Sauerstoffgehalt des Blutes so, dass die 100 mm Hg im arteriellen Blut auf 40 mm Hg im venösen Blut abfallen.