Gas exchange in the 

lungs. Ventilation to 

perfusion ratio

          Dariusz Nowak

 

 

Respiration

• Provides O

2

 to the tissues and removes CO

2

• Precisely regulated to maintain pAO

2

  85-100 mmHg  and 

pACO

2  

35-45 mmHg 

Under these conditions 
97 %  (and more) of Hb is saturated with O

2

100 ml of blood contains about 21 ml of O

2

 (0.3 ml dissolved)

pH of blood is 7.35-7.45
• Can be divided into four steps:
- pulmonary ventilation
- Diffusion of O

2

 and CO

2

 between the alveoli and the blood

- Transport of O

2

 and CO

2

 in the blood and body fluids

- Regulation of ventilation

 

 

 

 

Respiration

• Inspiration –active , requires contraction of inspiratory 

muscles – increase in chest cage volume

• Diaphragm – most important inspiratory muscle , but 

does not increase the chest cage volume

• External intercostals
• Additional inspiratory muscles: sternocleidomastoid , 

anterior serati, scaleni

Quiet expiration – passive due to elastic recoil of lungs 

and chest wall

Deep expiration – active 
Abdominal recti, internal intercostals

 

 

 

 

Respiration

Flow =  ∆P/R
∆P = increase in pressure  , R = airways resistance
Pleural cavity, pleural fluid – lubricant
• Pleural pressure – pressure of the fluid in the space 

between lung pleura and the chest wall pleura

• Expressed in cm of water against atmospheric pressure 

(difference) 

• 1 atmosphere = 10000 cm of water
• Alveolar pressure – pressure of the air inside the alveoli
Open glottis and no airflow – alv. pressure is equal to atm. 

pressure  

 

 

Respiration

 

Normal breathing

Inspiration 0.5 l of air in 2s
Expiration 0.5 l of air in 2-3s

Transpulmonary pressure (recoil pr.) = alveolar 

pressure –

-

intrapleural pressure

•

measure of elastic forces in the lungs that tend to 

collapse the lungs

•

 intrapleural pressure = pressure in the oesophagus

 

 

 

 

 

Compliance of the lungs

Compliance = ∆ V / ∆ P  (V – air spaces volume, P – 

pressure)

• Increases with age
• Increased in pulmonary emphysema
• Decreased in pulmonary fibrosis

What influences lung compliance ?
• Elastic forces of the lung tissue, elastin fibers, collagen 

fibers

• Surface tension of the alveolar-lining fluid and 

epithelial-lining fluid in other air spaces 

 

 

 

 

Surface tension

P = 2xα /R
R – radius of the alveolus , α – surface tension
Surfactant
• Produced by type II pneumocytes
• Degraded by alveolar macrophages
• Components: phospholipid dipalmitoylphosphatidylcholine
Surfactant apoproteins, Ca 

2+

• Reduces the surface tension
• Antibacterial activity
• Lack of surfactant –premature babies –infant respiratory 

distress syndrome (atelectasis and lower airways infections)

• Excess of surfactant – no degradation by alveolar 

macrophages – pulmonary proteinosis 

 

 

 

 

 

 

Why alveoli do not collapse at the 

end of expiration ?

 

• Presence of surfactant
• Tension of alveolar capillaries
• Closing of small airways at the end 

of forced expiration

 

 

Work of breathing

Work of inspiration (3 fractions)
1- required to expand lungs against the lung and 

chest elastic forces – elastic work (compliance 
work)

2- required to overcome the viscosity of lungs 

and other chest wall structures – tissue 
resistance work

3- required to overcome the airways resistance 

during the movement of air into the lungs – 
airway resistance work

Pulmonary fibrosis
Bronchial asthma

 

 

 

 

 

 

Energy required for respiration

Normal quiet respiration
3-5% of the total energy consumed by the body
Intensive exercise
Increases as much as 50-times

Severe chronic obstructive pulmonary disease 

(COPD)

Work of breathing is very high and causes 

cachexia

 

 

Pulonary volumes and capacities

Tidal volume = 500 ml (quiet respiration)
All pulmonary volumes and capacities depend on 

sex , age and height

How to express results of spirometric tests and 

how to compare results obtained for various 
subjects 

% of predicted value

 

 

 

 

Ventilation

Minute respiratory volume – amount of new air 

moved into the airways each minute

Quiet respiration:
Respiratory rate = 12/min
TV = 500 ml
12x0,5 l = 6 l/min
Maximal voluntary ventilation = 200 l/min
Scotoma, dizzines, hyperventilation tetany
Why ?
Decrease in blood CO

2

 and Ca

2+

 level 

 

 

Ventilation

Dead space – the space in the respiratory passages where 

no gas exchange takes place.

Is about 150 ml
Increases slightly with age
Anatomic dead space
Alveolar dead space – volume of alveoli with no or very 

poor blood flow in adjacent capillaries

Physiologic dead space = anatomic + alveolar
• Minute alveolar ventilation= respiratory rate x (TV-V

D

)

TV – tidal volume
V

D

 – physiologic dead space

 

 

 

 

 

 

airways

Factors causing constriction:
Parasympathetic nerves
Acetylocholine
Histamine
Cold air
SO

2

 , smoke , dust

Inflammatory mediators : e.g PAF (platelet activating factor), 

leukotrienes

Factors causing relaxation:
Sympathetic nerves
Adrenaline
Atropine (and derivatives)
Beta-2- agonists

 

 

Functions of the respiratory 

passageways

• Warming
• Humidification
• Cleaning (filtration, precipitation)

Mucocilliary clearance
Alveolar macrophages

 

 

Pulmonary circulation

• Pulmonary vessels : pulmonary artery, right 

and left main branches, arteries, arterioles, 
capillaries, veins

Supply blood to lungs for gas exchange

• Bronchial vessels: arteries , capillaries, veins – 

supply blood to supporting tissues of lung

• Lymphatic vessels – prevent pulmonary edema

 

 

 

 

Pulmonary circulation

 

• High flow = cardiac output = flow in systemic 

circulation

• Low pressure
• Low resistance
Mean pulmonary arterial pressure = 15 mmHg
(systolic =25 , diastolic= 8 mmHg)

Blood volume in the lungs – about 450 ml
70 ml in pulmonary capillaries
Blood stays in pulmonary capillaries for 0.8 s
During exercise – 0.3 s 

 

 

Control of pulmonary blood flow 

distribution

• PO

2 

in alveoli decreases below 73 mmHg – 

alveolar hypoxia – adjacent blood vessels (small 
arteries) constrict

• Blood flow decreases in hypoventilated areas of 

the lung

• Large areas are hypoventilated – increase in 

resistance of pulmonary circulation – increased 
work of right ventricle- hypertrophy and 
insufficiency of right ventricle.

• Body position

 

 

 

 

Gas exchange

 

•

CO

2

 is 20-times more soluble than O

2

•

CO

2

 diffuses 20-times faster through alveolar-blood 

barrier thanO

2

•

Gas concentration gradient

Consequences for laboratory findings during development 

of respiratory insufficiency

1.

Hypoxemia during exercise, CO

2

 normal or decreased 

due to compensatory hyperventilation

2.

Hypoxemia at rest

3.

Hypoxemia and hypercapnia at rest

 

 

Alveolar-blood barrier (respiratory 

membrane)

1- alveolar lining fluid
2- alveolar epithelium
3- epithelial basement membrane
4- thin interstitial space
5- capillary basement membrane
6- capillary endothelium
What affects the rate of CO

2

 and O

2

 diffusion ?

1- thicknes of the membrane
2- surface area of the membrane
3- diffusion coefficient of the gas in the 

substance of the membrane

4 – gas concentration gradient
5 – blood flow in capillaries

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lung diffusing capacity

For O

2

 , CO

2

 , CO , NO

For CO – important , used in clinical practice
Why ?
CO has 250-times higher affinity to hemoglobin than O

2

.

Its pressure  in capillary blood is O mmHg

Gas mixture for determination of carbon monoxide lung 

diffusing capacity (DL

CO

)

CO- 0.3%, helium or CH

4

 , and N

2

 at balance

Age ,sex, height, cigarette smoking , blood hemoglobine 

level, 

Correction for Hb and alveolar volume
< 80% of predicted – clinical significance

 

 

 

 

Ventilation-perfusion ratio

Va –alveolar ventilation
Q – blood flow
Va/Q = normal
Va/Q = O   - shunt
Va/Q =    ∞    - physiologic dead space

Physiologic shunt
Shunted blood – normally 2% of the cardiac 

output

 

 

 

 

Ventilation-perfusion ratio

Normal person , upright position
Top of the lung Va/Q > 2.5 times than ideal value 

(physiologic dead space)

Middle of the lung
Bottom of the lung Va/Q < 0.6 times than ideal value 

(physiologic shunt)

Chronic obstrucive pulmonary disease (COPD) 
Cigarette smoking
• Obstruction of small airways and destruction of alveolar 

walls with capillaries

• Some lung areas exhibit seriuos shunt or serious dead 

space

 

 

 

 

Transport of O

2

 and CO

2

 in the blood

Arterial blood :hemoglobin saturation with O

2

 = 97% , PO

2

=95 

mmHg

In venous blood: Hb saturation with O

2

 = 75% , PO

2

 = 40 mmHg

Normal subject
Hb level = 15 g/dl 
1 g Hb binds about 1.34 ml O

2

15x 1.34 = 20.1 ml
0.3 ml O

2

 dissolved in blood

Total amount of O

2

 is 20.4 ml in 100 ml blood

Venous blood contains 14,4 ml O

2

 /dl

20.1 – 14.4 = 5.7
About 5 to 6 ml of O

2

 is transported to tissues by 100 ml of blood 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Factors influencing binding of O

2

 to 

hemoglobin

• H

+

 concentration (pH)

• Increased CO

2

 concentration

• Increased temperature
• Increased 2,3-diphosphoglycerate (2,3-

DPG) concentraton in erythrocytes 

• CO has 250-times higher affinity to Hb 

than O

2

 

 

Transport of CO

2

 in the blood

Resting conditions
4 ml CO

2

 are transported from tissues to the lungs 

in 100 ml of venous blood

1- dissolved  - 7% of total
2- bicarbonate ions (enzyme carbonic anhydrase) – 

70 %

3- combination with –NH

2

 groups of Hb and plasma 

proteins,

Carbaminohemoglobin -  23 %