Jotta voisimme ymmärtää hengenahdistuksen olemusta, on syytä tarkastella aluksi keuhkojen rakennetta ja keskeistä tehtävää, hapenottoa ilmasta ja hiilidioksidin poistamista elimistöstä. Koska veri tuo lihaksiin ja kaikkiin muihinkin elimiin niiden tarvitseman hapen ja vie keuhkoihin poistettavaksi energia-aineenvaihdunnan lopputuotteena syntyvän hiilidioksidin, tarkastelemme myös verenkiertoelimistön toimintaperiaatteita.

Kuvassa on kaavio hengityselimistön rakenteesta. Hengitysilma kulkeutuu hengitysliikkeiden aikana keuhkoihin ja keuhkoista takaisin hengitysteiden kautta. Keuhkoputket jakautuvat aluksi oikeaan ja vasempaan pääkeuhkoputkeen, jotka sitten jakautuvat yhä pienempiin putkiin päätyäkseen muutaman mikrometrin kokoisiin keuhkorakkuloihin, joita on keuhkoissa kaikkiaan 100 miljoonaa kappaletta. Hengitysteiden kautta keuhkot tuulettuvat; happipitoista ulkoilmaa virtaa keuhkoihin sisäänhengityksen aikana ja hiilidioksidipitoista keuhkorakkuloiden ilmaa virtaa pois keuhkoista uloshengityksen aikana. Sisäänhengityksessä kylkiluut ja rintalasta liikkuvat ylös- ja ulospäin sisempien kylkivälilihasten supistuessa ja pallealihas vetäytyy alaspäin; näin rintaontelo laajenee ja keuhkoihin syntyy alipainetta, jolloin ilmaa virtaa keuhkoihin. Levossa uloshengitys on passiivista; rintaontelo supistuu keuhkojen ja rintakehän kimmoisuuden ansioista. Voimakkaassa uloshengityksessä, jota tarvitaan esimerkiksi raskaassa rasituksessa, joudutaan käyttämään myös aktiivista lihasvoimaa. Erityisesti vatsalihakset ja ulommat kylkivälilihakset supistuvat. Kaavio rintakehän ja keuhkojen liikkeistä sisään- ja uloshengityksen aikana on esitetty kuvassa .

Kuvassa on esitetty ilmapallotyyppinen pelkistys ihmisen keuhkojen tilavuuksista ja kuvassa keuhkotilavuudet spirometriakäyränä. Levossa ihminen hengittää sisään ja ulos noin 0,5 litraa ilmaa kerralla (kuvassa lepohengitystilavuus). Keuhkoissa on kuitenkin huomattavasti pelivaraa syventää hengitystä esimerkiksi fyysisen rasituksen aikana. Uloshengitystä voidaan kasvattaa normaalisti noin 0,7–1,0 litraa ja sisäänhengitystä 1,9–3,3 litraa. Kaikkea ilmaa ei keuhkoista voida puhaltaa ulos, koska muutoin hapen ja hiilidioksidin siirtyminen veren ja keuhkorakkuloiden sisältämän kaasun välillä keskeytyisi uloshengityksen lopussa. Tuo ilmamäärä, jota ei voida puhaltaa ulos, on nimeltään keuhkojen jäännöstilavuus. Suuruudeltaan se on noin 1,1–1,2 litraa. Keuhkojen kokonaiskapasiteetti (TLC) on miehillä keskimäärin 6 litraa ja naisilla 4,2 litraa. Hengitettäessä sekä happi että hiilidioksidi ovat jakautuneet terveillä henkilöillä tasaisesti tähän kokonaistilavuuteen, joka pääasiassa muodostuu keuhkokudoksen miljoonista keuhkorakkuloista.

Kuvassa on esitetty hapen ja hiilidioksidin vaihtuminen hengityksen aikana keuhkoissa ja kudoksissa.

Merenpinnan tasossa hapen osapaine ulkoilmassa on 21 kilopascalia (kPa) eli happea on n. 21 % koko kaasumäärästä. Hiilidioksidin pitoisuus on ulkoilmassa hyvin vähäinen, vain n. 0,04 %. Valtaosa ympäröivän ilman kaasukoostumuksesta sisältää typpeä, n. 79 %.

Jokaisen uloshengityksen aikana hiilidioksidia siirtyy keuhkoista ulkoilmaan ja sisäänhengityksen aikana happea siirtyy keuhkorakkuloihin.

Happea (O₂) tihkuu (diffundoituu) keuhkorakkuloiden seinämien ja keuhkojen hiussuonien seinämien läpi vereen ja hiilidioksidia (CO₂) keuhkovaltimoiden hiussuonten verestä keuhkorakkuloiden ilmaan. Happi siirtyy edelleen keuhkolaskimoiden kautta sydämen vasempaan eteiseen ja sieltä vasempaan kammioon. Sydämen supistuessa vasen kammio pumppaa hapetettua verta edelleen aorttaan ja sieltä muuhun valtimoverenkiertoon.

Kaavio ihmisen verenkiertojärjestelmästä on kuvassa . Kudokset ottavat valtimoverestä tarvitsemaansa happea energia-aineenvaihduntaa varten ja tuottavat aineenvaihdunnan lopputuloksena hiilidioksidia, joka siirtyy laskimoverenkierron mukana sydämen oikean eteisen ja kammion kautta edelleen keuhkoihin uloshengitettäväksi.

Aikuisen ihmisen keuhkotuuletus on levossa noin 5 l/min, mutta voi kasvaa rasituksessa jopa yli 100 litraan minuutissa. Normaalisti liikkuva ihminen hengittää ilmaa 10000–20000 litraa vuorokaudessa. Hengitystaajuus eli hengenvetojen määrä on levossa keskimäärin n. 12 minuutissa, mutta voimakkaassa rasituksessa se voi nousta yli 40/min.

Levossa ihminen ottaa ulkoilmasta happea noin 250 ml/min ja poistaa hiilidioksidia 200 ml/min. Sekä keuhkojen tuuletuksen määrä että sydämen pumppaama verimäärä ovat sitä suuremmat, mitä suurempi on fyysinen rasitus.

Hiilidioksidin poistumisen myötä elimistöstä poistuu myös hiilihappoa, koska hiilihappo muuttuu kudoksissa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Keuhkot säätelevät tällä tavoin erittäin tehokkaasti myös elimistön happo-emästasapainoa, jolla on merkitystä, kun raskaassa rasituksessa vereen alkaa ilmaantua maitohappoa.

Sydän supistuu levossa normaalisti 50–80 kertaa minuutissa. Sydämen kerralla pumppaama verimäärä eli iskutilavuus on noin 70–100 ml eli sydän pumppaa verta levossa keskimäärin 4–8 litraa minuutissa. Vuorokauden aikana sydän pumppaa verta siis noin 7000–12000 litraa, josta koko määrä menee keuhkojen läpi (keuhkoverenkierto). Tästä määrästä isossa eli systeemisessä verenkierrossa lihaksiin menee levossa noin 20 %. Raskaassa kuormituksessa, jossa sydämen minuutissa pumppaama verimäärä voi olla 25 l /min, lihaksiin menee lihastyön tarpeisiin 80 %.

Huippu-urheilija pystyy nostamaan sydämen minuutissa pumppaaman verimäärän maksimirasituksessa jopa 35–40 litraan minuutissa nostamalla sydämen lyöntitaajuutta ja kasvattamalla sydämen iskutilavuutta. Toimivien lihasten verenkierto voi nousta huippurasituksessa 4–5 kertaiseksi. Muiden elinten ja kudosten verenkierto rasituksessa pysyy suunnilleen muuttumattomana. Sydämen omien verisuonten, sepelvaltimoiden, verenkierto voi kasvaa rasituksessa terveellä henkilöllä 3–5-kertaiseksi lepotilaan nähden. Sepelvaltimoiden verenkierto on vain noin 5–7 % elimistön kokonaisverenkierrosta.

Kuvassa on amerikkalaisen professori Wassermannin kehittämä ratasmalli koko energia-aineenvaihduntaketjusta. Malli sisältää keuhkoissa, verenkierrossa ja lihassoluissa tapahtuvat toiminnalliset muutokset rasituksen aikana.