Лекция 13. Физиология дыхания

Кислород, являющийся конечным акцептором электронов в дыхательной цепи, необходимо доставить в организме к каждой клетке. У животных выработались системы внешнего дыхания, функцией которых и является газообмен. В курсе зоологии получены исчерпывающие сведения на этот счет.

Дыхание – это совокупность процессов и механизмов, обеспечивающих потребление кислорода и выделение избытка углекислого газа организмом, и направленных на поддержание газового гомеостазиса.

Функции и этапы дыхания.

Функции системы дыхания

1.газообмен между клетками организма и окружающей средой

2.выделение летучих соединений

3.депонирование крови

С точки зрения физики газообмен происходит с использованием конвекции (перемещение молекул на большие расстояния с током воздуха и крови) и диффузии (движение газов по градиенту парциального давления на небольшие расстояния).

Этапы (стадии) дыхания

1.Газообмен между внешней средой и альвеолярным воздухом (конвекция)

2.Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью (диффузия)

3.Транспорт газов кровью по малому и большому кругу кровообращения (конвекция)

4.Газообмен в тканях (диффузия)

5.Клеточное дыхание (изучает биохимия)

Газообмен в легких происходит благодаря ритмичным дыхательным движениям, инспирации (вдох) и экспирации (выдох). Длительность фазы вдоха и выдоха при различных нагрузках на организм меняется, поэтому введено понятие о паттерне дыхания.

Паттерн дыхания – это совокупность объемных и временных параметров, характеризующих структуру дыхательного цикла и легочную вентиляцию в целом.

Параметры дыхания.

1.Количество дыхательных циклов в 1 минуту. Частота дыхания.

2.Длительность одного дыхательного цикла.

3.Длительность инспираторной и экспираторной фазы.

4.Дыхательный объем или глубина дыхания.

5.Легочная вентиляция (минутный объем дыхания)

Выделяют

– нормопноэ, или нормопноическое дыхание, (12-16 дыхательных циклов в мин);

– тахипноэ (частое, но неглубокое дыхание, более 20 циклов в минуту);

– брадипноэ (медленное, глубокое дыхание, менее 8 вдохов-выдохов в минуту

Рабочее гиперпноэ может наблюдаться при мышечной нагрузке.

Необходимую для организма интенсивность альвеолярной вентиляции можно обеспечить при различных паттернах дыхания, частоты и глубины его.

Чем больше дыхательный объем, тем большее усилие необходимо приложить для преодоления эластичной тяги легких, т.е. при таком дыхании большая нагрузка ложится на вдыхательные мышцы. С другой стороны, при частом поверхностном дыхании нагрузка на дыхательную мускулатуру возрастает из-за сопротивления току воздуха в воздухоносных путях.

При физиологической одышке может быть частое поверхностное дыхание, встречается такой паттерн дыхания при повышенной температуре воздуха и гипертермии. Газообмен в этом случае происходит только в пределах мертвого пространства, отчего обмен кислорода и диоксида углерода в альвеолах снижен.

Кроме указанных, различают понятия гиперпноэ и гипервентиляция легких, в первом случае газообмен в альвеолах нормален, во втором происходит «вымывание» СО₂ из альвеол, и из крови, наступает гипокапния. При гиповентиляции наблюдается гиперкапния, избыток углекислоты в крови или альвеолярном газе.

Недостаток кислорода обозначается как гипоксия, недостаток кровоснабжения в тканях – ишемия.

Дыхательные движения обеспечиваются работой дыхательных мышц.

Исполнительными (эффекторными) образованиями системы дыхания у человека являются инспираторные и экспираторные мышцы. При сокращении инспираторных мышц объем грудной клетки увеличивается за счет поднятия ребер и уплощения диафрагмы. Основные инспираторы – наружные межреберные мышцы и диафрагма. При вдохе межреберные мышцы подтягивают нижележащие ребра вверх, диафрагма опускается книзу. При глубоком вдохе дополнительно в акт включаются грудино-ключично-сосцевидная и трапециевидная мышцы.

Основные экспираторы – внутренние межреберные мышцы, вспомогательные – мышцы живота. Они способствуют опусканию ребер, а также способствуют пассивному смещению диафрагмы при выдохе.

Грудная клетка герметична. С внутренней стороны она выстлана париетальной плеврой. Между тканью легкого (покрытой висцеральной плеврой) и париетальной плеврой имеется плевральная полость, заполненная плевральной жидкостью.

Клетки париетальной плевры фильтруют до 300 мл плевральной жидкости в час. Висцеральная плевра эту жидкость адсорбирует, причем более активно, чем она секретируется. Этим создаются условия для отрицательного (относительно атмосферного) давления в плевральной полости.

Ткань легкого эластична и стремится занять как можно меньший объем. Поэтому растяжение легких происходит за счет распирающего давления атмосферы, атмосферное давление прижимает легкие к париетальной плевре. Нарушение герметичности грудной клетки носит название пневмоторакса.

Таким образом, периодические экскурсии грудной клетки «затягивают» дыхательную порцию воздуха в трахею и далее в легкие, при условии отрицательного давления в плевральной полости.

Воздухопроводящий путь включает носоглотку, трахею, бронхи, 23 поколения которых составляют бронхиальное дерево.

Кондуктивную зону с общим объемом 130-180 мл состаляют первые 16 поколений бронхов, это анатомическое мертвое пространство, названное так потому, что здесь газообмен с кровью не происходит.

Транзиторная зона, 17-19 ветвления бронхов, может содержать альвеолярные ходы.

Респираторная зона бронхиального дерева включает 20-23-е разветвления бронхов. Бронхи образуют альвеолярные бронхиоли и альвеолы.

Функциональной единицей легких являются дольки. Наиболее мелкие бронхиоли входят в дольку и делятся здесь на 12-18 концевых бронхиолей, те образуют альвеолярные бронхиоли и ацинусы, состоящие из альвеол. Число альвеол у человека варьирует от 300 до 700 миллионов. Общая поверхность доходит до 100-130 кв. метров. Альвеолы густо оплетены капиллярами, куда поступает венозная кровь из легочных артерий, а оксигенированная кровь затем отводится из легочного круга кровообращения по легочным венам в левое предсердие.

Особенности нормальной легочной циркуляции крови заключаются в том, что она обладает низким сосудистым сопротивлением и способна аккумулировать весь минутный объем кровотока, создаваемый правым желудочком сердца. Давление в легочной артерии в фазу систолы равно 20-30 мм рт.ст. Объем крови в легких может составлять до 28% от всей циркулирующей в организме. Только за счет емкостных свойств легочные сосуды могут воспринимать весь кровоток, повышающийся при физической нагрузке, без изменений давления.

Альвеолярный эпителий (респираторный) на поверхности покрыт вырабатывающимся в нем специальным веществом фосфолипопротеиновой природы – сурфактонтом. Пленка сурфактанта уменьшает поверхностное натяжение альвеолярной стенки, что препятсвует слипанию альвеол. Сурфактант постоянно вырабатывается разновидностью эпителиальных клеток – гранулярными пневмоноцитами под контролем блуждающих нервов.

Легочные объемы.

В условиях покоя человек дышит так, что используется только часть всего объема легких, поэтому всегда есть резерв для дополнительного вдоха и выдоха. Но даже при самом глубоком дыхании в легких остается определенное количество воздуха, составляющее остаточный объем.

Общая емкость легких=резервный объем вдоха (2,5 л)+дыхательный объем (500-700 мл)+ резервный объем выдоха (1,5 л) + остаточный объем (1,5 л) =3,5…6 л.

Дыхательный объем – объем воздуха, который входит в легкие при каждом спокойном вдохе и выходит при спокойном выдохе.

Резервные объемы вдоха и выдоха – объемы воздуха, которые человек может произвольно вдохнуть и выдохнуть сверх дыхательного объема.

Жизненная емкость легких – количество воздуха, которое может выдохнуть человек после глубокого вдоха. Она равна сумме дыхательного объема, резервных объемов вдоха и выдоха.

Легочная вентиляция всегда находится в точном соответствии с текущими метаболическими потребностями организма. Увеличение вентиляции происходит как за счет роста дыхательного объема, так и увеличением частоты дыхания.

Не весь воздух, поступающий в легкие, участвует в газообмене, анатомическое мертвое пространство соответствует (в мл) цифре удвоенной массы тела. Функциональное мертвое пространство дополнительно снижает степень газообмена.

Газ в альвеолах имеет постоянный состав, обусловленный буферными функциями мертвого пространства, где воздух увлажняется и нагревается.

В условиях покоя оптимальным является дыхание через нос, хотя при этом сопротивление дыханию возрастает по сравнению с дыханием через рот.

При осуществлении дыхательных движений дыхательные мышцы совершают работу, затрачиваемую на преодоление внутренних и внешних сил. Работа дыхания складывается из энергозатрат на преодоление общего легочного сопротивления (эластичного сопротивления самой легочной ткани и грудной клетки) и преодоления сопротивления потоку воздуха в воздухоносных путях.

Минутному объему дыхания должен соответствовать минутный объем крови, протекающий по сосудам малого круга кровообращения. Вентиляционно-перфузионный коэффициент составляет 0,8-0,9, т. е. при альвеолярной вентиляции, равной 6 л/мин, минутный объем кровообращения может быть равным 7 л/мин.

В атмосфере Земли кислород составляет примерно 21%, или 1/5. Атмосферное давление на уровне моря 760 мм рт.ст. Значит, парциальное давление кислорода примерно соответствует 1/5 этой величины, 160 мм рт.ст., это предельная цифра содержания О₂ в естественных газовых смесях.

В воздухоносных путях воздух постепенно теряет скорость перемещения (конвекции). В респираторных бронхиолях и альвеолах большое значение приобретает диффузия газов. Газы перемещаются по градиенту парциального давления. В альвеолах, где и происходит, контакт альвеолярного газа с капиллярной кровью, напряжение кислорода Р_О2 составляет 103 мм рт.ст., а парциальное давление диоксида углерода Р_СО2 около 40 мм рт.ст. В выдыхаемом воздухе Р_О2 составляет 126 мм рт.ст., а Р_СО2 соответственно 16 мм рт.ст. В артериальной крови Р_О2 соответствует 95 мм рт.ст., в венозной Р_О2 равно 40 мм рт.ст. Р_СО2 артериальной крови соответствует 40 мм рт.ст., а венозной – Р_СО2 приближается к 46 мм рт.ст.

Вектор диффузии дыхательных газов

Поэтому вектор диффузии кислорода постоянно направлен в сторону альвеол и капилляров, а углекислоты – в обратном направлении, из капилляров в атмосферу.

Перенос кислорода из альвеолярного газа в кровь и диоксида углерода из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии. Движущей силой диффузии диффузии служит градиент парциального давления каждого из газов по обе стороны аэрогематического барьера. Диффузия осуществляется в водной среде. В слое сурфактанта растворимость кислорода повышается.

Аэрогематический барьер состоит из слоя сурфактанта, альвеолярного эпителия, двух основных мембран, эндотелия капилляра и мембраны эритроцита.

Диффузионная способность легких для кислорода достаточно высока. Установлено, что на каждый миллиметр ртутного столба градиента парциального давления кислорода между альвеолярным газом и эритроцитом в кровь поступает путем диффузии 25 мл кислорода в минуту. Этого достаточно для того, чтобы за 0,8 с, что равно времени прохождения отдельным эритроцитом одного легочного капилляра, парциальное давление кислорода в нем успело выравняться с альвеолярным. Даже с большим запасом по времени, поскольку для выравнивания напряжения кислорода в эритроцитах с альвеолярным воздухом достаточно 0,25 с.

Поэтому, если кровоток в капиллярах легких повышается (возрастает линейная скорость движения эритроцитов) при физической нагрузке на организм, и время прохождения капилляров клетками уменьшается до 0,3 с, этого оказывается вполне достаточно для полного газообмена. Для диффузии из крови углекислого газа необходимо всего 0,1 с. Растворимость диоксида углерода в воде превышает этот показатель для кислорода в 25 раз.

Транспорт кислорода кровью.

Если животное имеет систему кровообращения, в крови имеется переносчик кислорода. В растворенном состоянии у человека в артериальной крови имеется только 2% кислорода.

Все пигменты – переносчики кислорода представляют собой металлорганические соединения, большинство содержит Fe, некоторые Cu.

Гемоглобины представляют собой железопорфирины (гем), связанные с глобином (белком). Гемоглобин у человека и млекопитающих всегда находится в специализированных клетках крови эритроцитах. Установлено более 90 типов гемоглобинов, отличающихся белковыми составляющими. Молекула гемоглобина состоит из нескольких мономеров, каждый из которых содержит один гем, соединенный с глобином. У человека гемоглобин содержит 4 таких мономера. Миоглобин содержит только 1 гем.

Гем в химическом отношении представляет собой протопорфирин, состоящий из 4 пиррольных колец с атомом железа в центре.

Оксигенация гемоглобина представляет собой обратимое присоединение кислорода к закисному (двухвалентному) железу в количествах, зависящих от напряжения кислорода в окружающем пространстве.

Кислород присоединяется к каждому из атомов железа согласно уравнению равновесия

K=[FeO₂]/[Fe] [O₂]

Формально в этой реакции не происходит изменения валентности железа. Тем не менее оксигенация сопровождается частичным переходом электрона от закисного железа к кислороду, кислород частично восстанавливается.

Иное значение валентности может быть у гемового железа при образовании метгемоглобина, когда Fe изменяет валентность и становится трехвалентным. В этом случае, при истинном окислении железа, гемоглобин утрачивает способность переносить кислород.

Гем в молекуле гемоглобина способен присоединять другие молекулы. Если он присоединяет диоксид углерода, его называют карбогемоглобином. Если к гему присоединятся монооксид углерода, образуется карбоксигемоглобин. Сродство гемоглобина к CO в 300 раз выше, чем к О₂. Поэтому отравление угарным газом очень опасно. Если во вдыхаемом воздухе содержится 1% СО, млекопитающие и птицы могут погибнуть.

Артериальная кровь насыщается кислородом на 96-97%. Этот процесс происходит очень быстро, всего за четверть секунды в альвеолярных капиллярах.

В литературе принято оценивать содержание кислорода в крови по показателю кислородная емкость крови.

Кислородная емкость крови – это максимальное количество кислорода, которое может присоединить 100 мл крови.

Поскольку 96% кислорода находится в соединении с гемоглобином, кислородная емкость крови определяется этим пигментом. Известно, что кислород-связывающая способность 1 г гемоглобина определяется величиной 1,34 – 1,36 мл О₂, при нормальном атмосферном давлении. Это означает, что при содержании в крови 15 г% Нв (а это близко к средней), кислородная емкость составляет 1,34´15@20 объемных процентов, то есть на каждые 20 мл О₂ на каждые 100 мл крови, или 200 мл О₂ на литр крови. В 5 литрах крови (полная кислородная емкость индивидуума, у которого 5 л крови в системе кровообращения) содержится 1 литр кислорода.

Реакция оксигенации гемоглобина обратима

HHb₄+4O₂= HHb₄(O₂)₄

Или проще Hb+О₂= HbО₂

Оказалось, что на практике удобнее анализировать этот процесс, если построить график зависимости концентрации HbО₂ в образце от парциального давления/напряжения кислорода. Чем больше в среде кислорода, тем сильнее равновесие в реакции смещается в сторону оксигенации, и наоборот.

Каждому значению РО₂ соответствует определенный процент HbО₂. При значениях РО₂, характерных для артериальной крови, практически весь гемоглобин окислен. В периферических тканях, при низких значениях напряжения кислорода, увеличивается скорость диссоциации его диссоциации до кислорода и гемоглобина.

Кривая диссоциации гемоглобина имеется в каждом учебнике.

Анализ кривой диссоциации оксигемоглобина показывает, что при напряжении кислорода в среде 60-100 мм рт.ст. (условия равнины и подъема человека на высоту до 2 километров) насыщение кислородов крови происходит полностью. В тканях отдача кислорода также протекает удовлетворительно, при напряжениях кислорода около 20 мм рт.ст.

Другими словами, характер кривой дает сведения о свойствах транспортной системы.

Диссоциация оксигемоглобина зависит не только от парциального давления кислорода в тканях, но и от некоторых других условий. Когда в кровь поступает углекислота из тканей, сродство гемоглобина к кислороду падает и кривая диссоциации сдвигается вправо. Это прямой эффект Вериго-Бора. Эффект Вериго-Бора способствует улучшению диссоциации оксигемоглобина в тканях. Обратный эффект наблюдается в легких, где отдача диоксида углерода приводит к более полному насыщению гемоглобина кислородом. Эффект обусловлен не самим СО₂, а подкислением среды при образовании угольной кислоты (или накоплением молочной кислоты в активно работающих мышцах).

Не весь оксигемоглобин диссоциирует в тканях. От 40 до 70% его сохраняется в венозной крови. У человека каждые 100 мл крови отдают тканям 5-6 мл кислорода, и на такую же величину обогащаются новой его порцией в легочных капиллярах. Для оценки этих процессов (утилизации кислорода тканями) введен показатель артерио-венозная разница по кислороду.