1. Вентиляция легких. Вентиляция кровью легких. Физиологическое мертвое пространство. Альвеолярная вентиляция.
2. Перфузия легких кровью. Влияние гравитации на вентиляцию легких. Влияние гравитации на перфузию легких кровью.
3. Коэффициент вентиляционно-перфузионных отношений в легких. Газообмен в легких.
4. Состав альвеолярного воздуха. Газовый состав альвеолярного воздуха.
5. Напряжение газов в крови капилляров легких. Скорость диффузии кислорода и углекислого газа в легких. Уравнение Фика.
6. Транспорт газов кровью. Транспорт кислорода. Кислородная емкость гемоглобина.
7. Сродство гемоглобина к кислороду. Изменение сродства гемоглобина к кислороду. Эффект Бора.
9. Роль эритроцитов в транспорте углекислого газа. Эффект Холдена..
10. Регуляция дыхания. Регуляция вентиляции легких.
Углекислый газ является продуктом метаболизма клеток тканей и поэтому переносится кровью от тканей к легким. Углекислый газ выполняет жизненно важную роль в поддержании во внутренних средах организма уровня рН механизмами кислотно-основного равновесия. Поэтому транспорт углекислого газа кровью тесно взаимосвязан с этими механизмами.
В плазме крови небольшое количество углекислого газа находится в растворенном состоянии; при РС02= 40 мм рт. ст. переносится 2,5 мл/100 мл крови углекислого газа, или 5 %. Количество растворенного в плазме углекислого газа в линейной зависимости возрастает от уровня РС02.
В плазме крови углекислый газ реагирует с водой с образованием Н+ и HCO3. Увеличение напряжения углекислого газа в плазме крови вызывает уменьшение величины ее рН. Напряжение углекислого газа в плазме крови может быть изменено функцией внешнего дыхания, а количество ионов водорода или рН - буферными системами крови и HCO3, например путем их выведения через почки с мочой. Величина рН плазмы крови зависит от соотношения концентрации растворенного в ней углекислого газа и ионов бикарбоната. В виде бикарбоната плазмой крови, т. е. в химически связанном состоянии, переносится основное количество углекислого газа - порядка 45 мл/100 мл крови, или до 90 %. Эритроцитами в виде карбаминового соединения с белками гемоглобина транспортируется примерно 2,5 мл/100 мл крови углекислого газа, или 5 %. Транспорт углекислого газа кровью от тканей к легким в указанных формах не связан с явлением насыщения, как при транспорте кислорода, т. е. чем больше образуется углекислого газа, тем большее его количество транспортируется от тканей к легким. Однако между парциальным давлением углекислого газа в крови и количеством переносимого кровью углекислого газа имеется криволинейная зависимость: кривая диссоциации углекислого газа .
Только 3-6% (2-3 мл) СО 42 0 переносится плазмой крови в растворенном состоянии. Остальная часть переносится в виде химических соединений: в виде бикарбонатов, и с Нв в виде карбгемоглобина.
В тканях.
Благодаря градиентам напряжений, СО 2 , образующийся в тканях, переходит из интерстициальной жидкости в плазму крови, а из нее в эритроциты.
Еще в 1870 г. И.М.Сеченов обнаружил соединение СО 2 с гемоглобином. Это соединение возникает за счет связи СО 2 с аминогруппой гемоглобина (карбгемоглобин - 3-4 мл).
1. НbNH2 + CO2 = HbNHCOOH
Попадая в кровь из ткани СО2 вступает в реакцию с водой и образует угольную кислоту:
2. СО2 + Н2О = Н2СО3
В виде угольной кислоты переносится незначительная часть СО2. Эта реакция в плазме медленнее, а в эритроцитах быстрее, так как там имеется фермент-карбоангидраза,которая ускоряет реакцию в 20000 раз. Под влиянием фермента реакция может протекать как в ту, так и в другую сторону. Все зависит от парциального напряжения СО2.
Когда кровь проходит через ткани, где СО2 много, карбоангидраза в эритроцитах способствует образованию Н2СО3. В легких, где СО2 меньше, карбоангидраза способствует распаду Н2СО3. Угольная кислота легко диссоциирует на ионы Н+ и НСО3-.
Между анионами НСО3-, находящимися в эритроцитах и в плазме существует определенное соотношение. Это соотношение не меняется во всех отделах кровеносного русла:
К=НСО3 эритроциты/нсо3 плазмы = 0,84
Если количество ионов увеличивается, они диффундируют из эритроцита в плазму и наоборот. Такое соотношение существует и для ионов СL в эритроцитах и плазме. Выход НСО3- как правило уравновешивается входом С1-.
Анионы НСО3- в большей своей массе (50 мл) связываются с катионами. В плазме с натрием. Таким образом образуется NаНСО3.
3. Na + НСО3 = NаНСО3
А в эритроците с калием. Образуется КНСО3.
4. К + НСО3 = КНСО3
Итак СО2 переносится кровью в виде:
1. карбгемоглобина в эритроцитах,
2. в растворенном виде в плазме и эритроцитах,
3. в виде бикарбоната натрия в плазме и бикарбоната калия в эритроцитах.
4. в виде угольной кислоты.
Эритроцит Плазма Ткани
СО2 ¦ СО2 _¦ СО2
В связи с образованием в эритроцитах Н2СО3 и карбгемоглобина распадается КНвО2, так как угольная кислота обладает более сильными кислыми свойствами.
КHb + Н2СО3 = КНСО3 + ННb
Так в крови тканевых капилляров одновременно с поступлением СО2 внутрь эритроцита и образованием в нем угольной кислоты происходит отдача кислорода оксигемоглобином. Восстановленный гемоглобин представляет собой более слабую кислоту, чем оксигенированный. Поэтому он легче связывается с СО2.
Таким образом, переход СО2 в кровь способствует выходу О2 из крови в ткани. Поэтому, чем больше в тканях образуется СО2, тем больше ткани получают О2.
В легких.
Эритроцит Плазма Легкие
СО2 _¦ СО2 _¦ СО2
Парциальное давление О2 в легких - 100 мм рт.ст., а в крови 40 мм рт.ст., поэтому кислород идет из альвеол в кровь. В эритроцитах он соединяется с восстановленным гемоглобином (оксигемоглобин). Под влиянием оксигемоглобина карбгемоглобин распадается идет в плазму, а затем в альвеолы.
В плазме NaHCO3 диссоциирует. Анионы идут в эритроциты, где произошла диссоциация КС1. Анионы НСО3 образуют КНСО3, а ионы С1 идут в плазму, соединяясь с Nа. Оксигемоглобин вступает в реакцию с КНСО3 и в результате образуется калиевая соль оксигемоглобина и угольная кислота, которая под влиянием карбоангидразы распадается на воду и СО2.
/Н2СО3=СО2+Н2О/. СО2 входит в плазму, а затем в альвеолы.
Таким образом, для того чтобы СО2 покинул кровь необходимо образование оксигемоглобина.
В состоянии покоя в процессе дыхания из организма человека удаляется 230 мл СО2 в минуту. Поскольку углекислый газ является "летучим" ангидридом угольной кислоты, то при его удалении из крови исчезает примерно эквивалентное количество ионов Н+. Поэтому дыхание играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия во внутренней среде организма. Если в результате обменных процессов в крови увеличивается содержание водородных ионов, то благодаря гуморальным механизмам регуляции дыхания, это приводит к увеличению легочной вентиляции /гипервентиляции/.
Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях.
Кислород проникает из крови в клетки тканей путем диффузии, обусловленной разностью его парциальных давлений по обе стороны гистогематического барьера. Величина потребления О2 в различных тканях неодинакова и связана с периодической активностью тканей. Наиболее чувствительны к недостатку О2 клетки мозга, особенно коры больших полушарий, где окислительные процессы очень интенсивны. Именно поэтому мероприятия по реанимации человека приносят успех только в том случае, если они начаты не более чем через 4-5 мин после остановки дыхания.
Кислород, поступающий в ткани, используется в клеточных окислительных процессах, которые протекают на клеточном уровне с участием специальных ферментов, расположенных группами в строгой последовательности на внутренней поверхности мембран митохондрий. Более подробно данный процесс изучает курс биохимии. Для нормального хода окислительных обменных процессов в клетках необходимо, чтобы напряжение кислорода в области митохондрий было не меньше 0,1-1 мм рт.ст. Эта величина называется критическим напряжением кислорода в митохондриях. Поскольку единственным резервом О2 в большинстве тканей служит его физически растворенная фракция, снижение поступления О2 из крови приводит к тому, что потребности тканей в О2 перестают удовлетворяться, развивается кислородное голодание и окислительные обменные процессы замедляются. Единственной тканью, в которой имеется депо О2, является мышечная. Роль депо О2 в данной ткани играет белок миоглобин, близкий по строению к гемоглобину и способный обратимо связывать О2.
Соотношение компонентов дыхательного цикла: длительность фаз инспирации и экспирации, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях - характеризует так называемый рисунок или паттерн дыхания. Во время разговора, приема пищи паттерн дыхания меняется, периодически наступает апноэ - задержки дыхания на вдохе или на выдохе, т.е. при осуществлении некоторых рефлексов /например, глотательного, кашлевого, чихательного/, а также определенных видов деятельности, характерных для человека /речи, пения/, характер дыхания должен изменяться, а химический состав артериальной крови должен оставаться постоянным.
Учитывая все эти разнообразные, и часто очень сложные комбинированные запросы, предъявляемый к дыхательной системе вполне понятно, что для ее оптимального функционирования необходимы сложные регуляторные механизмы.
Регуляция дыхания.
Учение о дыхательном центре берет свое начало с Галена, который наблюдал остановку дыхания у животного после отделения у него головного мозга от спинного. Другой ученый- Лори в 1760 году отметил прекращение дыхания после повреждения стволовой части головного мозга.
В начале Х1Х в. ученым Легаллуа, а потом и Флуранс было установлено, что у всех позвоночных животных после удаления головного мозга выше продолговатого дыхательные движения сохраняются, но они неминуемо и причем сразу прекращаются после разрушения продолговатого мозга или после перерезки спинного мозга под продолговатым. Если, не разрушая продолговатый мозг, выключить его функции путем охлаждения, то результатом также явится остановка дыхания.
В связи с этим, французский физиолог Мари Ж.П.Флуранс в Х1Хв. ввел такое понятие, как "жизненный центр", а т.к. укол иглой в область писчего пера мгновенно останавливал дыхательные движения, то этот участок продолговатого мозга Флуранс назвал "жизненным узлом" /1842/.
Миславский в 1885 году доказал, что дыхательный центр локализован в продолговатом мозге и является парным образованием, т.е. двусторонним: левая и правая части. При чем имеется два антагонистических отдела, отвечающих соответственно за инспирацию и экспирацию, т.е. ритмичное чередование вдоха и выдоха, которое обусловлено взаимодействием различных групп нервных клеток.
Дыхательный центр.
Подавляющая масса дыхательных нейронов сосредоточена в двух группах ядер продолговатого мозга: дорсальной и вентральной.
Большая часть нейронов дорсальной группы - инспираторные. Ядра вентральной дыхательной группы содержат наряду с инспираторными и экспираторные нейроны.
Однако, это грубое деление дыхательных нейронов на инспираторноые и экспираторные. Как показали современные исследования, выполненные при помощи микроэлектродной техники, эти два основных типа подразделяются на разные подтипы, различающиеся между собой как по точному началу, так и по тому куда направляется их импульсация.
В настоящее время различают: а) "полные" инспиратоные и экспираторные нейроны, ритмическое возбуждение которых по времени точно совпадает с соответствующей фазой дыхания, б) "ранние" инспираторные и экспираторнве нейроны, дающие короткие серии импульсов до начала вдоха или выдоха, в) "поздние", проявляющие залповую активность уже после начала инспирации или экспирации, а так-же нейроны, получившие название г) экспиратоно-инспираторных, д) инспираторно-экспираторных и е) непрерывных.
Исследования показали, что в варолиевом мосту также имеются скопления нейронов, имеющих отношение к регуляции дыхания. Данные нейроны участвуют в регуляции длительности фаз вдоха и выдоха, т.е. в переключении фаз дыхательного цикла. Скопление нейронов варолиевого моста, участвующее в регуляции дыхания, принято называть пневмотаксическим центром.
Механизм периодической деятельности ДЦ.
На основе многих экспериментальных исследований в настоящее время созданы различные модельные представления о деятельности дыхательного центра. Их можно кратко обобщить.
У новорожденного первый вдох (первый крик) происходит в момент пережатия пуповины. После прекращения связи с матерью, в крови новорожденного быстро увеличивается концентрация в крови СО2 и уменьшается количество О2. Эти изменения активируют центральные и периферические хеморецепторы. Импульсы от данных рецепторов возбуждают нейроны дорзальной группы дыхательного центра (так называемый "центр вдоха"). Аксоны данной (дорзальной) группы нейронов направляются в шейные сегменты спинного мозга и образуют синапсы с мотонейронами диафрагмального ядра.
Эти нейроны возбуждаются и происходит сокращение диафрагмы. Как вы знаете, диафрагма иннервируется парой диафрагмальных нервов (n.n. phrenici). Волокна, образующие эти нервы, являются аксонами нервных клеток, лежащих в передних рогах Ш-V шейных сегментах спинного мозга и выходят из них в составе Ш-V передних спинномозговых корешков. Одновременно с возбуждением мотонейронов диафрагмального ядра сигналы идут к тем инспираторным нейронам, которые возбуждают- мотонейроны спинного мозга, которые иннервируют наружные межреберные и межхрящевые мышцы. Происходит вдох.
Большое значение для возникновения вдоха имеет активация тактильных и температурных рецепторов, повышающих активность ЦНС.
Поэтому если ребенок долго не делает первый вдох, то необходимо побрызгать в лицо водой, похлопать по пяткам, тем самым усиливая импульсы с экстерорецепторов.
Одновременно информация из центра вдоха поступает к дыхательным нейронам варолиевого моста (так называемый "пневмотаксический центр"), откуда импульсы посылаются к экспираторным нейронам (в так называемый "центр выдоха"). Кроме того, экспираторные нейроны получают информацию прямо от "центра вдоха". Возбуждение экспираторных нейронов усиливается под влиянием импульсов, поступающих от рецепторов растяжения легких. Среди экспираторных нейронов имеются тормозные, активация которых приводит к прекращению возбуждения инспираторных нейронов. В результате вдох прекращается. Наступает пассивный выдох.
Если дыхание усиленное, то пассивный выдох не обеспечивает изгнания из легких необходимого количества воздуха. Тогда активированные экспираторные нейроны посылают импульсы к мотонейронам спинного мозга, иннервирующим внутренние косые межреберные и брюшные мышцы. Эти мотонейроны расположены в грудных и поясничных сегментах спинного мозга. Указанные мышцы сокращаются и следовательно обеспечивают более глубокий выдох.
Следуют подчеркнуть значение в переключении фаз вдоха нейронов варолиевого моста, объединенных в пневмотаксический центр.
Дыхательный центр всегда находится под контролем. Дыхательные нейроны продолговатого отдела и моста постоянно получают информацию из вышележащих отделов головного мозга: гипоталамуса, лимбической системы, коры больших полушарий. Они имеют большое значение к приспособлению дыхания к условиям жизнедеятельности.
Факт изменения дыхания при прямом раздражении коры больших полушарий электрическим током был открыт Данилевским (1876). С этого времени многократно высказывались утверждения, что в коре больших полушарий имеются дыхательные центры, специфическим образом изменяющих дыхание.
Роль коры в регуляции дыхания была убедительно показана в исследованиях Асратяна (1938). Он показал, что бескорковые собаки не могут приспособить дыхания к условиям внешней среды. Стоит бескорковым собакам в течении 1-2 мин сделать несколько шагов по комнате, чтобы у них гначалась резко выраженная и длительная одышка.
Во многих исследованиях было показано условнорефлекторное изменение дыхания. Ольнянская (1950) впервые экспериментально установила, что если за несколько секунд до начала мышечной работы давать звуковые сигналы, то после нескольких опытов звуковой сигнал сам по себе вызывал увеличение легочной вентиляции.
Полушария головного мозга осуществляют свое влияние на дыхательный центр как через кортико-бульбарные пути, так и через подкорковые структуры. И.П.Павлов писал о дыхательном центре: "С самого начала думали, что это точка с булавочную головку в продолговатом мозгу. Но теперь он чрезвычайно расползся, поднялся в головной мозг и спустился в спинной и сейчас границы его точно никто не укажет".
Т.о. дыхательном центром называют совокупность взаимосвязанных нейронов ЦНС, обеспечивающих координированную ритмическую деятельность дыхательных мышц и постоянное приспособление внешнего дыхания к изменяющимся условиям внутри организма и в окружающей среде. Условно дыхательный центр можно подразделить на 3 отдела:
1.Низший - включает в себя мотонейроны спинного мозга, иннервирующие дыхательные мышцы.
2.Рабочий- объединяет нейроны продолговатого отдела и моста.
3.Высший - все вышележащие нейроны, влияющие на процесс дыхания.
Почти во всех жидкостях может содержаться некоторое количество физически растворенных газов. Содержание растворенного газа в жидкости зависит от его парциального давления.
Хотя содержание в крови О 2 и СО 2 в физически растворенном состоянии относительно невелико, это состояние играет существенную роль в жизнедеятельности организма. Для того, чтобы связаться с теми или иными веществами, дыхательные газы сначала должны быть доставлены к ним в физически растворенном виде. Таким образом, при диффузии в ткани или кровь каждая молекула О 2 или СО 2 определенное время пребывает в состоянии физического растворения.
Большая часть кислорода переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. 1 моль гемоглобина может связать до 4 молей кислорода, а 1 грамм гемоглобина – 1,39 мл кислорода. При анализе газового состава крови получают несколько меньшую величину (1,34 – 1,36 мл О 2 на 1 г. Hb). Это обусловлено тем, что небольшая часть гемоглобина находится в неактивном виде. Таким образом, ориентировочно можно считать, что in vivo 1г Hb связывает 1,34 мл О 2 (число Хюфнера).
Исходя из числа Хюфнера, можно, зная содержание гемоглобина, вычислить кислородную емкость крови: [О 2 ] макс = 1,34 мл О 2 на 1 г Hb; 150 г Hb на 1 л крови = 0,20 л О 2 на 1 л крови. Однако, такое содержание кислорода в крови может достигаться лишь в том случае, если кровь контактирует с газовой смесью с высоким содержанием кислорода (РО 2 = 300 мм рт.ст.), поэтому в естественных условиях гемоглобин оксигенируется не полностью.
Реакция, отражающая соединения кислорода с гемоглобином подчиняется закону действующих масс. Это означает, что отношение между количеством гемоглобина и оксигемоглобина зависит от содержания физически растворенного О 2 в крови; последнее же пропорционально напряжению О 2 . Процентное отношение оксигемоглобина к общему содержанию гемоглобина называется насыщением гемоглобина кислородом. В соответствии с законом действующих масс насыщение гемоглобина кислородом зависит от напряжения О 2 . Графически эту зависимость отражает так называемая кривая диссоциации оксигемоглобина . Эта кривая имеет S – образную форму (Рис. 29.).
Наиболее простым показателем, характеризующим расположение этой кривой, служит так называемое напряжение полунасыщения РО 2 , т.е. такое напряжение О 2 , при котором насыщение гемоглобина кислородом составляет 50 %. В норме РО 2 артериальной крови составляет около 26 мм рт.ст.
Рис. 29. Кривые диссоциации оксигемоглобина при различных рН крови.
Конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина важна для переноса кислорода кровью. В процессе поглощения кислорода в легких напряжение О 2 в крови приближается к парциальному давлению этого газа в альвеолах. У молодых людей РО 2 артериальной крови составляет около 95 мм рт.ст. При таком напряжении насыщение гемоглобина кислородом равно примерно 97 %. С возрастом (и в еще большей степени при заболеваниях легких) напряжение О 2 в артериальной крови может значительно снижаться, однако, поскольку кривая диссоциации оксигемоглобина в правой части почти горизонтальна, насыщение крови кислородом уменьшается ненамного. Так, даже при падении РО 2 в артериальной крови до 60 мм рт.ст. насыщение гемоглобина кислородом равно 90 %. Таким образом, благодаря тому, что области высоких напряжений кислорода соответствует горизонтальный участок кривой диссоциации оксигемоглобина, насыщение артериальной крови кислородом сохраняется на высоком уровне даже при существенных сдвигах РО 2 .
Крутой наклон среднего участка кривой диссоциации оксигемоглобина свидетельствует о благоприятной ситуации для отдачи кислорода тканям. В состоянии покоя РО 2 в области венозного конца капилляра равно приблизительно 40 мм рт.ст., что соответствует примерно 73 % насыщения. Если в результате увеличения потребления кислорода его напряжение в венозной крови падает лишь на 5 мм рт.ст., то насыщение гемоглобина кислородом снижается на 75 %: высвобождающийся при этом О 2 может быть сразу же использован для процессов метаболизма.
Несмотря на то, что конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина обусловлена главным образом химическими свойствами гемоглобина, существует и ряд других факторов, влияющих на сродство крови к кислороду. Как правило, все эти факторы смещают кривую, увеличивая или уменьшая ее наклон, но не изменяя при этом ее S-образную форму. К таким факторам относятся температура, рН, напряжение СО 2 и некоторые другие факторы, роль которых возрастает в патологических условиях.
Равновесие реакции оксигенации гемоглобина зависит от температуры. При понижении температуры наклон кривой диссоциации оксигемоглобина увеличивается, а при ее повышении – снижается. У теплокровных животных этот эффект проявляется только при гипотермии или лихорадочном состоянии.
Форма кривой диссоциации оксигемоглобина в значительной степени зависит от содержания в крови ионов Н + . При снижении рН, т.е. закислении крови, сродство гемоглобина к кислороду уменьшается, и кривая диссоциации оксигемоглобина называется эффектом Бора.
РН крови тесно связано с напряжением СО 2 (РСО 2): чем РСО 2 выше, тем рН ниже. Увеличение напряжения в крови СО 2 сопровождается снижением сродства гемоглобина к кислороду и уплощение кривой диссоциации НbО 2 . Эту зависимость также называют эффектом Бора, хотя при подобном количественном анализе было показано, что влияние СО 2 на форму кривой диссоциации оксигемоглобина нельзя объяснить только изменением рН. Очевидно, сам углекислый газ оказывает на диссоциацию оксигемоглобина «специфический эффект».
При ряде патологических состояний наблюдаются изменения процесса транспорта кислорода кровью. Так, есть заболевания (например, некоторые вида анемий), которые сопровождаются сдвигами кривой диссоциации оксигемоглобина вправо (реже – влево). Причины таких сдвигов окончательно не раскрыты. Известно, что на форму и расположение кривой диссоциации оксигемоглобина оказывают выраженное влияние некоторые фосфорорганические соединения, содержание которых в эритроцитах при патологии может изменяться. Главным таким соединением является 2,3-дифосфоглицерат – (2,3 – ДФГ). Сродство гемоглобина к кислороду зависит также от содержания в эритроцитах катионов. Необходимо отметить также влияние патологических сдвигов рН: при алкалозе поглощение кислорода в легких в результате эффекта Бора увеличивается, но отдача его тканям затрудняется; а при ацидозе наблюдается обратная картина. Наконец, значительный сдвиг кривой влево имеет место при отравлении угарным газом.
Транспорт СО 2 кровью. Формы транспорта. Значение карбоангидразы.
Двуокись углерода – конечный продукт окислительных обменных процессов в клетках – переносится с кровью к легким и удаляется через них во внешнюю среду. Так же как и кислород, СО 2 может переноситься как в физически растворенном виде, так и в составе химических соединений. Химические реакции связывания СО 2 несколько сложнее, чем реакции присоединения кислорода. Это обусловлено тем, что механизмы, отвечающие за транспорт СО 2 должны одновременно обеспечивать поддержание постоянства кислотно-щелочного равновесия крови и тем самым внутренней среды организма в целом.
Напряжение СО 2 в артериальной крови, поступающей в тканевые капилляры составляет 40 мм рт.ст. В клетках же, расположенных около этих капилляров, напряжение СО 2 значительно выше, так как это вещество постоянно образуется в результате метаболизма. В связи с этим физически растворенный СО 2 переносится по градиенту напряжения из тканей в капилляры. Здесь некоторое количество углекислого газа остается в состоянии физического растворения, но большая часть СО 2 претерпевает ряд химических превращений. Прежде всего происходит гидратация молекул СО 2 с образованием угольной кислоты.
В плазме крови эта реакция протекает очень медленно; в эритроците же она ускоряется примерно в 10 тыс. раз. Это связано с действием фермента карбоангидразы. Поскольку этот фермент присутствует только в клетках, практически все молекулы СО 2 , участвующие в реакции гидратации, должны сначала поступить в эритроциты.
Следующая реакция в цепи химических превращений СО 2 заключается в диссоциации слабой кислоты Н 2 СО 3 на ионы бикарбоната и водорода.
Накопление НСО 3 - в эритроците приводит к тому, что между его внутренней средой и плазмой крови создается диффузионный градиент. Ионы НСО 3 - могут передвигаться по этому градиенту лишь в том случае, если при этом не будет нарушаться равновесное распределение электрических зарядов. В связи с этим одновременно с выходом каждого иона НСО 3 - должен происходить либо выход из эритроцита одного катиона, либо вход одного аниона. Поскольку мембрана эритроцита практически не проницаема для катионов, но сравнительно легко пропускает небольшие анионы, взамен НСО 3 - в эритроцит поступают ионы Сl - . Этот обменный процесс называется хлоридным сдвигом.
СО 2 может связываться также путем непосредственного присоединения к аминогруппам белкового компонента гемоглобина. При этом образуется так называемая карбаминова связь.
Гемоглобин, связанный с СО 2 , называется карбогемоглобином.
Зависимость содержания СО 2 от степени оксигенации гемоглобина называется эффектом Холдейна. Данный эффект частично обусловлен различной способностью оксигемоглобина и дезоксигемоглобина к образованию карбаминовой связи.
РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ
Регуляцию дыхания можно определить как приспособление внешнего дыхания к потребностям организма. Главное в регуляции дыхания – обеспечить смену дыхательных фаз.
Режим смены дыхательных фаз должен быть адекватен метаболическим потребностям организма. Так, при физической работе скорость поглощения кислорода и удаления углекислого газа должна возрастать в несколько раз по сравнению с покоем. Для этого необходимо увеличить вентиляцию легких. Увеличение минутного объема дыхания может быть достигнуто путем повышения частоты и глубины дыхания. Регуляция дыхания должна обеспечивать наиболее экономичное соотношение между этими двумя параметрами. Кроме того, при осуществлении некоторых рефлексов (глотание, кашель, чихание) и при определенных видах деятельности (речь, пение и т.д.), характер дыхания должен оставаться более или менее постоянным. Учитывая все это разнообразие запросов организма для оптимального функционирования дыхательной системы необходимы сложные регуляторные механизмы.
В системе управления дыханием можно выделить два основных уровня регуляции:
1. Саморегуляторный уровень – включает дыхательный центр посредством активации механорецепторов легких, дыхательных мышц, центральных и периферических хеморецепторов. Данный уровень регуляции осуществляет поддержание постоянства газового состава артериальной крови.
2. Регуляторный, корректирующий уровень – включает сложные поведенческие условные и безусловные акты. На этом уровне регуляции происходят процессы, приспосабливающие дыхание к изменяющимся условиям окружающие среды и жизнедеятельности организма.
Саморегуляция дыхания, дыхательный центр .
Выявление структур мозга, отвечающих за акты вдоха и выдоха, производилось путем перерезки и разрушения мозговых структур.
Было установлено, что отделение головного мозга от спинного приводит к полной остановке дыхания.
А.Н.Миславский (1885) показал, что разрушение медиальной части продолговатого мозга в нижнем углу ромбовидной ямки приводит к полной остановке дыхания.
Люмсден (1923) показал, что в варолиевом мосту также есть скопления нейронов, разрушение которых нарушает паттерн дыхания. Он ввел понятия о пневмотоксическом и апнейстическом центрах варолиевого моста.
Пневмотоксический центр (нейроны, ответственные за смену вдоха на выдох) – ростральные отделы варолиевого моста. При их разрушении дыхательные циклы становятся нерегулярными. Если одновременно перерезать афферентные волокна вагуса, то возникает апнейстическое дыхание (длительный вдох, короткий выдох, снова длительный вдох).
Если разрушить ядра, расположенные в средней и каудальной областях варолиевого моста (апнейстический центр, нейроны которого способствуют быстрому переходу выдоха на вдох), апнейзис исчезает. Он исчезает также при отделении продолговатого мозга от варолиевого моста. В этих случаях возникает гаспинг – редкие судорожные вдохи.
Теория Питтса:
В медиальной части продолговатого мозга расположен дыхательный центр, имеющий инспираторный (вдоха) и экспирационный (выдоха) отделы.
Акт вдоха возникает в результате возбуждения нейронов инспираторного отдела, которые посылают импульсы к α-мотонейронам дыхательной мускулатуры, в пневмотоксический центр и в экспираторный отдел. Это вызывает торможение нейронов инспираторного отдела и возбуждение экспираторного – возникает выдох. Возбужденные нейроны экспираторного отдела посылают сигнал в пневмотоксический центр (чтобы он затормозил экспиратоные нейроны и активировал инспираторные) и к инспираторным нейронам. И т.д.
Одновременно на состояние нейронов дыхательного центра влияет поток импульсов от хеморецепторов и механорецепторов, благодаря чему происходит регуляция частоты и глубины дыхания (т.е. вентиляция легких в соответствии с запросами организма).
Однако при исследовании электрической активности дыхательных нейронов эта гипотеза потерпела неудачу.
Было показано, что дыхательные нейроны продолговатого мозга в нижнем углу ромбовидной ямки расположены латерально. В медиальной области (разрушение которой вызывало остановку дыхания) – нейроны, обрабатывающие афферентную информацию, идущую к дыхательным нейронам, а также, вероятно, аксоны дыхательных нейронов.
В продолговатом мозге имеется 2 скопления дыхательных нейронов: одно в дорсальной части, недалеко от одиночного ядра - дорсальная дыхательная группа (ДДГ), другое расположено вентральнее, вблизи от двойного ядра – вентральная дыхательная группа (ВДГ).
ДДГ – 2 класса нейронов – инспираторные Ia и Ib. При вдохе возбуждаются оба класса этих нейронов, но выполняют разные задачи:
Инспираторные Ia-нейроны активируют α-мотонейроны диафрагмальной мышцы, и, одновременно, посылают сигналы к инспираторным нейронам ВДГ, которые, в свою очередь, возбуждают α-мотонейроны остальных инспираторных мышц;
Инспираторные Ib-нейроны, возможно с помощью вставочных нейронов, запускают процесс торможения Ia-нейронов.
В ВДГ 2 типа нейронов – инспираторные и экспираторные нейроны (активируют экспираторные скелетные мышцы).
Среди популяций инспираторных и экспираторных нейронов были выделены ранние (возбуждаются в начале вдоха или выдоха) поздние (в конце) и постоянные (на всем протяжении вдоха или выдоха).
Т.е. в продолговатом мозге нет четкого деления на инспираторный и экспираторный отделы, а есть скопления дыхательных нейронов с определенной функцией.
Дыхательные нейроны варолиевого моста .
Пневмотаксический центр – инспираторно-экспираторные нейроны (возбуждаются в конце вдоха, начале выдоха) и экспираторно-инспираторные (в коце выдоха, начале вдоха). Для активности этих нейронов необходим поток импульсов от механорецепторов легких по афферентным волокнам вагуса.
Центр апнейзиса : в средней области находятся преимущественно инспираторно-экспираторные нейроны, а в каудальной области – преимущественно экспираторно-инспираторные.
Совокупность дыхательных нейронов продолговатого мозга и моста в последнее время принято называть центральным механизмом дыхания (ЦМД).
В основе представлений о функционировании ЦМД лежит представление Брэдли (1975) о наличии в мозге 2-х нейронных блоков: 1) генератора центральной инспираторной активности (ЦИА); 2) механизма выключения инспирации.
Генератор ЦИА представлен инспираторными нейронами типа Ia, локализованными в ДДГ продолговатого мозга. Инспираторные нейроны возбуждаются при постоянном поступлении ритмических импульсов с центральных и периферических хеморецепторов. Активность данных рецепторов находится в прямой зависимости от содержания в крови кислорода и углекислого газа (периферические хеморецепторы) и концентрации протонов в ликворе (центральные хеморецепторы).
Потоки импульсов от α- инспираторных нейронов устремляются к ядрам дыхательных мышц спинного мозга, и, активируя их, вызывают сокращение диафрагмы и увеличение объема грудной клетки, а также возбуждают β – инспираторные нейроны. Одновременно, в процессе увеличения объема грудной клетки, нарастают потоки импульсов от механорецепторов легких на β – нейроны. Предполагают, что β – инспираторные нейроны возбуждают инспираторно – тормозящие нейроны, замыкающиеся на α – инспираторных нейронах (механизм выключения инспирации). Как следствие происходит прекращение вдоха и наступает выдох.
Феномен раздражения рецепторов растяжения легких и прекращение вдоха получило название – инспираторно-тормозящий рефлекс Геринга и Брейера . Напротив, если существенно уменьшить объем легких, то произойдет глубокий вдох. Дуга этого рефлекса начинается от рецепторов растяжений легочной паренхимы (подобные рецепторы обнаружение в трахее, бронхах и бронхиолах). Некоторые из этих рецепторов реагируют на степень растяжения легочной ткани, другие только при уменьшении или увеличении растяжения (независимо от степени). Афферентные волокна от рецепторов растяжения легких идут в составе блуждающих нервов, а эфферентное звено представлено двигательными нервами, идущими к дыхательной мускулатуре. Физиологическое значение рефлекса Геринга-Брейера состоит в ограничении дыхательных экскурсий, благодаря рефлексу достигается соответствие глубины дыхания сиюминутным условиям функционирования организма, работа дыхательной системы совершается более экономично. Кроме того, рефлекс препятствует перерастяжению легких.
Уменьшение при вдохе объема легких снижает поток импульсов с механорецепторов на β – инспираторные нейроны и вновь наступает вдох.
Принудительное увеличение времени выдоха (например, при раздувании легких в период экспирации) продлевает время возбуждения рецепторов растяжения легких, и как следствие, задерживает наступление следующего вдоха – экспираторно-облегчающий рефлекс Геринга-Брейера .
Таким образом, чередование вдоха и выдоха происходит по принципу отрицательной обратной связи.
Транспортная функция крови заключается в переносе всех необходимых для жизнедеятельности организма веществ (питательных веществ, газов, гормонов, ферментов, метаболитов).
Дыхательная функция состоит в доставке кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким.
Транспорт газов кровью – в организме кислород и углекислый газ транспортируются кровью. Кислород, поступающий из альвеолярного воздуха в кровь, связывается с гемоглобином эритроцитов, образуя так называемый оксигемоглобин , и в таком виде доставляется к тканям.
Кислород через тонкие стенки альвеол и капилляров поступает из воздуха в кровь, а углекислый газ из крови в воздух. Диффузия газов происходит в результате разности их концентраций в крови и в воздухе. Кислород проникает в эритроциты и соединяется с гемоглобином, кровь становится артериальной и направляется в ткани. В тканях происходит обратный процесс: кислород за счет диффузии переходит из крови в ткани, а углекислый газ , наоборот, переходит из тканей в кровь.
Кривая диссоциации оксигемоглобина - это зависимость насыщения гемоглобина кислородом (измеряется процентным отношением оксигемоглобина к общему количеству гемоглобина).
Газообмен между кровью и тканями. Нарушение газообмена в тканях.
Газообмен в тканях - четвертый этап дыхания, в результате которого кислород из крови капилляров поступает в клетки, а углекислый газ из клеток в кровь. Фактором, способствующим газообмену в тканях, является, также как и в легких, разность парциальных давлений газов между кровью и межтканевой жидкостью, омывающей все клетки и ткани.
Насколько клетки интенсивно поглощают кислород, настолько же интенсивно они вырабатывают углекислый газ. Напряжение углекислоты в клетках достигает 50 - 60 мм. рт. ст. Эта углекислота непрерывно переходит в межтканевую жидкость, а оттуда в кровь, делая кровь венозной.
Следствием таких нарушений газообмена может явиться гипоксия, кислородное голодание тканей. Гипоксия – это недостаток кислорода.
Газообмен в легких, состав вдыхаемого альвеолярного, выдыхаемого воздуха.
Как атмосферный воздух, так и альвеолярный необходимо воздух представляют собой смесь газов, содержащую О2 , СО2 , N, и инертные газы. Определенное количество дыхательных газов содержится и в крови, поскольку она является их переносчиком. Парциальное давление того или иного газа в крови, ровно как и в любой другой жидкости, принято называть парциальным напряжением. Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью капилляров (второй этап дыхания) осуществляется путем диффузии, благодаря разности давлений О2 и СО2. Тот воздух, который мы вдыхаем, т.е. атмосферный воздух , имеет более или менее постоянный состав: он содержит
20,94% кислорода,
0,03% углекислого газа
79,03% азота.
Выдыхаемый воздух обеднен кислородом и насыщен углекислотой. В среднем выдыхаемый воздух содержит
16,3% кислорода,
4% углекислоты
79,7% азота.
По сравнению с атмосферным воздухом, альвеолярный воздух содержит
14% кислорода,
5% углекислоты
79,5% азота.
Состав альвеолярного воздуха относительно стабилен, так как при спокойном дыхании в альвеолы поступает всего 350 мл свежего воздуха, что составляет лишь 1/7 того воздуха, который содержится в легких после обычного выдоха. Данный воздух находится в альвеолах и обеспечивает потребление кислорода для обменных процессов в капиллярах легких.
Такая же небольшая порция альвеолярного воздуха удаляется при выдохе, что способствует стабилизации его состава.
Регуляция дыхания. Нервно-регуляторная и гуморальная регуляция дыхания.
Внешнее дыхание- это обмен воздуха между альвеолами легких и внешней средой, которое осуществляется в результате ритмического дыхания движения грудной клетки,вызывающих чередование актов вдоха и выдоха.
Главная цель внешнего дыхания - поддержание оптимальный состав артериальной крови. Основной способ для достижения этой цели - регулирование объема легочной вентиляции путем изменения частоты и глубины дыхания. Какие же механизмы обеспечивают приспособление дыхания к меняющимся потребностям организма? Организм располагает двумя регуляторными системами - нервной и гуморальной . Последняя представлена циркулирующими в крови гормонами и метаболитами, которые могут влиять на дыхание.
Регуляция дыхания – называется процесс управления вентиляцией легких,направленный на поддержание дыхательных констант и приспособления дыхания к условиям изменяющейся внешней среды.
Следовательно, для осуществления дыхательных движений нужен продолговатый мозг и тот отдел спинного мозга, который посылает двигательные нервы к дыхательным мышцам.
ГАЗООБМЕН И ТРАНСПОРТ ГАЗОВ
Газообмен и транспорт СО2
Поступление СО2 в легких из крови в альвеолы обеспечивается из следующих источников: 1) из СО2, растворенного в плазме крови (5-10%); 2) из гидрокарбонатов (80-95%); 3) из карбаминовых соединений эритроцитов (5-15%), которые способны диссоциировать.
Для СО2 коэффициент растворимости в мембранах аэрогематического барьера больше, чем для О2, и составляет в среднем 0,231 ммоль*л-1 кПа-1 поэтому СО2 диффундирует быстрее, чем O2. Это положение является верным только для диффузии молекулярного СО2. Большая часть СО2 транспортируется в организме в связанном состоянии в виде гидрокарбонатов и карбаминовых соединений, что увеличивает время обмена СО2, затрачиваемое на диссоциацию этих соединений.
В венозной крови, притекающей к капиллярам легких, напряжение СО2 составляет в среднем 46 мм рт.ст. (6,1 кПа), а в альвеолярном воздухе парциальное давление СО2 равно в среднем 40 мм рт.ст. (5,3 кПа), что обеспечивает диффузию СО2 из плазмы крови в альвеолы легких по концентрационному градиенту.
Эндотелий капилляров проницаем только для молекулярного СО2 как полярной молекулы (О - С - О). Из крови в альвеолы диффундирует физически растворенный в плазме крови молекулярный СО2. Кроме того, в альвеолы легких диффундирует СО2, который высвобождается из карбаминовых соединений эритроцитов благодаря реакции окисления гемоглобина в капиллярах легкого, а также из гидрокарбонатов плазмы крови в результате их быстрой диссоциации с помощью фермента карбоангидразы, содержащейся в эритроцитах.
Молекулярный СО2 проходит аэрогематический барьер, а затем поступает в альвеолы.
В норме через 1 с происходит выравнивание концентраций СО2 на альвеолярно-капиллярной мембране, поэтому за половину времени капиллярного кровотока происходит полный обмен СО2 через аэрогематический барьер. Реально равновесие наступает несколько медленнее. Это связано с тем, что перенос СО2, так же как и О2, ограничивается скоростью перфузии капилляров легких.
Диффузия СО2 из тканей в кровь. Обмен СО2 между клетками тканей с кровью тканевых капилляров осуществляется с помощью следующих реакций: 1) обмена С1- и НСО3- через мембрану эритроцита; 2) образования угольной кислоты из гидрокарбонатов; 3) диссоциации угольной кислоты и гидрокарбонатов.
В ходе газообмена СО2 между тканями и кровью содержание НСОз- в эритроците повышается и они начинают диффундировать в кровь. Для поддержания электронейтральности в эритроциты начнут поступать из плазмы дополнительно ионы С1- Наибольшее количество бикарбонатов плазмы крови образуется при участии карбоангидразы эритроцитов.
Карбаминовый комплекс СО2 с гемоглобином образуется в результате реакции СО2 с радикалом NH2 глобина. Эта реакция протекает без участия какого-либо фермента, т. е. она не нуждается в катализе. Реакция СО2 с Нb приводит, во-первых, к высвобождению Н+; во-вторых, в ходе образования карбаминовых комплексов снижается сродство Нb к О2. Эффект сходен с действием низкого рН. Как известно, в тканях низкое рН потенцирует высвобождение О2 из оксигемоглобина при высокой концентрации СО2 (эффект Бора). С другой стороны, связывание О2 гемоглобином снижает сродство его аминогрупп к СО2 (эффект Холдена).
Каждая реакция в настоящее время хорошо изучена. Например, полупериод обмена С1-и НСО3- равен 0,11-0,16 с при 37 oС. В условиях in vitro образование молекулярного СО2 из гидрокарбонатов происходит чрезвычайно медленно и диффузия этого газа занимает около 5 мин, тогда как в капиллярах легкого равновесие наступает через 1 с. Это определяется функцией фермента карбоангидразы угольной кислоты. В функции карбоангидразы выделяют следующие типы реакций:
СО2+Н2Оß> H2СО3 ß> H++НСО3-
Процесс выведения СО2 из крови в альвеолы легкого менее лимитирован, чем оксигенация крови. Это обусловлено тем, что молекулярный СО2 легче проникает через биологические мембраны, чем О2. По этой причине он легко проникает из тканей в кровь. К тому же карбоангидраза способствует образованию гидрокарбоната. Яды, которые ограничивают транспорт О2 (такие как СО, метгемоглобинобразующие субстанции - нитриты, метиленовый синий, ферроцианиды и др.) не действуют на транспорт СО2. Блокаторы карбоангидразы, например диакарб, которые используются нередко в клинической практике или для профилактики горной или высотной болезни, полностью никогда не нарушают образование молекулярного СО2. Наконец, ткани обладают большой буферной емкостью, но не защищены от дефицита О2. По этой причине нарушение транспорта О2 наступает в организме гораздо чаще и быстрее, чем нарушения газообмена СО2. Тем не менее при некоторых заболеваниях высокое содержание СО2 и ацидоз могут быть причиной смерти.
Измерение напряжения О2 и СО2 в артериальной или смешанной венозной крови производят полярографическими методами с использованием очень небольшого количества крови. Количество газов в крови измеряют после их полного извлечения из пробы крови, взятой для анализа.
Такие исследования выполняют с помощью манометрических приборов типа аппарата Ван-Слайка, или гемоалкариметра (необходимо 0,5-2,0 мл крови) или на микроманометре Холандера (необходимо около 50 мкл крови).
