Газзобмен в легких. Физиология дыхания Газообмен в легких
 Скачать 100.5 Kb.
|
|
Физиология дыхания Газообмен в легких. В легких происходит газообмен между вдыхаемым и альвеолярным воздухом.
Азот ни принмает участие в дыхание, но содержание азота возрастает так как происходит увлажнение воздуха в легких и возрастает содержание водяных паров. Газообмен между газовыми смесями происходит в силу разности парциальных давлений газа. Общее давление газовой смеси подчиняется закону Дальтона – Общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений, составляющих ее газов. Если газовая смесь находится в пределах атмосферного давления, то тогда доля кислорода составит
На следующем этапе газообмен происходит между альвеолярным воздухом и газами крови(венозной крови подходящей к легким)/ Газы могут быть физически растворенными или связанными с чем-либо. Растворение газов зависит от состава жидкости, от объема и давления газов над жидкостью, от температуры и от природы самого газа, который растворяется. Коэффициент растворимости показывает какой объем газа может растворится в 1 мл. жидкости при T=0 и давлении газа над жидкостью 760 мм. Парциальное напряжение газа в жидкости. Оно создается растворенными формами, а не химическими соединениями данного газа. Количество растворенного кислорода в венозной крови =0,3 мл на 100 мл крови. Углекислый газ =2,5 мл на 100 мл крови. Остальное содержание приходится на другие формы – у кислорода – оксигемоглобин, углекислый газ – угольная кислота, ее солей бикарбоната натрия и калия и в форме карбогемоглобина. На уровне альвеол создаются условия при которых газ кислород по разности давлений будет вытеснять углекислый газ. Основная причина движения кислорода и углекислого газа – разность парциальных давлений. При этом газы проходят аэрогематический барьер, который отделяет альвеолярный воздух от крови капилляра. В него входит пленка из сурфактанта, альвеолярные пнвмоциты, базальная мембрана, эндотелий капилляра. Толщина этого барьера около 1 мкм. Скорость диффузии газа подчиняется закону Греема- Скорость диффузии газа через жидкость прямопропорциональна его растворимости и обранопропорциональна его плотности. Растворимость углекислого газа значительно выше(20 раз), чем у кислорода. 6-8 мм – разница давления для обмена углекислого газа Закон Фика(диффузия газа) M/t = k*A/l(p1-p2)=k*A/l*∆p K-коэффициент Крога А – площадь, l-толщина Газообмен проходит за 0,1 с. Факторы, влияющие на газообмен-
Идеальным соотношением вентиляции 0,8-1(5 л воздуха и 5 литров крови т.е. приблизительно 1). Если альвеолы не вентилируются, а кровоснабжение осуществляется нормально, то парциальное давление газов в альвеолярном воздухе устанавливается таким же, как и напряжение газов венозной крови(40 – для кислорода 40-46 – для углекислого газа) Отношение вентиляции к перфузии = 0. Если осуществляется вентиляция не работающих альвеол, но питающихся к крови. Отношение стремится к бесконечности, парциальное давление в альвеолярном воздухе будет практически соответствовать парциальному давлению атмосферного воздуха. Если отношение вентиляции к перфузии 0,6, то это показывает на недостаточную относительно кровотока вентиляцию, а следовательно и низкое содержание кислорода в артериальной крови. Высокое вентиляционно-перфузионное отношение(например 8) – это чрезмерное, по отношению к кровотоку вентиляция, и содержание кислорода в артериальной крови – в норме. Гипервентиляция одних участков не может компенсировать гиповентиляцию других. Содержание газов в крови в объемных процентах
Ткани поглощают 6 объемных процентов кислорода - артерио – венозная разница(в норме 6-8) O2 – 0,3 об % CO2 – 2,5 об % Остальная часть в химически связанном виде. Для кислорода – оксигемоглобин, который образуется при оксигенации(не меняет степени окисления железа) молекулы гемоглобина. При высоком парциальном давлении гемоглобин связывается с кислородом, а при низком – отдача. Зависимость образования оксигемоглобина от парциального давления – это кривая с непрямой зависимостью. Кривая диссоциации имеет S образную форму  Напряжение зарядки – оно соответствует 95% содержанию оксигемоглобина(95 % достигается при 80 мм рт.ст.) Напряжение разрядки – понижение до 50%. P50=26-27 мм.рт.ст. P O2 от 20 до 40 –соответствует деоксигенации, напряжение O2 в тканях 1,34 мл кислорода связывается с 1 г гемоглобина. Основным фактором, который будет способствовать соединению кислорода к гемоглобину напряжение кислорода на ход кривой диссоциации будут влиять ряд других – вспомогательных факторов- - снижение pH крови – сдвиг кривой вправо - повышение температуры – вправо - повышение 2,3ДФГ Тоже сдвигает кривую вправо - увеличение CO2 тоже смещает вправо Физиологически это очень полезно. Изменение этих показателей в обратную сторону сдвигает кривую в сторону образования большего количества оксигемоглобина. Это будет иметь значение в легких. Кривая диссоциации зависит от формы гемоглобина. Гемоглобин F обладает большим сродством к кислороду. Это позволяет плоду забирать большое количества кислорода. То, что происходит в капиллярах большого круга кровообращения. В клетках происходит окислительный процесс, завершающийся поглощением кислорода и отдачей углекислого газа и воды. Есть все условия(парциальное давление), чтобы углекислый газ поступал из клеток в плазму(в ней он растворяется до 2,5%, но это предел, дальше растворяться не может). Углекислый газ попадает в эритроцит. Происходит связь углекислого газа и воды за счет угольного ангидрида с образованием угольной кислоты. В эритроцитах образуется угольная кислота, которая диссоциирует на анион НСО3 и анион водорода. Происходит накопление анионов. Концентрация их будет больше, чем в плазме. Анион HCO3 пойдет в плазму за счет разности концентраций. В плазме крови больше содержится натрия, который находится всегда вместе с хлором. Выход анионов увеличивает отрицательные заряды – создается электро-химический градиент, который заставляет хлор из плазмы уходить в эритроцит. В капилярых большого круга произойдет временной расставание Na и Cl. Na вступает в новую связь HCO3исходит образование бикарбоната натрия, но зато в плазме формируется форма транспорта углекислого газа. С кислородом. Его содержание в клетках малое – оксигемоглобин распадается на кислород и восстановленный гемоглобин, обладающий мене выраженными кислотными свойствами. KHbO2 + H2CO3 = KHCO3 + HHb + O2/ Гемоглобин выполняет буферные свойства, предупреждает сдвиг в кислую сторону, также происходит отдача кислорода. В эритроцитах образуется бикарбонат калия – форма транспорта кислорода. Углекислый газ может связываться непосредственно с гемоглобином – к белковой части(NH2), образуется карбониновая связь – R-NH2 + CO2 = R-NHCOOH. Формируются все формы транспорта углекислого газа – растворенная форма(2,5%), соли угольной кислоты и сама угольная кислота. На их долю 60-70% транспорта CO2, 10-15% - в форме карбгемоглобина. Кровь таким образом превращается венозную и дальше ей предстоит путь в легкие, где будет происходить процессы газообмена в легких. В легких стоит задача получить кислород и отдать углекислый газ. В легких кислород из альвеолярного воздуха через аэрегометический барьер проходит в плазму и в альвеоцит. Кислород связывается с гемоглобином, т.е. KHCO3 + HHb + O2= KHbO2 + H2CO3. Угольная кислота при низком напряжении CO2 подвергается с помощью угольного ангидрида распаду на воду и углекислый газ. Углекислый газ покидает эритроцит и уходит в альвеолярный воздух и соответственно концентрация аниона HCO3 в эритроците будет падать. Анион HCO3 уходит из плазмы в эритроцит. Внутри эритроцита больше отрицательных ионов и хлор возвращается к натрию. Происходит распад карбониновой связи. Углекислый газ отсоединяется от гемоглобина и углекислый газ уходит в плазму и в альвеолярный воздух. Разрушение форм транспорта углекислого газа. Дальше все процессы повторяются вновь. Регуляция дыхания Под регуляцией дыхания понимается совокупность нервных и гуморальных механизмов, обеспечивающих ритмическую и согласованную работу дыхательных мышц, при которой осуществляется достаточное потребление кислорода и удаление углекислого газа. Это можно достигнуть за счет изменения работы дыхательных мышц. Нервная система принимает участие в регуляции дыхания. Это проявляется с одной стороны с автоматической регуляции дыхания(функции центров мозгового ствола). В то же время есть произвольная регуляция дыхания, которая зависит от функции коры больших полушарий. Области ЦНС, которые связаны с регуляцией дыхательной функции называют дыхательными центрами. При этом, скопление нейронов, участвующих в регуляции дыхания наблюдаются на разных уровнях, кора, гипоталамус, варолиев мост, продолговатый мозг и в спинном мозге. Значимость отдельных участков будет не одинакова. Моторные нейроны спинного мозга – это 3-5 шейные сегменты, которые иннервируют диафрагму и верхние 6 грудных сегментов, которые иннервируют межреберные ножки. Это будут рабочие или сегментарные центры. Они непосредственно передают сигнал для сокращения дыхательных мышц. Центры спинного мозга самостоятельно(без влияния) работать не могут. После повреждения высших – дыхание останавливается. Автоматическая регуляция дыхания связана с функцией жизненно-важного центра, который находится в продолговатом мозге. Рассматривая продолговатый мозг – там имеются 2 центра – дыхательный и регуляции кровообращения. Центр продолговатого мозга обеспечивает автоматическую регуляцию дыхания и дыхательный центр продолговатого мозга. Легаллуа 1812, Флуранс 1842, Миславский 1885 – подробное изучение дыхательных центров продолговатого мозга. Дыхательный центр включает медиальный отдел ретикуярной формации продолговатого мозга, который находится по обе стороны от линии и проксимально это соответствует выходу подъязычного нерва, а каудально он доходит до олив и пирамид. дыхательный центр это парное образование. Выделяют нейроны, которые отвечают за вдох и нейроны, которые отвечают за выдоха – экспираторный отдел. В настоящее время установлено, что генерация центрального ритма дыхания связана с взаимодействием 6 групп нейронов, которые локализованы в 2х ядрах – дорсальное дыхательное ядро, оно прилегает к ядру одиночного тракта. К одиночному тракту приходят импульсы от 9 и 10 пары черепно-мозговых нервов. В дорсальном дыхательном ядре сосредоточены в основном нейроны вдоха и дорсальное. Дыхательное ядро при возбуждении посылает поток импульсов к диафрагмальным нервам. Вентральное дыхательное ядро, в него входит 4 ядра. Наиболее каудально лежит ретроамбигулярное ядро, состоящее из нейронов выдоха. К этой же группе относится двойное ядро, которое регулирует расслабление глотки, гортани и языка 3е-параамбигулярное ядро и оно занимает более передние отделы и лежит параллельно с двойным ядром и в нем содержаться нейроны вдоха и респираторный нейрон. 4й-нейрон Комплекс Бетцингера, который принимает участие в выдохе. В этих ядрах 6 групп нейронов –
3 фазы дыхательного цикла – инспираторная фаза, постинспираторная фаза или первая экспираторная фаза, 2ая экспираторная фаза. В 1ую происходит вдох(инспирация)-возрастает сигнал инспиртаорных усиливающих нейронов – нейроны сосредоточены в дорсальном дыхательном ядре. ПО нисходящим путям сигналы передаются к центрам диафрагмального нерва, происходит сокращение диафрагмы, осуществляется акт вдоха, Для того чтобы воздух проходил в дыхательные пути происходит сокращение мышц, обеспечивающих расширение глотки и гортани. Это связано с активностью преинспираторных нейронов. Во время акта вдоха происходит контроль двух параметров – скорость прироста нарастающих сигналов нейрона и этот момент определяет продолжительность акта вдоха, вторая фактор – достижение лимитирующей точки, при которой инспираторный сигнал внезапно пропадает и это пропадает к первой экспираторной фазе, это приводит к расслаблению мышц вдоха и это будет сопровождаться пассивным выдохом. Нейроны вдоха имеются и в вентральном дыхательном ядре и эти нейроны контролируют сокращение наружных косых межреберных мышц и вспомогательных мышц вдоха, но при спокойном дыхании нет необходимости включения этих нейронов. В след за первой экспираторной фазой может наступить вторая экспираторная фаза, связанная с активным выдохом и эта фаза обусловлена включением усиленных нейронов выдоха, которые лежат в каудальной части вентрального дыхательного ядра и сигнал от этих нейронов передается к внутренним косым межреберным мышцами к мышцам брюшного пресса – активный выдох. Т.о. на уровне продолговатого мозга работают 6 групп дыхательных нейронов, которые создают довольно сложные нейронные цепи, обеспечивающие акт вдоха и выдоха, при этом активация нейронов вдоха подавляет группу нейронов выдоха. Эти группы находятся в антагонистических отношениях. В цепях этих нейронов обнаружены многочисленные медиаторы, которые относятся к возбуждающим(глутамат, ацетилхоин, вещество P), тормозные медиаторы – ГАМК и глицин. Кпереди от вентрального дыхательного ядра располагается комплекс Бетцингера. Только нейроны выдоха содержатся в этом комплексе. Активация этого комплекса, котоырй получает сигналы в основном от одиночного тракта оказывает тормозное влияние на нейроны вдоха в дорсальном и вентральном комплексным ядрам и стимулирует каудальную часть вентрального ядра нейринов выдоха. Комплек Бетцингера предназначен для стимуляции фазы выдоха. В области Варолиево моста находятся нейроны связанные с дыхательным циклом и они обнаружены в двух ядрах моста – парабрахиальном и ядру Келликера Фьюзе. В этих ядрах обнаружены нейроны, связанные с актом вдоха, выдоха и промежуточные. Эти нейроны называют пнемотоксический центр, но в современной литературе от этого термина отказываются и обозначают как дыхательная группа нейронов моста. Нейроны моста участвуют в регуляции активности нейронов продолговатого мозга, обеспечивая ритмичность дыхания. Этот центр необходим для смены акта вдоха не акт выдоха и главной функцией этой группы считается подавление активности нейронов вдоха в дорсальном дыхательном ядре. Они способствуют смене акта вдоха на выдоха. Если отделялся варолиев вдох от продолговатого мозга, то наблюдалось удлинение фазы вдоха.. Дыхательный центр продолговатого мозга обладает свойством автоматии, т.е. здесь происходит самовозбуждение нейронов и прежде всего автоматия связана с центрами вдоха. В них происходит колебание потенциала, которые вызывают самовозбуждение. Кроме автоматии центр продолговатого мозга обладает ритмичностью – обеспечивают смену фаз вдоха и выдоха. Деятельность центров продолговатого мозга –выполнять сложную интегративную работу приспособляя дыхание к разным сигналам нашего организма. Какие бы изменения дыхания не происходили – главная задача – обеспечить кислородом и вынести углекислый газ.. Активность центров изменяется как под действием рефлекторных воздействий и от гуморальных факторов. Регуляция дыхательной функции строится на принципе обратной связи. Регулируя снабжение организма кислородом, дыхательный центр СА реагирует на содержание O2 и CO2. во 2ую выдох без включения мышц выдоха. В 3ю – активный выдох – включаются мышцы выдоха. Опыт Фредерика с перекрестным кровообращением. Для проведения этого опыта брали 2 собаки, у которых перекрестно кровообращение получалось – голова одной получала кровь от нижнего отдела туловища др.(соединялись перекрестно). Если пережать трахею у первой собаки. Это вызывало умнеьшеение кислорода и избыток CO2 в крови у первой собаки. Эта кровь поступала в голову вторйо собаке. У второй собаки возникала одышка(диспное). Усиленное дыхание второй собаки спопсобствовало тому,что кровь насыщалась кислородом и углекислый газ удалялся. Дыхательный центр у первой собаки снижал активность и наблюдалась остановка дыхания(апноэ) несмотря на то, то ткани задыхались. Сдвиг в газовом составе крови приводит к изменению функций дыхательного цетра, но опыт не дает ответ – на что приемщественна дается ответ – недостаток кислорода или избыток углекислого газа. Эт о было показано в исследованиях Холдена. Холден проводил изучение изменения дыхания с разным содержанием кислорода и углекислого газа. Эти исследования провел на человеке и обнаружил, что снижение кислорода в вдыхаемом воздухе с 21 до 12 % не вызывает видимых изменений на дыхании. Повышение содержание СО2 в альвеолярном воздухе на 0,» % увеличивало вентиляцию легких на 100%. Большее значение в регуляции дыхательного центра имеет уровень содержания CO2 в крови. Дальнейшие исследования показали, что все эти факторы приводят к изменению дыхания. Ровень вот этих показателей отслеживается в организме с помощью хеморецепторов. Они воспринимают уровень содержания кислорода и углекислого газа. Хеморецепторы разделяется на 2 группы – переферичские и центральные. Переферические хеморецепторырасположены в форме клубочков в области дуги аорты и в области каротидного синуса – месте деления общей сонной на внутреннюю и наружную. Эти рецепторы получают иннервацию – каротидный языкоглотным, аортальные клубочки – вагусом. эти клубочки лежат на артериях. Кровоток в тканях клубочков самый интенсивный. Гистологическое исследование показало, что клубочки построены из главных клеток и поддерживающих, или опорных клеток. При этом в мембранах главных клеток имеются кислород-зависимые калиевые каналы, которые реагируют на уменьшение кислорода в крови проницаемость для калия уменьшается пропорционально снижается. Уменьшение выхода калия приводит к деполяризации мембраны. На следующем этапе открываются кальциевые каналы. Кальций проникает внутрь главных клеток способствуя освобождению медиатора – дофамина, вещества P. Эти медиаторы будут возбуждать нервные окончания. От хеморецпторов сигнал пойдет в продолговатый мозг. Будет происходить стимуляция, возбждение нейронв вдоха, дыхание будет учащаться . Особую чувсвительность эти рецепторы проявляют при снижении кислорода с 60 мм о 20 мм. Переферические хеморецепторы проявляют высокую чувствительность к недостатку кислорода. При возбуждении хеморецепторов происходи учащение дыхания, без изменения глубины. Это центральный хеморецепторы, которые располагаются на вентральнйо поверхности продолговатого мозга и на вентральнйо поверхности было обнаружено три поля M, L, S. Центральные хеморецепторы проявляют избирательную хемочувсвительность. К действию протонов в спинномозговой жидкости. Повышение протонов водорода идет за счет взаимодействия углекислого газа и воды, который образует угольную кислоту, которая дисоциирует на протон водорода и анион. Происходит усилении и инспираторных и экспираторных нейронов дыхательного центра. Центральные хеморецепторы отличаются медленным но более длительным возбуждением и проявляют повышенную чувствительность к наркотикам. Использование морфия, как обезболивающего вызывает побочный эффект – угнетение дыхания. Для саморегуляции очень видны импульсы, которые сигнализируют об объемах легких, его изменениях, что обеспечивает регялцию частоты и глубины дыхания. На дыхательный центр влияют рецепторы мышечного и сухожильного аппарата грудной клетки, проприорецепторым мышц и сухожилий грудной клетки информируют о длине и степени напряжении дыхательных мышц, что имеет значение для оценки работы при дыхании. К дыхательному центру поступает информация с других систем – сердчено-сосудистая, с рецепторов органов пищеварения, температурные и болевые рецепторы кожи, со скелетных мышц и сухожилий, суставов, т.е. дыхательный центр получает очень разнообразную информацию. Наибольшее значение имеет рецепторы дыхательных путей и легких. В них выделяют 3 группы механорецепторов –
|