Физиология дыхания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Физиология дыхания

1.1 Общие принципы

1.2 Легочная вентиляция

1.3 Биомеханика дыхания

1.4 Аэродинамика дыхания

1.5 Транспорт газов кровью

1.6 Внешнее дыхание

1.7 Регуляция дыхания

2. Физиология обмена веществ и энергии

2.1 Субстратное обеспечение энергетического обмена

2.2 Энергетический обмен в различных условиях

2.3 Энергетический баланс

2.4 Терморегуляция



1. Физиология дыхания

1.1 Общие принципы

Дыхание - это обмен дыхательными газами (O₂ и CO₂) между атмосферным воздухом и клетками. Этот обмен протекает в пять стадий.

1. Обмен между атмосферным воздухом и альвеолами - легочная вентиляция.

2. Обмен между альвеолами и кровью - легочная диффузия.

3. Перенос между легочными и системными капиллярами (то есть от легких к тканям и обратно) - транспорт кровью.

4. Обмен между системными капиллярами и клетками - тканевая диффузия.

5. Потребление клетками O₂ и выделение CO₂ - клеточное дыхание.

Первые две стадии называют внешним дыханием, последние две - внутренним дыханием.

В процессах дыхания участвуют два типа транспорта:

- диффузионный транспорт - диффузия дыхательных газов через биологические мембраны по градиенту концентрации их свободных молекул; это - 2-я и 4-я стадии;

- конвекционный транспорт - перенос дыхательных газов вместе с движущейся средой (convectio - совместный перенос): воздухом (1-я стадия) или кровью (3-я стадия).

Органы внешнего дыхания - это легкие (а также дыхательные пути, грудная клетка, дыхательные мышцы). Соответственно двум стадиям внешнего дыхания - легочной вентиляции и легочной диффузии - легкие выполняют вентиляционную и газообменную функции. Мы рассмотрим сначала легочную вентиляцию, затем - содержание дыхательных газов в крови (транспорт газов кровью), и только потом вернемся к газообмену в легких и к системе внешнего дыхания в целом, - так как, не зная свойств крови как переносящей газы жидкости, невозможно понять особенности газообмена между альвеолярным воздухом и кровью.

1.2 Легочная вентиляция

дыхание инспирация кровь альвеола

Эта тема сводится к четырем основным вопросам.

1. Каковы объемы легких, то есть сколько воздуха содержат или могут содержать легкие в разных условиях? Это статические показатели функции легких (легочные объемы и емкости); они измеряются в литрах (миллилитрах).

2. Какова производительность легких, то есть какой объем воздуха легкие перекачивают в единицу времени? Это динамические показатели функции легких (показатели вентиляции); они измеряются в литрах в минуту.

3. Каков механизм работы легких, то есть какие силы действуют в дыхательной системе во время дыхания? Этот вопрос изучает биомеханика дыхания.

4. Какова скорость воздушного потока в дыхательных путях и от чего она зависит? Этот вопрос изучает аэродинамика дыхания.

Легочные объемы и емкости. Выделяют 4 простых объема и 4 составных объема; последние представляют собой суммы двух или нескольких объемов и называются легочными емкостями, а простые объемы при этом называют просто легочными объемами.

Легочные объемы:

- дыхательный объем: объем воздуха, вдыхаемый (или выдыхаемый) при одном вдохе (выдохе). В норме при спокойном дыхании - до 500 мл;

- резервный объем вдоха: объем воздуха, который можно дополнительно вдохнуть после спокойного вдоха. В норме - 2000-3000 мл;

- резервный объем выдоха: объем воздуха, который можно дополнительно выдохнуть после спокойного выдоха. В норме - около 1000-1500 мл;

- остаточный объем легких: объем воздуха, который остается в легких после максимального выдоха. В норме - около 1000-1500 мл.

Легочные емкости:

- жизненная емкость легких: объем воздуха, который можно выдохнуть после максимального вдоха; сумма дыхательного объема, резервного объема вдоха и резервного объема выдоха. В норме - 3000-4500 мл;

- общая емкость легких: объем воздуха, содержащийся в легких на высоте максимального вдоха; сумма жизненной емкости легких и остаточного объема легких. В норме - 4000-6000 мл;

- функциональная остаточная емкость: объем воздуха, содержащийся в легких после спокойного выдоха; сумма резервного объема выдоха и остаточного объема легких. В норме - 2000-3000 мл;

- емкость вдоха: объем воздуха, который можно вдохнуть после спокойного выдоха; сумма дыхательного объема и резервного объема вдоха. В норме - 2500-3500 мл.

Приведенные количественные значения сильно колеблются, зависят от пола, возраста, роста и других факторов и являются ориентировочными.

Кратко охарактеризуем некоторые наиболее важные из легочных объемов и емкостей.

Жизненная емкость легких. Этот показатель зависит от эластичности легких и грудной клетки, состояния дыхательных мышц и их иннервации, изменяется в зависимости от уровня тренированности и является одним из самых распространенных показателей функции внешнего дыхания.

Остаточный объем легких. Этот объем нельзя измерить (а следовательно, нельзя измерить или рассчитать функциональную остаточную емкость и общую емкость легких) при спирометрии. Он определяется другими методами. Остаточный объем легких - важный клинический показатель; в частности, он снижается при многих состояниях, характеризующихся затрудненным выдохом.

Функциональная остаточная емкость. Этот показатель равен объему воздуха в легких перед началом вдоха. Этот объем достаточно велик, что предупреждает резкие колебания состава альвеолярного воздуха в процессе дыхания: при каждом вдохе альвеолярный воздух обновляется лишь на небольшую часть. Кроме того, за счет большой функциональной остаточной емкости в альвеолах создается резерв воздуха на случай длительной задержки дыхания.

Мертвое пространство. В легких можно выделить два отдела:

- альвеолярное пространство - все отделы легких, в которых идет газообмен (альвеолы и альвеолярные ходы);

- мертвое пространство - все дыхательные пути, в которых не идет газообмен (верхние дыхательные пути, трахея, бронхи и бронхиолы вплоть до терминальных бронхиол).

Объем мертвого пространства составляет около 150 мл. Таким образом, при каждом вдохе 150 мл поступающего воздуха не участвуют в газообмене.

Физиологическое значение мертвого пространства. Соотношение между объемом мертвого пространства и дыхательным объемом - это один из факторов, определяющих эффективность дыхания. Так, если объем мертвого пространства = 150 мл, а дыхательный объем = 450 мл, то до альвеол доходит (и участвует в газообмене) две трети дыхательного объема; если же дыхательный объем = 300 мл, то до альвеол дойдет всего половина.

Диагностическое значение мертвого пространства. При определенных ситуациях некоторые альвеолы вентилируются, но газообмен в них не идет (например, если они не снабжаются кровью); объем мертвого пространства возрастает. В связи с этим выделяют анатомическое мертвое пространство (дыхательные пути) и функциональное мертвое пространство (анатомическое мертвое пространство + альвеолы, в которых идет вентиляция, но не газообмен). В норме они практически равны; если функциональное мертвое пространство существенно больше, то это, как правило, признак патологии.

Показатели вентиляции. Основных таких показателей три.

1. Минутный объем дыхания (МОД) - объем воздуха, проходящий через легкие за минуту. В покое МОД составляет 6-8 л/мин.

2. Максимальная вентиляция легких (МВЛ) - объем воздуха, который мог бы пройти через легкие за минуту при максимально интенсивном (частом и глубоком) дыхании.

3. Альвеолярная вентиляция (АВ) - объем воздуха, проходящий через альвеолярное пространство за минуту.

Кратко охарактеризуем эти показатели.

МВЛ отражает максимальные резервы дыхательной системы, которые никогда не используются: МВЛ может достигать 180 л/мин, а МОД даже при самой интенсивной нагрузке не превышает 100 л/мин. Чтобы рассчитать МВЛ, человека просят дышать максимально интенсивно в течение 10 с и полученный объем воздуха перерассчитывают на 1 мин.

МОД всегда больше АВ, так как часть МОД идет на вентиляцию мертвого пространства.

Для газообмена важнее величина АВ, но работа дыхательных мышц зависит от МОД.

Динамические показатели связаны со статическими, а именно с дыхательным объемом и объемом мертвого пространства, через частоту дыханий:

МОД = ДО ґ ЧД, (1)

АВ = (ДО - ОМП) ґ ЧД, (2)

где ДО - дыхательный объем; ОМП - объем мертвого пространства; ЧД - частота дыханий.

1.3 Биомеханика дыхания

Общий механизм дыхания. В дыхании участвуют две группы мышц:

- инспираторные (inspiratio - вдох): диафрагма и наружные межреберные мышцы;

- экспираторные (expiratio - выдох): внутренние межреберные мышцы и мышцы брюшного пресса.

Как мы увидим ниже, в спокойном дыхании участвуют только инспираторные мышцы.

Последовательность дыхательного цикла следующая.

1. Сокращение инспираторных мышц вызывает расширение грудной клетки и опускание диафрагмы.

2. Легкие следуют за грудной клеткой и диафрагмой и при этом сами расширяются.

3. В результате давление в легких падает, в них засасывается воздух и происходит вдох.

4. Затем дыхательные мышцы расслабляются.

5. Растянувшиеся при вдохе легкие спадаются, за ними следуют грудная клетка и диафрагма.

6. В результате давление в легких повышается, из них выдавливается воздух и происходит выдох.

Таким образом, вдох происходит за счет мышечной силы (активно), а выдох - за счет упругой силы растянутых легких (пассивно). Это касается спокойного выдоха; в форсированном выдохе дополнительно участвуют экспираторные мышцы.

Между легкими с одной стороны, и диафрагмой и грудной клеткой - с другой, находится плевральная полость. Эта полость герметична и заполнена жидкостью; поскольку жидкости несжимаемы, легкие при вдохе следуют за грудной клеткой (и диафрагмой), а грудная клетка при выдохе - за легкими (в норме плевральная полость представляет собой узкую щель между висцеральной и париетальной плеврой; эта щель заполнена тончайшим слоем жидкости, так что висцеральная и париетальная плевра фактически сцеплены друг с другом, как два смоченных водой стекла).

Силы, действующие в легких и грудной клетке в ходе дыхательного цикла

Мы убедились в том, что в легких и грудной клетке действуют силы, создаваемые мышцами, и упругие силы. Последние имеют огромное значение в норме и патологии:

- с одной стороны, значительная часть работы дыхательных мышц приходится на преодоление упругих сил;

- с другой стороны, упругие силы поддерживают в растянутом и, следовательно, раскрытом состоянии многие внутригрудные структуры, в частности сосуды и мелкие дыхательные пути.

Рассмотрим силы, действующие в дыхательном аппарате (легких и грудной клетке) в три момента: 1) конец спокойного выдоха; 2) высота спокойного вдоха; 3) процесс спокойного выдоха.

Конец спокойного выдоха. Дыхательные мышцы расслаблены, дыхательный аппарат находится в состоянии покоя, но силы в нем действуют: если создать пневмоторакс (разгерметизировать плевральную полость), то легкие спадутся. Следовательно, на них действует сила, направленная к корню. Это упругая сила легких Fл, называемая также эластической тягой легких. Основные факторы, создающие эту силу, следующие:

- растяжение эластических волокон легких;

- поверхностное натяжение жидкости, покрывающей альвеолы. Эта сила существенно (в пять раз) меньше по сравнению с поверхностным натяжением такой же по площади водной пленки благодаря наличию в альвеолярной жидкости поверхностно-активных веществ - сурфактантов.

Под действием упругой силы Fл легкие стремятся уменьшить свой объем и при этом тянут за собой грудную клетку. Поскольку грудная клетка также обладает упругостью, в ней, как в сжатой пружине, также возникает упругая сила, направленная противоположно упругой силе легких; это упругая сила грудной клетки Fг. В конце спокойного выдоха эти силы равны, но направлены противоположно; поэтому дыхательный аппарат находится в покое:

Fл = Fг. (3)

При пневмотораксе, таким образом, легкие спадутся, а грудная клетка расширится.

Конец спокойного вдоха. Предположим, что мы сделали вдох и зафиксировали грудную клетку на высоте вдоха с помощью дыхательных мышц. При этом:

- появилась новая сила, обусловленная сокращением дыхательных мышц (Fм);

- упругая сила легких Fл возросла, так как легкие еще больше растянулись;

- упругая сила грудной клетки Fг уменьшилась, так как грудная клетка расширилась в направлении действия этой силы.

Поскольку дыхательный аппарат зафиксирован, суммы сил, действующих в разных направлениях, равны:

Fл = Fг + Fм. (4)

Процесс спокойного выдоха. Инспираторные мышцы расслабились, сила Fм (уравнение (4)) исчезла, легкие вместе с грудной клеткой стали смещаться к корню под действием упругой силы легких, превышающей упругую силу грудной клетки:



Fл > Fг. (5)

Плевральное давление как показатель упругих сил

Легкие в грудной клетке растянуты, и эта растягивающая сила действует на все внутригрудные структуры - сосуды, дыхательные пути и пр., они как бы подвешены в грудной полости на растянутых пружинках. Для поддержания в раскрытом состоянии образований с мягкими стенками и с низким давлением в просвете (вены, бронхиолы) эта растягивающая сила играет решающую роль. Показателем этой растягивающей силы служит так называемое плевральное давление.

Одна и та же по величине сила действует и на стенки бронхиол и кровеносных сосудов, и на пищевод, и на висцеральный листок плевры, стремясь оттянуть его по направлению к корню. Очевидно, что при этом в плевральной полости создается некоторое разряжение, то есть отрицательное (по отношению к атмосферному) давление. Это давление и называют плевральным давлением.

Рассмотрим подробно происхождение плеврального давления и его изменения в процессе дыхания; для этого вернемся к рис. 10.2, В. На этом рисунке приведена модель в виде цилиндра с двумя поршнями; левый поршень соответствует грудной клетке, правый - легким, пространство между поршнями - плевральной полости. Соединенные с поршнями пружины изображают упругие силы легких и грудной клетки; вместо сил приведены создаваемые ими давления (давление = сила на единицу площади).

В состоянии покоя дыхательного аппарата (конец спокойного выдоха, левый рисунок) за каждый поршень тянет соединенная с ним пружина, поэтому в пространстве между поршнями создается разрежение (отрицательное плевральное давление Pпл). В покое оно составляет около -5 см вод. ст. Поскольку поршни не движутся (нет ни вдоха, ни выдоха), давления, действующие на каждый поршень с обеих сторон, одинаковы. Снаружи на поршни действуют упругие давления легких Pл (на левый поршень) и грудной клетки Pг (на правый), а изнутри - плевральное давление. Значит

Pг = Pпл; (6)

Pл = Pпл; (7)

или Pг = Pпл = Pл. (8)

При вдохе появляется третья сила (мышечная) и, соответственно, создаваемое ей давление Pм; левый поршень (грудная клетка) смещается влево, степень разрежения в пространстве между поршнями (плевральной полости) увеличивается, плевральное давление становится еще более отрицательным (примерно -8 см вод. ст.). При задержке дыхания на высоте вдоха (рисунки в центре):

Pг + Pм = Pпл; (9)

Pл = Pпл; (10)

или Pг + Pм = Pпл = Pл. (11)

Видно (уравнения (8) и (11)), что и при выдохе, и при вдохе Pпл = Pл; иными словами, плевральное давление служит показателем упругой силы (эластической тяги) легких Эти рассуждения относятся к естественному медленному дыханию, когда давление в альвеолах (альвеолярное давление) близко к атмосферному (см. ниже, разд. "Аэродинамика дыхания"). При форсированном дыхании или искусственной вентиляции легких давление в альвеолах при вдохе и выдохе существенно отличается от атмосферного, и расклад сил становится иным..

Регистрация плеврального давления

Плевральное давление называется так потому, что его впервые зарегистрировали в плевральной полости после ее пункции. Аналогичное давление создается в любых полых структурах грудной полости; в настоящее время регистрируют давление в пищеводе, но по традиции продолжают называть его плевральным, хотя все чаще используют термин "внутригрудное давление".

1.4 Аэродинамика дыхания

Этот раздел изучает движение воздушной струи в дыхательных путях.

Механизмы воздушного потока. Движущей силой для движения воздуха служит разность давлений. При вдохе легкие расширяются и в альвеолах создается некоторое разрежение - альвеолярное давление становится меньше атмосферного. Разница между атмосферным и альвеолярным давлениями служит движущей силой для потока воздуха при вдохе. При выдохе легкие спадаются, альвеолярное давление несколько повышается и становится больше атмосферного. Движущей силой для потока воздуха при выдохе также служит разница между атмосферным и альвеолярным давлениями, только направлена она уже в другую сторону.

Количественное описание воздушного потока

Воздушный поток - это количество воздуха, проходящее через дыхательные пути в единицу времени; он измеряется в л/с.

Воздушный поток прямо пропорционален движущей силе (разнице между атмосферным и альвеолярным давлением) и обратно пропорционален сопротивлению дыхательных путей; отсюда, в некотором приближении:

Q = (Pальв - Pатм)/R, (12)

где Q - воздушный поток в дыхательных путях; Pальв - альвеолярное давление; Pатм - атмосферное давление; R - сопротивление дыхательных путей.

Или, если принять атмосферное давление за ноль:

Q = Pальв/R. (13)

Из уравнения (13) следует, что при повышении сопротивления дыхательных путей (например, при спазме бронхиол) необходимый воздушный поток может быть достигнут за счет повышения альвеолярного давления. Однако это повышение не безгранично из-за динамического закрытия дыхательных путей.

Динамическое закрытие дыхательных путей

Этот эффект обусловлен двумя факторами:

- действием соседних альвеол друг на друга;

- мягкостью стенок мелких бронхиол.

Пусть при форсированном выдохе альвеолярное давление достигает 8 см вод. ст. Это давление передается на дыхательные пути соседних альвеол и стремится их сжать. Однако эти дыхательные пути не спадаются, так как в противоположном направлении действуют две силы:

- растягивающая упругая сила, равная эластической тяге легких, давление этой силы составляет 7 см вод. ст.;

- остаточное давление в дыхательных путях: по мере удаления от альвеолы давление падает, но все же не до нуля. К тому моменту, когда в стенке бронхиол появляются хрящевые кольца (от этого участка дыхательные пути уже спадаться не могут), давление снизилось вдвое и стало равным 4 см вод. ст.

Таким образом, сдавливающее давление в данном случае равно 8 см вод. ст., а противодействующее ему - 4 + 7 = 11 см вод. ст.; дыхательные пути не спадаются.

На рис. 10.4, Б изображены те же две альвеолы, но только выдох еще более резкий - альвеолярное давление достигает 18 см вод. ст. К точке появления хрящевых колец давление в дыхательных путях, как и в предыдущем случае, снижается вдвое (до 9 см вод. ст.), и сумма растягивающих давлений (9 + 7 = 16 см вод. ст.) становится меньше сдавливающего - дыхательные пути спадаются. Это и есть динамическое закрытие дыхательных путей.

Из этого следуют следующие важные особенности.

Максимальная скорость форсированного выдоха всегда меньше, чем вдоха, так как на вдохе альвеолярное давление, напротив, становится отрицательным и не сдавливает соседние дыхательные пути.

По мере форсированного выдоха скорость воздушного потока снижается, так как чем меньше объем легких, тем меньше их эластическая тяга (см. выше, разд. "Биомеханика дыхания").

Скорость форсированного выдоха ограничена тем альвеолярным давлением, при котором наступает динамическое закрытие дыхательных путей. Попытки выдохнуть еще быстрее за счет интенсивного сокращения экспираторных мышц бесполезны: чем больше мышечное усилие, тем больше альвеолярное давление и сдавление дыхательных путей (эффект воздушной ловушки).

Любые нарушения, приводящие к снижению эластической тяги легких, сделают выдох затрудненным.

Любые нарушения, приводящие к повышению сопротивления мелких дыхательных путей (например, спазм бронхиол), также сделают выдох затрудненным, так как чем больше сопротивление, тем быстрее падает давление в дыхательных путях и, соответственно, общее давление, растягивающее дыхательные пути; вдох при этом почти не нарушится.

Показатели скорости воздушного потока

Основные методы измерения этих показателей:

- спирометрия;

- пневмотахометрия.

При спирометрии человека просят сделать максимальный вдох, затем - как можно более быстрый выдох; при этом записывают спирограмму. По мере выдоха его скорость снижается. При этом можно зарегистрировать множество показателей скорости воздушного потока; важнейшие из них - объем форсированного выдоха за первую секунду выдоха (ОФВ 1) и отношение этого объема к форсированной жизненной емкости легких ОФВ 1/ФЖЕЛ (это отношение показывает, какую часть от общего объема максимального форсированного выдоха, то есть от ФЖЕЛ, человек выдыхает за первую секунду; в норме оно составляет около 75%).

При пневмотахометрии человека также просят сделать максимальный вдох, затем - как можно более быстрый выдох, но регистрируют при этом не объем выдыхаемого воздуха (как при спирометрии), а непосредственно максимальную скорость воздушного потока.

1.5 Транспорт газов кровью

Эта тема сводится к двум взаимосвязанным вопросам.

В каком виде дыхательные газы переносятся кровью?

Каково содержание дыхательных газов в крови?

Общие принципы

Формы содержания газов в жидкостях. Газы могут пребывать в жидкостях в двух состояниях:

- физически растворенном;

- химически связанном (например, кислород с гемоглобином).

Показатели содержания газов в газовых смесях и жидкостях

Этих показателей три.

1. Фракционное содержание газа в смеси F.

2. Парциальное давление газа в смеси или жидкости p.

3. Объемная концентрация газа в жидкости c.

Определения

Фракционное содержание показывает, какой процент от общего объема газовой смеси приходится на долю данного газа:



Fг = Vг/Vсм ґ 100, (14)

где Fг - фракционное содержание газа, %; Vг - объем газа, л; Vсм - объем смеси, л. Например, фракционное содержание кислорода в атмосферном воздухе составляет 21%.

Парциальное давление. Этот показатель отражает концентрацию свободных молекул данного газа в газовой смеси или жидкости; в жидкости это соответствует количеству физически растворенного газа. Для газовой смеси парциальное давление можно рассчитать, зная общее давление газовой смеси и фракционное содержание газа:

pг = pсм ґ Fг, (15)

где pг - парциальное давление газа, мм рт. ст.; Fг - фракционное содержание газа, %; pсм - давление смеси, мм рт. ст. Например, парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе (при атмосферном давлении 760 мм рт. ст.) составляет 760 мм рт. ст. ґ 21% = 160 мм рт. ст.

Парциальное давление газа в жидкости иногда называют напряжением.

Объемная концентрация газа в жидкости показывает, какой объем газа в свободном и связанном виде содержится в 100 мл жидкости, то есть соответствует общей концентрации физически растворенного и химически связанного газа. Она измеряется в млгаза/100 млжидкости, или объемных процентах (об%). Например, объемная концентрация кислорода в артериальной крови составляет 20 мл кислорода/100 мл крови, то есть 20 об%.

Физиологический смысл

Парциальное давление (точнее, разность парциальных давлений) газа служит движущей силой диффузии газа из одной среды в другую (например, из воздуха в кровь).

Объемная концентрация отражает общее содержание газа в крови, и тем самым - его количество, которое поступает к органам или относится от них.

Связь между парциальным давлением газа и его объемной концентрацией

Процессы. Если газ контактирует с жидкостью, содержащей связывающее этот газ вещество (например, кислород альвеолярного воздуха контактирует с кровью, содержащей гемоглобин), то газ будет сначала диффундировать в жидкость по градиенту парциального давления, то есть растворяться физически (рис. 10.6, А). Растворившийся газ будет диффундировать в жидкости, подходить к связывающему веществу и соединяться с ним. Если время контакта газа с жидкостью достаточно велико, то установится динамическое равновесие (рис. 10.6, Б), при котором:

- парциальное давление газа в жидкости будет таким же, как в газовой смеси;

- количество химически связанного газа будет зависеть от парциального давления (физически растворенного газа), сродства связывающего вещества к газу и количества связывающего вещества.

Количественное описание. Из предыдущего раздела мы увидели, что количество газа в крови (как физически растворенного, так и химически связанного) зависит от его парциального давления. Таким образом, для того чтобы количественно описать содержание газа в крови, надо ответить на вопрос о том, чему равна объемная концентрация газа (отражающая общее содержание газа) при данном парциальном давлении. Связь между объемной концентрацией газа и парциальным давлением в жидкости описывается так называемыми сатурационными кривыми.

Кривая 1 (нижняя) соответствует только физическому растворению газа; она представляет собой прямую линию. Кривая 2 (верхняя): основная часть газа находится в химически связанном виде. Сатурационная кривая при этом в какой-то момент становится почти горизонтальной (дальнейшее увеличение парциального давления почти не сопровождается ростом объемной концентрации). Этот момент соответствует полному насыщению всех участков связывания газа; после этого повышение парциального давления приводит к росту лишь количества физически растворенного газа.

Итак, характер зависимости объемного содержания газа от его парциального давления определяется тем, в каком виде газ переносится кровью.

Кислород. Этот газ переносится кровью преимущественно в химически связанном виде - в соединении с гемоглобином. Будучи идеальным переносчиком кислорода, гемоглобин отвечает следующим трем требованиям:

- связывает большое количество кислорода в легких;

- отдает большое количество кислорода в тканях;

- еще больше увеличивает отдачу кислорода в активно работающих тканях.

Из этого вытекает характер сатурационной кривой для кислорода.

Сатурационная кривая для кислорода

У нее имеется почти горизонтальный участок, соответствующий полному насыщению гемоглобина кислородом. Этот участок начинается при парциальном давлении кислорода (pO₂) около 70 мм рт. ст. В альвеолярном воздухе (и артериальной крови) pO₂ составляет около 100 мм рт. ст. Благодаря этому:

- в легких кровь максимально насыщается кислородом;

- при снижении pO₂ в альвеолярном воздухе даже до 70 мм рт. ст. кровь все равно максимально насыщается кислородом - важный механизм защиты от гипоксии.

Благодаря горизонтальному участку сатурационной кривой гемоглобин отвечает первому требованию - связывает большое количество кислорода в легких.

У нее имеется наклонный участок, соответствующий pO₂ менее 70 мм рт. ст. Значит, при низких значениях pO₂ (в тканях) сродство гемоглобина к кислороду падает, и кислород высвобождается в ткани.

Благодаря наклонному участку сатурационной кривой гемоглобин отвечает второму требованию - отдает большое количество кислорода в тканях.

При снижении pH (ацидозе), увеличении парциального давления углекислого газа (pCO₂) и повышении температуры кривая сдвигается вправо, то есть сродство гемоглобина к кислороду падает. Все три фактора имеются в активно работающих тканях. Следовательно, омывая активно работающие ткани, кровь отдает им еще больше кислорода.

Благодаря сдвигу сатурационной кривой гемоглобин отвечает третьему требованию - еще больше увеличивает отдачу кислорода в активно работающих тканях.

Механизм изменения сродства гемоглобина к кислороду

Как мы только что выяснили, снижение сродства гемоглобина к кислороду в активно работающих тканях обусловлено действием трех факторов Существует еще один, четвертый фактор, оказывающий выраженное влияние на сродство гемоглобина к кислороду - концентрация в крови 2,3-дифосфоглицерата. Однако эта концентрация меняется, по-видимому, только при патологических или по меньшей мере пограничных условиях (например, при хронической гипоксии) и поэтому здесь не рассматривается.:

- повышением температуры;

- повышением pCO₂;

- снижением pH, то есть повышением содержания H+.

Механизмы действия этих трех факторов следующие.

Повышение температуры вызывает неспецифический сдвиг равновесия в реакции связывания кислорода с гемоглобином в сторону диссоциации (так же как, например, при повышенной температуре лучше растворяется любая соль - равновесие сдвигается в сторону диссоциированных ионов).

CO₂ и H+, как и кислород, связываются с гемоглобином (см. ниже), однако не с железом гема, а с различными аминокислотными остатками белковой части - глобина. Присоединение CO₂ и H+ к соответствующим центрам связывания вызывает снижение сродства кислородного центра (гема) к кислороду (по механизму аллостерического взаимодействия, то есть влияния одних участков белка на свойства других участков) (рис. 10.9, А).

Кривая диссоциации оксигемоглобина

Вместо сатурационной кривой для кислорода часто приводят очень похожую на нее кривую диссоциации оксигемоглобина. Она отличается тем, что по вертикальной оси отложена не объемная концентрация кислорода, а степень насыщения гемоглобина кислородом. Горизонтальному участку при этом соответствует насыщение, равное 100%.

Связь между насыщением гемоглобина кислородом и объемной концентрацией кислорода в крови

Из сопоставления сатурационной кривой для кислорода (рис. 10.8) и кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 10.10) видно, что при 100% насыщении гемоглобина кислородом объемная концентрация кислорода в крови составляет (в норме!) около 20 об%. Рассмотрим, каким образом получается такое значение.

Поскольку подавляющая часть кислорода в крови приходится на химически связанный с гемоглобином кислород, объемная концентрация кислорода в крови зависит от:

- концентрации гемоглобина;

- кислородной емкости гемоглобина, то есть максимального количества кислорода, которое может связать 1 г гемоглобина при полном насыщении;

- степени насыщения гемоглобина кислородом:

cO₂ = Hb% ґ КЕHb ґ sO₂, (16)



где cO₂ - объемная концентрация кислорода; Hb% - концентрация гемоглобина в крови; КЕHb - кислородная емкость гемоглобина; sO₂ - насыщение гемоглобина кислородом.

В идеальном случае для артериальной крови:

- Hb% равна 15 г/100 мл;

- КЕHb равна 1,34 - один грамм гемоглобина при полном насыщении способен связать до 1,34 мл кислорода;

- sO₂ равно около 100%.

Итак:

cO2 = 15 (г Hb/100 мл крови) ґ 1,34 (мл O2/г Hb) ґ 100%= 20 (мл O2/100 мл крови).(17)

Парциальные давления и объемные концентрации кислорода в артериальной и венозной крови приведены в табл. 10.1.

Углекислый газ. Этот газ переносится в нескольких формах, или транспортных фракциях:

- физически растворенный CO₂;

- CO₂, соединенный с гемоглобином (карбогемоглобин);

- бикарбонат (HCO₃-).

Для того чтобы мог образоваться бикарбонат, CO₂ должен сначала прореагировать с H₂O с образованием угольной кислоты. Эта реакция катализируется ферментом карбоангидразой, находящейся в эритроцитах. Таким образом, для образования бикарбоната CO₂ должен сначала войти в эритроцит. Поскольку гемоглобин имеется только в эритроцитах, для образования карбогемоглобина CO₂ также должен войти в эритроцит. Образующийся в эритроцитах бикарбонат должен выйти в плазму, а для сохранения электронейтральности взамен в эритроцит должен поступить другой анион - основной анион плазмы Cl-. Это осуществляет мембранный белок - хлор-бикарбонатный обменник.

Итак, образование основных транспортных фракций CO₂ происходит в эритроците, и для этого эритроцит обладает следующими свойствами:

- в цитоплазме эритроцита имеется карбоангидраза;

- в цитоплазме эритроцита имеется гемоглобин;

- мембрана эритроцита (как и любые другие мембраны) свободно пропускает CO2;

- в мембране эритроцита имеется хлор-бикарбонатный обменник.

Образование транспортных фракций CO₂

Последовательность событий при образовании этих фракций следующая:

1. Выделяемый тканями CO₂ проходит через стенку капилляра по градиенту его парциального давления; образуется первая фракция - физически растворенный CO₂.

2. Из плазмы CO₂ проходит через мембрану эритроцита.

3. В эритроците CO₂ соединяется с гемоглобином; образуется вторая фракция - карбогемоглобин.

4. В эритроците CO₂ под действием карбоангидразы соединяется с водой; образуется угольная кислота.

5. Угольная кислота распадается до H+ и HCO₃-; образуется третья фракция - бикарбонат.

6. Бикарбонат выходит из эритроцита в обмен на Cl- (с помощью хлор-бикарбонатного обменника).

7. Образующиеся на этапе 5 протоны (H+) связываются с гемоглобином, так как он обладает буферными свойствами (гл. 9).

Сатурационная кривая для CO₂

Основная транспортная фракция CO₂ - бикарбонат, который может образовываться почти бесконечно (до тех пор, пока CO₂ не свяжется со всеми молекулами воды, что в физиологических условиях невозможно). Отсюда:

- объемная концентрация CO₂ гораздо выше, чем O₂;

- сатурационная кривая для CO₂ не характеризуется насыщением (не имеет горизонтального участка).

Фракция карбогемоглобина придает сатурационной кривой для CO₂ важное свойство (аналогичное соответствующему свойству для кислорода): при снижении парциального давления кислорода (pO₂) кривые сдвигаются вверх и влево, то есть сродство гемоглобина к CO₂ увеличивается. Поскольку pO2 снижено в активно работающих тканях, то, проходя через такие ткани, кровь дополнительно связывает интенсивно выделяемый ими CO₂.

Буферные свойства гемоглобина

Гемоглобин - это главный внутриэритроцитарный буфер и самый мощный буфер организма. Эта его функция важна потому, что в эритроцитах в большом количестве образуются протоны. Буферные свойства гемоглобина дополнительно усиливаются за счет того, что при снижении парциального давления кислорода (pO₂) гемоглобин активнее связывает протоны. Поскольку pO₂ снижено в активно работающих тканях, то, проходя через такие ткани, кровь дополнительно связывает протоны (активно работающие ткани интенсивно выделяют кислые метаболиты).

Механизм изменения сродства гемоглобина к CO₂ и H+

Выше мы видели, что присоединение CO₂ и H+ к их центрам связывания снижает сродство гема к O₂. Точно так же (по механизму аллостерического взаимодействия) присоединение O₂ к его центру связывания снижает сродство гемоглобина к CO₂ и H+. При уменьшении концентрации O2 (в активно работающих тканях), напротив, сродство центров связывания CO2 и H+ к этим веществам повышается.

1.6 Внешнее дыхание

Общие принципы. Как отмечалось в начале главы, внешнее дыхание включает легочную вентиляцию и легочную диффузию, то есть газообмен в легких.

Главная цель внешнего дыхания - обеспечить постоянство парциальных давлений дыхательных газов в артериальной крови. Что же касается объемных концентраций дыхательных газов, то они зависят от сродства к этим газам крови (в частности, от концентрации гемоглобина) и потому не могут регулироваться внешним дыханием. Таким образом, парциальные давления дыхательных газов в артериальной крови - показатели состояния системы внешнего дыхания.

Для газообмена в легких необходимы три процесса:

- постоянная доставка воздуха к альвеолярной стороне газообменной поверхности - легочная вентиляция;

- постоянная доставка крови к внутрисосудистой стороне газообменной поверхности - легочный кровоток, или легочная перфузия;

- транспорт газов через газообменную поверхность - легочная диффузия.

Для того, чтобы газообмен протекал нормально (то есть обеспечивались должные парциальные давления газов в артериальной крови) необходимы:

- полноценная диффузия;

- определенное соотношение между притоком к газообменной поверхности воздуха с одной стороны и крови с другой - вентиляционно-перфузионное отношение.

Диффузия. Благодаря огромной площади и малой толщине газообменной поверхности и некоторым другим факторам диффузия газов за время их прохождения через капилляры легких идет до полного равновесия, то есть выравнивания парциальных давлений. Таким образом, парциальные давления газов в артериальной крови примерно равны парциальным давлениям газов в альвеолярном воздухе (примерно, а не точно - в частности потому, что к оттекающей от легких артериальной крови примешивается некоторое количество венозной крови).

Вентиляционно-перфузионное отношение

Рассмотрим три случая, изображенных на рис. 10.13. На этом рисунке в виде альвеол приведены три участка легких. Во всех трех случаях диффузия не нарушена, то есть парциальные давления газов (на рисунке приведен только кислород) в альвеолярном воздухе такие же, как в артериальной крови.

В первом случае и вентиляция, и перфузия достаточны; в альвеолы поступает с одной стороны атмосферный воздух (парциальное давление кислорода pO₂ = 150 мм рт. ст.), с другой - венозная кровь (pO₂ = 40 мм рт. ст.). По мере газообмена кислород выходит из альвеолярного воздуха в кровь; в альвеолярном воздухе его парциальное давление снижается, в крови - повышается, и в конечном счете в обеих средах достигает некоего промежуточного значения - 100 мм рт. ст.

Во втором случае вентиляция резко снижена и пренебрежимо мала по сравнению с перфузией; поступающая к альвеоле кровь почти не меняет свой состав, и pO₂ в оттекающей (артериальной крови) остается таким же, как в венозной - 40 мм рт. ст. Таким же становится и pO₂ в альвеолярном воздухе, так как при ненарушенной диффузии парциальные давления газов полностью уравновешиваются.

В третьем случае, напротив, перфузия резко снижена и пренебрежимо мала по сравнению с вентиляцией; поступающий в альвеолы воздух не меняет свой состав, pO₂ в нем остается таким же, как в атмосферном (150 мм рт. ст.), и таким же становится pO₂ в артериальной крови.

Все эти рассуждения справедливы и в отношении CO₂: при резком снижении вентиляции некоей альвеолы pCO₂ в оттекающей от нее артериальной крови остается таким же, как в венозной крови (46 мм рт. ст.), а при резком снижении перфузии - таким же, как в атмосферном воздухе (около 0 мм рт. ст.).

Итак, для достижения должных значений парциальных давлений газов в артериальной крови - для кислорода 100 мм рт. ст., для углекислого газа 40 мм рт. ст., см. табл. 10.1 - должно быть строго определенное соотношение между альвеолярной вентиляцией и перфузией, или вентиляционно-перфузионное отношение. Это отношение в норме составляет 0,8-1,0 (например, в покое альвеолярная вентиляция равна 4,5 л/мин, а перфузия - 5 л/мин). Вентиляционно-перфузионное отношение обозначают VA/Q (VA - альвеолярная вентиляция, Q - легочная перфузия).

Для поддержания постоянства VA/Q действует важнейший механизм - артериолы невентилируемых альвеол спазмируются. Это так называемая гипоксическая вазоконстрикция.

Равномерность вентиляционно-перфузионного отношения

Для нормальной функции внешнего дыхания недостаточно, чтобы VA/Q было нормальным (то есть составляло 0,8-1,0) для легких в целом: оно должно быть еще и равномерным, то есть сравнительно одинаковым (и нормальным) в разных отделах легких. Представим себе, например, такую (сильно преувеличенную) ситуацию. Пусть в левом легком по тем или иным причинам вентиляция снизилась и VA/Q уменьшилось в два раза, составляя 0,4. Казалось бы, при этом может компенсаторно возрасти вентиляция правого легкого, и если VA/Q в нем увеличится вдвое (до 1,6), то в среднем для обоих легких VA/Q будет нормальным (0,8) и внешнее дыхание не пострадает. Однако на самом деле это не так: даже если среднее VA/Q нормально, но в разных отделах легких различно (то есть имеется неравномерность VA/Q), то функция внешнего дыхания нарушается, то есть изменяются парциальные давления дыхательных газов в артериальной крови. Особенно при этом страдает (уменьшается) парциальное давление кислорода. Рассмотрим причину этого на модели, приведенной на рис. 10.14. На этом рисунке в виде альвеол представлены два отдела легких. В левой альвеоле вентиляция снижена; в результате парциальное давление кислорода pO₂ уменьшено до 50 мм рт. ст. и этому pO2, как видно из сатурационной кривой, соответствует сниженная объемная концентрация кислорода (cO2), равная 16 об% (норма - 20 об%). В правой альвеоле вентиляция, напротив, повышена и pO2 увеличено до 150 мм рт. ст.; однако в связи с тем, что уже при 70 мм рт. ст. гемоглобин полностью насыщается кислородом, этому pO2 соответствует не повышенная, а нормальная cO₂, равная 20 об%. Кровь, оттекающая от обеих альвеол, смешивается и в результате cO₂ принимает среднее значение - 18 об%. Этой cO₂ соответствует pO₂, равное 70 мм рт. ст., то есть пониженное. Таким образом, в связи с особенностями сатурационной кривой для O2 снижение VA/Q в одних отделах легких не может быть компенсировано повышением VA/Q в других отделах.

Такая неравномерность вентиляционно-перфузионного отношения является одной из самых распространенных причин нарушения функции внешнего дыхания в патологии.

1.7 Регуляция дыхания

Регуляция дыхания включает две стороны:

- происхождение дыхательного ритма (периодическая смена вдоха и выдоха);

- собственно регуляция дыхания (регуляция интенсивности дыхания в соответствии с потребностями организма).

Происхождение дыхательного ритма. Нервные структуры, задающие дыхательный ритм, устроены чрезвычайно сложно и до конца не изучены. В связи с этим мы рассмотрим лишь самую общую схему работы этих структур.

Понять общие принципы работы дыхательного центра можно, исходя из следующих соображений:

- вдох осуществляется активно, за счет сокращения инспираторных мышц;

- спокойный выдох осуществляется пассивно, за счет упругой силы растянутых легких (см. выше, разд. "Биомеханика дыхания");

- в форсированном выдохе помимо упругой силы легких участвуют экспираторные мышцы.

Следовательно:

- во время вдоха дыхательный центр должен посылать возбуждающие импульсы к мотонейронам инспираторных мышц, расположенным в спинном мозге;

- при спокойном выдохе достаточно просто затормозить нейроны, посылающие эти возбуждающие импульсы;

- при форсированном выдохе необходимо дополнительно послать возбуждающую импульсацию к мотонейронам экспираторных мышц.

В состав дыхательного центра входят три основные структуры, расположенные в продолговатом мозге и мосту.

1. Дорсальная группа нейронов, задающая дыхательный ритм при спокойном дыхании. Эти нейроны располагаются в пределах ядра одиночного пути, в которое поступают чувствительные волокна блуждающего и языкоглоточного нервов. Поэтому нейроны дорсальной группы получают информацию от рецепторов растяжения легких и сосудистых хеморецепторов, воспринимающих уровни дыхательных газов в крови; кроме того, к нейронам дорсальной группы поступает информация от центральных хеморецепторов продолговатого мозга (см. ниже). Таким образом, дорсальная группа нейронов формирует дыхательный ритм и получает всю информацию, необходимую для регуляции дыхания и потому является главной структурой дыхательного центра.

2. Вентральная группа нейронов, включающаяся при форсированном дыхании и, следовательно, посылающая импульсы к мотонейронам экспираторных мышц.

3. Дыхательные структуры моста, главным из которых является пневмотаксический центр. Импульсация от этого центра поступает к дорсальной группе нейронов, вызывая укорочение вдоха и тем самым делая дыхание более поверхностным и частым. Благодаря этому пневмотаксический центр регулирует частоту и глубину дыхания.

За дыхательный ритм, то есть периодическое чередование вдоха и выдоха, как уже говорилось, отвечает дорсальная группа нейронов. Схема предполагаемого нейронного контура, обеспечивающего смену вдоха выдохом (в состав дорсальной группы нейронов входит множество таких контуров). Видно, что он представляет собой типичный контур - генератор ритма. В его состав входят:

- инспираторный нейрон - возбуждающий нейрон, посылающий импульсы к мотонейронам инспираторных мышц и одновременно, по коллатералям, к расположенному рядом с ним тормозному нейрону;

- тормозный нейрон, получающий импульсацию от инспираторного нейрона и затормаживающий инспираторный нейрон.

Этот контур работает следующим образом:

- инспираторный нейрон обладает автоматизмом, то есть способностью самопроизвольно генерировать импульсы;

- по мере вдоха импульсация, поступающая к тормозному нейрону, нарастает и, когда возбуждение этого нейрона достигает достаточного уровня, он затормаживает инспираторный нейрон;

- вдох прекращается (сменяется выдохом) и одновременно устраняется возбуждение тормозного нейрона; в результате инспираторный нейрон перестает затормаживаться, начинает вновь генерировать импульсы и начинается новый вдох.

Тормозные нейроны возбуждаются не только за счет поступления импульсов от инспираторных нейронов, но и за счет поступления импульсов по волокнам блуждающих нервов от рецепторов растяжения легких. Чем глубже вдох, тем больше импульсация от этих рецепторов и быстрее нарастает возбуждение тормозных нейронов. Это еще один механизм, способствующий смене вдоха выдохом. Прекращение вдоха в ответ на растяжение легких называется рефлексом Геринга-Брейера.

Общие принципы

Цель регуляции дыхания - поддержание:

- парциальных давлений дыхательных газов в артериальной крови;

- pH артериальной крови (эта цель достигается путем регуляции выведения CO₂ - летучего кислого вещества).

Способ регуляции дыхания - изменение легочной вентиляции.

Принципы регуляции дыхания:

- отрицательная обратная связь (например, при накоплении CO2 вентиляция усиливается, и избыток этого газа выводится);

- опережающая регуляция (вентиляция усиливается еще до того, как может накопиться CO2, например при начале мышечной работы).

Механизмы

Отрицательная обратная связь. По механизму отрицательной обратной связи действуют те факторы, поддержание постоянства которых является целью регуляции дыхания:

- парциальное давление в артериальной крови CO₂ (paCO₂);

- парциальное давление в артериальной крови O₂ (paO₂);

- pH артериальной крови.

Самым сильным стимулятором дыхания является повышение paCO2 (гиперкапния), затем - снижение pH (ацидоз), затем - снижение paO2 (гипоксемия).

Эти три параметра воспринимаются хеморецепторами, расположенными:

- в продолговатом мозге (центральные хеморецепторы). Эти рецепторы воспринимают paCO2 и pH;

- в крупных артериях (периферические хеморецепторы). Эти рецепторы также воспринимают paCO₂ и pH, но кроме того - еще и paO₂.

Периферические хеморецепторы располагаются в дуге аорты (аортальные тельца) и в каротидном синусе (каротидные тельца, или сонные гломусы). От аортальных телец импульсация поступает в дыхательный центр по волокнам блуждающих нервов, от каротидных - языкоглоточных.

Опережающая регуляция. Эта регуляция включается до того, как изменяются paCO₂, paO₂ и pH - в тех ситуациях, когда эти параметры могут измениться. Примерами могут быть:

- импульсация от проприорецепторов скелетных мышц, свидетельствующая о повышенной физической нагрузке;

- условнорефлекторные сигналы от коры головного мозга перед началом физической нагрузки.

- речь, боль, кашель и многие другие факторы

Регуляция эритропоэза. Механизмы регуляции дыхания способны поддерживать парциальные давления дыхательных газов, но не их объемные концентрации. Особенно это касается кислорода: он переносится главным образом гемоглобином, и его объемная концентрация зависит от содержания в крови этого белка, а следовательно, эритроцитов. Таким образом, поддержание объемной концентрации кислорода сводится к регуляции числа эритроцитов в крови, то есть выработки эритроцитов, или эритропоэза.

...