Дишането е неразделен и жизненоважен процес за всеки жив организъм. За насищане на органи и тъкани с кислород, оптимален състав на въздуха и правилна работачовешкото тяло. В такъв случай здраво тялочувства се бодър и активен, без патологични признацихипоксия.
Физиологично дишане
Процесите на газообмен в белите дробове и тъканите представляват сложна верига от биохимични реакции и съединения. Въздухът навлиза през горните дихателни пътища в долните им части. Бронхиално дървопровежда газовата смес до крайните й точки – алвеолите. Алвеолите се състоят от алвеолоцити, които са облицовани отвътре с повърхностноактивно вещество - сърфактант, а отвън са покрити от базален слой.
Цялата повърхност на белите дробове изглежда е обвита в мрежа от плътно прилепнали капиляри, през съдова стенакоято прониква така необходими за тялотокислород. Границата между стената на алвеолата и стената на капиляра е много малка - 1 микрон, което осигурява цялостен процес, при който протича газообмен.
Актът на вдишване се извършва чрез мускулна контракция гръден кош, включително диафрагмата - голям мускул, разположен на границата на гръдната и коремната кухини. Когато се свие, има изпомпване въздушна смеспоради разликата между атмосферното и интраторакалното налягане. Издишването, напротив, се извършва пасивно, благодарение на еластичността на белите дробове. Изключение е активната физическа активност, когато човек засилва работата на гладката и скелетни мускули, насилствено го намалява.
Контролен център
Процесът на газообмен в белите дробове се осъществява чрез регулиране на централната нервна система. В стволовата част на мозъка, която се намира на границата с гръбначния мозък, има конгломерати нервни клетки– допринасят за фазата на вдишване и изход, давайки специални импулси.
Тази част се нарича дихателен център. Неговата особеност се състои в неговата автономност - импулсите се генерират автоматично, което обяснява дишането на човек по време на сън. Когато нивото на въглероден диоксид в кръвта се повиши, дихателният център насърчава вдишването, където, когато белите дробове се разтягат, се извършва активен обмен на газове между кръвта и клетките на алвеолите.
Има клъстери от нервни клетки в мозъчната кора, хипоталамуса, моста, гръбначен мозъкотговорен за доброволното регулиране на дишането. Въпреки това, те са непрекъснато свързани с нервни влакна на главния дихателен център в багажника, ако са повредени, дишането спира.
Механизъм
Алвеолоцитите и съдовата стена служат като мост, където се извършва обмен на газ. Кислородът се втурва към капилярната мрежа, а въглеродният диоксид към алвеолите - това се обяснява с разликата в налягането между въздуха и кръвта. Моделът на дифузия на газа се подчинява на законите на физиката.
Входящият кислород се свързва с протеина на червените кръвни клетки - хемоглобина. Това съединение се нарича оксихемоглобин, а наситената с него кръв е артериална. Той се изтласква в лявото предсърдие и камера, откъдето се доставя до органите чрез аортата и нейните клонове.
След това окислените съединения се събират във венозни шънтове и през празната вена, дясно предсърдиеи вентрикулът се доставят до дихателната система. Този процес трябва да насърчи обмена на газ в тъканите, настъпва насищане и обратно поемане на метаболитни продукти.
Газообменът в тъканите е светкавичен процес, завършващ за 0,1 s. Тялото е проектирано по такъв начин, че за толкова кратко време е в състояние да изпълнява най-важните жизнени функции на тялото. Когато напрежението на кислорода в тъканите намалява, се развива патология, наречена хипоксия. Може да е признак за нарушение:
- Вентилационен капацитет на белодробната тъкан.
- Циркулаторна недостатъчност.
- Непълно функциониране на ензимната система.
Функции респираторен трактса многостранни и включват не само регулирането на кръвните газове, но и имунния отговор, отговарят за буферната система и киселинно-алкалното състояние, екскрецията токсични вещества, реологични свойства на кръвта.
Чрез последователно вдишване и издишване човек вентилира белите дробове, поддържайки относително постоянен газов състав в алвеолите. Човек диша атмосферен въздух от високо съдържаниекислород (20,9%) и ниско съдържание на въглероден диоксид (0,03%) и издишва въздух, в който количеството на кислорода намалява и въглеродния диоксид се увеличава. Нека разгледаме процеса на обмен на газ в белите дробове и човешките тъкани.
Съставът на алвеоларния въздух се различава от този на вдишания и издишвания въздух. Това се обяснява с факта, че при вдишване въздухът от дихателните пътища (т.е. издишаният) навлиза в алвеолите, а при издишване, напротив, той се смесва с издишания (алвеоларен) атмосферен въздух, разположени в същите дихателни пътища (обем на мъртвото пространство).
В белите дробове кислородът от алвеоларния въздух преминава в кръвта, а въглеродният диоксид от кръвта навлиза в белите дробове чрез дифузия през стените на алвеолите и кръвоносните капиляри. Общата им дебелина е около 0,4 микрона. Посоката и скоростта на дифузия се определят от парциалното налягане на газа или неговото напрежение.
Парциалното налягане и напрежението са по същество синоними, но ние говорим за парциално налягане, ако даден газ е в газообразна среда, и за напрежение, ако е разтворен в течност. Парциалното налягане на газ е тази част от общото налягане на газовата смес, която пада върху даден газ.
Разликата между напрежението на газа в венозна кръви тяхното парциално налягане в алвеоларния въздух е около 70 mm Hg за кислород. чл., а за въглероден диоксид - 7 mm Hg. Изкуство.
Експериментално е установено, че при разлика в напрежението на кислорода от 1 mm Hg. Изкуство. при възрастен в покой в кръвта може да влезе 25-60 cm 3 кислород на минута. Човек в покой се нуждае от приблизително 25-30 cm 3 кислород на минута. Следователно разликата в движенията на кислорода е 70 mm Hg. Изкуство. достатъчни за осигуряване на организма с кислород при различни условия на неговата дейност: когато физическа работа, спортни упражненияи т.н.
Скоростта на дифузия на въглеродния диоксид от кръвта е 25 пъти по-голяма от тази на кислорода, следователно поради разликата от 7 mm Hg. Изкуство. въглеродният диоксид има време да излезе от кръвта.
Пренася кислорода от белите дробове до тъканите и въглеродния диоксид от тъканите до белите дробове - кръвта. В кръвта, както във всяка течност, газовете могат да бъдат в две състояния: физически разтворени и химически свързани. И кислородът, и въглеродният диоксид се разтварят в много малки количества в кръвната плазма. Основните количества кислород и въглероден диоксид се пренасят по химичен път подвързана форма. Основният носител на кислород е кръвният хемоглобин, всеки грам от който свързва 1,34 cm 3 кислород.
Въглеродният диоксид се транспортира в кръвта главно под формата на химични съединения - натриев и калиев бикарбонат, но част от него се транспортира и в състояние, свързано с хемоглобина.
Кръвта, обогатена с кислород в белите дробове, се пренася в голям кръг до всички тъкани на тялото, където се получава дифузия в тъканта поради разликата в нейното напрежение в кръвта и тъканите. Кислородът се използва в тъканните клетки биохимични процеситъканно (клетъчно) дишане - процеси на окисление на въглехидрати и мазнини.
Количеството консумиран кислород и отделеният въглероден диоксид варира в рамките на едно и също лице. Това зависи не само от здравословното състояние, но и от физическа дейност, хранене, възраст, пол, температура на околната среда, тегло и телесна повърхност и др.
Например, в студа, обменът на газ се увеличава, което поддържа постоянна телесна температура. Състоянието на газообмена се използва за оценка на човешкото здраве. Предназначен за тази цел специални методиизследвания, базирани на анализ на състава на вдишания и събрания издишан въздух.
Екскреторна функция на белите дробове -отстраняване на повече от 200 летливи вещества, образувани в тялото или влизащи в него отвън. По-специално въглероден диоксид, метан, ацетон, екзогенни вещества, образувани в тялото ( етанол, етилов етер), наркотичните газове (флуоротан, азотен оксид) се отстраняват от кръвта в различна степен през белите дробове. Водата също се изпарява от повърхността на алвеолите.
В допълнение към климатизацията, белите дробове участват в защитата на тялото от инфекции. Микроорганизмите, отложени по стените на алвеолите, се улавят и унищожават от алвеоларните макрофаги. Активираните макрофаги произвеждат хемотаксични фактори, които привличат неутрофилни и еозинофилни гранулоцити, които излизат от капилярите и участват във фагоцитозата. Макрофагите с погълнати микроорганизми могат да мигрират към лимфните капиляри и възли, където възпалителна реакция. За защита на тялото от инфекциозни агенти, навлизащи в белите дробове с въздух, са важни лизозимът, интерферонът, имуноглобулините (IgA, IgG, IgM) и специфичните левкоцитни антитела, образувани в белите дробове.
Филтриране и кръвоспиращобелодробна функция— когато кръвта преминава през белодробния кръг, малки кръвни съсиреци и емболи се задържат и отстраняват от кръвта.
Кръвните съсиреци се разрушават от фибринолитичната система на белите дробове. Белите дробове синтезират до 90% хепарин, който, когато се освобождава в кръвта, предотвратява нейното съсирване и подобрява нейните реологични свойства.
Кръвен депозитв белите дробове може да достигне до 15% от обема на циркулиращата кръв. В този случай кръвта, влизаща в белите дробове от кръвообращението, не се изключва. Наблюдава се увеличаване на кръвоснабдяването на съдовете на микроциркулаторното легло и вените на белите дробове, а "депозираната" кръв продължава да участва в газообмена с алвеоларния въздух.
Метаболитна функциявключва: образуването на фосфолипиди и повърхностно активни протеини, синтеза на протеини, които изграждат колаген и еластични влакна, производството на мукополизахариди, които изграждат бронхиалната слуз, синтеза на хепарин, участие в образуването и разрушаването на биологично активни и други вещества.
В белите дробове ангиотензин I се превръща в силно активен вазоконстрикторен фактор - ангиотензин II, брадикининът се инактивира с 80%, серотонинът се улавя и отлага, както и 30-40% норепинефрин. Хистаминът се инактивира и се натрупва в тях, до 25% от инсулина, 90-95% от простагландините от група Е и F са инактивирани; образуват се простагландин (вазодилататор простаниклин) и азотен оксид (NO). Биологично депозиран активни веществапри условия на стрес те могат да бъдат освободени от белите дробове в кръвта и да допринесат за развитието на шокови реакции.
Таблица. Нереспираторни белодробни функции
|
функция |
Характеристика |
|
Защитен |
Пречистване на въздуха (ресничести епителни клетки. реологични свойства), клетъчен (алвеоларни макрофаги, неутрофили, лимфоцити), хуморален (имуноглобулини, комплемент, лактоферин, антипротеази, интерферон) имунитет, лизозим (серозни клетки, алвеоларни макрофаги) |
|
Детоксикация |
Оксидазна система |
|
Синтез на физиологично активни вещества |
Брадикинин, серотонин, левкотриени, тромбоксан А2, кинини, простагландини, NO |
|
Метаболизъм на различни вещества |
В малкия кръг се инактивират до 80% от брадикинина, до 98% от серотонина и до 60% от каликреина |
|
Липиден метаболизъм |
Синтез на повърхностно активни вещества (ПАВ), синтез на собствени клетъчни структури |
|
Метаболизъм на протеини |
Синтез на колаген и еластин ("рамка" на белия дроб) |
|
Въглехидратен метаболизъм |
Ако възникне хипоксия, до 1/3 от консумирания Gb се използва за окисление на глюкозата |
|
Кръвоспиращ |
Синтез на простациклин, NO, ADP, фибринолиза |
|
Климатик |
Овлажняване на въздуха |
|
отделителна |
Отстраняване на метаболитни продукти |
|
Воден баланс |
Изпаряване на вода от повърхността, транскапиларен обмен (изпотяване) |
|
Терморегулация |
Топлообмен в горните дихателни пътища |
|
Депозиране |
До 500 ml кръв |
|
Хипоксична вазоконструкция |
Стесняване белодробни съдовес намаляване на О2 в алвеолите |
Газообмен в белите дробове
Най-важната функция на белите дробове- осигуряване на газообмен между въздуха на белодробните алвеоли и кръвта на белодробните капиляри. За да се разберат механизмите на газообмена, е необходимо да се знае газовият състав на обменящите се помежду си среди, свойствата на алвеоларно-капилярните структури, през които се осъществява газообменът, и да се вземат предвид характеристиките белодробен кръвотоки вентилация.
Състав на алвеоларния и издишания въздух
Съставът на атмосферния, алвеоларния (съдържащ се в белодробните алвеоли) и издишания въздух е представен в табл. 1.
Таблица 1. Съдържание на основните газове в атмосферния, алвеоларния и издишания въздух
Въз основа на определяне на процента на газовете в алвеоларния въздух се изчислява тяхното парциално налягане. При изчисленията се приема, че налягането на водните пари в алвеоларния газ е 47 mmHg. Изкуство. Например, ако съдържанието на кислород в алвеоларния газ е 14,4%, и Атмосферно налягане 740 mmHg Чл., тогава парциалното налягане на кислорода (p0 2) ще бъде: p0 2 = [(740-47)/100]. 14,4 = 99,8 mm Hg. Изкуство. При условия на покой парциалното налягане на кислорода в алвеоларния газ варира около 100 mmHg. чл., а парциалното налягане на въглеродния диоксид е около 40 mm Hg. Изкуство.
Въпреки редуването на вдишване и издишване по време на тихо дишане, съставът на алвеоларния газ се променя само с 0,2-0,4%, относителното постоянство на състава на алвеоларния въздух и газообмена между него и кървинепрекъснато. Постоянността на състава на алвеоларния въздух се поддържа поради ниската стойност на коефициента на белодробна вентилация (LVC). Този коефициент показва каква част от функционалния остатъчен капацитет се обменя за атмосферен въздух за 1 дихателен цикъл. Обикновено CVL е 0,13-0,17 (т.е. по време на тихо вдишване се обменя приблизително 1/7 от FRC). Съставът на алвеоларния газ по отношение на съдържанието на кислород и въглероден диоксид се различава с 5-6% от атмосферния газ.
Таблица. 2. Газов състав на вдишания и алвеоларен въздух
Коефициентът на вентилация на различните области на белите дробове може да се различава, така че съставът на алвеоларния газ има различни стойности не само в отдалечени, но и в съседни области на белия дроб. Това зависи от диаметъра и проходимостта на бронхите, производството на сърфактант и разтегливостта на белите дробове, положението на тялото и степента на напълване на белодробните съдове с кръв, скоростта и съотношението на продължителността на вдишване и издишване. и т.н. Особено силно влияние върху този показател оказва гравитацията.
Ориз. 2. Динамика на движението на кислорода в белите дробове и тъканите
С възрастта парциалното налягане на кислорода в алвеолите практически не се променя, въпреки значителните свързани с възрастта промени в много показатели външно дишане(намаляване, TLC, бронхиална пропускливост, повишаване на FRC, TLC и др.). Свързаното с възрастта увеличение на дихателната честота допринася за поддържане на стабилността на pO 2 в алвеолите.
Дифузия на газове между алвеолите и кръвта
Дифузията на газовете между алвеоларния въздух и кръвта се подчинява на общия закон на дифузията, според който движещата сила е разликата в парциалните налягания (напрежения) на газа между алвеолите и кръвта (фиг. 3).
Газовете, които са разтворени в кръвната плазма, течаща към белите дробове, създават своето напрежение в кръвта, което се изразява в същите единици (mmHg) като парциалното налягане във въздуха. Средната стойност на напрежението на кислорода (pO 2) в кръвта на капилярите на малкия кръг е 40 mm Hg. Чл., а парциалното му налягане в алвеоларния въздух е 100 mm Hg. Изкуство. Градиентът на кислородното налягане между алвеоларния въздух и кръвта е 60 mmHg. Изкуство. Напрежението на въглеродния диоксид във вливащата се венозна кръв е 46 mm Hg. Чл., В алвеолите - 40 mm Hg. Изкуство. и градиентът на налягането на въглеродния диоксид е 6 mmHg. Изкуство. Тези градиенти са движещата сила зад обмена на газ между алвеоларния въздух и кръвта. Трябва да се има предвид, че посочените градиентни стойности са налични само в началото на капилярите, но когато кръвта се движи през капиляра, разликата между парциалното налягане в алвеоларния газ и напрежението в кръвта намалява.
Ориз. 3. Физико-химични и морфологични условия на газообмен между алвеоларен въздух и кръв
Скоростта на обмен на кислород между алвеоларния въздух и кръвта се влияе както от свойствата на средата, през която се осъществява дифузията, така и от времето (около 0,2 s), през което прехвърлената част от кислорода се свързва с хемоглобина.
За да премине от алвеоларния въздух към червените кръвни клетки и да се свърже с хемоглобина, кислородната молекула трябва да дифундира през:
- слой от сърфактант, покриващ алвеолите;
- алвеоларен епител;
- базални мембрани и интерстициално пространство между епитела и ендотела;
- капилярен ендотел;
- слой кръвна плазма между ендотела и еритроцита;
- мембрана на червени кръвни клетки;
- слой цитоплазма в еритроцит.
Общото разстояние на това дифузионно пространство е между 0,5 и 2 µm.
Факторите, влияещи върху дифузията на газовете в белите дробове, са отразени във формулата на Фик:
V = −kS(P 1 −P 2)/d,
където V е обемът на дифузиращия газ; k е коефициентът на пропускливост на средата за газове, в зависимост от разтворимостта на газа в тъканите и неговото молекулно тегло; S е дифузионната повърхност на белите дробове; P 1 и P 2 - газово напрежение в кръвта и алвеолите; d е дебелината на дифузионното пространство.
На практика за диагностични цели се използва индикатор т.нар дифузионен капацитет на белите дробове за кислород(DL O2). Той е равен на обема на кислорода, разпръснат от алвеоларния въздух в кръвта през цялата газообменна повърхност за 1 минута при градиент на кислородно налягане от 1 mm Hg. Изкуство.
DL O2 = Vo 2 /(P 1 −P 2)
където Vo 2 е дифузията на кислород в кръвта за 1 минута; P 1 - парциално налягане на кислорода в алвеолите; P 2 - кислородно напрежение в кръвта.
Понякога този индикатор се нарича трансферен коефициент.Обикновено, когато възрастен е в покой, стойността на DL O2 = 20-25 ml/min mmHg. Изкуство. При физическа дейност DL O2 се увеличава и може да достигне 70 ml/min mmHg. Изкуство.
При по-възрастните хора стойността на O2 DL намалява; на 60-годишна възраст е приблизително 1/3 по-малко, отколкото при младите хора.
За определяне на DL O2 често се използва технически по-лесно осъществимо определяне на DL CO. Поемете една глътка въздух, съдържащ 0,3% въглероден окис, задръжте дъха си за 10-12 s, след това издишайте и, определяйки съдържанието на CO в последната част от издишания въздух, изчислете прехода на CO в кръвта: DL O2 = DL CO. 1.23.
Коефициент на пропускливост биологични средиза CO 2 е 20-25 пъти по-висока от тази за кислорода. Следователно, дифузията на CO 2 в тъканите на тялото и в белите дробове, с неговите градиенти на концентрация, по-ниски от тези на кислорода, протича бързо и въглеродният диоксид, съдържащ се във венозната кръв, е по-голям (46 mm Hg), отколкото в алвеолите (40 mm Hg.) Чл., Парциалното налягане, като правило, успява да излезе в алвеоларния въздух дори при известна недостатъчност на кръвния поток или вентилация, докато обменът на кислород при такива условия намалява.
Ориз. 4. Газообмен в капилярите на системното и белодробното кръвообращение
Скоростта на движение на кръвта в белодробни капиляритака че една червена кръвна клетка преминава през капиляра за 0,75-1 s. Това време е напълно достатъчно за почти пълно балансиране на парциалното налягане на кислорода в алвеолите и неговото напрежение в кръвта на белодробните капиляри. Необходими са само около 0,2 s, за да се свърже кислородът с хемоглобина на червените кръвни клетки. Налягането на въглеродния диоксид между кръвта и алвеолите също бързо се изравнява. В грижата за белите дробове през вените на малкия кръг артериална кръвпри здрав човекпри нормални условия напрежението на кислорода е 85-100 mm Hg. чл., а напрежението на CO 2 е 35-45 mm Hg. Изкуство.
За характеризиране на условията и ефективността на газообмена в белите дробове, заедно с DL 0, се използва и коефициентът на използване на кислорода (CI O2), който отразява количеството кислород (в ml), абсорбирано от 1 литър въздух, постъпващ в белите дробове: CI 02 = V O2 ml*min - 1 /MOD l*min -1 Обикновено CI = 35-40 ml*l -1.
Газообмен в тъканите
Газообменът в тъканите следва същите закони като газообмена в белите дробове. Дифузията на газовете се извършва по посока на техните градиенти на напрежение; нейната скорост зависи от големината на тези градиенти, площта на функциониращите кръвоносни капиляри, дебелината на дифузионното пространство и свойствата на газовете. Много от тези фактори и следователно скоростта на обмен на газ могат да варират в зависимост от линейните и обемна скоросткръвен поток, съдържание и свойства на хемоглобина, температура, pH, активност на клетъчните ензими и редица други условия.
В допълнение към тези фактори, обменът на газове (особено кислород) между кръвта и тъканите се улеснява от: подвижността на молекулите на оксихемоглобина (тяхната дифузия към повърхността на мембраната на еритроцита), конвекцията на цитоплазмата и интерстициалната течност, както и филтриране и реабсорбция на течност в микроциркулаторното легло.
Обмен на кислороден газ
Газообменът между артериалната кръв и тъканите започва вече на нивото на артериолите с диаметър 30-40 микрона и се извършва в цялата микроваскулатура до нивото на венулите. Капилярите обаче играят основна роля в газообмена. За изследване на газообмена в тъканите е полезно да си представим така наречения „тъканен цилиндър (конус)“, който включва капиляр и съседни тъканни структури, снабдени с кислород (фиг. 5). Диаметърът на такъв цилиндър може да се съди по междукапилярното разстояние. Той е около 25 микрона в сърдечния мускул, в кората голям мозък— 40 µm, инч скелетни мускулибрадва - 80 микрона.
Движещата сила за обмен на газ в тъканен цилиндър е градиентът на напрежението на кислорода. Има надлъжни и напречни градиенти. Надлъжният градиент е насочен по протежение на капиляра. Напрежението на кислорода в началната част на капиляра може да бъде около 100 mmHg. Изкуство. Тъй като червените кръвни клетки се придвижват към венозната част на капиляра и кислородът дифундира в тъканта, pO2 пада средно до 35-40 mm Hg. чл., но при някои условия може да падне до 10 mm Hg. Изкуство. Напречният градиент на напрежението на O2 в тъканен цилиндър може да достигне 90 mmHg. Изкуство. (в областите на тъканта, най-отдалечени от капиляра, в така наречения "мъртъв ъгъл", p0 2 може да бъде 0-1 mm Hg).
Ориз. 5. Схематично представяне на "тъканния цилиндър" и разпределението на напрежението на кислорода в артериалните и венозните краища на капиляра в покой и по време на интензивна работа
По този начин в тъканните структури доставката на кислород до клетките зависи от степента на отстраняването им от кръвоносните капиляри. Клетките, съседни на венозния участък на капиляра, са в по-лоши условия за доставка на кислород. За нормалното протичане на окислителните процеси в клетките е достатъчно напрежение на кислорода от 0,1 mm Hg. Изкуство.
Условията на газообмен в тъканите се влияят не само от междукапилярното разстояние, но и от посоката на движение на кръвта в съседните капиляри. Ако посоката на кръвния поток в капилярната мрежа около дадена тъканна клетка е многопосочна, това повишава надеждността на снабдяването на тъканта с кислород.
Ефективността на улавяне на кислород от тъканите се характеризира със стойността степента на използване на кислорода(KUC) е съотношението, изразено като процент, на обема кислород, абсорбиран от тъканта от артериалната кръв за единица време, към общия обем кислород, доставен от кръвта към тъканните съдове за същото време. CUC на една тъкан може да се определи от разликата в съдържанието на кислород в кръвта на артериалните съдове и във венозната кръв, изтичаща от тъканта. В състояние на физическа почивка при човек средната стойност на AUC е 25-35%. Дори по време на косене стойността на CUC е различни органине същото. В покой CV на миокарда е около 70%.
При физическа активност степента на използване на кислорода нараства до 50-60%, а в някои от най-активно работещите мускули и сърцето може да достигне 90%. Това увеличение на CUC в мускулите се дължи преди всичко на увеличаване на кръвния поток в тях. В същото време капилярите, които не са функционирали в покой, се отварят, площта на дифузионната повърхност се увеличава и разстоянията на дифузия за кислорода намаляват. Увеличаването на кръвния поток може да бъде причинено както рефлекторно, така и под въздействието на локални фактори, които разширяват мускулните съдове. Такива фактори са повишаване на температурата на работещия мускул, повишаване на pCO 2 и намаляване на рН на кръвта, които не само допринасят за увеличаване на кръвния поток, но също така причиняват намаляване на афинитета на хемоглобина към кислород и ускоряване на дифузията на кислород от кръвта в тъканите.
Намаляването на напрежението на кислорода в тъканите или затрудненото му използване за тъканно дишане се нарича хипоксия.Хипоксията може да бъде резултат от нарушена вентилация на белите дробове или циркулаторна недостатъчност, нарушена дифузия на газове в тъканите, както и недостатъчна активност на клетъчните ензими.
Развитието на тъканна хипоксия в скелетните мускули и сърцето се предотвратява до известна степен от съдържащия се в тях хромопротеин миоглобин, който действа като кислородно депо. Простетичната група на миоглобина е подобна на хема на хемоглобина, а протеиновата част на молекулата е представена от една полипептидна верига. Една молекула миоглобин е в състояние да свърже само една молекула кислород, а 1 g миоглобин - 1,34 ml кислород. Миоглобинът е особено изобилен в миокарда - средно 4 mg/g тъкан. При пълна оксигенация на миоглобина, количеството кислород, което създава в 1 g тъкан, ще бъде 0,05 ml. Този кислород може да стигне за 3-4 сърдечни контракции. Афинитетът на миоглобина към кислорода е по-висок от този на хемоглобина. Налягането на полунасищане P50 за миоглобин е между 3 и 4 mm Hg. Изкуство. Следователно, при условия на достатъчно кръвоснабдяване на мускула, той съхранява кислород и го освобождава само когато възникнат условия, близки до хипоксия. Миоглобинът при хората свързва до 14% от общото количество кислород в тялото.
През последните години бяха открити други протеини, които могат да свързват кислорода в тъканите и клетките. Сред тях са протеинът невроглобин, открит в мозъчната тъкан и ретината на окото, и цитоглобин, открит в неврони и други видове клетки.
Хипероксия -повишено кислородно напрежение в кръвта и тъканите спрямо нормалното. Това състояние може да се развие, когато човек диша чист кислород (за възрастен такова дишане е допустимо за не повече от 4 часа) или когато е поставен в камери с високо кръвно наляганевъздух. При хипероксия симптомите на кислородна токсичност могат постепенно да се развият. Следователно, когато се използва дишане с газова смес с високо съдържание на кислород за дълго време, съдържанието му не трябва да надвишава 50%. Особено опасен повишено съдържаниекислород във вдишания въздух за новородени. Продължителното вдишване на чист кислород създава риск от развитие на увреждане на ретината, белодробния епител и някои мозъчни структури.
Газообмен на въглероден диоксид
Обикновено напрежението на въглеродния диоксид в артериалната кръв варира между 35-45 mm Hg. Изкуство. Градиентът на напрежението на въглеродния диоксид между вливащата се артериална кръв и клетките около тъканния капиляр може да достигне 40 mmHg. Изкуство. (40 mm Hg в артериалната кръв и до 60-80 mm в дълбоките слоеве на клетките). Под въздействието на този градиент въглеродният диоксид дифундира от тъканите в капилярната кръв, което води до повишаване на нейното напрежение до 46 mmHg. Изкуство. и повишаване на съдържанието на въглероден диоксид до 56-58 об.%. Около една четвърт от целия въглероден диоксид, освободен от тъканите в кръвта, се свързва с хемоглобина, останалата част, благодарение на ензима карбоанхидраза, се свързва с вода и образува въглеродна киселина, която бързо се неутрализира чрез добавяне на Na" и K" йони и се транспортира до белите дробове под формата на тези бикарбонати.
Количеството разтворен въглероден диоксид в човешкото тяло е 100-120 литра. Това е приблизително 70 пъти повече кислородни резерви в кръвта и тъканите. Когато напрежението на въглеродния диоксид в кръвта се промени, настъпва интензивно преразпределение между него и тъканите. Следователно, когато вентилацията е неадекватна, нивото на въглеродния диоксид в кръвта се променя по-бавно от нивото на кислорода. Тъй като мазнините и костна тъкансъдържат особено голям бройразтворен и свързан въглероден диоксид, тогава те могат да действат като буфер, улавяйки въглероден диоксид по време на хиперкапния и освобождавайки го по време на хипокапния.
За осигуряване на клетките, тъканите и органите с кислород в човешкото тяло има дихателната система. Състои се от следните органи: носна кухина, назофаринкс, ларинкс, трахея, бронхи и бели дробове. В тази статия ще проучим тяхната структура. Ще разгледаме и обмена на газ в тъканите и белите дробове. Нека определим характеристиките на външното дишане, което се случва между тялото и атмосферата, и вътрешното, което се случва директно на клетъчно ниво.
Защо дишаме?
Повечето хора ще отговорят, без да се замислят: за да получат кислород. Но те не знаят защо ни трябва. Мнозина отговарят просто: за дишане е необходим кислород. Оказва се някакъв омагьосан кръг. Биохимията, която изучава клетъчния метаболизъм, ще ни помогне да го нарушим.
Светлите умове на човечеството, изучаващи тази наука, отдавна са стигнали до извода, че кислородът, влизащ в тъканите и органите, окислява въглехидратите, мазнините и протеините. В този случай се образуват енергийно бедни съединения: вода, амоняк. Но основното е, че в резултат на тези реакции се синтезира АТФ - универсално енергийно вещество, използвано от клетката за нейните жизнени функции. Можем да кажем, че обменът на газ в тъканите и белите дробове ще снабди тялото и неговите структури с необходимия за окисляването кислород.
Механизъм за обмен на газ
Това предполага наличието на най-малко две вещества, чиято циркулация в организма осигурява обменните процеси. В допълнение към гореспоменатия кислород, обменът на газ в белите дробове, кръвта и тъканите се извършва с друго съединение - въглероден диоксид. Образува се при дисимилационни реакции. Тъй като е токсично метаболитно вещество, то трябва да бъде отстранено от цитоплазмата на клетките. Нека разгледаме по-подробно този процес.
Въглеродният диоксид прониква чрез дифузия клетъчната мембранав интерстициална течност. Оттам попада в кръвоносните капиляри – венули. След това тези съдове се сливат, за да образуват долната и горната празна вена. Те събират кръв, наситена с CO 2. И я изпращат в дясното предсърдие. Когато стените му се свият, част от венозната кръв навлиза в дясната камера. Тук започва белодробното (малко) кръвообращение. Неговата задача е да насища кръвта с кислород. Венозната в белите дробове става артериална. И CO 2, от своя страна, напуска кръвта и се отстранява навън чрез За да разберете как се случва това, първо трябва да проучите структурата на белите дробове. Обменът на газ в белите дробове и тъканите се извършва в специални структури- алвеоли и техните капиляри.
Структура на белия дроб
Това са чифтни органи, разположени в гръдна кухина. Левият бял дроб се състои от два лоба. Десният е по-голям като размер. Има три лоба. През портите на белите дробове в тях влизат два бронха, които, разклонявайки се, образуват така нареченото дърво. Въздухът се движи през клоните му по време на вдишване и издишване. На малките респираторни бронхиоли има везикули - алвеоли. Те са събрани в ацини. Те от своя страна образуват белодробния паренхим. Важното е, че всеки респираторен везикул е плътно обвит в капилярната мрежа на малкия и системния кръг на кръвообращението. Донасяне на клони белодробни артерии, доставящи венозна кръв от дясната камера, транспортират въглероден диоксид в лумена на алвеолите. А еферентните белодробни венули поемат кислород от алвеоларния въздух.
През белодробните вени навлиза в лявото предсърдие, а от него в аортата. Неговите разклонения под формата на артерии осигуряват на клетките на тялото необходимия кислород за вътрешно дишане. Именно в алвеолите кръвта преминава от венозна в артериална. По този начин обменът на газ в тъканите и белите дробове се осъществява директно от кръвообращението през малките и големи кръговекръвообръщение Това се дължи на непрекъснати контракции на мускулните стени на сърдечните камери.
Външно дишане
Нарича се още вентилация. Представлява обмена на въздух между външната среда и алвеолите. Физиологично правилното вдишване през носа осигурява на тялото порция въздух със следния състав: около 21% O 2, 0,03% CO 2 и 79% азот. След това навлиза в алвеолите. Те имат своя порция въздух. Съставът му е както следва: 14,2% O 2, 5,2% CO 2, 80% N 2. Вдишването, подобно на издишването, се регулира по два начина: нервен и хуморален (концентрация на въглероден диоксид). Благодарение на стимулирането на дихателния център на продълговатия мозък, нервните импулси се предават на дихателните междуребрени мускули и диафрагмата. Обемът на гръдния кош се увеличава. Белите дробове, движейки се пасивно след контракциите на гръдната кухина, се разширяват. Налягането на въздуха в тях става под атмосферното. Поради това част от въздуха от горните дихателни пътища навлиза в алвеолите.
Издишването следва вдишването. Съпровожда се от отпускане на междуребрените мускули и повдигане на свода на диафрагмата. Това води до намаляване на белодробния обем. Налягането на въздуха в тях става по-високо от атмосферното. И въздух с излишък на въглероден диоксид се издига в бронхиолите. По-нататък, по протежение на горните дихателни пътища, следва носната кухина. Съставът на издишания въздух е както следва: 16,3% O 2, 4% CO 2, 79 N 2. На този етап се извършва външен газообмен. Белодробният газообмен, осъществяван от алвеолите, осигурява на клетките кислород, необходим за вътрешното дишане.
Клетъчно дишане
Включен в системата на катаболните реакции на метаболизма и енергията. Тези процеси се изучават както от биохимията, така и от анатомията, а обменът на газ в белите дробове и тъканите е взаимосвързан и невъзможен един без друг. По този начин той доставя кислород на интерстициалната течност и премахва въглеродния диоксид от нея. А вътрешният, осъществяван директно в клетката от нейните органели – митохондриите, които осигуряват окислителното фосфолиране и синтеза на молекулите на АТФ, използва за тези процеси кислород.
Цикъл на Кребс
Водещ е цикълът на трикарбоксилната киселина, който съчетава и координира реакциите на безкислородния етап и процесите, включващи трансмембранни протеини. Той също така действа като доставчик на клетъчни строителни материали (аминокиселини, прости захари, висши карбоксилни киселини), образувани в неговите междинни реакции и използвани от клетката за растеж и делене. Както можете да видите, в тази статия е изследван газообменът в тъканите и белите дробове и неговият биологична роляв живота на човешкото тяло.
Газообмен в белите дробовевъзниква поради дифузията на газовете през тънките епителни стени на алвеолите и капилярите. Съдържанието на кислород в алвеоларния въздух е много по-високо, отколкото във венозната кръв на капилярите, а съдържанието на въглероден диоксид е по-малко. В резултат на това парциалното налягане на кислорода в алвеоларния въздух е 100-110 mm Hg. Чл., И в белодробните капиляри - 40 mm Hg. Изкуство. Парциалното налягане на въглеродния диоксид, напротив, е по-високо във венозната кръв (46 mm Hg), отколкото в алвеоларния въздух (40 mm Hg). Поради разликите в парциалното налягане на газовете, кислородът от алвеоларния въздух ще дифундира в бавно течащата кръв на капилярите на алвеолите, а въглеродният диоксид ще дифундира в обратна посока. Кислородните молекули, влизащи в кръвта, взаимодействат с хемоглобина на червените кръвни клетки и във формата образуван оксихемоглобинпренесени в тъканите.
Газообмен в тъканитесе извършва по подобен принцип. В резултат на окислителните процеси в клетките на тъканите и органите концентрацията на кислород е по-ниска, а концентрацията на въглероден диоксид е по-висока, отколкото в артериалната кръв. Следователно кислородът от артериалната кръв дифундира в тъканната течност, а от нея в клетките. Движението на въглеродния диоксид се извършва в обратна посока. В резултат на това кръвта от артериална, богата на кислород, се превръща във венозна, обогатена с въглероден диоксид.
По този начин движещата сила на газообмена е разликата в съдържанието и, като следствие, парциалното налягане на газовете в тъканните клетки и капилярите.
Нервна и хуморална регулация на дишането.
Дишането се регулира дихателен център,намиращ се в продълговатия мозък. Представлява се от центъра за вдишване и центъра за издишване.Нервните импулси, възникващи в тези центрове, последователно, по низходящи пътища, достигат до двигателните диафрагмални и междуребрените нерви, които контролират движенията на съответните дихателни мускули. Нервните центрове получават информация за състоянието на дихателните органи от множество механо- и хеморецептори, разположени в белите дробове, дихателните пътища и дихателните мускули.
Промяната в дишането става рефлекторно. Той се променя при болкова стимулация, при дразнене на коремните органи, рецепторите на кръвоносните съдове, кожата и рецепторите на дихателните пътища. При вдишване на амонячни пари, например, се дразнят рецепторите на лигавицата на назофаринкса, което води до рефлекторно задържане на дишането. Това е важно устройство, което предотвратява навлизането на токсични и дразнещи вещества в белите дробове.
От особено значение за регулацията на дишането са импулсите, идващи от рецепторите на дихателната мускулатура и от рецепторите на самите бели дробове. От тях до голяма степен зависи дълбочината на вдишване и издишване. Случва се така: при вдишване, при разтягане на белите дробове се дразнят рецепторите в стените им. Импулсите от белодробните рецептори по протежение на центростремителните влакна достигат до дихателния център, инхибират центъра за вдишване и възбуждат центъра за издишване. В резултат на това дихателните мускули се отпускат, гръдният кош пада, диафрагмата придобива формата на купол, обемът на гръдния кош намалява и настъпва издишване. Затова казват, че вдишването рефлексивно предизвиква издишване. Издишването от своя страна рефлекторно стимулира вдишването.
Кората на главния мозък участва в регулирането на дишането, като осигурява най-фината адаптация на дишането към нуждите на тялото във връзка с промените в условията на околната среда и жизнените функции на тялото.
Ето примери за влиянието на кората мозъчни полукълбаза дишане. Човек може да задържи дъха си за известно време и да промени ритъма и дълбочината по желание. дихателни движения. Влиянията на кората на главния мозък обясняват предстартовите промени в дишането при спортистите - значително задълбочаване и учестяване на дишането преди началото на състезанието. Възможно е да се развият условни дихателни рефлекси. Ако добавите около 5-7% въглероден диоксид към вдишвания въздух, който в такава концентрация ускорява дишането и придружавате вдишването със звук на метроном или камбана, тогава след няколко комбинации камбаната или звукът на метронома ще предизвика учестено дишане.
Защитните дихателни рефлекси - кихане и кашляне - спомагат за отстраняването на попаднали в дихателните пътища чужди частици, излишна слуз и др.
Хуморална регулациядишането е, че увеличаването на въглеродния диоксид в кръвта повишава възбудимостта на центъра за вдишване поради производството на нервни импулсиот хеморецептори, разположени в големи артериални съдове, мозъчен ствол.
Сега е установено, че въглеродният диоксид има не само директен стимулиращ ефект върху дихателния център. Натрупването на въглероден диоксид в кръвта предизвиква дразнене на рецепторите в кръвоносни съдове, носейки кръв към главата (сънните артерии), и рефлекторно възбужда дихателния център. По подобен начин действат и други киселинни продукти, влизащи в кръвта, например млечна киселина, чието съдържание в кръвта се увеличава по време на мускулна работа. Киселините повишават концентрацията на водородни йони в кръвта, което води до стимулиране на дихателния център.
Респираторна хигиена.
Дихателните органи са входна врата за навлизане на патогени, прах и други вещества в човешкото тяло. Значителна част от малки частици и бактерии се установяват върху лигавицата на горните дихателни пътища и се отстраняват от тялото с помощта на ресничестия епител. Някои микроорганизми все още навлизат в дихателните пътища и белите дробове и могат да причинят различни заболявания (възпалено гърло, грип, туберкулоза и др.). За да се предотвратят респираторни заболявания, е необходимо редовно да се проветряват жилищните помещения, да се поддържат чисти, да се правят дълги разходки. свеж въздух, избягвайте да посещавате многолюдни места, особено по време на епидемии от респираторни заболявания.
Пушенето причинява голяма вреда на дихателната система тютюневи изделия- както за самия пушач, така и за околните (пасивно пушене).Токсични вещества тютюнев димтровят тялото и причиняват различни заболявания(бронхит, туберкулоза, астма, рак на белия дроб и др.).
туберкулоза -инфекция, позната от древни времена и наречена "консумация", тъй като тези, които се разболеха, изсъхнаха пред очите ни и изсъхнаха. Това заболяване е хронична инфекцияопределен вид бактерия (Mycobacterium tuberculosis), която обикновено засяга белите дробове. Туберкулозната инфекция не се предава толкова лесно, колкото другите инфекциозни заболяваниядихателния тракт, тъй като за да навлязат достатъчен брой бактерии в белите дробове, е необходимо многократно и продължително излагане на частици, отделяни, когато пациентът кашля или киха. Значителен рисков фактор е престоят в претъпкани помещения с лоши санитарни условия и честият контакт с болни от туберкулоза.
Mycobacterium tuberculosis е силно устойчив на външна среда. На тъмно място в храчките те могат да останат жизнеспособни в продължение на много месеци. Под влияние на преки слънчеви лъчимикобактериите умират в рамките на няколко часа. Чувствителни са към висока температура, активирани разтвори на хлорамин, белина. Как да се лекува народни средствавижте тази болест тук.
Инфекцията има два етапа. Бактериите първо пътуват до белите дробове, където повечето от тях се унищожават от имунната система. Бактериите, които не са убити, се улавят от имунната система в твърди капсули, наречени туберкули, които се състоят от много различни клетки. Бактерии туберкулозане може да причини увреждане или симптоми, докато е в туберкулите, и много хора никога не развиват болестта. Само малка част (около 10 процента) от заразените хора прогресират до втория, активен стадий на заболяването.
Активният стадий на заболяването започва, когато бактериите напуснат туберкулите и заразят други области на белите дробове. Бактериите също могат да навлязат в кръвта и лимфна системаи се разпространява по цялото тяло. При някои хора активният стадий настъпва няколко седмици след първоначалната инфекция, но в повечето случаи вторият стадий започва чак след няколко години или десетилетия. Фактори като стареене, отслабена имунна система и лошо хранене, увеличават риска бактериите да се разпространят извън туберкулите. Най-често при активна туберкулоза бактериите разрушават белодробната тъкан и правят дишането много трудно, но болестта може да засегне и други части на тялото, включително мозъка. Лимфните възли, бъбреците и стомашно-чревния тракт. Ако туберкулозата не се лекува, тя може да бъде фатална.
Болестта понякога се нарича бяла чума заради пепелявия тен на жертвите. Туберкулозата е водещата причина за смърт в световен мащаб, въпреки разработването на ефективно лечение
лекарства.
Източникът на инфекция е болен човек, болни домашни любимци и птици. Най-опасните пациенти отворена форма белодробна туберкулоза, освобождаване на патогени с храчки, капки слуз при кашляне, говорене и др. Пациентите с туберкулозни лезии на червата, пикочно-половите и други вътрешни органи са по-малко опасни епидемиологично.
Сред домашните животни най-голямо значение като източник на инфекция имат едрите животни. говеда, който отделя патогени в млякото, и свинете.
Пътищата на предаване на инфекцията са различни. По-често възниква инфекция чрез накапванечрез храчки и слюнка, отделяни от пациента при кашляне, говорене, кихане, както и чрез прах във въздуха.
Важна роля играе контактът и битовото разпространение на инфекцията, както директно от пациента (оцветени с храчки ръце), така и чрез различни битови предмети, замърсени с храчки. Хранителни продуктиможе да зарази пациент с туберкулоза; Освен това инфекцията може да се предаде от туберкулозни животни чрез тяхното мляко, млечни продукти и месо.
Възприемчивостта към туберкулоза е абсолютна. Поток инфекциозен процесзависи от състоянието на организма и неговите съпротивителни сили, хранене, жизнена среда, условия на труд и др.
