ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ Дыхание- совокупность процессов обеспечивающих поступление

ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ

Дыхание- совокупность процессов, обеспечивающих поступление во внутреннюю среду организма кислорода, использование его для окислительных процессов, и удаление из организма углекислого газа

Особенности респираторной системы человека • Легочный газообмен осуществляется путем вентиляции альвеол, заполненных газовой смесью относительно постоянного состава , что способствует поддержанию ряда гомеостатических констант организма. • Главную роль в вентиляции легких играет строго специализированная инспираторная мышца - диафрагма , что обеспечивает известную автономию функции дыхания. • Центральный дыхательный механизм представлен рядом специализированных популяций нейронов ствола мозга и вместе с тем подвержен модулирующим влияниям вышележащих нервных структур, что придает его функции значительную устойчивость в сочетании с лабильностью.

Функции дыхательной системы • Звукообразование и речь сложные процессы — координации деятельности дыхательных мышц, мышц гортани, голосовых связок, губ и языка. • Кондиционирование воздуха. респираторной К поверхности альвеол должен поступать увлажнённый воздух температуры внутренней среды и не содержащий в идеале посторонних частиц. Функцию доведения воздуха до необходимых кондиций выполняют воздухоносные пути. • Защитная функция. Слизистая оболочка воздухоносных путей (в большей степени за счет влияния тучных клеток) выделяет на поверхность эпителия значительное количество слизи, в которой осаждаются посторонние частицы.

Иммунная функция дыхательной системы Альвеолярные макрофаги, расположеные на поверхности альвеол, выполняют следующие функции: 1. фагоцитируют остатки сурфактанта, погибшие клетки, микроорганизмы, частицы аэрозоля и пылевые частицы, 2. обладают антимикробной и противоопухолевой активностью за счет АФК, протеаз и цитокинов. 3. выделяют антитрипсин, который защищает эластин альвеол от расщепления эластазой лейкоцитов.

Этапы дыхания 1 — обмен газами между окружающей средой и альвеолами легких (внешнее дыхание), 2 — обмен газами между альвеолярным воздухом и кровью, 3 — транспорт газов кровью, 4 — обмен газами между кровью и тканями, 5 — потребление кислорода клетками и выделение углекислоты (клеточное, или тканевое дыхание).

Метаболические функции дыхательной системы В лёгких метаболизирует ряд биологически активных веществ: 1. Превращение ангиотензин I в ангиотензин II. катализирует ангиотензин–превращающий фермент эндотелиальных клетках капилляров альвеол. 2. Брадикинин инактивируется на 80% при помощи ангиотензин– превращающего фермента, 3. С помощью ферментов в лёгких инактивируются простогландины E 1, E 2 и F 2 a, лейкотриены и норадреналин. 4. В лёгких инактивируется также серотонин путём выведения из крови. 5. Некоторые вазоактивные и бронхоактивные вещества метаболизируют в лёгких и могут освобождаться в кровоток. Наиболее важными среди них являются метаболиты арахидоновой кислоты: лейкотриены, вызывающие сужение воздухоносных путей и участвующие в воспалительных реакциях, и Пг (мощные вазоконстрикторы или вазодилататоры).

Этапы дыхания

Блок—схема системы дыхания человека 1 — внешнее дыхание, 2 — аэрогематический барьер, 3 — транспорт газов кровью и тканевыми жидкостями, 4 — гематопаренхиматозный барьер, 5 — тканевое дыхание, 6 — нейрогуморальная регуляция дыхания, 7 — потоки энергии.

Структура аппарата внешнего дыхания 1. Воздухоносные пути и альвеолы легких 2. Костно-мышечный каркас грудной клетк и плевра 3. Малый круг кровообращения 4. Нейрогуморальный аппарат регуляции

Воздухоносные пути и альвеолы легких

Капиллярная сеть легочных альвеол

Функции легких Газообменная – является главной, происходит в альвеолах. Негазообменные функции : • Выделительная кроме СО 2, выделяется Н 2 О и летучие – соединения: ацетон, этилмеркаптан, этанол, эфир, закиси азота. • Инактивациябиологически активных веществ – эндотелий капилляров ращепляет вещества циркулирующие в крови: более 80% брадикинина, 90 -95% простагландинов и E и Fгрупп, ангиотензин I превращается в ангиотензин II. • Вырабатывают биологически активные вещества: гепарин, тромбоксан В 2, простагландинов, тромбопластина, факторов свертывания крови VIII, гистамин, серотонин и другие. • Выполняют защитную функцию – в них образуются антитела осуществляется фагоцитоз вырабатывается , , лизоцим интерферон, лактоферрин, иммуноглобулин. , • Участвуют в процессах терморегуляции – как теплообразования, так и теплоотдачи.

Функции воздухоносных путей • Газообменная имеет 23 генерации, – выделяют воздухоносные пути (150 мл), переходную зону (200 мл), дыхательную зону (2500 мл) • Негазообменные функцииочищение – вдыхаемого воздуха, увлажнение вдыхаемого воздуха, согревание воздуха, участвует в процессах терморегуляции, является периферическим аппаратом генерации звука.

Схема ветвления воздухоносных путей (слева) и кривая суммарной площади поперечного сечения воздухоносных путей на уровне каждого ветвления (справа) Бр — бронхи; Бл — бронхиолы; КБл — конечные бронхиолы; ДБл — дыхательные бронхиолы; AX — альвеолярные ходы; А — альвеолы; Z — генерация дыхательных путей.

Биомеханика внешнего дыхания • • Процесс внешнего дыхания обеспечивается путем возвратно—поступательной вентиляции альвеол, заполненных газовой смесью относительно постоянного состава. Вдох – инспирация. Выдох – экспирация. Вдох – процесс активный , вызывается сокращением инспираторных мышц – диафрагмы и наружных косых межреберных. Спокойный выдох - процесс пассивный , протекает без сокращения скелетных мышц. Дыхательный цикл включает две фазы: вдох (инспирацию) и выдох (экспирацию). Обычно вдох несколько короче выдоха: у человека их соотношение равно в среднем 1 : 1, 3. Соотношение компонентов дыхательного цикла (длительность фаз, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях) характеризует так называемый паттерн дыхания.

Механизм дыхательных движений

Фазы дыхательного цикла I — вдох, II — выдох, а — трансдиафрагмальное давление (разность между давлениями в грудной и брюшной полости), б — объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха (спирограмма), в — скорости инспираторного и экспираторного потоков, г — электрическая активность диафрагмы (электромиограмма).

Вспомогательные дыхательные мышцы • Вспомогательные мышцы включаются при форсированном дыхании. • Вспомогательные инспираторные мышцы – лестничные, грудные, передняя зубчатая, трапецевидные, ромбовидные, мышцы, поднимающие лопатку. • Вспомогательные экспираторные мышцы внутренние косые межреберные, поперечная и прямая мышцы брюшной стенки. • Типы дыхания зависимости от преимущественного (в участия мышц диафрагмы и межреберных в процессе дыхания): • реберный, или грудной; • диафрагмальный, или брюшной.

Вспомогательные дыхательные мышцы экспираторные инспираторные

Силы сопротивления Работа дыхательной мускулатуры направлена на преодоление сил сопротивления легких, грудной клетки и органов брюшной полости. Эти силы делятся на: эластические (упругие) и неэластические (вязкие). Эластичность грудной клетки создается: • эластичностью мышц, • эластичностью хрящевых соединений, • эластичностью связок, • эластичностью ребер. Эластическая тяга легких обусловлена: • эластичностью легочной ткани; • тонусом бронхиальных мышц; • поверхностным натяжением жидкости, выстилающей стенки альвеол (составляет около 70– 80% силы эластической тяги легких). Сила поверхностного натяжения жидкости альвеол снижается сурфактантом.

Силы сопротивления Неэластические (вязкие) сопротивления. • Складываются из неэластического сопротивления тканей и аэродинамического сопротивления воздушному потоку. • Неэластическое сопротивление тканей обусловлено силой трения органов грудной и брюшной полостей, составляет около 10– 20 %. • Аэродинамическое сопротивление воздухоносных путей составляет около 80– 90%, связано с трением воздуха в процессе прохождения по воздухоносным путям. Оно существенно увеличивается при возрастании скорости воздушного потока. • Аэродинамическое сопротивление наиболее выражено на уровне средних бронхов.

Механизм вдоха и выдоха На вдохе Р = 756 мм. Hg альв На выдохе Р = 764 мм. Hg альв • Трансреспираторное давление: Р = Ральв. трр Рвнешн. На вдохе: = 756 - 760 = - 4 мм Hg На выдохе: = 764 - 760 =+ 4 мм Hg • Эластическая тяга дыхания = эластическая тяга легких + эластическая тяга грудной клетки

Внутриплевральное давление на вдохе и выдохе

Модель Дондерса (роль внутриплеврального давления в расправлении легких)

Вентиляция легких • Движение газов по воздухоносным путям осуществляется путем конвекции и диффузии. Эти два процесса определяют альвеолярную вентиляцию. • Конвекцияпроисходит от трахеи до уровня 17– 18 генерации бронхов. • Начиная с 17– 18 -й генерации бронхов перепад давлений снижается. Скорость воздушного потока падает до 0. Здесь все большее значение играют процессы диффузии. • У человека от трахеи до альвеол общая площадь поперечного сечения увеличивается в 4500 раз. Поэтому линейная скорость потока вдыхаемого воздуха по мере приближения к альвеолам постепенно падает.

Схема ветвления воздухоносных путей (слева) и кривая суммарной площади поперечного сечения воздухоносных путей на уровне каждого ветвления (справа) Бр — бронхи; Бл — бронхиолы; КБл — конечные бронхиолы; ДБл — дыхательные бронхиолы; AX — альвеолярные ходы; А — альвеолы; Z — генерация дыхательных путей.

Легочные объемы и емкости Легочные объемы: 1. Дыхательный объем 2. Резервный объем вдоха 3. Резервный объем выдоха 4. Остаточный объем ДО = 500 мл РОвдоха = 1500 -2500 мл РОвыдоха =1000 мл ОО = 1000 -1500 мл Легочные емкости: 1. Общая емкость легких ОЕЛ = (1+2+3+4) = 4 -6 литров 2. Жизненная емкость легких ЖЕЛ = (1+2+3) =3, 5 -5 л. 3. Функциональная остаточная емкость легких ФОЕ = (3+4 ) = 2 -3 л. 4. Емкость вдоха ЕВ = (1+2) = 2 -3 л.

Легочные объемы и емкости

Зависимость легочных объемов о возраста

Основные показатели вентиляции 1. Частота дыхания ЧД = 12 -16/мин 2. Минутный объем дыхания МОД =ДО х ЧД= 6 - 9 литров 3. Объем анатомического мертвого пространства ОМП =140 мл 4. Дыхательный альвеолярный объем ДАО = ДО-ОМП= 500 -140=360 мл 5. Коэффициент вентиляции альвеол КВА = ДАО/ФОЕ = (ДО-МП) / (ОО+РОВЫД) = 360/2500 = 1/7 6. Минутная альвеолярная вентиляция легких МВЛ = (ДО-МП) х ЧД = 3, 5 -4, 5 л

АЭРОГЕМАТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР

Парциальное давление • Парциальное давление - часть общего давления смеси газов, приходящаяся на отдельный газ (если бы он занимал весь объем смеси) • ЗАКОН ДАЛЬТОНА РСМЕСИ х С (%) РГАЗА = ------------------100% Для воздуха: Ратм = 760 мм Hg; Скислорода = 20, 9%; Ркислорода= 159 мм Hg

Диффузия газов через барьер • ЗАКОН ФИКА • • S. DK. (P 1 - P 2) • QГАЗА= ----------T • • где: Qгаза - объем газа, проходящего через ткань в единицу времени, • S- площадь ткани, • DK-диффузион- ный коэффициент газа, • (Р 1 -Р 2) - градиент парциального дав- ления газа; • Т - толщина барьера ткани

Д иффузия газов через АГБ ЗАКОН ФИКА S. DK. (P 1 - P 2) QГАЗА= ----------T где: Qгаза - объем газа, проходящего через ткань в единицу времени, S- площадь ткани, DK-диффузионный коэффициент газа, (Р 1 -Р 2) - градиент парциального давления газа; Т - толщина барьера ткани ЗАКОН ДАЛЬТОНА • Для кислорода: Ральв. возд=100 мм Hg Pвен. крови= 40 мм Hg Р 1 -Р 2=60 мм Hg • Для СО 2: Рвен. крови=46 мм Hg Ральв. возд. =40 мм Hg Р 1 -Р 2= 6 мм Hg DK CO 2 >DK O 2 в 25 раз

Внешнее дыхание Три процесса: • Вентиляция, • Диффузия, • Перфузия.

Соотношение вентиляции и перфуз легких Для нормального процесса обмена газов в легочны альвеолах необходимо, чтобы их вентиляция воздух находилась в определенном соотношении с перфузией капилляров кровью. Иными словами, минутному объему дыхания должен соответствовать минутный объем крови, протекающей через сосуды малого круга. В обычных условиях вентиляционно—перфузионный коэффициент у человека составляет 0, 8— 0, 9. Например, при альвеолярной вентиляции, равной 6 л/мин, минутный объем крови может составить около 7 л/мин. В отдельных областях легких соотношение между вентиляцией и перфузией может быть неравномерны

ВЕНТИЛЯЦИОННО-ПЕРФУЗИОННЫЕ ОТНОШЕНИЯ В РАЗНЫХ ЗОНАХ ЛЕГКИХ

Соотношение вентиляции и перфузии в разных отделах легких. Распределение вентиляционноперфузионного коэффициента (ВПК)

ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ

Транспорт О кровью 2 ДВЕ ФОРМЫ ТРАНСПОРТА КИСЛОРОДА: • физически растворенный газ: 3 мл О 2 в 1 л крови • связанный с Нв газ: 190 мл О 2 в 1 л крови Кислородная емкость кровиколичество О 2 , которое связывается кровью до полного насыщения гемоглобина Константа Гюфнера: 1 г. Hb - 1, 36 - 1, 34 мл О 2 Кислородная емкость крови = 190 мл О 2 в 1 л. Всего в крови содержится около 1 литра О 2 Коэффициент утилизации кислорода = 30 - 40%

Увеличение напряжения кислорода в эритроцитах во время прохождения их через легочные капилляры Вверху — поглощение кислорода эритроцитами, внизу — кривая зависимости напряжения кислорода в капилляре РО 2 от времени диффузии t; Ра. О 2 — парциальное давление в альвеолах; Рв. О 2 — среднее напряжение кислорода в венозной крови; Рк О 2— среднее для всего времени диффузии значение напряжения кислорода в капилляре; t — время диффузионного контакта.

Кривая диссоциации оксигемоглобина насыщение отдача Физически растворенный газ

Сдвиги кривой диссоциации ВЛЕВО ВПРАВО (Эффект Бора) Сдвиг влево - легче насыщение кислородом: <t; <Pco ; <2, 3 -ДФГ; >p. H 2 Сдвиг вправо - легче отдача кислорода: >t; >Pco ; >2, 3 -ДФГ; <p. H 2

Транспорт СО кровью 2 ТРИ ФОРМЫ ТРАНСПОРТА : • физически растворенный газ - 5 -10% • химически связанный в бикарбонатах: в плазме Na. HCO 3 , в эритроцитах КНСО 3 80 -90% • связанный в карбаминовых соединениях гемоглобина: Hb. NH 2 + CO 2 Hb. NHCOOH - 5 -15%

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В КРОВИ ПРИ ОБМЕНЕ ГАЗОВ В ЛЕГКИХ И ТКАНЯХ КА Н 2 О + СО 2 ННb СО 2 из тканей О 2+ ННв. СО 2 KHb. O 2 Н 2 СО 3 КНв. О 2 K+ + Hb + O 2 НСО 3 - + Н+ в клетки + СО 2 ННb. CO 2 HCO 3 Na+ + Cl- Na. HCO 3 КНСО 3 Na. Cl в эритроциты

Кривая диссоциация оксигемоглобина цельной крови. А — влияние изменения р. Н крови на сродство гемоглобина к O 2; Б — влияние изменения температуры на сродство гемоглобина к О 2. Кривые 1— 6 соответствуют температуре 0, 10, 20, 38 и 43 °С.

Участие эритроцито в обмене О 2 и СО 2 в тканях и в легких.

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В КРОВИ ПРИ ОБМЕНЕ ГАЗОВ В ЛЕГКИХ И ТКАНЯХ

Каскад кислорода

Регуляция дыхания

Дыхательный центрсовокупность нейронных ансамблей разных этажей центральной нервной системы, обеспечивающих управление внешним дыханием. Автоматический дыхательный центр совокупность нейронов специфических (дыхательных) ядер продолговатого мозга, способных генерировать дыхательный ритм. Функции дыхательного центра: • - моторная или двигательная • - гомеостатическая

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ДЫХАТЕЛЬНОГО ЦЕНТРА ГАСПИНГЦЕНТР

Роль разных отделов ЦНС в регуляции внешнего дыхания • Спинной мозг обеспечивает эфферентную иннервацию дыхательных мышц, является исполнительной структурой, не обладающей самостоятельной активностью. • Продолговатый мозгявляется генератором центрального дыхательного ритма. • Варолиев мост обеспечивает правильность центрального дыхательного ритма, оптимальное соотношение между продолжительностью вдоха и выдоха. В нем расположены пневмотаксический и айпнестический центры. • Гипоталамус осуществляет безусловнорефлекторные адаптивные реакции внешнего дыхания. • Высшие отделы мозга (новая кора и лимбическая система)- обеспечивают условнорефлекторные механизмы адаптивных реакций дыхания.

Дыхательный центр (его компоненты) и эфферентные нервы.

Механизм центрального дыхательного ритма. • Центральный дыхательный ритм генерируется бульбарным отделом дыхательного центра. Для него свойственна автоматия. • Дыхательные нейроны локализованы в парных вентральных и дорсальных ядрах дна 4 желудочка продолговатого мозга. • Дорсальное ядро содержит преимущественно инспираторные нейроны – центр вдоха. • Вентральные ядра содержат и инспираторные, и экспираторные нейроны. • Между инспираторными и экспираторными нейронами существуют антагонистические отношения, которые проявляются в том, что возбуждение одних приводит к торможению других.

Паттерны импульсной активности инспираторного (А) и экспираторного (Б) нейронов В — спирограмма; I — вдох, II — выдох.

Схема нервной цепи, отвечающей за ритмогенез с обратной связью от рецепторов легких

Локализация инспираторных и экспираторных нейронов в бульбарном дыхательном центре

Центральный дыхательный ритм модулируется афферентной импульсацией с периферии. 1 — центральный дыхательный механизм, 2 — артериальные хеморецепторы (каротидный гломус), 3— бульбарные хемочувствительные зоны, 4 — легочные механорецепторы, 5 — легкие, 6 — диафрагма, 7 — межреберные мышцы.

Значение центральных и периферических хеморецепторов • Информацию о газовом составе крови дыхательный центр получает посредством периферических и центральных хеморецепторов. • Периферические хеморецепторы. Расположены - дуге аорты (аортальное тельце) и каротидном синусе. Основными являются рецепторы каротидного синуса. • Центральные хеморецепторы. Находятся в продолговатом мозге. Реагируют на снижение р. Н ликвора. Их чувствительность очень высокая. • В состоянии физиологической нормы основным механизмом регуляции деятельности дыхательного центра является изменение р. Н ликвора.

Экспериментальное доказательство гуморальной регуляции дыхания Опыт с перекрестным кровообращением (по Л. Фредерик 1890). Пережатые трахеи у собаки А вызывают одышку у собаки Б; одышка собаки Б вызывает замедление дыхания у собаки А.

Механорецепторы легких в регуляции дыхания В легких выделяют три группы механорецепторов: • Рецепторы растяжения. Находятся в гладкомышечном слое воздухоносных путей. Возбуждение от этой группы рецепторов передается по чувствительным волокнам вагуса в продолговатый мозг. • Ирритантные рецепторы. Расположены в эпителии и субэпителии воздухоносных путей. При их раздражении осуществляются защитные дыхательные рефлексы (кашель, чихание). • Юкстаальвеолярные рецепторы. Находятся в капиллярах малого круга кровообращения. Активируются при гипертензии малого круга, действии гистамина, никотина, отеке легких и повреждении легочной ткани.

Общая схема центральных и периферических факторов, влияющих на дыхание

Изменение дыхания при двусторонней ваготомии

Гипоксия и ее виды 1. Дыхательная -нарушение внешнего дыхания в результате снижения уровня парциального давления О 2 или структуры аэрогематического барьера. 2. Циркуляторная нарушение циркуляции крови в результате сердечной недостаточности и (или) прекращения кровоснабжения органов. 3. Анемическая снижение кислородной емкости крови в результате кровопотери, внутрисосудистого гемолиза эритроцитов или нарушения кроветворения. 4. Гистотоксическая нарушение процессов усвоения кислорода тканями в результате блокады окислительновосстановительных ферментов.

Особенности дыхания при погружении на глубину • При погружении на каждые 10 м – давление увеличивается на 1 атм. • Азот начинает растворяться в крови • Возникает угроза азотного опьянения на глубине и кессонной болезни при подъеме • Профилактика – медленный подъем • Рекорд погружения с аквалангом – 300 м • (при условии использования специальных газовых смесей)