Физиология дыхания к. м.

Физиология дыхания к. м. н. , доцент Сорокин О. В. Кафедра нормальной физиологии НГМУ

План лекции Анатомия органов дыхания. Внешнее дыхание ◦ Биомеханика дыхания ◦ Оценка функции внешнего дыхания ◦ Диффузия газов через аэрогематический барьер Транспорт газов в крови

Функции органов дыхания

Дыхание — газообмен кислорода и углекислого газа между клетками организма и внешней средой, состоит из следующих этапов: ◦ внешнее дыхание (происходит в органах дыхания), ◦ транспорт газов во внутренней среде организма (происходит в крови) и ◦ тканевое дыхание

Внешнее дыхание — Поступление атмосферного воздуха (вдох) и выведение альвеолярного газа (выдох) по дыхательным путям через респираторный отдел лёгких с двусторонней диффузией газов через аэрогематический барьер (т. е. между полостью альвеол и просветом кровеносных капилляров межальвеолярных перегородок).

Аппарат дыхания дыхательные пути, респираторный отдел лёгких, грудная клетка (включая её костно‑хрящевой каркас и нервно‑мышечную систему), сосудистая система лёгких, нервные центры регуляции дыхания

Органы дыхания Верхние дыхательные пути – Носовая полость, гортань Нижние дыхательные пути – Трахея, бронхи, легкие

Легкие • Два легких: основные органы дыхания – Правое легкое-три доли – Левое легкое-две доли

Воздухоносные пути Начиная от трахеи, трубки воздухоносных путей разделяются дихотомически (надвое), образуя последовательно бронхи (и бронхиолы): главные — долевые — сегментарные — дольковые — ацинарные (терминальные) — респираторные

Вдох (I, от англ. inspiration — инспирация) Дыхательные мышцы нагнетают атмосферный воздух в дыхательные пути, производя работу ◦ по преодолению сопротивления воздуха в дыхательных путях, ◦ сопротивления структур грудной клетки. При вдохе происходит активное увеличение объёма грудной полости и пассивное увеличение объёма лёгких. Часть энергии сокращения мышц при вдохе накапливается в упругих эластических структурах грудной клетки и лёгких.

Выдох (E, от англ. expiration — экспирация) В состоянии покоя выдох осуществляется пассивно (в том числе за счёт растянутых эластических структур). При нагрузках на организм, когда возрастает потребность в кислороде, необходима дополнительная работа дыхательных мышц. При выдохе происходит уменьшение объёма грудной полости и объёма лёгких.

Дыхательные мышцы Инспираторные мышцы ◦ Основные (обеспечивают вдох в состоянии покоя): диафрагма, наружные межрёберные, внутренние межхрящевые. ◦ Вспомогательные мышцы (лестничные, грудино- ключично-сосцевидные, трапециевидные, большие и малые грудные и ряд других) включаются в обеспечение вдоха при значительных запросах организма к потреблению кислорода. Экспираторные мышцы: внутренние межрёберные, а также внутренние и наружные косые, прямые и поперечные мышцы живота.

Дыхательные мышцы

Тип дыхания. Изменение объёма грудной клетки происходящий преимущественно за счёт перемещений диафрагмы (брюшной, или диафрагмальный тип дыхания). грудной (рёберный) тип дыхания, при котором значительный вклад в увеличение объёма грудной клетки вносят сокращения наружных межрёберных мышц.

Работа диафрагмы

Наружные межреберные мышцы

Благодаря сокращению мышц: 1. Размер грудной клетки увеличивается 2. Легкие пассивно растягиваются 3. Давление в легких становится ниже атмосферного 4. Воздух свободно поступает в легкие!

Эфферентная иннервация дыхательных мышц

Модель Дондерса

Легкие всегда находятся в расправленном состоянии! Какая сила держит легкие в расправленном состоянии?

Транспульмональное давление держит легкие в расправленном состоянии Р транспульмональное = Р альвеолярное – Р плевральное.

Респираторный отдел Воздухоносные пути респираторного отдела (респираторные бронхиолы — альвеолярные ходы — преддверие — альвеолярные мешочки — полость альвеол) соответствуют поколениям трубок 17– 23 с очень небольшой скоростью потока в них. Другими словами, перемещение газов в них происходит не путём конвекции (как в воздухоносных путях более крупного калибра), а путём диффузии. Альвеолы — полусферические структуры диаметром от 70 мкм до 300 мкм. Суммарная площадь всех альвеол (около 300 млн) от 50 м 2 до 100 м 2, их максимальный объём от 5 л до 6 л, что составляет не менее 97% объёма лёгких.

Сурфактант обеспечивает: 1. повышение растяжимости легких 2. стабильность альвеол

Кровоснабжение обеспечивает эффективную диффузию 1. Капилляры. 2. Низкая скорость кровотока. 3. Площадь капилляров до 80 м 2

Дыхательные объёмы

Дыхательный объём (ДО; VE, или VT — tidal volume) Объём воздуха, поступающий в лёгкие за один вдох или выходящий из лёгких при последующем выдохе при спокойном дыхании (норма 0, 4– 0, 5 л, у детей — 3– 5 мл/кг). Поскольку организм потребляет больше O 2 (~250 мл/мин), чем образует CO 2 (~200 мл/мин), объём воздуха на вдохе примерно на 4% больше объёма воздуха на выдохе. Поэтому для более точных исследований измеряют объём выдоха — expired lung volume (VE).

Альвеолярный объём (АО, VA) часть ДО (VE), непосредственно участвующая в газообмене.

Анатомически мёртвое пространство часть пространства дыхательных путей, заполненная воздухом, не участвующим в газообмене — остаток от (ДО — АО) — примерно 30% от ДО (VE), около 155 мл.

Дыхательные объёмы Резервный объём вдоха (РОвд; IRV — inspiratory reserve volume) — дополнительный объём воздуха (1, 9– 2, 5 л), который можно вдохнуть после нормального вдоха. Резервный объём выдоха (РОвыд; ERV — expiratory reserve volume) — дополнительный объём воздуха (1, 1– 1, 5 л), который можно выдохнуть после окончания нормального выдоха. Остаточный объём лёгкого (ООЛ; RV — residual volume) — объём воздуха (1, 5– 1, 9 л), остающийся в лёгких после максимального выдоха.

Лёгочные ёмкости (являются суммой двух или более лёгочных объёмов) Ёмкость вдоха (Евд; IC — inspiratory capacity — Евд = ДО + Ровд) равна сумме дыхательного объёма (ДО [VE]) и резервного объёма вдоха (Ровд [IRV]) — количество воздуха, которое можно максимально вдохнуть после нормального выдоха. Евд составляет 2, 3– 3, 0 л. Функциональная остаточная ёмкость (ФОЕ; FRC — functional residual capacity) — объём воздуха, остающийся в лёгких в конце нормального выдоха (около 2, 5 л): ФОЕ = ООЛ + РОВЫД. (FRC = ERV + RV). ФОЕ (FRC) в норме составляет 2, 6– 3, 4 л. Жизненная ёмкость лёгких (ЖЕЛ, VC — vital capacity) равна сумме дыхательного объёма (ДО [VE]), резервного объёма вдоха (РОвд [IRV]) и резервного объёма выдоха (РОвыд [ERV]). Это максимальный объём воздуха (от 3, 4 л до 4, 5 л), изгоняемый из лёгких вслед за максимальным вдохом: ЖЕЛ = ДО + РОвд + РОвыд (VC = VE + IRV + ERV). Форсированная жизненная ёмкость лёгких — ФЖЕЛ (forced vital capacity — FVC), 4, 6 л) — аналогична ЖЕЛ (VC) при максимально возможном вдохе и выдохе с максимальной силой и скоростью Общая ёмкость лёгких (ОЕЛ, TLC — total lung capacity) — максимальный объём воздуха (от 4, 9 л до 6, 4 л), находящийся в лёгких после максимального вдоха — равна сумме жизненной ёмкости лёгких — ЖЕЛ (VC) и остаточного объёма лёгких — ООЛ (RV).

Динамические лёгочные объёмы и ёмкости (отражают проходимость дыхательных путей) Минутный объём дыхания (МОД, VE) — количество воздуха, проходящего через воздухоносные пути каждую минуту. МОД равен дыхательному объёму (ДО), умноженному на частоту дыхательных движений в минуту (ЧДД): МОД = ДО´ЧДД (VE = VT´f). Так как ДО (VT) в норме составляет примерно 0, 5 л, а нормальная ЧДД (f) от 12 до 15 в минуту, то МОД составляет 6 – 8 л/мин. Максимальная вентиляция лёгких (МВЛ) — максимальное количество воздуха, которое может быть провентилировано через лёгкие за 1 мин — произведение частоты дыхательных движений — ЧДД (f) на ёмкость вдоха — Евд (IC): МВЛ = ЧДД´Евд (f´IC). Средние значения МВЛ у мужчин — 140 л/мин, у женщин — 130 л/мин.

2 этап Диффузия газов через аэрогематический барьер

Газовый состав воздуха Газ Атмосферн. Альвеолярн. Выдыхаем. О 2 20, 9 (160) 13, 5 (104) 15, 5 (120) СО 2 0. 03 (0, 2) 5. 3 (40) 3. 7 (27) N 2 78. 62 (596) 74. 9 (569) 74. 6 (566) Н 2 О 0. 5 (3. 8) 6. 3 (47) 6. 2 (47) Общий 100 (760)

Парциальное давление газов альвеолярного воздуха 13, 5 % О 2 = 104 мм рт. ст. 5. 3 % СО 2 = 40 мм рт. ст.

Напряжение газов в венозной крови О 2= 40 мм рт ст СО 2= 46 мм рт ст

Диффузия газов через аэрогематический барьер Q газа = S DK (P 1 -P 2) /T Для кислорода Р 1 -Р 2 = 100 – 40 = 60 мм рт. ст Для углекислого газа Р 1 -Р 2 =46 – 40 = 6 мм рт. ст

Условия уравновешивания парциальных давлений кислорода и углекислого газа 1. Высокая плотность капилляров 2. Низкое АД 3. Низкая скорость тока крови 4. Высокая проницаемость для СО 2

3 этап Транспорт кислорода кровью

Нв + 4 О 2 Нв (О 2)4 ?

В какой ситуации Hb связывает, а в какой отдает О 2 ? 1. Если много О 2 – связывание О 2 с Hb 2. Если мало О 2 – диссоциация Нв (О 2)4

Условия связывания кислорода и условия отдачи принято изображать графически. Этот график называется «Кривая диссоциации оксигемоглобина» .

Еще способ увеличить утилизацию Сдвиг кривой диссоциации

Гемоглобин взрослого и фетальный гемоглобин

Количество кислорода, которое может связать гемоглобин при условии его полного насыщения, называется кислородной емкостью крови (КЕК) 1 грамм Нв связывает 1, 39 мл О 2 , 140*1, 39 = 194, 6 мл О 2/1 литр крови

4 этап Диффузия кислорода в ткани

Транспорт углекислого газа В периферических капиллярах СО 2 связывается, а в капиллярах легких – освобождается и выводится

Основные транспортные формы углекислого газа: 1. в виде бикарбонатов калия и натрия в эритроцитах и плазме 80 – 90 % 2. в виде карбаминовых соединений гемоглобина – 5 – 15 % 3. в физически растворенном виде – 5 – 10 %