Газообмен и транспорт газов Лекция 15 Хроматограмма

Газообмен и транспорт газов Лекция 15

Хроматограмма выдыхаемого воздуха в динамике после курения • После курения в течение 30 мин не наступает стабилизации состава выдыхаемого воздуха

Изменение парциального давления

Анатомо-физиологическая структура легких • • Дыхательная зона около 300 млн альвеол. Площадь 40 -140 м 2. Толщина аэрогематического барьера-0, 3 -1, 2 мкм. Особенности диффузии газов через аэрогематический барьер характеризуются как диффузионную способность легких. • Для О 2 диффузионная способность легких – это объем газа, переносимого из альвеол в кровь при градиенте альвеоло-капиллярного давления газа 1 мм рт. Ст.

Процесс состоит из нескольких этапов:

Диффузия газов через альвеолокапиллярную мембрану • На первом этапе диффузионный перенос газов происходит по концентрационному градиенту через тонкий аэрогематический барьер. • На втором – происходит связывание газов в крови легочных капилляров, объем которых составляет 8015 - мл, при толщине слоя крови в капиллярах всего 5 -8 мкм и скорости кровотока около 0, 1 мм/сек. • После преодоления аэрогематического барьера газы диффундируют через плазму крови в эритроциты.

Диффузия газов через аэрогематический барьер зависит от следующих факторов: • Вентиляция легочных путей. • Смешивания и диффузии газов в альвеолярных протоках и дыхательных путей. • Смешивания и диффузии газов через аэрогематический барьер, мембрану эритроцитов и плазму альвеолярных капилляров. • Химической реакции газов с различными компонентами крови. • Перфузии кровью легочных капилляров.

Общие закономерности процесса диффузии ( закон Фика) М-количество газа, tвремя, М/t-скорость диффузии, ΔР-разница парциального давления газа в двух точках, Х- расстояние между этими точками, Споверхность газообмена, К- коэффициент диффузии, α- коэффициент растворимости газов.

Кровоснабжение – Капилляры. 1) малая величина капиллярных сегментов, 2) их обильная взаимосвязь, что формирует петлистую сеть, 3) высокая плотность отдельных капиллярных сегментов на единицу площади альвеолярной поверхности, 4) низкая скорость кровотока. – Низкое давление в малом круге – 15 -20 мм рт. ст. – Площадь капилляров до 80 м 2 – Кол-во крови в капиллярах - 200 мл

Газообмен и транспорт кислорода

Виды транспорта кислорода • Транспорт О 2 осуществляется в физически растворенном виде и химически связанном виде. • Физически растворенный кислород может поддерживать нормальные процессы жизнедеятельности в организме (250 мл в мин. ), если минутный объем кровообращения составит примерно 83 л мин. в покое. • Оптимальным является механизм транспорта кислорода в связанном виде, т. е. в связи с гемоглобином.

Физико-химические свойства гемоглобина • Гемоглобин способен избирательно связывать О 2 и образовывать оксигемоглобин (Hb. O 2) в зоне высоких концентраций в легких и освобождать молекулярной кислород в области пониженного содержания О 2 в тканях. При этом физико-химические свойства гемоглобина не изменяются на протяжении длительного времени. • Зависимость степени оксигенации гемоглобина от парциального давления О 2 в альвеоляром воздухе представляется в виде кривой диссоциации оксигемоглобина. • Но сродство кислорода к гемоглобину влияют различные метаболические факторы, что выражается в виде смещения кривой диссоциации влево или вправо.

Кислородная емкость крови 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

Коэффициент утилизации кислорода • Коэффициент утилизации кислорода это количество кислорода отданного при прохождении крови через тканевые капилляры, отнесенное к кислородной емкости крови. • Напряжение кислорода в артериальной крови капилляров равно 100 мм рт. ст. • На мембранах клеток, находящихся между капиллярами 20 мм рт. ст. • В митохондриях – 0, 5 мм рт. ст.

Кривая диссоциации оксигемоглобина в норме

Температурный эффект

Дыхательный коэффициент • Отношение образующегося в результате окисления СО 2 к количеству потребляемого в организме кислорода называется дыхательным коэффициентом. • В условиях покоя в организме за минуту потребляется в среднем 250 мл О 2 и выделяется около 230 мл СО 2. • Из всего О 2 вдыхаемого воздуха в кровь через аэрогематический барьер в легких поступает только 1/3. • Главное значение имеют оптимальные отношения альвеолярной вентиляции к кровотоку.

Газообмен и транспорт СО 2

Транспорт СО 2 • 1. 2. 3. Поступление СО 2 в альвеолы легких из крови обеспечивается из следующих источников: Из СО 2, растворенного в плазме крови (5 -10%), Из гидрокарбонатов (80 -90%). Из карбаминовых соединений эритроцитов (5 -15%), которые способны диссоциировать.

Клеточное дыхание

Взаимосвязь между едой, дыханием и клеточным дыханием • Fig

Метаболизм

Пути утилизации кислорода в клетке Большая часть кислорода, потребляемого клеткой (около 80 %), используется в митохондриях с участием цитохромоксидазы. Это так называемый оксидазный путь. При этом происходит полное восстановление кислорода, причем субстрат не реагирует с кислородом непосредственно. Данный путь дает клетке энергию в виде АТФ. Помимо цитохромоксидазы существуют другие оксидазы (ФМН и ФАД-зависимые), которые катализируют реакции окисления веществ с образованием перекиси водорода, Наряду с этим существует другой путь окисления – оксигеназный. Он не дает клетке энергии, кислород включается в субстрат с образованием новой гидроксильной или карбоксильной группы. Этот путь происходит в основном в мембранах эндоплазматического ретикулума (микросомах). Путем микросомного окисления осуществляется α- и ω- окисление жирных кислот, синтез ненасыщенных жирных кислот, стероидов. Таким путем обезвреживаются ксенобиотики, т. е. чужеродные для организма вещества (лекарства, ядохимикаты, косметические препараты). Третий путь-это перекисное окисление липидов.

Микросомальное окисление • Ксенобиотики, которые обычно • гидрофобны, гидроксилируясь, становятся более гидрофильными, что способствует их • обезвреживанию и выведению из организма с желчью или мочой. С участием микросомных • систем осуществляется также биосинтез стероидов, желчных кислот, витамина Д 3. • Но! Существует эффект токсификации, например, при метаболизме ряда канцерогенных соединений, в частности метилхолантрена ( ПАУ).

Активные формы кислорода Свободные радикалы стимулируют разрывы в молекулах нуклеиновых кислот, нарушают функции белков, ведут к деполимеризации протеогликанов соединительной ткани, повреждают ненасыщенные жирные кислоты клеточных мембран, запуская, тем самым, механизм перекисного окисления липидов (ПОЛ). Вместе с тем свободные радикалы кислорода играют и положительную роль, так как участвуют в осуществлении фагоцитами и Т-лимфоцитами их защитной функции.

Антиоксидантная система клетки Различают неферментативную и ферментативную защиту клеток. Важнейшим компонентом неферментативной защиты является витамин Е (токоферол). Ферментативная защита клеток от свободных радикалов осуществляется с помощью следующих ферментов: · супероксиддисмутазы (превращает супероксидные радикалы в менее токсичную перекись водорода); · каталазы (разлагает перекись водорода на воду и кислород); · глутатионпероксидазы — главная система защиты эритроцитов от разрушительного действия перекиси водорода.

При оксидантном стрессе в первую очередь повреждаются мембраны: Сосудов Эндотелиоцитов Нейронов Локальные и диффузные церебральные расстройства Синапсов хориидальных сплетений, ГЭБ Глии Аксонов

Физиологические эффекты активных форм кислорода.

Роль АКМ в регуляции физико-химических свойств биологических мембран РЕЦЕПТОРЫ ++++ РО 2+++ РЕЦЕПТОРЫ +=+-+-+= ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ МОДИФИКАЦИЯ НОРМА АО модификация РЕЦЕПТОРЫ ---------- РО 2 --- Рецепторы ------++

РЕЗЮМЕ: • АФК не только вредные побочные продукты клеточного метаболизма, но и важные регуляторы жизнедеятельности клетки. • Уровень АФК строго контролируется • Передача сигналов в клетке с помощью АФК осуществляется путем оксидативной модификаций с клеточными компонентами, такими как киназы, белки или ДНК.

С наступающим новым годом

Физиологическая роль оксида азота

N=O NO Про/антиоксидант NO NO Высокая NO реакционноспособность Период полураспада от 2 до 30 мс

Кто есть кто? • профессор кафедры фармакологии Калифорнийского университета (Лос-Анджелес, США) Луис Игнарро, который в 1998 году за выяснение биологической роли оксида азота был удостоен Нобелевской премии, присужденной ему в относительно короткий для такой процедуры срок – семь лет.

Синтез NO в организме человека H 2 N + H 2 N NH ду ли н Ca 2+ NH ка ль мо NH O + NOS NADPH H 3 N + COO- L-АРГИНИН NO O 2 H 3 N + COOL-ЦИТРУЛИН

Реакционная способность оксида азота • Оксид азота необратимо инактивируется реакцией с гемоглобином (оксигенированной и деокигенированной формами) в просвете кровеносного сосуда, супероксидным радикалом в стенке кровеносного сосуда или кислородом в свободном растворе. • Реакция оксида азота с кислородом сопровождается образованием стабильных конечных продуктов -- нитрита и нитрата, которые являются косвенными маркерами концентрации оксида азота в организме.

NO-синтазы Показано, что синтез оксида азота осуществляется с участием фермента NO-синтазы (КФ 1. 14. 13. 39). В настоящее время идентифицированы три основные изоформы NO-синтазы, каждая из которых кодируется собственным геном. Две изоформы получили название – конститутивные. Одна из них, эндотелиальная (e. NOS, тип III), впервые была идентифицирована в эндотелии кровеносных сосудов, другая была обнаружена в нервной ткани нейрональная (n. NOS, тип I). Конститутивные изоформы NO-синтазы экспрессированы в эндотелиоцитах, нейронах и других клетках. Третья изоформа NO-синтазы – индуцибельная (i. NOS, тип II) была выявлена в цитоплазме иммунных, эпителиальных, печеночных, гладкомышечных и других клеток. Она в отличие от n. NOS и e. NOS, не экспрессируется постоянно (конститутивно). Индуцибельная кальций независимая NO-cинтаза cинтезиpуетcя в течение 6 -8 чаcов в ответ на действие цитокинов, эндо- или экзотокcинов.

NO-синтазы Ca 2+ Конститутивные pmol n. NOS e. NOS 1. В эндотелии, нейронах, тромбоцитах, почке 2. Постоянно присутствует в цитоплазме клетки Ca 2+ Индуцибельные nmol i. NOS 1. В макрофагах, нейтрофилах, гепатоцитах, фибробластах 2. Синтезируется при индукции бактериальными антигенами и цитокинами

Роль кальция в физиологических эффектах оксида азота Увеличение продукции оксида азота происходит пропорционально поступлению в цитоплазму ионов Ca 2+. Главный фактор, инактивирующий оксид азота - супероксидный радикал. В результате его взаимодействия с молекулой NO происходит образование высокоактивных радикалов - нитропероксильного и гидропероксильного. При истощении своего основного субстрата L-аргинина, NO-синтаза сама может генерировать супероксидный радикал.

Физиологические свойства оксида азота Оксид азота является аутокринным и паракринным медиатором, так как, будучи синтезирован в каких-либо клетках, он способен влиять на метаболические процессы как в самих этих клетках, так и в расположенных по соседству. Оксид азота, как мощный эндогенный вазодилататор, принимает участие в регуляции системного и легочного сосудистого сопротивления и процессах коагуляции крови. Оксид азота функционирует в центральной и вегетативной нервной системе. По эфферентным нервам этот агент регулирует деятельность органов дыхательной систем, желудочно-кишечного тракта и мочеполовой системы. Оксид азота подавляет пролиферацию гладкомышечных клеток сосудов. Совершенно закономерно, что снижение активности оксида азота вызывает вазоконстрикцию и тромбоз. включается в регуляцию дыхания, поддержания сердечно-сосудистого гомеостаза, иммунного статуса организма, активности макрофагов, экспрессии генов, пластичности нервной ткани, памяти, высвобождения нейротрансмиттеров.

АД, Адгезия тромбоцитов NANC-нейроны, длительная потенциация Почечная гемодинамика, гломерулярная фильтрация Гепатопротекторное действие, моторику ЖКТ, защита слизистой Очищение слизистой, бронходилатация Антимикробное действие

Антистрессорный эффект оксида азота Оксид азота снижает выброс и продукцию стресс гормонов, способен ограничивать стрессорные повреждения организма. При введении экзогенных доноров NO возрастает, а при введении ингибиторов его синтеза снижается устойчивость организма к действию стресс-фактора, а также адаптивные возможности организма. Так при изучении влияния блокады стресс-лимитирующей системы оксида азота, введение крысам ингибитора NO-синтазы Nw-nitro -L-arginine (L-NNA) в дозе 20 мг/кг приводило к дефициту образования NO и снижению устойчивости организма к стрессорным воздействиям. Как правило, увеличение продукции NO, происходит при действии кратковременных или умеренных стрессоров, а снижение его образования выявлено в условиях длительных и повреждающих воздействий стресс факторов

Механизм гипотензивного действия NO стимул Са 2+ Ca. M NOS NO ГTФ К+ р. ГЦ СПР Са 2+ цитохромокидаза ц. ГМФ ПРОТЕИНКИНАЗА Дефосфорилирование легких цепей миозина АТФ Са 2+

Антиагрегантное действие NO ГТФ NO ГЦ Диацилглиц. ГМФ Арахидоновая к-та Циклические эндопероксиды Простагландины, тромбоксаны церол Ins. Р 3 Протеин киназа С Мобилизация Са 2+ Агрегация тромбоцитов

Антимикробное действие NO АГ, ЦИТОКИНЫ ГЛИКОЛИЗ ИЯ Д рецептор ТО И ОН Х М NOS Макрофаг NO Синтез ДНК

Отросток астроцита Пресинап тический аксон Механизм длительной синаптической ц. ГМФ Гл потенциации ГЦ ц. ГМФ ГЦ Са 2+ Na+ дендрит NO a. M C NOS L-АРГИНИН

Клиническое применение NO Препараты, освобождающие NO при попадании в организм (нитроглицерин) Ингаляции NO (лечение бронхоспазма, бронхиальной астмы, ПЛГ) Терапия опухолевых заболеваний

Резюме: • NO принадлежит к новому классу низкомолекулярных посредников • Оказывает большое количество физиологических эффектов • В больших дозах оказывает разрушающее воздействие на ткани • Находит клиническое применение для лечения некоторых заболеваний

Образование СО 1. Метаболизм гема 2. Перекисное окисление липидов 3. Метаболизм ксенобиотиков 86% 14%

Образование СО из гема N N Fe. II N NADPH P 450 редуктаза N гем оксигеназа ОО ОО NН НN Fe(II) N CO НN биливердин редуктаза Биливердин IXa NН НN Билирубин IXa

Механизмы действия СО СО Цитохром Р 450 (-) (+) Растворимая гуанилат циклаза (s. GC) GTР (+) оксидаза ? (+) НАДФ·Н оксидаза i. NOS цитохром С оксидаза c. GMP K(Ca) каналы p 38 MAPK

Физиологические функции СО, обеспеченные активацией s. GC: 1. Нейротрансмиссия 2. Расширение сосудов 3. Расслабление гладкой мускулатуры внутренних органов 4. Подавление агрегации тромбоцитов 5. Анти-пролиферативный эффект

Строение К(Ca) каналов СО NO • Взаимодействует с гистидиновым остатком • взаимодействует с сульфгидрильной группой α β

СО α β NO СО NO α β Физиологическое объяснение: 1. СО – тоническое влияние, т. к. : СО – долгоживущая молекула слабый сосудорасширяющий эффект • 2. NO – фазическое влияние, т. к. : • NO – короткоживущая молекула • сильный сосудорасширяющий эффект •

Функции СО: Резюме: 1. Сосудорасширяющая функция ССС НС 2. Подавление агрегации тромбоцитов 3. Подавление пролиферации 4. Регуляция кровяного давления 5. Нейротрансмиссия 6. Противовоспалительное действие 7. Подавление апоптоза 8. Расслабление гладкой мускулатуры внутренних органов 9. Участвует в почечной перфузии