Лекция 8 Физиология дыхания 56 02 2013

Лекция 8 Физиология дыхания 56. 02. 2013

Физиология дыхания В покое человек с массой тела 70 кг потребляет в минуту 250 мл О 2 Даже при небольшой нагрузке (ходьбе) потребление О 2 растет в 3 -4 раза Запасы О 2 в организме – всего 1000 мл ПОСТУПЛЕНИЕ О 2 ИЗ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДОЛЖНО БЫТЬ: • • НЕПРЕРЫВНЫМ АДЕКВАТНЫМ ПОТРЕБНОСТЯМ ОРГАНИЗМА

Этапы процесса дыхания Внешнее дыхание Транспорт газов кровью Диффузия газов в ткани + тканевое дыхание

Внешнее дыхание Носовая полость Глотка Гортань Трахея Бронхиола Первичный бронх Легкое Бронх Вторичный бронх Альвеола Капилляр Слепок дыхательных путей человека

Бронхиолы Бронхи Ветвление дыхательных путей Общая диффузионная поверхность легких: 50 -100 (в среднем 70) м 2

Суммарная площадь поперечного сечения при ветвлении дыхательных путей А сопротивление потоку воздуха в дыхательном тракте СИЛЬНО ПАДАЕТ СИЛЬНО РАСТЕТ 1 - 5: бронхи 6 -16: бронхиолы На дыхательные пути диаметром менее 2 мм приходится всего 20% общего сопротивления

Строение стенки бронха Регуляция просвета бронхов Симпатические нервы: расслабление гладких мышц(через β 2 -адренорецепторы) Хрящ Гладкая мышца Парасимпатические нервы: сокращение гладких мышц, увеличение секреции слизи (через М-холинорецепторы) Секретируемые тучными клетками гистамин, тромбоксан, простагландины, брадикинин, цитокины: сокращение гладкой мышцы, секреция слизи, отек слизистой Железа Просвет Для лечения бронхиальной астмы используют: Ø Агонисты β-адренорецепторов (винтолин) Ø Ингибиторы фосфодиэстеразы - предотвращают разрушение ц. АМФ (теофиллин) Ø Блокаторы М-холинорецепторов (атропин) Ø Глюкокортикоиды (дексаметазон) – противовоспалительное действие Ø Стабилизаторы мембраны тучных клеток (кетотифен) Ø Блокаторы рецепторов гистамина (тавегил)

Мерцательный эпителий дыхательного пути 10% от общего числа клеток - выделяют сурфактант

Во время вдоха объем грудной клетки увеличивается Выдох Вдох Между легкими и стенками грудной клетки находится замкнутая плевральная полость (поэтому при расширении грудной клетки объем легких тоже увеличивается)

Изменение объема грудной клетки при сокращении и расслаблении дыхательных мышц Вдох: сокращение диафрагмы и наружных межреберных мышц Внутренние межреберные мышцы: опускание ребер при интенсивном выдохе Наружные межреберные мышцы: поднимание ребер при вдохе Спокойный выдох – пассивный

Изменение объема легких (л) Изменения объема легких и давления в альвеолах и в плевральной полости в течение дыхательного цикла Объем легких Альвеолярное давление Отрицательное давление в Давление (см Н 2 О) плевральной полости возникает за счет эластической тяги легких, Транспульмонарное давление которая противодействует растяжению легких. Эластическая тяга создается за счет: Плевральное давление Вдох Выдох 1 см Н 2 О = 0. 7 мм рт. ст. Ø эластических свойств легочной ткани; Ø поверхностного натяжения жидкости, покрывающей внутреннюю поверхность легких.

Слой сурфактанта снижает поверхностное натяжение в альвеолах в 5 -7 раз По закону Лапласа, давление (Р) в пузырьке при постоянном натяжении (Т) в его стенке обратно пропорционально его радиусу (г). Спадению альвеол препятствует выстилающий их слой сурфактанта Когда радиус альвеолы уменьшается, слой сурфактанта становится толще, поверхностное натяжение снижается и альвеола перестает спадаться Если эти пузырьки соединены, то маленький пузырек, в котором давление выше, отдаст свое содержимое большому Тубулярный миелин Р Р Если натяжение в стенках большого и маленького пузырька одинаково, давление в маленьком пузырьке выше. Альвеолярный макрофаг Клетка I типа Клетка II типа Сурфактант на 90% состоит из фосфолипидов (в первую очередь, фосфатидилхолина) + 10% белков ПРОДУЦИРУЕТСЯ КЛЕТКАМИ II ТИПА Обновление сурфактанта

Легочные объемы Частота дыхания в покое – 12 -16 в минуту

Определение функциональной остаточной емкости методом разведения гелия В данном случае после перемешивания концентрация гелия уменьшается вдвое: функциональная остаточная емкость равна объему воздуха в спирографе

Определение функциональной остаточной емкости методом разведения гелия Мертвое пространство – объем дыхательных путей, где не происходит газообмен У человека: около 150 мл, т. е. 30% дыхательного объема) Альвеолярная вентиляция = = (Дых. объем – объем МП) х Частота дыхания Функциональное МП = Анатомическое МП + объем невентилируемых альвеол (например, забитых слизью при болезни) В данном случае после перемешивания концентрация гелия уменьшается вдвое: функциональная остаточная емкость равна объему воздуха в спирографе

Определение проводимости дыхательных путей ФЖЕЛ – форсированная жизненная емкость легких ОФВ 1 – объем форсированного выдоха за 1 сек Изменение объема легких (л) В НОРМЕ ОФВ 1 ФЖЕЛ Индекс Тиффно ПРИ ОБСТРУКЦИИ (СУЖЕНИИ) ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ ОФВ 1 ФЖЕЛ Секунды

В легких имеется разветвленная сеть лимфатических сосудов (окрашены в желтый или Реабсорбция жидкости в лимфатические сосуды Увеличение давления крови на входе в малый круг кровообращения (при легочной гипертензии)цвет)на выходе из него (при Особенности легочного недостаточности левых отделов сердца) ведет к уменьшению реабсорбции жидкости в легочных капиллярах и отеку легких кровообращения Среднее давление: В легочной артерии: 15 -18 мм рт. ст. В капиллярах: 8 -10 мм рт. ст. Онкотическое давление плазмы крови: 25 мм рт. ст. Такое соотношение давлений защищает ткань легких от отека

Особенности легочного кровообращения Ангиограммы легких у поросят сразу после рождения и 7 дней спустя Давление крови в малом круге сразу после рождения падает до 50% от системного, а затем в течение 2 недель становится в 5 -6 раз ниже системного, как и у взрослых Особенности регуляции тонуса сосудов легких Ø Ø Почти лишены симпатической иннервации Суживаются при гипоксии - ограничение кровоснабжения плохо вентилируемых альвеол (например, в очаге воспаления); - «соприлаживание» кровотока и интенсивности газообмена Эндотелий капилляров легких – место активации и деградации многих регуляторов Разрушение и удаление из кровотока многих пептидных гормонов: эндотелина, брадикинина, предсердного пептида и др. Ангиотензин-превращающий фермент: превращение ангиотензина I в ангиотензин II Механизм гипоксической вазоконстрикции дефицит О 2 закрытие К+-каналов усиление входа Са 2+ сокращение гладкомышечных клеток

Газообмен в легких и тканях Капилляры, оплетающие альвеолы http: //pinterest. com/susanknauff/lungen/

Мы дышим атмосферным воздухом Атмосферное давление = 760 мм рт. ст. (101 к. Па) Состав сухого атмосферного воздуха: Парциальное давление Кислород 20. 9 % РО 2 = 760 x 20. 9/100 = 160 мм рт. ст. СО 2 0. 03 % РСО 2 = 760 x 0. 03/100 = 0. 2 мм рт. ст. Азот 78. 1 % Парциальное давление каждого газа в смеси пропорционально его доле от общего объема. Аргон 0. 9 % Т. е. парциальное давление данного газа – это давление, которое «останется» при удалении всех других газов

Газообмен в легких и тканях Альвеолярная смесь газов Выдыхаемый воздух: р. Н 2 О = 47 мм рт. ст. (6. 2%) р. О 2 = 100 -105 мм рт. ст. р. О 2 = 120 мм рт. ст. (15. 7%) р. СО 2 = 27 мм рт. ст. (3. 6%) p. H 2 O = 47 мм рт. ст. (6. 2%) Вдыхаемый воздух: р. О 2 = 160 мм рт. ст. (78. 1%) р. СО 2 = 0. 2 мм рт. ст. (0. 03%) p. H 2 O = 3. 7 мм рт. ст. (0. 5%) р. СО 2 = 40 мм рт. ст. Альвеолы Капилляры легких К легким К левому предсердию Венозная кровь Артериальная кровь р. О 2 = 40 мм рт. ст. р. О 2 = 95 -100 мм рт. ст. р. СО 2 = 40 мм рт. ст. р. СО 2 = 46 мм рт. ст. К правому предсердию К клеткам тела Системные капилляры

Процесс поступления О 2 из альвеол в кровь легочных капилляров имеет большой «запас прочности» 100 мм рт. ст. 0. 3 сек Резерв газообмена при физической нагрузке: ØУвеличение «пути» газообмена ØОткрытие дополнительных капилляров ØПовышение давления в легочной артерии: «включение» дополнительных областей газообмена (верхушек легких, которые обычно плохо снабжаются кровью)

Почти весь кислород транспортируется кровью в связи с гемоглобином эритроцитов Связывание с гемоглобином Растворение в плазме Эритроцит Капилляры легких Плазма К левому предсердию К клеткам тела Системные капилляры Диффузия в ткани 98, 5% - связывание с гемоглобином 1, 5 % - растворение в плазме

Почти весь кислород транспортируется кровью в связи с гемоглобином эритроцитов Связывание с гемоглобином Растворение в плазме Эритроцит Капилляры легких Плазма К левому предсердию Окисление К клеткам тела Системные капилляры Восстановление Диффузия в ткани Норма (железо остается 2 -валентным) Патология

Кривая насыщения гемоглобина О 2 Кровь, оттекающая от работающей скелетной мышцы Насыщение гемоглобина О 2, % Деоксигенированная венозная кровь Оксигенированная артериальная кровь

Насыщение гемоглобина О 2 Влияние различных параметров крови на сродство гемоглобина к О 2 Повышение температуры приводит к уменьшению сродства Hb к О 2 Снижение р. Н приводит к уменьшению сродства Hb к О 2 (эффект Бора) Hb плода Нb взрослого человека Увеличение концентрации 2, 3 -дифосфоглицерата в крови (при гипоксии) также приводит к уменьшению сродства Hb к О 2

Транспорт СО 2 кровью 70% - в виде бикарбонат-ионов 23% - связывание с гемоглобином (карбаминогемоглобин) 7% - растворение в плазме Растворение в плазме Связывание с гемоглобином Капилляры легких К легким К правому предсердию Системные капилляры Диффузия в кровь

Транспорт СО 2 кровью В капиллярах легких происходят обратные процессы Растворение в плазме Связывание с гемоглобином Капилляры легких К легким В капиллярах тканей Поступление СО 2 в эритроцит Содержание Cl- в эритроцитах в венозной крови больше, чем в артериальной К правому предсердию Хлоридный сдвиг Системные капилляры Карбоангидраза Диффузия в кровь

Связывание Н+ уменьшает сродство Hb к О 2 В ТКАНЯХ гемоглобин легко отдает О 2 Связывание О 2 уменьшает сродство Hb к Н+ и СО 2 В ЛЕГКИХ гемоглобин легко отдает СО 2

Транспорт СО 2 Транспорт О 2 70% - в виде бикарбонат-ионов 23% - связывание с гемоглобином 7% - растворение в плазме 98, 5% - связывание с гемоглобином 1, 5 % - растворение в плазме Капилляры легких К левому предсердию К легким К правому предсердию К легким Системные капилляры Диффузия в кровь Диффузия в ткани

Происхождение дыхательного ритма Регуляция дыхания

Принципиальная схема строения дыхательного центра Влияния от коры БП, гипоталамуса, лимбической системы + IV желудочек Дорзальная респираторная группа нейронов (вдох) эта группа «подключается к работе» у взрослых млекопитающих Афферентные влияния (по блуждающему и языкоглоточному нервам) Формирование паттерна дыхания, «подходящего» к конкретным условиям Пневмотаксический центр Торможение Центр апноэ (остановки дыхания) Вентральная респираторная группа нейронов (вдох и выдох) Эфферентные влияния на дыхательные мышцы v Дыхательный центр образован ядрами продолговатого мозга и моста. v В нем происходит генерация дыхательного ритма, обеспечивающего координированную работу дыхательных мышц. v Разрушение этих ядер неизбежно ведет к необратимому прекращению дыхания.

Расположение и функции ядер дыхательного центра в стволе мозга крысы Ядро Кёлликера-Фьюза Пневмотаксический центр Парабрахиальное ядро Парафациальные респираторные ядра Ядро солитарного тракта Бётцингеров комплекс (Botzinger complex) Выдох Пред-Бётцингеров комплекс Ростральный отдел вентральной респираторной группы Вдох Каудальный отлео вентральной респираторной группы Выдох Мотонейроны дыхательных мышц в спинном мозге От периферических хеморецепторов, рецепторов дыхательных путей и легких «Базовый вдох»

«Базовый ритм» : спонтанная активность нейронов, расположенных в пред-Бётцингеровом комплексе (регистрация мембранного потенциала) Ядро блуждающего нерва Дорзальное ядро тройничного нерва Обоюдное ядро (nucleus ambiguus) Латеральное ретикулярное ядро Пред-Бётцингеров комплекс

«Базовый ритм» : спонтанная активность нейронов, расположенных в пред-Бётцингеровом комплексе (регистрация внутриклеточной концентрации ионов кальция ) Колебания внутриклеточной концентрации Са 2+ Во всей области Разряды XII нерва В отдельных нейронах

«Базовый ритм» : спонтанная активность нейронов, расположенных в пред-Бётцингеровом комплексе (регистрация внутриклеточной концентрации ионов кальция ) Колебания внутриклеточной концентрации Са 2+ в отдельных нейронах В норме После выключения глутаматергических синапсов После нарушения связи между клетками активность снижается: ДЛЯ ПОЛНОЦЕННОЙ АКТИВНОСТИ НУЖНА НЕЙРОННАЯ СЕТЬ

Теория группового пейсмейкера: глутамат, высвобождающийся в возбуждающих синапсах, запускает цепь внутриклеточных процессов и обеспечивает синхронное возбуждение группы инспираторных нейронов дыхательного центра 1 – рефрактерная стадия, возникающая после инспирации (синапсы молчат) 2 – наиболее возбудимые нейроны начинают разряжаться с низкой частотой 3 – клетки с высоким уровнем возбудимости синаптически активируют другие нейроны (положительная обратная связь) 4 – возникает инспираторный разряд вследствие синхронной залповой активности группы инспираторных нейронов Активность XII (подъязычного) нерва

Схема генерации дыхательного ритма Обратная связь от рецепторов легких Дыхательный ритм формируется в результате: - активности нейронов-пейсмекеров и их взаимодействия в нейронной сети - реципрокных связей инспираторных и экспираторных нейронов - афферентации от рецепторов легких и дыхательных мышц

Рецепторы легких и дыхательных путей (сигналы от них идут в продолговатый мозг по волокнам блуждающего нерва) Тип волокон Расположение Стимулы Реакция Миелинизированные медленно адаптирующиеся Около гладкомышечных клеток дыхательных и в паренхиме легких Заполнение легких (механический стимул) Укорочение вдоха, рефлекс Геринга-Брейера, расширение бронхов, тахикардия Миелинизированные быстро адаптирующиеся Около эпителиальных клеток дыхательных путей Механические и химические стимулы (в т. ч. , эндогенные – гистамин, простагландины) Кашель, сужение бронхов, секреция слизи Немиелинизированные С-волокна Вблизи от кровеносных капилляров ( «юкстакапиллярные» ) Застой крови в легких, химические вещества (брадикинин, серотонин, капсайцин) Задержка дыхания с последующим частым дыханием, брадикардия, снижение артериального давления, секреция слизи Рефлекс Геринга-Брейера: растяжение легких прерывает вдох и провоцирует выход (афферентные сигналы передаются по блуждающему нерву) Активность блуждающего нерва Активность диафрагмального нерва После перерезки вагуса В норме

Хеморецепторы, регулирующие дыхание (измерение О 2, р. Н и СО 2) 1. Рецепторы дыхательных путей (нейроэпителиальные тельца) 2. Периферические хеморецепторы (в каротидном и аортальных тельцах) 3. Центральные хеморецепторы (на вентральной поверхности продолговатого мозга)

Нейроэпителиальные тельца в дыхательных путях эмбриона хомяка (15 день развития). «Экстерорецепторы» дыхательной системы: нейроэпителиальные тельца дыхательных путей Механизм рецепции О 2 и передачи сигнала Нейроэпителиальные тельца (см. стрелки) выступают в просвет путей, преимущественно в местах ветвления НАДФН оксидаза Закрытие О 2 чувствительных калиевых каналов Деполяризация Потенциалуправляемые Са 2+-каналы Серотонин Возбуждение чувствительных волокон блуждающего нерва

«Экстерорецепторы» дыхательной системы: нейроэпителиальные тельца дыхательных путей Просвет дыхательных путей В ствол мозга Узловатый ганглий НЭТ Спинальный ганглий (из эпителия) Гладкие мышцы дыхательных путей Спинальные афференты Медиаторы клеток НЭТ: Серотонин АТФ Кальцитонин ген-родственный пептид Бомбезин

Периферические хеморецепторы расположены в аортальных и каротидных тельцах Каротидное тельце Аортальные тельца Петля отрицательной обратной связи в регуляции газового состава крови Содержание О 2 в крови измеряется только периферическими хеморецепторами (В ОСНОВНОМ РЕЦЕПТОРАМИ КАРОТИДНЫХ ТЕЛЕЦ)

Периферические хеморецепторы: механизм детекции недостатка О 2 Каротидное тельце: масса – 2 мг, кровоток - 0. 04 мл/мин = 2000 мл/100 г ткани Для сравнения: кровоток в головном мозге: 54 мл/мин/100 г (АТФ, дофамин) дефицит О 2 ингибирование К+-каналов усиление входа Са 2+ Клетка каротидного тельца выброс медиаторов: АТФ и дофамина Рецепторный потенциал ПД Афферентное нервное волокно

СО 2 – самый мощный стимулятор дыхательного центра Вентиляция увеличивается при повышении р. СО 2 Вентиляция увеличивается при закислении крови 30 45 60 75 Артериальное р. СО 2, мм рт. срт. Вентиляция увеличивается при снижении р. О 2 30 60 90 120 Артериальное р. О 2, мм рт. срт. Если р. СО 2 снижается в результате активации дыхания, то влияние намного меньше 150

Центральные хеморецепторы расположены на вентральной поверхности продолговатого мозга – детекция СО 2 в крови и в ткани мозга Ростральная хеморецепторная область Хеморецепторная область Каудальная хеморецепторная область Центр вдоха Просто закисление крови не влияет на эти рецепторы, т. к. Н+ плохо проходит через гематоэнцефалический барьер Активация дыхания

Влияние хеморефлекса на кровообращение: одновременная активация симпатических и парасимпатических влияний Гипоксия, гиперкапния (+) Вазомоторный центр Сужение сосудов, повышение АД Сначала – снижение ЧСС После компенсаторной активации дыхания ЧСС повышается

Изображения верхних дыхательных путей, полученные в магнитнорезонансном томографе Здоровый человек Богатырский храп – это плохо! Храп сопровождается периодическим остановками дыхания ( «апноэ во сне» ). ПРИЧИНЫ АПНОЭ: 1) изменение строения верхних дыхательных путей: 2) нарушение регуляции тонуса скелетных мышц стенки глотки; 3) уменьшение чувствительности хеморецепторов к СО 2 (нормальное р. О 2 не стимулирует дыхание) Нарушения гомеостаза во время сна: Больной-храпун Насыщение артериальной крови кислородом Поток воздуха в дыхательных путях Давление в пищеводе (мм. рт. ст. ) - снижается при вдохе, как и давление в грудной полости Артериальное давление (мм рт. ст. ) Во время бодрствования Во время сна Просвет дыхательных путей Активность постганглионарных симпатических нейронов (усл. ед). )

ИТОГ: Регуляция работы дыхательного центра ВЫСШИЕ ЦЕНТРЫ Болевые рецепторы Терморецепторы мозга и внутренних органов Гормоны (адреналин) Центральные хеморецепторы Периферические хеморецепторы Рецепторы легких и дыхательных путей Терморецепторы кожи Барорецепторы (повышение АД тормозит дыхание) Механорецепторы и хеморецепторы: Øвнутренних органов; Øмышц и сухожилий