Система дыхания ГБФ, IV курс С. Н. Малафеева

Система дыхания ГБФ, IV курс С. Н. Малафеева 1

Функциональная характеристика системы дыхания • Система дыхания включает: СИСТЕМА ДЫХАНИЯ Внешнее звено • легкие, • воздухоносные пути, • грудная клетка, • дыхательные мышцы. Внутренне звено • кровь, • сердечно-сосудистая система, • органеллы клеток, которые обеспечивают тканевое (внутреннее дыхание). 2

• Дыхание – совокупность процессов, обеспечивающих поступление кислорода в организм, использование его для окисления органических веществ с высвобождением энергии и выделением углекислого газа (СО 2) в окружающую среду. • В состоянии покоя человек потребляет в течение 1 минуты около 250 мл кислорода и выделяет примерно 230 мл СО 2. 3

• Выделяют пять основных этапов дыхания: Ø 1). Газообмен между легкими и окружающей средой – вентиляция легких; Ø 2). Газообмен между кровью организма и газовой смесью, находящейся в легких; Ø 3). Транспорт газов кровью – О 2 от легких к тканям организма, СО 2 – от тканей к легким; Ø 4). Газообмен между кровью и тканями – О 2 поступает к тканям, а СО 2 из тканей в кровь. Ø 5). Потребление О 2 тканями и выделение СО 2 – тканевое (внутреннее) дыхание. • Совокупность первого и второго этапов дыхания – это внешнее дыхание, обеспечивающее газообмен между окружающей средой и кровью. 4

Функции системы дыхания Ø 1. Снабжение организма О 2 и выделение СО 2 – при этом, в процессе дыхания освобождается энергия, источником которой являются органические соединения, поступающие в организм с пищей. • Энергия необходима для деятельности живых клеток, органов, тканей, организма в целом. 5

Ø 2. Регуляция р. Н внутренней среды организма. • В эритроцитах и других клетках из воды и углекислого газа в процессе метаболизма образуется угольная кислота (Н 2 СО 3), которая распадается на СО 2 и Н 2 О, вода выводится из организма почками, СО 2 – легкими. • Сдвиг р. Н в кислую сторону называется – ацидоз, сдвиг р. Н в сторону защелачивания – алкалоз. 6

Функции легких • Легкие в процессе дыхания выполняют газообменную и негазообменную функции. Газообменная функция v Функциональной единицей легкого является ацинус (в обоих легких насчитывается до 300 тыс. ацинусов). • Ацинус включает дыхательные бронхиолы, альвеолярные ходы и альвеолярные мешочки. • Диаметр альвеол составляет 0, 3 – 0, 4 мм. Суммарная площадь всех альвеол достигает 80 м 2, их число около 300 – 350 млн. • Совокупность альвеолярных ходов и мешочков, несущих на себе альвеолы, где происходит газообмен между газовой смесью и кровью организма, называют дыхательной зоной. 7

Воздухоносный путь, газообменная область и их объемы после спокойного выдоха 8

Негазообменная функция v. Легкие выполняют защитную функцию, они являются барьером между внутренней и внешней средой организма, в них образуются антитела, осуществляется фагоцитоз, вырабатывается лизоцим, интерферон, иммуноглобулины. • Иммунную функцию выполняют, так называемые, альвеолярные фагоциты. 9

v. Участвуют в процессах терморегуляции – в легких вырабатывается большое количество тепла; кроме того, они участвуют в процессе теплоотдачи. v. Участвуют в процессах выделения: удаление СО 2 и воды из организма. v. Участвуют в выработке биологически активных веществ (БАВ), например, гепарина, а также факторов свертывания крови, гистамина, серотонина. v. Являются резервуаром воздуха для голосообразования. 10

Механизм вдоха и выдоха • Вдох происходит с помощью трех одновременно протекающих процессов: Ø 1. Расширение грудной клетки; Ø 2. Увеличение объема легких; Ø 3. Поступление воздуха в легкие. • У здоровых молодых мужчин разница между окружностью грудной клетки в положении вдоха и выдоха составляет 7 – 10 см, а у женщин 5 – 8 см. 11

Ø Расширение грудной клетки при вдохе обеспечивается за счет сокращения инспираторных мышц диафрагмы и наружных межреберных мышц. • Грудная клетка при вдохе расширяется. 12

Ø При вдохе происходит увеличение объема легких вследствие их расширения под действием атмосферного давления воздуха, направленного на них только с одной стороны (через воздухоносные пути). • В самих легких на вдохе величина давления ниже атмосферного на 2 мм рт. ст. , в плевральной полости при спокойном вдохе оно тоже ниже атмосферного на 8 мм рт. ст. • Таким образом, легкие следуют за расширяющейся грудной клеткой в основном вследствие действия на них атмосферного давления со стороны воздухоносных путей. Ø Воздух поступает в легкие при их расширении, вследствие некоторого на 2 мм рт. ст. падения давления в них. • Этого незначительного градиента давления достаточно, поскольку воздухоносные пути имеют большой просвет и не оказывают существенного сопротивления движению воздуха. 13

Механизм выдоха • Выдох осуществляется вследствие одновременно происходящих трех процессов. Ø 1. Сужение грудной клетки; Ø 2. Уменьшение объема грудной клетки; Ø 3. Изгнание воздуха из легких. • Инспираторными мышцами являются внутренние межреберные мышцы и мышцы брюшной стенки. 14

Ø Сужение грудной клетки при выдохе обеспечивается эластической тягой легких (ЭТЛ) и эластической тягой брюшной стенки. • Как только прекращается поступление импульсов к мышцам вдоха по диафрагмальным и межреберным нервам, прекращается возбуждение мышц вдоха, вследствие чего они расслабляются, после этого грудная клетка суживается под влиянием ЭТЛ и постоянно имеющегося тонуса мышц брюшной стенки. • При этом органы брюшной полости оказывают давление на диафрагму, и поднимаю ее. • Поднятию купола диафрагмы способствует также ЭТЛ. 15

Ø При выдохе легкие сжимаются под действием их собственной эластической тяги, которая обеспечивает и сужение грудной клетки. • Воздух изгоняется из легких вследствие повышения давления в них (при спокойном выдохе на 22 мм рт. ст. ), так как объем легких при выдохе уменьшается, что ведет к сжатию воздуха и выдавливанию из легких. 16

Механизм вдоха и выдоха: А. роль диафрагмы и межреберных мышц, Б. изменение объема грудной полости и давления в плевральной полости: 1. 17 давление в дыхательных путях, 2. давление в плевральной полости

• Объемы вентиляции легких зависят от глубины вдоха и выдоха и частоты дыхания. • Вентиляция легких – это газообмен между атмосферным воздухом и легкими. • Интенсивность вентиляции легких зависит от физической и эмоциональной нагрузок, от возраста, роста и пола. • Различают легочные объемы и емкости, при этом под термином емкость понимают совокупность нескольких объемов. 18

Легочные объемы и емкости: ЖЕЛ – жизненная емкость легких, РО – резервный объем, ФОЕ – функциональная остаточная емкость 19

• Выпишите дыхательные объемы, используя учебник А. А. Гуминского «Руководство к лабораторным занятиям по общей физиологии» , с 194 – 195. 20

Транспорт газов кровью • Газы транспортируются кровью главным образом в виде химической связи. • В условиях нормального дыхания практически весь О 2 переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. • Гемоглобин состоит из белка глобина и четырех одинаковых групп гемов. Гем имеет ион двухвалентного железа и играет ключевую роль в переносе О 2. • Содержание гемоглобина у мужчин составляет 130 – 160 г/л, у женщин 120 -140 г/л. • Гемоглобин присоединяет О 2, когда кровь находится в легком и отдает, когда кровь проходит по капиллярам всех органов и тканей организма. 21

Соединения гемоглобина • Гемоглобин, соединяясь с кислородом, образует оксигемоглобин. Hb+O 2= Hb. O 2 • Количество О 2 которое может быть связано в одном литре крове у мужчин составляет 180 – 200 мл/л (кислородная емкость крови), у женщин – на 10 – 20% меньше, так как у них меньше гемоглобина. 22

• Связывание кислорода гемоглобином происходит в капиллярах легких. • Главным фактором, обеспечивающим образование оксигемоглобина является высокое порциальное давление О 2 в альвеолах (100 мм рт. ст. ). • Оксигенация происходит очень быстро, по времени это составляет 0, 01 с – это время полунасыщения гемоглобина кислородом. • Диссоциацию оксигемоглобина можно выразить графически в виде кривой. • Кривая имеет «S» форму и имеет крутую и пологую часть. 23

Кривая образования и диссоциации оксигемоглоби на при р. Н = 7, 4 и t= 37°С 24

• Пологая часть соответствует высокому (более 60 мм рт. ст. ) напряжению кислорода и отражает способность гемоглобина связывать большие количества кислорода. • Венозная кровь, проходя через легочные капилляры оксигенируется почти полностью, не смотря на умеренное снижение порциального давления во вдыхаемом воздухе. • Крутая часть кривой диссоциации соответствует напряжению кислорода в капиллярах тканей; артериальная кровь эффективно отдает О 2. • Важным биологическим фактом является то, что даже при падении РО 2 до 60 мм рт. ст. насыщение гемоглобина кислородом равно 90%. Организм все еще будет обеспечен О 2. • Это весьма важно для человека при жизни в горах, полетах на низких высотах. 25

• Расположение кривой диссоциации оксигемоглобина зависит от ряда факторов. • Кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо при повышении температуры, и при увеличении концентрации ионов водорода в среде. • Поэтому создаются условия для полной отдачи О 2 оксигемоглобина тканям, особенно там, где выше интенсивность обменных процессов (например, при физических нагрузках). • Однако и в венозной крови от 40 - 90% гемоглобина остается в оксигенированной форме. • Каждые 100 мл крови отдают тканям 5 – 6 мл кислорода – так называемая артерио-венозная разница по кислороду. Естественно, на ту же величину обогащается кислородом в легких. • При отравлении угарным газом отмечается значительный сдвиг кривой диссоциации гемоглобина влево. 26

• В венозной крови, поступающей в капилляры легких, РО 2 равно 40 мм рт. ст. , а в артериальной крови достигает 100 мм рт. ст. , как РО 2 в альвеолах. 27

Транспорт СО 2 • Углекислый газ (СО 2), как и кислород, переносится плазмой и эритроцитами. • В плазме крови содержится несколько больше СО 2, в основном в виде бикарбоната натрия (Na. HCO 3 - 340 мл/л). • В эритроцитах содержится свыше 30 мл/л всего СО 2, в основном в виде карбогемоглобина (HHb. CO 2 – 55 мл/л), карбоната калия (КHCO 3 - 140 мл/л). 28

• Практически весь СО 2, связанный с гемоглобином, выделяется с выдыхаемым воздухом в результате газообмена в легких. • Важно отметить, что некоторое увеличение содержания СО 2 в крови оказывает благоприятное влияние на организм. Увеличивает кровоснабжение мозга и миокарда, стимулирует процессы биосинтеза и регенерацию поврежденных тканей. • Углекислый газ, образуемый в организме, выделяется в основном через легкие (около 98%), только 0, 5% через почки, около 2% через кожу в виде бикарбонатов (HCO 3). 29

• Образование соединений СО 2 происходит во всех тканях организма. • В результате окислительных процессов и образования СО 2, его напряжение в клетках достигает 60 – 70 мм рт. ст; что значительно больше чем в поступающей к тканям артериальной крови (40 мм рт. ст. ). • Поэтому СО 2, согласно градиенту напряжения, из клеток переходит через стенку капилляров в кровь. • Небольшая его часть остается в плазме в виде физического растворения. • Образование соединений СО 2 ускоряется карбоангидразой, которая находится не в плазме крови, а в эритроцитах. 30

• Соединения СО 2 транспортируются в виде карбоксигемоглобина. • Более 90% углекислоты переносится кровью в химическом соединении. Хотя СО 2 растворяется в жидкостях гораздо лучше, чем О 2. • Только 3 – 6% общего количества образованного СО 2 переносится плазмой в растворенном состоянии. • Остальная часть вступает в химические связи. • Поступая в тканевые капилляры, СО 2 в эритроцитах вступает в реакцию с водой, образуя нестойкую угольную кислоту, которая диссоциирует на водород и ион бикарбоната: СО 2 + Н 2 О Н 2 СО 3 Н+ + НСО 3 – 31

• В тканях с высокой концентрацией СО 2 оксигемоглобин (KHb. O 2) легко отдает кислород. • В этом состоянии он теряет ионы калия и легко принимает от угольной кислоты ионы водорода (Н+), превращаясь в гемоглобиновую кислоту (H 2 Hb). • В свою очередь ионы К+ связываются с ионами гидрокарбоната, образуют бикарбонат калия: • KHb. O 2 + H 2 CO 3 HHb + KHCO 3 + O 2 • Присоединяя ион водорода, гемоглобин действует как буферная система, поэтому большое количество Н 2 СО 3 может переноситься к легким без значительного изменения р. Н внутренней среды организма. • СО 2 связывается с гемоглобином путем непосредственного присоединения к аминогруппам белкового компонента гемоглобина. • При этом образуется так называемая карбоминовая связь: • HHb + CO 2 HHb. CO 2 (Hb – NH – COOH) – 32 карбогемоглобин, а точнее кабоаминогемоглобин.

• Основная масса ионов НСО 3 - образующихся в эритроцитах выходит в плазму, взаимодействует там с Na+ образуя Na. HCO 3 (соединение находится в диссоциированном состоянии (Na+ + HCO 3 -). • Выход НСО 3 из эритроцитов компенсируется поступлением туда Cl-, диффундирующего из плазмы. • Ион НСО 3 - выходит из эритроцита согласно концентрационному градиенту, а Cl- входит в эритроцит согласно электрическому градиенту (эритроцит внутри имеет положительный заряд). • Часть ионов Cl- проникающих в эритроциты соединяется с освобождающимися ионами К+, при диссоциации КНСО 3 образуя КCl. • Угольная кислота ионы НСО 3 - образуется также в лейкоцитах и тромбоцитах, поскольку карбоангидраза имеется и в этих клетках. Однако их роль в транспорте СО 2 не велика, так как они не содержат гемоглобина, их число значительно меньше, нежели эритроцитов. 33

• Общая схема образования и диссоциации О 2 и СО 2 представлена на рисунке. 34

Основные процессы между кровью и тканями организма (А), 35 между кровью и альвеолами легких (Б)

• Хотя СО 2 непрерывно образуется, а О 2 потребляется, оптимальное их содержание в организме поддерживается с помощью надежных механизмов регуляции. 36

Регуляция дыхания • В продолговатом мозге находится главная часть дыхательного центра. • Дыхательный центр был открыт Н. А. Миславским (1885). Он установил наличие двух структур, ответственных за вдох и выдох, взаимодействие которых обеспечивает ритмичное дыхание. • Инспираторные нейроны локализуются также в спинном мозге (С 2 – С 4). • Мотонейроны спинного мозга являются исполнительными (эффекторами), они получают импульсы от нейронов продолговатого мозга и посылают их к дыхательным мышцам по межреберным и диафрагмальным нервам. • Центры межреберных нервов иннервирующих мускулатуру грудной клетки локализуются в грудном отделе спинного мозга (4 – 10 сегменты). • Центры диафрагмальных нервов находятся в основном в 3 - 5 шейных сегментах спинного мозга. 37

• Нейроны моста при взаимодействии с нейронами продолговатого мозга обеспечивают нормальный цикл дыхания, то есть участвуют в регуляции фаз вдоха и выдоха. • Средний мозг играет важную роль регуляции тонуса всей мускулатуры организма, в том числе и дыхательной. • Гипоталамус выполняет интегративную роль в регуляции частоты и глубины дыхания при физической работе. • Об участии коры большого мозга в регуляции дыхания, в частности, свидетельствует тот факт, что частоту и глубину дыхания можно изменять произвольно. • О роли коры мозга свидетельствует также усиление дыхания перед стартом; минимальная физическая нагрузка (несколько шагов в течение 1 -2 мин) у животного лишенного коры в эксперименте вызывает длительную отдышку. • При выполнении физических упражнений 38 интенсивность дыхания становится адекватной потребностям организма.

Иннервация легких 39

Регуляция дыхания. Дыхательный центр (его компоненты) 40 и эфферентные нервы

Автоматия дыхательного центра • Циркуляция возбуждения в его нейронах, обеспечивает саморегуляцию вдоха и выдоха. • Автоматию дыхательного центра поддерживает афферентная иннервация от рефлексогенных зон, от хемо- и механорецепторов. 41

42