Строение и функционирование дыхательной системы Дыхание

Строение и функционирование дыхательной системы

Дыхание — это физиологический процесс, обеспечивающий нормальное течение метаболизма (обмена веществ и энергии) живых организмов и способствующий поддержанию гомеостаза (постоянства внутренней среды), получая из окружающей среды кислород и отводя в окружающую среду в газообразном состоянии некоторую часть продуктов метаболизма организма (СО 2, Н 2 О и другие). В зависимости от интенсивности обмена веществ человек выделяет через легкие в среднем около 5 — 18 литров углекислого газа (СО 2), и 50 г воды в час. А с ними — около 400 других примесей летучих соединений, в том числе и ацетон. В процессе дыхания богатые химической энергией вещества, принадлежащие организму, окисляются до бедных энергией конечных продуктов (СО 2 и воды), используя для этого молекулярный кислород.

Дыхание – совокупность процессов, при которых происходит потребление организмом кислорода и выделение углекислого газа 1. Внешнее дыхание – обмен газами между внешней средой и альвеолами; 2. Обмен газов в легких – обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью в легочных капиллярах; 3. Транспорт газов кровью; 4. Обмен газов в тканях – обмен газов между кровью и тканями в тканевых капиллярах; 5. Клеточное дыхание – потребление кислорода клетками и выделение ими углекислого газа

Функции дыхания 1. 2. 3. 4. 5. Газообмен Регулирование р. Н крови Образование звуков Обоняние Защита от некоторых микроорганизмов, предотвращая их попадание в организм, а также выводя их из дыхательных путей

Газообмен

Защитная функция

Дыхательный аппарат воздухоносные пути активные элементы дыхательные мышцы проводящие пути дыхательная зона вспомогательные элементы • грудная клетка как каркас; • плевра

Дыхательная система

Полость носа и глотка

Элемент Бронхиолы Конечные бронхиолы Дыхательные бронхиолы Альвеолярные ходы Альвеолы Порядки ветвления Длина 0– 3 4– – 17 18 – 19 20 – 22 23 5 мм

Строение гортани

Голосовые складки

Трахея Общая схема строения трахеи Микрофотография поперечного среза трахеи Электронная микрофотография поверхности слизистой оболочки трахеи

Трахеобронхиальное дерево

Бронхиолы и альвеолы

Доли и бронхолегочные сегменты легких: а — трахея (голубой), главные бронхи (зеленый), долевые бронхи (красный) и сегментарные бронхи (все остальные цвета) расположены в центре рисунка. По бокам показаны два легких с бронхолегочными сегментами. Каждый бронхолегочный сегмент "обслуживается" сегментарным бронхом; б — фотография легких, иллюстрирующая бронхи, "обслуживающие" доли легких

Дыхательные мышцы Инспираторные Экспираторные • прямая мышца живота; Основные Вспомогательные • внутренняя мышца живота; • наружная мышца живота; • диафрагма; • лестничные; • косые мышцы живота; • наружные межреберные • грудино-ключичнососцевидные; • поперечная мышца живота; • мелкие мышцы головы и шеи; • внутренние межреберные мышцы • мышцы крыльев носа

Влияние дыхательных мышц на грудной объем: а — дыхательные мышцы в конце выдоха; б — дыхательные мышцы в конце вдоха

Влияние движения ребер и грудины на грудной объем: а — поднимание ребра движением по типу "ручки ведра" латерально увеличивает грудной объем; б — по мере поднимания ребра, его вращение движением по типу "ручки насоса" увеличивает грудной объем кпереди

Плевральные полости и мембраны: а — каждое легкое окружено плевральной полостью. Париетальная плевра выстилает стенку каждой плевральной полости, а висцеральная плевра покрывает поверхность легких. Пространство между париетальной и висцеральной плеврой небольшое и заполнено плевральной жидкостью; б — поперечный разрез грудной клетки на уровне, указанном на позиции а, иллюстрирующий взаимосвязь плевральных полостей с органами грудной клетки

Изменение альвеолярного давления во время вдоха и выдоха Объединенное пространство всех альвеол представлено большим "пузырем". В действительности размер альвеол очень маленький и их нельзя увидеть на рисунке

Сурфактант – природный липопротеид, важным компонентом которого является ди-пальмитоилфосфатил-холин (ДПФХ), снижающий силы поверхностного натяжения в легких. Функции сурфактанта: 1. увеличение растяжимости легких, что ведет к уменьшению работы мышц при вдохе; 2. способствует «сухости» альвеол. Силы поверхностного натяжения «засасывают» жидкость из капилляров в альвеолы. Сурфактант, уменьшая эти силы, препятствует образованию транссудата; 3. поддержание стабильности альвеол.

Вентиляция – это процесс движения воздуха в легкие и из легких

Легочные объемы • Дыхательный объем – объем воздуха, вдыхаемого или выдыхаемого во время спокойного дыхания (около 500 мл). • Резервный объем вдоха – объем воздуха, который человек может форсированно (глубоко) вдохнуть после обычного вдоха (около 3000 мл). • Резервный объем выдоха – объем воздуха, который человек может форсированно выдохнуть после обычного выдоха (около 1100 мл). • Остаточный объем легких – объем воздуха, находящегося в дыхательных путях и легких после максимального выдоха (около 1200 мл).

Легочные емкости • Емкость вдоха – дыхательный объем плюс резервный объем вдоха, т. е. объем воздуха, который можно вдохнуть после нормального выдоха (около 3500 мл). • Функциональная остаточная емкость – резервный объем выдоха плюс остаточный объем легких, т. е. объем воздуха, остающийся в легких в конце нормального выдоха (около 2300 мл). • Жизненная емкость легких – сумма резервного объема вдоха и резервного объема выдоха, т. е. наибольший объем воздуха, который можно выдохнуть из легких после максимального вдоха (около 4600 мл). • Общая емкость легких – сумма резервного объема вдоха и выдоха плюс дыхательный объем и остаточный объем легких(около 5800 мл).

Парциальное давление газов на уровне моря Газ Сухой воздух мм. рт. ст. Влажный воздух % мм. рт. ст. % Альвеолярный воздух мм. рт. ст. % Выдыхаемый воздух мм. рт. ст. % N 2 597, 5 78, 62 563, 4 74, 09 569, 0 74, 09 566, 0 74, 5 O 2 158, 4 20, 84 149, 3 19, 67 104, 0 13, 6 120, 0 15, 7 CO 2 0, 3 0, 04 40, 0 5, 3 27, 0 3, 6 H 2 O 0 0 47, 0 6, 20

Процесс изменения парциального давления кислорода и углекислого газа

Кривая диссоциации оксигемоглобина в состоянии покоя В тканях, которые находятся в состоянии покоя, гемоглобин выделяет некоторое количество кислорода. Схематически это можно представить в виде частично наполненного стакана Гемоглобин, насыщенный кислородом в легких, схематически можно представить в виде почти полного стакана

Влияние смещения кривой диссоциации оксигемоглобина а — в тканях по мере снижения р. Н, повышения Ро 2 или температуры кривая {черный) смещается вправо (красный), что ведет к повышенному выделению кислорода б — в легких по мере повышения р. Н, снижения Ро 2 или температуры кривая (черный) смещается влево (красный), что ведет к повышению способности гемоглобина присоединять кислород

Кривая диссоциации оксигемоглобина во время физической нагрузки а - при Ро 2 в легких гемоглобин на 98 % насыщен кислородом. При Ро 2 работающих тканей гемоглобин насыщен кислородом на 25 % Следовательно, 73 /о кислорода, поступившего в легкие, выделяется в ткани; б способность гемоглобина присоединять и выделять' кислород напоминает наполнение и опорожнение стакана

Транспорт углекислого газа Способы переноса: 1. 2. 3. Растворенный газ в плазме (7% всего СО 2); Комплекс с гемогллобином (23%) – СО 2 прикреплен к аминогруппам глобина (карбаминогемоглобин, или карбогемоглобин); Ионы бикарбоната (70%) – НСО 3 - Карбоангидраза СО 2 + Н 20 Н 2 СО 3 Н+ + НСО 3 -

Дыхательные структуры ствола головного мозга Взаимосвязь дыхательных структур друг с другом и с нервами, иннервирующими дыхательные мышцы

Модификация дыхания: произвольный контроль, эмоции, изменения р. Н крови, уровней углекислого газа и кислорода, растяжение легких, движения конечностей проприоцепция) и тактильные, термальные и болевые стимулы способны влиять на дыхательный центр и модифицировать дыхание. Знак плюс (+) указывает на увеличение дыхания, знак минус (-) — на снижение

Хеморецепторы – это специализированные нейроны, реагирующие на изменение концентрации химических веществ в растворе • Центральные хеморецепторы расположены билатерально в хемочувствительной зоне продолговатого мозга и соединены с дыхательным центром • Периферические хеморецепторы расположены возле сонных синусов и дуги аорты

Гомеостаз. Регуляция р. Н крови и газа

Механизмы влияния физических нагрузок на вентиляцию А. Мгновенное усиление вентиляции (до 50% общего увеличения). Стимуляция дыхательного центра по коллатералям из двигательной коры головного мозга Б. Постепенное усиление вентиляции (в течение 4 -6 минут после начала нагрузки). Колебания мгновенных значений парциального давления О 2 и СО 2 , а также р. Н в артериальной крови, хотя средние величины этих параметров неизменны. При очень больших физических нагрузках, превышающих анаэробный порог (уровень нагрузки, выполняемой без значительного изменения р. Н крови), когда скелетные мышцы производят и выделяют в кровь молочную кислоту, в регуляцию включаются периферические хеморецепторы.

Адаптация дыхательной системы к физическим нагрузкам • Некоторое увеличение ЖЕЛ; • Некоторое уменьшение остаточного объема легких; • Увеличение дыхательного объема в покое; • Увеличение интенсивности дыхания при максимальной нагрузке; • Рост кровотока через легкие при максимальной нагрузке

Влияние старения на дыхательную систему 1. Снижение ЖЕЛ и интенсивности максимальной вентиляции легких • ослабление дыхательных мышц; • снижение эластичности грудной клетки 2. Увеличение остаточного объема и «мертвого пространства» • рост диаметра альвеолярных протоков и некоторых бронхиол 3. Уменьшение газообмена через дыхательную мембрану • рост плотности альвеолярных стенок; • уменьшение общей площади газообмена из-за потери части альвеолярных стенок Накапливание слизи в дыхательных путях • рост вязкости слизи; • уменьшение количество ресничек; • снижение скорости движения ресничек

Тканевое, или клеточное дыхание Тканево е или кле точное дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до СО 2 и воды. Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений (молекул АТФ и других макроэргов) и может быть использована организмом по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма. На клеточном уровне рассматривают два основных вида дыхания: аэробное (с участием окислителя - О 2 ) и анаэробное. При этом, физиологические процессы транспортировки к клеткам многоклеточных организмов О 2 и удалению из них СО 2 рассматриваются как функция внешнего дыхания. Аэро бное дыха ние. В цикле Кребса основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий, трансформируется в трансмембранный протонный потенциал. Фермент АТФ-синтетаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула НАД∙Н может дать в ходе этого процесса 2, 5 молекулы АТФ, ФАДН 2 — 1, 5 молекулы. Конечным акцептором электрона в дыхательной цепи аэробов является О 2. Анаэро бное дыха ние — биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в дыхательной электронтранспортной цепи в качестве конечного акцептора электронов вместо О 2 других окислителей неорганической или органической природы. Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтетазой для синтеза АТФ.