Транспорт газов кровью. Регуляция дыхания 1.

Транспорт газов кровью. Регуляция дыхания

1. Транспорт газов кровью • гемоглобин, его формы • кривая диссоциации гемоглобина • транспорт углекислого газа • газообмен между кровью и тканями • роль миоглобина

Гемоглобин А (взрослого): 4 полипептидных субъединицы (2 α и 2 β), 4 гема 4 полипептидных цепи Структура Нв - сродство к О 2: • В деоксигсенированном Нв - низкое сродство к O 2, • После присоединения O 2 в первой связи – изменения конфигурации полипептидной цепи → выделение сайтов связывания O 2, – 500 -кратное увеличение 4 гема (Fe++) сродства к O 2.

Формы гемоглобина • Гемоглобин плода (Hb. F): – 2 γ-цепи вместо β – имеет большее сродство к O 2, чем дефинитивные Hb, – с 8– 36 нед беременности (90– 95% Hb плода), – после рождения ↓ и к 8 мес ≈ 1%. – ↑ Hb. F при гемоглобинопатиях, гипопластических и B 12‑дефицитной анемиях, остром лейкозе, у жителей высокогорья, • Дефинитивные Hb - основные формы Hb эритроцитов взрослого человека (96– 98% - Hb. A (A 1, ) - α 2β 2, 1, 5– 3% - Hb. A 2 - α 2δ 2).

Формы гемоглобина крови Оксигемоглобин (Hb. O 2) - форма переноса O 2 к тканям. Дезоксигенированный Hb (Hb. H) – восстановленный гемоглобин Метгемоглобин (Met. Hb) - содержит Fe 3+; прочно связывает O 2, диссоциация затруднена, • м. б. наследственным или приобретённым (воздействие сильных окислителей: нитраты и неорганические нитриты, сульфаниламиды и местные анестетики типа лидокаина). Карбоксигемоглобин - соединение с СО Гликозилированный Hb (Hb. А 1 с) - это Hb. А (A 1), модифицирован присоединением глюкозы (норма - 5, 8– 6, 2%) • один из первых признаков сахарного диабета - ↑ в 2– 3 раза • имеет худшее сродство к О 2, чем обычный Hb.

Аномальные формы гемоглобина Известно более 1000 мутаций разных глобинов, значительно изменяющих свойства Hb, в первую очередь — способность транспортировать O 2. Hb. H - гомотетрамер, образующийся при ингибировании синтеза α‑цепи • транспорт O 2 не эффективен. Hb. M - группа аномальных Hb, у которых замещение одной аминокислоты способствует образованию Met. Hb, • гетерозиготы - имеют врождённую метгемоглобинемию, • гомозиготы погибают в ходе внутриутробного развития. Hb. S - аномальный Hb (мутация в 6‑м положении бета‑цепи), • у гетерозигот - серповидно-клеточные Э. (Hb. S от 20 до 45%), • у гомозигот - серповидно-клеточная анемия (Hb. S - 75‑ 100%). Барта Hb [Bart - пациент, у которого впервые обнаружен этот Hb] - гомотетрамер, встречающийся у раннего эмбриона и при aльфа‑талассемии, • не эффективен как переносчик O 2.

Серповидно-клеточная анемия (Африка) • Гемоглобин S – тенденция к полимеризации в доксигенированном состоянии, • причина серповидной формы Э. • Во время криза – Э. скапливаются в микроциркуляторном русле, вызывая • болезненную ишемию и инфаркт ткани • способствует устойчивости к малярии

Формы транспорта кислорода в крови • ≈ 1. 5% O 2 в плазме в растворенном виде, • ≈ 98. 5% связано с Нв в эритроцитах в форме Hb. O 2

Взаимосвязь между концентрацией О 2 и % Hb. O 2 (насыщение, сатурация) Кривая диссоциации описывается кривой оксигемоглобина диссоциации. (p. H=7. 40, t= 38 °C) Насыщение Hb О 2 зависит от PO 2, отражает содержание оксигенированного Hb (Hb. О 2) • зависимость не является линейной (характерная S- образная кривая), • это благоприятствует – связыванию О 2 в лёгких (артериальная кровь), – транспорту О 2, – освобождению О 2 в кровеносных капиллярах органов и тканей.

Факторы, влияющие на сродство гемоглобина к О 2 • p. H, шифт влево • температура, • 2, 3 -дифосфоглицерат (2, 3 -ДФГ). Индекс описывающий смещения шифт вправо кривой диссоциации - P 50 (S 50): • PO 2 = 50% насыщения Нв O 2. • высокий P 50 – низкая аффинность Нв к O 2. ↑ t°, ↓ p. H, ↑ 2. 3 -ДФГ смещает кривую вправо: • сродство Нв к кислороду ↓, а Р 50↑ • при ↑метаболизма в тканях ↓ t° или ↑ p. H, ↓ 2, 3 -ДФГ смещает • Сдвиг вправо - меньшее кривую влево: насыщение кислородом, • сродство растет, а Р 50 ↓ • Сдвиг влево - большее – более легко высвобождается О 2 в тканях: насыщение кислородом • в горах, у плода

2, 3 -Дифосфоглицерат (ДФГ) • промежуточный продукт гликолиза в эритроцитах, • взаимодействует с β‑субъединицей Hb, • сдвигает кривую диссоциации Нв вправо, • при усилении гликолиза (анаэробного окисления) – ↑ДФГ в Э. - адаптация к гипоксии (при заболеваниях лёгких, анемиях, подъёме на высоту): • в период адаптации к высокогорью (более 4 км над уровнем моря) концентрация ДФГ уже через 2 дня возрастает почти в 2 раза (от 4, 5 до 7, 0 м. М), – это снижает сродство Hb к О 2 и увеличивает количество О 2, освобождаемого из капилляров в ткани.

Эффект Кристиана Бора (сдвиг кривой вправо) • влияние CO 2 и H+ на аффинитет О 2 к Hb • физиологическое следствие эффекта Бора — – облегчение диффузии O 2 из крови в ткани и связывание O 2 артериальной кровью в лёгких Влияние РСО 2, р. Н, t кривую диссоциации гемоглобина

Кривая диссоциации О 2 для миоглобина • гипербола • на обратимое связывание миоглобина мышечной ткани и О 2 влияет только PO 2. • миоглобин имеет очень высокое сродство к О 2: – даже при PO 2, равном 1 – 2 мм рт. ст. , миоглобин остаётся связанным с О 2 на 50%. • миоглобин играет важную роль при: – при интенсивном использовании О 2 в результате физической нагрузки.

Кислородная ёмкость крови • максимальное возможное количество связанного с Hb О 2 • теоретически составляет 0, 062 ммоль О 2 (1, 39 мл О 2) на 1 г Hb, • реальное значение несколько меньше — 1, 34 мл О 2 на 1 г Hb • измеренные значения составляют – для мужчин 9, 4 ммоль/л (210 мл О 2/л), – для женщин — 8, 7 ммоль/л (195 мл О 2/л).

• На 1 мм рт ст PO 2 - 0. 003 мл O 2 растворяется в 100 мл крови при t°тела • Т. к. PO 2 в арт. крови ≈ 100 мм рт ст – кол-во растворенного кислорода 0. 3 мл O 2/ 100 мл крови • Измеренное количество O 2 ≈ 20. 4 мл O 2/100 мл крови • связывание O 2 с Hb в Э. • [Hb] ≈15 г/100 мл крови • 1 г Hb связывает 1. 34 мл O 2 • таким образом – 15 x 1. 34 = 20. 1+ 0. 3 = 20. 4

Транспорт углекислого газа кровью Капилляры Интерстициальная жидкость Клетка Карбо- ангидраза

Кривая диссоциации карбогемоглобина • Почти прямолинейная зависимость • небольшая разница PCO 2 артериальной и венозной крови (40 Венозная кровь (деоксигемоглобин) мм рт. ст. против 45 мм рт. ст. ) CO 2 content (ml/dl blood) • Смещается влево, когда Hb в форме деоксигемоглобина в венозной крови (эффект Халдана): арт. кровь (Нв. О 2) – в системных капиллярах ↑сродство Hb к CO 2 → • облегчение транспорта CO 2 v. СО 2 O l. ed C 2 из тканей в кровь Disso Раств – в легочном кровообращении Hb оксигенируется и ↓ его сродство к СО 2 PCO 2 ( мм рт ст • облегчение транспорта CO 2 из крови в альвеолы

Диффузия О 2 от тканевых капилляров к клеткам Артериальный конец Венозный конец капилляра капилляра

Захват СО 2 кровью из тканей в тканевые капилляры Артериальный конец Венозный конец капилляра капилляра

2. Регуляция дыхания. – Структуры ЦНС, обеспечивающие дыхательную периодику. – Значение гипоталамуса, лимбической системы и коры больших полушарий в регуляции дыхания. – Роль газового состава и р. Н артериальной крови. Центральные и периферические хеморецепторы. Изменение вентиляции легких при гиперкапнии и гипоксии. – Рецепторы легких (растяжения, ирритантные, юкстакапиллярные), их роль в саморегуляции дыхания. Рефлексы на растяжение дыхательных мышц, их значение в компенсации дыхательных нагрузок.

Регуляция дыхания Система регуляции дыхания: – рецепторы, воспринимающие информацию и передающие ее в в: – центральный регулятор (нервный центр в головном мозге), где обрабатывается информация, и посылаются команды на: – эффекторы (дыхательные мышцы), непосредственно осуществляющие вентиляцию легких.

Центральный регулятор (дыхательные центры продолговатого мозга, варолиева моста и др. отделов ЦНС) Афферентные импульсы Эфферентные импульсы рецепторы Эффекторы (хеморецепторы, (дыхательные механорецепторы) мышцы) Механическая Сенсорный работа вход Поток газа (воздухоносные пути) и обмен газов (альвеоло- капиллярная мембрана)

Центральная регуляция дыхания Группа дыхательных центров в стволе головного мозга → формируют автоматическую дыхательную активность. • Основной дыхательный центр – – на дне 4 -го желудочка: две группы нейронов: • вдоха (инспираторные) – включаются автоматически в ответ на гиперкапнию (через хеморецепторы) • выдоха (экспираторные). – возбуждаются только при форсированном выдохе. – этот уровень м. б. подавлен волевым влиянием • при участии коры головного мозга.

Ствол мозга • продолговатый мозг – чередование вдоха и выдоха • варолиев мост – – пневмотаксический центр – • тонкая настройка дыхательного ритма, • подавляет апн. центр, – апнейстический центр – • возбуждение инсп. зоны, удлиняя вдох (при тяжелых поражениях мозга); • кора головного мозга – • произвольное дыхание – • гипервентиляция (гиповентиляция мало достижима – исключение составляют йоги) • Другие отделы мозга – • лимбическая система, гипоталамус – • влияют на характер дыхания, особенно при аффективных состояниях (ярость, испуг и пр. ).

Рецепторы, участвующие в механизме регуляции дыхания • центральные хеморецепторы, • периферические хеморецепторы, • рецепторы легких, • прочие рецепторы (носовой полости, верхних дыхательных путей, суставов и мышц, гамма– системы, артериальные барорецепторы, болевые и температурные)

Центральные хеморецепторы • мониторинг Рсо 2, • клетки-рецепторы - в продолговатом мозге. • хеморецепторы – ответ на отклонения в [Н+] и Рсо 2 во внеклеточной жидкости внутримозгового интерстициального пространства • ↑Н+ Рсо 2→ ↑ вентиляции (гиперкпнический драйв), • высокая скорость вентиляторного ответа на гиперкапнию , т. к. – СО 2 легко диффундирует через ГЭБ,

Периферические хеморецепторы – каротидные тельца – бифуркация сонной артерии, – аортальные тельца – дуга аорты Два типа рецепторов: a) H+/CO 2 рецепторы мониторируют PCO 2, a) ↑ PCO 2 - стимуляция дыхания b) PO 2 рецепторы - мониторируют O 2, b) ↓артериального PO 2 (< 60 мм рт ст) - стимуляция дыхания

• Повышение PCO 2 и снижение p. H в артериальной крови и их влияние на уровень вентиляции

Стимуляция периферических хеморецепторов сниженным РО 2

– PO 2 в норме мало влияет на вентиляцию, но – при длительной гипоксемии (PO 2 < 60 mm. Hg) - гипоксический драйв • вентиляция в большей степени зависит от уровня O 2, чем от CO 2 (напр. , эмфизема, подъем в горы). напр. , эмфизема, подъем в горы Эффект низкого артериального PO 2 на альвеолярную вентиляцию при постоянном PCO 2 и [H+]

При хронической гиперкапнии • центральные хеморецепторы теряют чувствительность к CO 2 – при ХОБЛ - «гипоксический респираторный драйв" • опосредован периферическими хеморецепторами в ответ на низкое Pa. O 2 – назначение чистого О 2 таким пациентам может привести к фатальному снижению альвеолярной вентиляции • необходима контролируемая вентиляция кислородом

Механорецепторы легких • Ирритантные рецепторы: – быстро адаптирующиеся рецепторы растяжения – между эпителиальными клетками воздухоносных путей – отвечают на – отек легких, эмболию – вдыхание сильных раздражающих веществ – вагусные афференты → ЦНС – рефлекторная бронхоконстрикция и кашель – предупреждают вдыхание вредных веществ – физиологическая роль при тяжелой физической нагрузке – ограничивают сильные сокращения скелетных мышц (I-рефлекс)

• Рецепторы растяжения легких: – медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения (легочные механорецепторы вагуса) – в ГМК воздухоносных путей, – стимулируются растяжением легких (при ДО выше 1500 мл) – вызывают рефлекс ↓ уровня дыхания (рефлекс Геринга-Брейера) • через вагусные афференты – в дорсальную группу нейронов дыхательного центра – подавляют активность инспираторных нейронов – предупреждает перерастяжение легких

• Юкстакапиллярные рецепторы: – свободные нервные окончания в альвеолярной стенке вблизи легочных капилляров – возбуждение – при ↑ кровенаполнения легочных капилляров, – вызывают быстрое, поверхностное дыхание, – функциональная роль не до конца ясна, но • при их возбуждении – ощущение одышки • Рецепторы суставов и мышц: – активируются при движении мышц – помогают стимулировать дыхание при нагрузке – растет уровень дыхания

Дополнительные дыхательные чувствительные структуры Рецепторы верхних воздухоносных путей: • ответ на механические и химические стимулы, – рефлекторный кашель, чиханию, бронхоконстрикция и спазм гортани. Мышечные веретена • регуляция силы мышечного сокращения – спинальные рефлексы, • могут быть важны в генерировании макс. силы выдоха – для устранения обструкции воздухоносных путей Висцеральные и кожные афференты • передача информации в центры регуляции дыхания, – напр. , при боли и повышении температуры кожи – гипервентиляция.

Нейрогенные Произвольный контроль Химические стимулы Дыхания (истерия, стимулы возбуждение) Дыхательный центр стимулируется Легочные рецепторы: растяжения, Рецепторы Каротидные и грудной стенки Аортальные Юкстакапиллярные тельца Рецепторы мышц, сухожилий, связок, Грудная стенка

Схематические представления активности дыхательного центра Импульсы, идущие через афферентные нейроны (темные красные линии), поступают к центральным нейронам, которые в свою очередь активируют эфферентные нейроны, вызывающие возбуждение дыхательных мышц Дыхательные движения могут быть нарушены в результате нарушений в различных отделах НС

Chemical control of respiration (feedback mechanism)