Транспорт газов кровью Регуляция дыхания 1 Транспорт

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 сродства к O 2. В тканях – обратная ситуация 4 гема (Fe++)

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).

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 гемоглобина крови Оксигемоглобин (Hb. O 2) - в этой форме Hb переносит O 2 от лёгких к тканям. Дезоксигенированный Hb (Hb. H) – восстановленный гемоглобин Метгемоглобин (Met. Hb) - содержит Fe 3+; прочно связывает O 2, диссоциация затруднена. Образование Met. Hb может быть наследственным или приобретённым (воздействие сильных окислителей: нитраты и неорганические нитриты, сульфаниламиды и местные анестетики типа лидокаина). Карбоксигемоглобин - соединение с монооксидом углерода СО (угарный газ). Плохой переносчик О 2. Гликозилированный Hb (Hb. А 1 с) - это Hb. А (A 1), модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы (норма Hb. A 1 C - 5, 8– 6, 2%) • один из первых признаков сахарного диабета - ↑ в 2– 3 раза • имеет худшее сродство к О 2, чем обычный Hb.

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) описывается кривой диссоциации. Насыщение Hb О 2 (SO 2) зависит от (PO 2) и фактически отражает содержание оксигенированного Hb (Hb. О 2). Зависимость между SO 2 и PO 2 • 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. Кривая диссоциации оксигемоглобина (p. H=7. 40, t= 38 °C)

Факторы, влияющие на сродство гемоглобина к О 2 • p. H, • температура, • 2, 3 -дифосфоглицерат (2, 3 -ДФГ). Индекс описывающий смещения 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↑(более высокое PO 2 необходимо для связывания Нв с данным количеством O 2): при ↑метаболизма в тканях ↓ t° или ↑ p. H, ↓ 2, 3 -ДФГ смещает кривую влево: • сродство растет, а Р 50 снижается (более легко высвобождается О 2 в тканях): в горах, у плода шифт влево шифт вправо • Сдвиг вправо - меньшее насыщение кислородом, • Сдвиг влево - большее насыщение кислородом

2, 3 -Дифосфоглицерат (ДФГ) • промежуточный продукт гликолиза в эритроцитах, • связывается с Нв (в основном за счёт взаимодействия с β‑субъединицей), • сдвигает кривую диссоциации Нв вправо, • при усилении гликолиза (анаэробного окисления) ↑ДФГ в эритроцитах - механизм приспособления 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).

Транспорт углекислого газа кровью Капилляры Интерстициальная жидкость Клетка Карбоангидраза

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

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

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

2. Регуляция дыхания. – Структуры ЦНС, обеспечивающие дыхательную периодику. – Значение гипоталамуса, лимбической системы и коры больших полушарий в регуляции дыхания. Условно-рефлекторная и произвольная регуляция дыхания. – Влияние на частоту и глубину дыхания газового состава и р. Н артериальной крови. Центральные и периферические хеморецепторы. Их значение в обеспечении газового гомеостазиса. Изменение вентиляции легких при гиперкапнии и гипоксии. – Рецепторы легких (растяжения, ирритантные, юкстакапиллярные), их роль в саморегуляции дыхания. Рефлексы Геринга и Брейера. 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 рецепторы (хеморецепторы, механорецепторы) Сенсорный вход Эфферентные импульсы Эффекторы (дыхательные мышцы) Поток газа (воздухоносные пути) и обмен газов (альвеоло- капиллярная мембрана) Механическая работа

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 и выдоха. Нейроны вдоха включаются автоматически, а нейроны выдоха только при форсированном выдохе. • Пусковая регуляция их активности в основном принадлежит хеморецепторам – Этот уровень м. б. подавлен волевым влиянием коры головного мозга. •

Ствол мозга • продолговатый мозг – чередование вдоха и выдоха • Варолиев мост – – апнейстический центр – • возбуждение инспираторной зоны, удлиняя вдох (апнейстическое дыхание встречается при тяжелых поражениях мозга); – пневмотаксический центр – • тонкая настройка дыхательного ритма. • 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, способные передавать информацию в дыхательный центр, расположены в продолговатом мозге. • хеморецепторы реагируют на отклонения в [Н+] и Рсо 2 во внеклеточной жидкости внутримозгового интерстициального пространства (↑Н+ → ↑ вентиляции), • высокая скорость вентиляторного ответа на гиперкапнию , т. к. – СО 2 легко диффундирует через гематоэнцефалический барьер, • молекулярные механизмы рецепции остаются неизвестными.

Периферические хеморецепторы – каротидные тельца – у бифуркации сонной артерии, – аортальные тельца – у дуги аорты Два типа рецепторов: a) H+/CO 2 рецепторы мониторируют PCO 2, a) ↑ PCO 2 - стимуляция дыхания b) PO 2 рецепторы - мониторируют O 2, a) ↓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

Эффект низкого артериального PO 2 на альвеолярную вентиляцию при постоянном PCO 2 и [H+]

– PO 2 в норме мало влияет на вентиляцию, но – при длительной гипоксемии (PO 2 < 60 mm. Hg) может включаться так называемый гипоксический драйв, при котором • 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 в 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

Механорецепторы легких • Ирритантные рецепторы: – быстро адаптирующиеся рецепторы растяжения – между эпителиальными клетками воздухоносных путей – отвечают на – отек легких, эмболию – вдыхание сильных раздражающих веществ – через вагусные афференты сигналы в 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 увеличении кровенаполнения легочных капилляров, – вызывают быстрое, поверхностное дыхание, – функциональная роль не до конца ясна, но • при в их возбуждении у пациента – 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: • отвечают на механические и химические стимулы. • их стимуляция приводит к кашлю, чиханию, бронхоконстрикции и спазму гортани. Мышечные веретена • главная роль в регуляции силы мышечного сокращения (посредством спинальных рефлексов), • вполне возможно, что эти веретена могут быть важны в генерировании максимальной силы выдоха для устранения обструкции воздухоносных путей Висцеральные и кожные афференты • участвуют в передаче информации в центральный дыхательный контроллер, например при боли и повышении температуры кожи – возникает гипервентиляция.

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

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)