2 курс / Нормальная физиология / Физиология_дыхательной_системы_

растворенном и в химической связи с гемоглобином (Нb). Из объемной доли 19-20,8% кислорода, извлекаемого из артериальной крови, только 0,3 находится в растворенном состоянии в плазме, остальная часть кислорода химически связана с гемоглобином эритроцитов. Таким образом, в норме объемная доля физически растворенного О2 в артериальной крови (Ро2 – 100 мм рт. ст.) составляет 0,3%.

Гемоглобин образует с кислородом очень непрочное, легко диссоциирующее соединение – оксигемоглобин.

Максимальное количество О2, которое может быть поглощено 100 мл крови, называется кислородной емкостью крови. Она зависит от содержания в ней гемоглобина. 1 г гемоглобина может связать 1,34 мл О2 (1,36; 1,39). Если же содержание гемоглобина в крови в норме составляет в среднем около 140 г/л (14 г/100 мл), то ее кислородная объемная доля равна пример-

но 19 (1,34 × 14-19) или 20,8% (1,34 × 15-20,8). Таким образом, 100 мл крови может связать 19 или 20,8 мл О2. Зная кислородную емкость крови и содержание кислорода в крови, можно определить степень насыщения крови кислородом по следующей формуле:

О2 , соединенныйс Hb 100. кислородная емкость

При Ро2, равном 100 мм рт. ст., насыщение артериальной крови кислородом составляет примерно 96-98%. Венозная кровь (Ро2 – 40 мм рт. ст.) насыщена О 2 приблизительно на 75%.

Содержание газов в артериальной и венозной крови

В артериальной крови здорового человека объемная доля О2 – 18-20%, СО2 – 50-52 и около 1% азота, в венозной крови О2 – 12, СО2 – 55-58 и около 1% азота.

Отсюда видно, что венозная кровь, пройдя через легочные капилляры, обогащается СО2 и отдает часть СО2. Артериальная кровь поступает в капилляры большого круга, отдает СО2 и насыщается СО2. Азот в газообмене не участвует. Артериовенозная разница по объемной доле О2 колеблется в пределах 20-30%.

40

Кривые диссоциации оксигемоглобина

Степень насыщения гемоглобина кислородом и диссоциация оксигемоглобина (образование восстановленного гемоглобина) не находятся в прямой зависимости от напряжения кислорода. Эти два процесса не являются линейными, а совершаются по кривой, которая получила название кривой связывания, или диссоциации оксигемоглобина (рис.13, а).

При нулевом напряжении кислорода оксигемоглобина в крови нет. При низких значениях парциального давления кислорода скорость образования оксигемоглобина невелика. Максимальное количество гемоглобина (45-80%) связывается с кислородом при его напряжении 20-46 мм рт. ст. Дальнейшее повышение напряжения кислорода приводит к снижению скорости образования оксигемоглобина (рис. 13, б).

Таким образом, средняя часть кривой имеет вертикальное, а нижняя и верхняя части – горизонтальное направление. Нижняя часть кривой характеризует свойства гемоглобина для зоны с низким парциальным давлением О2, имеющимся в тканях. Средняя часть кривой дает представление о свойствах Нb, характерных для венозной крови, а верхняя – соответствует условиям, имеющимся в альвеолах легких.

а б

Рис. 13. Кривые диссоциации оксигемоглобина:

а– кривая насыщения гемоглобина кислородом при нормальном

содержании СО2, б – влияние изменения напряжения СО2 на кривую диссоциации оксигемоглобина

41

Сродство гемоглобина к кислороду значительно понижается при сдвиге реакция крови (рН крови) в кислую сторону, что наблюдается в тканях и клетках организма вследствие образования углекислого газа. Это свойство гемоглобина имеет важное значение для организма. В капиллярах тканей, где концентрация углекислого газа в крови увеличена, способность гемоглобина удерживать кислород уменьшается, что облегчает его отдачу клеткам. В альвеолах, где часть углекислого газа переходит в альвеолярный воздух, способность гемоглобина связывать кислород вновь возрастает (рис. 14).

Рис. 14. Зависимость содержания СО2 в крови от его парциального давления

Переход гемоглобина в оксигемоглобин и из него в восстановленный зависит от температуры. При одном и том же парциальном давлении кислорода в окружающей среде при температуре 37-38 ºС в восстановленную форму переходит наибольшее количество оксигемоглобина.

Таким образом, кривая диссоциации оксигемоглобина может сдвигаться под влиянием рН, Рсо2, температуры и концентрации 2,3-дифосфоглицерина (ДФГ) в эритроцитах и Ро2.

Снижение рН, повышение Рсо2, понижение Рсо2 и повышение температуры смещают кривую диссоциации вправо, а об-

42

ратные изменения этих параметров – влево. Сдвиг кривой диссоциации вправо означает высвобождение большого количества кислорода в тканевых капиллярах при данном значении Рсо2. В мышцах при нагрузке создается кислая среда, повышение содержания углекислого газа, повышение температуры.

На кривую диссоциации оксигемоглобина также влияет состав среды, которая окружает гемоглобин в эритроцитах. При увеличении ДФГ – конечного продукта метаболизма красных телец – кривая смещается вправо. Такое увеличение происходит в условиях долговременной гипоксии, например на большой высоте или при хронических легочных заболеваниях. Это приводит к более интенсивному переходу кислорода из крови в ткани.

Транспорт углекислого газа кровью. Значение фермента карбоангидразы

Углекислый газ переносится кровью в физически растворенном виде, в составе бикарбонатов (бикарбоната натрия и бикарбоната калия) и в соединении с белками гемоглобина (карбогемоглобин). Растворимость СО2 примерно в 20 раз выше растворимости кислорода, поэтому растворенная форма углекислого газа весьма важна для его транспорта, на ее долю приходится около 10% углекислого газа, переходящего в легкие из крови.

В эритроцитах содержится фермент карбоангидраза – биологический катализатор, который ускоряет распад угольной кислоты в капиллярах легких, а в тканевых капиллярах синтез угольной кислоты ускоряется в 20 тыс. раз.

Угольная кислота образуется в эритроцитах из углекислого газа и воды быстро, поскольку в этих клетках содержится фермент карбоангидраза, диссоциация угольной кислоты в эритроцитах идет тоже быстро и не требует участия ферментов. Когда содержание ионов НСО3- в эритроците повышается, они диффундируют в плазму, однако ионы Н+ не могут следовать за ними, так как мембрана эритроцитов практически непроницаема для катионов. В связи с этим для поддержания электронейтральности из плазмы в эритроциты входят ионы Сl.

Высвобождающиеся ионы Н+ частично связываются с гемоглобином:

43

Н+ + НbО2 Н+ Нb + О2 .

Данная реакция облегчается тем, что восстановленный Нb представляет собой слабую кислоту, т.е. лучший акцептор протонов, чем оксигенированный.

Таким образом, присутствие восстановленного Нb в венозной крови способствует связыванию СО2 тогда как его окисление в легочных капиллярах облегчает отдачу углекислого газа. Увеличение сродства крови к СО2 при ее дезоксигенации часто называют эффектом Холдейна.

Образование карбогемоглобина в результате связывания CО2 с аминогруппами белков крови (глобин) происходит по реакции

НbNH2 + CО2 НbNH ∙ COОH.

Восстановленный Нb обладает большим сродством к углекислому газу, чем к оксигемоглобину. Таким образом, дезоксигенация гемоглобина в тканевых капиллярах облегчает поглощение СO2, а соединение с кислородом способствует выведению углекислого газа (рис. 3).

Сатурациониая кривая СО2 (диссоциации)

Кривая зависимости общей концентрации углекислого газа в крови от Рсо2 тем выше, чем менее гемоглобин насыщен кислородом – эффект Холдейна, обусловлен увеличением сродства восстановительного Нb к протонам, образующимся при диссоциации угольной кислоты, а также его большей способностью связывать СО2 с образованием карбогемоглобина (рис. 15).

Кислотно-щелочное состояние:

Изменения кислотно-щелочного равновесия: дыхательный ацидоз и дыхательный алкалоз.

Дыхательный ацидоз возникает в результате повышения Рсо2, что приводит к снижению отношения НСО3 -/Рсо2 и, следовательно, уменьшению рН. Накопление СO2 может происходить в результате гиповентиляции или несоответствия между вентиляцией и перфузией.

44

При устойчивом дыхательном ацидозе наступает компенсаторная задержка НСО3- в почках. При этом Рсо2 в клетках почечных канальцев увеличивается, и они выделяют большее количество водородных ионов, т.е. более кислую мочу. Протоны при этом выводятся в виде Н2РО4- или NН4+, а ионы НСО3 - реабсорбируются.

В результате повышается содержание НСО3 - в плазме, и отношение НСО3 -/Рсо2 возвращается к нормальному уровню. Подобное состояние называется компенсированным дыхательным ацидозом (рН=7,36).

рН=7,29 (дыхательный ацидоз)

рН=7,36 (компенсированный дыхательный ацидоз) рН=7,4 (норма).

Рис. 15. Перенос газов кровью и газообмен в легких и тканях Примечание. Реакция CО2 + Н2О Н+НCO3 – осуществляется с участием карбоангидразы

45

Дыхательный алкалоз возникает в результате снижения Рсо2. При этом увеличивается отношение НСО3 -/Рсо2 и в результате повышается рН. Такое уменьшение Рсо2 обусловлено гипервентиляцией, например на больших высотах. Компенсаторные реакции со стороны почек – усиление выведения бикарбонатов, что приводит к восстановлению нормального отношения НСО3 -/Рсо2.

Обмен газов между кровью и тканями

Кислород и углекислый газ перемещаются между кровью капилляров большого круга и тканями тела путем диффузии. Так же как в легких, объем газа, диффундирующий в единицу времени, обусловлен разностью парциальных давлений между кровью и тканями.

Диффузия прямо пропорциональна растворимости О2 и СО2

вжидкостях и клеточных мембранах и площади поверхности диффузии и обратно пропорциональна расстоянию диффузии, т.е. толщине слоев жидкости и мембран, через которые она проходит. В легких расстояние диффузии невелико, но в тканях оно измеряется десятками микрометров и определяется расстоянием между соседними капиллярами. В связи с этим для тканевого обмена газов расстояние диффузии имеет решающее значение.

Впокоящейся скелетной мышце, например, расстояние диффузии составляет около 50 мкм. При работе под влиянием

образующихся в мышце избытка СО2 и кислых продуктов обмена раскрываются дополнительные капилляры, что уменьшает расстояние диффузии и увеличивает поверхность, через которую она осуществляется. При этом линейная скорость кровотока снижается, что также облегчает обмен газами. Как уже известно,

растворимость СО2 в крови и тканях высока, поэтому выведение СО2 из тканей не представляет затруднений.

Диффундирующий в ткани кислород потребляется клетками

впроцессе тканевого дыхания, поэтому постоянно существует

разность Ро2 между кровью и клетками, обеспечивающая диффузию в этом направлении. Диффузия растворенного в артери-

альной крови О2 снижает Ро2 в крови и создает условия для диссоциации НbО2. При снижении Ро2 с 100 до 40 мм рт. ст. освобождается около 30% связанного с гемоглобином кислорода.

46

Активные ткани, например работающие скелетные мышцы, извлекают из крови почти весь О2, так как в связи с увеличенным потреблением кислорода Ро2 в тканях падает очень значительно, что облегчает диффузию О2 из крови, а значит, и диссоциацию НbО2. Много О2 потребляет также сердце. Такие ткани, как кость и кожа, поглощают из крови относительно небольшое количество кислорода.

РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ

Регуляция деятельности дыхательного центра (ДЦ) осуществляется с помощью гуморальных, рефлекторных механизмов и нервных импульсов, поступающих из вышележащих центров головного мозга.

Дыхательные центры

Ритм и глубина дыхания задаются и регулируются центральными нервными структурами, расположенными в нескольких отделах мозга и условно объединяемыми в понятие «дыхательные центры». Под воздействием на эти центры рефлекторных и гуморальных стимулов происходит приспособление дыхания к меняющимся условиям внешней среды и состоянию организма.

Таким образом, дыхательным центром называется совокупность нейронов, расположенных в различных отделах ЦНС (главными из них являются продолговатый мозг и мост), обеспечивающих деятельность аппарата дыхания и его приспособление к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды.

Локализация отдельных структурных элементов дыха-

тельного центра установлена с помощью перерезок ствола мозга на различных уровнях, разрушения и раздражения различных структур мозга, регистрации его электрической активности.

В продолговатом мозге находится главная часть дыхательного центра. Об этом свидетельствуют исследования М. Флуранса (1794-1867). Он обнаружил, что разрушение медиальной части продолговатого мозга в нижнем углу ромбовидной ямки ведет к полной остановке дыхания. Позднее, в 1885 г. Н.А. Миславский установил в бульбарном дыхательном центре наличие двух структур, ответственных за вдох и выдох.

47

Мост играет важную роль в регуляции продолжительности фаз вдоха, выдоха и паузы между ними. Нейроны моста при взаимодействии с нейронами продолговатого мозга обеспечивают нормальный цикл дыхания.

Мотонейроны спинного мозга получают импульсы от ней-

ронов продолговатого мозга и посылают их двигательным мышцам по диафрагмальному и межреберным нервам. Центр диафрагмальных нервов находится в основном в 3-4 шейных сегментах спинного мозга. Центры межреберных нервов, иннервирующих мускулатуру грудной клетки, локализуются в грудном отделе спинного мозга (4-10-е сегменты), иннервация мышц живота осуществляется ТhIV - LIII-сегментами.

Результаты исследований Миславского легли в основу современных представлений о локализации, строении и функции дыхательного центра. В экспериментах с использованием микроэлектродной техники и отведения биопотенциалов от различных структур продолговатого мозга было показано, что в дыхательном центре продолговатого мозга с обеих сторон располагаются инспираторные нейроны, разряжающиеся незадолго до вдоха и в течение самого вдоха (рис. 16, 17).

Рис. 16. Дыхательный центр:

1 – центр выдоха; 2 – центр вдоха (по методу Ренсона)

48