Лекция физиология дыхательной системы
ПЛАН:
1. Понятие дыхание. Этапы дыхания.
2. Внешнее дыхание.
3. Газообмен в легких.
4. Механизм вдоха и выдоха.
5. Регуляция дыхательного цетра.
6. Транспорт газов в крови.
7. Показатели, характеризующие внешнее дыхание.
8.
1. Дыхание – совокупность физиологических процессов, обеспечивающих непрерывное поступление кислорода к тканям, использование его в окислительных реакциях с высвобождением энергии, а также удаление из организма образующихся в процессе метаболизма углекислого газа, как конечный продукт обмена веществ. Следовательно, дыхание является основным жизненным процессом.
2. У человека газообмен представляет собой очень сложный процесс. Он состоит из трех фаз: 1) внешнего дыхания; Диффузный обмен кислорода и углекислого газа между альвеолярным воздухом и притекающей к легким венозной кровью. 2) транспорта газов кровью; Диффузный обмен кислорода и углекислого газа между артериальной кровью и тканями. 3) внутреннего дыхания. Тканевое дыхание.
3. Ритмические движения грудной клетки способствуют вентиляции воздуха в легких и поддерживают постоянство его состава. Притекающая к легким венозная кровь освобождается здесь от углекислого газа и насыщается кислородом. Все процессы, происходящие в легких, называются внешним дыханием. Основная задача внешнего дыхания заключается в поддержании постоянного состава альвеолярного воздуха – 14% кислорода и 5% углекислого газа.
4. Зона газообмена – последние четыре генерации бронхиол (20-23), там непосредственно происходит газообмен между альвеолярным воздухом и кровью. Находится эта зона в легких.
Дыхательные (респираторные) бронхиолы, альвеолярные ходы и альвеолярные мешочки с альвеолами образуют главную структурно-функциональную единицу легкого – ацинус – ацинус, где происходит обмен между воздухом и кровью.
5. Альвеола — ячейка, углубление, пузырёк) — концевая часть дыхательного аппарата в лёгком, имеющая форму пузырька, открытого в просвет альвеолярного хода. Альвеолы участвуют в акте дыхания, осуществляя газообмен с легочными капиллярами Кислород через стенки альвеол и капилляров попадает в кровь, а углекислый газ перемещается в противоположном направлении.
6. В альвеолах обмен газами происходит через несколько легочных мембран (аэрогематический барьер).
Стенки легочных альвеол состоят из однослойного плоского эпителия. Альвеолы оплетены густой сетью легочных капилляров и сетью соединительнотканных волокон, придающих им эластичность. Внутреннюю поверхность альвеол выстилает тонкая пленка фосфолипида - сурфактанта, понижающая поверхностное натяжение и препятствующая слипанию альвеол при выдохе. Стенки альвеол тонкие и влажные, что позволяет газам легко диффундировать согласно закону диффузии. Направление и скорость диффузии определяются парциальным давлением газа или его напряжением.
7. Сурфактант. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), продуцируемы в поверхностный слой жидкости альвеол пневмоцитами II типа
Представляют собой комплекс фосфолипидов, белков и полисахаридов с периодом полувыведения 12-16 ч
ФУНКЦИИ
способны снижать поверхностное натяжение и препятствовать спадению альвеол
способствуют очищению альвеол
способствуют сохранению сухости поверхности альвеол
участвуют в активации противомикробных и противовирусных механизмов защиты легких.
9. Кровь обладает способностью не только растворять, но и химически связывать газы. Насыщаясь в легких кислородом, она транспортирует его к месту потребления - клеткам, а от клеток тела уносит углекислый газ. Таким образом, кровь, находясь в состоянии непрерывной циркуляции, осуществляет транспорт газов. В тканях происходит процесс газообмена между кровью и тканями. Кислород диффундирует из крови к клеткам, а углекислый газ - в обратном направлении. Этот процесс газообмена между клетками и кровью капилляров большого круга называют внутренним, или тканевым, дыханием. Оно осуществляется при участии особых дыхательных ферментов, ускоряющих его. Если их нейтрализовать, например, цианистым калием, то тканевое дыхание прекращается, что ведет к гибели организма. В легких кровь из венозной превращается а артериальную, богатую О2 и бедную СО2. Артериальная кровь направляется к тканям, где в результате непрерывно идущих окислительных процессов потребляется О2 и образуется СО2. В тканях напряжение О2 близко к нулю, а напряжение СО2 около 60 мм рт. ст. Вследствие разности давления СО2 из ткани диффундирует в кровь, а О2 - в ткани. Кровь становится венозной и по венам поступает в легкие, где цикл обмена газов повторяется.
10. Дыхательный аппарат человека. К дыхательному аппарату человека относятся грудная клетка с мышцами, приводящими ее в движение, и легкие с воздухоносными путями. Главными дыхательными мышцами являются диафрагма и межреберные мышцы - внутренние и наружные.
Газообмен между атмосферным воздухом и альвеолярным пространством легких происходит в результате циклических изменений объема легких в течение фаз дыхательного цикла: вдох, выдох, дыхательная пауза.
11. Механизм вдоха и выдоха. Вдох. При сокращении мышечных волокон диафрагмы - уплощается и опускается вниз, при этом грудная полость увеличивается в вертикальном направлении, т. е. сверху вниз. Сокращение наружных межреберных мышц поднимает ребра и отодвигает их в стороны, а грудину - вперед. Грудная клетка при этом расширяется в поперечном и переднезаднем направлениях. Таким образом, объем грудной полости при вдохе увеличивается в трех направлениях. При расширении грудной полости пассивно расширяются легкие за счет атмосферного давления, действующего через воздухоносные пути на внутреннюю поверхность легких. При расширении легких воздух из внешней среды поступает в воздухоносые пути и затем достигает альвеол, давление в полости легких становится ниже атмосферного (на 3 - 4 мм рт. ст.), отрицательное давление в плевральной полости. Разность давления является причиной того, что атмосферный воздух начинает поступать в легкие - происходит вдох. Следовательно, активными в акте вдоха являются дыхательные мышцы, а легкие пассивно следуют за движениями грудной стенки.
Выдох осуществляется в результате расслабления дыхательных мышц. Когда прекращается их сокращение, приподнятая и выведенная из положения равновесия грудная клетка в силу своей тяжести опускается и возвращается в исходное положение. Расслабившаяся диафрагма под давлением брюшных внутренностей поднимается вверх и снова принимает форму купола. Происходит уменьшение объема легких, благодаря своей эластичности. Все вместе взятое приводит к повышению внутрилегочного давления. Начинается ток воздуха из легких наружу - происходит выдох. У человека в состоянии покоя цикл дыхания, состоящий из вдоха и выдоха, повторяется 16 - 20 раз в минуту. Дыхательные движения грудной клетки обеспечивают вентиляцию альвеолярного воздуха и поддерживают постоянным его состав. Увеличение и уменьшение объема легких обусловлены биомеханическими процессами изменения объема грудной полости при вдохе и выдохе.
При глубоком усиленном дыхании сокращаются не только главные дыхательные мышцы, но и вспомогательные: мышцы брюшного пресса, груди и шеи. При сильном сокращении мышцы брюшного пресса давят на органы брюшной полости, при этом диафрагма поднимается вверх и опускаются ребра. Это ведет к мощному активному выдоху, как, например, при кашле, чиханье.
12. Изменение объема грудной полости обеспечивают дыхательные мышцы – все мышцы выполняют дыхательные движения и являются скелетными.
- Инспираторные мышцы – обеспечивают вдох.
- Экспираторные мышцы - осуществляют выдох
1. Инспираторные мышцы.
Диафрагма - при ее сокращении увеличивается вертикальный размер грудной клетки.
Наружные межреберные - сокращаясь, поднимают передние края ребер, увеличивают переднезадний и поперечный размеры грудной клетки.
К вспомогательным инспираторным мышцам относят:
передние грудные, зубчатые, мышцы, разгибающие позвоночник.
Не участвуют в спокойном дыхании. Обеспечивают осуществление глубокого форсированного дыхания.
Экспираторные мышцы.
- внутренние межреберные
Вспомогательные экспираторные мышцы: мышцы брюшного пресса, мышцы, сгибающие позвоночник.
ВЫДОХ при спокойном дыхании происходит ПАССИВНО.
Выдох становиться активным при физической нагрузке, когда повышено сопротивление воздухоносных путей.
10. Существует 3 типа дыхания:
Грудной тип дыхания - в основном за счёт работы межреберных мышц. Размеры грудной клетки увеличиваются в переднезаднем и поперечном направлении. Диафрагма в дыхании не участвует. При спокойном дыхании участвуют лишь межрёберные мышцы 3-4 верхних промежутков. При этом типе дыхания плохо вентилируются нижние отделы легких. Встречается у детей и (иногда) у женщин.
Брюшной тип - за счёт работы диафрагмы. Размер грудной клетки увеличивается в вертикальном направлении. Плохо вентилируются верхушки лёгких. Характерен для мужчин, тренированных людей, певцов.
Смешанный тип - размеры грудной клетки увеличиваются во всех направлениях. При физических и эмоциональных нагрузках
11. Дыхательный центр.
Ритмическая деятельность дыхательной мускулатуры обеспечивается центральной нервной системой. Часть области продолговатого мозга называют дыхательным центром. Следовательно, дыхательный центр является не рефлекторным, а автоматическим.
Автоматическая деятельность дыхательного центра регулируется в бульбарном отделе нервным и гуморальным путем, благодаря чему достигается соответствие легочной вентиляции потребностям организма в кислороде.
Дыхательный центр является двусторонним. Каждая его половина состоит из центра вдоха и выдоха. Импульсы из дыхательного центра идут к двигательным нейронам (мотонейронам) передних рогов спинного мозга, иннервирующие дыхательные мышцы - диафрагму и межреберные мышцы, вызывая сокращение. Ритм дыхания регулируется мостом – пневматическим центром.
Большую роль в регуляции частоты и глубины дыхательных движений играют блуждающие нервы. В стволе блуждающего нерва проходят чувствительные волокна от интерорецепторов, находящихся в легких. Если перерезать блуждающие нервы, то дыхание нарушается: становится глубоким и редким, появляются длительные паузы.
На работу дыхательного центра оказывает влияние кора полушарий большого мозга – условно-рефлекторная регуляция дыхания.
Рефлекторные изменения дыхания возникают при раздражении любых рецепторов. Болевые раздражения усиливают и углубляют дыхание, холодовые вызывают временную остановку, что наблюдается, например, при погружении в холодную воду.
К механизмам возбуждения дыхательного центра относят гуморальный, нейро-гуморальный и рефлекторный процессы.
Особое значение в регуляции дыхания имеют рефлексы хеморецепторов, чувствительных к изменению напряжения в крови СО2 и О2. Они находятся в области дуги аорты, в месте разветвления (бифуркации) сонных артерий и в продолговатом мозге. С этих рецепторов возникают рефлексы, регулирующие дыхание при изменении газового состава крови.
1. Повышение напряжения СО2 в крови приводят к углублению дыхания, понижение напряжения О2 - к учащению его. Вентиляция легких при этом увеличивается.
2. Если путем усиленного дыхания произвести гипервентиляцию легких и таким образом снизить в крови напряжение СО2 и несколько повысить напряжение О2, то наступит временная остановка дыхания. Этим приемом пользуются ныряльщики. Перед погружением в воду они делают искусственную гипервентиляцию легких.
Во время мышечной работы, когда усиливается обмен веществ и увеличивается образование СО2, напряжение СО2 в крови повышается и приводит вентиляцию легких в соответствие с возрастающей потребностью организма в кислороде. Напряжение СО2 в крови является главным регулятором деятельности дыхательного центра.
Механизм первого вдоха. У родившегося ребенка после перевязки пуповины прекращается газообмен через пупочные сосуды, контактирующие в плаценте с кровью матери. В крови новорожденного происходит накопление СО2, который возбуждает его дыхательный центр и вызывает первый вдох.
12. Транспорт газов кровью.
Человек в состоянии покоя в 1 мин потребляет в среднем 250 мл О2 и выделяет при этом 200 мл СО2. Газы очень слабо растворяются в жидкости.
В эритроцитах крови имеется вещество - гемоглобин (Нb), которое способно химически связывать О2 и СО2 и, кроме того, поддерживать постоянную реакцию крови. Как сказано выше, очень небольшая часть газов находится в состоянии простого физического растворения. Основное количество газов образует в крови непрочное химическое соединение, которое легко диссоциирует при понижении давления газа над жидкостью.
1.Кислород в крови находится в двух состояниях: физически-растворенном (3 мл кислорода в 1 л крови) и связанном с гемоглобином (197 мл кислорода в 1 л крови). Кислородная емкость легких – количество кислорода, которое связывается с кровью до полного насыщения гемоглобина (200 мл кислорода в 1 л крови). В эритроцитах находится пигмент крови - гемоглобин, содержащий железо. Одна молекула гемоглобина присоединяет четыре молекулы О2, при этом гемоглобин превращается в оксигемоглобин (НbО2), а кровь из вишневой - венозной - становится ярко-алой – артериальной. Эта реакция обратима. В легких гемоглобин насыщается кислородом и превращается в НbО2, в тканях кислород освобождается. Ход реакции зависит от напряжения кислорода в среде, окружающей капилляры. На ход реакции влияет напряжение СО2. Если в тканях увеличивается образование СО2, то ускоряется расщепление оксигемоглобина. В капиллярах легких снижается напряжение СО2, так как газ переходит в альвеолы. Это способствует превращению гемоглобина в НbО2. Особое значение имеет его способность химически связывать окись углерода, или угарный газ,- СО, продукт неполного сгорания угля или жидкого топлива. С ним гемоглобин образует соединение, в 150 - 300 раз более прочное, чем с О2. Оно способно диссоциировать, но крайне медленно. В результате даже при ничтожном содержании СО в воздухе гемоглобин соединяется не с О2, а с СО и превращается в карбоксигемоглобин (НbСО), при этом транспорт О2 к клеткам прекращается. Если своевременно не принять меры (вынести человека на свежий воздух, в тяжелом случае переливание крови), то человек погибнет.
2. Транспорт углекислого газа кровью. В физически-связанном состоянии углекислый газ составляет 27 мл в 1 л крови. Кроме газ может связываться с гемоглобином. Так, образовавшийся в тканях СО2 вследствие разности напряжения диффундирует в плазму крови, а из нее - в эритроциты. В эритроцитах примерно 10% СО2 соединяется с гемоглобином и образует непрочное химическое соединение - карбгемоглобин. Остальная часть соединяется с водой и превращается в угольную кислоту:
СО2 + Н2О = Н2СО3.
Образования карбгемоглобина ускоряется в 20 000 раз особым ферментом - карбоангидразой, находящимся в эритроцитах. Реакция обратимая. В тканевых капиллярах, где напряжение СО2 высокое, карбоангидраза способствует синтезу угольной кислоты, химическому связыванию СО2.
Угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с ионами натрия и калия и образует бикарбонаты (NaHCO3, КНСО3).
В легочных капиллярах, где давление СО2 сравнительно низкое, реакция идет справа налево, образуются вода и СО2, которая диффундирует в альвеолярный воздух. Таким образом, СО2 транспортируется к легким в физически растворенном виде и в непрочном химическом соединении, в виде карбогемоглобина, угольной кислоты и бикарбонатов натрия и калия. Две трети его находится в плазме и треть - в эритроцитах.
13. Показатели, характеризующие внешнее дыхание. Существуют статистические и динамические (функциональные) показатели.
1.Статистические показатели.
Человек в состоянии покоя вдыхает и выдыхает около 500 мл воздуха. Этот объем воздуха называется дыхательным объемом.
- Дыхательный объем (ДО) – количество воздуха, поступающего в легкие за один спокойный вдох или выдыхаемого за один выдох.
Если после спокойного вдоха сделать усиленный дополнительный вдох, то в легкие может поступить еще больше воздуха. Этот объем называют резервным объемом вдоха.
- Резервный объем вдоха (РОвд) – максимальное количество воздуха, которое человек может вдохнуть дополнительно после нормального вдоха (Ровд – 2000-2500 мл).
После спокойного выдоха можно при максимальном напряжении дыхательных мышц выдохнуть еще больше воздуха. Этот объем носит название резервного объема выдоха.
- Резервный объем выдоха (РОвыд) - максимальное количество воздуха, которое человек может выдохнуть дополнительно после нормального выдоха (РОвыд – 1500).
- Остаточный объем (ОО) – воздух оставшийся в легких после максимально глубокого выдоха (ОО – 1000-1200 мл). В легочной ткани всегда остается воздух.
В сумме дыхательный объем воздуха, резервный объем вдоха и резервный объем выдоха составляют жизненную емкость легких (ЖЕЛ).
- Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – наибольшее количество воздуха, которое человек может выдохнуть после максимально глубокого вдоха
ЖЕЛ = ДО + РОвд + РОвыд
Нормальная ЖЕЛ составляет в среднем у женщин 2700 мл, а у мужчин 3500 мл. При физической тренировке ЖЕЛ увеличивается и может достигать 7500 мл.
- Общая емкость легких (ОЕЛ) – количество воздуха, содержащегося в легких на высоте максимального вдоха.
ОЕЛ = ЖЕЛ + ОО
- Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) – количество воздуха, которое остается в легких в конце спокойного выдоха
ФОЕ = РОвыд + ОО
2.Функциональные показатели
- Частота́ дыхательных движений — число дыхательных движений (циклов вдох-выдох) за единицу времени (обычно минуту). Здоровый взрослый человек в состоянии физиологического покоя совершает в среднем от 16 до 20 дыхательных движений в минуту, новорожденный — 40—45 дыхательных движений, частота которых постепенно снижается с возрастом. Во сне дыхание урежается до 12—14 в минуту, а при физической нагрузке, эмоциональном возбуждении или после обильного приёма пищи — закономерно учащается.
- Минутный объем дыхания (МОД) – количество воздуха, поступающего в легкие за минуту
МОД = ДО х ЧДД
В норме, в покое ДО равен 500 мл, частота дыхательных циклов – 12 – 16 в минуту, отсюда МОД равен 6 - 7 л/мин.
- Альвеолярная минутная вентиляция (АВ) характеризует вентиляцию альвеол
АВ = (ДО – МП) х ЧДД, МП - объем мертвого пространства. Как известно, часть дыхательного объема не участвует в газообмене, заполняя анатомически мертвое пространство дыхательных путей – примерно 140 – 150 мл.
Попробуем рассчитать альвеолярную вентиляцию, используя данные, приведенные на рисунке 6, и приняв объем мертвого пространства за 150 мл. МАВ = (500 - 150) * 15 = 5250 мл/минуту.