Система дихання Механізми легеневої вентиляції

Тварині клітини, як правило, отримують енергію в результаті окисного розпаду поживних речовин. Тому до них постійно має надходити кисень. У той самий час нормальна життєдіяльність клітин можлива лише при видаленні кінцевого продукту метаболізму – вуглекислого газу. Обмін газами між клітинами і зовнішнім середовищем називається диханням.

Фізіологічна система дихання (ФСД) - це система, яка забезпечує постачання в організм О₂ і видалення з нього СО₂.

Етапи дихання :

1 етап: Вентиляція легень (легенева вентиляція) - це обмін повітрям між зовнішнім середовищем і альвеолами.

2 етап: Дифузія газів через альвеоло-капілярну мембрану - це обмін газів між альвеолярним повітрям і кров'ю легеневих капілярів.

Ці 2 етапи називають зовнішнім диханням - це обмін газів між зовнішнім середовищем і внутрішнім середовищем організма

3 етап: Транспорт газів кров'ю - О₂ транспортується від легенів до тканин, СО₂ із тканин до легенів.

4 етап: Дифузія газів через гемато-паренхіматозні бар'єри - це обмін газів між кров'ю і тканинами.

5 етап: Внутрішнє дихання (тканинне, клітинне) - процеси синтезу АТФ з використанням О₂ і утворенням СО₂.

Традиційно склалося так, що перші чотири етапи вивчає фізіологія, а 5 етап – клітинне дихання – біохімія.

Гази транспортуються в організмі двома шляхами:

1. Конвекція;

2. Дифузія.

Конвекція слугує для переносу газів на великі відстані використовується в 1 і 3 етапах дихання. Її рушійна сила - градієнт тиску газів. Процес відбувається з затратою енергії.

Дифузія слугує для переносу газів на невеликі відстані (менше 0,1 мм), використовуються в 2 і 4 етапах дихання. Рушійна сила - градієнт концентрації газів. Процес відбувається без використання енергії.

Будова ФСД:

1. Виконавчі органи:

• грудна клітка;

• дихальні м'язи;

• плевральна порожнина;

• легені;

• повітроносні шляхи.

2. Апарат регуляції.

• саморегуляція;

• нервова регуляція;

• гуморальна регуляція.

Функції ФСД:

1. Дихальні функції:

1. Забезпечення газового гомеостазу організму. За рахунок газообміну між кров'ю і зовнішнім середовищем в організм потрапляє О₂ і видаляється СО₂.

2. Підтримка кислотно-основної рівноваги. СО₂ взаємодіє з Н₂О і утворює Н₂СО₃ (вугільну кислоту) яка є компонентом бікарбонатного буфера.

3. Підтримка температурного гомеостазу. При випаровуванні води з поверхні слизової дихальних шляхів посилюються процеси тепловіддачі.

2. Недихальні функції:

1. Метаболічна функція. ФСД бере участь в утворенні і руйнуванні біологічно-активних речовин. Наприклад, саме у легенях ангіотензин І перетворюється на ангіотензин ІІ, тому що активність ангіотензин перетворюючого фермента тут найвища.

2. Захисна функція. Слизова дихальних шляхів виконує роль бар'єра між зовнішнім і внутрішнім середовищем.

3. Участь в утворенні звуків (фонації).

Функціональна характеристика структурних елементів фсд

1. Грудна клітка.

Роль грудної клітки:

1. утворює грудну порожнину, яка містить легені, і захищає їх від ушкодження.

2. за рахунок рухливості грудна клітка дозволяє змінювати об'єм грудної порожнини (при збільшенні об'єму грудної клітки відбувається вдих, при зменшенні - видих).

Існує 2 механізми зміни об'єму грудної порожнини.

1. За рахунок піднімання і опускання діафрагми. При цьому змінюється вертикальний розмір грудної порожнини.

• при опусканні діафрагми об'єм грудної порожнини збільшується і відбувається вдих.

• при підніманні діафрагми об'єм грудної порожнини зменшується і відбувається видих.

2. За рахунок піднімання і опускання ребер. При цьому змінюється бічний і переднє-задній розміри грудної порожнини.

• при підніманні ребер об'єм грудної порожнини збільшується і відбувається вдих.

• при опусканні ребер об'єм грудної порожнини зменшується і відбувається видих.

Існує 2 типи дихання:

1. Грудний (реберний) тип - дихання при якому об'єм грудної порожнини змінюється за рахунок зміни положення ребер внаслідок скорочення міжреберних м'язів. Притаманний жінкам.

2. Черевний (діафрагмальний) тип - дихання при якому об'єм грудної порожнини змінюється за рахунок скорочення діафрагми. Притаманний чоловікам.

Іноді зустрічається 3 тип дихання - змішаний. Це дихання при якому об'єм грудної порожнини в рівній мірі змінюється як за рахунок діафрагми, так і за рахунок міжреберних м'язів і черевної стінки. У фізіологічних умовах цей тип дихання іноді зустрічається у людей похилого віку. Частіше такий тип дихання можна спостерігати за умов патології. Наприклад, при патології дихального апарату (сухі плеврити, міозити); при патології органів черевної порожнини (гострий холецистит, виразка шлунка).

2. Дихальні м'язи.

Роль дихальних м'язів - забезпечують активні зміни об'єма грудної порожнини.

Розрізняють 2 групи дихальних м'язів.

1. М'язи вдиху (інспіраторні) - м'язи, при скороченні яких об'єм грудної клітки збільшується і відбувається вдих.

Інспіраторні м'язи бувають:

1. Основні : - діафрагма (phrenicum); У спокої 80% інспірації здійснюється саме діафрагмою.

- зовнішні міжреберні;

- внутрішні міжхрящеві;

2. Додаткові: (одним кінцем кріпляться до грудної клітки, другим до інших кісток - хребта, черепа, плечового поясу):

- великий і малий грудний м’яз;

- ступінчатий м’яз;

- грудинноключичнососцевидний м’яз;

- трапецевидний м’яз;

- ромбовидний м'яз;

- м'яз, піднімаючий лопатку.

2. М'язи видиху (експіраторні) - м'язи, при скороченні яких об'єм грудної клітки зменшується і відбувається видих.

Експіраторні м'язи бувають:

1. Основні: - внутрішні міжреберні;

2. Додаткові: - м'язи живота (при їх скороченні зростає внутрішньочеревний тиск, що сприяє підняттю діафрагми і видиху).

2. Плевральна порожнина:

Грудна клітка із середини вкрита парієнтальним листком плеври, а легені зовні вкрити її вісцеральним листком. Між ними є щілина, заповнена рідиною – плевральна порожнина. Її розмір 5-10 мкм.

Роль плевральної порожнини: через плевральну порожнину на легені передаються дихальні рухи від грудної клітки. За рахунок герметичності плевральної порожнини між поверхнею легенів і внутрішньою стінкою грудної клітки існує щільний контакт. Тому коли об'єм грудної порожнини збільшується, легені рухаються за грудною кліткою і їх об'єм також зростає.

Тиск у плевральній порожнині менший за атмосферний (Ратм. = 760 мм нд, Рвн-плев. = 756).

Р_плевр = Р_{вн-плев.} - Р_атм.

Плевральний тиск - це різниця між внутрішньоплевральним тиском і атмосферним.

Плевральний тиск залежить від фази дихання:

на вдосі = -6-8 см Н₂О (при глибокому вдосі до – 12 мм Н₂О).

на видосі = -3-5 см Н₂О.

Негативний плевральний тиск забезпечує розправлений стан альвеол, протидіючи еластичній тязі, яка сприяє їх спаданню.

Якщо в результаті ушкодження грудної клітки або легенів, в плевральну порожнину надходить повітря, герметичність плевральної порожнини втрачається, легені спадаються під дією еластичних сил та сил поверхневого натягу. Вони не прилягають до грудної клітки і не взмозі прямувати за рухами грудної клітки. Дихання унеможливлюється.

Такий стан - надходження повітря у плевральну порожнину - називається пневмотораксом.

Пневмоторакс буває: - закритим (у плевральну порожнину потропляє невелика кількість повітря, легені частково спадаються, але вентиляція продовжується);

- відкритим (при ушкодженні грудної клітки внаслідок поранення чи операції тиск у плевральній порожнині дорівнює атмосферному, легені спадаються, не вентилюються);

- односторонній;

- двосторонній.

При односторонньому пневмотораксі легені з неушкодженого боку здатні забезпечувати насичення крові киснем у спокійному стані, але не при фізичному навантаженні.

Односторонній пневмоторакс застосовують з лікувальною метою (наприклад, при туберкульозі).

Двосторонній відкритий пневмоторакс без екстреної допомоги призводить до смерті.

4. Легені.

Роль легенів: у них відбувається легенева вентиляція (обмін між зовнішнім середовищем і альвеолярним повітрям) та обмін між альвеолярним повітрям і кров'ю легеневих капілярів.

Легені мають здатність змінювати свій об'єм. Об'єм легенів залежить від дії двох факторів:

1. Транспульмональний тиск - різниця тисків через стінку альвеол. Ртранс. збільшує об'єм легенів.

Ртр. = Ра - Рпл.

Ра - альвеолярний тиск (різниця тисків в альвеолах і атмосфері);

Рпл - плевральний тиск (різниця між внутрішньоплевральним тиском і атмосферним).

2. Еластична тяга легенів. Сприяє спадінню альвеол, не дає їм розірватись на вдосі. Еластична тяга змінюється від 0 до 30 мм рт.ст. На висоті вдиху ЕТ зростає до 30 мм рт.ст., під час видоху зменшується і у паузу дорівнює 0. Складається з 2-ох компонентів:

1. Еластичні властивості легеневої тканини (складає еластичної тяги).

2. Сили поверхневого натягу рідини, яка вкриває внутрішню поверхню альвеол (складає ).

Сила поверхневого натягу - це сила міжмолекулярного зчеплення, яка діє на поверхні розділу фаз газ-рідина. ця сила намагається зменшити площу поверхні. У здорової людини сила поверхневого натягу в альвеолі у 10 разів менша, ніж теоретично розрахована. Це пов'язано з тим, що в альвеолах знаходяться речовини, які зменшують поверхневий натяг. Ці речовини називаються сурфактантами.

Сурфактанти - це поверхнево активні речовини. які синтезуються пневмоцитами ІІ порядку. До складу сурфактанту входять:

1. Дипальметилфосфотидилхолін (ДПФХ);

2. Білкові компоненти;

3. Іони Са²⁺

4. Н₂О.

ДПФХ - фосфоліпід, молекула якого з одного боку гідрофобна, а з іншого – гідрофільна. Тому молекули ДПФЛ розташовуються тонким шаром між ліпідами мембран епітелія легень і шаром води, який знаходиться на ньому.

Гідрофобними головками ДПФХ орієнтований до поверхні альвеоли, гідрофільними хвостами – до альвеолярного повітря.

Здатність сурфактанта зменшувати силу поверхневого натягу називається питомою активністю сурфактанта.

Питома активність сурфактанта залежить від товщини його шару на поверхні альвеоли: чим більша товщина, тим більша активність. Під час вдиху альвеоли розтягуються, товщина шару сурфактанта зменшується (він розташований в 1-2 шари), його питома активність зменшується, сили поверхневого натягу зростають. Це запобігає перерозтягуванню альвеол. Під час видоху, об’єм альвеол зменшується, товщина шару сурфактанту зростає (він розташований у 3-5шарів) його питома активність зростає, сили поверхневого натягу зменшуються. Це запобігає спадінню альвеол.

Значення сурфактанту:

1. Під час вдоху сурфактант забезпечує розправлення альвеол (завдяки йому треба докласти меншу силу, щоб їх розправити) і запобігає їх розриву.

2. Під час видиху запобігає спадінню альвеол, зменшуючи сили поверхневого натягу.

3. Сприяє очищенню альвеол. Сурфактант постійно рухається у напрямку до виходу з альвеол. Разом з ним з поверхні альвеол видаляються частки пилу і зруйнований епітелій.

4. Сприяє збереженню сухої поверхні альвеол, що на 50% зменшує випаровування води через легені.

5. Захисна. 10% маси сурфактанта складають білки, які активують протимікробні і противірусні механізми легенів, посилюють фагоцитарну активність легеневих макрофагів.