2 курс / Нормальная физиология / Нормальная_физиология_Дегтярева_В_П_,_Будылиной_С_М

тура. Чем активнее работает орган, тем интенсивнее в нем протекают метаболические процессы, тем быстрее потребляется 02 и падает его напряжение в тканях, быстрее накапливается С02, закисляется среда и повышается температура ткани — все это ускоряет диссоциацию оксигемоглобина. Все перечисленные факторы ведут к конформационным изменениям белковой части молекулы гемоглобина, в результате чего гемоглобин отдает 02 . Влияние РС02 на связь гемоглобина с 02 открыл отечественный ученый Б.Ф. Вериго в 1898 г. (эффект Вериго). Влияние рН на диссоциацию оксигемоглобина открыл датский физиолог Ч. Бор в 1904 г. (эффект Бора).

Диссоциации оксигемоглобина также способствует 2,3-ди- фосфоглицерат — промежуточный продукт, образующийся в эритроцитах при расщеплении глюкозы, особенно при гипоксии. Диссоциацию оксигемоглобина ускоряет АТФ.

При повышении РС02 и температуры, при снижении рН в тканях сродство гемоглобина к 02 понижается, процесс идет в сторону диссоциации оксигемоглобина, при этом график образования — диссоциации оксигемоглобина смещается вправо (см. рис. 9.4).

При снижении РС02, понижении температуры и сдвиге рН в щелочную сторону сродство гемоглобина к 02 повышается, процесс идет в сторону образования оксигемоглобина, график образования — диссоциации оксигемоглобина смещается влево.

Транспорт углекислого газа. В артериальной крови содержится С02 50—52 об.%, а в венозной —55—58 об.%. В растворенном состоянии транспортируется всего 2,5—3 об.% С02, в соединении с гемоглобином (карбгемоглобин) — 4—5 об.%, большая часть в виде солей угольной кислоты — 48—51 об.%. На рис. 9.5 представлены механизмы транспорта газов, в том числе С02, кровью.

С02 образуется в клетках тканей в результате окислительных процессов. Его напряжение в тканях достигает порядка 60 мм рт. ст., в межклеточной жидкости — 46 мм рт. ст., а в поступающей к тканям артериальной крови — 40 мм рт. ст., поэтому С02 по градиенту напряжения из клеток поступает в межклеточную жидкость и через стенку капилляров в плазму крови, а затем в эритроциты.

С02 связывается с гемоглобином эритроцитов и образует карбгемоглобин (ННЬС02) путем непосредственного присоединения к аминогруппам белкового компонента гемоглобина. При этом образуется так называемая карбаминовая связь:

ННЬ + С02 = ННЬС02 (Hb-NH-COOH-карбгемоглобин, точнее карбаминогемоглобин).

Карбгемоглобин легко образуется при прохождении крови по капиллярам тканей и легко диссоциирует, когда кровь проходит по капиллярам легких.

376

Рис. 9.5. Перенос газов кровью и газообмен в легких и тканях. Объяснение в тексте.

Небольшое количество С02 (1—2 %) переносится белками плазмы крови также в виде карбаминовых соединений.

Соединяясь с водой, С02 образует слабую угольную кислоту (Н2 0 + С02 = Н2С03). В плазме эта реакция идет медленно, а в эритроцитах под влиянием фермента карбоангидразы она ускоряется в 15 ООО раз. Угольная кислота сразу же диссоциирует на ионы Н+ и НСО3 • Значительная часть ионов НСО3 выходит обратно в плазму.

377

Гемоглобин и белки плазмы, являясь слабыми кислотами, образуют соли с щелочными металлами: в плазме с натрием, в эритроцитах с калием. Эти соли находятся в диссоциированном состоянии. Так как угольная кислота обладает более сильными кислотными свойствами, чем белки крови, то при ее взаимодействии с солями белков белок-анион связывается с катионом Н+, образуя при этом недиссоциированную молекулу, а ион НС03 образует с соответствующим катионом бикарбонат — в плазме бикарбонат натрия, а в эритроцитах бикарбонат калия. Эритроциты называют фабрикой бикарбонатов.

Оксигемоглобин, соединенный с ионом калия (КНЬ02), в тканях легко отдает 02 ; при этом он теряет ионы калия, которые связываются с бикарбонат-ионами, образуя бикарбонат калия. Гемоглобин принимает от угольной кислоты ионы водорода, превращаясь в гемоглобиновую кислоту (ННЬ):

КНЬ02 + Н2СОз = ННЬ + КНСОз + 02 .

Основная масса HCOJ , образующихся в эритроцитах, выходит в плазму, соединяется там с ионами натрия, образуя NaHC03. Выход НСО3 из эритроцитов компенсируется поступлением туда ионов хлора, диффундирующих из плазмы. Ион НСО3 из эритроцита выходит по концентрационному градиенту, а ион хлора входит в эритроцит по электрическому градиенту. Ионы хлора соединяются с освобождающимися при диссоциации КНСО:, ионами калия, образуя КО.

В легких в первую очередь начинается выход в альвеолы из плазмы крови физически растворенного С02 по градиенту парциального давления: РС02 в венозной крови 46 мм рт. ст., а в альвеолах — 40 мм рт. ст.

Весь С02, связанный с гемоглобином, также покидает организм с выдыхаемым воздухом в результате газообмена в легких. Из других химических соединений С02 освобождается в легких лишь частично. Бикарбонат натрия диссоциирует в плазме крови на НСО , и Na+. Бикарбонат-ион поступает в эритроцит и соединяется с ионом Н+, образуя Н2С03, которая в свою очередь распадается на С02 и Н20. С02 удаляется легкими, а вода — почками. КС1 в эритроцитах диссоциирует, и ион С1- поступает в плазму, где соединяется с Na+, образуя NaCl.

9.4. Регуляция дыхания

Реализация различных видов приспособительной деятельности осуществляется с обязательным участием процессов дыхания. Регуляторные механизмы обеспечивают изменения внешнего дыхания в соответствии с метаболическими потребностями организма. Изменения дыхания происходят при

378

Активность диафрагмального нерва

I11116

Рис. 9.6. Типы дыхательных нейронов продолговатого мозга.

Инспираторные нейроны: 1 — ранние; 2 — поздние; 3 — полные; 4 — постинспираторные; 5 — экспираторные; 6 — преинспираторные.

осуществлении рефлекторных актов глотания, кашля, чиханья. Выраженные перестройки дыхания создают возможность осуществления человеком коммуникативной функции — формирования речи, пения.

Координированные сокращения дыхательных мышц обеспечиваются ритмической активностью нейронов дыхательного центра. К дыхательным нейронам относят нервные клетки, импульсная активность которых меняется в соответствии с фазами дыхательного цикла (рис. 9.6). Различают инспираторные нейроны (разряжаются в фазу вдоха), экспираторные (активны во время выдоха) и целый ряд нейронных популяций, активность которых занимает часть определенной фазы дыхательного цикла (ранние, поздние) или включается в моменты перехода инспираторной фазы в экспираторную либо экспираторной в инспираторную.

В 1885 г. А.Н. Миславский установил, что отделение продолговатого мозга от спинного или разрушение медиальной части продолговатого мозга приводит к полной остановке дыхания. Следовательно, именно в продолговатом мозге находится основной центр, ответственный за процессы вдоха и выдоха. Дыхательные нейроны обнаружены практически на всем протяжении продолговатого мозга, однако имеются отдельные участки их скопления. Обнаружены дорсальная и вентральная дыхательные группы нейронов (или ядра). Дорсальная группа на 90 % состоит из инспираторных нейронов, поэтому условно эту группу называют центром вдоха. Аксоны инспираторных нейронов образуют синапсы с мотонейронами спинного мозга, а аксоны мотонейронов в свою очередь составляют диафрагмальный, наружные межреберные и межхрящевые нервы, иннервирующие соответствую-

379

щие инспираторные дыхательные мышцы. Мотонейроны диафрагмального нерва находятся в III—V шейных сегментах спинного мозга, мотонейроны межреберных нервов — в IV—X грудных сегментах спинного мозга. Сокращение инспираторных дыхательных мышц увеличивает объем грудной клетки (диафрагма опускается, ребра поднимаются), легкие растягиваются, воздух поступает в альвеолы, растягивая их, происходит вдох.

В вентральной группе находятся инспираторные и экспираторные нейроны, однако больше экспираторных, поэтому эту группу условно называют центром выдоха. Большинство экспираторных нейронов является антиинспираторными (тормозят активность инспираторных нейронов), но некоторые из них посылают команды к экспираторным мышцам (внутренним межреберным и мышцам живота) для осуществления форсированного выдоха. Эти экспираторные нейроны связаны с мотонейронами внутренних межреберных и брюшных мышц, расположенными в грудных и поясничных сегментах спинного мозга (от IV грудного до III поясничного).

Установлено, что большинство инспираторных нейронов продолговатого мозга обладает свойством автоматизма, способностью к самопроизвольной непрерывной импульсной активности, что впервые наблюдал И.М. Сеченов (1863). Причины автоматизма дыхательных нейронов до сих пор остаются до конца не изученными, однако можно предположить, что одним из важных факторов является накопление в процессе метаболизма нервных клеток в межклеточной жидкости продолговатого мозга С02 и ионов Н+ и возбуждение ими центральных хеморецепторов, которые располагаются здесь же, в продолговатом мозге. Автоматизм дыхательного центра отличается от автоматизма, свойственного, например, узлам проводящей системы сердца, возбуждение которых происходит в силу их внутренних свойств. Дыхательные нейроны функционируют нормально лишь при двух условиях: 1) при сохранности связей между их различными группами (хотя пока не установлено, какие именно нейроны являются водителями ритма, пейсмекерами); 2) при наличии афферентной стимуляции, особенно от хеморецепторов. Автоматизм инспираторных нейронов продолговатого мозга изменяется в результате реципрокных отношений между разными нейронами дыхательного центра. Например, инспираторные нейроны активируют экспираторные, а те в свою очередь тормозят их активность. Кроме того, на автоматизм инспираторных нейронов продолговатого мозга влияют нервные и гуморальные факторы. К ним поступает информация от хеморецепторов об изменении газового состава различных сред организма, от механорецепторов легких, от вышележащих отделов ЦНС. Все это приводит к тому, что непрерывная спонтанная им-

380

пульсная активность инспираторных нейронов продолговатого мозга преобразуется в периодическую фазную активность.

В продолговатом мозге выявлены следующие основные типы дыхательных нейронов в зависимости от того, в какую фазу дыхательного цикла они разряжаются:

•ранние инспираторные нейроны — дают залповый разряд с максимальной частотой в начале вдоха;

•поздние инспираторные нейроны — разряжаются в конце вдоха;

•полные инспираторные нейроны — постоянно разряжаются при протяжении всего вдоха;

•инспираторно-экспираторные (постинспираторные) нейроны — начинают возбуждаться в конце фазы вдоха и заканчиваются в начале выдоха;

•экспираторно-инспираторные (преинспираторные) — начинают возбуждаться в конце фазы выдоха и заканчиваются в начале вдоха;

•экспираторные с постоянной или постепенно нарастающей активностью во время выдоха.

Всредней и каудальной (нижняя треть) частях варолиева моста обнаружена группа клеток (апнейстический центр), получающих возбуждение от инспираторных нейронов и тормозящих активность экспираторных нейронов, что способствует смене выдоха на вдох. Если в эксперименте на животном разрушить апнейстический центр, то возникает гаспинг — на фоне длительного выдоха редкие судорожные вдохи.

Вростральной (верхняя треть) части варолиева моста расположен пневмотакеический центр, который способствует смене вдоха на выдох. При разрушении этого центра и одновременной перерезке афферентных волокон вагуса возникает апнейзис — на фоне длительного вдоха короткие выдохи.

Врегуляции дыхания принимает участие также средний мозг, изменяя тонус дыхательной мускулатуры. Гипоталамус участвует в регуляции частоты и глубины дыхания при физической деятельности, изменениях температуры, при боли. Лимбико-ретикулярный комплекс изменяет дыхание при различных эмоциях. Кора большого мозга обеспечивает произвольное изменение дыхания, тонкое адекватное приспособление дыхания к меняющимся условиям существования организма.

Под дыхательным центром в узком смысле слова понимают совокупность нейронов продолговатого мозга, без существования которых дыхание вообще невозможно. Под дыхательным центром в широком смысле слова понимают совокупность нервных структур, расположенных на различных уровнях ЦНС, которые так или иначе участвуют в регуляции дыхания, в его приспособлении к изменяющимся условиям

381

существования организма. Нервные клетки дыхательного центра в широком смысле слова объединены в распределенные иерархические сети. Активность нейронов дыхательного центра в свою очередь управляется стимулами, исходящими от хеморецепторов и механорецепторов дыхательной системы.

Работу дыхательного центра схематично можно представить следующим образом. Вдох начинается с возбуждения преинспираторных нейронов дорсального ядра, активацию которых вызывают импульсы от центральных и периферических хеморецепторов, контролирующих содержание 02 , С02 и Н+ в крови и тканях мозга. Далее последовательно возбуждаются ранние, полные и поздние инспираторные нейроны, которые по нисходящим путям посылают импульсы к мотонейронам, иннервирующим диафрагму. В результате диафрагма уплощается. Одновременно от инспираторных нейронов дорсального ядра возбуждение идет к инспираторным нейронам вентрального ядра, которые посылают импульсы к мотонейронам, иннервирующим межреберные мышцы. Эти мышцы сокращаются, ребра поднимаются, грудная клетка увеличивается в объеме, происходит вдох. Чем сильнее импульсация от хеморецепторов, тем круче нарастает инспираторная активность и быстрее развивается вдох.

Полному расслаблению инспираторных мышц и выдоху предшествует плавное снижение их активности, обусловленное включением особой группы нейронов, которые оказывают тормозящее влияние на инспираторную активность постинспираторных нейронов. Активация поздних инспираторных нейронов приводит к возбуждению постинспираторных нейронов, затормаживающих активность инспираторного центра. В результате от инспираторных нейронов прекращается поток импульсов к альфа-мотонейронам, альфа-мото- нейроны перестают посылать импульсы к дыхательным мышцам, мышцы расслабляются, что сопровождается прекращением вдоха и началом выдоха. Завершают выдох экспираторные нейроны. Их активация происходит под влиянием инспираторных нейронов, а также благодаря афферентации от рецепторов растяжения легких и от нейронов пневмотаксического центра. Экспираторные нейроны оказывают окончательное тормозное влияние на инспираторные нейроны, завершая выдох. Далее вновь развивается возбуждение преинспираторных нейронов, которое стимулирует активность ранних инспираторных и тормозит активность экспираторных нейронов.

Основным регулятором ритмогенеза и активности дыхательного центра являются афферентные сигналы о газовом составе внутренней среды организма от центральных и периферических хеморецепторов.

382

Центральные хеморецепторы располагаются в ростральных отделах вентральной дыхательной группы в структурах голубого пятна и ядрах шва продолговатого мозга. Они высокочувствительны к изменению рС02 и рН в тканях мозга. При накоплении С02 и снижении рН дыхание углубляется и учащается, МОД повышается.

Периферические хеморецепторы располагаются в сосудах различных органов, их скопления находятся в дуге аорты и в каротидном синусе. Они высокочувствительны к низкому напряжению 02 в крови и в гораздо меньшей степени — к высокому напряжению С02 в крови, а также повышению концентрации водородных ионов. От периферических хеморецепторных зон возбуждение направляется в дыхательный центр по синусным нервам и афферентным волокнам блуждающего нерва. От периферических и центральных хеморецепторов в дыхательный центр одновременно поступает информация о дыхательных показателях различных гуморальных сред — крови, лимфы, спинномозговой жидкости, межклеточной жидкости дыхательного центра.

Содержание 02 , особенно С02 , в организме поддерживается на относительно постоянном уровне. Нормальное содержание 02 в организме и тканях называется нормоксией, недостаток — гипоксией, а недостаток кислорода в крови — гипоксемией. Увеличение напряжения 02 в крови называется гипероксией.

Нормальное содержание С02 в крови называется нормокапнией, повышение содержания — гиперкапнией, а снижение —

гипокапнией.

Нормальное дыхание в состоянии покоя называется эйпноэ. Гиперкапния, а также снижение величины рН крови (ацидоз) сопровождаются увеличением вентиляции легких — гиперпноэ, что приводит к выделению из организма избытка С02. Увеличение вентиляции легких происходит за счет увеличения глубины и частоты дыхания.

Гипокапния и повышение уровня рН крови приводят к уменьшению вентиляции легких, а затем и к остановке дыхания — апноэ.

При нормальном содержании 02 в артериальной крови в афферентных нервных волокнах, отходящих, например, от каротидных телец, регистрируются редкие импульсы. При снижении напряжения 02 частота импульсации значительно возрастает. Кроме того, афферентные влияния с каротидных телец усиливаются при повышении в артериальной крови напряжения С02 и концентрации водородных ионов. Хеморецепторы, особенно каротидных телец, информируют дыхательный центр о напряжении 02 и С02 в крови, которая направляется к мозгу. Афферентные пути от каротидного синуса идут через синусную ветвь (языкоглоточного нерва) и

383

достигают дорсальной дыхательной группы нейронов продолговатого мозга.

Главным стимулом, управляющим дыханием, служит гиперкапния: чем выше напряжение С02 в артериальной крови и внеклеточной жидкости мозга, тем сильнее возбуждение бульбарных хемочувствительных структур и артериальных хеморецепторов и тем выше вентиляция. Меньшее значение в регуляции дыхания имеет гипоксический стимул. Особенно сильным стимулом для центрального дыхательного механизма является сочетание гиперкапнии с гипоксемией (и связанным с ней ацидозом).

Смене вдоха на выдох способствуют сигналы, поступающие от механорецепторов растяжения легких по афферентным волокнам блуждающих нервов (рефлекс Геринга—Брей- ера). Механорецепторы растяжения легких участвуют в регуляции глубины вдоха и его длительности. Они локализованы главным образом в гладкомышечных участках стенки трахеи и бронхов всех калибров и возбуждаются при вдохе. При поступлении в легкие воздуха увеличивается частота импульсации от рецепторов растяжения пропорционально степени растяжения легких. По афферентным волокнам блуждающих нервов импульсы направляются в дыхательный центр к экспираторным и поздним инспираторным нейронам. Они возбуждаются и в свою очередь тормозят ранние инспираторные нейроны. Кроме того, поток импульсов от рецепторов растяжения легких идет также к нейронам пневмотаксического центра, которые в свою очередь возбуждают экспираторные нейроны и тормозят ранние инспираторные. Если перерезать блуждающие нервы, то дыхание становится редким, удлиняется фаза вдоха. Таким образом, рефлекс Геринга—Брейера способствует смене вдоха на выдох.

В эпителиальном и субэпителиальном слоях всех воздухоносных путей, а также в области корней легких расположены так называемые ирритантные рецепторы, которые обладают одновременно свойствами механо- и хеморецепторов. Они раздражаются при сильных изменениях объема легких; часть их возбуждается при вдохе и выдохе. Ирритантные рецепторы возбуждаются также под действием пылевых частиц, паров едких веществ и некоторых биологически активных веществ, например гистамина, однако в регуляции смены вдоха и выдоха в нормальных условиях их активность существенной роли не играет.

Импульсы, поступающие от центральных и периферических хеморецепторов, являются необходимым условием периодической активности нейронов дыхательного центра и соответствия вентиляции легких газовому составу крови. Последний является жесткой константой внутренней среды организма и поддерживается по принципу саморегуляции

384

Рис. 9.7. Функциональная система поддержания газового состава внутренней среды организма (по К.В. Судакову).

путем формирования функциональной системы поддержания постоянства газового состава крови (рис. 9.7). Системообразующим фактором этой системы является определенное соотношение содержания С02 и 02 — газовая константа крови. Любые ее изменения являются стимулами для возбуждения рецепторов, расположенных в альвеолах легких, в сосудах, во внутренних органах. Информация от рецепторов поступает в ЦНС, где осуществляется ее анализ и синтез, на основе которых формируются аппараты реакций. Их совокупная деятельность приводит к восстановлению газовой константы крови. В процесс восстановления этой константы

385