Учебник (Дегтярёв) - нормальная физиология

является минутный объем дыхания (МОД) — объем воздуха, проходящего через легкие за 1 мин. Он рассчитывается по формуле: МОД = ДО • ЧД. В состоянии покоя МОД равен 6— 9 л. При физической нагрузке его величина резко возрастает и может составлять 100 л и более.

Так как газообмен между воздухом и кровью осуществляется в альвеолах, то важна не общая вентиляция легких, а вентиляция альвеол. Альвеолярная вентиляция меньше вентиляции легких на величину мертвого пространства. Величину альвеолярной вентиляции определяют путем вычитания из величины дыхательного объема значений объема мертвого пространства и умножения полученной величины на частоту дыхания. Следовательно, эффективность альвеолярной вентиляции выше при более глубоком и редком дыхании, чем при частом и поверхностном. Величина альвеолярной вентиляции составляет до 70 % минутного объема дыхания.

Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха.

Атмосферный воздух, которым дышит человек, имеет относительно постоянный состав. В выдыхаемом воздухе меньше 02 и больше С02 , в альвеолярном воздухе еще меньше 02 и больше С02 .

Вдыхаемый воздух содержит 20,93 % 02 и 0,03 % С02 ; выдыхаемый воздух — 16 % 02 , 4,5 % С02 ; в альвеолярном воздухе содержится 14 % 02 и 5,5 % С02 . В выдыхаемом воздухе С02 меньше, чем в альвеолярном. Это связано с тем, что к выдыхаемому воздуху примешивается воздух мертвого пространства с низким содержанием С02 .

Перенос 02 из альвеолярного воздуха в кровь и С02 газа из крови в альвеолярный воздух осуществляется через легочную мембрану, или аэрогематический барьер, и происходит путем диффузии. Аэрогематический барьер включает следующие структуры: пленку сурфактанта, эпителий альвеолы, две основные мембраны, интерстициальное (межклеточное) пространство, эндотелий капилляра, плазму крови и мембрану эритроцита (рис. 9.2). Толщина этого диффузионного барьера около 1 мкм.

Движущей силой диффузии является разность парциальных давлений (напряжений) 02 и С02 в крови и в альвеолярном воздухе. Молекулы газа в силу диффузии переходят из области большего его парциального давления в область более низкого парциального давления.

Градиент давления 02 составляет достаточно большую величину — 60 мм рт. ст. Так как его парциальное давление в альвеолярном воздухе в среднем равно 100 мм рт. ст., а напряжение в венозной крови легочных капилляров — 40 мм рт. ст., диффузия кислорода направлена из альвеол в кровь. В артериальной крови легочных капилляров напряжение 02 становится

370

направлена в сторону альвеол. В артериальной крови легочных капилляров напряжение С02 , как и в альвеолах, равно 40 мм рт. ст.

Кроме градиента давления, диффузии способствует также очень большая — до 120 м2, поверхность контакта альвеол и легочных капилляров, причем каждый капилляр контактирует не с одной, а с 5—7 альвеолами. 02 диффундирует через легочную мембрану за 0,25 с, т. е. через 0,25 с давление 02 в альвеолах и легочных капиллярах выравнивается. Что касается С02 , то, несмотря на небольшой градиент давления (6 мм рт. ст.), он диффундирует через легочную мембрану в 20—25 раз быстрее вследствие лучшей растворимости в жидкости и мембранах.

Большая диффузионная поверхность и большая скорость диффузии газов определяют хорошую диффузионную способность легких — объем газа, проходящего через суммарную поверхность легочной мембраны всех вентилируемых альвеол обоих легких за 1 мин при градиенте давления газа 1 мм рт. ст.

Для нормального газообмена в легких необходимо, чтобы их вентиляция находилась в определенном соотношении с перфузией их капилляров кровью. Есть альвеолы, которые хорошо вентилируются и перфузируются кровью. Однако есть и такие, которые хорошо вентилируются, но не перфузируются или хорошо перфузируются, но не вентилируются. Если участок легкого плохо вентилируется, то кровеносные сосуды в этой области могут сужаться и даже полностью закрываться с помощью механизма местной саморегуляции (сокращение гладких мышц). Альвеолы лучше вентилируются у основания легких, прилегающего к диафрагме. Однако если учитывать соотношение между вентиляцией и перфузией, то в области верхушек легких вентиляция преобладает над перфузией, а в средних и особенно в нижних отделах легких, наоборот, перфузия преобладает над вентиляцией. Интенсивность перфузии зависит от положения тела: в положении лежа легкие равномерно снабжаются кровью, их перфузия максимальна; в положении сидя верхушки легких снабжаются кровью хуже на 15 %, а в положении стоя — хуже на 25 %. Это важно учитывать при сердечно-легочной недостаточности: если перфузия легких максимальна в положении лежа, то надо рекомендовать больным с этой патологией постельный режим.

Таким образом, в легких имеет место не только анатомическое мертвое пространство, но и альвеолярное за счет наличия плохо вентилируемых и плохо перфузируемых альвеол. В норме его объем составляет 10—15 мл.

Физиологическое мертвое пространство — сумма анатомического и альвеолярного мертвых пространств.

372

В нормальных условиях у здорового человека активно функционирует примерно ]/п альвеол. Эти активно функционирующие участки легких непрерывно сменяют друг друга. Подобная динамика имеет компенсаторное значение: в случае поражения легкого и невозможности излечения терапевтическими методами возможно удаление одного легкого, а оставшееся обеспечит газообмен, достаточный для удовлетворительной жизнедеятельности организма.

9.3. Транспорт газов кровью

Обогащенная кислородом артериальная кровь из легких поступает в сердце и по сосудам большого круга кровообращения разносится по всему организму. Напряжение 02 в артериях большого круга кровообращения несколько ниже, чем в артериальной крови легочных капилляров. Это связано с тем, что, во-первых, постоянно происходит перемешивание крови от хорошо и плохо вентилируемых участков легких, а во-вторых, часть крови по артериоловенулярным шунтам может перебрасываться из вен в артерии большого круга кровообращения, минуя легкие. Напряжение 02 в артериальной крови претерпевает возрастные изменения: у молодых здоровых людей оно составляет 95 мм рт. ст., к 40 годам уменьшается до 80 мм рт. ст., к 70 годам — до 70 мм рт. ст. Напряжение С02 в артериях большого круга кровообращения у молодых людей составляет 40 мм рт. ст. и с возрастом изменяется незначительно. 02 и С02 в крови находятся в двух состояниях: в химически связанном и в растворенном. Содержание этих газов в крови — константные величины.

Транспорт кислорода. В артериальной крови содержание 02 составляет 18—20 об.%, а в венозной — 12 об.%. Количество физически растворенного в крови 02 равно всего лишь 0,3 об.%; следовательно, практически весь 02 переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином.

Гемоглобин — красный кровяной пигмент, содержащийся в эритроцитах; состоит из 4 одинаковых групп — гемов. Тем представляет собой протопорфирин, в центре которого расположен ион двухвалентного железа, играющий важную роль в переносе 02 . Каждый гем присоединяет к себе по 1 молекуле 02 , одна молекула гемоглобина связывает 4 молекулы 02 , возникает обратимая связь, при этом валентность железа не изменяется. Это называется оксигенацией гемоглобина. Восстановленный гемоглобин (НЬ) становится окисленным — НЬ02 (оксигемоглобин).

Максимальное количество кислорода, которое может быть связано в 100 мл крови при полном насыщении гемоглобина кислородом, называется кислородной емкостью крови. Она за-

373

висит от содержания гемоглобина в крови. 1 г гемоглобина способен присоединить 1,34 мл 02 ; следовательно, при содержании в крови в среднем 140 г/л гемоглобина (130—160 г/л у мужчин и 120—140 г/л у женщин) кислородная емкость крови будет 1,34-140=187,6 мл (или 19 об.% у мужчин и 18— 19 об.% у женщин).

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению. При этом железо из двухвалентного превращается в трехвалентное. Окисленный гем носит название гематина (метгема), а вся молекула в целом — метгемоглобина. В крови человека в норме метгемоглобин содержится в незначительном количестве, но при некоторых заболеваниях, отравлениях некоторыми ядами, при действии лекарственных веществ, например кодеина и фенацетина, его содержание увеличивается. Опасность таких состояний заключается в том, что окисленный гемоглобин очень слабо диссоциирует (не отдает тканям 02 ) и не может присоединять другие молекулы 02 , т.е. теряет свойства переносчика 02 . Также опасно соединение гемоглобина с угарным газом (СО) с образованием карбоксигемоглобина (НЬСО), так как сродство гемоглобина к СО в 300 раз больше, чем к 02 , и НЬСО диссоциирует в 10 000 раз медленнее, чем НЬ02. В норме на долю карбоксигемоглобина приходится лишь 1 % общего количества гемоглобина крови, а у курильщиков к вечеру достигает 20 %.

Скорость процесса связывания 02 гемоглобином в легких и отдачи его тканям иллюстрирует кривая образования и диссоциации оксигемоглобина (рис. 9.4).

Степень насыщения гемоглобина кислородом, т.е. образование оксигемоглобина, зависит от напряжения кислорода в крови. На кривой имеется 4 характерных отрезка, отражающих эту зависимость:

• 1 — при напряжении 02 в крови от 0 до 10 мм рт. ст. в крови находится восстановленный гемоглобин, оксигенация крови идет медленно;

• 2 — от 10 до 40 мм рт. ст. — насыщение гемоглобина кислородом идет очень быстро и достигает 75 %;

•3 — от 40 до 60 мм рт. ст. — насыщение гемоглобина кислородом замедляется, но достигает 90 %;

•4 — при возрастании Р02 свыше 60 мм рт. ст. дальнейшее насыщение гемоглобина идет очень медленно и постепенно приближается к 96—98 %, никогда не достигая 100 %. Однако такое высокое насыщение гемоглобина кислородом наблюдается только у молодых людей. У пожилых людей эти показатели ниже.

Диссоциация оксигемоглобина происходит в тканевых капиллярах большого круга кровообращения. Главным факто-

374

ром, обеспечивающим диссоциацию оксигемоглобина, является большой градиент Р02 : в пришедшей артериальной крови Р02 составляет около 95 мм рт. ст., в межклеточной жидкости Р02 уменьшается примерно до 40 мм рт. ст., а в клетках тканей падает до 10—15 мм рт. ст. и меньше, в работающих мышцах приближается к 0 (когда Р02 в клетке становится равным 0,1 мм рт. ст., клетка погибает). Резкое падение Р02 в тканях связано с интенсивным потреблением его клетками для окислительных процессов. Диссоциация оксигемоглобина в тканях приводит к уменьшению содержания оксигемоглобина с 96 до 75 % и снижению Р02 до 40 мм рт. ст.

Каждые 100 мл артериальной крови, содержащие 18—20 мл 02 , отдают тканям в среднем около 4,5 мл 02 , т.е. 20—30 %. Эта часть 02 , поглощаемая тканями, называется коэффициентом утилизации кислорода. В миокарде, сером веществе мозга и печени коэффициент утилизации достигает 50—60 %.

Кроме главного фактора — градиента Р02 , имеется и ряд других факторов, влияющих на диссоциацию оксигемоглобина в тканях. К ним относятся РС02 в тканях, рН среды, темпера-

375

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

ленно, а в эритроцитах под влиянием фермента карбоангидра- зы она ускоряется в 15 ООО раз. Угольная кислота сразу же диссоциирует на ионы Н+ и НСОз • 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 HCOJ 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 + Н2 С03 = ННЬ + КНСОз + о2 .

Основная масса HCOj , образующихся в эритроцитах, выходит в плазму, соединяется там с ионами натрия, образуя NaHC03 . Выход HCOJ 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 КНС03 ионами калия, образуя КС1.

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 Н2 СОь которая в свою очередь распадается на С02 и Н2 0. С02 удаляется легкими, а вода — почками. КС1 в эритроцитах диссоциирует, и ион СГ 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

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 инснираторной 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