5.2. Газообмен.

В процессе внешнего дыхания происходит газообмен в легких. За счет этого формируется состав альвеолярного и выдыхаемого воздуха.

Газовый состав вдыхаемого, альвеолярного и выдыхаемого воздуха

Дыхательные газы	Вдыхаемый воздух	Альвеолярный воздух	Выдыхаемый воздух
О2 % мм рт.ст.	20,9% 160 мм рт.ст.	13,5% 104 мм рт.ст.	15,5% 120 мм рт.ст.
СО2 % мм рт.ст.	0,03% 0,2 мм рт.ст.	5,3% 40 мм рт.ст.	3,7% 27 мм рт.ст.

Внешнее дыхание необходимо для обновления альвеолярного воздуха, т.к. в процессе жизнедеятельности идет постоянный процесс потребления О₂ и выделения СО₂, это поддерживает концентрацию дыхательных газов в нем на постоянном уровне.

Интенсивность внешнего дыхания подчинена задачам обеспечения оптимальных условий для газообмена в организме. Оптимальные условия сохраняются в организме определенное время (3-4 секунды). Этим и определяется частота дыхания (14-18 в минуту). Таким образом, аппарат дыхания обладает резервами, которые позволяют обменивать воздух с определенной периодичностью.

Процесс газообмена состоит из 3-х этапов дыхания:

2 этапа дыхания. Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью.

3 этапа дыхания. Транспорт газов кровью.

4 этапа дыхания. Обмен газов между кровью и тканями.

В основе 2 и 4 этапов дыхания лежат одни и те же механизмы, т.е. в основе обмена газов между альвеолами и кровью, а также кровью и тканями лежит одно физическое явление - процесс диффузии.

Механизмы 2-го и 4-го этапов дыхания.

Мембраны клеток хорошо проницаемы для газов, следовательно для перемещения газов из одной среды в другую не надо активного транспорта, а достаточно физического процесса диффузии.

В основе диффузии лежит разность концентраций. Молекулы из области большей концентрации распространяются в область меньшей концентра­ции.

Если газ находится над жидкостью, он также легко в неё переходит, растворяясь в ней. Интенсивность перехода газов в жидкость зависит от парциального давления газа над ней.

Давление газа в смеси с другими газами, выраженное в мм рт. ст., принято называть "парциальным давлением".

Давление газа, растворенного в жидкости, обозначают как "напряжение".

При относительно длительном контакте газов и жидкости в определенный момент времени парциальное давление газа над жидкостью и напряжение газа в жидкости выровняются.

При резком снижении парциального давления одного из газов либо снижении суммарного атмосферного давления жидкость с растворенными в ней газами начинает "кипеть" (до тех пор, пока вновь не выровняются парциальное давление и напряжение газов (примеры с шампанским, "кессонная болезнь" - помощь - экстренное помещение в барокамеру с постепенным снижением давления)).

Содержание дыхательных газов в альвеолярном воздухе, крови и тканях

	Венозная кровь	Альвеолярный воздух	Артериальная кровь	Ткани
СО2(мм рт. ст.)	46	38	40	50-60
О2 (мм рт. ст.)	40	100	100	20-40

Примечание: стрелочкой указано направление диффузии.

При этом следует иметь в виду, что аэрогематический барьер легких обладает определенной проницаемостью, которая характеризуется диффузионной способностью легких.

Диффузионная способность легких - это количество мл газа которое проходит за 1 минуту через легочную мембрану при разнице парциальных давлений по обе стороны мембраны 1 мм.рт.ст. Для О₂ составляет 20-25 мл, для СО₂ она существенно больше/т.к. разница парциального давления меньше многократно/, а объем выделяемого СО₂ такой же как и О₂. С возрастом диффузионная способность легких снижается. Гистагематический

3-ий этап дыхания. Транспорт газов кровью

Механизмы связывания газов кровью

1. Физическое растворение

2. Химическое связывание

1. Физическое растворение. В жидкой части крови растворены газы воздуха: кислород, углекислый газ, азот. Растворение О₂ и СО₂ в воде не играет физиологической роли.

2. Химическое связывание кислорода кровью.

Насыщение кровью кислородом зависит от:

45. Альвеолярной вентиляции /pO₂ в альвеолах/

46. Кровотока в легких

47. Диффузионной способности легких

48. Содержания гемоглобина в эритроцитах

1 г HHb способен связать 1,35 мл О₂. При содержании гемоглобина 150 г/л (норма) каждые 100 мл крови переносят 20,8 мл О₂. Это кислородная емкость крови.

Другой показатель-содержание кислорода в крови, взятой в различных участках сосудистого русла: артериальной/20 мл О₂/100 мл крови/ и венозной/14 млО₂/100 мл крови/.

Следующий показатель - артерио-венозная разница/норма 5-6 мл О₂/100 мл крови/.

Отношение кислорода, связанного с гемоглобином к кислородной емкости крови/все выраженное на 100 мл крови/ называется насыщение гемоглобина кислородом. В артериальной крови оно составляет в норме 96%.

Гемоглобин присоединяет кислород с помощью непрочной водородной связи, с образованием оксигемоглобина Эта реакция обратима:

Нв+О₂=НвО₂

Направленность реакции зависит от содержания кислорода: если количество кислорода в крови увеличивается, то реакция идет в сторону образования оксигемоглобина, если уменьшается - то в противоположную сторону.

Динамика взаимодействия Нв и О₂ отражается кривой диссоциации оксигемоглобина. Эта кривая количественно определяет приведенную выше реакцию связывания гемоглобином кислорода. Кривая отражает общую закономерность: увеличение количества кислорода сопровождается усиленным образованием оксигемоглобина. Кривая диссоциации оксигемоглобина имеет S-образный вид. Это связанно с тем, что до 10 мм рт. ст. кислород связывается гемоглобином медленно, затем до 60-50 мм рт. ст. скорость реакции резко увеличивается, кривая круто поднимается вверх, при давлении 90 мм рт. ст., когда более 98% гемоглобина связано с кислородом, она вновь идет почти горизонтально.

Избыток СО₂ и ацидоз сдвигает кривую диссоциации вправо, а недостаток СО₂ и алкалоз - влево(эффект Бора).

В легких реакция взаимодействия гемоглобина с кислородом идет в сторону образования оксигемоглобина, т.к. венозная кровь имеет напряжение кислорода 40 мм рт. ст., а в альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода составляет 100 мм рт. ст.

В тканях напряжение О₂ равно 20-40 мм рт. ст., а в артериальной крови - 100 мм рт. ст., в связи с этим реакция идет в сторону распада оксигемоглобина. Кровь отдает ткани часть О_2..

Этот процесс оценивается коэффициентом утилизацией/ кислорода(КУК). КУК это отношение потребленного кислорода к кислородной емкости крови. В норме в покое 30-40%, при физ. нагрузках существенно возрастает.

Для оценки эффективности газообмена вычисляют коэффициент использования кислорода (КИК). Он показывает количество кислорода в мл, которое потребляется из 1 литра воздуха. В норме он составляет 40 мл.

Химическое присоединение СО₂

Напряжение СО₂ в тканях составляет 60 мм.рт.ст., а в притекающей крови 50-60 мм.ст.рт. Благодаря этому СО₂ переходит из ткани в кровь/46 мм.рт.ст./.

Основная форма связывания СО₂ кровью - это образование бикарбонатов натрия и калия.

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃

Эта реакция обратима, ее направление зависит от количества СО₂. Его увеличение сдвигает реакцию вправо, уменьшение - влево. Образующаяся угольная кислота диссоциирует:

Н₂ СО₃ ---- Н⁺ + НСО₃^-

Следовательно, в эритроците образуются катионы Н⁺ и анионы НСО₃^-.катионы водорода вступают в реакцию восстановления гемоглобина: Н⁺ + Нв ННв,

Анионы НСО₃^- - частично выходят из эритроцитов в плазму из-за разности концентраций. Таким образом, в плазме и в эритроцитах появляется значительное количество анионов НСО₃ ^- , которые в плазме взаимодействуют с катионами натрия/55%/, а в эритроцитах - калия/35%/, образуя гидрокарбонаты Na и К.

Ключом всех этих реакций служит фермент карбоангидраза, который содержится в мембранах эритроцитов и катализирует обратимую реакцию соединения углекислого газа с водой.

Кроме того, небольшое количество углекислого газа /10%/ транспортируется в виде карбогемоглобина - соединения СО₂ с гемоглобином.

Клинико-физиологическая оценка газообмена

В клинической практике 2 и 4 этапы дыхания оцениваются не раздельно, а в целом.

1. Определение состава альвеолярного, вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, по их сопоставлению можно получить сведения о газообмене. Анализ состава альвеолярного, вдыхаемого и выдыхаемого воздуха проводят на газоанализаторах.

2. Количество потребленного кислорода - оно характеризует интенсивность деятельности дыхательной системы. Определение количества потребленного кислорода можно произвести путем сопоставления состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха газоанализаторами, либо с помощью оксиспирографа.

3 этап дыхания оценивается путем определения концентрации дыхательных газов в артериальной и венозной крови.

Для этого проводят вытеснение дыхательных газов из крови физическим/изменение давления над кровью, Сеченов/, химическим/ вытеснение дыхательных газов из крови химическими реагентами, Баркрофт/ или физико-химическим методами /Ван Слайк/. Собирают вытесненные газы в сосуд и определяют их содержание с помощью газоанализатора.