Значение дыхания. Строение органов дыхания

У женщин величина минутного объема может быть равна 3-5 л, а у мужчин - 6-8 л. Его величина зависит от возраста, пола и физического развития человека (его массы и роста), уровня окислительных  процессов. Минутный объем значительно  увеличивается при физической работе и может достигать 50-100 л/мин. Величину вентиляции, покрывающую потребности  организма в состоянии покоя, называют эйпное (греч. "эй" - хорошо, "пное" - дыхание: "хорошее дыхание").

Величина  минутного объема легочной вентиляции недостаточно отражает эффективность  дыхания. При одной и той же величине минутного объема в легких может обмениваться разное количество воздуха. Так спортсмен в минуту может осуществлять 10 глубоких дыханий  при объеме дыхательных движений 600 см³, т.е. минутный объем у него будет равен 6000 см³.

Нетренированный человек может сделать 20 дыханий, но поверхностных (дыхательный объем  равен 300 см³) - величина минутного объема будет тоже равна 6000 см³. Но у спортсмена в легкие попадает 600 см³-160 см³=440 см³, т.е. 3/4 дыхательного объема. У нетренированного человека обменивается значительно меньше воздуха: 300 см³-160 см³=140 см³, т.е. 1/2 дыхательного объема. Из этого можно сделать вывод, что редкое, но глубокое дыхание более эффективно, так как при этом в альвеолярном воздухе осуществляется больший обмен газов.

Перенос газов кровью.

Значение физических факторов для переноса газов кровью.

Растворение газов в жидкостях  зависит от ряда факторов: от свойств  самого газа, от свойств жидкости (концентрации в ней солей, ее температуры), от объема и давления газа над жидкостью.

Показателем растворимости газов служит коэффициент  растворимости (или абсорбционный  коэффициент). Его величина показывает тот объем газа, который растворяется в 1 см³ жидкости при температуре 0 градусов Цельсия и давлении 760 мм рт.ст.

Коэффициент растворимости газа тем  больше, чем ниже температура; он уменьшается  с повышением температуры и при  температуре кипения равен нулю (газ из раствора весь испаряется). Коэффициент  растворимости в крови для  кислорода равен 0,022, для азота - 0,011, для углекислоты - 0,511.

В состоянии растворения в артериальной крови содержится 0,25 мл О₂, 2,69 мл СО₂ и 1,04 мл N.

Физическое растворение газов  очень мало, а поэтому оно не имеет большого значения для их переноса кровью. Важным фактором переноса газов  кровью является образование химических соединений с веществами плазмы крови  и эритроцитов. Для установления химических связей и физического  растворения газов важна величина давления газа над жидкостью.

Роль давления газов  в их переносе кровью.

Поступление газа в жидкость зависит  от его давления. Если над жидкостью  находится смесь газов, то движение и растворение каждого из них  зависят от его парциального давления. Парциальное давление можно рассчитать исходя из общего давления смеси газов  и их процентного содержания.

Всю газовую смесь атмосферного воздуха  принимают за 100%, он обладает давлением 760 мм рт.ст., а часть газа (О₂ - 20,95%) принимают за X. Отсюда: X=(760х20,95):100=159,22 мм рт.ст. При расчете парциального давления газов в альвеолярном воздухе необходимо учитывать, что он насыщен водяными парами, давление которых составляет 47 мм рт.ст. Следовательно, на долю газовой смеси, входящей в состав альвеолярного воздуха приходится давления не 760 мм рт.ст., а 760-47=713 мм рт.ст. Это давление принимается за 100%.

Отсюда  легко вычислить, что парциальное  давление О₂, который содержится в альвеолярном воздухе в количестве 14,3%, будет равно: (713х14,3):100=102 мм рт.ст.

Соответственный расчет парциального давления СО₂ показывает, что оно равно 40 мм рт.ст.

Альвеолярный воздух контактирует с тонкими стенками легочных капилляров, по которым приходит к легким венозная кровь. Интенсивность обмена газов  и направление их движения (из легких в кровь или из крови в легкие) зависят от парциального давления кислорода  и углекислоты в газовой смеси  в легких и в крови (давление газов  в жидкостях называют их напряжением).

Напряжение кислорода в венозной крови равно 40 мм рт.ст., углекислоты - 46 мм рт.ст. Движение газов осуществляется от большего давления к меньшему. Следовательно. кислород будет поступать из легких (его парциальное давление в них равно 102 мм рт.ст.) в кровь (его напряжение в крови 400 мм рт.ст.) в альвеолярный воздух (давление 40 мм рт.ст.)

Кислородная емкость крови. Содержание газов в крови.

В крови кислород соединяется с  гемоглобином и образует непрочное  соединение - оксигемоглобин. Насыщение  крови кислородом зависит от количества гемоглобина в крови. Максимальное количество кислорода, которое может  поглотить 100 мл крови, называют кислородной  емкостью крови. Известно, что в 100 г  крови человека содержится 14% гемоглобина. Каждый грамм гемоглобина может  связать 1,34 мл О₂. Значит, 100 мл крови могут перенести 1,34х14%=19 мл (или 19 объемных процентов). Это и есть кислородная емкость крови.

Можно рассчитать степень насыщения  крови кислородом. Для этого нужно  разделить содержание кислорода  исследуемой крови на ее кислородную  емкость.

Связывание кислорода  кровью.

В артериальной крови 0,25 объемного процента О₂ находится в состоянии физического растворения в плазме, а остальные 18,75 объемного процента - в эритроцитах в связанном состоянии с гемоглобином в виде оксигемоглобина. Связь гемоглобина с кислородом зависит от величины напряжения газов: если оно увеличивается, гемоглобин присоединяет кислород и образуется оксигемоглобин (НВО₂). При уменьшении напряжения кислорода оксигемоглобин распадается и отдает кислород. Кривую, отражающую зависимость насыщения гемоглобина кислородом от напряжения последнего, называют кривой диссоциации оксигемоглобина. Даже при небольшом парциальном давлении кислорода (40 мм рт.ст.) с ним связываются 75-80% гемоглобина. При давлении 80-90 мм рт.ст. гемоглобин почти полностью насыщается кислородом. В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода равно 120 мм рт.ст., поэтому кровь в легких будет полностью насыщена кислородом.

При рассмотрении кривой диссоциации  оксигемоглобина можно заметить, что при уменьшении парциального давления кислорода оксигемоглобин подвергается диссоциации и отдает кислород. При нулевом давлении кислорода  оксигемоглобин может отдать весь соединенный  с ним кислород.

Свойство гемоглобина - легко насыщаться кислородом, даже при небольших давлениях, и легко его отдавать - очень  важно.

Благодаря легкой отдаче гемоглобином кислорода при снижении парциального давления обеспечивается бесперебойное  снабжение тканей кислородом, в которых  вследствие постоянного потребления  кислорода его парциальное давление равно нулю.

Распад оксигемоглобина на гемоглобин и кислород увеличивается с повышением температуры тела.

Диссоциация оксигемоглобина зависит  от реакции среды плазмы крови. С  увеличением кислотности крови  возрастает диссоциация оксигемоглобина.

Связывание гемоглобина с кислородом в воде осуществляется быстро, но полного  его насыщения не достигается, так  же как не происходит полной отдачи кислорода при снижении его парциального давления. Более полное насыщение  гемоглобина кислородом и полная его отдача при понижении напряжения кислорода происходят в растворах  солей и в плазме крови.

Особое  значение в связывании гемоглобина  с кислородом имеет содержание СО₂ в крови. Чем больше содержится углекислоты в крови, тем меньше связывается гемоглобин с кислородом и тем быстрее происходит диссоциация оксигемоглобина. Особенно резко понижается способность гемоглобина соединяться с кислородом при давлении СО_2, равном 46 мм рт.ст. в венозной крови. Влияние СО₂ на диссоциацию оксигемоглобина очень важно для переноса газов в легких и тканях.

В тканях содержится большое количество СО₂ и других кислых продуктов распада, образующихся в результате обмена веществ. Переходя в артериальную кровь тканевых капилляров, они способствуют более быстрому распаду оксигемоглобина и отдаче кислорода тканям.

В легких же, по мере выделения СО₂ из венозной крови в альвеолярный воздух. с уменьшением содержания СО₂ в крови увеличивается способность гемоглобина соединяться с кислородом. Тем самым обеспечивается превращение венозной крови в артериальную.

Связывание углекислого  газа кровью.

В артериальной крови содержится 50-52% СО₂, а в венозной на 5-6% больше - 55-58%. из них 2,5-2,7 объемного процента в состоянии физического растворения, а остальная часть СО₂переносится в виде солей угольной кислоты: бикарбоната натрия (NaHCO₃) в плазме и бикарбоната калия (KHCO₃) - в эритроцитах. Часть углекислого газа (от 10 до 20 объемных процентов) может транспортироваться в виде соединений с аминогруппой гемоглобина - карбгемоглобина.

Из  всего количества СО₂ большая его часть (2/3) переносится плазмой крови.

Одной из важнейших реакций, обеспечивающих транспорт СО₂, является образование угольной кислоты из СО₂ и Н₂О:

H₂O+CO₂↔H₂CO₃

Такая реакция в крови ускоряется приблизительно в 20 000 раз. Большая скорость этой реакции  обеспечивается ферментом карбоангидразой. При увеличении содержания СО₂ в крови (что бывает в тканях) фермент способствует гидратации СО₂ и реакция идет в сторону образования Н₂СО₃. При уменьшении парциального напряжения СО₂ в крови (что имеет место в легких) фермент карбоангидраза способствует дегидратации Н₂СО₃ и реакция идет в сторону образования СО₂ и Н₂О. Это обеспечивает наиболее быструю отдачу СО₂ в альвеолярный воздух.

Связывание  СО₂ кровью, так же как и кислорода, зависит от парциального давления. Можно построить кривые диссоциации углекислоты, отложив на оси абсцисс парциальное давление СО₂, а на оси ординат - количество связанного углекислого газа в объемных процентах. Кривая показывает, что связывание СО₂ кровью увеличивается по мере возрастания его парциального давления.

При парциальном напряжении СО₂, равном 40 мм рт.ст. (что соответствует его напряжению в артериальной крови), в крови содержится 52% углекислоты. При напряжении СО₂, равном 46 мм рт.ст. (что соответствует напряжению в венозной крови), содержание СО₂ возрастает до 58%.

На  связывание СО₂ кровью влияет присутствие оксигемоглобина в крови. Эту зависимость можно проследить при переходе артериальной крови в венозную. Сравнение нижней кривой и верхней НА РИСУНКЕ

показывает, что при превращении артериальной крови в венозную солями гемоглобина отдается кислород и тем самым облегчается ее насыщение углекислым газом. При этом содержание СО₂ в ней увеличивается на 6%: с 52% до 58%.

В сосудах легких образование оксигемоглобина  способствует отдаче СО₂, содержание которого при превращении венозной крови в артериальную уменьшается с 58 до 52 объемных процентов. В присутствии кислорода из крови удаляется весь СО₂ при его нулевом напряжении в окружающей среде. В присутствии азота, даже при нулевом напряжении СО₂ в окружающей среде, часть его остается связанным с кровью.

Обмен газов в легких и тканях.

Обмен газов в легких.

В легких происходит обмен газов  между альвеолярным воздухом и кровью через стенки плоского эпителия альвеол  и кровеносных сосудов. Этот процесс  зависит от парциального давления газов  в альвеолярном воздухе и их напряжении в крови.

Поскольку парциальное давление О₂ в альвеолярном воздухе велико, а в венозной крови его напряжение значительно меньше, то О₂ диффундирует из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ, вследствие его большего напряжения в венозной крови, переходит из нее в альвеолярный воздух. Диффузия газов осуществляется до наступления равенства парциальных давлений. При этом венозная кровь превращается в артериальную - она получает 7 объемных процентов кислорода и отдает 6 объемных процентов углекислого газа.

Каждый  газ, прежде чем перейти в связанное  состояние, находится в состоянии  физического растворения. Кислород, пройдя эту фазу, поступает в эритроцит, где соединяется с гемоглобином и превращается в оксигемоглобин: ННв + О₂ → ННвО₂.

Поскольку оксигемоглобин является более сильной  кислотой, чем угольная, то он в эритроцитах  реагирует с бикарбонатом калия, вследствие чего образуется калийная соль оксигемоглобина - (КНвО₂) и угольная кислота: КНСО₃ + ННвО₂ → КНвО₂ + Н₂СО₃

Образованная  угольная кислота под влиянием карбоангидразы подвергается дегидратации: Н₂СО₃ → Н₂О + СО_{2 и образующийся углекислый газ выделяется в альвеолярный воздух.}

По  мере уменьшения углекислоты в эритроците на смену ей из плазмы крови поступают  ионы НСО₃, образующиеся вследствие диссоциации бикарбоната натрия: NаНСО₃ → Nа⁺ + НСО₃^-. Взамен ионов НСО₃ из эритроцитов в плазму поступают ионы Cl.

Обмен газов в тканях.

Артериальная  кровь, приходящая к тканям, содержит 19 объемных процентов кислорода, парциальное  напряжение которого равно 100 мм рт.ст., и 52 объемных процента СО₂ с напряжением 40 мм рт.ст.

Поскольку в тканях в процессе обмена веществ  кислород непрерывно используется, то его напряжение в тканевой жидкости удерживается около нуля. Поэтому  О₂ в силу разности напряжений диффундирует из артериальной крови в ткани.

В результате обменных процессов, происходящих в тканях, образуется СО₂ и его напряжение в тканевой жидкости равно 60 мм рт.ст., а в артериальной крови значительно меньше. Поэтому СО₂ диффундирует из тканей в кровь в сторону меньшего напряжения. Углекислый газ, поступая из тканевой жидкости в плазму крови, присоединяет воду и превращается в слабую, легко диссоциирующую угольную кислоту:

Н₂О + СО_{2 ↔} Н₂СО₃. Н₂СО₃ диссоциирует на ионы Н⁺ и НСО₃^- : Н₂СО₃ → Н⁺ + НСО₃^-, и ее количество уменьшается, вследствие чего усиливается образование Н₂СО³ из СО₂ и Н₂О, что улучшает связывание углекислого газа. В общей сложности при этом связывается небольшое количество СО₂, так как константа диссоциации Н₂СО₃ невелика. Связывание СО₂ главным образом обеспечивают белки плазмы крови. Белки, обладая амфотерными свойствами, в плазме крови ведут себя как слабые кислоты и образуют соли со щелочными металлами. Вступая в реакцию с угольной кислотой, они осуществляют буферный эффект: анион белка связывает водородные ионы, образуя недиссоциированную молекулу (уменьшает кислотность среды), а в диссоциированном состоянии остается анион угольной кислоты и катион металла.