Нормальная физиология / КР7 Физиология дыхательной системы

Вопрос 10. Графическая зависимость «объем - поток» и ее применение в спирографии.

• Вообще показана ЖЕЛ, поэтому, по идее, объем в литрах, значит, выдох должен начинаться от 1 литра (правее 1 л – 0 л, отражает остаточный объем, см. кривую ниже)

Параллельно строится график «Объем-время». ОФВ1 – объем форсированного выдоха за 1ую минуту, ФЖЕЛ – форсированная жизненная емкость легких.

График поток-объем делится на несколько квартилей (по %). Наиболее показательный – за 25% и за 50%. По изменению кривой данного графика диагностируют наличие обструктивых и рестриктивных изменений в легких (обструкция – нарушение проходимости, а рестрикция – нарушение расширения легких, т.е. снижение их растяжимости при вдохе – повышенная жесткость).

NB: индекс Тиффно – рассчитывается как (ОФВ1 / ФЖЕЛ) * 100%

Если он больше 70% - норма, меньше – определяются различные заболевания.

Рестриктивные заболевания (влияют на легочную ткань – вызывают воспаление, фиброзирование интерстиция легких, преимущественно альвеолярного древа, как правило происходит снижение объема легочной паренхимы и уменьшение ЖЕЛ).

При изменении эластичности легочной ткани человек не может полностью выдохнуть воздух. Уменьшается ОФВ1 и уменьшается ФЖЕЛ – рестрикция. Т.к. снижаются обе величины, индекс Тиффно может сохранять те же зачения.

Симптоматика рестриктивных заболеваний: o одышка, тахипное, цианоз

o не сопровождается симптомами обструкции дыхательных путей o снижение диффузионной способности легких

o уменьшение жизненной емкости легких и объема легких

o на рентгенограмме ОГК выявляют двусторонние инфильтративные поражения

oв исходе заболеваний возникает легочная гипертензия и правожелудочковая недостаточность

Группы рестриктивных болезней легких:

oОстрые рестриктивные заболевания:

‒респираторный дистресс-синдром взрослых – тяжелое ОПЛ.

‒острое повреждение легких (ОПЛ) – некардиогенный отек легких – проявляется внезапной значительной гипоксемией и диффузной легочной инфильтрацией при отсутствии

сердечной недостаточности.

oХронические:

‒фиброзирующие: фиброз легких, интерстициальная пневмония и др.

‒гранулематозные: саркоидоз, пневмонит гиперчувствительности.

Обструктивные заболевания – изменяют дыхательные потоки (давление на стенки бронхов увеличивается, бронхи схлопываются): ХОБЛ (хроническая обструктивная болезнь легких), астма.

График характеризуется пикообразностью и наблюдается углубление в нисходящей части графика (шпилеобразный тип), что обуславливается непроходимостью воздухоносных путей – происходит задержка воздуха в легких. ОФВ1 уменьшается, а ФЖЕЛ в целом нормальная или немного понижена.

ОФВ1 снижается – индекс Тиффно также снижается.

Вопрос 11. Физиологические механизмы газообмена О2 и СО2 между кровью и тканевой жидкостью в капиллярах большого круга кровообращения.

Данному процессу предшествует поступление воздуха в альвеолы: происходит диффузия О2 из альвеол в кровь и диффузия СО2 из крови в альвеолы.

Диффузия — это беспорядочное движение молекул во всех направлениях. В физиологии дыхания изучают диффузию газов через дыхательную мембрану и в окружающей ее жидкости.

Физические основы диффузии и парциальное давление газа

Молекулярная основа диффузии газов

Все газы, представляющие интерес для физиологии дыхания, являются простыми молекулами, которые свободно перемещаются в смеси путем диффузии. Это справедливо и для газов, растворенных в жидкостях и тканях тела.

Для диффузии необходим источник энергии. Энергия производится кинетическим движением самих молекул. При температуре выше абсолютного нуля молекулы находятся в постоянном движении. Это значит, что свободные молекулы, не связанные с другими молекулами, двигаются линейно на высокой скорости до встречи с другими молекулами. После столкновения их движение получает новое направление — до следующего столкновения. Таким образом, молекулы находятся в быстром и случайном движении среди себе подобных.

Однонаправленная диффузия газа под влиянием градиента концентрации.

Если в емкости или в растворе концентрация определенного газа в одной зоне высокая, а в другой

— низкая, то суммарная диффузия этого газа будет направлена от зоны с высокой концентрацией в зону с низкой концентрацией.

Парциальное давление газа в газовой смеси

Давление создается многочисленными ударами движущихся молекул о поверхность, поэтому давление газа на поверхности дыхательных путей и альвеол пропорционально суммарной силе ударов о поверхность всех молекул данного газа в данный момент, т.е. давление газа прямо пропорционально концентрации молекул газа.

В физиологии дыхания мы имеем дело с газовой смесью, состоящей главным образом из кислорода, азота и двуокиси углерода. Скорость диффузии каждого из газов прямо пропорциональна давлению, создаваемому только этим газом. Это давление называют парциальным давлением данного газа. (см. вопрос 5)

Парциальное давление газа, растворенного в жидкости и тканях

Растворенные в жидкостях или тканях тела газы также оказывают давление, потому что молекулы растворенного газа находятся в хаотичном движении и обладают кинетической энергией. Если молекулы растворенного в жидкости газа ударяются о поверхность, например, клеточной мембраны, он оказывает такое же парциальное давление, как и газ в газовой смеси. Парциальное давление газа, растворенного в жидкости, обозначают так же, как парциальное давление газа в газовой смеси, т.е. Р(СО2), Р(О2), Р(N2) и т.д.

Факторы, определяющие величину парциального давления газа, растворенного в жидкости.

Парциальное давление растворенного газа зависит не только от его концентрации, но и от коэффициента растворимости, поскольку одни молекулы, например двуокиси углерода, физическим или химическим способом прикрепляются к молекулам воды, а другие — отталкиваются. В случае прикрепления молекул даже большое их количество в растворе не влияет на парциальное

давление. И наоборот, в случае отталкивания молекул отмечается большее парциальное давление при меньшем количестве растворенных молекул. Эти отношения называют законом Генри и выражают следующей формулой:

Р = С/k | C = P*k

Коэффициенты растворимости газов при температуре тела (в др. источниках k для СО2 равен 0,07 и рассчитываемые величины С соответствуют именно данному значению)

NB: самое большое k – у СО2.

Диффузионный градиент давления – NB: движение молекул происходит не только из обл. высокого давления в обл. низкого, но и в обратном направлении (случайным образом), поэтому общая диффузия газов из обл. выс. давл. в обл. низ. давл. определяется разницей между кол-вом молекул, перемещающихся в одно направлении, и кол-вом молекул, перемещающихся в обратном направлении. Это количество и есть диффузионный градиент давления.

Газообмен между кровью и тканями

Перенос O2 и CО2 между кровью системных капилляров и клетками тканей осуществляется путем простой диффузии, т. е. так же, как между кровью легочных капилляров и альвеолярным воздухом.

Скорость переноса газа через слой ткани прямо пропорциональна площади слоя и разнице парциального давления газа по обе его стороны и обратно пропорциональна толщине слоя. При газообмене между тканями и кровью толщина диффузионного барьера менее 0,5 мкм, однако в мышцах в состоянии покоя расстояние между открытыми капиллярами составляет около 50 мкм. При работе, когда потребление кислорода мышцами увеличивается, открываются добавочные капилляры, что уменьшает диффузионное расстояние и увеличивает диффузионную поверхность. Поскольку СO2 диффундирует в тканях примерно в 20 раз быстрее, чем О2 (рис. 3.1), удаление углекислого газа происходит гораздо легче, чем снабжение кислородом.

Градиент РО2 в тканях между двумя соседними открытыми капиллярами схематично изображен на рис. 6.10. По мере диффузии кислорода от капилляров он потребляется тканями и Ро2 падает. На рис. 6.10, А отношение между потреблением O2 и его поступлением, зависящее от PO2 в капиллярах и расстояния между ними, обеспечивает достаточную величину Р02 во всех участках тканей. Рис. 6.10, Б соответствует увеличению либо межкапиллярного расстояния, либо потребления 02. При этом в некотором участке ткани Ро2 падает до нуля. Такое состояние называется критическим. Наконец, на рис. 6.10, В изображена ситуация, при которой значительная часть ткани совершенно не получает кислорода, аэробный связанный с потреблением О2) обмен в ней становится невозможным и клетки переходят на анаэробный гликолиз с образованием молочной кислоты.

Насколько же должно упасть значение Ро2 в тканях, чтобы кислород перестал вовлекаться в обменные процессы? Изучение суспензий из митохондрий клеток печени in vitro показало, что потребление О2 продолжается с постоянной скоростью, пока Ро, не опустится ниже 3 мм рт. ст. По-видимому, значительно большее Р02 в капиллярах необходимо для создания достаточного диффузионного давления, обеспечивающего перенос О2 к митохондриям. В местах непосредственного использования кислорода Р02 может быть очень низким.

Недостаточное снабжение тканей кислородом называется тканевой гипоксией. Она может быть обусловлена различными причинами: низким Ро, в артериальной крови, например при заболеваниях легких («гипоксическая гипоксия»); пониженной способностью крови переносить О2, например при анемии или отравлении угарным газом («гемическая гипоксия»); уменьшением кровоснабжения тканей - либо во всем организме (например, при шоке), либо при местной закупорке сосудов («циркуляторная гипоксия»). Наконец, существует и четвертая причина - некоторые ядовитые вещества подавляют способность тканей использовать O2 («гистотоксическая гипоксия»). В качестве примера можно привести цианиды, угнетающие взаимодействие кислорода с дыхательным ферментом цитохромоксидазой. При этом концентрация О2 как в артериальной, так и в венозной крови может быть высокой, а потребление его тканями - чрезвычайно низким. Это становится вполне понятным, если применить к поглощению ими О2 принцип Фика.

Вопрос 12. Физиологическая роль дыхания в поддержании кислотно-щелочного равновесия крови. Дыхательные ацидоз и алкалоз.

+ См. вопрос 17!

Физиологические функции, на которые влияет pH

Концентрации Н + во внеклеточном и внутриклеточном пространствах. В норме зна-

чение pH крови находится в диапазоне между 7,37 и 7,43, что соответствует концентрации Н+ примерно равной 0,04 мкмоль / л. В клетках концентрация Н + обычно несколько выше (pH 7,0– 7,3). При увеличении концентрации Н +, т. е. уменьшении pH крови до значения менее 7,37, развивается ацидоз, а при уменьшении концентрации Н +, или, иначе, увеличении pH крови до значения более 7,43, развивается алкалоз.

Влияние концентрации Н + на протекание обмена веществ. Свойства ферментов,

транспортных белков, рецепторов и т. д. находятся в зависимости от степени диссоциации определенных аминокислот (в первую очередь гистидина), а следовательно, от окружающего их pH.

Среди прочих ферменты, осуществляющих гликолиз, прежде всего фосфофруктокиназы, ингибируются ростом концентрации Н + (ацидоз) и стимулируются ее падением (алкалоз). Алкалоз способствует интенсивному протеканию гликолиза и синтезу молочной кислоты, ингибирует глюконеогенез и ведет к накоплению цитрата. В свою очередь, ацидоз способствует разложению глюкозы через пентозофосфатный цикл.

ДНК-синтаза и деление клетки (клеточная пролиферация) ингибируются внутриклеточным ацидозом. Факторы роста, активирующие Na + / Н + -обменник, увеличивают pH клетки и вместе с тем создают предпосылку для клеточной пролиферации.

Каналы. Многие ионные каналы в значительной степени чувствительны к pH. Так, некоторые K + -каналы открываются при алкалозе, а при ацидозе закрываются. Таким образом, алкалоз служит одним из факторов, способствующих выведению K + по K + -каналам в эпителиях почек. Алкалоз усиливает, а ацидоз ослабляет поток Ca 2+ по Ca 2+ -каналам в клетку.

Диссоциация угольной кислоты на ионы НСО3– и H+

За еще одну долю секунды образовавшаяся угольная кислота (H2CO3) диссоциирует на ионы водорода (H+) и гидрокарбоната (HCO3–). Затем большинство ионов водорода присоединяется к гемоглобину (мощному кислотно-щелочному буферу), а многие ионы гидрокарбоната диффундируют из эритроцитов в плазму, откуда в эритроциты возвращаются ионы хлора (Cl–).

Данные процессы обеспечивает специальный белок-переносчик ионов гидрокарбоната и хлора в мембране эритроцитов, который с большой скоростью перемещает эти ионы в противоположных направлениях. Содержание ионов хлора в эритроцитах венозной крови оказывается выше, чем в эритроцитах артериальной крови. Это явление называют хлорным сдвигом. Обратимая комбинация двуокиси углерода с водой в эритроцитах с участием карбоангидразы обеспечивает около 70% транспорта двуокиси углерода из тканей в легкие. Таким образом, этот путь транспорта двуокиси углерода является наиболее важным. Действительно, если подопытному животному ввести ингибитор карбоангидразы (ацетазоламид) и заблокировать ее действие в эритроцитах, то выведение двуокиси углерода из тканей снижается настолько, что Р(СО2) в тканях может подняться до 80 мм рт. ст. вместо нормальных 45 мм рт. ст.

Изменение кислотности крови во время транспорта двуокиси углерода

Угольная кислота, образуемая в капиллярах периферичеcких тканей при поступлении в кровь двуокиси углерода, снижает рН крови. Однако реакция данной кислоты с кислотно-щелоч- ными буферами крови предотвращает слишком большое увеличение концентрации ионов водорода (и слишком большое падение рН). Обычно рН в артериальной крови составляет около 7,41, и при поступлении в кровь тканевых капилляров двуокиси углерода наблюдается снижение рН, в итоге рН венозной крови составляет около 7,37. Другими словами, происходит изменение величины рН на 0,04 единицы. При выходе двуокиси углерода из крови в легочных капиллярах происходит обратный сдвиг, и рН поднимается опять до его артериального значения — 7,41. При тяжелой физической нагрузке, повышенной метаболической активности иного рода или при замедлении кровотока в тканях снижение значения рН крови (и в самих тканях) может достигать 0,50, т.е. оказаться выше нормы в 12 раз и вызвать существенный ацидоз.

Судьба ионов H+ и HCO3- (после событий, описанных в вопросе 17):

•образуемый Н+, если бы он оставался в свободном виде в жидкостях, приводил бы к повышению кислотности среды в эритроцитах и в венозной крови в т.ч. Н+ должен быть буферизован, чтобы pH в ЭЦ (и в крови) оставался в физиологическом диапазоне. Н+ буферизуются в ЭЦ с помощью дезоксигемоглобина и переносятся в венозной крови в этой форме. Дезоксигемоглобин как буфер для Н+ лучше, чем оксигемоглобин, т.к.

к тому времени, как кровь достигнет посткапилляра, гемоглобин конвертируется в дезоксигенированную форму (т.к. отдал О2 в ткани). Буферизация Н+ в дезоксигемоглобине связана с эффектом Бора: согласно эффекту Бора, увеличение конц. Н+ вызывает смещение равновесия в диссоциации оксигемоглобина (в сторону более интенсивной отдачи кислорода) – дезоксигенация сопровождается при этом буферизацией Н+.

•НСО3- : выходит из ЭЦ в обмен на анион хлора (хлорный шунт – для стабилизации заряда, транспорт обеспечивается anion exchanger 1 protein или band 3 protein), НСО3транспортируется в легкие в плазме венозной крови.

Работа легких при регулировании уровня pH в крови

Легкие влияют на pH ввиду того, что через них выдыхается CO2. При возрастании конц. ионов Н+ равновесие смещается в сторону образования СО2:

,

который далее выделяется легкими. При отказе почек, кот. тоже участвуют в выведении избытка Н+, процесс выделения СО2 через легкие интенсифицируется.