Транспорт со2 кровью. Углекислый газ в атмосфере Земли

Углекислый газ является продуктом метаболизма клеток тканей и поэтому переносится кровью от тканей к легким. Углекислый газ выполняет жизненно важную роль в поддержании во внутренних средах организма уровня рН механизмами кислотно-основного равновесия. Поэтому транспорт углекислого газа кровью тесно взаимосвязан с этими механизмами.

В плазме крови небольшое количество углекислого газа находится в растворенном состоянии; при РС02= 40 мм рт. ст. переносится 2,5 мл/100 мл крови углекислого газа, или 5 %. Количество растворенного в плазме углекислого газа в линейной зависимости возрастает от уровня РС02.

В плазме крови углекислый газ реагирует с водой с образованием Н+ и HCO3. Увеличение напряжения углекислого газа в плазме крови вызывает уменьшение величины ее рН. Напряжение углекислого газа в плазме крови может быть изменено функцией внешнего дыхания, а количество ионов водорода или рН - буферными системами крови и HCO3, например путем их выведения через почки с мочой. Величина рН плазмы крови зависит от соотношения концентрации растворенного в ней углекислого газа и ионов бикарбоната. В виде бикарбоната плазмой крови, т. е. в химически связанном состоянии, переносится основное количество углекислого газа - порядка 45 мл/100 мл крови, или до 90 %. Эритроцитами в виде карбаминового соединения с белками гемоглобина транспортируется примерно 2,5 мл/100 мл крови углекислого газа, или 5 %. Транспорт углекислого газа кровью от тканей к легким в указанных формах не связан с явлением насыщения, как при транспорте кислорода, т. е. чем больше образуется углекислого газа, тем большее его количество транспортируется от тканей к легким. Однако между парциальным давлением углекислого газа в крови и количеством переносимого кровью углекислого газа имеется криволинейная зависимость: кривая диссоциации углекислого газа .

Поступление СО2 в легких из крови в альвеолы обеспечивается из следующих источников: 1) из СО2, растворенного в плазме крови (5-10%); 2) из гидрокарбонатов (80-90%); 3) из карбаминовых соединений эритроцитов (5-15%), которые способны диссоциировать.

Для СО2 коэффициент растворимости в мембранах аэрогематического барьера больше, чем для О2, и составляет в среднем 0,231 ммоль*л-1 кПа-1 поэтому СО2 диффундирует быстрее, чем O2. Это положение является верным только для диффузии молекулярного СО2. Большая часть СО2 транспортируется в организме в связанном состоянии в виде гидрокарбонатов и карбаминовых соединений, что увеличивает время обмена СО2, затрачиваемое на диссоциацию этих соединений.

Хотя СO2 растворяется в жидкости гораздо лучше, чем O2 , только 3−6 % общего количества продуцируемого тканями СO2 переносится плазмой крови в физически растворенном состоянии. Остальная часть вступает в химические связи.

Поступая в тканевые капилляры, СО2 гидратируется, образуя нестойкую угольную кислоту:

Направление этой обратимой реакции зависит от РCО2 в среде. Она резко ускоряется под действием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах, куда СO2 быстро диффундирует из плазмы.

Около4/5 углекислого газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО-3. Связыванию СO2 способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства) гемоглобина в момент отдачи им кислорода - дезоксигенирование (эффект Холдена). При этом гемоглобин высвобождает связанный с ним ион калия, с которым в свою очередь, реагирует угольная кислота:

Часть ионов НСО-3 диффундирует в плазму, связывая там ионы натрия, в эритроцит же поступают в порядке сохранения ионного равновесия ионы хлора. Кроме того, также за счет уменьшения протонного сродства дезоксигенированный гемоглобин легче образует карбаминовые соединения, связывая при этом еще около 15 % переносимого кровью СO2 .

В легочных капиллярах происходит высвобождение части СO2 , который диффундирует в альвеолярный газ. Этому способствует более низкое, чем в плазме, альвеолярное РCO2 также усиление кислотных свойств гемоглобина при его оксигенации. В ходе дегидратации угольной кислоты в эритроцитах (эта реакция тоже резко ускоряется карбоангидразой) оксигемоглобин вытесняет ионы калия из гидрокарбоната. Ионы НСО-3 поступают из плазмы в эритроцит, а ионы Cl- - в обратном направлении. Таким путем каждые 100 мл крови отдают в легких 4−5 мл СО2 - то же количество, какое кровь получает в тканях (артериовенозная разница по СO2).

Дыхательный центр и его отделы (дорсальная и вентральная группы респираторных нейронов, пневмотаксический центр). Регуляция дыхания при изменении газового состава крови (с хеморецепторов рефлексогенных зон), при раздражении механорецепторов легких и верхних дыхательных путей.

Регуляция дыхания. Дыхательный центр.

Бульбарный дыхательный центр расположен в медиальной части ретикулярной формации продолговатого мозга. Его верхняя граница находится ниже ядра лицевого нерва, а нижняя выше писчего пера. Этот центр состоит из инспираторных и экспираторных нейронов. В первых: нервные импульсы начинают генерироваться незадолго до вдоха и продолжаются в течение всего вдоха. Несколько ниже расположенные экспираторные нейроны. Они возбуждаются к концу вдоха и находятся в возбужденном состоянии в течение всего выдоха. В инспираторном центре имеется 2 группы нейронов. Это респираторные α и β-нейроны. Первые возбуждаются при вдохе. Одновременно к β-респираторным нейронам поступают импульсы от экспираторных. Они активируются одновременно с α-респираторными нейронами и обеспечивают их торможение в конце вдоха. Благодаря этим связям нейронов дыхательного центра они находятся в реципрокных отношениях (т.е. при возбуждении инспираторных нейронов экспираторные тормозятся и наоборот). Кроме того, нейронам бульбарного дыхательного центра свойственно явление автоматии. Эти их способность даже в отсутствии нервных импульсов от периферических рецепторов генерировать ритмические разряды биопотенциалов. Благодаря автоматии дыхательного центра происходит самопроизвольная смена фаз дыхания. Автоматия нейронов объясняется ритмическими колебаниями обменных процессов в них, в также воздействием на них углекислого газа. Эфферентные пути от бульбарного дыхательного центра идут к мотонейронам дыхательных межреберных и диафрагмальных мышц. Мотонейроны диафрагмальных мышц находятся в передних рогах 3-4 шейных сегментов спинного мозга, а межреберных в передних рогах грудных сегментов. Вследствие этого перерезка на уровне 1-2 шейных сегментов ведет к прекращению сокращений дыхательных мышц. В передней части варолиева моста также имеются группы нейронов участвующих в регуляции дыхания. Эти нейроны имеют восходящие и нисходящие связи с нейронами бульбарного центра. К ним идут импульсы от его инспираторных нейронов, а от них к экспираторным. За счет этого обеспечивается плавный переход от вдоха к выдоху, а также координация длительности фаз дыхания. Поэтому при перерезке ствола выше моста дыхание практически не изменяется. Если он перерезается ниже моста, то возникает гас-пинг – длительный вдох сменяется короткими выдохами. При перерезке между верхней и средней третью моста – апнейзис. Дыхание останавливается на вдохе, прерываемом короткими выдохами. Раньше считали, что в мосту находится пневмотаксический центр. Сейчас этот термин не применяется. Кроме этих отделов центральной нервной системы в регуляции дыхания участвуют гипоталамус, лимбическая система, кора больших полушарий. Они осуществляют более тонкую регуляцию дыхания.

Рефлекторная регуляция дыхания.

Основная роль в рефлекторной саморегуляции дыхания принадлежит механорецепторам легких. В зависимости от локализации и характера чувствительности выделяют три их вида:

1. Рецепторы растяжения. Находятся преимущественно в гладких мышцах трахеи и бронхов. Возбуждаются при растяжении их стенок. В основном они обеспечивают смену фаз дыхания.

2. Ирритантрые рецепторы. Расположены в эпителии слизистой трахеи и бронхов. Они реагируют на раздражающие вещества и пылевые частицы, а также резкие изменения объема легких (пневмоторакс, ателектаз). Обеспечивают защитные дыхательные рефлексы, рефлекторное сужение бронхов и учащение дыхания.

3. Юкстакапиллярные рецепторы. Находятся в интерстициальной ткани альвеол и бронхов. Возбуждаются при повышении давления в малом круге кровообращения, а также увеличении объема интерстициальной жидкости. Эти явления возникают при застое в малом круге кровообращения или пневмониях.

Важнейшим для дыхания является рефлекс Геринга-Брейера. При вдохе легкие растягиваются и возбуждаются рецепторы растяжения. Импульсы от них по афферентным волокнам блуждающих нервов поступают в бульбарный дыхательный центр. Они идут к β-респираторным нейронам, которые в свою очередь тормозят α-респираторные. Вдох прекращается и начинается выдох. После перерезки блуждающих нервов дыхание становится редким и глубоким. Поэтому данный рефлекс обеспечивает нормальную частоту и глубину дыхания, а также препятствует перерастяжению легких. Определенное значение в рефлекторной регуляции дыхания имеют проприорецепторы дыхательных мышц. При сокращении мышц импульсы от их проприорецепторов поступают к соответствующим мотонейронам дыхательных мышц. За счет этого регулируется сила сокращений мышц при каком-либо сопротивлении дыхательным движениям.

Гуморальная регуляция дыхания.

В гуморальной регуляции дыхания принимают участие хеморецепторы, расположенные в сосудах и продолговатом мозге. Периферические хеморецепторы находятся в стенке дуги аорты и каротидных синусов. Они реагируют на напряжение углекислого газа и кислорода в крови. Повышение напряжения углекислого газа называется гиперкапнией, понижение – гипокапнией. Даже при нормальном напряжении углекислого газа рецепторы находятся в возбужденном состоянии. При гиперкапнии частота нервных импульсов идущих от них к бульбарному центру возрастает. Частота и глубина дыхания увеличивается. При снижении напряжения кислорода в крови, т.е. гипоксемии, хеморецепторы также возбуждаются, и дыхание усиливается. Причем периферические хеморецепторы более чувствительны к недостатку кислорода, чем избытку углекислоты.

Центральные или медуллярные хеморецепторные нейроны располагаются на переднебоковых поверхностях продолговатого мозга. От них идут волокна к нейронам дыхательного центра. Эти рецепторные нейроны чувствительны к катионам водорода. Гематоэнцефалический барьер хорошо проницаем для углекислого газа и лишь незначительно для протонов. Поэтому рецепторы реагируют на протоны, которые накапливаются в межклеточной и спинномозговой жидкости в результате поступления в них углекислого газа. Под влиянием катионов водорода на центральные хеморецепторы резко усиливается биоэлектрическая активность инспираторных и экспираторных нейронов. Дыхание учащается и углубляется. Медуллярные рецепторные нейроны более чувствительны к повышению напряжения углекислого газа.

Механизм активации инспираторных нейронов дыхательного центра лежит в основе первого вдоха новорожденного. После перевязки пуповины в его крови накапливается углекислый газ и снижается содержание кислорода. Возбуждаются хеморецепторы сосудистых рефлексогенных зон, активируются инспираторные нейроны, сокращаются инспираторные мышцы, происходит вдох. Начинается ритмическое дыхание.

Существует фактор перехода О2 и СО2, называется диффузионная способность легких. Это способность газа проникать через легочные мембраны за 1 мин. При изменении давления на 2 мм рт.ст. в норме диффузионная способность легких для О2 равна 25-35 мл/мин, при изменении давления на 1 мм рт.ст.. для СО2 24 раза выше. Скорость диффузии зависит от след. факторов.:

1. От разности парциального давления

2. От диффузионной способности

3. От перфузии

Транспорт газов кровью. Газы могут быть в растворенном состоянии и физически связанном. Кол-во газа зависит от парциального давления газа над жидкостью и от коэффициента растворимости. Чем выше давление газа и меньше температура, чем больше газа будет растворяться в жидкости, растворение газа в жидкости показывает коэффициент растворимости. Для О2 коэффициент растворимости равен 0,022, а для СО2 0,51. В артериальной крови при парциальном давлении О2 100мм рт.ст. в растворенном состоянии находится 0,3%. СО2 при парциальном давлении 40 мм рт.ст. в растворенном состоянии находится 2,5%.

Транспорт О2. Большая часть О2 переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. Направление реакции зависит от парциального давления, О2 и содержание оксигемоглобина в крови отражается кривой диссоциации оксигемоглобина. Эту зависимость меду парциальным давлением и кол-вом оксигемоглобина вывел ученый Бак Форд. При 40 мм рт.ст. 80% гемоглобина насыщается О2, а при 60мм рт.ст. 90 % гемоглобина насыщается О2 и превращается в оксигемоглобин. Способность гемоглобина реагировать с О2 называется сродство. На это сродство влияет несколько факторов:

1. Эритроциты содержат 2,3дифосфоглицерат, его кол-во увеличивается при снижении напряжения, а при снижении напряжения О2 снижается.

3. РН крови. Чем больше РН тем сродство меньше.

4. Температура. Чем выше, тем сродство меньше.

Максимальное кол-во О2, которое может связать кровь при полном насыщении гемоглобина называется кислородной емкостью крови. 1 грамм гемоглобина связывает 1,34мм О2, поэтому кислородная емкость крови равна 19.

Транспорт СО2. СО2 в венозной крови составляет 55-58%. СО2 может переноситься в нескольких видах:

1. Соединение гемоглобина с СО2-называется карбгемоглобин, его 5%. А остальной СО2 транспортируется в виде кислых солей угольной кислоты. Угольная кислота образуется в клетках, она может переходить из тканей в кровь. Часть этого СО2 остается в физически растворенном состоянии, а большая часть претерпевает изменение. Эритроцитами переносится 2 соединения: карбгемоглобин и бикарбонат калия(KНСО3), а плазмой крови переносится бикарбонат натрия (NaHCO3).

Нервно-гуморальная регуляция дыхания. Дыхательный центр. Само регуляция. Регуляция дыхания – это приспособление дыхания к постоянно меняющимся потребностям организма в кислороде. Важно, чтобы деятельность дыхательной системы соответствовала точности с потребностями организма в кислороде для оптимальной регуляции дыхания необходимо соответствующее механизмы – это рефлекторные и гуморальные механизмы. Рефлекторные механизмы или нервные осуществляются дыхательным центром. Дыхательным центром называется совокупность специализированных нервных клеток, которые расположены в различных отделах ЦНС, которые обеспечивают координационное ритмичное дыхание. Еще в начале XIX века французский ученый Легалуа обнаружил в опятах на птицах, что при действии на продолговатый мозг изменяется дыхание. А в 1842 году ученый Плоуранс экспериментально доказал, также в опытах путем раздражения и разрушения участков продолговатого доказал, что дыхательный центр находится в продолговатом мозне. Было установлено, что перерезка мозга выше Воролевого моста не изменяет дыхание. А если сделать перерезку между Воролевым мостом и продолговатым мозгом, то изменяется глубина и частота дыхания, а если сделать ниже продолговатого мозга, то дыхание останавливается. Этими опытами было доказано, что есть первичный дыхательные центры, которые находятся в головном мозге:

1-ый дыхательный центр: продолговатый мозг – он отвечает за смену вдоха и выдоха. Этот опыт также доказал в 1859 году русский ученый Миславский, путем точечного раздражения. Он установил, что дыхательный центр располагается в продолговатом мозге на дне 4-го желудочка в области ретикулярной фармации. Этот дыхательный центр является парным состоит из правой и левой половины. Нейроны правого посылают импульсы в дыхательные мышцы правой половины, а левого участка к левой половине. Каждый из них состоит еще из 2-х отделов: центр вдоха и центр выдоха, т.е. центр инспирации и центр экспирации.

2-ой дыхательный центр находится в Воролевом мосту он называется пневмотоксический, он отвечает за глубину и частоту дыхания. Есть еще и вторичные центры, которые находятся в спинном мозге. К ним относятся 3-й центр шейный отдел спинного мозга, здесь находится центр диафрагмального нерва. 4-й в грудном отделе спинного мозга, здесь находится центр межреберных мышц. 5-й – гипоталамус. 6-й кора головного мозга – это на увиденное, на услышанное изменяется дыхание. Главным гуморальным регулятором дыхательного центра является избыток СО2. Роль СО2 как специфического раздражителя дыхательного центра был доказан ученым Фредериком в опыте на собаке с перекрестным кровообращением. Для этого Фредерик брал 2-х животных, соединял их единым кругом кровообращения, пережимал трахею у 1-ой собаки, у нее в крови появлялся избыток СО2 – это называется гиперкапния и недостаток О2 – гипоксия. Кровь 1-ой собаки с избытком СО2 омывало головной мозг 2-ой собаки, и у 2-ой собаки наблюдалась отдышка, а у 1-ой наоборот задержка дыхания. В 1911 году немецкий ученый Винтерштейн высказал мысль, что в возбудителях дыхательного центра является не сам СО2, а концентрация водорода с ионами, т.е. совмещение, изменение РН в кислую сторону. Но в дальнейшем его теория была отвергнута и было доказано, что раздражителем является избыток СО2.

Рефлексы Гейл Инга – Бреера. Эти рефлексы можно наблюдать при раздражении вагуса, наблюдают 3 вида рефлекса:

1. Инспираторно – тормозящий – прекращение вдоха

2. Экспираторно – облегчающий – при выдохе задерживается наступление следующего вдоха

3. Сильное разевание легких вызывает короткое сильное возбуждение инспираторных мышц, возникает судорожный вдох(вздох) – это называется парадоксальный эффект Хд. Значение рефлексов Гейл Инга – Бреера состоит в регулировании соотношения глубины и частоты дыхания в зависимости от состояния легких. Регуляция дыхания обеспечивает 2 группы процессов, которые обеспечивает наш организм:

1. Поддержание газового состава артериальной крови – гомеостатическая регуляция

2. Процесс, приспособления дыхания к изменяющимся условиям окружающей среды – поведенческая регуляция..

Только 3-6% (2-3 мл) СО 42 0 переносится плазмой крови в растворенном состоянии. Остальная часть переносится в виде химических соединений: в виде бикарбонатов, и с Нв в виде карбгемоглобина.

В тканях.

Благодаря градиентам напряжений, СО 2 , образующийся в тканях, переходит из интерстициальной жидкости в плазму крови, а из нее в эритроциты.

Еще в 1870 г. И.М.Сеченов обнаружил соединение СО 2 с гемоглобином. Это соединение возникает за счет связи СО 2 с аминогруппой гемоглобина (карбгемоглобин - 3-4 мл).

1. НbNH2 + CO2 = HbNHCOOH

Попадая в кровь из ткани СО2 вступает в реакцию с водой и образует угольную кислоту:

2. СО2 + Н2О = Н2СО3

В виде угольной кислоты переносится незначительная часть СО2. Эта реакция в плазме медленнее, а в эритроцитах быстрее, так как там имеется фермент-карбоангидраза,которая ускоряет реакцию в 20000 раз. Под влиянием фермента реакция может протекать как в ту, так и в другую сторону. Все зависит от парциального напряжения СО2.

Когда кровь проходит через ткани, где СО2 много, карбоангидраза в эритроцитах способствует образованию Н2СО3. В легких, где СО2 меньше, карбоангидраза способствует распаду Н2СО3. Угольная кислота легко диссоциирует на ионы Н+ и НСО3-.

Между анионами НСО3-, находящимися в эритроцитах и в плазме существует определенное соотношение. Это соотношение не меняется во всех отделах кровеносного русла:

К=НСО3 эритроциты/нсо3 плазмы = 0,84

Если количество ионов увеличивается, они диффундируют из эритроцита в плазму и наоборот. Такое соотношение существует и для ионов СL в эритроцитах и плазме. Выход НСО3- как правило уравновешивается входом С1-.

Анионы НСО3- в большей своей массе (50 мл) связываются с катионами. В плазме с натрием. Таким образом образуется NаНСО3.

3. Na + НСО3 = NаНСО3

А в эритроците с калием. Образуется КНСО3.

4. К + НСО3 = КНСО3

Итак СО2 переносится кровью в виде:

1. карбгемоглобина в эритроцитах,

2. в растворенном виде в плазме и эритроцитах,

3. в виде бикарбоната натрия в плазме и бикарбоната калия в эритроцитах.

4. в виде угольной кислоты.

Эритроцит Плазма Ткани

СО2 ¦ СО2 _¦ СО2

В связи с образованием в эритроцитах Н2СО3 и карбгемоглобина распадается КНвО2, так как угольная кислота обладает более сильными кислыми свойствами.

КHb + Н2СО3 = КНСО3 + ННb

Так в крови тканевых капилляров одновременно с поступлением СО2 внутрь эритроцита и образованием в нем угольной кислоты происходит отдача кислорода оксигемоглобином. Восстановленный гемоглобин представляет собой более слабую кислоту, чем оксигенированный. Поэтому он легче связывается с СО2.

Таким образом, переход СО2 в кровь способствует выходу О2 из крови в ткани. Поэтому, чем больше в тканях образуется СО2, тем больше ткани получают О2.

В легких.

Эритроцит Плазма Легкие

СО2 _¦ СО2 _¦ СО2

Парциальное давление О2 в легких - 100 мм рт.ст., а в крови 40 мм рт.ст., поэтому кислород идет из альвеол в кровь. В эритроцитах он соединяется с восстановленным гемоглобином (оксигемоглобин). Под влиянием оксигемоглобина карбгемоглобин распадается идет в плазму, а затем в альвеолы.

В плазме NaHCO3 диссоциирует. Анионы идут в эритроциты, где произошла диссоциация КС1. Анионы НСО3 образуют КНСО3, а ионы С1 идут в плазму, соединяясь с Nа. Оксигемоглобин вступает в реакцию с КНСО3 и в результате образуется калиевая соль оксигемоглобина и угольная кислота, которая под влиянием карбоангидразы распадается на воду и СО2.

/Н2СО3=СО2+Н2О/. СО2 входит в плазму, а затем в альвеолы.

Таким образом, для того чтобы СО2 покинул кровь необходимо образование оксигемоглобина.

В состоянии покоя в процессе дыхания из организма человека удаляется 230 мл СО2 в минуту. Поскольку углекислый газ является "летучим" ангидридом угольной кислоты, то при его удалении из крови исчезает примерно эквивалентное количество ионов Н+. Поэтому дыхание играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия во внутренней среде организма. Если в результате обменных процессов в крови увеличивается содержание водородных ионов, то благодаря гуморальным механизмам регуляции дыхания, это приводит к увеличению легочной вентиляции /гипервентиляции/.

Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях.

Кислород проникает из крови в клетки тканей путем диффузии, обусловленной разностью его парциальных давлений по обе стороны гистогематического барьера. Величина потребления О2 в различных тканях неодинакова и связана с периодической активностью тканей. Наиболее чувствительны к недостатку О2 клетки мозга, особенно коры больших полушарий, где окислительные процессы очень интенсивны. Именно поэтому мероприятия по реанимации человека приносят успех только в том случае, если они начаты не более чем через 4-5 мин после остановки дыхания.

Кислород, поступающий в ткани, используется в клеточных окислительных процессах, которые протекают на клеточном уровне с участием специальных ферментов, расположенных группами в строгой последовательности на внутренней поверхности мембран митохондрий. Более подробно данный процесс изучает курс биохимии. Для нормального хода окислительных обменных процессов в клетках необходимо, чтобы напряжение кислорода в области митохондрий было не меньше 0,1-1 мм рт.ст. Эта величина называется критическим напряжением кислорода в митохондриях. Поскольку единственным резервом О2 в большинстве тканей служит его физически растворенная фракция, снижение поступления О2 из крови приводит к тому, что потребности тканей в О2 перестают удовлетворяться, развивается кислородное голодание и окислительные обменные процессы замедляются. Единственной тканью, в которой имеется депо О2, является мышечная. Роль депо О2 в данной ткани играет белок миоглобин, близкий по строению к гемоглобину и способный обратимо связывать О2.

Соотношение компонентов дыхательного цикла: длительность фаз инспирации и экспирации, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях - характеризует так называемый рисунок или паттерн дыхания. Во время разговора, приема пищи паттерн дыхания меняется, периодически наступает апноэ - задержки дыхания на вдохе или на выдохе, т.е. при осуществлении некоторых рефлексов /например, глотательного, кашлевого, чихательного/, а также определенных видов деятельности, характерных для человека /речи, пения/, характер дыхания должен изменяться, а химический состав артериальной крови должен оставаться постоянным.

Учитывая все эти разнообразные, и часто очень сложные комбинированные запросы, предъявляемый к дыхательной системе вполне понятно, что для ее оптимального функционирования необходимы сложные регуляторные механизмы.

Регуляция дыхания.

Учение о дыхательном центре берет свое начало с Галена, который наблюдал остановку дыхания у животного после отделения у него головного мозга от спинного. Другой ученый- Лори в 1760 году отметил прекращение дыхания после повреждения стволовой части головного мозга.

В начале Х1Х в. ученым Легаллуа, а потом и Флуранс было установлено, что у всех позвоночных животных после удаления головного мозга выше продолговатого дыхательные движения сохраняются, но они неминуемо и причем сразу прекращаются после разрушения продолговатого мозга или после перерезки спинного мозга под продолговатым. Если, не разрушая продолговатый мозг, выключить его функции путем охлаждения, то результатом также явится остановка дыхания.

В связи с этим, французский физиолог Мари Ж.П.Флуранс в Х1Хв. ввел такое понятие, как "жизненный центр", а т.к. укол иглой в область писчего пера мгновенно останавливал дыхательные движения, то этот участок продолговатого мозга Флуранс назвал "жизненным узлом" /1842/.

Миславский в 1885 году доказал, что дыхательный центр локализован в продолговатом мозге и является парным образованием, т.е. двусторонним: левая и правая части. При чем имеется два антагонистических отдела, отвечающих соответственно за инспирацию и экспирацию, т.е. ритмичное чередование вдоха и выдоха, которое обусловлено взаимодействием различных групп нервных клеток.

Дыхательный центр.

Подавляющая масса дыхательных нейронов сосредоточена в двух группах ядер продолговатого мозга: дорсальной и вентральной.

Большая часть нейронов дорсальной группы - инспираторные. Ядра вентральной дыхательной группы содержат наряду с инспираторными и экспираторные нейроны.

Однако, это грубое деление дыхательных нейронов на инспираторноые и экспираторные. Как показали современные исследования, выполненные при помощи микроэлектродной техники, эти два основных типа подразделяются на разные подтипы, различающиеся между собой как по точному началу, так и по тому куда направляется их импульсация.

В настоящее время различают: а) "полные" инспиратоные и экспираторные нейроны, ритмическое возбуждение которых по времени точно совпадает с соответствующей фазой дыхания, б) "ранние" инспираторные и экспираторнве нейроны, дающие короткие серии импульсов до начала вдоха или выдоха, в) "поздние", проявляющие залповую активность уже после начала инспирации или экспирации, а так-же нейроны, получившие название г) экспиратоно-инспираторных, д) инспираторно-экспираторных и е) непрерывных.

Исследования показали, что в варолиевом мосту также имеются скопления нейронов, имеющих отношение к регуляции дыхания. Данные нейроны участвуют в регуляции длительности фаз вдоха и выдоха, т.е. в переключении фаз дыхательного цикла. Скопление нейронов варолиевого моста, участвующее в регуляции дыхания, принято называть пневмотаксическим центром.

Механизм периодической деятельности ДЦ.

На основе многих экспериментальных исследований в настоящее время созданы различные модельные представления о деятельности дыхательного центра. Их можно кратко обобщить.

У новорожденного первый вдох (первый крик) происходит в момент пережатия пуповины. После прекращения связи с матерью, в крови новорожденного быстро увеличивается концентрация в крови СО2 и уменьшается количество О2. Эти изменения активируют центральные и периферические хеморецепторы. Импульсы от данных рецепторов возбуждают нейроны дорзальной группы дыхательного центра (так называемый "центр вдоха"). Аксоны данной (дорзальной) группы нейронов направляются в шейные сегменты спинного мозга и образуют синапсы с мотонейронами диафрагмального ядра.

Эти нейроны возбуждаются и происходит сокращение диафрагмы. Как вы знаете, диафрагма иннервируется парой диафрагмальных нервов (n.n. phrenici). Волокна, образующие эти нервы, являются аксонами нервных клеток, лежащих в передних рогах Ш-V шейных сегментах спинного мозга и выходят из них в составе Ш-V передних спинномозговых корешков. Одновременно с возбуждением мотонейронов диафрагмального ядра сигналы идут к тем инспираторным нейронам, которые возбуждают- мотонейроны спинного мозга, которые иннервируют наружные межреберные и межхрящевые мышцы. Происходит вдох.

Большое значение для возникновения вдоха имеет активация тактильных и температурных рецепторов, повышающих активность ЦНС.

Поэтому если ребенок долго не делает первый вдох, то необходимо побрызгать в лицо водой, похлопать по пяткам, тем самым усиливая импульсы с экстерорецепторов.

Одновременно информация из центра вдоха поступает к дыхательным нейронам варолиевого моста (так называемый "пневмотаксический центр"), откуда импульсы посылаются к экспираторным нейронам (в так называемый "центр выдоха"). Кроме того, экспираторные нейроны получают информацию прямо от "центра вдоха". Возбуждение экспираторных нейронов усиливается под влиянием импульсов, поступающих от рецепторов растяжения легких. Среди экспираторных нейронов имеются тормозные, активация которых приводит к прекращению возбуждения инспираторных нейронов. В результате вдох прекращается. Наступает пассивный выдох.

Если дыхание усиленное, то пассивный выдох не обеспечивает изгнания из легких необходимого количества воздуха. Тогда активированные экспираторные нейроны посылают импульсы к мотонейронам спинного мозга, иннервирующим внутренние косые межреберные и брюшные мышцы. Эти мотонейроны расположены в грудных и поясничных сегментах спинного мозга. Указанные мышцы сокращаются и следовательно обеспечивают более глубокий выдох.

Следуют подчеркнуть значение в переключении фаз вдоха нейронов варолиевого моста, объединенных в пневмотаксический центр.

Дыхательный центр всегда находится под контролем. Дыхательные нейроны продолговатого отдела и моста постоянно получают информацию из вышележащих отделов головного мозга: гипоталамуса, лимбической системы, коры больших полушарий. Они имеют большое значение к приспособлению дыхания к условиям жизнедеятельности.

Факт изменения дыхания при прямом раздражении коры больших полушарий электрическим током был открыт Данилевским (1876). С этого времени многократно высказывались утверждения, что в коре больших полушарий имеются дыхательные центры, специфическим образом изменяющих дыхание.

Роль коры в регуляции дыхания была убедительно показана в исследованиях Асратяна (1938). Он показал, что бескорковые собаки не могут приспособить дыхания к условиям внешней среды. Стоит бескорковым собакам в течении 1-2 мин сделать несколько шагов по комнате, чтобы у них гначалась резко выраженная и длительная одышка.

Во многих исследованиях было показано условнорефлекторное изменение дыхания. Ольнянская (1950) впервые экспериментально установила, что если за несколько секунд до начала мышечной работы давать звуковые сигналы, то после нескольких опытов звуковой сигнал сам по себе вызывал увеличение легочной вентиляции.

Полушария головного мозга осуществляют свое влияние на дыхательный центр как через кортико-бульбарные пути, так и через подкорковые структуры. И.П.Павлов писал о дыхательном центре: "С самого начала думали, что это точка с булавочную головку в продолговатом мозгу. Но теперь он чрезвычайно расползся, поднялся в головной мозг и спустился в спинной и сейчас границы его точно никто не укажет".

Т.о. дыхательном центром называют совокупность взаимосвязанных нейронов ЦНС, обеспечивающих координированную ритмическую деятельность дыхательных мышц и постоянное приспособление внешнего дыхания к изменяющимся условиям внутри организма и в окружающей среде. Условно дыхательный центр можно подразделить на 3 отдела:

1.Низший - включает в себя мотонейроны спинного мозга, иннервирующие дыхательные мышцы.

2.Рабочий- объединяет нейроны продолговатого отдела и моста.

3.Высший - все вышележащие нейроны, влияющие на процесс дыхания.

В венозной крови содержится около 580 мл / л С02. В крови он содержится в трех формах: связанный в виде угольной кислоты и ее солей, связанный с и в растворенном виде.
С02 образуется в тканях при окислительных процессах. В большинстве тканей Рсо2 составляет 50-60 мм рт. ст. (6,7-8 кПа). В крови, поступающей в артериальное конец капилляров, РаCO2 составляет около 40 мм рт. ст. (5,3 кПа). Наличие градиента заставляет С02 диффундировать из тканевой жидкости до капилляров. Чем активнее в тканях осуществляются процессы окисления, тем больше создается СОТ и тем больше Ртк.со2. Интенсивность окисления в различных тканях различна. В венозной крови, оттекающей от ткани, Pvco приближается к 50 мм рт. ст. (6,7 кПа). А в крови, оттекающей от почек, Pvco2 составляет около 43 мм рт. ст. Поэтому в смешанной венозной крови, поступающей в правого предсердия, в состоянии покоя Pvco2 равна 46 мм рт. ст. (6,1 кПа).
С02 растворяется в жидкостях активнее, чем 02. При РCO2 равный 40 мм рт. ст. (5,3 кПа), в 100 мл крови растворено 2,4-2,5 мл СОГ, что составляет примерно 5% от общего количества газа, который транспортируется кровью. Кровь, проходящая через легкие, отдает далеко не весь С02. Большая часть его остается в артериальной крови, поскольку соединения, которые образуются на основе С02, участвуют в поддержании кислотно-основного равновесия крови - одного из параметров гомеостаза.
Химически связанный С02 находится в крови в одной из трех форм:
1) угольная кислота (Н2С03):
2) бикарбонатный ион (НСОИ)
3) карбогемоглобин (ННЬС02).
В форме угольной кислоты переносится только 7% СОГ, бикарбонатных ионов - 70%, карбогемоглобин - 23%.
С02, который проникает в кровь, сначала подвергается гидратации с образованием угольной кислоты: С02 + Н20 Н2СОз.
Эта реакция в плазме крови происходит медленно. В эритроците, куда С02 проникает по градиенту концентрации, благодаря специальному ферменту - карбоангидразы - этот процесс ускоряется примерно в 10 000 раз. Поэтому эта реакция происходит в основном в эритроцитах. Создаваемая здесь угольная кислота быстро диссоциирует на Н + и НСО3-, чему способствует постоянное образование угольной кислоты: Н2С03 Н + + НСО3-.
При накоплении НСО3-в эритроцитах создается его градиент с плазмой. Возможность выхода НСО3-в плазму определяется условий: выход НСО3-должен сопровождаться одновременным выходом катиона или поступлением другого аниона. Мембрана эритроцита хорошо пропускает отрицательные, но плохо - положительные ионы. Чаще образования и выход НСО3-из эритроцитов сопровождается поступлением в клетку СИ "". Это перемещение называют хлоридным сдвигом.
В плазме крови НСО3-"взаимодействуя с катионами, создает соли угольной кислоты. В виде солей угольной кислоты транспортируется около 510 мл / л С02.
Кроме того, СОТ может связываться с белками: частично - с белками плазмы, но главным образом - с гемоглобином эритроцитов. При этом сог взаимодействует с белковой частью гемоглобина - глобина. Гем же остается свободным и сохраняет способность гемоглобина находиться одновременно в связи как с С02, так и 02. Таким образом, одна молекула НЬ может транспортировать оба газа.
В крови альвеолярных капилляров все процессы осуществляются в противоположном направлении. Главная из химических реакций - дегидратация - происходит в эритроцитах при участии той же карбоангидразы: Н + + НСО3 Н2С03 Н20 + С02.
Направление реакции определяется непрерывным выходом С02 с эритроцита в плазму, а из плазмы в альвеолы. В легких в связи с постоянным его выделением происходит реакция диссоциации карбогемоглобин:
ННЬС02 +02 ННЬ02 + С02-> НЬ02 + Н + + С02.
Взаимосвязь транспорта кислорода и диоксида углерода. Выше указывалось, что форма кривой диссоциации оксигемоглобина влияет на содержание С02 в крови. Эта зависимость связана с тем, что дезоксигемоглобином является слабой кислотой, чем оксигемоглобин, и может присоединять более Н + Вследствие этого при уменьшении содержания оксигемоглобина повышается степень диссоциации Н2СОз, а следовательно, увеличивается транспорт С02 кровью. Эта зависимость называется эффектом Холдейна.
Взаимосвязь обмена двуокиси углерода и кислорода ярко обнаруживается в тканях и легких. К тканям поступает оксигенированный кровь. Здесь под влиянием С02 усиливается диссоциация гемоглобина. Поэтому поступление кислорода в ткани способствует ускорению поглощения С02 кровью.
В легких происходят обратные процессы. Поступление 02 снижает сродство крови к С02 и облегчает диффузию С02 в альвеолы. Это, в свою очередь, активизирует ассоциации гемоглобина с кислородом.