Внутрішнє дихання і транспорт газів

У попередній статті ми докладно розглянули як повітря потрапляє в легені. Тепер подивимося, що з ним відбувається далі.

система кровообігу

Ми зупинилися на тому, що кисень в складі атмосферного повітря надходить в альвеоли, звідки через їх тонку стінку за допомогою дифузії переходить в капіляри, обплутують альвеоли густою мережею. Капіляри з'єднуються в легеневі вени, які несуть кров, насичену киснем, в серце, а точніше в ліве його передсердя. Серце працює як насос, прокачувати кров по всьому організму. З лівого передсердя збагачена киснем кров відправиться в лівий шлуночок, а звідти - в подорож по великому колу кровообігу, до органів і тканин. Обмінявшись в капілярах тіла з тканинами поживними речовинами, віддавши кисень і забравши вуглекислий газ, кров збирається у вени і надходить у праве передсердя серця, і велике коло кровообігу замикається. Звідти починається мале коло.

Мале коло починається в правому шлуночку, звідки легенева артерія несе кров на «зарядку» киснем в легені, розгалужуючись і обплутуючи альвеоли капілярної мережею. Звідси знову - по легеневих венах у ліве передсердя і так до нескінченності. Щоб уявити собі ефективність цього процесу, уявіть собі, що час повного обороту крові становить всього 20-23 секунди. За цей час обсяг крові встигає повністю «оббігти» і великий і малий коло кровообігу.

Щоб наситити киснем настільки активно змінюється середу, як кров, необхідно враховувати такі фактори:

- кількість кисню і вуглекислого газу у вдихуваному повітрі (склад повітря)

- ефективність вентиляції альвеол (площа дотику, на якій відбувається обмін газами між кров'ю і повітрям)

- ефективність альвеолярного газообміну (ефективність речовин і структур, що забезпечують зіткнення крові і газообмін)

Склад вдихуваного, видихуваного і альвеолярного повітря

У звичайних умовах людина дихає атмосферним повітрям, що має відносно постійний склад. У видихуваному повітрі завжди менше кисню і більше вуглекислого газу. Найменше кисню і найбільше вуглекислого газу в альвеолярному повітрі. Різниця в складі альвеолярного і повітря, що видихається пояснюється тим, що останній є сумішшю повітря мертвого простору і альвеолярного повітря.

Крім того, газообмін у легенях протікає безперервно, незалежно від фаз вдиху або при видиху, що сприяє вирівнюванню складу альвеолярного повітря. При глибокому диханні, через наростання швидкості вентиляції легенів, залежність складу альвеолярного повітря від вдиху і видиху збільшується. При цьому треба пам'ятати, що концентрація газів «на осі» повітряного потоку і на його «узбіччі» теж буде відрізнятися: рух повітря «по осі» буде швидше і склад буде більше наближатися до складу атмосферного повітря. В області верхівок легенів альвеоли вентилюються менш ефективно, ніж в нижніх відділах легких, прилеглих до діафрагми.

вентиляція альвеол

Газообмін між повітрям і кров'ю здійснюється в альвеолах. Всі інші складові частини легенів служать тільки для доставки повітря до цього місця. Тому важлива не загальна величина вентиляції легенів, а величина вентиляції саме альвеол. Вона менше вентиляції легенів на величину вентиляції мертвого простору. Так, при хвилинному обсязі дихання, рівному 8000 мл і частоті дихання 16 в хвилину вентиляція мертвого простору складе 150 мл х 16 = 2400 мл. Вентиляція альвеол буде дорівнює 8000 мл - 2400 мл = 5600 мл. При тому ж самому хвилинному обсязі дихання 8000 мл і частоті дихання 32 в хвилину вентиляція мертвого простору складе 150 мл х 32 = 4800 мл, а вентиляція альвеол 8000 мл - 4800 мл = 3200 мл, тобто буде вдвічі меншою, ніж у першому випадку. Звідси випливає перший практичний висновок. ефективність вентиляції альвеол залежить від глибини і частоти дихання.

Величина вентиляції легенів регулюється організмом таким чином, щоб забезпечити постійний газовий склад альвеолярного повітря. Так, при підвищенні концентрації вуглекислого газу в альвеолярному повітрі хвилинний обсяг дихання збільшується, при зниженні - зменшується. Однак регуляторні механізми цього процесу знаходяться не в альвеолах. Глибина і частота дихання регулюються дихальним центром на підставі інформації про кількість кисню і вуглекислого газу в крові.

Обмін газів в альвеолах

Газообмін у легенях здійснюється в результаті дифузії кисню з альвеолярного повітря в кров (близько 500 л на добу) і вуглекислого газу з крові в альвеолярне повітря (близько 430 л на добу). Дифузія відбувається внаслідок різниці тиску цих газів в альвеолярному повітрі і в крові.

Дифузія - взаємне проникнення дотичних речовин один в одного внаслідок теплового руху частинок речовини. Дифузія відбувається в напрямку зниження концентрації речовини і веде до рівномірного розподілу речовини по всьому займаного ним об'єму. Так, знижена концентрація кисню в крові веде до його проникненню через мембрану повітряно-кров'яного (аерогематічеекого) бар'єру, надмірна концентрація вуглекислого газу в крові веде до його виділенню в альвеолярне повітря. Анатомічно повітряно-кров'яний бар'єр представлений легеневої мембраною, яка, в свою чергу, складається з ендотеліальних клітин капілярів, двох основних мембран, плоского альвеолярного епітелію, шару сурфактанту. Товщина легеневої мембрани всього 0,4-1,5 мкм.

Сурфактант - поверхнево-активна речовина, яка полегшує дифузію газів. Порушення синтезу сурфактанту клітинами легеневого епітелію робить процес дихання практично неможливим через різке уповільнення рівня дифузії газів.

Поступив в кров кисень і принесений кров'ю вуглекислий газ можуть перебувати як в розчиненому вигляді, так і в хімічно зв'язаному. У звичайних умовах у вільному (розчиненому) стані переноситься настільки мала кількість цих газів, що їм сміливо можна знехтувати при оцінці потреб організму. Для простоти будемо вважати, що основна кількість кисню і вуглекислого газу транспортується в зв'язаному стані.

транспорт кисню

Кисень транспортується у вигляді оксигемоглобіну. Оксигемоглобін - це комплекс гемоглобіну і молекулярного кисню.

Гемоглобін міститься в червоних кров'яних тільцях - еритроцитах. Еритроцити під мікроскопом схожі на злегка приплюснутий бублик. Така незвичайна форма дозволяє еритроцитів взаємодіяти з навколишнім кров'ю більшою площею, ніж кулястим клітинам (з тіл, що мають рівний об'єм, куля має мінімальну площу). А крім того, еритроцит здатний згортатися в трубочку, протискуючись у вузький капіляр і добираючись в найвіддаленіші куточки організму.

У 100 мл крові при температурі тіла розчиняється лише 0,3 мл кисню. Кисень, що розчиняється в плазмі крові капілярів малого кола кровообігу, дифундує в еритроцити, відразу ж зв'язується гемоглобіном, утворюючи оксигемоглобін, в якому кисню 190 мл / л. Швидкість зв'язування кисню велика - час поглинання дифундувати кисню вимірюється тисячними частками секунди. У капілярах альвеол з відповідними вентиляцією і кровопостачанням практично весь гемоглобін крові, що притікає перетворюється в оксигемоглобін. А ось сама швидкість дифузії газів «туди і назад» значно повільніше швидкості зв'язування газів.

Звідси випливає другий практичний висновок. щоб газообмін йшов успішно, повітря повинне «отримувати паузи», за час яких встигає вирівнятися концентрація газів в альвеолярному повітрі і крові, що притікає, тобто обов'язково має бути присутня пауза між вдихом і видихом.

Перетворення відновленого (безкисневого) гемоглобіну (дезоксигемоглобина) в окислений (що містить кисень) гемоглобін (оксигемоглобін) залежить від вмісту розчиненого кисню в рідкій частині плазми крові. Причому механізми засвоєння розчиненого кисню вельми ефективні.

У тканинах, що вимагають для нормальної життєдіяльності багато кисню (працюючі м'язи, печінку, нирки, залізисті тканини), оксигемоглобін «віддає» кисень дуже активно, іноді майже повністю. У тканинах, в яких інтенсивність окислювальних процесів мала (наприклад, в жировій тканині), велика частина оксигемоглобина не "віддає» молекулярний кисень - рівень дисоціації оксигемоглобіну низький. Перехід тканин зі стану спокою в діяльний стан (скорочення м'язів, секреція залоз) автоматично створює умови для збільшення дисоціації оксигемоглобіну і збільшення постачання тканин киснем.

Здатність гемоглобіну «утримувати» кисень (спорідненість гемоглобіну до кисню) знижується при збільшенні концентрації вуглекислого газу (ефект Бора) і іонів водню. Подібним же чином діє на дисоціацію оксигемоглобіну підвищення температури.

Звідси стає легко зрозумілим, як взаємопов'язані і збалансовані відносно один одного природні процеси. Зміни здатності оксигемоглобина утримувати кисень має величезне значення для забезпечення постачання їм тканин. У тканинах, в яких процеси обміну речовин протікають інтенсивно, концентрація вуглекислого газу і іонів водню збільшується, а температура підвищується. Це прискорює і полегшує «віддачу» гемоглобіном кисню і полегшує перебіг обмінних процесів.

У волокнах скелетних м'язів міститься близький до гемоглобіну миоглобин. Він володіє дуже високою спорідненістю до кисню. «Вхопившись» за молекулу кисню, він вже не віддасть її в кров.

Кількість кисню в крові

Максимальна кількість кисню, що може зв'язати кров при повному насиченні гемоглобіну киснем, називається кисневої ємністю крові. Киснева ємність крові залежить від вмісту в ній гемоглобіну.

Венозна кров в стані спокою містить близько 120 мл / л кисню. Таким чином, протікаючи по тканинним капілярах, кров віддає не весь кисень.

наприклад:
(200-120): 200 х 100 = 40%.

У спокої коефіцієнт утилізації кисню організмом коливається від 30 до 40%. При інтенсивній м'язовій роботі він підвищується до 50-60%.

Транспорт вуглекислого газу

Вуглекислий газ транспортується кров'ю в трьох формах. У венозної крові можна виявити близько 58 об. % (580 мл / л) С02, причому з них лише близько 2,5 об'ємних% знаходяться в розчиненому стані. Деяка частина молекул С02 з'єднується в еритроцитах з гемоглобіном, утворюючи карбогемоглобін (приблизно 4,5 об.%). Інша кількість С02 хімічно пов'язане і міститься у вигляді солей вугільної кислоти (приблизно 51 об.%).

Вуглекислий газ є одним з найбільш частих продуктів хімічних реакцій обміну речовин. Він безперервно утворюється в живих клітинах і звідти дифундує в кров тканинних капілярів. В еритроцитах він з'єднується з водою і утворює вугільну кислоту (С02 + Н20 = Н2С03).

Цей процес каталізується (прискорюється в двадцять тисяч раз) ферментом карбоангидразой. Карбоангидраза міститься в еритроцитах, в плазмі крові її немає. Т.о, процес з'єднання вуглекислого газу з водою відбувається практично тільки в еритроцитах. Але цей процес оборотний, який може змінювати свій напрям. Залежно від концентрації вуглекислого газу карбоангидраза каталізує як освіта вугільної кислоти, так і розщеплення її на вуглекислий газ і воду (в капілярах легких).

Завдяки зазначеним процесам зв'язування концентрація С02 в еритроцитах виявляється невисокою. Тому все нові кількості С02 продовжують дифундувати всередину еритроцитів. Накопичення іонів всередині еритроцитів супроводжується підвищенням в них осмотичного тиску, в результаті у внутрішньому середовищі еритроцитів збільшується кількість води. Тому обсяг еритроцитів в капілярах великого кола кровообігу дещо збільшується.

Гемоглобін має більшу спорідненість до кисню, ніж до вуглекислого газу, тому в умовах підвищення парціального тиску кисню карбогемоглобін перетворюється спочатку в дезоксигемоглобін, а потім в оксигемоглобін.

Крім того, при перетворенні оксигемоглобина в гемоглобін відбувається збільшенням здатності крові зв'язувати двоокис вуглецю. Це явище носить назву ефекту Холдейна. Гемоглобін служить джерелом катіонів калію (К +), необхідних для зв'язування вугільної кислоти у формі вуглекислих солей - бікарбонатів.

Отже, в еритроцитах тканинних капілярів утворюється додаткова кількість бікарбонату калію, а також карбогемоглобін. У такому вигляді двоокис вуглецю переноситься до легень.

У капілярах малого кола кровообігу концентрація двоокису вуглецю знижується. Від карбогемоглобін отщепляется С02. Одночасно відбувається утворення оксигемоглобіну, збільшується його дисоціація. Оксигемоглобін витісняє калій з бікарбонатів. Вугільна кислота в еритроцитах (в присутності карбоангідрази) швидко розкладається на Н20 і С02. Коло завершено.

Залишилося зробити ще одне зауваження. Чадний газ (СО) має більшу спорідненість до гемоглобіну, ніж вуглекислий газ (С02) і чим кисень. Тому отруєння чадним газом настільки небезпечні: вступаючи з стійкий зв'язок з гемоглобіном, чадний газ блокує можливість нормального транспорту газів і фактично «душить» організм. Жителі великих міст постійно вдихають підвищені концентрації чадного газу. Це призводить до того, що навіть достатню кількість повноцінних еритроцитів в умовах нормального кровообігу виявляється нездатним виконати транспортні функції. Звідси непритомність і серцеві напади відносно здорових людей в умовах автомобільних пробок.

Схожі статті

• Дихання - Мурза