Добавлен: 01.12.2023
Просмотров: 53
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Легкие получают кровь из двух основных источников. Они получают деоксигенированную кровь из правых отделов сердца. Эта кровь поглощает кислород в легких и переносит его обратно в левую часть сердца, где он перекачивается к клеткам по всему телу. Легкие также получают насыщенную кислородом кровь от сердца, которая обеспечивает кислородом клетки легких для клеточного дыхания.
-
Газообмен в лёгких и тканях
Газообмен это биологический процесс, посредством которого газы переносятся через клеточные мембраны, чтобы попасть в кровь или выйти из нее. Кислород постоянно необходим клеткам для аэробного клеточного дыхания, и тот же процесс постоянно производит углекислый газ в качестве побочного продукта. Газообмен происходит между кровью и клетками по всему телу, при этом кислород покидает кровь и поступает в клетки, а углекислый газ выходит из клеток и поступает в кровь. Газообмен также происходит между кровью и воздухом в легких, при этом кислород поступает в кровь из вдыхаемого воздуха внутри легких, а углекислый газ выходит из крови и поступает в воздух для выдоха из легких [3].
Газообмен осуществляется в альвеолах лёгких, и в норме направлен на захват из вдыхаемого воздуха кислорода и выделение во внешнюю среду образованного в организме углекислого газа.
Газообмен происходит за счет распространения через клеточные мембраны. Молекулы газа естественным образом перемещаются по градиенту концентрации из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Это пассивный процесс, не требующий энергии. Чтобы диффундировать через клеточные мембраны, газы должны сначала раствориться в жидкости. Кислород и углекислый газ транспортируются по телу растворенными в крови. Оба газа связываются с белком гемоглобином в красных кровяных тельцах, хотя кислород делает это более эффективно, чем углекислый газ. Некоторое количество углекислого газа также растворяется в плазме крови.
Внешнее дыхание - это еще один термин для газообмена. Он описывается как объемный поток воздуха в легкие и из них, так и перенос кислорода и углекислого газа в кровоток посредством диффузии.
Внутреннее дыхание, с другой стороны, описывает капиллярный газообмен в тканях тела.
В то время как приток воздуха из внешней среды происходит за счет изменения давления в легких, механизмы альвеолярного газообмена
более сложны.
Основными тремя компонентами газообмена являются площадь поверхности альвеоло-капиллярной мембраны, градиенты парциального давления газов и соответствие вентиляции и перфузии.
Итак, если бы мы нарисовали путь для молекул кислорода, поступающих в тело, он бы начинался из носа или рта и заканчивался в легких, где достигал бы альвеол , обернутых сложной сетью крошечных кровеносных сосудов, называемых легочными капилляры [1].
Итак, из альвеол молекулы газа пойдут в кровь по капиллярам. Углекислый газ следует по тому же пути, но в обратном направлении, перемещаясь из крови в капиллярах в воздух в альвеолах, а затем выдыхаясь.
Теперь важная роль в этом процессе принадлежит альвеоло- капиллярной мембране, где слой альвеолярных клеток, выстилающих альвеолы, встречается с эндотелиальными клетками, составляющими легочный капилляр и где происходит газообмен.
Когда дело доходит до площади поверхности альвеоло-капиллярной мембраны, чем больше, тем лучше, потому что дыхательная мембрана с большой площадью поверхности имеет больше газа для диффузии через нее за определенный период времени, что приводит к более эффективному газообмену.
Например, при эмфиземе, которая представляет собой состояние, при котором альвеолы постепенно разрушаются, общая площадь поверхности, обеспечивающая газообмен, уменьшается. Если площадь поверхности для газообмена меньше, скорость диффузии уменьшается.
Другим аспектом, связанным с альвеоло-капиллярной мембраной, влияющим на газообмен, является ее толщина. Так, в здоровых легких дыхательная мембрана имеет толщину 0,5–1 мкм. С другой стороны, при фиброзе легких альвеолярно-капиллярная стенка утолщается, а более толстая альвеоло- капиллярная мембрана снижает скорость диффузии.
Теперь газообмен через альвеоло-капиллярную мембрану происходит в соответствии с так называемым законом Фика. Закон Фика гласит, что результирующая скорость диффузии (V) любого конкретного газа через альвеолярно-капиллярную мембрану пропорциональна движущей силе, которая представляет собой разницу между парциальным давлением газа в альвеолярных мешочках, или PA, и парциальное давление газа в крови, или Па, а также пропорциональное площади поверхности мембраны
, или А, но обратно пропорциональное толщине стенки - Т. В частности, движущей силой диффузии является разность парциальных давлений газа на мембране, а не разность концентраций.
Таким образом, диффузия кислорода и углекислого газа через дыхательную мембрану осуществляется за счет их градиентов парциального давления [6].
Следовательно, если парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе равно 100 мм рт.ст., а смешанной венозной крови, поступающей в легочный капилляр, равно 40 мм рт.ст., то мы имеем движущую силу для кислорода через альвеолярно-капиллярный барьер 60 мм рт.ст.
В основном, крутой градиент парциального давления кислорода возникает через альвеоло-капиллярную мембрану, потому что парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе больше, чем парциальное давление кислорода в легочных артериях, в результате чего кислород быстро пересекает дыхательную мембрану из альвеол в кровь.
Парциальное давление углекислого газа также различно между альвеолярным воздухом и капиллярной кровью. Однако перепад парциального давления меньше, чем у кислорода, около 5 мм рт. Парциальное давление углекислого газа в крови в капиллярах составляет около 45 мм рт. ст., тогда как его парциальное давление в альвеолах — около 40 мм рт. ст.
Далее парциальные давления вдыхаемого воздуха и альвеолярного воздуха определяют, почему кислород поступает в альвеолы и почему углекислый гаp покидает альвеолы. Это приводит нас к так называемому закону Дальтона, который гласит, что сумма парциальных давлений всех газов в смеси равна общему давлению этой смеси. Таким образом, для сухого газа парциальное давление равно общему давлению, умноженному на относительную концентрацию сухого газа, а соотношение для увлажненного газа определяется путем корректировки барометрического давления на давление водяного пара.
Таким образом, по сравнению с сухим вдыхаемым воздухом, увлажненный трахейный воздух имеет более низкое PO2, поскольку O2 «разбавлен» водяным паром.
Увлажненный воздух поступает в альвеолы, где происходит газообмен.
В альвеолярном воздухе значения PO2 и PCO2 существенно изменяются по сравнению с вдыхаемым воздухом. PAO2 составляет 100 мм рт. ст., что меньше PO2 во вдыхаемом воздухе, равное 160 мм рт. ст., а PACO
2 составляет 40 мм рт. ст., что больше, чем PCO2 во вдыхаемом воздухе, близкое к 0 мм рт.
Итак, согласно закону Дальтона, эти значения парциального давления влияют на движение этих газов, то есть они будут перемещаться из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Теперь в легких кислород и углекислый газ диффундируют между воздухом в альвеолах и кровью, то есть между газом и жидкостью. Это движение регулируется законом Генри, который гласит, что при постоянной температуре количество газа, растворяющегося в жидкости, прямо пропорционально парциальному давлению этого газа, находящегося в равновесии с этой жидкостью [4].
По сути, согласно этому закону, газы можно заставить раствориться в жидкости, скажем, в крови, если приложить достаточное давление и контролируемый объем. В нем также говорится, что после сброса давления из раствора могут выйти газы.
Концентрация газа в растворе выражается в объемных процентах (%), или объем газа на 100 мл крови (мл газа/100 мл крови).
-
Транспорт газов в крови
При поступлении воздуха в дыхательные пути вода немедленно начинает испаряться с их поверхности, увлажняя, таким образом, вдыхаемый воздух. Это обусловлено тем, что молекулы воды, подобно другим молекулам растворенных газов, постоянно отрываются от поверхности воды и переходят в газовое состояние (в газовую фазу). Давление, которое молекулы воды преодолевают, чтобы оторваться от ее поверхности, называется давлением испарения воды. При температуре 37 °С (98,6 °F) давление испарения равно 47 мм рт.ст. Следовательно, как только смесь газов полностью увлажнится, парциальное давление паров воды в газовой смеси также составит 47 мм рт.ст.
Термин газы крови относится к молекулам кислорода (O2) и углекислого газа (CO2), которые переносятся кровью между легкими и периферическими тканями. Газы крови обычно транспортируются двумя путями: физически растворяются в крови, связаны с гемоглобином. Растворимость газа в крови зависит от коэффициента растворимости этого конкретного газа (например, коэффициент растворимости СО2 в 22 раза выше, чем у О2) и обычно имеет линейную зависимость от парциального давления газа [2].
Транспорт кислорода
1) Физически растворенные в крови – 1,5 %
Из-за плохой растворимости кислорода в воде в одном литре крови содержится всего около 3,2 мл растворенного О2, что составляет 1,5% от общего количества кислорода в крови.
2) Химически связанные – 98,5 %
Важнейшим средством транспорта кислорода в крови является гемоглобин. Гемоглобин (Hb), пигмент, придающий крови красный цвет, обеспечивает транспорт газов крови. Он переносит кислород от легких к остальным частям тела и часть углекислого газа в обратном направлении. Молекулы гемоглобина с большим количеством связанных молекул кислорода имеют более ярко-красный цвет. Вот почему насыщенная кислородом артериальная кровь более ярко-красная, а деоксигенированная венозная кровь более темно-красная.
Сродство гемоглобина к кислороду измеряется величиной парциального давления кислорода, при которой гемоглобин насыщается на 50 % (Р50).
Концентрация гемоглобина в крови различается между полами: у женщин 120-162 г/л, у мужчин 135 – 172 г/л. Молекула гемоглобина была открыта уже в 1840 году, но только примерно в 1870 году известный французский физиолог Клод Бернар раскрыл ее функцию.
На сродство гемоглобина к кислороду могут влиять различные факторы:
-
pH (величина активной реакции крови) /pCO2 (арциальное напряжение (давление) углекислого газа в плазме крови) – когда H+ (ион водорода) /pCO2 увеличивается, а pH уменьшается, сродство Hb к кислороду уменьшается. Это известно как эффект Бора. Наоборот, при уменьшении H+/pCO2 и повышении pH сродство гемоглобина к кислороду возрастает. -
2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ)— 2,3-ДФГ (иногда называемый 2,3-БФГ) — это химическое вещество, содержащееся в эритроцитах. Это продукт метаболического пути глюкозы. 2,3-ДФГ связывается с бето- цепями гемоглобина, поэтому повышение уровня 2,3-ДФГ приводит к его связыванию с гемоглобином, снижая сродство гемоглобина к кислороду. И наоборот, при пониженных уровнях 2,3-ДФГ, например, при сниженном тканевом метаболизме, с гемоглобином связывается меньше молекул 2,3-ДФГ. Это означает, что у него больше возможностей для связывания, и поэтому он имеет более высокое сродство к кислороду. -
Температура. При повышенных температурах, например, в активных мышцах, увеличивается выработка тепла, что снижает сродство гемоглобина к кислороду. При пониженных температурах, например, сниженных метаболических состояниях, снижение теплопродукции означает увеличение сродства гемоглобина к кислороду.