Червен пигмент хемоглобин (Hb)се състои от протеинова част (глобин) и самия пигмент (хем). Молекулите са съставени от четири протеинови субединици, всяка от които прикрепя хем група с двувалентен железен атом, разположен в центъра. В белите дробове всеки атом на желязото свързва една молекула кислород. Кислородът се пренася в тъканите, където се отделя. Добавянето на O 2 се нарича оксигениране (насищане с кислород), а отделянето му се нарича деоксигениране.
Транспорт на CO 2
Около 10% от въглеродния диоксид (CO 2), крайният продукт на окислителния метаболизъм в тъканните клетки, се транспортира от кръвта физически разтворен и 90% в химически свързана форма. Повечето отвъглеродният диоксид първо дифундира от тъканните клетки в плазмата, а оттам в червените кръвни клетки. Там молекулите на CO 2 се свързват химически и се превръщат от ензими в много по-разтворимите бикарбонатни йони (HCO 3 -), които се пренасят в кръвната плазма. Образуването на CO 2 от HCO 3 се ускорява значително от ензима карбоанхидраза, присъстващ в червените кръвни клетки.
Повечето (около 50-60%) от образуваните бикарбонатни йони се освобождават от червените кръвни клетки обратно в плазмата в замяна на хлоридни йони. Те се транспортират до белите дробове и се освобождават по време на издишване, след като се превърнат в CO 2 . И двата процеса - образуването на HCO 3 - и освобождаването на CO 2, са свързани съответно с оксигенация и деоксигенация на хемоглобина. Дезоксихемоглобинът е значително по-силна основа от оксихемоглобина и може да прикрепи повече H + йони (буферната функция на хемоглобина), като по този начин насърчава образуването на HCO 3 - в тъканните капиляри. В капилярите на белите дробове HCO 3 - отново преминава от кръвната плазма в червените кръвни клетки, комбинира се с H + йони и се превръща обратно в CO 2. Този процес се потвърждава от факта, че наситената с кислород кръв освобождава повече H + протони. Много по-малка част от CO 2 (около 5-10%) се свързва директно с хемоглобина и се транспортира като карбаминохемоглобин.
Хемоглобин и въглероден окис
Въглероден окис ( въглероден окис, CO)е безцветен газ без мирис, който се образува при непълно изгаряне и подобно на кислорода може да се свърже обратимо с хемоглобина. Въпреки това, афинитетът на въглеродния окис към хемоглобина е значително по-голям от този на кислорода. По този начин, дори когато съдържанието на CO във вдишания въздух е 0,3%, 80% от хемоглобина е свързан с въглероден окис (HbCO). Тъй като въглеродният окис се освобождава от свързването с хемоглобина 200-300 пъти по-бавно от кислорода, той токсичен ефектсе определя от факта, че хемоглобинът вече не може да пренася кислород. При тежки пушачи, например, 5-10% от хемоглобина присъства като HbCO, докато симптомите се появяват при 20%. остро отравяне (главоболие, световъртеж, гадене), а 65% могат да бъдат фатални.
Често за оценка на хемопоезата или за разпознаване различни формианемията се определя от средното съдържание на хемоглобин в един еритроцит (AHE). Изчислява се по формулата:
Средното съдържание на хемоглобин в една червена кръвна клетка е между 38 и 36 пикограма (pg) (1 pg = 10ˉ¹² g). Червените кръвни клетки с нормален SGE се наричат нормохромни (ортохромни). Ако FSE е нисък (например поради хронична загуба на кръв или дефицит на желязо), червените кръвни клетки се наричат хипохромни; ако SGE е висок (например при пернициозна анемия поради дефицит на витамин B 12), те се наричат хиперхромни.
Форми на анемия
анемиясе определя като дефицит (намаляване на броя) на червени кръвни клетки или намалено съдържание на хемоглобин в кръвта. Диагнозата анемия обикновено се поставя от нивото на хемоглобина, долната линиянормата достига 140 g/l при мъжете и 120 g/l при жените. При почти всички форми на анемия надежден симптом на заболяването е блед цвяткожа и лигавици. Често по време на физическа дейностсе увеличава забележимо сърдечен пулс(увеличава скоростта на кръвообращението), а намаляването на кислорода в тъканите води до задух. Освен това се появяват световъртеж и лека умора.
С изключение желязодефицитна анемияи хронична загуба на кръв, например поради кървящи язви или тумори в стомашно-чревния тракт(хипохромна анемия), анемия може да възникне при дефицит на витамин B 12. фолиева киселинаили еритропоетин. Витамин B 12 и фолиевата киселина участват в синтеза на ДНК в незрелите клетки на костния мозък и по този начин значително влияят върху деленето и узряването на червените кръвни клетки (еритропоеза). При техния недостиг се образуват по-малко червени кръвни клетки, но те се увеличават значително поради високо съдържаниехемоглобин (макроцити (мегалоцити), прекурсори: мегалобласти), така че съдържанието на хемоглобин в кръвта практически не се променя (хиперхромна, мегалобластна, макроцитна анемия).
Дефицитът на витамин B 12 често възниква поради нарушена абсорбция на витамина в червата, по-рядко поради недостатъчен прием с храната. Този т.нар злокачествена анемиянай-често резултатът хронично възпалениев чревната лигавица с намаляване на образуването на стомашен сок.
Витамин B 12 се абсорбира в червата само в подвързана формас фактор в стомашен сок“вътрешен фактор (Castle)”, който го предпазва от разрушаване от храносмилателните сокове в стомаха. Тъй като черният дроб може да съхранява голям бройвитамин B 12, тогава може да отнеме 2-5 години, преди лошото усвояване в червата да повлияе на образуването на червени кръвни клетки. Както в случая с дефицит на витамин В12, дефицитът на фолиева киселина, друг витамин В, води до нарушена еритропоеза в костен мозък.
Има две други причини за анемия. Един от тях е разрушаването на костния мозък (аплазия на костния мозък) радиоактивно излъчване(например след авария в атомна електроцентрала) или в резултат на токсични реакции към лекарства (например цитостатици) (апластична анемия). Друга причина е намаляването на продължителността на живота на червените кръвни клетки в резултат на тяхното унищожаване или повишено разпадане (хемолитична анемия). При силна форма хемолитична анемия(например след неуспешно кръвопреливане), в допълнение към бледността, може да се наблюдава промяна в цвета на кожата и лигавиците до жълтеникаво. Тази жълтеница ( хемолитична жълтеница) се причинява от нарастващото разграждане на хемоглобина до билирубин (жълт жлъчен пигмент) в черния дроб. Последното води до повишаване на нивото на билирубина в плазмата и неговото отлагане в тъканите.
Пример за анемия в резултат на наследствено разстройствослужи синтеза на хемоглобин, клинично проявяващ се като хемолитичен сърповидно-клетъчна анемия. При това заболяване, което практически се среща само при представители на чернокожите популации, има молекулярно нарушение, което води до заместване на нормалния хемоглобин с друга форма на хемоглобин (HbS). В HbS аминокиселината валин е заменена с глутаминова киселина. Еритроцит, съдържащ такъв анормален хемоглобин, приема формата на сърп в деоксигенирано състояние. Сърповидните червени кръвни клетки са по-твърди и не преминават добре през капилярите.
Наследствено заболяване при хомозиготите (делът на HbS в общия хемоглобин е 70-99%) води до запушване на малки съдове и по този начин до трайно уврежданеоргани. Хората, засегнати от това заболяване, обикновено достигат зрялост едва когато интензивно лечение(например частично заместване на кръвта, приемане на аналгетици, избягване на хипоксия (лишаване на кислород) и понякога трансплантация на костен мозък). В някои райони на тропическа Африка с висок процент на малария, 40% от населението са хетерозиготни носители на този ген (когато съдържанието на HbS е по-малко от 50%) и те не показват такива симптоми. Промененият ген придава устойчивост на инфекция с малария (селективно предимство).
Регулиране на образуването на червени кръвни клетки
Образуването на червени кръвни клетки се регулира от бъбречния хормон еритропоетин. Тялото е просто, но много ефективна системарегулиране за поддържане на относително постоянно съдържание на кислород и в същото време броя на червените кръвни клетки. Ако нивото на кислород в кръвта падне под определено ниво, например след голяма загуба на кръв или докато сте на голяма надморска височина, образуването на еритропоетин непрекъснато се стимулира. В резултат на това се увеличава образуването на червени кръвни клетки в костния мозък, което повишава способността на кръвта да пренася кислород. Когато недостигът на кислород се преодолее чрез увеличаване на броя на червените кръвни клетки, образуването на еритропоетин отново намалява. Пациенти, нуждаещи се от диализа (изкуствено пречистване на кръвта от метаболитни продукти), с нарушена бъбречна функция (например с хронична бъбречна недостатъчност) често имат подчертан дефицит на еритропоетин и следователно почти винаги страдат от съпътстваща анемия.
Почти всички течности могат да съдържат известно количество физически разтворени газове. Съдържанието на разтворен газ в течност зависи от нейното парциално налягане.
Въпреки че съдържанието на O 2 и CO 2 в кръвта във физически разтворено състояние е сравнително малко, това състояние играе важна роля в живота на тялото. За да се осъществи контакт с определени вещества, дихателните газове трябва първо да бъдат доставени до тях във физически разтворена форма. Така, при дифузия в тъкан или кръв, всяка молекула O 2 или CO 2 определено времее в състояние на физическо разпадане.
Повечето кислород се пренася в кръвта като химично съединение в хемоглобина. 1 мол хемоглобин може да свърже до 4 мола кислород, а 1 грам хемоглобин може да свърже 1,39 ml кислород. При анализ на газовия състав на кръвта се получава малко по-ниска стойност (1,34 - 1,36 ml O 2 на 1 g Hb). Това се дължи на факта, че малка част от хемоглобина е неактивна. Така приблизително можем да приемем, че in vivo 1 g Hb свързва 1,34 ml O 2 (число на Hüfner).
Въз основа на числото на Hüfner е възможно, знаейки съдържанието на хемоглобин, да се изчисли кислородният капацитет на кръвта: [O 2 ] max = 1,34 ml O 2 на 1 g Hb; 150 g Hb на 1 литър кръв = 0,20 l O 2 на 1 литър кръв. Такова съдържание на кислород в кръвта обаче може да се постигне само ако кръвта е в контакт с газова смесс високо съдържаниекислород (PO 2 = 300 mm Hg), следователно в природни условияхемоглобинът не е напълно наситен с кислород.
Реакцията, отразяваща комбинацията на кислорода с хемоглобина, се подчинява на закона за масовото действие. Това означава, че съотношението между количеството хемоглобин и оксихемоглобин зависи от съдържанието на физически разтворен O 2 в кръвта; последното е пропорционално на напрежението O 2. Процентът на оксихемоглобина към общото съдържание на хемоглобин се нарича насищане на хемоглобина с кислород. В съответствие със закона за масовото действие, насищането на хемоглобина с кислород зависи от напрежението на O2. Графично тази зависимост се отразява чрез т.нар крива на дисоциация на оксихемоглобина. Тази крива има S-образна форма (фиг. 29.).
Най-простият индикатор, характеризиращ местоположението на тази крива, е така нареченото напрежение на полунасищане PO 2, т.е. е напрежението на O2, при което насищането на хемоглобина с кислород е 50%. Нормално PO 2 в артериалната кръв е около 26 mm Hg.
Ориз. 29. Криви на дисоциация на оксихемоглобина при различно pH на кръвта.
Конфигурацията на кривата на дисоциация на оксихемоглобина е важна за преноса на кислород в кръвта. По време на абсорбцията на кислород в белите дробове, напрежението на O2 в кръвта се доближава до парциалното налягане на този газ в алвеолите. При младите хора РО 2 в артериалната кръв е около 95 mm Hg. При това напрежение насищането на хемоглобина с кислород е приблизително 97%. С възрастта (и в още по-голяма степен при белодробни заболявания) напрежението на O2 в артериалната кръв може да намалее значително, но тъй като кривата на дисоциация на оксихемоглобина от дясната страна е почти хоризонтална, насищането на кръвта с кислород не намалява много. Така че, дори когато PO 2 в артериалната кръв падне до 60 mm Hg. насищането на хемоглобина с кислород е 90%. По този начин, поради факта, че областта на високо кислородно напрежение съответства на хоризонталния участък на кривата на дисоциация на оксихемоглобина, насищането на артериалната кръв с кислород се поддържа при високо ниводори при значителни промени в PO 2.
Стръмният наклон на средната част на кривата на дисоциация на оксихемоглобина показва благоприятна ситуация за освобождаване на кислород към тъканите. В покой PO 2 във венозния край на капиляра е приблизително 40 mm Hg, което съответства на приблизително 73% насищане. Ако в резултат на повишена консумация на кислород напрежението му в венозна кръвпада само с 5 mmHg, тогава насищането на хемоглобина с кислород намалява със 75%: освободеният в този случай O2 може незабавно да се използва за метаболитни процеси.
Въпреки факта, че конфигурацията на кривата на дисоциация на оксихемоглобина се определя главно химични свойствахемоглобин, има редица други фактори, които влияят на афинитета на кръвта към кислорода. Обикновено всички тези фактори изместват кривата, увеличавайки или намалявайки нейния наклон, но без да променят S-образната й форма. Такива фактори включват температура, pH, напрежение на CO 2 и някои други фактори, чиято роля нараства при патологични състояния.
Равновесието на реакцията на оксигениране на хемоглобина зависи от температурата. При понижаване на температурата наклонът на кривата на дисоциация на оксихемоглобина се увеличава, а при повишаване намалява. При топлокръвни животни този ефект се проявява само при хипотермия или фебрилно състояние.
Формата на кривата на дисоциация на оксихемоглобина до голяма степен зависи от съдържанието на Н + йони в кръвта. Когато рН намалее, т.е. Когато кръвта стане кисела, афинитетът на хемоглобина към кислорода намалява и кривата на дисоциация на оксихемоглобина се нарича ефект на Бор.
pH на кръвта е тясно свързано с напрежението на CO 2 (PCO 2): колкото по-високо е PCO 2, толкова по-ниско е pH. Увеличаването на напрежението на CO 2 в кръвта е придружено от намаляване на афинитета на хемоглобина към кислорода и изравняване на кривата на дисоциация на HbO 2. Тази зависимост се нарича още ефект на Бор, въпреки че с това количествен анализбеше показано, че ефектът на CO 2 върху формата на кривата на дисоциация на оксихемоглобина не може да се обясни само с промени в pH. Очевидно самият въглероден диоксид има „специфичен ефект“ върху дисоциацията на оксихемоглобина.
С номер патологични състояниянаблюдават се промени в процеса на пренос на кислород в кръвта. По този начин има заболявания (например някои видове анемия), които са придружени от изместване на кривата на дисоциация на оксихемоглобина надясно (по-рядко наляво). Причините за тези смени не са напълно разкрити. Известно е, че формата и местоположението на кривата на дисоциация на оксихемоглобина е силно повлияна от някои органофосфорни съединения, чието съдържание в еритроцитите може да се промени по време на патологията. Основното такова съединение е 2,3-дифосфоглицерат - (2,3 - DPG). Афинитетът на хемоглобина към кислорода зависи и от съдържанието на катиони в еритроцитите. Необходимо е също така да се отбележи влиянието на патологичните промени в рН: при алкалоза се увеличава абсорбцията на кислород в белите дробове в резултат на ефекта на Бор, но освобождаването му в тъканите става по-трудно; а при ацидозата се наблюдава обратната картина. И накрая, значително изместване на кривата наляво се получава при отравяне с въглероден окис.
Транспорт на CO 2 чрез кръв. Форми на транспорт. Значението на карбоанхидразата.
Въглеродният диоксид е крайният продукт на окисляването метаболитни процесив клетките - транспортирани с кръв до белите дробове и отстранени през тях във външната среда. Точно като кислорода, CO 2 може да се транспортира както във физически разтворена форма, така и като част от химични съединения. Химична реакцияСвързването на CO 2 е малко по-сложно от реакцията на добавяне на кислород. Това се дължи на факта, че механизмите, отговорни за транспорта на CO 2, трябва едновременно да осигурят поддържането на постоянна киселинно-алкален баланскръвта и по този начин вътрешната среда на тялото като цяло.
Напрежението на CO 2 в артериалната кръв, навлизаща в тъканните капиляри, е 40 mm Hg. В клетките, разположени в близост до тези капиляри, напрежението на CO 2 е много по-високо, тъй като това вещество се образува постоянно в резултат на метаболизма. В тази връзка физически разтвореният CO 2 се пренася по градиента на напрежението от тъканите към капилярите. Тук част от въглеродния диоксид остава в състояние на физическо разтваряне, но по-голямата част от CO 2 претърпява поредица от химични трансформации. На първо място, CO 2 молекулите се хидратират, за да образуват въглеродна киселина.
В кръвната плазма тази реакция протича много бавно; в един еритроцит се ускорява приблизително 10 хиляди пъти. Това се дължи на действието на ензима карбоанхидраза. Тъй като този ензим присъства само в клетките, почти всички CO 2 молекули, участващи в реакцията на хидратация, трябва първо да влязат в червените кръвни клетки.
Следващата реакция във веригата от химични трансформации на CO 2 е дисоциацията на слабата киселина H 2 CO 3 в бикарбонатни и водородни йони.
Натрупването на HCO 3 - в еритроцита води до създаване на дифузионен градиент между вътрешната му среда и кръвната плазма. HCO 3 - йони могат да се движат по този градиент само ако равновесното разпределение не е нарушено електрически заряди. В тази връзка, едновременно с освобождаването на всеки HCO 3 - йон трябва да се случи или излизането на един катион от еритроцита, или влизането на един анион. Тъй като еритроцитната мембрана е практически непропусклива за катиони, но сравнително лесно пропуска малки аниони, Cl - йони влизат в еритроцита вместо HCO 3 -. Този обменен процес се нарича хлоридно изместване.
CO 2 може също да се свързва чрез директно свързване към аминогрупите на протеиновия компонент на хемоглобина. В този случай се образува така наречената карбаминова връзка.
Свързаният с CO 2 хемоглобин се нарича карбохемоглобин.
Зависимостта на съдържанието на CO 2 от степента на оксигенация на хемоглобина се нарича ефект на Haldane. Този ефектчастично се дължи на различни способностиоксихемоглобин и дезоксихемоглобин до образуването на карбаминова връзка.
РЕГУЛИРАНЕ НА ДИШАНЕТО
Регулирането на дишането може да се определи като адаптация външно дишанеспрямо нуждите на тялото. Основното при регулирането на дишането е да се осигури промяна на дихателните фази.
Режимът на смяна на дихателните фази трябва да е адекватен на метаболитните нужди на организма. Така по време на физическа работа скоростта на усвояване на кислород и отстраняване на въглероден диоксид трябва да се увеличи няколко пъти в сравнение с почивката. За да направите това, е необходимо да се увеличи вентилацията на белите дробове. Увеличаването на минутния обем на дишането може да се постигне чрез увеличаване на честотата и дълбочината на дишането. Регулирането на дишането трябва да осигури най-икономичното съотношение между тези два параметъра. Освен това, при извършване на определени рефлекси (преглъщане, кашляне, кихане) и по време на определени видове дейност (говор, пеене и т.н.), моделът на дишане трябва да остане повече или по-малко постоянен. Отчитайки цялото това многообразие от нужди на организма за оптимално функциониране дихателната системаса необходими сложни регулаторни механизми.
В системата за контрол на дишането могат да се разграничат две основни нива на регулиране:
1. Ниво на саморегулация - включва дихателния център чрез активиране на белодробните механорецептори, дихателни мускули, централни и периферни хеморецептори. Това ниво на регулиране поддържа постоянството на газовия състав на артериалната кръв.
2. Регулиращо, коригиращо ниво - включва сложни поведенчески условни и безусловни действия. На това ниво на регулиране протичат процеси, които адаптират дишането към променящите се условия на околната среда и живота на тялото.
Саморегулиране на дишането, дихателен център.
Идентифицирането на мозъчните структури, отговорни за актовете на вдишване и издишване, се извършва чрез изрязване и разрушаване на мозъчни структури.
Установено е, че отделянето на мозъка от гръбначния мозък води до пълно спиране на дишането.
A.N. Mislavsky (1885) показва, че разрушаването на медиалната част на продълговатия мозък в долния ъгъл на ромбовидната ямка води до пълно спиране на дишането.
Lumsden (1923) показа, че мостът също съдържа клъстери от неврони, чието разрушаване нарушава модела на дишане. Той въвежда понятията за пневмотоксични и апневтични центрове на моста.
Пневмотоксичният център (невроните, отговорни за промяната от вдишване към издишване) са ростралните участъци на моста. Когато те бъдат унищожени, дихателните цикли стават нередовни. Ако едновременно се прережат аферентните влакна на вагуса, тогава апнеустичендишане (дълго вдишване, кратко издишване, отново дълго вдишване).
Ако ядрата, разположени в средната и каудалната област на моста (апневтичният център, чиито неврони улесняват бързия преход на издишване към вдишване), са унищожени, апнеузата изчезва. Изчезва и когато продълговатият мозък се отдели от моста. В тези случаи има задъхвайки се– редки конвулсивни вдишвания.
Теорията на Питс:
В медиалната част на продълговатия мозък има дихателен център, който има инспираторен (вдишване) и експираторен (издишване) отдели.
Актът на вдишване възниква в резултат на възбуждане на неврони в инспираторната област, които изпращат импулси към α-мотоневроните на дихателните мускули, към пневмотоксичния център и към експираторната област. Това причинява инхибиране на невроните на инспираторната област и възбуждане на експираторната област - възниква издишване. Възбудените неврони в експираторната област изпращат сигнал към пневмотоксичния център (така че инхибира експираторните неврони и активира инспираторните) и към инспираторните неврони. и т.н.
Едновременно с това върху състоянието на невроните дихателен центървлияе върху потока от импулси от хеморецептори и механорецептори, поради което се регулира честотата и дълбочината на дишането (т.е. вентилация на белите дробове в съответствие с нуждите на тялото).
Въпреки това, когато се изучава електрическата активност на респираторните неврони, тази хипотеза се провали.
Доказано е, че респираторните неврони на продълговатия мозък в долния ъгъл на ромбовидната ямка са разположени странично. В средната област (чието разрушаване е причинило спиране на дишането) има неврони, които обработват аферентна информация, отиваща към респираторните неврони, както и вероятно аксоните на респираторните неврони.
В продълговатия мозък има 2 клъстера от респираторни неврони: един в дорзалната част, недалеч от единичното ядро - дорзалната респираторна група (DRG), другият е разположен по-вентрално, близо до двойното ядро - вентралната респираторна група ( VRG).
DDG – 2 класа неврони – инспираторни Ia и Ib. При вдишване и двата класа от тези неврони се възбуждат, но изпълняват различни задачи:
Инспираторните Ia неврони активират α-мотоневроните на диафрагмалния мускул и в същото време изпращат сигнали до инспираторните неврони на EDH, които от своя страна възбуждат α-мотоневроните на останалите инспираторни мускули;
Инспираторните Ib неврони, вероятно с помощта на интерневрони, задействат процеса на инхибиране на Ia невроните.
В EDH има 2 вида неврони - инспираторни и експираторни неврони (активират експираторните скелетни мускули).
Сред популациите от инспираторни и експираторни неврони бяха идентифицирани ранни (възбудени в началото на вдишване или издишване), късни (в края) и постоянни (по време на цялото вдишване или издишване).
Тези. в продълговатия мозък няма ясно разделение на инспираторни и експираторни участъци, но има клъстери от респираторни неврони със специфична функция.
Респираторни неврони на моста.
Пневмотаксичен център– инспираторно-експираторни неврони (възбудени в края на вдишването, началото на издишването) и експираторно-инспираторни неврони (в края на издишването, началото на вдишването). Активността на тези неврони изисква поток от импулси от механорецепторите на белите дробове по аферентните влакна на вагуса.
Център за апнеиза: в средната област има предимно инспираторно-експираторни неврони, а в каудалната област има предимно експираторно-инспираторни неврони.
Набор от респираторни неврони на продълговатия мозък и моста в напоследъкобикновено се нарича централен механизъмдишане (CMD).
Идеите за функционирането на CMD се основават на идеята на Брадли (1975) за наличието на 2 невронни блока в мозъка: 1) генератор на централна инспираторна активност (CIA); 2) механизмът за изключване на вдъхновението.
CIA генераторът е представен от тип Ia инспираторни неврони, локализирани в DDG на продълговатия мозък. Инспираторните неврони се възбуждат от постоянното получаване на ритмични импулси от централните и периферните хеморецептори. Активността на тези рецептори е в пряка зависимост от съдържанието на кислород и въглероден диоксид в кръвта (периферни хеморецептори) и концентрацията на протони в цереброспиналната течност (централни хеморецептори).
Потоци от импулси от α-инспираторните неврони се втурват към ядрата на дихателните мускули гръбначен мозък, и активирайки ги, предизвикват свиване на диафрагмата и увеличаване на обема гръден кош, а също така възбуждат β - инспираторните неврони. В същото време, в процеса на увеличаване на обема на гръдния кош, се увеличава потокът от импулси от механорецепторите на белите дробове към β-невроните. Предполага се, че β - инспираторните неврони възбуждат инспираторно - инхибиторните неврони, които се затварят върху α - инспираторните неврони (механизмът за изключване на вдишването). В резултат на това вдишването спира и се появява издишване.
Феноменът на дразнене на белодробните рецептори за разтягане и спиране на вдишването се нарича - инспираторен инхибиторен рефлекс на Херинг и Бройер. Напротив, ако значително намалите обема на белите дробове, тогава дълбок дъх. Дъгата на този рефлекс започва от рецепторите за разтягане на белодробния паренхим (подобни рецептори се намират в трахеята, бронхите и бронхиолите). Някои от тези рецептори реагират на степента на разтягане белодробна тъкан, други само когато разтягането намалява или се увеличава (независимо от степента). Аферентните влакна от белодробните рецептори за разтягане са част от блуждаещи нерви, а еферентната връзка е представена от двигателни нерви, отиващи към дихателните мускули. Физиологично значениеРефлексът на Херинг-Бройер се състои в ограничаване на дихателните екскурзии; благодарение на рефлекса се постига дълбочина на дишането в съответствие с непосредствените условия на функциониране на тялото, работата на дихателната система се извършва по-икономично. В допълнение, рефлексът предотвратява преразтягането на белите дробове.
Намаляването на белодробния обем по време на вдишване намалява потока от импулси от механорецепторите към β - инспираторните неврони и вдишването се появява отново.
Принудителното увеличаване на времето на издишване (например при надуване на белите дробове по време на периода на издишване) удължава времето на възбуждане на рецепторите за разтягане на белите дробове и в резултат на това забавя началото на следващото вдишване - Експираторен рефлекс на Херинг-Бройер.
По този начин редуването на вдишване и издишване се извършва съгласно принципа на отрицателната обратна връзка.
Венозната кръв съдържа около 580 ml/l CO 2. Транспортът се осигурява в такива форми като: 1) разтворен CO 2 в кръвната плазма (5-10%); 2) под формата на хидрокарбонати (80-90%); 3) карбаминови съединения на еритроцитите (5-15%).
Малка част от CO 2 се транспортира до белите дробове в разтворена форма (0,3 ml/100 ml кръв). CO 2, разтворен в кръвта, реагира с вода:
CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3
В кръвната плазма тази реакция протича бавно и няма особено значение. Но червените кръвни клетки съдържат ензим, съдържащ цинк - карбоанхидраза - който измества равновесието на реакцията надясно (към образуването на въглена киселина). Образуването на H 2 CO 3 става 1000 пъти по-бързо, отколкото в плазмата, освен това около 99,9% от H 2 CO 3 се дисоциира, за да образува HCO 3 - - и водороден йон (H +):
CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = HCO - 3 + H +
Получените протони (H +) се неутрализират от хемоглобинов буфер (H + + Hb = HHb). Полученият HCO 3 напуска червените кръвни клетки в плазмата, за
поддържайки електрическа неутралност, Cl - йони влизат в еритроцитите.
В червените кръвни клетки CO 2 може също да се свърже с хемоглобина, за да образува HbCO 2 . Както в първия случай, образуваният в този случай H + се свързва с хемоглобинов буфер.
Точно както насищането на хемоглобина с кислород корелира с PO2, така и общото
Ориз. 17. Крива на дисоциация на въглероден диоксид
Дори при тежки Va/Q смущения (т.е. при тежки белодробна патология) Paco 2, като правило, остава в рамките нормални стойности. Това е следствие от факта, че кривата на дисоциация на CO 2 (фиг. 17) нараства монотонно. Артериовенозната разлика в Pco 2 в покой обикновено е 5 mm Hg. изкуство и рядко надвишава 10 mm Hg. Изкуство. При дадена стойност Pco 2 деоксигенирана кръв съдържа голямо количество CO 2 отколкото кислород (ефект на Холдън). За разлика от кривата на насищане с кислород на Hb, кривата на CO 2 няма плато и в клинично значимия диапазон е права линия.
Във венозната кръв, която тече към капилярите на белите дробове, напрежението на CO 2 е средно 46 mm Hg, а в алвеоларния въздух парциалното налягане на CO 2 е средно 40 mm Hg, което осигурява дифузията на CO 2 от кръвна плазма в белодробните алвеоли по градиент на концентрация.
Ендотелът на капилярите е пропусклив само за молекулярния CO 2 като полярна молекула. Молекулярният CO 2, физически разтворен в кръвната плазма, дифундира от кръвта в алвеолите. В допълнение, CO 2 дифундира в алвеолите на белите дробове, който се освобождава от карбаминовите съединения на еритроцитите поради окислителната реакция на хемоглобина в капилярите на белия дроб, както и от бикарбонатите на кръвната плазма в резултат на тяхната бърза дисоциация с помощта на ензима карбоанхидраза, съдържащ се в еритроцитите. Молекулярният CO 2 преминава през въздушно-хематичната бариера и след това навлиза в алвеолите. Обикновено след 1 s концентрациите на CO 2 върху алвеоларно-капилярната мембрана се изравняват, така че в половината от времето на капилярния кръвен поток се осъществява пълен обмен на CO 2 през въздушно-хематична бариера. В действителност равновесието настъпва малко по-бавно. Това се дължи на факта, че преносът на CO 2, подобно на O 2, е ограничен от скоростта на перфузия на белодробните капиляри.
Контролни въпроси
1. Какви транспортни форми на въглероден диоксид съществуват?
2. Коя е основната форма на пренос на въглероден диоксид?
3. Защо кривата на дисоциация на въглеродния диоксид е оформена като права линия?
Транспортната функция на кръвта е да транспортира всички вещества, необходими за функционирането на тялото (хранителни вещества, газове, хормони, ензими, метаболити).
Дихателната функция се състои в доставяне на кислород от белите дробове към тъканите и въглероден диоксид от тъканите към белите дробове.
Пренос на газове по кръвен път– Кислородът и въглеродният диоксид се транспортират в тялото чрез кръвта. Кислородът, идващ от алвеоларния въздух в кръвта, се свързва с хемоглобинчервени кръвни клетки, образуващи т.нар оксихемоглобин, и в тази форма се доставя на тъканите.
Кислородпрез тънките стени на алвеолите и капилярите навлиза в кръвта от въздуха и въглероден двуокисот кръв към въздух. Дифузията на газовете възниква в резултат на разликата в техните концентрации в кръвта и във въздуха. Кислородпрониква в червените кръвни клетки и се свързва с хемоглобина, кръвта става артериална и се изпраща в тъканите. Среща се в тъканите обратен процес: кислородът преминава от кръвта към тъканите поради дифузия и въглероден двуокис, напротив, преминава от тъканите в кръвта.
Крива на дисоциация на оксихемоглобина- това е зависимостта на насищането на хемоглобина с кислород (измерено чрез процентното съотношение на оксихемоглобина към общото количество хемоглобин).
Газообмен между кръвта и тъканите. Нарушаване на газообмена в тъканите.
Обмен на газ в тъканите -четвъртият етап на дишане, в резултат на което кислородът от кръвоносните капиляри навлиза в клетките, а въглеродният диоксид от клетките в кръвта. Фактор, насърчаващ обмена на газ в тъканите, е, както в белите дробове, разликата в парциалното налягане на газовете между кръвта и интерстициалната течност, която измива всички клетки и тъкани.
Тъй като клетките интензивно абсорбират кислород, те също толкова интензивно произвеждат въглероден диоксид. Напрежението на въглеродния диоксид в клетките достига 50 - 60 mm. Hg Изкуство. Този въглероден диоксид непрекъснато преминава в интерстициалната течност и оттам в кръвта, правейки кръвта венозна.
Последствието от такива нарушения на газообмена може да бъде хипоксия, кислородно гладуванетъкани хипоксия – Товалипса на кислород.
Газообмен в белите дробове, състав на вдишания алвеоларен и издишан въздух.
как атмосферен въздух и алвеолареннеобходимият въздух е смес от газове, съдържащи O2, CO2, N и инертни газове. Определено количество респираторни газове се съдържат и в кръвта, тъй като тя е техен носител. Парциалното налягане на определен газ в кръвта, точно както във всяка друга течност, обикновено се нарича парциално напрежение . Обмен на газмежду алвеоларния въздух и кръвта на капилярите (вторият етап на дишането) се осъществява чрез дифузия, поради разликата в налягането между O2 и CO2. Въздухът, който дишаме, т.е. атмосферен въздух, има повече или по-малко постоянен персонал: той съдържа
20,94% кислород,
0,03% въглероден диоксид
79,03% азот .
Издишвания въздухобеднени на кислород и наситени с въглероден диоксид. Средно издишаният въздух съдържа
16,3% кислород,
4% въглероден диоксид
79,7% азот.
В сравнение с атмосферния въздух, съдържа алвеоларен въздух
14% кислород,
5% въглероден диоксид
79,5% азот.
Съставът на алвеоларния въздух е относително стабилен, тъй като по време на тихо дишане само 350 ml влизат в алвеолите свеж въздух, което е само 1/7 от въздуха, съдържащ се в белите дробове след нормално издишване. Този въздух се намира в алвеолите и осигурява консумацията на кислород за метаболитните процеси в капилярите на белите дробове.
Същата малка част от алвеоларния въздух се отстранява по време на издишване, което спомага за стабилизиране на неговия състав.
Регулиране на дишането. Неврорегулаторни и хуморална регулациядишане.
Външно дишане -е обмяната на въздух между алвеолите на белите дробове и външна среда, което се извършва в резултат на ритмично дишане, движения на гръдния кош, предизвикващи редуване на актове на вдишване и издишване.
Основната цел на външното дишане- поддържане на оптимален състав на артериалната кръв. Основният начин за постигане на тази цел е регулирането на обема на белодробната вентилация чрез промяна на честотата и дълбочината на дишането. Какви механизми осигуряват адаптирането на дишането към променящите се нужди на тялото? Тялото има две регулаторни системи - нервна и хуморална. Последно представенихормони и метаболити, циркулиращи в кръвта, които могат да повлияят на дишането.
Регулиране на дишането -е процесът на контролиране на белодробната вентилация, насочен към поддържане на респираторни константи и адаптиране на дишането към условията на променяща се външна среда.
Следователно, за прилагане дихателни движениянеобходими медула и тази част от гръбначния мозък, която изпраща двигателни нервикъм дихателните мускули.
От венозната кръв 55-58 об.% могат да бъдат възстановени въглероден двуокис. По-голямата част от CO 2, извлечен от кръвта, идва от соли на въглена киселина, присъстващи в плазмата и еритроцитите, и само около 2,5 об.% от въглеродния диоксид се разтваря и около 4-5 об.% се комбинират с хемоглобина под формата на карбохемоглобин.
Образуването на въглеродна киселина от въглероден диоксид се извършва в червените кръвни клетки, които съдържат ензима карбоанхидраза, който е мощен катализатор, който ускорява реакцията на хидратация на CO2.
. Съществуването на този ензим е предложено от I.M. Sechenov, но е открито едва през 1932 г. от Meldrum и Rafton.
Свързване на въглероден диоксид в кръвта в капилярите голям кръг . Въглероден двуокис, образуван в тъканите, дифундира в кръвта на кръвоносните капиляри, тъй като напрежението на CO 2 в тъканите значително надвишава напрежението му в артериалната кръв. CO 2, разтворен в плазмата, дифундира в еритроцита, където под въздействието на карбоанхидразата моментално се превръща във въглена киселина,
Според изчисленията активността на карбоанхидразата в еритроцитите е такава, че реакцията на хидратация на въглероден диоксид се ускорява 1500-2000 пъти. Тъй като целият въглероден диоксид в еритроцита се превръща във въглеродна киселина, напрежението на CO 2 вътре в еритроцита е близо до нула, така че все повече и повече нови количества CO 2 навлизат в еритроцита. Поради образуването на въглеродна киселина от CO 3 в еритроцита, концентрацията на HCO 3 " йони се увеличава и те започват да дифундират в плазмата. Това е възможно, тъй като повърхностната мембрана на еритроцита е пропусклива за аниони. За катиони, мембраната на еритроцитите е практически непропусклива. Вместо HCO 3 " йони, червените кръвни клетки съдържат хлорен йон. Преходът на хлорните йони от плазмата в еритроцита освобождава натриеви йони в плазмата, които свързват постъпващите в еритроцита HCO 3 йони, образувайки NaHCO 3. Химичният анализ на венозна кръвна плазма показва значително увеличение на бикарбонатите в нея.
Натрупването на аниони вътре в еритроцита води до повишаване на осмотичното налягане вътре в еритроцита и това предизвиква преминаването на вода от плазмата през повърхностната мембрана на еритроцита. В резултат на това се увеличава обемът на червените кръвни клетки в системните капиляри. Проучване, използващо хематокрит, разкрива, че червените кръвни клетки заемат 40% от обема на артериалната кръв и 40,4% от обема на венозната кръв. От това следва, че обемът на еритроцитите на венозната кръв е по-голям от този на артериалните еритроцити, което се обяснява с проникването на вода в тях.
Едновременно с навлизането на CO 2 в еритроцита и образуването на въглена киселина в него, кислородът се освобождава от оксихемоглобина и се превръща в редуциран хемоглобин. Последният е много по-малко дисоциираща киселина от оксихемоглобина и въглеродната киселина. Следователно, когато оксихемоглобинът се превръща в хемоглобин, H 2 CO 3 измества калиевите йони от хемоглобина и, комбинирайки се с тях, образува калиева сол на бикарбонат.
Освободеният H˙ йон на въглената киселина се свързва с хемоглобина. Тъй като намаленият хемоглобин е леко дисоциирана киселина, няма подкисляване на кръвта и разликата в pH между венозна и артериална кръв е изключително малка. Реакцията, протичаща в червените кръвни клетки на тъканните капиляри, може да бъде представена по следния начин:
KHbO 2 + H 2 CO 3 = HHb + O 2 + KHSO 3
От горното следва, че оксихемоглобинът, превръщайки се в хемоглобин и предавайки свързаните с него основи на въглероден диоксид, насърчава образуването на бикарбонат и транспортирането на въглероден диоксид в тази форма. Освен това gcmoglobin образува химично съединение с CO 2 - карбохемоглобин. Наличието на хемоглобин и въглероден диоксид в кръвта се определя чрез следния експеримент. Ако да цяла кръвдобавете калиев цианид, който напълно инактивира карбоанхидразата, тогава се оказва, че еритроцитите на такава кръв свързват повече CO 2 от плазмата. От това се заключава, че свързването на CO 2 от еритроцитите след инактивиране на карбоанхидразата се обяснява с наличието на хемоглобиново съединение с CO 2 в еритроцитите. По-късно се оказа, че CO 2 се свързва с аминогрупата на хемоглобина, образувайки така наречената карбаминова връзка.
Реакцията на образуване на карбохемоглобин може да върви в една или друга посока в зависимост от напрежението на въглеродния диоксид в кръвта. Въпреки че малка част от общото количество въглероден диоксид, който може да бъде извлечен от кръвта, се комбинира с хемоглобина (8-10%), ролята на това съединение в транспорта на въглероден диоксид в кръвта е доста голяма. Приблизително 25-30% от въглеродния диоксид, абсорбиран от кръвта в системните капиляри, се свързва с хемоглобина, за да образува карбохемоглобин.
Освобождаване на CO2 от кръвта в белодробните капиляри. Поради по-ниското парциално налягане на CO 2 в алвеоларния въздух в сравнение с неговото напрежение във венозната кръв, въглеродният диоксид преминава чрез дифузия от кръвта на белодробните капиляри в алвеоларния въздух. Напрежението на CO 2 в кръвта спада.
|
В същото време, поради по-високото парциално налягане на кислорода в алвеоларния въздух в сравнение с неговото напрежение във венозната кръв, кислородът тече от алвеоларния въздух в кръвта на капилярите на белите дробове. Напрежението O2 в кръвта се увеличава и хемоглобинът се превръща в оксихемоглобин. Тъй като последният е киселина, чиято дисоциация е много по-висока от хемоглобина на въглеродната киселина, тя измества въглеродната киселина от своята калиева киселина. Реакцията протича по следния начин: HHb + O 2 + KHSO 3 = KHbO 2 + H 2 CO 3 Въглеродната киселина, освободена от връзката си с основи, се разгражда от въглеродна анхидраза до въглероден диоксид във вода. Значението на карбоанхидразата за освобождаването на въглероден диоксид в белите дробове може да се види от следните данни. За да настъпи реакцията на дехидратация на H 2 CO 3, разтворен във вода, с образуването на количеството въглероден диоксид, което напуска кръвта, докато е в капилярите на белите дробове, са необходими 300 секунди. Кръвта преминава през капилярите на белите дробове за 1-2 секунди, но през това време дехидратацията на въглеродната киселина в червените кръвни клетки и дифузията на получения CO 2 първо в кръвната плазма и след това в алвеоларния въздух имат време да възникне. Тъй като концентрацията на HCO 3 йони в еритроцитите намалява в белодробните капиляри, тези йони от плазмата започват да дифундират в еритроцитите, а хлорните йони дифундират от еритроцитите в плазмата. Поради факта, че напрежението на въглеродния диоксид в кръвта на белодробните капиляри намалява, карбаминовата връзка се разцепва и карбохемоглобинът освобождава въглероден диоксид. Всички тези процеси са показани схематично в ориз. 57. Ориз. 57. Схема на процесите, протичащи в еритроцита, когато кислородът и въглеродният диоксид се абсорбират или отделят в кръвта. |
Криви на дисоциация на съединенията на въглеродната киселина в кръвта. Както вече казахме, над 85% от въглеродния диоксид, който може да бъде извлечен от кръвта чрез подкисляването й, се освобождава в резултат на разграждането на бикарбонатите (калий в червените кръвни клетки и натрий в плазмата).
Свързването на въглеродния диоксид и освобождаването му в кръвта зависи от парциалното му напрежение. Възможно е да се конструират криви на дисоциация за съединенията на въглеродния диоксид в кръвта, подобни на кривите на дисоциация за оксихемоглобина. За да направите това, обемните проценти се нанасят по оста y. обвързан с кръвтавъглероден диоксид, а оста x е частичното напрежение на въглеродния диоксид. Долната крива на ориз. 58показва свързването на въглероден диоксид от артериалната кръв, чийто хемоглобин е почти напълно наситен с кислород. Горната крива показва свързването на киселинния газ от венозна кръв.
Точка А на долната крива на ориз. 58съответства на киселинно напрежение от 40 mmHg. чл., т.е. напрежението, което действително съществува в артериалната кръв. При това напрежение се свързват 52 об.% CO 2 . Точка V на горната крива съответства на напрежение на киселинния газ от 46 mmHg. чл., т.е. действително присъства във венозната кръв. Както се вижда от кривата, при това напрежение венозната кръв свързва 58 об.% въглероден диоксид. AV линията, свързваща горната и долната крива, съответства на тези промени в способността за свързване на въглероден диоксид, които възникват, когато артериалната кръв се превръща във венозна или, обратно, венозната кръв в артериална.
Венозната кръв, поради факта, че съдържащият се в нея хемоглобин се превръща в оксихемоглобин, отделя около 6 об.% CO 2 в капилярите на белите дробове. Ако хемоглобинът в белите дробове не се превръща в оксихемоглобин, тогава, както се вижда от кривата, венозната кръв с парциално налягане на въглеродния диоксид в алвеолите е равно на 40 mm Hg. Art.. би свързал 54 vol.% CO 2, следователно, би отказал не 6, а само 4 vol.%. По същия начин, ако артериална кръвв капилярите на големия кръг не се е отказал от своя кислород, т.е. ако нейният хемоглобин остане наситен с кислород, тогава тази артериална кръв, при парциалното налягане на въглеродния диоксид, присъстващ в капилярите на телесните тъкани, ще може да се свърже не 58 об.% CO 2, а само 55 об.%.
Така преходът на хемоглобина към оксихемоглобин в белите дробове и оксихемоглобина към хемоглобин в тъканите на тялото допринася за абсорбцията и освобождаването на приблизително 3-4 об.% въглероден диоксид от 6 об.%, които кръвта абсорбира в тъкани и освобождавания в белите дробове. Около 25-30% от въглеродния диоксид, отделен в белите дробове, се пренася от карбохемоглобина.
От всичко казано следва, че в механизма на транспортиране както на кислорода, така и на въглеродния диоксид в кръвта жизненоважна роляпринадлежи към червените кръвни клетки, които съдържат хемоглобин и карбоанхидраза.
