Červený pigment hemoglobin (Hb) sestává z bílkovinné části (globin) a samotného pigmentu (hem). Molekuly se skládají ze čtyř proteinových podjednotek, z nichž každá váže hemovou skupinu s atomem dvojmocného železa umístěným ve svém středu. V plicích každý atom železa váže jednu molekulu kyslíku. Kyslík se přenáší do tkání, kde dochází k jeho separaci. Přídavek O 2 se nazývá oxygenace (nasycení kyslíkem) a jeho uvolnění se nazývá deoxygenace.
Transport CO 2
Asi 10 % oxidu uhličitého (CO 2), konečného produktu oxidačního metabolismu v tkáňových buňkách, je transportováno krví fyzikálně rozpuštěné a 90 % v chemicky vázané formě. Většina z oxid uhličitý nejprve difunduje z tkáňových buněk do plazmy a odtud do červených krvinek. Tam jsou molekuly CO 2 chemicky vázány a enzymy přeměněny na mnohem rozpustnější hydrogenuhličitanové ionty (HCO 3 -), které jsou přenášeny v krevní plazmě. Tvorbu CO 2 z HCO 3 výrazně urychluje enzym karboanhydráza přítomný v červených krvinkách.
Většina (asi 50-60 %) vytvořených hydrogenuhličitanových iontů se uvolňuje z červených krvinek zpět do plazmy výměnou za chloridové ionty. Jsou transportovány do plic a uvolňovány při výdechu po přeměně na CO 2 . Oba procesy - tvorba HCO 3 - a uvolňování CO 2 jsou spojeny s okysličováním a deoxygenací hemoglobinu. Deoxyhemoglobin je znatelně silnější báze než oxyhemoglobin a může vázat více H + iontů (tlumivá funkce hemoglobinu), čímž podporuje tvorbu HCO 3 - v tkáňových kapilárách. V kapilárách plic HCO 3 - opět přechází z krevní plazmy do červených krvinek, spojuje se s ionty H + a mění se zpět na CO 2. Tento proces je potvrzen tím, že okysličená krev uvolňuje více protonů H +. Mnohem menší podíl CO 2 (asi 5-10 %) je vázán přímo na hemoglobin a je transportován jako karbaminohemoglobin.
Hemoglobin a oxid uhelnatý
Kysličník uhelnatý ( kysličník uhelnatý, CO) je bezbarvý plyn bez zápachu, který vzniká při nedokonalém spalování a stejně jako kyslík se může reverzibilně vázat na hemoglobin. Afinita oxidu uhelnatého k hemoglobinu je však znatelně vyšší než afinita kyslíku. Tedy i když je obsah CO ve vdechovaném vzduchu 0,3 %, 80 % hemoglobinu je vázáno na oxid uhelnatý (HbCO). Protože se oxid uhelnatý uvolňuje z vazby s hemoglobinem 200-300krát pomaleji než kyslík, toxický účinek určuje skutečnost, že hemoglobin již nemůže přenášet kyslík. Například u silných kuřáků je 5–10 % hemoglobinu přítomno jako HbCO, zatímco příznaky se objevují u 20 %. akutní otravy (bolest hlavy, závratě, nevolnost) a 65 % může být smrtelné.
Často k vyhodnocení krvetvorby nebo k rozpoznání různé formy anémie je určena průměrným obsahem hemoglobinu v erytrocytech (AHE). Vypočítá se podle vzorce:
Průměrný obsah hemoglobinu v červené krvince leží mezi 38 a 36 pikogramy (pg) (1 pg = 10ˉ¹² g). Červené krvinky s normální SGE se nazývají normochromní (ortochromní). Pokud je FSE nízká (například v důsledku chronické ztráty krve nebo nedostatku železa), červené krvinky se nazývají hypochromní; pokud je SGE vysoká (například u perniciózní anémie z nedostatku vitaminu B 12), nazývají se hyperchromní.
Formy anémie
Anémie je definován jako nedostatek (snížení počtu) červených krvinek nebo snížený obsah hemoglobinu v krvi. Diagnóza anémie se obvykle stanoví podle hladiny hemoglobinu, spodní řádek norma dosahuje 140 g/l u mužů a 120 g/l u žen. Téměř u všech forem anémie je spolehlivým příznakem onemocnění bledá barva kůže a sliznice. Často během fyzická aktivita znatelně narůstá tlukot srdce(zrychlení krevního oběhu) a pokles kyslíku v tkáních vede k dušnosti. Kromě toho se objevují závratě a mírná únava.
Až na anémie z nedostatku železa a chronická ztráta krve, například v důsledku krvácejících vředů nebo nádorů v gastrointestinální trakt(hypochromní anémie), anémie se může objevit při nedostatku vitaminu B12. kyselina listová nebo erytropoetin. Vitamin B 12 a kyselina listová se podílejí na syntéze DNA v nezralých buňkách kostní dřeně a významně tak ovlivňují dělení a zrání červených krvinek (erytropoézu). Při jejich nedostatku se tvoří méně červených krvinek, ale díky tomu se znatelně zvětšují vysoký obsah hemoglobin (makrocyty (megalocyty), prekurzory: megaloblasty), takže obsah hemoglobinu v krvi se prakticky nemění (hyperchromní, megaloblastická, makrocytární anémie).
Nedostatek vitaminu B 12 se často vyskytuje v důsledku zhoršeného vstřebávání vitaminu ve střevě, méně často v důsledku nedostatečného příjmu v potravě. Tato tzv perniciózní anémie nejčastěji výsledek Chronický zánět ve střevní sliznici s poklesem tvorby žaludeční šťávy.
Vitamin B 12 se ve střevech vstřebává pouze v vázaná forma s faktorem v žaludeční šťávy„vnitřní faktor (Castle)“, který ji chrání před zničením trávicími šťávami v žaludku. Protože játra mohou skladovat velký počet vitamin B 12, pak může trvat 2-5 let, než špatné vstřebávání ve střevě ovlivní tvorbu červených krvinek. Stejně jako v případě nedostatku vitaminu B12 vede nedostatek kyseliny listové, dalšího vitaminu B, k poruše erytropoézy kostní dřeně.
Existují dvě další příčiny anémie. Jedním z nich je destrukce kostní dřeně (aplazie kostní dřeně) radioaktivní záření(například po havárii jaderné elektrárny) nebo v důsledku toxických reakcí na léky (například cytostatika) (aplastická anémie). Dalším důvodem je snížení životnosti červených krvinek v důsledku jejich destrukce nebo zvýšeného rozpadu (hemolytická anémie). Na silná forma hemolytická anémie(např. po neúspěšné transfuzi krve) lze kromě bledosti pozorovat i změnu barvy kůže a sliznic na nažloutlou. Tato žloutenka ( hemolytická žloutenka) je způsobena rostoucím rozkladem hemoglobinu na bilirubin (žluté žlučové barvivo) v játrech. Ten vede ke zvýšení hladiny bilirubinu v plazmě a jeho ukládání v tkáních.
Příklad anémie vyplývající z dědičná porucha slouží syntéza hemoglobinu, klinicky se projevující jako hemolytická srpkovitá anémie. U tohoto onemocnění, které se prakticky vyskytuje pouze u zástupců černošské populace, existuje molekulární porucha, která vede k nahrazení normálního hemoglobinu jinou formou hemoglobinu (HbS). V HbS je aminokyselina valin nahrazena kyselina glutamová. Erytrocyt obsahující takový abnormální hemoglobin v deoxygenovaném stavu nabývá tvaru srpu. Srpkovité červené krvinky jsou tužší a špatně procházejí kapilárami.
Dědičná porucha u homozygotů (podíl HbS na celkovém hemoglobinu je 70-99 %) vede k ucpání malých cév a tím k trvalé poškození orgány. Lidé postižení touto nemocí obvykle dospějí až tehdy intenzivní léčba(například částečná náhrada krve, užívání analgetik, vyhýbání se hypoxii (nedostatek kyslíku) a někdy transplantace kostní dřeně). V některých oblastech tropické Afriky s vysokým procentem malárie je 40 % populace heterozygotními nositeli tohoto genu (při obsahu HbS nižším než 50 %) a nevykazují takové příznaky. Změněný gen propůjčuje odolnost vůči infekci malárie (selektivní výhoda).
Regulace tvorby červených krvinek
Tvorbu červených krvinek reguluje hormon ledvin erytropoetin. Tělo má jednoduché, ale velmi efektivní systém regulace, aby byl obsah kyslíku a zároveň počet červených krvinek relativně konstantní. Pokud hladina kyslíku v krvi klesne pod určitou úroveň, například po velké ztrátě krve nebo ve vysokých nadmořských výškách, je tvorba erytropoetinu neustále stimulována. V důsledku toho se zvyšuje tvorba červených krvinek v kostní dřeni, což zvyšuje schopnost krve přenášet kyslík. Když je nedostatek kyslíku překonán zvýšením počtu červených krvinek, tvorba erytropoetinu opět klesá. Pacienti vyžadující dialýzu (umělé čištění krve od metabolických produktů), s poruchou funkce ledvin (například s chronic selhání ledvin) mají často výrazný deficit erytropoetinu, a proto téměř vždy trpí souběžnou anémií.
Téměř všechny kapaliny mohou obsahovat některé fyzikálně rozpuštěné plyny. Obsah rozpuštěného plynu v kapalině závisí na jejím parciálním tlaku.
Přestože je obsah O 2 a CO 2 v krvi ve fyzikálně rozpuštěném stavu relativně malý, hraje tento stav v životě organismu významnou roli. Aby se mohly dostat do kontaktu s určitými látkami, musí k nim být dýchací plyny nejprve dodány ve fyzikálně rozpuštěné formě. Po difúzi do tkáně nebo krve tedy každá molekula O2 nebo CO2 určitý čas je ve stavu fyzického rozpuštění.
Většina kyslíku je přenášena krví jako chemická sloučenina v hemoglobinu. 1 mol hemoglobinu může vázat až 4 moly kyslíku a 1 gram hemoglobinu může vázat 1,39 ml kyslíku. Při analýze plynného složení krve se získá o něco nižší hodnota (1,34 - 1,36 ml O 2 na 1 g Hb). To je způsobeno tím, že malá část hemoglobinu je neaktivní. Přibližně tedy můžeme předpokládat, že in vivo 1 g Hb váže 1,34 ml O 2 (Hüfnerovo číslo).
Na základě Hüfnerova čísla je možné při znalosti obsahu hemoglobinu vypočítat kyslíkovou kapacitu krve: [O 2 ] max = 1,34 ml O 2 na 1 g Hb; 150 g Hb na 1 litr krve = 0,20 l O 2 na 1 litr krve. Avšak takového obsahu kyslíku v krvi lze dosáhnout pouze tehdy, je-li krev v kontaktu směs plynů S vysoký obsah kyslíku (PO 2 = 300 mm Hg), tedy v přírodní podmínky hemoglobin není zcela okysličený.
Reakce odrážející kombinaci kyslíku s hemoglobinem se řídí zákonem hromadné akce. To znamená, že poměr mezi množstvím hemoglobinu a oxyhemoglobinu závisí na obsahu fyzikálně rozpuštěného O 2 v krvi; ten druhý je úměrný napětí O2. Procento oxyhemoglobinu k celkovému obsahu hemoglobinu se nazývá saturace hemoglobinu kyslíkem. V souladu se zákonem hromadného působení závisí nasycení hemoglobinu kyslíkem na napětí O 2 . Graficky se tato závislost odráží v tzv křivka disociace oxyhemoglobinu. Tato křivka má tvar S (obr. 29.).
Nejjednodušším ukazatelem charakterizujícím umístění této křivky je tzv. poloviční saturační napětí PO 2, tzn. je napětí O 2, při kterém je saturace hemoglobinu kyslíkem 50 %. Normálně je hodnota PO 2 v arteriální krvi asi 26 mm Hg.
Rýže. 29. Disociační křivky oxyhemoglobinu při různém pH krve.
Konfigurace křivky disociace oxyhemoglobinu je důležitá pro transport kyslíku v krvi. Během vstřebávání kyslíku v plicích se napětí O2 v krvi blíží parciálnímu tlaku tohoto plynu v alveolech. U mladých lidí je hodnota PO 2 v arteriální krvi asi 95 mm Hg. Při tomto napětí je saturace hemoglobinu kyslíkem přibližně 97 %. S věkem (a ještě ve větší míře s plicními chorobami) může napětí O2 v arteriální krvi výrazně klesat, ale jelikož disociační křivka oxyhemoglobinu na pravé straně je téměř vodorovná, saturace krve kyslíkem příliš neklesá. Tedy i když PO 2 v arteriální krvi klesne na 60 mm Hg. saturace hemoglobinu kyslíkem je 90 %. Díky tomu, že oblast vysokých tenzí kyslíku odpovídá horizontálnímu řezu disociační křivky oxyhemoglobinu, je saturace arteriální krve kyslíkem udržována při vysoká úroveň i s výraznými posuny v PO 2.
Strmý sklon střední části disociační křivky oxyhemoglobinu ukazuje na příznivou situaci pro uvolňování kyslíku do tkání. V klidu je PO 2 na žilním konci kapiláry přibližně 40 mmHg, což odpovídá přibližně 73% saturaci. Pokud se v důsledku zvýšení spotřeby kyslíku jeho napětí v žilní krev klesne pouze o 5 mmHg, pak se saturace hemoglobinu kyslíkem sníží o 75%: uvolněný O2 lze v tomto případě okamžitě využít pro metabolické procesy.
Nehledě na to, že konfigurace křivky disociace oxyhemoglobinu je určena především chemické vlastnosti hemoglobinu, existuje řada dalších faktorů, které ovlivňují afinitu krve ke kyslíku. Všechny tyto faktory obvykle posouvají křivku, zvyšují nebo zmenšují její sklon, ale beze změny jejího tvaru S. Mezi takové faktory patří teplota, pH, tenze CO 2 a některé další faktory, jejichž role se v patologických stavech zvyšuje.
Rovnováha okysličení hemoglobinu závisí na teplotě. S klesající teplotou se sklon disociační křivky oxyhemoglobinu zvětšuje a s rostoucím klesá. U teplokrevných živočichů se tento účinek vyskytuje pouze při hypotermii nebo horečnatém stavu.
Tvar disociační křivky oxyhemoglobinu do značné míry závisí na obsahu H + iontů v krvi. Při poklesu pH, tzn. Když se krev okyselí, afinita hemoglobinu ke kyslíku klesá a disociační křivka oxyhemoglobinu se nazývá Bohrův efekt.
pH krve úzce souvisí s tenzí CO 2 (PCO 2): čím vyšší PCO 2, tím nižší pH. Zvýšení napětí CO 2 v krvi je doprovázeno poklesem afinity hemoglobinu ke kyslíku a zploštěním disociační křivky HbO 2 . Tato závislost se také nazývá Bohrův efekt, i když s tímto kvantitativní analýza bylo prokázáno, že vliv CO 2 na tvar disociační křivky oxyhemoglobinu nelze vysvětlit pouze změnami pH. Je zřejmé, že samotný oxid uhličitý má „specifický účinek“ na disociaci oxyhemoglobinu.
S číslem patologické stavy jsou pozorovány změny v procesu transportu kyslíku v krvi. Existují tedy onemocnění (například některé typy anémie), které jsou doprovázeny posuny křivky disociace oxyhemoglobinu doprava (méně často doleva). Důvody pro takové přesuny nebyly zcela odhaleny. Je známo, že tvar a umístění disociační křivky oxyhemoglobinu je silně ovlivněno určitými organofosforové sloučeniny, jejichž obsah v erytrocytech se může během patologie měnit. Hlavní takovou sloučeninou je 2,3-difosfoglycerát - (2,3 - DPG). Afinita hemoglobinu ke kyslíku závisí také na obsahu kationtů v erytrocytech. Je také nutné upozornit na vliv patologických změn pH: při alkalóze se v důsledku Bohrova efektu zvyšuje absorpce kyslíku v plicích, ale jeho uvolňování do tkání je obtížnější; a u acidózy je pozorován opačný obraz. Konečně u otravy oxidem uhelnatým dochází k výraznému posunu křivky doleva.
Transport CO 2 krví. Formy dopravy. Význam karboanhydrázy.
Oxid uhličitý je konečným produktem oxidace metabolické procesy v buňkách - transportovány s krví do plic a odváděny přes ně do vnějšího prostředí. Stejně jako kyslík může být CO 2 transportován jak ve fyzikálně rozpuštěné formě, tak jako součást chemické sloučeniny. Chemické reakce Vazba CO 2 je poněkud složitější než reakce přidání kyslíku. To je způsobeno tím, že mechanismy odpovědné za transport CO 2 musí současně zajistit udržování konstantní acidobazická rovnováha krve a tím i vnitřního prostředí těla jako celku.
Napětí CO 2 v arteriální krvi vstupující do tkáňových kapilár je 40 mm Hg. V buňkách umístěných v blízkosti těchto kapilár je napětí CO 2 mnohem vyšší, protože tato látka se neustále tvoří v důsledku metabolismu. V tomto ohledu je fyzikálně rozpuštěný C02 přenášen podél gradientu napětí z tkání do kapilár. Zde část oxidu uhličitého zůstává ve stavu fyzického rozpuštění, ale většina CO 2 prochází řadou chemických přeměn. Nejprve se molekuly CO 2 hydratují za vzniku kyseliny uhličité.
V krevní plazmě tato reakce probíhá velmi pomalu; v erytrocytu se zrychluje přibližně 10 tisíckrát. To je způsobeno působením enzymu karboanhydrázy. Protože je tento enzym přítomen pouze v buňkách, musí téměř všechny molekuly CO 2 zapojené do hydratační reakce nejprve vstoupit do červených krvinek.
Další reakcí v řetězci chemických přeměn CO 2 je disociace slabé kyseliny H 2 CO 3 na hydrogenuhličitanové a vodíkové ionty.
Hromadění HCO 3 - v erytrocytu vede k vytvoření difúzního gradientu mezi jeho vnitřním prostředím a krevní plazmou. Ionty HCO 3 - se mohou po tomto gradientu pohybovat pouze v případě, že není narušena rovnovážná distribuce elektrické náboje. V tomto ohledu musí současně s uvolněním každého iontu HCO 3 - dojít buď k výstupu jednoho kationtu z erytrocytu, nebo ke vstupu jednoho aniontu. Vzhledem k tomu, že membrána erytrocytu je pro kationty prakticky nepropustná, ale poměrně snadno propouští malé anionty, dostávají se do erytrocytu místo HCO 3 - ionty Cl -. Tento výměnný proces se nazývá chloridový posun.
CO 2 se také může vázat přímou vazbou na aminoskupiny proteinové složky hemoglobinu. V tomto případě vzniká tzv. karbaminová vazba.
Hemoglobin vázaný na CO 2 se nazývá karbohemoglobin.
Závislost obsahu CO 2 na stupni okysličení hemoglobinu se nazývá Haldaneův efekt. Tento efektčástečně kvůli různé schopnosti oxyhemoglobinu a deoxyhemoglobinu k vytvoření karbaminové vazby.
REGULACE DÝCHÁNÍ
Regulaci dýchání lze definovat jako adaptaci vnější dýchání na potřeby těla. Hlavní při regulaci dýchání je zajistit změnu dechových fází.
Způsob změny dechových fází musí být přiměřený metabolickým potřebám těla. Při fyzické práci by se tedy rychlost vstřebávání kyslíku a odstraňování oxidu uhličitého měla několikanásobně zvýšit ve srovnání s odpočinkem. K tomu je nutné zvýšit ventilaci plic. Zvýšení minutového objemu dýchání lze dosáhnout zvýšením frekvence a hloubky dýchání. Regulace dýchání by měla zajistit nejekonomičtější poměr mezi těmito dvěma parametry. Navíc při provádění určitých reflexů (polykání, kašlání, kýchání) a při určitých typech činností (řeč, zpěv atd.) musí zůstat dechový vzorec víceméně konstantní. Vzhledem k celé této rozmanitosti potřeb těla pro optimální fungování dýchací systém jsou zapotřebí složité regulační mechanismy.
V systému kontroly dýchání lze rozlišit dvě hlavní úrovně regulace:
1. Samoregulační úroveň – zapíná dechové centrum aktivací plicních mechanoreceptorů, dýchací svaly, centrální a periferní chemoreceptory. Tato úroveň regulace udržuje stálost složení plynu arteriální krve.
2. Regulační, nápravná úroveň - zahrnuje komplexní behaviorální podmíněné a nepodmíněné akty. Na této úrovni regulace dochází k procesům, které přizpůsobují dýchání měnícím se podmínkám prostředí a životu těla.
Samoregulace dýchání, dechové centrum.
Identifikace mozkových struktur odpovědných za akty nádechu a výdechu byla prováděna řezáním a ničením mozkových struktur.
Bylo zjištěno, že oddělení mozku od míchy vede k úplné zástavě dýchání.
A.N. Mislavsky (1885) ukázal, že zničení mediální části prodloužené míchy v dolním rohu kosočtverečné jamky vede k úplnému zastavení dýchání.
Lumsden (1923) ukázal, že pons také obsahuje shluky neuronů, jejichž zničení narušuje vzorec dýchání. Zavedl pojmy pneumotoxická a apneustická centra mostu mostu.
Pneumotoxickým centrem (neurony odpovědné za změnu z nádechu na výdech) jsou rostrální úseky mostu pons. Když jsou zničeny, dýchací cykly se stávají nepravidelnými. Pokud jsou aferentní vlákna vagusu současně řezána, pak apneustický dýchání (dlouhý nádech, krátký výdech, opět dlouhý nádech).
Pokud jsou zničena jádra umístěná ve střední a kaudální oblasti mostu (apneustické centrum, jehož neurony usnadňují rychlý přechod výdechu do nádechu), apnoe mizí. Také zmizí, když se prodloužená míša oddělí od mostu. V těchto případech existuje lapání po dechu– vzácné křečovité nádechy.
Pittsova teorie:
V mediální části prodloužené míchy se nachází dýchací centrum, které má inspirační (nádech) a výdechový (výdechový) úsek.
Akt inhalace nastává v důsledku excitace neuronů v oblasti inspirace, které vysílají impulsy do α-motoneuronů dýchacích svalů, do pneumotoxického centra a do oblasti výdechu. To způsobí inhibici neuronů inspirační oblasti a excitaci výdechové oblasti - dochází k výdechu. Excitované neurony v oblasti výdechu vysílají signál do pneumotoxického centra (takže inhibuje výdechové neurony a aktivuje inspirační) a do inspiračních neuronů. Atd.
Současně na stavu neuronů dýchací centrum ovlivňuje tok impulsů z chemoreceptorů a mechanoreceptorů, díky čemuž je regulována frekvence a hloubka dýchání (tj. ventilace plic v souladu s potřebami organismu).
Při studiu elektrické aktivity respiračních neuronů však tato hypotéza selhala.
Bylo prokázáno, že respirační neurony prodloužené míchy v dolním úhlu kosočtverečné jamky jsou umístěny laterálně. V mediální oblasti (jejíž destrukce způsobila zástavu dechu) jsou neurony, které zpracovávají aferentní informace směřující k respiračním neuronům, stejně jako pravděpodobně axony respiračních neuronů.
V prodloužené míše jsou 2 shluky respiračních neuronů: jeden v dorzální části, nedaleko od solitárního jádra - dorzální respirační skupina (DRG), druhý je umístěn více ventrálně, poblíž dvojitého jádra - ventrální respirační skupina ( VRG).
DDG – 2 třídy neuronů – inspirační Ia a Ib. Při nádechu jsou obě třídy těchto neuronů vzrušené, ale fungují různé úkoly:
Inspirační neurony Ia aktivují α-motoneurony bráničního svalu a současně vysílají signály do inspiračních neuronů EDH, které naopak excitují α-motoneurony zbývajících inspiračních svalů;
Inspirační Ib neurony, případně s pomocí interneuronů, spouštějí proces inhibice Ia neuronů.
V EDH jsou 2 typy neuronů - inspirační a výdechové neurony (aktivují výdechové kosterní svaly).
Mezi populacemi inspiračních a exspiračních neuronů byly identifikovány časné (excitované na začátku nádechu nebo výdechu), pozdní (na konci) a konstantní (v průběhu celého nádechu nebo výdechu).
Tito. v prodloužené míše není jasné rozdělení na inspirační a exspirační úsek, ale existují shluky respiračních neuronů se specifickou funkcí.
Respirační neurony mostu mostu.
Pneumotaxické centrum– nádechově-výdechové neurony (excitované na konci nádechu, začátku výdechu) a výdechově-nádechové neurony (na konci výdechu, začátku nádechu). Činnost těchto neuronů vyžaduje tok impulsů z mechanoreceptorů plic podél aferentních vláken vagu.
Centrum apnoe: ve střední oblasti jsou převážně nádechově-výdechové neurony a v kaudální oblasti jsou převážně výdechově-nádechové neurony.
Soubor respiračních neuronů prodloužené míchy a mostu v Nedávno obvykle volán centrální mechanismus dýchání (CMD).
Představy o fungování CMD vycházejí z Bradleyho (1975) představy o přítomnosti 2 nervových bloků v mozku: 1) generátor centrální inspirační aktivity (CIA); 2) mechanismus pro vypnutí inspirace.
Generátor CIA je reprezentován inspiračními neurony typu Ia lokalizovanými v DDG prodloužené míchy. Inspirační neurony jsou buzeny neustálým přijímáním rytmických impulsů z centrálních a periferních chemoreceptorů. Aktivita těchto receptorů je přímo závislá na obsahu kyslíku a oxidu uhličitého v krvi (periferní chemoreceptory) a koncentraci protonů v mozkomíšním moku (centrální chemoreceptory).
Proudy impulsů z α-inspiračních neuronů spěchají do jader dýchacích svalů mícha a jejich aktivací způsobí kontrakci bránice a zvětšení objemu hruď a také excitovat β - inspirační neurony. Současně se v procesu zvětšování objemu hrudníku zvyšuje tok impulsů z mechanoreceptorů plic k β-neuronům. Předpokládá se, že β - inspirační neurony excitují inspirační - inhibiční neurony, které se uzavírají na α - inspirační neurony (mechanismus vypnutí inspirace). V důsledku toho se nádech zastaví a dojde k výdechu.
Fenomén podráždění plicních napínacích receptorů a zastavení inhalace se nazývá - inspirační inhibiční reflex Heringa a Breuera. Naopak, pokud výrazně snížíte objem plic, pak hluboký nádech. Oblouk tohoto reflexu začíná od napínacích receptorů plicního parenchymu (podobné receptory se nacházejí v průdušnici, průduškách a bronchiolech). Některé z těchto receptorů reagují na stupeň natažení plicní tkáně, ostatní pouze při poklesu nebo zvýšení strečinku (bez ohledu na stupeň). Součástí jsou aferentní vlákna z plicních napínacích receptorů vagus nervy a eferentní článek představují motorické nervy směřující do dýchacích svalů. Fyziologický význam Hering-Breuerův reflex spočívá v omezení respiračních exkurzí díky reflexu, hloubka dýchání je dosažena v souladu s okamžitými podmínkami fungování těla, práce dýchacího systému je prováděna ekonomičtěji. Reflex navíc zabraňuje nadměrné extenzi plic.
Snížení objemu plic při nádechu snižuje tok impulsů z mechanoreceptorů do β - inspiračních neuronů a dochází opět k inhalaci.
Nucené prodloužení doby výdechu (například při nafukování plic během doby výdechu) prodlužuje dobu excitace napínacích receptorů plic a v důsledku toho oddaluje nástup další inhalace - Hering-Breuerův exspirační reflex.
Dochází tedy ke střídání nádechu a výdechu podle principu negativní zpětné vazby.
Venózní krev obsahuje asi 580 ml/l CO2. Transport je poskytován v takových formách jako: 1) rozpuštěný C02 v krevní plazmě (5-10 %); 2) ve formě hydrokarbonátů (80-90 %); 3) karbaminové sloučeniny erytrocytů (5-15 %).
Malá část CO 2 je transportována do plic v rozpuštěné formě (0,3 ml/100 ml krve). CO 2 rozpuštěný v krvi reaguje s vodou:
C02 + H20 = H2C03
V krevní plazmě tato reakce probíhá pomalu a nemá žádné zvláštní význam. Ale červené krvinky obsahují enzym obsahující zinek – karboanhydrázu – který posouvá rovnováhu reakce doprava (směrem ke vzniku kyseliny uhličité). K tvorbě H 2 CO 3 dochází 1000krát rychleji než v plazmě, navíc asi 99,9 % H 2 CO 3 disociuje za vzniku HCO 3 - - a vodíkového iontu (H +):
C02 + H20 = H2C03 = HCO-3 + H+
Výsledné protony (H +) jsou neutralizovány hemoglobinovým pufrem (H + + Hb = HHb). Vzniklý HCO 3 - odchází z červených krvinek do plazmy, pro
při zachování elektrické neutrality vstupují Cl - ionty do erytrocytů.
V červených krvinkách se CO 2 může také vázat na hemoglobin za vzniku HbCO 2 . Stejně jako v prvním případě je i v tomto případě vytvořený H + vázán hemoglobinovým pufrem.
Stejně jako saturace hemoglobinu kyslíkem koreluje s PO2, tak i celková
Rýže. 17. Disociační křivka oxidu uhličitého
I při závažných poruchách Va/Q (tj plicní patologie) Paco 2 zpravidla zůstává uvnitř normální hodnoty. Je to důsledek toho, že disociační křivka CO 2 (obr. 17) monotónně roste. Arteriovenózní rozdíl v Pco 2 v klidu je obvykle 5 mm Hg. art. a zřídka přesahuje 10 mm Hg. Umění. Na daná hodnota Pco 2 odkysličená krev obsahuje velké množství CO 2 než okysličený (Holdenův efekt). Na rozdíl od křivky saturace Hb kyslíkem nemá křivka CO 2 plató a v klinicky významném rozmezí je přímka.
V žilní krvi proudící do kapilár plic je napětí CO 2 v průměru 46 mm Hg a v alveolárním vzduchu je parciální tlak CO 2 v průměru 40 mm Hg, což zajišťuje difúzi CO 2 z hl. krevní plazma do plicních alveolů podél koncentračního gradientu.
Endotel kapilár je propustný pouze pro molekulární CO 2 jako polární molekula. Molekulární CO 2 fyzikálně rozpuštěný v krevní plazmě difunduje z krve do alveol. Do plicních sklípků navíc difunduje CO 2, který se uvolňuje z karbaminových sloučenin erytrocytů v důsledku oxidační reakce hemoglobinu v kapilárách plic a také z bikarbonátů krevní plazmy v důsledku jejich rychlá disociace pomocí enzymu karboanhydrázy obsaženého v erytrocytech. Molekulární CO 2 prochází vzduchovo-hematickou bariérou a poté vstupuje do alveol. Běžně se po 1 s vyrovnají koncentrace CO 2 na alveolárně-kapilární membráně, takže za poloviční dobu kapilárního průtoku krve dojde k úplné výměně CO 2 přes vzduchovo-hematickou bariéru. Ve skutečnosti rovnováha nastává poněkud pomaleji. To je způsobeno skutečností, že přenos CO 2 je stejně jako O 2 omezen rychlostí perfuze plicních kapilár.
Kontrolní otázky
1. Jaké transportní formy oxidu uhličitého existují?
2. Jaká je hlavní forma transportu oxidu uhličitého?
3. Proč má disociační křivka oxidu uhličitého tvar přímky?
Transportní funkcí krve je transport všech látek nezbytných pro fungování těla (živiny, plyny, hormony, enzymy, metabolity).
Respirační funkce spočívá v dodávání kyslíku z plic do tkání a oxidu uhličitého z tkání do plic.
Transport plynů krví– Kyslík a oxid uhličitý jsou v těle transportovány krví. Kyslík přicházející z alveolárního vzduchu do krve se váže hemoglobinčervené krvinky, tvořící tzv oxyhemoglobin a v této formě je dodáván do tkání.
Kyslík tenkými stěnami alveolů a kapilár se ze vzduchu dostává do krve, a oxid uhličitý z krve do vzduchu. K difúzi plynů dochází v důsledku rozdílu jejich koncentrací v krvi a ve vzduchu. Kyslík proniká do červených krvinek a spojuje se s hemoglobinem, krev se stává arteriální a je posílána do tkání. Vyskytuje se ve tkáních obrácený proces: kyslík přechází z krve do tkání díky difúzi a oxid uhličitý, naopak přechází z tkání do krve.
Disociační křivka oxyhemoglobinu- jde o závislost saturace hemoglobinu kyslíkem (měřeno procentem oxyhemoglobinu k celkovému množství hemoglobinu).
Výměna plynů mezi krví a tkáněmi. Porušení výměny plynů v tkáních.
Výměna plynů v tkáních -čtvrté stadium dýchání, v jehož důsledku se do buněk dostává kyslík z krevních kapilár a z buněk do krve oxid uhličitý. Faktorem podporujícím výměnu plynů v tkáních je, stejně jako v plicích, rozdíl v parciálních tlacích plynů mezi krví a intersticiální tekutinou, která omývá všechny buňky a tkáně.
Protože buňky intenzivně absorbují kyslík, produkují stejně intenzivně oxid uhličitý. Napětí oxidu uhličitého v článcích dosahuje 50 - 60 mm. Hg Umění. Tento oxid uhličitý nepřetržitě přechází do intersticiální tekutiny a odtud do krve, čímž se krev stává žilní.
Důsledkem takových poruch výměny plynů může být hypoxie, kyslíkové hladovění tkaniny. Hypoxie – Tento nedostatek kyslíku.
Výměna plynů v plicích, složení vdechovaného alveolárního a vydechovaného vzduchu.
Jak atmosférický vzduch a alveolární potřebný vzduch je směs plynů obsahující O2, CO2, N a inertní plyny. Určité množství dýchacích plynů je obsaženo i v krvi, protože je jejich nositelem. Parciální tlak určitého plynu v krvi, stejně jako v jakékoli jiné kapalině, se obvykle nazývá parciální napětí . Výměna plynu mezi alveolárním vzduchem a krví vlásečnic (druhá fáze dýchání) se provádí difúzí v důsledku tlakového rozdílu mezi O2 a CO2. Vzduch, který dýcháme, tj. atmosférický vzduch, má více či méně stálí zaměstnanci: obsahuje
20,94 % kyslíku,
0,03 % oxidu uhličitého
79,03 % dusíku .
Vydýchaný vzduch zbavený kyslíku a nasycený oxidem uhličitým. V průměru obsahuje vydýchaný vzduch
16,3 % kyslíku,
4 % oxidu uhličitého
79,7 % dusíku.
Ve srovnání s atmosférickým vzduchem alveolární vzduch obsahuje
14 % kyslíku,
5% oxidu uhličitého
79,5 % dusíku.
Složení alveolárního vzduchu je relativně stabilní, protože při klidném dýchání se do alveol dostane pouze 350 ml čerstvý vzduch, což je pouze 1/7 vzduchu obsaženého v plicích po normálním výdechu. Tento vzduch se nachází v alveolech a zajišťuje spotřebu kyslíku pro metabolické procesy v kapilárách plic.
Stejná malá část alveolárního vzduchu je odstraněna během výdechu, což pomáhá stabilizovat jeho složení.
Regulace dýchání. Neuroregulační a humorální regulace dýchání.
Vnější dýchání - je výměna vzduchu mezi alveoly plic a vnější prostředí, která se provádí v důsledku rytmického dýchání, pohybů hrudníku, což způsobuje střídání aktů nádechu a výdechu.
Hlavním účelem vnějšího dýchání- udržení optimálního složení arteriální krve. Hlavním způsobem, jak tohoto cíle dosáhnout, je regulace objemu plicní ventilace změnou frekvence a hloubky dýchání. Jaké mechanismy zajišťují přizpůsobení dýchání měnícím se potřebám těla? Tělo má dva regulační systémy - nervózní a humorný. Poslední prezentovány hormony a metabolity cirkulující v krvi, které mohou ovlivnit dýchání.
Regulace dýchání - je proces řízení plicní ventilace zaměřený na udržení dechových konstant a přizpůsobení dýchání podmínkám měnícího se vnějšího prostředí.
Proto realizovat dýchací pohyby potřeboval medulla a ta část míchy, která vysílá motorické nervy k dýchacím svalům.
Z žilního krev Může být získáno 55-58 % obj oxid uhličitý. Většina CO 2 extrahovaného z krve pochází ze solí kyseliny uhličité přítomných v plazmě a erytrocytech a pouze asi 2,5 obj. % oxidu uhličitého je rozpuštěno a asi 4-5 obj. % je kombinováno s hemoglobinem ve formě karbohemoglobinu.
K tvorbě kyseliny uhličité z oxidu uhličitého dochází v červených krvinkách, které obsahují enzym karboanhydrázu, což je silný katalyzátor, který urychluje hydratační reakci CO2.
. Existenci tohoto enzymu navrhl I. M. Sechenov, ale objevili jej až v roce 1932 Meldrum a Rafton.
Vazba oxidu uhličitého v krvi v kapilárách velký kruh . Oxid uhličitý, vytvořený ve tkáních, difunduje do krve krevních kapilár, protože napětí CO 2 ve tkáních výrazně převyšuje jeho napětí v arteriální krvi. CO 2 rozpuštěný v plazmě difunduje do erytrocytů, kde se vlivem karboanhydrázy okamžitě mění na kyselinu uhličitou,
Podle výpočtů je aktivita karboanhydrázy v erytrocytech taková, že reakce hydratace oxidu uhličitého je urychlena 1500-2000krát. Vzhledem k tomu, že veškerý oxid uhličitý uvnitř erytrocytu je přeměněn na kyselinu uhličitou, je napětí CO 2 uvnitř erytrocytu blízké nule, takže do erytrocytu vstupuje stále více nových množství CO 2 . Vznikem kyseliny uhličité z CO 3 v erytrocytu se zvyšuje koncentrace iontů HCO 3 ", které začnou difundovat do plazmy. Je to možné, protože povrchová membrána erytrocytu je propustná pro anionty. U kationtů membrána erytrocytů je prakticky nepropustná Místo iontů HCO 3“ obsahují červené krvinky iont chloru. Přechodem iontů chloru z plazmy do erytrocytu se v plazmě uvolňují ionty sodíku, které vážou ionty HCO 3 vstupující do erytrocytu za vzniku NaHCO 3. Chemický rozbor žilní krevní plazmy ukazuje významný nárůst bikarbonátu v ní.
Hromadění aniontů uvnitř erytrocytu vede ke zvýšení osmotického tlaku uvnitř erytrocytu a tím dochází k průchodu vody z plazmy přes povrchovou membránu erytrocytu. V důsledku toho se zvyšuje objem červených krvinek v systémových kapilárách. Studie využívající hematokrit odhalila, že červené krvinky zabírají 40 % objemu arteriální krve a 40,4 % objemu žilní krve. Z toho vyplývá, že objem erytrocytů žilní krve je větší než objem arteriálních erytrocytů, což se vysvětluje průnikem vody do nich.
Současně se vstupem CO 2 do erytrocytu a tvorbou kyseliny uhličité v něm dochází k uvolňování kyslíku z oxyhemoglobinu a jeho přeměně na redukovaný hemoglobin. Posledně jmenovaná je mnohem méně disociační kyselina než oxyhemoglobin a kyselina uhličitá. Proto, když je oxyhemoglobin přeměněn na hemoglobin, H 2 CO 3 vytěsňuje draselné ionty z hemoglobinu a ve spojení s nimi tvoří draselnou sůl hydrogenuhličitanu.
Uvolněný H˙ iont kyseliny uhličité se váže na hemoglobin. Vzhledem k tomu, že snížený hemoglobin je mírně disociovaná kyselina, nedochází k okyselení krve a rozdíl v pH mezi žilní a arteriální krví je extrémně malý. Reakce probíhající v červených krvinkách tkáňových kapilár lze znázornit následovně:
KHb02 + H2C03 = HHb + O2 + KHS03
Z výše uvedeného vyplývá, že oxyhemoglobin, který se mění na hemoglobin a přenechává s ním spojené báze oxidu uhličitému, podporuje tvorbu hydrogenuhličitanu a transport oxidu uhličitého v této formě. Navíc gcmoglobin tvoří chemickou sloučeninu s CO 2 - karbohemoglobin. Přítomnost hemoglobinu a oxidu uhličitého v krvi byla stanovena následujícím experimentem. Pokud k plná krev přidat kyanid draselný, který karboanhydrázu zcela inaktivuje, pak se ukáže, že erytrocyty takové krve vážou více CO 2 než plazma. Z toho bylo vyvozeno, že vazba CO 2 erytrocyty po inaktivaci karboanhydrázy se vysvětluje přítomností sloučeniny hemoglobinu s CO 2 v erytrocytech. Později se ukázalo, že CO 2 se váže na aminovou skupinu hemoglobinu, čímž vzniká tzv. karbaminová vazba.
Reakce tvorby karbohemoglobinu může probíhat jedním nebo druhým směrem v závislosti na napětí oxidu uhličitého v krvi. I když je malá část celkového množství oxidu uhličitého, které lze extrahovat z krve, kombinována s hemoglobinem (8-10 %), role této sloučeniny v transportu oxidu uhličitého v krvi je poměrně velká. Přibližně 25-30 % oxidu uhličitého absorbovaného krví v systémových kapilárách se spojí s hemoglobinem za vzniku karbohemoglobinu.
Uvolňování CO2 krví v plicních kapilárách. V důsledku nižšího parciálního tlaku CO 2 v alveolárním vzduchu oproti jeho napětí v žilní krvi přechází oxid uhličitý difúzí z krve plicních kapilár do alveolárního vzduchu. Napětí CO 2 v krvi klesá.
|
Zároveň v důsledku vyššího parciálního tlaku kyslíku v alveolárním vzduchu oproti jeho napětí v žilní krvi proudí kyslík z alveolárního vzduchu do krve kapilár plic. Zvyšuje se napětí O2 v krvi a hemoglobin se přeměňuje na oxyhemoglobin. Protože posledně jmenovaný je kyselina, jejíž disociace je mnohem vyšší než u hemoglobinu kyseliny uhličité, vytěsňuje kyselinu uhličitou ze své draselné kyseliny. Reakce probíhá následovně: HHb + O2 + KHS03 = KHb02 + H2CO3 Kyselina uhličitá, uvolněná z vazby se zásadami, se karboanhydrázou rozkládá na oxid uhličitý na vodu. Význam karboanhydrázy při uvolňování oxidu uhličitého v plicích je patrný z následujících údajů. Aby došlo k dehydratační reakci H 2 CO 3 rozpuštěného ve vodě, s tvorbou množství oxidu uhličitého, které opouští krev, když je v kapilárách plic, trvá 300 sekund. Krev projde kapilárami plic během 1-2 sekund, ale během této doby dojde k dehydrataci kyseliny uhličité uvnitř červených krvinek a difúzi vzniklého CO 2 nejprve do krevní plazmy a poté do alveolárního vzduchu. . Protože koncentrace iontů HCO 3 v erytrocytech v plicních kapilárách klesá, začnou tyto ionty z plazmy difundovat do erytrocytů a ionty chloru difundují z erytrocytů do plazmy. Díky tomu, že se v krvi plicních kapilár snižuje napětí oxidu uhličitého, dochází ke štěpení karbaminové vazby a karbohemoglobinu se uvolňuje oxid uhličitý. Všechny tyto procesy jsou schematicky znázorněny v rýže. 57. Rýže. 57. Schéma dějů probíhajících v erytrocytech při vstřebávání nebo uvolňování kyslíku a oxidu uhličitého do krve. |
Disociační křivky sloučenin kyseliny uhličité v krvi. Jak jsme již řekli, více než 85 % oxidu uhličitého, který lze z krve získat okyselením, se uvolňuje v důsledku rozkladu bikarbonátů (draslík v červených krvinkách a sodík v plazmě).
Vazba oxidu uhličitého a jeho uvolňování do krve závisí na jeho částečném napětí. Je možné sestrojit disociační křivky pro sloučeniny oxidu uhličitého v krvi, podobné disociačním křivkám pro oxyhemoglobin. Za tímto účelem se na ose y vynesou procenta objemu. krví svázaný oxid uhličitý a na ose x je částečné namáhání oxidu uhličitého. Spodní křivka zapnuta rýže. 58 ukazuje vazbu oxidu uhličitého arteriální krví, jejíž hemoglobin je téměř zcela nasycen kyslíkem. Horní křivka ukazuje vazbu kyselého plynu žilní krví.
Bod A na spodní křivce zapnutý rýže. 58 odpovídá napětí kyseliny 40 mmHg. Art., tj. napětí, které skutečně existuje v arteriální krvi. Při tomto napětí je vázáno 52 obj. % CO 2 . Bod V na horní křivce odpovídá napětí kyselého plynu 46 mmHg. Art., tedy skutečně přítomné v žilní krvi. Jak je z křivky patrné, při tomto napětí váže žilní krev 58 obj. % oxidu uhličitého. AV linie spojující horní a dolní křivku odpovídá těm změnám ve schopnosti vázat oxid uhličitý, ke kterým dochází při přeměně arteriální krve na žilní nebo naopak žilní krve na arteriální.
Žilní krev díky tomu, že se hemoglobin, který obsahuje, přeměňuje na oxyhemoglobin, uvolňuje v kapilárách plic asi 6 obj. % CO 2 . Pokud by se hemoglobin v plicích nepřeměnil na oxyhemoglobin, pak, jak je vidět z křivky, žilní krev s parciálním tlakem oxidu uhličitého v alveolech rovným 40 mm Hg. Art.. by vázal 54 obj.% CO 2, proto by vzdal ne 6, ale pouze 4 obj.%. Stejně tak, pokud arteriální krev v kapilárách velkého kruhu se nevzdal svého kyslíku, tj. pokud by jeho hemoglobin zůstal nasycený kyslíkem, pak by tato arteriální krev při parciálním tlaku oxidu uhličitého přítomného v kapilárách tělesných tkání byla schopna vázat ne 58 obj. % CO 2, ale pouze 55 obj. %.
Přeměna hemoglobinu na oxyhemoglobin v plicích a oxyhemoglobinu na hemoglobin v tkáních těla tedy přispívá k absorpci a uvolnění přibližně 3-4 obj. % oxidu uhličitého z 6 obj. %, které krev absorbuje v tkání a uvolňování v plicích. Asi 25-30% oxidu uhličitého uvolněného v plicích je neseno karbohemoglobinem.
Ze všeho, co bylo řečeno, vyplývá, že v mechanismu transportu jak kyslíku, tak oxidu uhličitého v krvi zásadní roli patří k červeným krvinkám, které obsahují hemoglobin a karboanhydrázu.
