физиология ДЫХАНИЕ. Учебнометодическое пособие физиология дыхания
 Скачать 11.5 Mb.
|
Рисунок 10. Транспорт углекислого газа кровьюКА – карбоангидраза эритроцитовПоступающий в плазму из тканей углекислый газ диффундирует в эритроциты, где под действием фермента карбоангидразы превращается в угольную кислоту (рис. 10, 11). В плазме этого фермента нет, а в эритроцитах он увеличивает скорость реакции в 20000 раз. Так как при этом происходит освобождение кислорода из оксигемоглобина и образуется гемоглобин, который является более слабой кислотой, чем оксигемоглобин, угольная кислота вытесняет из гемоглобина калий и образуется бикарбонат калия. Избыток бикарбонатного аниона проникает в плазму, соединяется с натрием и образует бикарбонат натрия. Ионное равновесие поддерживается поступлением в эритроцит анионов хлора. В этом процессе важная роль принадлежит мембране эритроцита, обладающей очень слабой проницаемостью для катионов и высокой проницаемостью для анионов. При прохождении крови через легочные капилляры происходит обратный процесс и двуокись углерода выделяется из крови в полость альвеол – рядом с бикарбонатом калия эритроцитов появляется более сильная, чем угольная, кислота: оксигемоглобин.  Рисунок 11 Транспортные формы углекислого газа Часть углекислого газа соединяется в эритроцитах с дезоксигемоглобином через аминогруппы, образуя кардаминовые соединения. Реакция протекает следующим образом: HbNH2+ CO2 HbNHCOOH HbNHCOO- + H+ Основные транспортные формы углекислого газа:
Таким образом, рассматривая все звенья газотранспортной цепи в комплексе (рисунки 12 А и Б) можно увидеть, что парциальные давления (напряжения) дыхательных газов образуют своего рода каскады, по которых поток кислорода движется из атмосферы к тканям, а поток СО2 – в обратном направлении. На пути этих каскадов чередуются механизмы конвективного и диффузионного переноса, дополняя друг друга.  Р  исунок 12А Этапы транспорта кислорода и углекислого газаРисунок 12Б. Стадии газопереноса Задания для самостоятельной работы
Ситуационные задачи
Тема 4.2 Регуляция дыхания Вопросы для подготовки к занятию
Дополнительно для студентов педиатрического факультета
Переходя к обсуждению механизмов регуляции дыхания, необходимо вспомнить о том, что доставка кислорода из атмосферного воздуха к клеткам осуществляется несколькими взаимосвязанными, но относительно самостоятельными процессами. Перечислим эти процессы в соответствии с этапами доставки кислорода клеткам. Таблица 3 Основные механизмы регуляции дыхания
Интенсивность тканевого дыхания изменяется в широких пределах в соответствии с деятельностью органов и тканей, следовательно, изменяется и потребность в снабжении кислородом, и количество выделяемого углекислого газа. Адекватное снабжение клеток кислородом и удаление углекислого газа из организма осуществляется координированной деятельностью всех перечисленных систем, изменения происходят на всех этапах транспорта газов, приспосабливая темп окислительных процессов к меняющимся условиям внешней среды. Некоторые изменения происходят очень быстро, например способность гемоглобина присоединять или отдавать кислород в соответствии с его напряжением в крови, активность окислительных ферментов, быстро происходит рефлекторное изменение минутного объема дыхания, деятельности сердца, тонуса сосудов - эти изменения происходят в течение секунд. Больше времени требуется для изменения, например, количества эритроцитов в крови за счет выброса их из депо, объема циркулирующей крови. Еще более длительно протекают процессы структурной перестройки, требующие синтеза белка, такие как эритропоэз синтез гемоглобина, увеличение числа митохондрий в клетках. Таким образом, регуляция дыхания осуществляется на нескольких уровнях, которые включаются не одновременно, и вносят не одинаковый вклад в конечный результат, однако нарушение любого из этих процессов может лежать в основе патологических процессов дыхательной системы. Учитывая то, что вклад отдельных компонентов системы в процесс доставки кислорода тканям неодинаков, попытаемся выделить главный механизм. Диффузия газов в ткани и из тканей осуществляется пассивно, в соответствии с градиентом напряжения газов между капиллярами и тканевой жидкостью, следовательно, зависит от интенсивности метаболизма в тканях, объемной и линейной скорости тока крови, концентрации гемоглобина, кислотно-щелочного равновесия. Однако, как бы ни были значимы эти параметры, если кровь не будет достаточно насыщена кислородом, или будет содержать избыток углекислоты, диффузия окажется невозможной. Следовательно, для нормального протекания тканевого обмена особенно важны содержание О2 и СО2 в артериальной крови. Известно, что при протекании крови через капилляры легких между плазмой и альвеолярным воздухом устанавливается почти полное газовое равновесие, поэтому состав альвеолярного воздуха определяет содержание О2 и СО2 в артериальной крови. Оптимальное содержание газов в альвеолярном воздухе поддерживается изменением объема легочной вентиляции в соответствии с ситуацией в организме в определенный момент. Таким образом, на внешнее дыхание ложится задача обеспечить оптимальные величины О2 и СО2 в крови при любом уровне тканевого метаболизма. Регуляция внешнего дыхания Вентиляция легких - это процесс обновления газового состава альвеолярного воздуха, который обеспечивает поступление кислорода и выведение углекислого газа. Этот процесс осуществляется ритмичной работой дыхательных мышц, изменяющих объем грудной клетки. Интенсивность вентиляции определяется глубиной вдоха и частотой дыхания. Таким образом, минутный объем дыхания - это показатель легочной вентиляции, который должен обеспечивать тот газовый гомеостаз, который необходим в конкретной ситуации (покой, физическая работа). Регуляция внешнего дыхания представляет собой процесс изменения минутного объема дыхания в различных условиях для обеспечения оптимального газового состава внутренней среды организма. Во второй половине ХIX века появилась гипотеза о том, что основными факторами регуляции дыхания являются парциальное давление кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе и, следовательно в артериальной крови. Экспериментальное доказательство того, что обогащение артериальной крови углекислотой и обеднение кислородом усиливает вентиляцию легких в результате наступающего при этом возбуждения дыхательного центра, было получено в классическом опыте Фредерика с перекрестным кровообращением в 1890г (рисунок 13). У двух собак, находившихся под наркозом, перерезали и соединяли перекрестно сонные артерии и отдельно яремные вены. После такого соединения и перевязки позвоночных артерий голова первой собаки снабжалась кровью второй и наоборот. Если у первой собаки перекрывали трахею и вызывали таким путем асфиксию, то у второй собаки развивалось гиперпноэ - увеличение легочной вентиляции. У первой же собаки, несмотря на увеличение в крови напряжения углекислоты и снижение напряжения кислорода через некоторое время наступало апноэ - прекращение дыхательных движений. Это объясняется тем, что в сонную артерию первой собаки поступает кровь второй собаки, у которой в результате гипервентиляции снижается содержание углекислоты в артериальной крови. Уже тогда было установлено, что регуляция дыхания происходит путем обратной связи: отклонения в газовом составе артериальной крови приводят путем воздействия на дыхательный центр такие изменения дыхания, которые уменьшают эти отклонения.  Рисунок 13. Схема опыта Фредерика с перекрестным кровообращением Пережатие трахеи у собаки А вызывает одышку у собаки Б. Одышка у собаки Б вызывает замедление и остановку дыхания у собаки А Дальнейшее развитие «гуморальной» теории дыхания (теории управления по отклонению напряжения газов в крови) связано с именем Холдейна. Он разработал методы получения и анализа альвеолярного воздуха у человека и установил, что парциальные давления газов в альвеолярном воздухе обычно колеблются в очень узких пределах. Холдейн пришел к выводу, что основным фактором регуляции дыхания является напряжение углекислоты в артериальной крови. Работы Холдейна получили широкое признание, а его главный вывод о том, что повышение напряжения углекислоты в артериальной крови приводит к большому увеличению МОД, остался справедливым вплоть до настоящего времени. Важная роль углекислоты в регуляции дыхания может быть проиллюстрирована тем, что увеличение содержания СО2 в альвеолах на 0,2 % вызывает увеличение вентиляции легких на 100 %. Еще в начале ХIX века было показано, что в продолговатом мозге на дне IV желудочка расположены структуры, разрушение которых уколом иглы ведет к прекращению дыхания и гибели организма. Этот небольшой участок мозга в нижнем углу ромбовидной ямки был назван дыхательным центром. Многочисленными исследованиями удалось установить, что изменения газового состава внутренней среды оказывают влияние на дыхательный центр не непосредственно, а путем воздействия на специальные хемочувствительные рецепторы, расположенные в продолговатом мозге - центральные (медуллярные) хеморецепторы и в сосудистых рефлексогенных зонах - периферические (артериальные) хеморецепторы. Хотя основной целью дыхания является доставка клеткам кислорода, вентиляция легких управляется преимущественно в соответствии с продукцией в организме двуокиси углерода, т.е. поддерживает в основном не кислородный, а углекислотный (или, что почти одинаково, водородный) гомеостаз. Такие принципы сформировались в ходе заселения высшими позвоночными суши и перехода от водного дыхания к воздушному. Вспомним, что у рыб важнейшим фактором, регулирующим дыхательные движения, служит напряжение кислорода в артериальной крови. Напряжение углекислоты играет второстепенную роль, поскольку СО2 легко отдается в водную среду. Вентиляция жабр служит для извлечения кислорода. Сигналы о содержании кислорода в воде поступают в дыхательный центр рыб из хеморецепторов жаберных сосудов - предшественников артериальных хеморецепторов воздушно-дышащих позвоночных. Переход животных к сухопутному образу жизни сопровождался с резким ограничением отдачи СО2 через кожный покров - она стала выводиться почти исключительно легкими. И если напряжение кислорода в крови млекопитающих почти не изменилось по сравнению с рыбами, то напряжение СО2 возросло почти в 12 раз, такое повышение обусловлено и затруднением выделения, и повышением интенсивности метаболических процессов в тканях. Все это потребовало развития мощных средств, обеспечивающих сохранение кислотно-основного гомеостаза внутренней среды организма. С другой стороны, требования к поддержанию гомеостаза в процессе эволюции стали более жесткими. Особое значение имеет прогрессивное развитие мозга, потому что нейроны отличаются высокой чувствительностью к химизму внеклеточной жидкости, в частности, к ее рН. В результате в ходе эволюции появились коренные изменения в регуляции дыхания. Гипоксический стимул уступил доминирующую роль гиперкапническому (это, безусловно, не изменило конечной цели функции дыхания: продукция СО2 вполне может служить показателем кислородного запроса ткани). В этом легко убедиться, глядя на рисунок 14. На этом рисунке представлены изменения вентиляции легких (МОД в л/мин) в ответ на увеличение напряжения углекислого газа в крови – гиперкапнический стимул и в ответ на уменьшение напряжения кислорода в крови – гипоксический стимул. В связи с этим, основная функция в стимуляции дыхательного центра перешла от периферических хеморецепторов к центральным. Речь идет прежде всего о бульбарных хемочувствительных структурах, реагирующих на изменение концентрации ионов водорода и напряжения СО2 во внеклеточной жидкости мозга. За периферическими, артериальными хеморецепторами, которые возбуждаются и при повышении напряжения СО2, и при снижении напряжения кислорода в омывающей их крови, осталась лишь вспомогательная роль в стимуляции дыхания. Поэтому рассмотрим сначала центральные хеморецепторы, которые оказывают более выраженное влияние на деятельность дыхательного центра.  Рисунок 14 Зависимость вентиляции легких от напряжения газов в крови. Изменение минутного объема дыхания в ответ на гиперкапнический (слева) и гипоксический (справа) стимулы. Видно, что МОД в большей степени увеличивается в ответ на повышение напряжения углекислоты в крови. Центральные хеморецепторы Центральные хеморецепторы обнаружены в продолговатом мозге на вентромедиальной поверхности на глубине не более 0.2 мм. В этой области расположены два рецептивных поля (рисунок 15), обозначаемые буквами M и L, между ними обнаружено небольшое поле S. Поле S не чувствительно к химизму среды, но его разрушение приводит к исчезновению эффектов возбуждения полей M и L, Этой промежуточной зоне принадлежит важная роль в передаче информации от полей M и L непосредственно дыхательным вентральным и дорзальным ядрам, и передаче информации ядрам другой стороны продолговатого мозга. В этой же области проходят аферентные пути от периферических хеморецепторов. В вентролатеральных отделах, в районе хеморецептивных полей расположены структуры, оказывающие существенное влияние на тонус вегетативной нервной системы. Вероятно, эта зона имеет отношение к интеграции ритма дыхания и легочной вентиляции с системой кровообращения. В частности в зонах S и М есть нейроны, которые имеют связи с грудными сегментами спинного мозга, их раздражение приводит к повышению сосудистого тонуса. Часть нейронов этой области активируется при раздражении аортального и синокаротидного нервов (информация от периферических хемо- и барорецепторов каротидного синуса и дуги аорты), часть нейронов отвечают на раздражение ядер гипоталамуса (информация об осмотической концентрации внутренней среды, температуре). Таким образом, структуры S и М полей интегрируют афферентные сигналы от расположенных выше нейронных образований и передают тонизирующие влияния вазоконстрикторным нейронам спинного мозга. Каудальный отдел, поле L демонстрирует при его электрическом раздражении противоположные эффекты. Вместе с тем существует четкая нейронная обособленность между нейронами, регулирующими функции кровообращения и нейронами, связанными с дыхательным центром.  Рисунок 15. Расположение хеморецепторов на вентральной поверхности продолговатого мозга M, L, S поля, участвующие в хеморецепции. Р – мост, П – пирамида, V и XII – черепномозговые нервы, С1 первый спинномозговой корешок В настоящее время совершенно точно установлено, что центральные хеморецептивные нейроны возбуждаются только при действии на них ионов водорода. Каким же образом повышение напряжения СО2 приводит к возбуждению этих структур? Оказывается хемочувствительные нейроны расположены во внеклеточной жидкости и воспринимают изменения рН, вызванные динамикой СО2 в крови. Вентролатеральные отделы продолговатого мозга представлены нервными клетками, астроцитарной глией, развитой мягкой мозговой оболочкой и окружены тремя средами мозга: кровью, ликвором и внеклеточной жидкостью (рисунок 16). Среди нейронов выявляются крупные мультиполярные клетки и мелкие, округлые. Оба типа нейронов образуют небольшое ядро, которое контактирует с прилежащими ядрами ретикулярной формации. Крупные мультиполярные нейроны имеют периваскулярную локализацию и их отростки располагаются вблизи стенок микрососудов. В механизме хеморецепции в настоящее время остается много непонятного. Перечислим факты, которые установлены и помогают объяснить этот механизм
Приблизительно схему событий можно представить следующим образом: 1) повышение концентрации СО2 в крови и его свободная диффузия через зону с высокой карбоангидразной активностью 2) СО2 соединяется с Н2О под влиянием карбоангидразы, затем диссоциирует с освобождением Н+. 3) накопление во внеклеточной жидкости ионов водорода приводит к повышению активности мультиполярных нейронов. О  дновременно происходит уменьшение разности потенциалов между кровью и ликвором. Эти события служат мощным афферентным стимулом для дыхательного центра. Следует обратить внимание на высокую чувствительность всех структур к изменению рН - изменение потенциала и дыхательная реакция отмечаются при снижении рН крови на 0.01 единицу. Высока и надежность этих структур - мультиполярные нейроны способны изменять свою активность в диапазоне рН от 7 до 7,8 , такие изменение в норме невозможны. Рисунок 16 Локализация мультиполярных нейронов (хемосенсоров) относительно внутренних сред мозга: крови, внеклеточной жидкости мозга и ликвора. Н1 – крупный мультиполярный нейрон, Н2 мелкий мультиполярный нейрон, Итак, важнейшим физиологическим свойством центрального хеморецептивного механизма является изменение активности нейронов в прямой зависимости от концентрации ионов водорода во внеклеточной жидкости мозга. Основная задача этого механизма - информировать дыхательный центр об отклонения рН, а следовательно, и концентрации СО2 в крови. Обратите внимание на то, что саморегулирование в этом случае будет осуществляться по принципу отклонения от физиологической нормы. Артериальные хеморецепторы Периферические или артериальные хеморецепторы расположены в известной рефлексогенной зоне – дуге аорты и каротидном синусе (рисунки 17А и Б), и представлены каротидными и аортальными телами. Здесь же локализованы и барорецепторы, принимающие участие в регуляции артериального давления.  Рисунок 17 А. Периферические хеморецепторы в сосудистой рефлексогенной зоне Из двух хеморецептивных зон артериального русла - аортальной и синокаротидной - в регуляции дыхания существенную роль играет синокаротидная зона. Эта роль значительно скромнее по сравнению с ролью бульбарных структур - у человека двустороннее удаление каротидных тел не вызывает заметных изменений дыхания в состоянии покоя. Каротидные тела расположены в месте деления общей сонной артерии на внутреннюю и наружную. Тело представляет собой образование, заключенное в соединительнотканную капсулу, чрезвычайно богато кровоснабжается и иннервируется как афферентными, так и эфферентными нервами. Кровоток через каротидное тело очень велик - до 2л/мин/г, а потребление кислорода в 3 - 4 раза больше, чем мозгом.  Рисунок 17 Синокаротидная (а) и аортальная (б) рефлексогенные зоны IX и X – языкоглоточный и блуждающий нервы, 1 – верхний шейный симпатический ганглий, 2 – синусный нерв, 3 – каротидное тело, 4 – общая сонная артерия, 5 - затылочная артерия, 6 – звездчатый ганглий, 7 – аортальный нерв, 8 – аортальные тела, 9 – дуга аорты Схема строения и иннервации каротидного тела представлена на рисунке 18.  Рисунок 18. Схема строения каротидного тела
В ткани каротидного тела различают два типа клеток. I тип - главные клетки, крупные клетки, имеющие эпителиальное происхождение. В клетках этого типа содержатся гранулы, которые исчезают при острой гипоксии. Непосредственно с ними контактируют окончания афферентной ветви языкоглоточного нерва (нерв Геринга, синусный нерв). Именно этим клеткам принадлежит основная роль в хемочувствительности - разрушение этих клеток прекращает хеморецептивную активность каротидного тела. Мелкие клетки II типа гомологичны глиальным клеткам и напоминают Шванновские. Своими отростками они оплетают главные клетки. Адекватными стимуляторами хеморецепторов каротидного тела служат следующие сдвиги в составе омывающей их артериальной крови: 1) снижение напряжения кислорода, 2) увеличение напряжения СО2, 3) увеличение концентрации водородных ионов. Главным стимулятором активности каротидного центра является гипоксия. Даже умеренная гипоксия сопровождается более выраженным увеличением частоты импульсов синусного нерва, чем сильная гиперкапния. Каким же образом рецепторы воспринимают информацию о снижении напряжения кислорода в крови? Цитоплазма клеток I типа содержит гранулы, в которых накапливается дофамин. Оценка уровня кислорода осуществляется специальными рецепторами, которые расположены на мембране клеток I типа. На основании экспериментальных данных предложена гипотетическая схема работы этих рецепторов, представленная на рисунке 19.  Рисунок 19. Кислородный сенсор каротидного тела Взаимодействие кислородного сенсора с кислородом приводит к активации калиевых каналов. В таком состоянии клетка находится практически постоянно, а ток калия из цитоплазмы поддерживает потенциал клетки на уровне мембранного потенциала покоя. Снижение напряжения кислорода в крови приводит к освобождению кислородного сенсора, калиевые каналы закрываются, мембранный потенциал уменьшается и достигает критического уровня деполяризации, в клетках I типа возникает потенциал действия. Возникновение ПД приводит к тому, что в клетках открываются кальциевые каналы и выделяется дофамин. Артериальные хеморецепторы возбуждаются и при повышении напряжения углекислого газа в артериальной крови. Гиперкапническая стимуляция артериальных хеморецепторов, так же как и центральных, осуществляется прямым влиянием ионов Н+ при снижении рН крови. Воздействие водородных ионов в клетках каротидного тела обусловлено сдвигом метаболизма за счет работы редокс-систем. Таким образом, и гипоксия, и гиперкапния различными путями приводят к изменению метаболических процессов в клетках, а стимуляторами каротидных хеморецепторов служат продукты измененного обмена. Существенная и важная разница заключается в том, что реакция на снижение напряжения кислорода наступает значительно быстрее. Возникающий импульс возбуждения проводится по аффрентным волокнам синусного нерва и достигает дорзальной группы дыхательных нейронов продолговатого мозга. Возбуждение нейронов повышает инспираторную активность. Особенно увеличивается частота импульсации в диапазоне напряжения кислорода от 80 до 20 мм рт.ст. Хеморецепторы каротидного синуса находятся под нервным контролем: повышение активности симпатической нервной системы и выделение норадреналина повышает их чувствительность, а парасимпатические импульсы и ацетилхолин – снижают. Аортальные тела сходны по строению с каротидными телами, не отличаются и важнейшие функции этих образований, прежде всего как кислородных сенсоров. Расположенные в аортальной зоне хеморецепторы принимают незначительное участие в регуляции дыхания, их основная роль проявляется в регуляции деятельности сердца и тонуса сосудов. Периферические хеморецепторы дополняют деятельность центральных. Взаимодействие центральных и периферических структур особенно важно в условиях дефицита кислорода. Дело в том, что центральные хеморецепторы очень чувствительны к недостатку кислорода. Клетки при гипоксии могут совсем потерять свою чувствительность, при этом снижается активность дыхательных нейронов. В этих условиях дыхательный центр получает основную возбуждающую стимуляцию от периферических хеморецепторов, для которых основным стимулом является именно дефицит кислорода. Таким образом, артериальные хеморецепторы служат «аварийным» механизмом стимуляции дыхательного центра в условиях снижения снабжения мозга кислородом. Непременным условием эффективности легочного газообмена служит поддержание оптимальных вентиляционно-перфузионных отношений. Такое оптимальное соотношение обеспечивается сопряженной регуляцией систем дыхания и кровообращения. Проявлением такого сопряжения служит одновременное увеличение и вентиляции легких (МОД), и сосудистого тонуса, и деятельности сердца (МОК). Особенно выраженными такие одновременные изменения бывают во время физической нагрузки, при гипоксии, эмоциональном возбуждении. Периферические хеморецепторы расположены в тех же зонах, что и барорецепторы - нервные окончания лежащие непосредственно в стенке магистрального сосуда. Такое соседство, конечно, не случайно. Совместный контроль дыхания и кровообращения обеспечивает устойчивое снабжение кислородом жизненно важных органов, прежде всего мозга. Аортальная зона расположена у «ворот» всей артериальной системы, и здесь ведущую роль играют барорецепторы. Синокаротидная зона лежит у «ворот» всей сосудистой сети мозга, и здесь основная роль принадлежит хеморецепторам. Проекции хеморецепторных и барорецепторных афферентных волокон в ядрах ствола мозга (солитарное, парамедиальное) объединены межнейронными связями. Итак, центральные и периферические хеморецепторы передают в дыхательный центр информацию о напряжении кислорода и углекислого газа в крови, они возбуждаются и увеличивают частоту импульсов при снижении содержания кислорода и повышении углекислого газа. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||