Биофизика сложных систем. Биофизика дыхания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»(МГТУ им. Н.Э.Баумана)

Факультет: «Биомедицинская техника»

Кафедра: «Биомедицинские технические системы и устройства»

РЕФЕРАТ

на тему: «Биофизика сложных систем. Биофизика дыхания»

Москва, 2016

Содержание

Введение

1. Анатомия

2. Биофизические основы дыхания

3. Биомеханика внешнего дыхания

4. Транспорт газов

5. Биофизика клеточного дыхания

Заключение

Список литературы

Введение

Для нормального протекания обменных процессов в организме человека и животных в равной мере необходим как постоянный приток кислорода, так и непрерывное удаление углекислого газа, накапливающегося в ходе обмена веществ. Такой процесс называется дыханием. В организме человека функцию дыхания обеспечивает дыхательная (респираторная система). Различают: внешнее дыхание, перенос газа кровью, тканевое и внутреннее дыхание. Респираторная система выполняет несколько гомеостатических функций: газообмен, между внешней средой и организмом, обеспечивающий достаточную поставку кислорода к тканям и выведение углекислого газа; поддержание pH крови, за счет удерживания и выведения CO 2; превращение ангиотензина I в ангиотензин II, который участвует в регуляции кровяного давления; защиту от инородных частиц. Поступление свежего воздуха в легкие (вдох) и вывод воздуха из легких (выдох) называется вентиляцией. Координирование функций, лежащих в основе легочного газообмена, осуществляется центральной нервной системой. Рефлекторное раздражение дыхательного центра происходит при повышении содержания в крови углекислоты. Клеточное дыхание лежит в основе синтеза энергии, АТФ. Таким образом, дыхание - одна из важнейших функций регулирования жизнедеятельности человеческого организма. Именно поэтому важно изучить и рассмотреть все детали процесса.

1. Анатомия

Дыхательная система осуществляет газообмен между внешней средой и организмом, доставляет в организм кислород и выводит из него углекислый газ. Эта система состоит из дыхательных (воздухоносных) путей и парных дыхательных органов - легких. Выделяют верхние и нижние дыхательные пути. К верхним дыхательным путям относят полость носа, носовую и ротовую части глотки, к нижним дыхательным путям - гортань, трахею и бронхи с малыми площадями поверхности. Общий объем воздухоносных путей составляет около 150 мл. Поскольку ни один газообмен не происходит проводящей зоне, ее часто называют анатомически мертвым пространством. В дыхательных путях вдыхаемый воздух согревается, увлажняется, очищается от инородных частиц. Из воздуха, находящегося в альвеолах легких, путем диффузии в кровь легочных капилляров поступает кислород, а в обратном направлении - из крови в альвеолы выходит углекислый газ.

Воздухоносные пути имеют в своих стенках твердый скелет, представленный костями и хрящами, благодаря чему дыхательные пути сохраняют просвет и по ним свободно циркулирует воздух во время дыхания. Слизистая оболочка воздухоносных путей выстлана мерцательным эпителием и увлажнена. Реснички эпителиальных клеток своими движениями удаляет наружу вместе со слизью инородные частицы, попавшие в дыхательные пути.

Легкие правое и левое, располагаются в грудной полсти, по сторонам от сердца и крупных кровеносных сосудов, покрыты серозной оболочкой - плеврой, которая образует вокруг них два плевральных мешка. По форме легкое напоминает усеченный конус. Бронхи, сосуды и нервы образуют корень легкого. Каждое легкое разделено на доли. Правое легкое имеет три доли, левое - две. Доли легкого подразделяются на бронхолегочные сегменты. Сегменты состоят из долек. В дольку входит дольковый бронх, который подразделяется до концевой бронхиолы. В дальнейшем концевые бронхиолы делятся на дыхательные бронхиолы, которые переходят в альвеолярные ходы, на стенках которых находятся миниатюрные выпячивания - альвеолы. Одна концевая бронхиола с ее разветвлениями называется легочным ацинусом, являющимся структурно-функциональной единицей легкого.

Плевра представляет собой серозную оболочку, состоящую из соединительнотканной основы, выстланной плоскими клетками мезотелия. Плевра покрывает легкие со всех сторон. У плевры различают два листка: висцелярный и париетальный. Между ними имеется узкая щель - плевральная полость, в которой содержится небольшое количество серозной жидкости. Эта жидкость смачивает соприкасающиеся поверхности висцеральной и париетальной плевры, облегчает скольжение легких в плевральных полостях во время акта дыхания.

Респираторная зона является областью легких, где происходит газообмен. Респираторная зона значительно больше, чем проводящая зона и занимает объем около 3 л. Она состоит из дыхательных бронхиол, альвеолярных ходов и альвеол. Альвеолы ?представляют собой структуру типа небольшого мешочка с очень тонкими стенками, обернутыми в капиллярами. 300 миллионов альвеол обеспечивают площадь поверхности около 70 м І. Благодаря значительной поверхности газообмена полный массоперенос О2 и СО2 в легких человека осуществляется всего за 0,1 с. Расстояние, через которое газ должен диффундировать очень маленькое, около 0,2 мкм, что делает альвеоло??-капиллярную систему идеально подходящей для газообмена. Газообмен между альвеолярной газовой смесью и кровью легочных капилляров происходит на альвеолокапиллярной мембране (АКМ), представляющей собой многомембранную систему. Различают несколько типов альвеоцитов.

Клетки первого I типа представляют собой тонкие эпителиальные клетки, выстилающие около 90 % от площади поверхности альвеол. Диффузия газов происходит в клетках этого типа.

Альвеоциты второго II типа являются разновидностью клеток типа I. Клетки типа II синтезируют, секретируют, перерабатывают альвеолярный суфрактант. Основу суфрактанта образует бимолекулярный липидный слой, подобный фосфолипидному бислою биологических мембран. Суфрактант непрерывно обновляется, и без него дыхание вообще было бы невозможно, так как стенки альвеолы слиплись бы под действием значительного поверхностного натяжения, присущего альвеолярному эпителию.

Альвеолярные макрофаги являются третьим III типом клеток, находящихся в альвеолах. Макрофаги поглощают вдыхаемые частицы, такие как бактерии. Эти клетки мобильны и они притягиваются на участки с инфекцией или травмой.

дыхание биофизика клеточный газ

2. Биофизические основы дыхания

Биофизическое толкование процессов растворения газов в организме важно как при анализе жизнедеятельности в обычных условиях, так и при изучении воздействия на организм различных факторов окружающей среды.

На процесс газообмена не оказывают влияния электрический, осмотический и гидростатический градиенты.

Парциальное давление газа - это такое давление компонента газовой смеси, которое он оказывал бы на заключающую его оболочку, если бы один занимал весь объем, предоставленный этой смеси. Размерностью парциального давления, также как размерностью напряжения, служат единицы давления. Расчет парциальных давлений производят по формуле:

Ра=[(Ратм+РН2О)*Сг]/100% (1)

Под напряжением газа в жидкости понимают такое парциальное давление данного газа в газовой смеси над этой жидкостью, которое нужно создать для поддержания равновесия в его содержании между газовой смесью и жидкостью, то есть для прекращения всякого газообмена между ними. Напряжение газа в жидкости ограничено пределом, которым является его парциальное давление в газовой смеси над этой жидкостью. Такое предельное состояние называется насыщением газом жидкости. Концентрация газа определяется по формуле, что выражает закон Генри-Дальтона:

Сг= mг/Vж =Рг*бг (2)

Где бг - коэффициент растворимости данного газа.

Долгое время дебатировался вопрос о существовании активного транспорта кислорода в легких. Сейчас общепризнано, что в организме нет систем активного транспорта кислорода, углекислого газа и азота. Следовательно, газообмен в легких осуществляется под действием только одной силы - концентрационного градиента каждого из этих газов на АКМ. Поэтому массоперенос газов подчиняется уравнению Фика:

Dm/dt = -D*s*grad C (3)

Для количественной оценки градиентов на АКМ необходимо знать ее толщину. Наслоение суфрактанта на эпителиальную выстилку альвеолы создают дополнительную к АКМ диффузионную среду, которую газы преодолевают при их массопереносе. Следовательно, за счет суфрактанта диффузионный путь чуть-чуть удлиняется, что приводит к незначительному снижению концентрационного градиента АКМ. Диффузионный путь определяется плотностью капиллярной сети, которая зависит от потребности той или иной ткани в кислороде. Суфрактант снижает поверхностное натяжение альвеолярных стенок, причем коэффициент поверхностного натяжения (у) зависит от толщины пленки. Колебания диффузионного пути не нарушают газообмена. Взаимосвязь между поверхностным натяжением и давлением показано на рисунке 1 и определяется законом Лапласа.

(Рис. 1)

Согласно закону Лапласа, давление на стенках равно удвоенному поверхностному натяжению, деленному на радиус:

P = 2у/r (4)

Сила упругости в легких, которая заставляет их спадаться на выдохе, называется эластичной тягой легких (ЭТЛ). Одним из компонентов ЭТЛ является сила поверхностного натяжения. Если поверхностное натяжение на альвеолах с разным размером было бы одинаковое, тогда давление в меньшей альвеоле было бы больше, чем давление в альвеоле с большим радиусом. В таком случае, давление уравновесилось бы за счет друг друга.

Из сопоставлений парциальных давлений и напряжений каждого из газов следует, что кислород и углекислый газ преодолевают АКМ по концентрационному градиенту в противоположных направлениях. Концентрационные градиенты О 2 и СО 2 на АКМ резко подают при патологии. Это может быть при изменении газовой среды, в которой дышит организм, а также при патологии самой дыхательной системы.

Диффузионной способностью легких называют объем данного газа, переносимый через АКМ всей «дышащей» поверхности легких в течение 1 мин при разности парциальных давлений на мембране в 1 мм рт. ст. и нормальной ее толщине. Диффузия кислорода, углекислого газа и азота в тканях происходят под действием концентрационного градиента этих газов между кровью, текущей по капиллярам, и межклеточной жидкостью. Свободной диффузии свойственна довольно медленная кинетика.

3. Биомеханика внешнего дыхания

Газообмен между альвеолярной газовой смесью и атмосферным воздухом осуществляется благодаря работе аппарата вентиляции. Процесс дыхания можно разделить на вдох и выдох.

Вдох начинается, когда диафрагма и межреберные мышцы грудной клетки реагируют на импульсы головного мозга. Сокращение наружных межреберных мышц приводит к подъему реберных дуг, грудина отходит немного вперед. Одновременно сокращаются мышечные волокна диафрагмы, ее сухожильный центр смещается книзу, оттесняя брюшные внутренности вперед и вниз. Объем грудной полости увеличивается в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Смещение диафрагмы при спокойном дыхании составляет 1-1,5 см, а при глубоком -- может увеличиваться до 10 см. При смещении диафрагмы на 1 см объем грудной полости изменяется примерно на 250-270 мл. Сокращения диафрагмы обуславливают около 50-70% глубины вдоха. Легкие пассивно следуют за всеми изменениями объема грудной полости при сокращении и расслаблении дыхательных мышц. Атмосферное давление, действующее на легкие только со стороны воздухоносных путей, плотно прижимает их к грудной стенке. Согласно закону Бойля-Мариотта (p*V=const), увеличение объема легких неизбежно сопровождается понижением давления внутри них. Оно становится ниже атмосферного, и воздух засасывается внутрь легких (в альвеолы). Воздух течет, пока давление в альвеолах не станет равным атмосферному давлению. Следует отметить, что во время вдоха и выдоха плевральное давление всегда меньше давления в альвеолах.

При выдохе объем грудной клетки уменьшается за счет возврата диафрагмы в исходное состояние и расслабление межреберных мышц. Это приводит к увеличению давления внутри легких, которое превышает атмосферное. В нормальных условиях в результате плавного уменьшения легочного объема создается градиент давления, и воздух пассивно выходит из легких.

При нарушении герметичности грудной клетки (например, при ранениях) атмосферное давление начинает действовать не только на внутреннюю поверхность легких, но и на внешнюю. Это приводит к тому, что легкие спадаются (пневмотрокс) и акты вдоха и выдоха становятся невозможными. При сплошном потоке воздуха по воздухоносным путям в физиологических процессах он не сжимается, и поэтому выполняется условие неразрывности струи: при сплошном течении несжимаемой среды через любое сечение струи в единицу времени переносятся одинаковые объемы перемещаемой среды (в данном случае воздуха). Применительно к разветвленной дыхательной трубке это означает, что объемная скорость воздушного потока одинакова во всех ее суммарных поперечных сечениях. Между объемной (Q)и линейной(v) скоростями воздушного потока установлена следующая зависимость:

Q=S*v (5)

Где s - площадь суммарного сечения данной генерации бронхов. Отсюда следует вывод, что линейная скорость воздушного потока неодинакова в разных местах разветвленной дыхательной трубки.

При спокойном дыхании глубина вдоха на 70-80% обеспечивается сокращением диафрагмы, а на 20-30% - сокращением наружных межреберных мышц. Мощность дыхательной мускулатуры при спокойном дыхании составляет 0,05Вт, а при форсированном дыхании возрастает на порядок.

Объем легких определяется взаимодействием легких и грудной стенки. Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) - объем покоя легких и грудной стенки. Это происходит при равенстве давлений. Когда стенки грудной мышцы слабые, ФОЕ уменьшается. Есть четыре стандартных легочных объема (рис. 2). Есть также четыре стандартные емкости легких, которые состоят из комбинации двух или более объемов. Спирометр используется для измерения объема легких непосредственно. Все объемы, за исключением остаточного объема (количество воздуха, остающегося в легких все время), могут быть измерены с помощью спирометра.

Рис. 2

Остаточный объем (ОО) - количество воздуха в легких при максимальном выдохе.

Дыхательный объем (ДО) - объем вдыхаемого или выдыхаемого воздуха с каждым вдохом.

Резервный объем вдоха (РОВд) - объем воздуха, который можно вдохнуть после нормального вдоха.

Резервный объем выдоха (РОВ) - объем воздуха, который можно выдохнуть после нормального выдоха.

Объем вдоха (ОВ=ДО+РОВ) - максимальный объем воздуха, который можно вдохнуть после нормального выдоха.

Функциональная остаточная емкость (ФОЕ=ОО+РОВ) - объем воздуха в легких после нормального выдоха.

Жизненная емкость (ЖЕ = РОВ+РОВд+ДО) - объем воздуха, который можно максимально выдохнуть после максимального вдоха.

Общий объем легких (ООЛ=ЖЕ+ОО) - объем воздуха в легких и объем воздуха при максимальном вдохе.

Энергия, затрачиваемая дыхательной мускулатурой на осуществление спокойного дыхания, ежеминутно составляет 2-3,5Дж, причем 70% этой энергии расходуется на преодоление эластического сопротивления грудной клетки и легочной ткани, а остальные 30% идут на совершение работы по перемещению воздуха против сил трения, которые пропорциональны скорости перемещения воздушной массы. Поэтому второй компонент энерготрат возрастает при учащении дыхания. Благодаря работе дыхательных мышц преодолевается так называемый легочный резистанс, то есть сопротивление воздухоносных путей колебаниям потока воздуха в них. Величина, обратная легочному резистансу, называется растяжимостью (комплансом).

Минутная вентиляция представляет собой общий объем газа, поступающего (или выходящего) из легкого в минуту. Она равна дыхательному объему (ДО), умноженному на частоту дыхания. В состоянии покоя, нормальный человек потребляет 4500 мл / мин. Тем не менее, из-за анатомически мертвого пространства, не весь этот входящий воздух доступен для обмена с кровью (рис. 3).

Рис. 3

Еще одним важным моментом является то, что глубина дыхания гораздо более эффективна для повышения альвеолярной вентиляции, чем увеличение скорости вентиляции. Это потому, что для каждого объема вдоха фиксированный объем мертвого пространства. По мере уменьшения дыхательного объема, то доля мертвого пространства увеличивается. Дыхательная система будет реагировать на потребности O 2 путем повышения рефлекторной вентиляции за счет увеличения глубины дыхания.

Акт вдоха проходит несколько быстрее, чем акт выдоха (соотношение длительности вдоха и выдоха в норме составляет 1:1,1 или 1:1,4). Такой тип дыхания называется эйпноэ. При разговоре, приеме пищи ритм дыхания временно меняется: периодически могут наступать задержки дыхания на вдохе или на выходе апноэ. Различают несколько типов дыхания: грудное, брюшное, ключичное.

4. Транспорт газов

Важнейший механизм газообмена - это диффузия, при которой молекулы перемещаются из области их высокого скопления в область низкого содержания без затраты энергии (пассивный транспорт).

Атмосферный воздух содержит в основном азот (79%), кислород (21%), следы СО 2 и прочих газов. В воздухе также содержится водяной пар. На уровне моря, водяной пар составляет 47 мм рт. ст. Для простоты, физиологи и врачи, как правило, предполагают, что комнатный воздух сухой. Тогда несложно вычислить, парциальное давление кислорода равно 160 мм рт. ст. Концентрация углекислого газа в комнатном воздухе достаточно низкая (0,04%), поэтому будем считать парциальное давление равным 0.

Для улучшения доставки и транспортировки O 2 и СО 2 из тканей, развились специализированные механизмы (оксигемоглобин и бикарбонатный транспорт CO 2).

Кислород плохо растворим в воде, и поэтому требует носителя, гемоглобина (Hb), для транспортировки в крови. Кровь обычно содержит около 15 г Hb на 100 мл. Каждая молекула гемоглобина (М=68кДа) содержит 4 гема, а поэтому может транспортировать 4 молекулы кислорода. Заметим, что при взаимодействии с кислородом гемоглобин, превращаясь в оксигемоглобин, не окисляется, а оксигенируется - присоединяет кислород без изменения валентности железа(Fe І+) в геме. Обычно Hb почти полностью насыщен (96%). Не весь O2, связанный с Hb высвобождается в тканях. В состоянии покоя лишь около 25% О2 выпущено в кровь. Это обеспечивает большую движущую силу для диффузии и большой запас O2, который может быть использован в случае необходимости. Диоксид углерода является продуктом окислительного метаболизма. В отличие от O2, CO2 очень хорошо растворим в воде и

не нуждается в носителе для транспортировки в крови. Большинство молекул (60%) диоксида углерода в крови транспортируется как бикарбонат (HCO3). Превращение СО2 в бикарбонат катализируется ферментом карбоангидразы, расположенным внутри красных кровяных клеток.

CO2 + H2O = H2CO3 = (HCO3)- + H+ (6)

Около 10% от общего объема СО2 в крови транспортируется в виде растворенного СО2. Остальные 30% СО2 в сочетании с Hb образуют карбоксигемоглобин.

По мере повышения давления в тканях растворяется все большая масса газов. Для оценки временного фактора в процессах насыщения и рассыщения живых тканей проанализируем кинетику свободной диффузии газов. Скорость диффузии определяется законом Фика (формула 3). Период полунасыщения (и полурассыщения) многих тканей организма исчисляется часами. В состоянии перенасыщения свободная энергия газа больше, чем при насыщении. Поэтому оно термодинамически неустойчиво, и газы образуют в тканях и крови пузырьки. Достигнув достаточно больших размеров, они могут закупорить мелкие кровеносные сосуды и вызвать газовую эмболию.

Рассмотрим, как кислород переносится с помощью гемоглобина в ткани (рис.4). Давление кислорода в легких 100 мм рт. ст., а в венозной крови, поступающей к легким 40 мм рт. ст. Кислород при большом градиенте переходит в кровь. В итоге, гемоглобин насыщается кислородом до наступления равновесия (давления 100 мм рт. ст.). Когда мы говорим о переходе кислорода к тканям, тут мы наблюдаем обратный эффект. Парциальное давление кислорода в артериальной крови равно 100 мм рт. ст., в то время в тканях - 40 мм рт. ст. Опять же из-за большого градиента кислород покидает кровь и идет к тканям. Это происходит до наступления равновесия, пока давление кислорода в крови не станет равным 40 мм рт. ст. Но несмотря на это, после насыщения тканей гемоглобин достаточно заполнен кислородом, так как даже при 40 мм рт. ст. он еще содержит определенное количество кислорода.

Рисунок 4

5. Биофизика клеточного дыхания

Кислород продиффундировав из крови в клетки, поступает в митохондрии и обеспечивает клеточное дыхание. Оно состоит из двух сопряженных между собой процессов: окисления органических веществ молекулярным кислородом и фосфорилирования АДФ, приводящего к синтезу АТФ. Оксиление освобождает энергию, заключенную в химических свзях субстратов клеточного дыхания за счет существования у них коллективизированной системы р-электронов. Важно, что при биологическом окислении свободная энергия лишь частично превращается в тепло. Большая часть полученной свободной энергии идет на синтез АТФ. Реакция фосфорилирования идет с преодолением потенциального барьера, на что и затрачивается энергия, освобождающаяся при окислении. Благодаря мембранной организации, макромолекулы образуют строго упорядоченную систему переноса электронов и протонов, называемую дыхательной цепью (ДЦ). У подавляющего большинства представителей живой природы ДЦ локализована во внутренней мембране митохондрии. Существенным звеном сложного процесса клеточного дыхания является транспорт Н+ ионов в цитозоль из митохондрии. Важную роль в клеточном дыхании играет транспорт протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, который лишь условно можно назвать трансмембранным переносом.

Все субстраты клеточного дыхания, являющиеся продуктами расщепления углеводов, белков и жиров, поставляют в митохондрии протоны (Н+) и пи-электроны, которые на пути к кислороду должны передаваться по эстафете от одного вещества к другому в митохондриальной ДЦ. В таком путешествии электроны отдают свою энергию на синтез АТФ не одномоментно, а порциями на ступенях каскада молекул, стоящих в мембране в определенном порядке, предопределенном их восстановительными потенциалами, то есть сродством к электронам. Компоненты в митохондриальной мембране расположены ассиметрично. Молекула принимает электроны по парам. Конечным продуктом окислительно-восстановительных реакций в дыхательной цепи митохондрии является вода. В ходе биологического окисления у человека в покое за сутки образуется около 300 мл так называемой эндогенной воды окисления. Вода обладает наименьшей свободной энергией, а также самым высоким ионизационным потенциалом (ц) из всех биологически важных молекул. Ионизационный потенциал представляет собой энергию, необходимую для преодоления сил притяжения электрона к ядру. Чем больше ц электронов, входящих в состав того или иного атома или молекулы, тем ниже их реакционная способность.

Кроме р-электронов через мембраны митохондрий переносятся некоторые частицы: элементарные (протоны) и гораздо более крупные (например, молекулы АТФ). Транспорт протонов обеспечивает сопряжение окисления и фосфорилирования. В ДЦ митохондрий конечный акцептор р-электронов - молекулярный кислород, поступающий в клетки из атмосферы благодаря внешнему дыханию и кровообращению.

Заключение

Не сложно убедиться, что процесс дыхания является довольно сложным и важным процессом в нашем организме. Для подробного его изучения необходимо принять во внимание физиологические, анатомические, химические и физические основы. Важно понимать, как и почему происходит тот или иной процесс, какие факторы порождают конкретные реакции нашего организма. Вся система взаимосвязана и подчиняется определенным законам. Биофизика дыхательной системы тесно переплетается с физиологией, поэтому важно рассмотреть их совокупность. Для получения полного описания процесса дыхания необходимо учесть большое количество нюансов, которыми не следует пренебрегать. Дыхательная система является одной из самых жизненно важных и незаменимых систем. Поэтому остается еще большое количество работы, которое следует провести для изучения этой сферы.

Список литературы

1. В.О.Самойлов «Медицинская биофизика», СпецЛит, 2013г.

2. М.Р.Сапин, Э.В.Швецов «Анатомия человека», Феникс, 2008г.

3. Университет Дьюка «Введение в физиологию человека». www.coursera.org

Размещено на Allbest.ru