Газообмін у легенях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Газообмін у легенях

1. Газообмін в легенях. Склад повітря, що вдихається, видихається, альвеолярного

Газообмін у легенях людини відбувається через величезну площу, що становить 50 - 90 м². Товщина аерогематичного бар'єра - 0,4 - 1,5 мкм. Гази через нього проникають шляхом дифузії по градієнту парціального тиску. У людини, що перебуває в стані спокою, у приточній венозній крові РvО₂ становить 40 мм рт.ст., а РvСО₂ - близько 46 мм рт.ст. Здійснення газообміну через цю мембрану залежить від:

- поверхні, через яку відбувається дифузія (S);

- товщини мембрани (L);

- градієнта тиску газів в альвеолах і крові (?P);

- коефіцієнта дифузії (k);

- стану мембрани.

Коефіцієнт дифузії залежить від природи газу, температури й середовища, у якому вона відбувається. Приміром, вуглекислий газ у рідині дифундує в 13 000 разів, а кисень в 300 000 разів повільніше, ніж у газовому середовищі.

Відповідно до закону Фіка, дифузний потік дорівнює:

М = k · S/L · ?P.

Гази проходять два шари клітин (епітелій альвеол й ендотелій капілярів) та інтерстиціальний простір між ними.

Мал. 1.1. Схема газообміну (1). Взаємозв'язок легеневого і тканинного дихання (2)

Таким чином, на шляху кожного газу перебувають п'ять клітинних й одна основна мембрана, а також шість водяних розчинів. До останнього належать рідина, що вкриває епітелій альвеол, цитоплазма двох клітин легеневої мембрани, міжклітинна рідина, плазма крові, цитоплазма еритроцита. Найбільш “важкопрохідні” ділянки - мембрани клітин. Швидкість проходження всіх зазначених середовищ кожним газом визначається, з одного боку, градієнтом парціального тиску, а з іншого боку - розчинністю газів у ліпідах, що становлять основу мембран, і воді. Вуглекислий газ у ліпідах і воді розчиняється у 23 рази активніше, ніж кисень. Тому, незважаючи на менший градієнт тиску (для СО₂ - 6 мм рт. ст., а для О₂ - 60 мм рт.ст.) СО₂ проникає крізь легеневу мембрану швидше, ніж О₂. При проходженні крові по капіляру рівень РО₂ в альвеолах і крові вирівнюється через 0,2 - 0,25 с, а РСО₂ - уже через 0,1 с.

Ефективність газообміну в легенях залежить і від швидкості кровотоку. Вона така, що еритроцит проходить капіляром упродовж 0,6-1 с. За цей час Р_АО₂ і РаО₂ вирівнюються. Але в разі надмірного збільшення швидкості кровотоку, наприклад, у разі інтенсивного фізичного навантаження, еритроцит через легеневий капіляр може проскакувати швидше від критичних 0,2-0,25 с, і тоді насичення крові киснем знижується.

Склад вдихуваного, видихуваного і альвеолярного повітря.

Повітря є вдихуване, видихуване і альвеолярне. Склад атмосферного повітря відрізняється звичайною постійністю; в ньому знаходиться 20,93-30,94% кисню, 0,03-0,04% вуглекислого газу і 79,02-79,04% азоту і інертних газів. В повітрі також завжди знаходиться деяка кількість водних випаровувань.

У видихуваному повітрі постійно знаходиться від 15,5 до 18% кисню і від 2,5 до 5% вуглекислого газу. Видихуване повітря насичене водними випаровуваннями і має температуру 35-37⁰С. Якщо зібрати видихуване повітря послідовними порціями в скляні приймачі по 50 мл, то вийшовши із легень за один видих повітря розміститься в 10-12 приймачах. Аналіз показує, що в 2-3 перших порціях, зібраних на початку видиху, склад повітря такий самий, як і в атмосфері. В наступних порціях міститься все більше вуглекислого газу і все менше кисню, причому в останніх 5-6 пробах в повітрі, яке виходило із легень до кінця видиху, знаходиться біля 5,5% вуглекислого газу, а кисень тільки 14%. Різниця в складі перших і останніх порцій видихуваного повітря пояснюється тим, що видихуване повітря містить не тільки повітря, яке заповнює альвеоли та бере участь в газообміні з кров'ю, назване альвеолярним повітрям, але і повітря так званого "шкідливого простору".

Повітря, яке заповнює порожнину рота, носа, глотки, трахеї, бронхів і бронхіол не віддає в кров кисень і не приймає вуглекислий газ, тому що через товсті, відносно бідні капілярами стінки повітроносних шляхів обміну газів між кров'ю і повітрям не відбувається. Це значить, що повітря, яке знаходиться в повітроносних шляхах, не бере участі в газообміні і тому простір повітроносних шляхів називається шкідливим простором. В ньому проходить деяке нагрівання повітря і об'єм так званого "шкідливого простору" рівний приблизно 150 мл (від 120 до 180 мл). Об'єм повітря, яке доходить при кожному вдиху до альвеол, менше об'єму дихального повітря на величину шкідливого простору. Це свідчить, що при частому, але поверхневому диханні кількість повітря, яке проходить через легеневі альвеоли (альвеолярна вентиляція) менше, ніж при більш рідкому, але глибокому диханні. Часте, але поверхневе дихання може при цьому призвести до недостатнього постачання організму киснем.

У дітей більш низька ефективність легеневої вентиляції виражається в іншому газовому складі як видихуваного, так і альвеолярного повітря. Чим молодша дитина, тим більше відсоток кисню і тим менший відсоток вуглекислого газу у видихуваному і альвеолярному повітрі, тобто кисень використовується дитячим організмом менш ефективно. Тому дітям для споживання одного і того ж об'єму кисню і виділення одного і того ж об'єму вуглекислого газу потрібно набагато частіше здійснювати дихальні акти.

2. Відносна постійність складу альвеолярного повітря. Парціальний тиск газів в альвеолярному повітрі (РАсо₂, РАо₂)

Газовий склад альвеолярного повітря обумовлений альвеолярною вентиляцією і швидкістю дифузії О₂ і СО₂ через альвеолярну мембрану. У звичайних умовах у людини кількість О₂ що надходить за одиницю часу в альвеоли з атмосферного повітря, дорівнює кількості О₂, що дифундує з альвеол в кров легеневих капілярів. Так само кількість СО₂ що надходить в альвеоли з венозної крові, дорівнює кількості СО₂ яке виводиться з альвеол в атмосферу. Тому в нормі парціальний тиск О₂ і СО₂ в альвеолярному повітрі залишається практично постійним, що підтримує процес газообміну між альвеолярним повітрям і кров'ю капілярів легень.

Газовий склад альвеолярного повітря відрізняється від атмосферного повітря тим, що в ньому менший процентний вміст кисню і вищий відсоток вуглекислого газу. Склад альвеолярного повітря відрізняється від повітря, що видихається великим вмістом вуглекислого газу і меншим вмістом кисню.

Відповідно до закону Дальтона парціальний тиск кожного газу в суміші пропорційний його об'єму. Оскільки в легенях разом з киснем, вуглекислим газом й азотом міститься ще й пара води, для визначення парціального тиску кожного газу необхідно привести їхній тиск до тиску “сухої” газової суміші. Якщо людина перебуває в “сухому” повітрі, то парціальний тиск кожного газу варто розраховувати з огляду на величину загального тиску. Вологість потребує внесення відповідних виправлень на пару води.

Аналіз видихуваної газової суміші свідчить, що різні порції його за процентним співвідношенням “основних” газів - О₂ і СО₂ - суттєво різняться. Склад перших видихуваних порцій ближчий до атмосферного, оскільки це повітря мертвого простору. Останні порції наближаються за своїм складом до альвеолярної газової суміші. Показник парціального тиску газу в альвеолярній суміші позначається - Р_А.

Для визначення Р_АО2 і Р_АСО2 в альвеолярній суміші необхідно вирахувати ту частину тиску, що припадає на пару води й азот. У результаті виходить, що рівень Р_АО2 дорівнює 13,6 кПа (102 мм рт. ст.), Р_АСО2 - 5,3 кПа (40 мм рт.ст.).

Для визначення інтенсивності газообміну організму крім парціального тиску газів необхідно знати кількість поглинання О₂ і виділення СО₂. При проведенні дослідження необхідно дотримуватися стандартних умов обчислення газових складів атмосферного повітря й альвеолярної суміші.

1. Умови STPD (Standart Temperature, Pressure. Dry gas): стандартна температура (Т = 273 °К), тиск (Р = 101 кПа, 760 мм рт. ст.) і сухе повітря (Р_Н2О = 0).

2. Умови BTPS (реальні температура й тиск у легенях і 100 % насичення парою води, Body Temperature. Pressure. Saturated). У легенях: Т = 273 + 37 = 310 °К; Р - відповідає конкретному барометричному тиску; Р_Н2О дорівнює тиску повітря за 100 % насичення парою води при 37 ^°С - 6,3 кПа (47 мм рт. ст.).

Якщо конкретні умови обстеження людини відрізняються від стандартних, тоді необхідно внести поправки, що перетворять ці об'єми відповідно до рівняння стану ідеального газу:

V · Р = М · Р · Т (21),

де М - кількість газу, Р - універсальна газова постійна, Т - абсолютна температура.

Для вищезазначених умов це рівняння має такий вигляд:

Vstpd 760 = М · Р · 273°

Vbtps (Р - 47) = М · Р · 310°.

Після цього можна точно визначити співвідношення об'ємів газів, що вимірюють у різних умовах - в умовах атмосфери й альвеол:

V_stpd/V_btps = 273/310 · (Р - 47)/760 = (Р - 47)/863.

У стані спокою доросла людина за 1 хв поглинає 250 - 300 мл кисню і виділяє 200 - 250 мл вуглекислого газу.

3. Напруга газів, розчинених в крові

У крові гази знаходяться в розчиненому (вільному) і хімічно-зв'язаному стані. У дифузії беруть участь тільки молекули розчиненого газу. Кількість газу, що розчиняється в рідині, залежить від: 1) складу рідини, 2) об'єму і тиску газу над рідиною, 3) температури рідини, 4) природи досліджуваного газу. Чим вище тиск даного газу і чим нижче температура, тим більше газу розчиняється в рідині. При тиску 760 мм рт. ст. і температурі 38⁰ С в 1 мл крові розчиняють 22% кисню і 51% двоокису вуглецю.

Розчинення відбувається відповідно до закону Генрі, згідно з яким кількість газу, розчиненого в рідині, прямо пропорційна парціальному тиску цього газу над рідиною. На кожну одиницю парціального тиску в 100 мл крові розчиняється 0,003 мл О₂ або 3 мл/л крові. Кожний газ має свій коефіцієнт розчинності. При температурі тіла розчинність СО₂ в 25 разів більше, ніж О₂. Через гарну розчинність вуглекислоти в крові і тканинах СО₂ переноситься в 20 разів легше, ніж О₂. Прагнення газу переходити з рідини в газову фазу називають напругою газу. У звичайних умовах в 100 мл крові знаходиться в розчиненому стані всього 0,3 мл О₂ і 2,6 мл СО₂.

газообмін легені повітря

4. Механізми обміну газів в легенях

Механізм транспорту газів. На окремих етапах дихання перенесення газів забезпечують два основних механізми: дифузія і конвекція. Рушійна сила дифузії - градієнт концентрації газу (?Р = Р₁ - Р₂): що він вищий, то інтенсивніший газообмін. Фізико-хімічні закономірності, що визначають цей вид транспортування, забезпечують газообмін без витрати енергії. Однак при дифузії швидкість руху газів відносно низька, унаслідок чого в організмі в такий спосіб вони переміщуються на незначні відстані. При застосуванні дифузії здійснюється перенесення газів між повітрям, що надійшло у повітроносні шляхи, й альвеолами, альвеолярним повітрям і кров'ю, кров'ю і тканинами.

Інший шлях газоперенесення - конвекція (convectio - приношення, струминне переміщення мас газу, рідини). Він ґрунтується на градієнті тиску. Створення градієнта тиску потребує енергії. Струминно переміщується повітря із зовнішнього середовища в дихальні шляхи, кисень із кров'ю від легенів до тканин, а вуглекислий газ - із тканин до легенів.

У системі дихання можна виділити п'ять основних етапів газоперенесення:

1. Конвекційне надходження повітря у повітроносні шляхи.

2. Конвекція повітря і дифузія газів між повітроносними шляхами й альвеолами.

3. Дифузія газів між альвеолами та кров'ю.

4. Конвекційне перенесення газів кров'ю.

5. Дифузія газів між капілярною кров'ю і тканинами

Дифузійна здатність легенів. Взаємини між легеневим кровообігом і вентиляцією легенів.

Дифузія газів в легенях підкоряється закону Фіка: об'єм дифузії газу (V) прямо пропорційний площі дифузії (S), коефіцієнту дифузії (К), градієнту тиску газу по обидві сторони альвеоло-капілярної мембрани (Р₁ - Р₂) і обернено пропорційний товщині цієї мембрани (L):

Площа дифузії в легенях (S) - це площа альвеол, які вентилюються та кровопостачаються. При різних функціональних станах у дорослої людини цей показник змінюється від 80 до 120 м². Збільшення площі дифузії може зумовити збільшення глибини дихання і об'ємної швидкості кровотоку через судини легень, що має місце, наприклад, при фізичному навантаженні.

Товщина дифузного шару (L) у здорової людини складає 0,4 - 1,5 мкм. Дифузний шар (альвеоло-капілярна мембрана) включає в себе: шар сурфактанту, шар пневмоцитів, базальну мембрану альвеоли, шар ніжної сполучної тканини, базальну мембрану капіляра, шар ендотеліоцитів. В фізіологічних умовах товщина дифузного шару зменшується при збільшенні глибини дихання.

Коефіцієнт дифузії (К) є різним для різних газів і визначається їх здатністю розчинятися в структурах, які формують дифузний шар. За хімічним складом в цих структурах переважають фосфоліпіди (сурфактант, мембрани пневмоцитів та ендотеліоцитів, базальні мембрани) і вода. СО₂ в фосфоліпідах та воді розчиняється набагато краще, ніж О₂, тому коефіцієнт дифузії для вуглекислого газу приблизно в 20 разів більший, ніж для кисню.

Градієнт тисків (Р₁ - Р₂) в стані спокою складає близько 60 мм.рт.ст. для О₂ (100 - 40) та близько 6 мм.рт.ст. для СО₂ (46 - 40). Оскільки Ро₂ та Рсо₂ в альвеолах підтримуються на постійному рівні, градієнт тисків цих газів змінюються за рахунок зміни їх напруження в венозній крові.

Таким чином, в стані спокою градієнт тисків, за яким йде дифузія О₂, в 10 разів більше градієнта, за яким іде дифузія СО₂. Та об'єм дифузії цих газів відрізняється на незначну кількість. Протягом однієї хвилини в стані спокою дифундує 250 - 300 мл О₂ і лише дещо менше СО₂ (200 - 250 мл). Великий об'єм дифузії СО₂ при порівняно невисокому градієнту тисків пов'язаний з високим коефіцієнтом дифузії цього газу.

Об'єм дифузії О₂ і СО₂ при фізичному навантаженні збільшується до десяти разів в порівнянні зі станом спокою. Це пов'язано зі збільшенням площі дифузії та зменшенням товщини дифузного шару, зі збільшенням градієнту тисків газів по обидві сторони альвеоло-капілярної мембрани (за рахунок зміни газового складу венозної крові).

В клініці та експерименті за життя неможливо визначити площу дифузії і товщину дифузного шару. Тому для характеристики процесів дифузії в легенях ввели поняття дифузної здатності легень (ДЗЛ) - об'єм газу, який дифундує через альвеоло-капілярну мембрану за 1 хвилину при градієнті тиску цього газу по обидві сторони альвеоло-капілярної мембрани, що рівний 1 мм.рт.ст. Таким чином, визначають ДЗЛ шляхом поділу об'єму дифузії газу за одну хвилину на градієнт тисків цього газу в альвеолах і в крові:

ДЗЛ прямо пропорційна площі дифузії, коефіцієнту дифузії даного газу, обернено пропорційна товщині дифузного шару і не залежить від градієнту тисків газу (дане визначення випливає, якщо замість V в формулі для визначення ДЗЛ підставити формулу з закону Фіка для визначення об'єму дифузії газу). ДЗЛ для О₂ в стані спокою у дорослої людини складає близько 25 - 30 мл/хв мм.рт.ст.

В стані спокою час, протягом якого кров знаходиться в капілярах легень, складає 0,75 - 1,0 с. Час, протягом якого проходить вирівнювання вмісту О₂ в альвеолярному повітрі і в крові - близько 0,25 с. Тобто, вміст газів в крові, відтікаючої від альвеоли, дорівнює такому в альвеолі. Така ж ситуація зберігається і при фізичному навантаженні - час проходження крові через капіляри легень скорочується до 0,25 с, але все ж залишається достатнім для вирівнювання вмісту газів в крові та в альвеолярному повітрі. Тільки при дуже значному підвищенні лінійної швидкості руху крові в капілярах, її газовий склад не встигає досягнути параметрів альвеолярного повітря.

Та навіть в стані спокою має місце альвеоло-артеріальний градієнт тиску для О₂ та СО₂ - напруження кисню в артеріальній крові на 5 - 10 мм.рт.ст. нижче, а напруження вуглекислого газу на 1 - 2 мм.рт.ст. вище, ніж в альвеолярному повітрі (Ро₂ = 100 мм.рт.ст., Рсо₂ = 40 мм.рт.ст. в альвеолах; Ро₂ = 90 - 95 мм.рт.ст., Рсо₂ = 41 - 42 мм.рт.ст. в артеріальній крові). Причиною наявності альвеоло-артеріального градієнту тисків газів є:

1. Наявність артеріо-венозних шунтів, по яким в артеріальну кров "скидається" венозна. В якості таких шунтів виступають:

- судини, що забезпечують живлення бронхіального дерева і легень;

- вени Тебехія, по яким венозна кров від серця надходить в ліві його відділи;

- капіляри, за якими рухається кров через не вентильовані альвеоли.

2. Нерівномірність вентиляції і перфузії (кровотоку) в легенях. Для легенів в цілому відношення вентиляції до перфузії (АВЛ до ХОК) складає близько 0,8.

При такому рівні ВПВ (вентиляційно-перфузійних відношень) Ро₂ в альвеолах рівняється 100 мм.рт.ст., а Рсо₂ - 40 мм.рт.ст. Та такий рівень ВПВ має місце тільки в альвеолах середніх сегментів легень, в верхівках і в базальних сегментах легень ВПВ інше.

Причина полягає в тому, що в легенях має місце:

а) нерівномірність вентиляції: краще всього вентилюються базальні сегменти легень, менше - середні сегменти, найбільш погано - верхівки легень. Причина нерівномірності вентиляції полягає в тому, що верхівки легень розтягнені силою тяжіння вже в стані видиху, тому їх здатність до розтягнення нижча і на той же приріст транспульмонального тиску вони менше збільшують свій об'єм, гірше вентилюються.

б) нерівномірність перфузії: артеріальні судини легень мають дуже високу здатність до розтягнення (як і венозні), тому кровотік в них в значній мірі залежить від впливу фактора гравітації - від серця основна маса крові під впливом сили тяжіння направляється до базальних сегментів легень, менша - до середніх, сама мала - до верхівок.

Та ступінь нерівномірності вентиляції і кровотоку різна. Нерівномірність кровотоку виражена набагато більше, ніж нерівномірність вентиляції. Тому ВПВ змінюється в напрямку від верхівок до базальних сегментів легень:

- в верхівках знижена вентиляція і кровотік, та більша ступінь зниження кровотоку призводить до підвищення ВПВ, переважання вентиляції, зміна газового складу альвеолярного повітря (збільшення Ро₂ і зниження Рсо₂), аналогічна зміна газового складу відтікаючої від цих альвеол крові, тобто, кров, відтікаюча від верхівок, має Ро₂ більше 100 мм.рт.ст., а Рсо₂ менше 40 мм.рт.ст.;

- в середніх сегментах легень ВПВ = 0,8 Ро₂ в альвеолах (і крові) складає 100 мм.рт.ст., Рсо₂ - 40 мм.рт.ст.;

- в базальних сегментах легень переважає кровотік, ВПВ = 0,7 - 0,6, тому Ро₂ в альвеолах (і крові) менше 100 мм.рт.ст., а Рсо₂ - більше 40 мм.рт.ст.

6. Анатомічний і фізіологічний «мертві простори»

Частина альвеол, які вентилюються та не кровопостачаються, формують альвеолярний мертвий простір (в них не проходить газообмін і їх вентиляція неефективна, як і вентиляція дихальних шляхів). Сума анатомічного і альвеолярного мертвого простору називається фізіологічним (функціональним) мертвим простором. У здорової людини об'єм анатомічного і функціонального мертвого просторів мало відрізняються, та при деяких станах різниця може бути суттєвою.

В кінці видиху анатомічний мертвий простір заповнюється повітрям, що видихається, в якому знижена кількість кисню і високий процентний вміст вуглекислого газу. При вдиху «шкідливе» повітря анатомічного мертвого простору змішується з «корисним» атмосферним повітрям. Ця газова суміш, в якій менше, ніж в атмосферному повітрі, кисню і більше вуглекислого газу, надходить в респіраторну зону легень. Тому газообмін у легенях відбувається між кров'ю і альвеолярним простором, заповненим не атмосферним повітрям, а сумішшю «корисного» і «шкідливого» повітря.

Размещено на Allbest.ru