Этапы развития физиологии как науки

Ток крови оказывает на сосудистую стенку механическое воздействие, растягивая ее, оказывая давление с внутренней стороны и воздействуя силами напряжения сдвига. Эндотелиоциты реагируют на условия тока крови:1) изменяется активность синтеза различных белков; 2) изменяется концентрация циклических нукле-отидов в цитоплазме; 3) происходят количественные и качественные изменения рецепторов и фосфолипидов мем браны. Эти процессы в том числе влияют на активность эндотелиоцитов в гемостазе. Напряжение сдвига(давление и объем движущейся крови) -- это сила воздействия потока движущейся крови на соответствующий отдел эндотелия, определяемая в соответствии с формулой Величина напряжения сдвига прямо пропорциональна скорости кровотока и вязкости крови и обратно пропорциональна радиусу просвета кровенос сосуда. Напряжение сдвига стимулирует синтез противосвертывающих и сосудорасширяющих веществ. Поэтому чем больше давление и скорость движущейся крови (артерии), тем реже образуются тромбы.

89. Регуляция объема циркулирующей крови. Кровяные депо, их физиологическая роль

Для нормального кровоснабжения органов и тканей, поддержания постоянства АД необходимо определенное соотношение между объемом циркулирующей крови (ОЦК) и общей емкостью всей сосудистой системы. Это соответствие достигается при помощи ряда нервных и гуморальных регуляторных механизмов. При уменьшении ОЦК приток крови к сердцу уменьшается, и уровень АД снижается. В ответ на это возникают реакции, направленные на восстановление нормального уровня АД, мобилизации крови из кровяных депо и перераспределение объема воды между плазмой крови и межтканевой жидкостью. В состоянии покоя у человека до 45--50% всего объема крови, имеющейся в организме, находится в кровяных депо: селезенке, печени, подкожном сосудистом сплетении и легких. В селезенке содержится 500 мл крови, которая может быть почти полностью выключена из циркуляции. Селезенка является основным депо эритроцитов. Большое количество их, поступая в циркулирующую кровь при физических и эмоциональных напряжениях, значительно повышает кислородную емкость крови. Кровь, находящаяся в сосудах печени и сосудистом сплетении кожи (у человека до 1 л), циркулирует значительно медленнее (в 10--20 раз), чем в других сосудах. Поэтому кровь в данных органах задерживается, т. е. они также являются как бы резервуарами крови. Кровь, находящаяся в печени, не выключается из циркуляции, как это происходит в селезенке, но ее движение замедляется. Роль депо крови выполняют вся венозная система и в наибольшей степени вены кожи

90. Особенности регуляции мозгового, коронарного и легочного кровотока

Коронарное кровообращение. Необходимость непрерывного обеспечения таких физиологических свойств миокарда, как автоматизм, возбудимость, проводимость, сократимость, а также пара- и эндокринной функции требует значительных затрат энергии. Наиболее энергоемкой является сократительная функция миокарда, которая должна устойчиво поддерживаться в течение всей жизни организма. Доставка артериальной крови в миокард осуществляется венечными (коронарные) артериями, которые, разветвляясь и широко анастомозируя во всех слоях и отделах сердца, образуют густую сеть капилляров и практически каждое мышечное волокно снабжено собственным обменным сосудом. Венозный отток от миокарда осуществляется через широкий венечный (коронарный) синус, открывающийся в полость правого предсердия.

При минимальных энергетических затратах бодрствующего организма через коронарные сосуды протекает 200--250 мл крови в 1 мин (60-- 70 мл/100 г/мин), что составляет примерно 4--5 % МОК. При интенсивной физической работе объемная скорость кровотока в венечных сосудах возрастает до 350--400 мл/100 г/мин. Важнейшими показателями кровоснабжения сердца являютсядостаточность коронарного кровотока и резерв кровоснабжения сердца (коронарный резерв). Критерием достаточности коронарного кровотока служит отношение поступления кислорода к потребности миокарда в нем. Значения этого отношения ниже 1,2 указывают на критическое уменьшение оксигенации миокарда. Критерием резерва кровоснабжения сердца -- максимального увеличения интенсивености коронарного кровотока при вазодилатации коронарных артерий - служит отношение разницы между максимально возможной доставкой кислорода к активно работающему сердце к величине потребления кислорода в покое.Регуляция коронарного кровообращения. Первостепенная роль принадлежит изменению сопротивления коронарного русла, которое в условиях функционального покоя является одним из самых высоких в организме. К местным факторам регуляции сократительной активности гладкомы-шечных клеток (ГМК) коронарных сосудов принадлежат воздействия физической (напряжение сдвига на сосудистой стенке, пульсационная деформация сосудистой стенки, трансмуральное давление) и химической природы, прежде всего РО2и продуктов клеточного метаболизма. Из числа местных метаболических факторов наибольшую активность по отношению к регуляции коронарного кровотока проявляет аденозин. К дистанционным факторам регуляции тонуса коронарных сосудов относятся влияния циркулирующих с кровью гормонов и других биологически активных веществ и вазомоторные нервные волокна.

Считают, что симпатические адренергические нервные волокна вызывают в ряде случаев (физическая работа, стенические отрицательные эмоции) расширение венечных сосудов и увеличение кровотока в миокарде. Наряду с этим в других условиях (астенические отрицательные эмоции, боль и др.) наблюдаются симпатические коронаросу-живающие эффекты. Причины таких противоположных влияний связывают с избирательной «настройкой» чувствительности а- и в-адренорецепторов, широко представленных в мембранах ГМК коронарных сосудов, а также с концентрацией катехоламинов, которые влияют на метаболизм ГМК и интерстициальной ткани. Парасимпатические холинергические влияния, вероятнее всего, опосредованно, угнетая сократительную активность сердечной мышцы, снижают ее метаболические потребности и тем самым приводят к снижению кровоснабжения миокарда.

Особая роль в механизмах многофакторного местного и дистанционного контроля коронарного кровотока отводится продуктам синтетической деятельности сосудистых эндотелиоцитов, которые обладают не только прямым действием на сократительную активность ГМК сосудов, но также модулируют сосудистые эффекты других регуляторных факторов.

Кровоснабжение головного мозга. Головной мозг человека даже в состоянии покоя характеризуется непрерывно протекающими энергоемкими процессами, требущими высокого потребления кислорода (3-4 мл/100г/мин) и глюкозы (5мг/100г/мин). Головной мозг, имеющий массу 1400-1500 г в состоянии покоя получает около 750 мл/мин крови, что соответствует 15% от общего сердечного выброса. В функциональном отношении в сосудистой системе головного мозга можно выделить две взаимосвязанные гемодинамические подсистемы: а) макроциркуляция, образующая русло для общего суммарного мозгового кровотока; б) микроциркуляция, структурно-функциональной единицей которой в головном мозге является сосудистый модуль -- относительно автономный в гемодинамическом отношении комплекс микрососудов, снабжающий кровью отдельные функционально специализированные популяции нервных клеток.

Сосуды макроциркуляции располагаются практически на поверхности мозга и характеризуются многочисленными анастомозами. В отличие от них в сосудах микроциркуляции мозга отмечается практически полное отсутствие анастомозов, поэтому ишемия нервной ткани, вызванная тромбозом или стойким спазмом внутримозговых микрососудов, как правило, не компенсируется и сопровождается нарушением тех функций организма, которые регулировались обескровленным нервным центром.

Легочное кровообращение. Важнейшей особенностью организации кровоснабжения легких является ее двухкомпонентный хар-р, поскольку легкие полчают кровь из сосудов малого круга кровообращения и бронхиальных сосудов большого круга. Функц-ое назнач сосудистой системы малого круга кровообращения состоит в обеспечении газообменной функции, тогда как бронхиальные сосуды удовлетворяют собственные метаболические потребности легочной ткани. Капилляры легких образуют на поверхности альвеол очень густую сеть, и при этом на одну альвеолу приходится несколько капилляров. В связи с тем что стенки альвеол и капилляров тесно контактируют, образуя как бы единую альвеолярно-капиллярную мембрану, создаются наиболее благоприятные условия для эффективных вентиляционно-перфузионных взаимоотношений. В условиях функционального покоя у человека капиллярная кровь находится в контакте с альвеолярным воздухом в течение примерно 0,75 с. При тяжелой физической работе продолжительность контакта укорачивается и составляет в среднем 0,35 с. В результате слияния капилляров образуются характерные для легочной сосудистой системы безмышечные посткапиллярные венулы, трансформирующиеся в венулы мышечного типа и далее в легочные вены. Особенностью сосудов венозного отдела являются их тонкостенность и слабая выраженность ГМК. Структурные особенности легочных сосудов, в частности артерий, определяют большую растяжимость сосудистого русла, что создает условия для более низкого сопротивления (приблизительно в 10 раз меньше, чем в системе большого круга кровообращения), и, следовательно, более низкого кровяного давления.

В связи с этим система малого круга кровообращения относится к области низкого давления. Давление в легочной артерии составляет в среднем 15--25 мм рт. ст., а в венах -- 6--8 мм рт. ст. Градиент давления равен примерно 9--17 мм рт. ст., т.е. значительно меньше, чем в большом круге кровообращения. Несмотря на это, повышение системного АД или же значительное увеличение кровотока (при активной физической работе) существенно не влияет на транс-муральное давление в легочных сосудах из-за их большей растяжимости. Большая растяжимость легочных сосудов определяет еще одну важную функциональную особенность этого региона, заключающуюся в способности депонировать кровь и тем самым предохранять легочную ткань от отека при увеличении минутного объема кровотока.

Распределение кровотока в легких характеризуется неравномерностью кровоснабжения верхних и нижних долей, так как низкое внутрисосудистое давление определяет высокую зависимость легочного кровотока от гидростатического давления. Так, в вертикальном положении человека верхушки легкого расположены выше основания легочной артерии, что практически уравнивает АД в верхних долях легких с гидростатическим давлением. По этой причине капилляры верхних долей слабо перфузируются, тогда как в нижних долях благодаря суммированию АД с гидростатическим давлением кровоснабжение намного обильнее. Описанная особенность легочного кровообращения играет важную роль в установлении неодинаковых перфузионно-вентиляционных отношений в различных долях легкого.

Интенсивность кровоснабжения легких зависит от циклических изменений плеврального и альвеолярного давления в различные фазы дыхательного цикла. Во время вдоха, когда плевральное и альвеолярное давление уменьшается, происходит пассивное расширение крупных внелегочных и внутрилегочных сосудов, сопротивление сосудистого русла дополнительно снижается и интенсивность кровоснабжения легких в фазу вдоха увеличивается.

Регуляция легочного кровообращения. Местная регуляция легочного кровотока в основном представлена метаболическими факторами, ведущая роль среди которых принадлежит РО2 и РСО2. При снижении РО2 и/или повышении РСО2 происходит вазоконстрикция легочных сосудов.

Нервная регуляция легочного кровотока осуществляется в основном симпатическими сосудосуживающими волокнами. Система легочного кровообращения выделяется среди всех сосудистых регионов наибольшей функциональной взаимосвязью с регуляцией гемодинамики в большом круге кровообращения.Гуморальная регуляция легочного кровообращения в значительной степени обусловлена влиянием ангиотензина 2, адреналина, норадреналина, ацетилхолина, брадикинина, серотонина, гистамина, простагландинов, которые вызывают свои сосудистые эффекты.

91. Значение дыхания для организма. Биомеханика дыхательных движения

Роль инспираторных, вспомогательных и экспираторных мышц. Значение движения ребер и диафрагмы. Пневмография.

Дыхание -- совокупность последовательно протекающих процессов, обеспечивающих потребление организмом О2и выделение СО2. Дыхание включает определенную последовательность процессов; 1) внешнее дыхание, обеспечивающее вентиляцию легких; 2) обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью; 3) транспорт газов кровью; 4) обмен газов между кровью в капиллярах и тканевой жидкостью; 5) обмен газов между тканевой жидкость и клетками; 6) биологическое окисление в клетках (внутреннее дыхание). Дыхательные мышцы обеспечивают ритмичное увеличение или уменьшение объема грудной полости. Функционально дыхательные мышцы делят на инспираторные (основные и вспомогательные) и экспираторные. Основную инспираторную группу мышц составляют диафрагма, наружные межреберные и внутренние межхрящевые мышцы; вспомогательные мышцы -- лестничные, грудиноключично-сосцевидные, трапецевидная, большая и малая грудные мышцы. Экспираторную группу мышц составляют абдоминальные (внутренняя и наружная косые, прямая и поперечная мышцы живота) и внутренние межреберные.

Важнейшей мышцей вдоха является диафрагма -- куполообразная мышца, разделяющая грудную и брюшную полости. При сокращении диафрагмы органы брюшной полости смещаются вниз и вперед и вертикальные размеры грудной полости возрастают. При этом поднимаются и расходятся ребра, что приводит к увеличению поперечного размера грудной полости. При спокойном дыхании диафрагма является единственной активной инспираторной мышцей и ее купол опускается на 1 -- 1,5 см. При глубоком форсированном дыхании увеличивается амплитуда движений диафрагмы (экскурсия может достигать 10 см) и активизируются наружные межреберные и вспомогательные мышцы. Из вспомогательных мышц наиболее значимыми являются лестничные и грудиноключично-сосцевидные мышцы.

Наружные межреберные мышцы соединяют соседние ребра. Их волокна ориентированы наклонно вниз и вперед от верхнего к нижнему ребру. При сокращении этих мышц ребра поднимаются и смещаются вперед, что приводит к увеличению объема грудной полости в переднезаднем и боковом направлениях. Паралич межреберных мышц не вызывает серьезных расстройств дыхания, поскольку диафрагма обеспечивает вентиляцию.

Лестничные мышцы, сокращаясь во время вдоха, поднимают 2 верхних ребра, а вместе с ними всю грудную клетку. Грудиноключично-сосцевидные мышцы поднимают Iребро и грудину. При спокойном дыхании они практически не задействованы, однако при увеличении легочной вентиляции могут интенсивно работать.

Выдох при спокойном дыхании происходит пассивно. Легкие и грудная клетка обладают упругостью, и поэтому после вдоха, когда они активно растягиваются, стремятся вернуться в прежнее положение. При физической нагрузке, когда повышено сопротивление воздухоносных путей, выдох становится активным.

Наиболее важными и сильными экспираторными мышцами являются абдоминальные мышцы, которые образуют переднебоковую стенку брюшной полости. При их сокращении повышается внутрибрюшное давление, диафрагма поднимается вверх и объем грудной полости, а следовательно и легких, уменьшается.

В активном выдохе участвуют также внутренние межреберные мышцы. При их сокращении ребра опускаются и объем грудной клетки уменьшается. Кроме того, сокращение этих мышц способствует укреплению межреберных промежутков. Пневмография - графич регистрация движения грудной клетки. Определяется ЧДД (12-25 в мин), продолж дых цикла, амплитуда дыхания.

92. Измен давления в легких. Х-ка альвеоляр, плевральн и транспульмональн давления, механизмы их формирования, величина и значение для движения воздуха

Пневмоторакс.

Дыхат мышцы измен объем груд клетки и создают градиент давления , необходимый для возник воздушн потока по воздухонос путям. Во время вдоха давлен в альвеолах становит ниже атмосферного, т.е. отрицательным, поэтому в легкие входит воздух из внеш среды. При выдохе давление становит выше атмосфер(положит) и воздух выходит во внеш среду. В конце вдоха и выдоха объем груд полости прекращает изменяться, и при открыт голос щели давление в альвеолах становится = атмосферному. Альвеол давление-это сумма плеврального давления и давления, создаваемого эластич тягой паренхимы легкого. Плевральное давление -- давление в герметично замкнутой плевральной полости между висцерал и париетал листками плевры и завис от величин и направления сил, создаваем эластич паренхимой легких и груд стенкой. Плеврал давление ниже атмосфер во время вдоха, а во время выдоха может быть ниже, выше или = атмосфер в зависимости от форсированности воздуха. При спокойн дыхании плеврал давление перед началом вдоха сост - 5 см вод. ст., перед началом выдоха оно понижается еще на 3-4 см вод.ст. Разница между альвеоляр и плеврал давлениями назыв транспульмональным давлением,величина кото в соотношении с атмосферным являе основным фактором, вызывающим движение воздуха в воздухонос путях легких.В области контакта легкого с диафрагмой транспульмональное давление называ трансдиафрагмальным, кот рассчитывают как разницу между внутрибрюшным и плевральным давлением. Пневмоторакс - нарушение герметичности грудной клетки и сообщение плевральной полости с внешней средой.

93. Легочные объемы и емкости. Их хар-ка, величины и факторы ее определяющие

Методы определения. Для характеристики вентиляционной функции легких и ее резервов большое значение имеет величина статических и динамических объемов и емкостей легких. К статическим объемам относятся величины, которые измеряют после завершения дыхательного маневра без ограничения скорости (время) его выполнения. Кстатическим показателям относятся четыре первичных легочных объема: дыхательный объем (ДО-VТ), резервный объем вдоха (РОвд-IRV), резервный объем выдоха (РОвыд-ERV) и остаточный объем (ОО-RV), а также и емкости: жизненная емкость легких (ЖЕЛ-VС), емкость вдоха (Евд-IС), функциональная остаточная емкость (ФОЕ-FRС) и общая емкость легких (ОЕЛ-ТLС).

При спокойном дыхании с каждым дыхательным циклом в легкие поступает объем воздуха, называемый дыхательным (VT). Величина VT у взрослого здорового человека весьма вариабельна; в состоянии покоя VT составляет в среднем около 0,5 л.

Максимальный объем воздуха, который дополнительно человек способен вдохнуть после спокойного вдоха, называется резервным объемом вдоха (IRV). Этот показатель для человека среднего возраста и средних антропометрических данных составляет около 1,5--1,8 л.

Максимальный объем воздуха, который человек дополнительно может выдохнуть после спокойного выдоха, называется резервным объемом выдоха (ЕRV) и составляет 1,0--1,4 л. Гравитационный фактор оказывает выраженное влияние на этот показатель, поэтому он выше в вертикальном положении, чем в горизонтальном.

Остаточный объем (RV) -- объем воздуха, который остается в легких после максимального экспираторного усилия; он составляет 1,0--1,5 л. Его объем зависит от эффективности сокращения экспираторных мышц и механических свойств легких. С возрастомRVувеличивается.RVподразделяют на коллапсный (покидает легкое при полном двустороннем пневмотораксе) и минимальный (остается в легочной ткани после пневмоторакса).

Жизненная емкость легких (VС) -- это объем воздуха, который можно выдохнуть при максимальном экспираторном усилии после максимального вдоха.VС включает в себя VT,IRVи ЕRV. У мужчин среднего возрастаVС варьирует в пределах 3,5--5 л, у женщин -- 3--4 л.

Емкость вдоха (IС) -- это сумма VT иIRV. У человекаIС составляет 2,0--2,3 л и не зависит от положения тела.

Функциональная остаточная емкость (FRC) -- объем воздуха в легких после спокойного выдоха -- составляет около 2,5 л.FRCназывают также конечным экспираторным объемом. При достижении легкимиFRCих внутренняя эластическая отдача уравновешивается наружной эластической отдачей грудной клетки, создавая отрицательное плевральное давление. У здоровых взрослых лиц это происходит на уровне примерно 50 %.TLCпри давлении в плевральной полости -- 5 см вод. ст.FRCявляется суммойERVиRV. На величинуFRCсущественно влияет уровень физической активности человека и положение тела в момент измерения.FRCв горизонтальном положении тела меньше, чем в положении сидя или стоя из-за высокого стояния купола диафрагмы.FRCможет уменьшаться, если тело находится под водой. Общая емкость легких (TLC) - объем воздуха, находящийся в легких по завершении максимального вдоха.TLCпредставляет суммуVCиRVилиFRCиIC.

Динамические величины характеризуют объемную скорость воздушного потока. Их определяют с учетом времени, затраченного на выполнение дыхательного маневра. К динамическим показателям относятся: объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ1--FEV1); форсированная жизненная емкость (ФЖЕЛ --FVC); пиковая объемная (РЕV) скорость выдоха (ПОСвыд. --PEV) и др. Объемы и емкости легких здорового человека определяет ряд факторов: 1) рост, масса тела, возраст, расовая принадлежность, конституциональные особенности человека; 2) эластические свойства легочной ткани и дыхательных путей; 3) сократительные характеристики инспираторных и экспираторных мышц.

Для определения легочных объемов и емкостей используются методы спирометрии, спирографии, пневмотахометрии и бодиплетизмографии. Для сопоставимости результатов измерений легочных объемов и емкостей полученные данные должны соотноситься со стандартными условиями: температуры тела 37 °С, атмосферного давления 101 кПа (760 мм рт.ст.), относительной влажности 100 %. Эти стандартные условия обозначают аббревиатурой ВТРS(от англ.Bodytemperature,pressure,saturated).

94. Характеристика вентиляции легких. Альвеолярная вентиляция. Характеристика анатомического и альвеолярного мертвого пространства, их влияние на эффективность альвеолярной вентиляции

Газовая смесь, поступившая в легкие при вдохе, распределяется на две неравные по объему и функциональному значению части. Одна из них не принимает участия в газообмене, так как заполняет воздухоносные пути (анатомическое мертвое пространство --Vd) и неперфузируемые кровью альвеолы (альвеолярное мертвое пространство). Сумма анатомического и альвеолярного мертвых пространств называетсяфизиологическим мертвым пространством. У взрослого человека в положении стоя объем мертвого пространства (Vd) составляет 150 мл воздуха, находящегося в основном в воздухоносных путях. Эта часть дыхательного объема участвует в вентиляции дыхательных путей и неперфузируемых альвеол. ОтношениеVdкVTсоставляет 0,33. Другая часть дыхательного объема поступает в респираторный отдел, представленный альвеолярными протоками, альвеолярными мешочками и собственно альвеолами, где принимает участие в газообмене. Эта часть дыхательного объема называетсяальвеолярным объемом. Она обеспечивает вентиляцию альвеолярного пространства. Газообмен наиболее эффективен, если альвеолярная вентиляция и капиллярная перфузия распределены равномерно по отношению друг к другу. В норме вентиляция обычно преимущественно осуществляется в верхних отделах легких, в то время как перфузия -- преимущественно в нижних. Вентиляционно-перфузионное соотношение становится более равномерным при нагрузке. Наиболее важными особенностями альвеолярной вентиляции являются:

* интенсивность обновления газового состава, определяемая соотношением альвеолярного объема и альвеолярной вентиляции;

* изменения альвеолярного объема, которые могут быть связаны либо с увеличением или уменьшением размера вентилируемых альвеол, либо с изменением количества альвеол, вовлеченных в вентиляцию;

* различия внутрилегочных характеристик сопротивления и эластичности, приводящие к асинхронности альвеолярной вентиляции;

* поток газов в альвеолу или из нее определяется механическими характеристиками легких и дыхательных путей, а также силами (или давлением), воздействующими на них. Механические характеристики обусловлены главным образом сопротивлением дыхательных путей потоку воздуха и эластическими свойствами легочной паренхимы. Неравномерность альвеолярной вентиляции обусловлена и гравитационным фактором - разницей транспульмонального давления в верхних и нижних отделах грудной клетки. В вертикальном положении в нижних отделах это давление выше примерно на 0,8кПа.

95. Газовый состав атмосферного, альвеолярного и выдыхаемого воздуха

МОД. МВЛ. Состав сухого и чистого атмосферного воздуха везде одинаков. В лесу и в поле, на море и на суше основные газы входят в него в одних и тех же объемных соотношениях: азот -- 78%, кислород -- 21%, аргон -- около 1%. На долю всех прочих составных частей сухого и чистого атмосферного воздуха -- углекислого газа, неона, гелия, криптона, водорода, озона, радона и других -- приходится в общей сложности не более 0,04%. Однако в естественных условиях воздух, которым мы дышим, не бывает абсолютно сухим. В нем всегда имеется водяной пар, содержание которого меняется в очень широких пределах -- от самых ничтожных количеств до 3--4% по объему. Состав (объёмные доли,F) всегообъёмавыдыхаемой газовой смеси в среднем следующий:кислородF(O2)~16%,двуокись углеродаF(CO2)~4,3%, остальное приходится наазоти очень небольшое количество инертных газов, не участвующих вгазообмене. Соответственно,парциальные давления,P:Р(O2)~115;мм рт ст,Р(CO2)~30,6;мм рт ст. В альвеолярной газовой смесиобъёмная долякислородаFaO2~ 0,14млO2на 1млсмеси, то есть ~ 14об%, (мл/дл), а объёмная долядвуокиси углеродаFaCO2~ 0,056млCO2на 1млсмеси, то есть ~ 5,6об%, (мл/дл). Оставшуюся объёмную долю смеси занимаетазоти ничтожное количество других инертных редких газов. В концевыдохасоставвыдыхаемой смеси газовблизок к составу альвеолярной смеси газов. Нередко эти последние порции выдыхаемой газовой смесианализируюткак альвеолярную смесь газов. Количественным показателем вентиляции легких является минутный объем дыхания (МОД -- VE) величина, характеризующая общее количество воздуха, которое проходит через легкие в течение 1 мин. Ее можно определить как произведение частоты дыхания (R) на дыхательный объем (VT) : VЕ = VТ * R. Величина минутного объема дыхания определяется метаболическими потребностями организма и эффективностью газообмена. Необходимая вентиляция достигается различными комбинациями частоты дыхания и дыхательного объема. У одних людей прирост минутной вентиляции осуществляется учащением, у других -- углублением дыхания.

У взрослого человека в условиях покоя величина МОД в среднем составляет 8 л.

Максимальная вентиляция легких (МВЛ) -- объем воздуха, который проходит через легкие за 1 мин при выполнении максимальных по частоте и глубине дыхательных движений. Эта величина чаще всего имеет теоретическое значение, так как невозможно поддерживать максимально возможный уровень вентиляции в течение 1 мин даже при максимальной физической нагрузке из-за нарастающей гипокапнии. Поэтому для его косвенной оценки используют показательмаксимальной произвольной вентиляции легких. Он измеряется при выполнении стандартного 12-секундного теста с максимальными по амплитуде дыхательными движениями, обеспечивающими величину дыхательного объема (VТ) до 2--4 л, и с частотой дыхания до 60 в 1 мин.

МВЛ в значительной степени зависит от величины ЖЕЛ (VС). У здорового человека среднего возраста она составляет 70--100 л /мин"1; у спортсмена доходит до 120--150 л / мин.

96. Газообмен и транспорт кислорода кровью

Роль гемоглобина. Кривая диссоциации оксигемоглобина, влияние на нее различных факторов. Кислородная емкость крови, коэффициент утилизации кислорода.

О2переносится к тканям в двух формах: связанный с гемоглобином и растворенный в плазме.

В крови содержится лишь незначительное количество О2, растворимого в плазме. Согласно закону Генри, количество газа, растворенного в жидкости, прямо пропорционально его парциальному давлению и коэффициенту растворимости. Растворимость О2в плазме крови низка: при РО2= 1 мм рт.ст. в 100 мл крови растворяется 0,0031 мл О2.

Растворенный О2= РаО2х 0,0031 мл О2/100 мл крови/мм рт.ст.

При нормальных физиологических условиях (РаО2= 100 мм рт.ст.) в 100 мл крови растворяется 0,31 мл О2, т.е. 0,31 об.%. Такое количество О2не обеспечивает потребности организма, поэтому основное значение имеет другой способ переноса -- в виде связи с гемоглобином внутри эритроцита. Гемоглобин является основным протеином эритроцитов. Главной функцией гемоглобина является транспорт О2 от легких к тканям и транспорт СО2 от тканей к легким. Каждая молекула гемоглобина человека состоит из белка глобина и тема. Основной глобин взрослых -- НЬА является тетрамером, состоящим из двух полипептидных цепей б и двух поли-пептидных цепей в. В спиральную структуру каждой полипептидной цепи глобина встроен гем, который является комплексным соединением двухвалентного иона железаFе2+и порфирина. Ион железа тема способен присоединять одну молекулу О2, т.е. одна молекула гемоглобина способна связать 4 молекулы О2- Следует особо подчеркнуть уникальные особенности ионаFе2+гема обратимо связывать молекулу О2: НЬ + О2 <-> НЬО2, в то время как обычно при реакции изолированногоFе2+и кислорода образуетсяFе3+. Окисленный ионFе3+не способен высвобождатьO2, т.е. образуется необратимая связь, а связь ионаFе2+гема с О2 происходит за счет конформационных изменений третичной и четвертичной структуры глобина, она обратима, т.е. в тканях происходит высвобождение О2.

Зависимость насыщения гемоглобина О2 от парциального напряжения О2 может быть представлена графически в виде кривой диссоциации оксигемоглобина. Кривая имеет сигмовидную форму, при этом нижняя часть кривой (РаО2 < 60 мм рт.ст.) имеет крутой наклон, а верхняя часть (РаО2 > 60 мм рт.ст.) относительно пологая. Нижний участок кривой диссоциации оксигемоглобина показывает, что при снижении РаО2 продолжается насыщение гемоглобина кислородом, т.е. ткани продолжают извлекать достаточное количество О2 из крови. Верхняя пологая часть кривой демонстрирует относительное постоянство насыщения гемоглобина кислородом, а следовательно, и содержания кислорода в крови независимо от изменений РаО2

Положение кривой диссоциации оксигемоглобина зависит от сродства гемоглобина с кислородом. При снижении сродства гемоглобина к О2, т.е. облегчении перехода О2 в ткани, кривая сдвигается вправо. Повышение сродства гемоглобина к О2 означает меньшее высвобождение кислорода в тканях, при этом кривая диссоциации сдвигается влево. Важным показателем, отражающем сдвиги кривой диссоциации оксигемоглобина, является параметр р50, т.е. такое РО2, при котором гемоглобин насыщен кислородом на 50 %. В нормальных условиях у человека (приt37 °С, рН 7,40 и РаСО2 = 40 мм рт.ст.)р50 = 27 мм рт.ст. При сдвиге кривой диссоциации вправоP50увеличивается, а при сдвиге влево -- снижается.

На сродство гемоглобина к О2 оказывают влияние большое количество метаболических факторов, к числу которых относятся рН, РСО2, температура, концентрация в эритроцитах 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ). Снижение рН, повышение РСO2 и температуры снижают сродство гемоглобина к О2 и смещению кривой вправо. Такие метаболические условия создаются в работающих мышцах, и такой сдвиг кривой является физиологически выгодным, так как повышенное высвобождение О2 необходимо для активной мышечной работы. Влияние рН и РаСО2 на кривую диссоциации называется эффектом Бора. На кривую диссоциации оксигемоглобина может оказать влияние и окись углерода (СО). СО имеет сродство к гемоглобину в 240 раз выше, чем О2, и, связываясь с гемоглобином, образует карбоксигемоглобин (НbСО). При этом даже небольшие количества СО могут связать большую часть НЬ крови и значительно уменьшить содержание О2 крови. Кроме того, СО сдвигает кривую диссоциации влево, что препятствует высвобождению О2 в тканях и также усугубляет гипоксию.

Еще одним фактором, влияющим на сродство Нbк кислороду, является метгемоглобин -- гемоглобин, содержащий железо, окисленное доFе3+. У здорового человека общее содержание метгемоглобина не превышает 3 %, однако при приеме некоторых лекарств (например, фенацетин, сульфаниламиды, нитроглицерин) и дефиците фермента метгемоглобин-редуктазы происходит образование значительных количеств метгемоглобина. Метгемоглобинемия вызывает смещение кривой диссоциации влево, т.е препятствует высвобождению в тканях, а при повышении концентрации метгемоглобина более 60 % происходит также и уменьшение нормального Нb, что приводит к тяжелой гипоксии.

97. Газообмен и транспорт диоксида углерода (СО) кровью. Особенность диффузии СО через аэрогематический барьер, коэффициент растворимости, величина концентрационного градиента

Роль карбоангидразы. Механизмы транспорта СО и их количественная хар-ка. Углекислый газ является конечным продуктом клеточного метаболизма. СО2 образуется в тканях, диффундирует в кровь и переносится кровью к легким в трех формах: растворенной в плазме, в составе бикарбоната и в виде карбаминовых соединений эритроцитов.

Количество СО2, растворимого в плазме, как и для О2, определяется законом Генри, однако его растворимость в 20 раз выше, поэтому количество растворенного СО2 довольно значительно и составляет до 5--10 % от общего количества СО2 крови.

Реакция образования бикарбоната описывается следующей формулой:

СО2+ Н2О <-> Н2СО3<-> Н++ НСО3-.

Первая реакция протекает медленно в плазме и быстро -- в эритроцитах, что связано с содержанием в клетках фермента карбоангидразы. Вторая реакция -- диссоциация угольной кислоты -- протекает быстро, без -участия ферментов. При повышении в эритроците ионов НСО3 происходит их диффузия в кровь через клеточную мембрану, в то время как для ионов Н+ мембрана эритроцита относительно непроницаема и они остаются внутри клетки. Поэтому для обеспечения электронейтральности клетки в нее из плазмы входят ионы Сl-(так называемый хлоридный сдвиг)

Высвобождающиеся ионы Н+связываются с гемоглобином:

Н++ НbО2<-> Н+* Нb+ О2.

Восстановленный гемоглобин является более слабой кислотой, чем ок-сигемоглобин. Таким образом, наличие восстановленного Нbв венозной крови способствует связыванию СО2, тогда как окисление НЬ в сосудах легких облегчает его высвобождение. Такое повышение сродства СО2 к гемоглобину называется эффектом Холдейна. На долю бикарбоната приходится до 90 % всего СО2, транспортируемого кровью.

Карбаминовые соединения образуются в результате связывания СО2 с концевыми группами аминокислот белков крови, важнейшим из которых является гемоглобин (его глобиновая часть):

Нb*NH2+ СО2+-> Нb*NH* СООН.

В ходе этой реакции образуется карбаминогемоглобин. Реакция протекает быстро и не требует участия ферментов. Как и в случае с ионами Н+, восстановленный Нbобладает большим сродством к СО2, чем оксигемоглобин. Поэтому деоксигенированный гемоглобин облегчает связывание СО2в тканях, а соединение Нbс О2способствует высвобождению СО2. В виде карбаминовых соединений содержится до 5 % общего количества СО2крови.

98. Дыхательный центр, его локализация и основные функции

Под дыхательным центром понимают совокупность нейронов специфических (дыхательные) ядер продолговатого мозга, способных генерировать дыхательный ритм. Дыхательный центр выполняет две основные функции в системе дыхания: моторную, или двигательную, регулирующую сокращения дыхательных мышц, и гомеостатическую, изменяющую характер дыхания при сдвигах содержания О2 и СО2во внутренней среде организма.

Двигательная функция дыхательного центра заключается в генерации дыхательного ритма и его паттерна. Подгенерацией дыхательного ритма понимают генерацию дыхательным центром вдоха и его прекращение. Подпаттерным дыханием следует понимать длительность вдоха и выдоха, величину дыхательного объема, минутного объема дыхания. Моторная функция дыхательного центра адаптирует дыхание к метаболическим потребностям организма, приспосабливает дыхание в поведенческих реакциях, а также осуществляет интеграцию дыхания с другими функциями ЦНС.

Гомеостатическая функция дыхательного центра поддерживает нормальные величины дыхательных газов (О2, СО2) и рН в крови и внеклеточной жидкости мозга, регулирует дыхание при изменении температуры тела, адаптирует дыхательную функцию к условиям измененной газовой среды, например при пониженном и повышенном барометрическом давлении.

Нейроны дыхательного центра локализованы в дорсомедиальной и вентролатеральной областях продолговатого мозга и образуют так называемые дорсальную и вентральную дыхательную группу.

Дыхательные нейроны, активность которых вызывает инспирацию или экспирацию, называются соответственно инспираторными иэкспираторными нейронами. Инспираторные и экспираторные нейроны иннервируют дыхательные мышцы. В дорсальной и вентральной дыхательной группах продолговатого мозга обнаружены следующие основные типы дыхательных нейронов: 1) ранние инспираторные, которые разряжаются с максимальной частотой в начале фазы вдоха; 2) поздние инспираторные, максимальная частота разрядов которых приходится на конец инспирации; 3) полные инспираторные с постоянной или постепенно нарастающей активностью в течение фазы вдоха; 4) постинспираторные, которые имеют максимальный разряд в начале фазы выдоха; 5) экспираторные с постоянной или постепенно нарастающей активностью, которую они проявляют во вторую часть фазы выдоха; 6) преинспираторные, которые имеют максимальный пик активности непосредственно перед началом вдоха. Тип нейронов определяется по проявлению его активности относительно фазы вдоха и выдоха.Другие области локализации дыхательных нейронов. В мосту находятся два ядра дыхательных нейронов: медиальное парабрахиальное ядро и ядро Келликера--Фюзе. Иногда эти ядра называютпневмотаксинеским центром. В первом ядре находятся преимущественно инспираторные, экспираторные, а также фазовопереходные нейроны, а во втором -- инспираторные нейроны. Предполагают, что дыхательные нейроны моста регулируют смену фаз дыхания и скорость дыхательных движений. В сочетании с двусторонней перерезкой блуждающих нервов разрушение указанных ядер вызывает остановку дыхания на вдохе.

Диафрагмальные мотонейроны своими аксонами образуют диафрагмаль-ный нерв. Нейроны расположены узким столбом в медиальной части вентральных рогов от С3 до С4. Диафрагмальный нерв состоит из 700--800 миелиновых и более 1500 безмиелиновых волокон. Подавляющее количество волокон является аксонами а-мотонейронов, а меньшая часть представлена афферентными волокнами мышечных и сухожильных веретен, локализованных в диафрагме, а также рецепторов плевры, брюшины и свободных нервных окончаний самой диафрагмы.

Мотонейроны сегментов спинного мозга, иннервирующие дыхательные мышцы. На уровне С1--С2 вблизи латерального края промежуточной зоны серого вещества находятся инспираторные нейроны, которые участвуют в регуляции активности межреберных и диафрагмальных мотонейронов (см. рис. 7.14).

Мотонейроны, иннервирующие межреберные мышцы, локализованы в сером веществе передних рогов на уровне от Тh4 до Тh10.

Мотонейроны, иннервирующие мышцы брюшной стенки, локализованы в пределах вентральных рогов спинного мозга на уровне Th4-L3.

99. Рефлекторная регуляция дыхания, роль механорецепторов

Рефлексы слизистых оболочек носа, глотки, гортани, трахеи и бронхиол. Рефлекс Геринга-Брейера. Рефлекторная регуляция дыхания осуществляется благодаря обширным связям нейронов дыхательного центра с многочисленными механорецепторами дыхательных путей и альвеол легких и рецепторов сосудистых рефлексогенных зон.

В дыхательных путях человека находятся следующие типы механорецепторов: 1) ирритантные, или быстроадаптирующиеся, рецепторы слизистой оболочки дыхательных путей; 2)рецепторы растяжениягладких мышц дыхательных путей; 3)J-рецепторы.

Рефлексы со слизистой оболочки полости носа. Раздражение ирритантных рецепторов слизистой оболочки носа вызывает сужение бронхов, голосовой щели, брадикардию, снижение сердечного выброса, сужение просвета сосудов кожи и мышц. Защитный рефлекс проявляется у новорожденных при кратковременном погружении в воду: возникает остановка дыхания, препятствующая проникновению воды в верхние дыхательные пути.

Рефлексы с глотки. Механическое раздражение рецепторов слизистой оболочки задней части полости носа вызывает сильнейшее сокращение диафрагмы, наружных межреберных мышц, а следовательно, вдох, который открывает дыхательный путь через носовые ходы (аспирационный рефлекс). Этот рефлекс выражен у новорожденных.

Рефлексы с гортани и трахеи. Многочисленные нервные окончания расположены между эпителиальными клетками слизистой оболочки гортани и главных бронхов. Их раздражение вызывает кашлевой рефлекс, проявляющийся в резком выдохе на фоне сужения гортани, и сокращение гладких мышц бронхов, которое сохраняется долгое время после рефлекса. Кашлевой рефлекс является основным легочным рефлексом блуждающего нерва.

Рефлексы с рецепторов бронхиол. Многочисленные миелинизированные рецепторы находятся в эпителии внутрилегочных бронхов и бронхиол. Их раздражение вызывает гиперпноэ, бронхоконстрикцию, сокращение гортани, гиперсекрецию слизи, но никогда не сопровождается кашлем.

Рефлексы с J-рецепторов. В альвеолярный перегородках в контакте с капиллярами находятся особыеJ-рецепторы. Эти рецепторы особенно чувствительны к интерстициальному отеку, легочной венозной гипертен-зии, раздражающим газам и ингаляционным наркотическим веществам. СтимуляцияJ-рецепторов вызывает вначале апноэ, затем поверхностное тахипноэ, гипотензию и брадикардию.

Рефлекс Геринга--Брейера. Раздувание легких у наркотизированного животного рефлекторно тормозит вдох и вызывает выдох. Перерезка блуждающих нервов устраняет рефлекс. Нервные окончания, расположенные в бронхиальных мышцах, играют роль рецепторов растяжения легких. Их относят к медленно адаптирующимся рецепторам растяжения легких, которые иннервируются миелиновыми волокнами блуждающих нервов.

Рефлекс Геринга--Брейера контролирует глубину и частоту дыхания. У человека он имеет физиологическое значение при дыхательных объемах свыше 1 л (например, при физической нагрузке).

У новорожденных рефлекс Геринга--Брейера четко проявляется только в первые 3--4 дня после рождения.

100. Роль периферических и центральных хеморецепторов в регуляции дыхания, их функциональная характеристика

Влияние на вентиляцию легких гипоксии и гиперкапнии. РО2 и РСО2 в артериальной крови человека и животных поддерживаются на достаточно стабильном уровне, несмотря на значительные изменения потребленияО2 и выделение СО2. Гипоксия и понижение рН крови (ацидоз) вызывают усиление вентиляции (гипервентиляция), а гипероксия и повышение рН крови (алкалоз) -- понижение вентиляции (гиповентиляция) или апноэ. Контроль за нормальным содержанием во внутренней среде организма О2, СО2 и рН осуществляется периферическими и центральными хеморецепторами. Адекватным раздражителем для периферических хеморецепторов является уменьшение РО2 артериальной крови, в меньшей степени увеличение РСО2и рН, а для центральных хеморецепторов -- увеличение концентрации Н+во внеклеточной жидкости мозга.

Артериальные (периферические) хеморецепторы. Периферические хемо-рецепторы находятся в каротидных и аортальных тельцах. Сигналы от артериальных хеморецепторов по синокаротидным и аортальным нервам поступают к нейронам ядра одиночного пучка продолговатого мозга, а затем переключаются на нейроны дыхательного центра. Хеморецепторы возбуждаются при понижении РаО2. При РаО2 в пределах 80--60 мм рт. ст. (10,6--8,0 кПа) наблюдается слабое усиление вентиляции легких, а при РаО2 ниже 50 мм рт.ст. (6,7 кПа) возникает выраженная гипервентиляция.

РаСО2и рН крови потенцируют эффект гипоксии на артериальные хеморецепторы и не являются адекватными раздражителями для этого типа хеморецепторов дыхания.

Реакция артериальных хеморецепторов и дыхания на гипоксию. Недостаток О2в артериальной крови является основным раздражителем периферических хеморецепторов. Гипоксическая реакция дыхания практически отсутствует у коренных жителей высокогорья и исчезает примерно через 5 лет у жителей равнин после начала их адаптации к высокогорью (3500 м и выше).

Центральные хеморецепторы. Окончательно не установлено местоположение центральных хеморецепторов. Считают, что такие хеморецепторы находятся в ростральных отделах продолговатого мозга вблизи его вентральной поверхности, а также в различных зонах дорсального дыхательного ядра.

Адекватным раздражителем для центральных хеморецепторов является изменение концентрации Н+во внеклеточной жидкости мозга. Функцию регулятора пороговых сдвигов рН в области центральных хеморецепторов выполняют структуры гематоэнцефалического барьера, который отделяет кровь от внеклеточной жидкости мозга. Через этот барьер осуществляется транспорт О2, СО2 и Н+между кровью и внеклеточной жидкостью мозга.

Реакция дыхания на СО2- Гиперкапния и ацидоз стимулируют, а гипокапния и алкалоз тормозят центральные хеморецепторы.

Для определения чувствительности центральных хеморецепторов к изменению рН внеклеточной жидкости мозга используют метод возвратного дыхания. Испытуемый дышит из замкнутой емкости, заполненной предварительно чистым О2. При дыхании в замкнутой системе выдыхаемый СО2 вызывает линейное увеличение концентрации СО2 и одновременно повышает концентрацию Н+в крови, а также во внеклеточной жидкости мозга. Тест проводят в течение 4--5 мин под контролем содержания СО2 в выдыхаемом воздухе.

101. Функциональные изменения дыхания при физической нагрузке

Влияние на дыхание величины барометрического давления.Значительное возрастание метаболических потребностей во время нагрузки требует существенного увеличения количества доставляемого к мышцам О2. Одновременно повышенное количество СО2, образующегося в интенсивно работающих мышцах, должно быть удалено для предотвращения тканевого ацидоза. Для удовлетворения возросших энергетических потребностей мышечной клетки необходима тесная взаимосвязь физиологических компенсаторных механизмов на уровне легких, легочного кровообращения, сердца и системного кровообращения.Тесное и синхронное взаимодействие всех звеньев кислородного транспорта требуется для адекватной доставки О2 к тканям, своевременной элиминации СО2 и поддержания газового состава артериальной крови при возрастании скорости метаболизма.

При физической нагрузке можно выделить три основные фазы изменения дыхания.

В начальную фазу дыхание регулируется проприоцептивными сенсорными нейронами работающих мышц. Вентиляция повышается сразу же после начала нагрузки и зависит от темпа ее нарастания и режима дозиро-вания. В начальной фазе транспорт СО2 несколько отстает от центральной стимуляции вентиляционного процесса, приводя к временному падению РСО2 в альвеолах.

Изокапническая фаза наступает примерно через минуту после начала работы. Метаболизм преимущественно аэробный, и метаболический ацидоз отсутствует. Гиперкапния в этой фазе играет роль основного стимулирующего фактора, вызывающего прирост вентиляции. При работе средней интенсивности, когда организм переходит в устойчивое состояние, газовый состав крови и кислотно-основной баланс почти не отклоняются от нормальных показателей. Вентиляция повышается прямо пропорционально транспорту газов примерно до уровня 70 % максимального потребления О2.

В анаэробную фазу транспорт газов не удовлетворяет тканевый метаболизм и возникает метаболический ацидоз. При тяжелой физической работе метаболический ацидоз является дополнительным фактором, стимулирующим вентиляцию. При максимальном уровне физической нагрузки потребление О2 и продукция СО2 возрастают в 15--20 раз.

В качестве устройства, позволяющего строго дозировать и стандартизировать нагрузку, используют велоэргометр и бегущую дорожку (тредмил). Исследование во время физической нагрузки дает ценную информацию об адаптационных возможностях дыхательной и сердечно-сосудистой систем.

Анаэробный порог (АП) описывает тот уровень нагрузки или потребления О2, при котором значительная часть энергетических потребностей покрывается за счет анаэробного метаболизма. Основными критериями наступления АП при эргоспирометрическом исследовании считают:

* появление опережающего роста минутной вентиляции (Vе) по отношению к потреблению О2 (VО2);

* непропорциональное повышение продукции СО2 (VCO2) по отношению к потреблению О2(VO2);

* повышение вентиляционного эквивалента по О2 (VEO2) без соответствующего повышения вентиляционного эквивалента по СО2 (VECO2);

* повышение конечно-экспираторного напряжения О2 (РеtO2) без соответствующего повышения напряжения СО2 в конце выдоха (РеtСО2).

АП по времени совпадает с падением рН и содержания бикарбонатов. Чаще всего он измеряется в процентах потребления О2 по отношению к должному максимальному. Признаки анаэробного порога обычно появляются примерно на уровне 40--60 % от VО2mахУ здоровых лиц. Появление признаков анаэробного порога означает наступление метаболического ограничения выполнения физической нагрузки.