Физиология дыхания

Физиология дыхания
1. Общая характеристика процесса дыхания.
2. Дыхательный акт.
3. Газообмен в легких
4. Транспорт газов кровью
5. Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях.
6. Регуляция дыхания.
7. Особенности дыхания в различных условиях

Языкоглоточные (слева) и глоточные (справа) миндалины (увеличены)

Гортань

Образование звука

Лёгкие

Плевральная полость

Ацинус

1. Общая характеристика процесса дыхания

Дыхание – совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование кислорода в биологическом окислении и удаление из него углекислого газа.

Дыхательный гомеостаз — состояние, характеризующееся оптимальным для жизнедеятельности относительным постоянством газового состава крови и тканей.

Стадии дыхания:
1. Легочное, или внешнее, дыхание — обмен газов между атмосферой и альвеолами.
2. Газообмен в легких между альвеолярным воздухом и легочными капиллярами.
3. Транспорт газов кровью: О2 — из легких к тканям, СО2 — из тканей в легкие.
4. Тканевое (внутреннее) дыхание — метаболические процессы утилизации кислорода клетками и образование двуокиси углерода.

Атмосферное давление воздуха:

Состав сухого воздуха:

Парциальное давление - часть общего давления смеси газов, приходящаяся на отдельный газ (если бы он занимал весь объем смеси).
ЗАКОН ДАЛЬТОНА РСМЕСИ х С (%) РГАЗА = ------------------------------------ 100%
Для воздуха: Ратм = 760 мм рт. ст.;
Скислорода = 20,9%;
Ркислорода= 159 мм рт. ст.

Содержание и парциальное давление (напряжение) кислорода и углекислого газа в различных средах

2. Дыхательный акт

Плевральная полость

Модель Дондерса

Поверхностно активные вещества увеличивают поверхностное натяжение жидкости. К таким веществам относят сурфактанты легких.

Мышцы, осуществляющие дыхательный акт, подразделяют на:
инспираторные (вдоха) - диафрагма и наружные межреберные мышцы.
2) экспираторные (выдоха) – внутренние межреберные и мышцы брюшной стенки
3) вспомогательные, которые включаются при форсированном дыхании. Это ряд мышц шеи, груди и спины.

Механизм вдоха и выдоха

Механизм вдоха и выдоха
вдох
выдох
грудная клетка расширяется
грудная клетка сжимается
диафрагма сокращается и опускается вниз
диафрагма расслабляется и поднимается вверх
диафрагма
легкие
ребра

2.3. Паттерны дыхания

Фазы дыхательного акта (спирограмма)
Один цикл чередования вдоха и выдоха составляет дыхательный акт.
вдох
выдох

Паттерн дыхания - это соотношение компонентов дыхательного акта (длительность фаз, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях).
Организм избирает такой паттерн дыхания, при котором требуемый уровень альвеолярной вентиляции достигается с наименьшей затратой энергии на работу дыхательных мышц.

Паттерны дыхания. А – нормальное дыхание; Б – дыхание Чейна-Стокса; В – апнейстическое дыхание; Г – дыхание типа «гаспинг».

Легочной вентиляцией называют объем воздуха, вдыхаемого за единицу времени.
Компоненты легочной вентиляции:
Дыхательный объем — количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает в покое.
Резервный объем вдоха — количество воздуха, которое человек может дополнительно вдохнуть после нормального вдоха.
Резервный объем выдоха — количество воздуха, которое человек может дополнительно выдохнуть после спокойного выдоха.

Компоненты легочной вентиляции:
Остаточный объем — количество воздуха, оставшееся в легких после максимального выдоха.
Жизненная емкость легких — максимальное количество воздуха, которое можно выдохнуть после наибольшего вдоха. ЖЕЛ=ДО+РОвд+РОвыд
Общая емкость легких — максимальное количество воздуха, содержащегося в легких при наибольшем вдохе, является суммой жизненной емкости и общей емкости легких.
«Мертвое» воздушное пространство объем воздуха, занимающего полости носа, рта, трахеи, бронхов, и не участвует в газообмене.

Схема легочных объемов и емкостей, их отражение на спирограмме

Физиологические нормы легочного дыхания

3. Газообмен в легких

Поступление воздуха в легкие

Поступление крови к легким

Газообмен в легких и тканях

Газообмен в легких

Аэрогематический барьер

3. Газообмен в легких

Транспорт кислорода кровью:
в связанном с гемоглобином виде — в форме оксигемоглобина:
за счет физического растворения газа в плазме крови(около 2%).

Hb + O2 ↔ HbO2
(дезоксигемоглобин) (оксигемоглобин)
1 моль гемоглобина связывает 4 моль О2
1 г гемоглобина связывает 1,34—1,36 мл О2
В крови человека содержится примерно 150 г/л гемоглобина, поэтому
100 мл крови могут переносить около 21 мл О2
Это так называемая кислородная емкость крови.

В эмбриональный период гемоглобин человека имеет особую форму – фетальный гемоглобин F. Он способен переносить на 20-30 % больше кислорода, обладает большей способностью связываться с ним (сродством к кислороду).
К моменту рождения гемоглобин F составляет 50-80%, к 3 годам около 2 %, затем исчезает.
Большая часть гемоглобина взрослого человека (95-98%) состоит из фракции А (взрослый гемоглобин), около 1-2% гемоглобин F (фетальный).

Гемоглобин легко соединяется с угарным газом – оксидом углерода СО, образуя устойчивое соединение - карбоксигемоглобин.

Кривые диссоциации оксигемоглобина

Транспорт СО2:
в виде гидрокарбоната НСОз-, образующегося в результате диссоциации угольной кислоты (около 4/5 всего СО2);
в физически растворенном состоянии (3-6% общего количества СО2, в 9 раз больше физически растворенного О2);
в виде химического соединения с дезоксигенированным гемоглобином — карбогемоглобина (около 15 %).

5. Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях

Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях

6. Регуляция дыхания.

Гуморальные механизмы
Вегетативные механизмы
Поведенческие механизмы
Метаболические механизмы
Полезный приспособительный результат
о б р а т н а я с в я з ь
нервный центр
Механизмы регуляции включают:
1. Чувствительное звено
2. Центральное звено
3. Эфферентное звено
Афферентное звено

Афферентное звено

ЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ ЗВЕНО
РСО2
(гиперкапния)
рН
(ацидоз)
рН
(алкалоз)
Стимуляция бульбарных хемочувствительных структур
Торможение бульбарных хемочувствительных структур
↑ легочной вентиляции
↓ легочной вентиляции
РО2
(гипоксемия)

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ НЕРВНЫЙ ЦЕНТР – совокупность структур мозга, так или иначе участвующих в регуляции дыхания и в наиболее совершенном приспособлении его к изменяющимся дыхательным потребностям организма. Включает:
Спинальный уровень
Бульбарный уровень + уровень варолиевого моста
Гипоталамический уровень
Корковый уровень

Дыхательный центр

Спинальный уровень
Передние рога спинного мозга рeгулируют деятельность диафрагмы и дыхательных мышц

Бульбарный уровень и уровень варолиевого моста
Варолиев мост
(центр регуляции частоты дыхания)
Основные ядра дыхательного центра
(дно IV желудочка – инспираторный и экспираторный центры)

Бульбарный уровень
Дорсальные ядра (инспираторные нейроны)
Вентральные ядра (экспираторные нейроны)
Сокращение наружных межреберных и межхрящевых внутренних межреберных мыщц
Сокращение задних участков внутренних межреберных мыщц
Поднимание ребер и увеличение диаметра грудной клетки
Опускание ребер, уменьшение объема грудной клетки
Вдох
Выдох
Реципроктное взаимодействие

Гипоталамический уровень
Передние и задние ядра гипоталамуса

Гипоталамус
Задняя группа ядер
Передняя группа ядер
Увеличение частоты дыхательных движений и глубины дыхания
Уменьшение частоты дыхательных движений и глубины дыхания
Легочной вентиляции
Легочной вентиляции

Корковый уровень
Моторная и премоторная зоны коры головного мозга

Кора больших полушарий
Гипоталамус
Задние ядра
Передние ядра
Бульбарный уровень
Инспираторные нейроны
Экспираторные нейроны
Спинальный уровень
Парасимпатический отдел
Симпатические ядра
Вдох
Выдох
Зависимость от психоэмоционального состояния, условно-рефлекторные реакции, произвольный контроль
Зависимость от функционального состояния организма (сон, бодрствование, физическая нагрузка), условий внешней среды, согласование дыхания с работой сердца
Центр реципроктной координации (согласование вдоха и выдоха)
Замыкание дыхательных рефлексов

ЭФФЕРЕНТНОЕ ЗВЕНО
РСО2
(гиперкапния)
РО2
(гипоксемия)
рН
(ацидоз)
t
Сокращение инспираторной мышцы (диафрагмы)
Активация наружных межреберных и вспомогательных мыщц
Изменение характеристик легочной вентиляции (ДО, ЖЕЛ, РОвд,,ОО, Евд, ФОЕ, ОЕЛ)
Нарастание частоты дыхания, увеличение дыхательного объема
РСО2
(гипокапния)
РО2
(гипероксия)
(алкалоз)
рН
t
Сокращение экспираторных мышц (внутренней межреберной и мышцы брюшной стенки)
Снижение дыхательного объема, частоты дыхания

Легочно-вагусный рефлекс
Выдох
Сокращение экспираторных мышц (вдох)
Поступление воздуха в легкие
Расширение альвеол
Увеличение частоты импульсации, генерируемое механорецепторами
Торможение или остановка вдоха
Афферентные пути блуждающих нервов

Изменение импульсной активности в блуждающем и диафрагмальном нервах и просвета альвеолы во время дыхания

7. Особенности дыхания в различных условиях

Дыхание при разных температурах среды

Дыхание на большой высоте

Дыхание при повышенном давлении
(кессонная болезнь)

Дыхание при повышении артериального давления

Сигнализация от мышц

Болевые реакции

Эмоциональные влияния

Речь и дыхание

Произвольный контроль дыхания