Транспорт газов кровью. Регуляция дыхания

1. Транспорт газов кровью. Регуляция дыхания

март 2021
проф. С.Л. Совершаева

2.

1. Транспорт газов кровью
– гемоглобин, его формы
– кривая диссоциации гемоглобина
– транспорт углекислого газа
– газообмен между кровью и тканями
– роль миоглобина
2. Регуляция дыхания
– дыхательный центр, роль его отделов в регуляции
дыхания
– роль газового состава и рН артериальной крови.
Центральные и периферические хеморецепторы.
– рецепторы легких и других тканей, их значение в
компенсации дыхательных нагрузок.

3. 1. транспорт газов кровью

4.

• Физическое растворение О2 и СО2 подчиняется закону
Генри,
– количество растворенного в жидкости газа
пропорционально его парциальному давлению,
поэтому
• содержание физически растворенного О2 в крови
крайне мало.
• О2 транспортируется в основном транспортным
протеином – гемоглобином (Hb), на котором
– атомы железа в геме обратимо связываются с
кислородом

5.

Гемоглобин – сложный белок класса хромопротеинов:
•простетическая группа – гем – порфириновое ядро
содержит железо (Fe++)
•белковая часть – 4 протомера (у взрослого
полипептидные цепи α и β)

6. Гемоглобин А (взрослого): 4 полипептидных субъединицы (2 α и 2 β), 4 гема

4 полипептидных цепи
Структура Нв – сродство
(аффиность) к О2:
• В деоксигсенированном Нв низкое сродство к O2,
4 гема (Fe++)
• После присоединения O2 в
первой связи – изменения
конфигурации
полипептидной цепи →
выделение сайтов
связывания O2 – 500-кратное увеличение
сродства к O2.

7.

Формы гемоглобина
Гемоглобин плода
(HbF):
–
2 γ-цепи вместо β
–
имеет большее
сродство к O2,
чем дефинитивные
Hb,
–
с 8–36 нед
беременности (90–
95%
Hb плода),
–
после рождения ↓ и
к 8 мес ≈ 1%.
–
↑ HbF при гемоглобинопатиях, гипопластических и
B12-дефицитной анемиях, остром лейкозе, у жителей
высокогорья,
Дефинитивные Hb - основные формы Hb эритроцитов взрослого
человека (96–98% - HbA (A1,) - α2β2, 1,5–3% - HbA2 - α2δ2).

8. Формы гемоглобина крови

Оксигемоглобин (HbO2) - форма переноса O2 к тканям
• оксигенированная кровь светло-красная,
Дезоксигенированный Hb (HbH) – восстановленный
гемоглобин
• дезоксигенированная кровь - синевато-темнокрасная
(синюшно-багровый цвет НЬ)
– если абсолютная концентрация дезоксигемоглобина в
капиллярной крови повышается более, чем на 50 г/л, то
это приводит к посинению кожи и слизистых
покровов (цианоз).
Гемоглобин, присоединивший СО2 к амино группам Hb –
карбаминогемоглобин (карбгемоглобин) –HbСО2

9. Формы гемоглобина крови

Метгемоглобин (MetHb) - содержит Fe3+; прочно связывает
O2, диссоциация затруднена,
• метгемоглобиненмия м. б. наследственной или
приобретённой
– воздействие сильных окислителей: нитраты и неорганические
нитриты, сульфаниламиды и местные анестетики типа лидокаина.
Карбоксигемоглобин - соединение с СО
Гликозилированный Hb (HbА1с) - это HbА (A1),
модифицирован необратимым присоединением глюкозы
(норма - 5,8–6,2%)
• один из первых признаков сахарного диабета - ↑ в 2–3 раза
• имеет худшее сродство к О2, чем обычный Hb.

10. Аномальные формы гемоглобина

Известно более 1000 мутаций разных глобинов, значительно
изменяющих свойства Hb, в первую очередь — способность
транспортировать O2.
HbH - гомотетрамер, образующийся при ингибировании синтеза α-цепи
транспорт O2 не эффективен.
HbM - группа аномальных Hb, у которых замещение одной
аминокислоты способствует образованию MetHb,
• гетерозиготы - имеют врождённую метгемоглобинемию,
• гомозиготы погибают в ходе внутриутробного развития.
HbS - аномальный Hb (мутация в 6-м положении бета-цепи),
у гетерозигот - серповидно-клеточные Э. (HbS от 20 до 45%),
у гомозигот - серповидно-клеточная анемия (HbS - 75-100%).
Барта Hb [Bart - пациент, у которого впервые обнаружен этот Hb] гомотетрамер, встречающийся у раннего эмбриона и при
aльфа-талассемии,
не эффективен как переносчик O2.

11.

Серповидно-клеточная
анемия (Африка)
• Гемоглобин S
– тенденция к
полимеризации в
деоксигенированном
состоянии,
• причина серповидной
формы Э.
• Во время криза
– Э. скапливаются в
микроциркуляторном
русле, вызывая
• болезненную ишемию
и инфаркт ткани
• способствует устойчивости
к малярии

12.

Формы транспорта кислорода в крови
• ≈ 1.5% O2 в плазме в растворенном виде,
• ≈ 98.5% связано с Нв в эритроцитах в форме HbO2

13.

Взаимосвязь между парциальным
давлением О2 (РО2) и % HbO2
(насыщение, сатурация)
описывается кривой диссоциации
оксигемоглобина
Насыщение Hb О2 зависит от PO2,
отражает содержание HbО2
• зависимость не является линейной
(характерная S-образная кривая),
• это благоприятствует
– связыванию О2 в лёгких
(артериальная кровь),
– транспорту О2,
– освобождению О2 в кровеносных
капиллярах органов и тканей.

14.

Пульсоксиметрия
(оксигемометрия,
гемоксиметрия) —
неинвазивный метод
определения степени
насыщения крови
кислородом.
В основе –
спектрофотометрический
способ оценки количества
гемоглобина в крови.
Нормы показаний
•95-98 % у здоровых
•высокие значения бывают при кислородной терапии
•низкие - при дыхательной недостаточности

15.

Факторы, влияющие на сродство
гемоглобина к О2
• pH,
• температура,
• 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ).
шифт влево
шифт вправо
• Индекс описывающий смещения
кривой диссоциации - P50 (S50)полунасыщение Hb - значение
РО2, при котором наблюдается
полунасыщение гемоглобина
кислородом
• P50 = 50% насыщения Нв O2.
смещение вправо:
• высокий P50 – низкая
•при ↑ t°, ↓ pH, ↑2.3-ДФГ
аффинность Нв к O2.
•сродство Нв к кислороду ↓, а Р50↑
•при ↑метаболизма в тканях –
облегчается отдача О2 в тканях
• Сдвиг вправо - меньшее
насыщение кислородом,
• Сдвиг влево - большее
насыщение кислородом
смещение влево:
•↓ t° или ↑ pH, ↓ 2,3-ДФГ
•сродство Нв к О2 растет, а Р50 ↓
•у плода – облегчается насыщение Нв
кислородом при снижении РО2

16.

2,3-Дифосфоглицерат (ДФГ)
• промежуточный продукт гликолиза в эритроцитах,
• взаимодействует с β-субъединицей Hb,
• сдвигает кривую диссоциации Нв вправо,
• при усилении гликолиза (анаэробного окисления)
– ↑ДФГ в Э. - адаптация к гипоксии (при
заболеваниях лёгких, анемиях, подъёме на
высоту):
• в период адаптации к высокогорью (более 4 км
над уровнем моря) концентрация ДФГ уже
через 2 дня возрастает почти в 2 раза (от 4,5 до
7,0 мМ),
– это снижает сродство Hb к О2 и увеличивает
количество О2, освобождаемого из капилляров в
ткани.

17.

Эффект Кристиана Бора (сдвиг кривой вправо)
• влияние CO2 и H+ на аффинитет О2 к Hb
• физиологическое следствие эффекта Бора —
– облегчение диффузии O2 из крови в ткани и
связывание O2 артериальной кровью в лёгких
Влияние РСО2, рН, t кривую диссоциации
гемоглобина

18. Факторы, влияющие на образование и диссоциацию НвО2

Способствуют
образованию НвО2
(шифт влево)
Способствуют
диссоциации НвО2
(шифт вправо – эффект
Бора)
1. Высокое РО2
1. Низкое РО2
2. Низкое РСО2
2. Высокое РСО2
3. Повышение рН
3. Снижение рН
4. Снижение t
4. Повышение t
5. Низкий уровень 2,3 ДФГ
5. Повышение уровня 2,3
ДФГ

19. Влияние СО на связывание гемоглобином О2 крови

Влияние СО на связывание гемоглобином О2 крови
• Если построить кривую,
отражающую половину
кислородной емкости крови
(что соответствует 50%
анемии, голубая кривая) и
затем ее значения
умножить на 2, то кривая
связывания в своей
верхней части совпала бы
с кривой, отражающей
кислородную емкость
крови, причем ее форма
• . Напротив, связывание 50% Нв с СО
была бы нормальной.
(50% HbCO, фиолетовая кривая) ведет
также к делению пополам кислородной
емкости крови. Но при этом форма
кривой связывания сильно изменена
(сдвиг влево), что затрудняет отдачу
О2 в ткани

20.

Кривая диссоциации для миоглобина мышц
• гипербола
• на обратимое связывание
миоглобина
мышечной
ткани и О2 влияет только
PO2
• миоглобин имеет очень
высокое сродство к О2:
– даже при PO2, равном
1–2 мм рт.ст., миоглобин
остаётся связанным с О2
на 50%.
• миоглобин играет важную
роль при:
– при
интенсивном
использовании
О2
например, в результате
физической нагрузки.

21.

Кислородная ёмкость крови
• максимальное возможное количество
связанного с Hb О2
• теоретически составляет 0,062 ммоль
О2 (1,39 мл О2) на 1 г Hb,
• реальное значение несколько
меньше — 1,34 мл О2 на 1 г Hb
• измеренные значения составляют
– для мужчин 9,4 ммоль/л (210 мл О2/л),
– для женщин — 8,7 ммоль/л (195 мл О2/л).

22.

• На 1 мм рт. ст. PO2 - 0.003 мл O2 растворяется в 100 мл
крови при t°тела
• Т.к. PO2 в арт. крови ≈ 100 мм рт. ст.
– кол-во растворенного кислорода 0.3 мл O2/ 100 мл крови
• Измеренное количество O2 ≈ 20.4 мл O2/100 мл крови
• связывание O2 с Hb в Э.
• [Hb] ≈15 г/100 мл крови
• 1 г Hb связывает 1.34 мл O2
• таким образом
– 15 x 1.34 = 20.1 20.1+ 0.3 = 20.4

23. Транспорт углекислого газа кровью

24. Транспорт углекислого газа кровью

• НСОз- с помощью белка-переносчика выводятся из Э. в плазму, а на
их место закачиваются ионы СГ (феномен «хлорного» сдвига)
• СО2 образует также комбинацию с NН2-группами белковых
субъединиц гемоглобина: С02 + Нb -> Нb СО2 (карбаминовое
соединение – карбаминогемоглобин, карбгемоглобин)
– транспорт Нb СО2 зависит от величины РО2 в плазме на основе
эффекта Холдена
– в количественном отношении этот вид транспорта СО2
незначителен по сравнению с бикарбонатами
– Но… при газообмене СО2 в легких между кровью и альвеолярным
воздухом эти две формы приобретают основное значение
• доля растворенной формы составляет 0,6 мл/100 мл крови (7-10 %),
карбаминогемоглобина - 1,8 мл/100 мл крови (25-30%), бикарбонатов
- 3,6 мл/100 мл крови (60- 70%.

25.

Кривая диссоциации
карбогемоглобина
• Почти прямолинейная зависимость
CO2 content (ml/dl blood)
Венозная кровь
(деоксигемоглобин)
арт. кровь
(НвО2)
PCO2 ( мм рт ст
• небольшая разница PCO2
артериальной и венозной крови (40
мм рт. ст. против 45 мм рт.ст.)
• Смещается влево, когда Hb в
форме деоксигемоглобина в
венозной крови (эффект Холдена):
– в системных капиллярах
↑сродство Hb к CO2 →
• облегчение транспорта CO2
из тканей в кровь
– в легочном кровообращении Hb
оксигенируется и ↓ его сродство
к СО2
• облегчение транспорта CO2
из крови в альвеолы

26. Диффузия О2 от тканевых капилляров к клеткам

Артериальный конец
капилляра
Венозный конец
капилляра

27. Захват СО2 кровью из тканей в тканевые капилляры

Артериальный конец
капилляра
Венозный конец
капилляра

28. 2. Регуляция дыхания

29. Регуляция дыхания

Система регуляции дыхания:
– рецепторы, воспринимающие информацию и
передающие ее в дыхательный центр
– дыхательный центр/центральный регулятор в
головном мозге, где обрабатывается
информация, и посылаются команды на:
– эффекторы - дыхательные мышцы,
непосредственно осуществляющие вентиляцию
легких.

30.

Центральный регулятор
(дыхательные центры продолговатого
мозга, варолиева моста и др.отделов
ЦНС)
Афферентные импульсы
рецепторы
(хеморецепторы,
механорецепторы)
Сенсорный
вход
Эфферентные импульсы
Эффекторы
(дыхательные
мышцы)
Механическая
работа
Поток газа (воздухоносные
пути) и обмен газов
(альвеоло- капиллярная
мембрана)

31.

Центральная регуляция дыхания
Группа дыхательных центров в стволе
головного мозга → формируют
автоматическую дыхательную активность.
Основной дыхательный центр –
– на дне 4-го желудочка: две группы
нейронов:
• вдоха (инспираторные)
– включаются автоматически в
ответ на гиперкапнию (через
хеморецепторы)
• выдоха (экспираторные)
– возбуждаются только при
форсированном выдохе.
– этот уровень м. б. подавлен волевым
влиянием
• при участии коры головного мозга.

32.

Ствол мозга
• продолговатый мозг
– чередование вдоха и выдоха
• варолиев мост –
– пневмотаксический центр –
• тонкая настройка
дыхательного ритма,
• подавляет апн. центр,
– апнейстический центр –
• возбуждение инсп. зоны,
удлиняя вдох (при тяжелых
поражениях мозга);
кора головного мозга –
• произвольное дыхание –
• гипервентиляция (гиповентиляция мало достижима –
исключение составляют йоги)
другие отделы мозга –
• лимбическая система, гипоталамус –
• влияют на характер дыхания, особенно при аффективных
состояниях (ярость, испуг и пр.).

33.

34. Рецепторы, участвующие в механизме регуляции дыхания

• центральные
хеморецепторы,
• периферические
хеморецепторы,
• рецепторы легких,
• прочие рецепторы
– носовой полости, верхних
дыхательных путей, суставов
и мышц, гамма–системы,
артериальные
барорецепторы, болевые и
температурные

35. Центральные хеморецепторы

• мониторинг Рсо2,
• клетки-рецепторы - в
продолговатом мозге.
• хеморецепторы
– ответ на отклонения
в [Н+] и Рсо2 во
внеклеточной
жидкости
внутримозгового
интерстициального
пространства
• ↑Н+ Рсо2→ ↑
вентиляции
(гиперкапнический
драйв),
• высокая скорость
вентиляторного ответа на
гиперкапнию , т.к.
– СО2 легко диффундирует
через ГЭБ,

36.

Периферические
хеморецепторы
– каротидные тельца –
бифуркация сонной
артерии,
– аортальные тельца – дуга
аорты
Два типа рецепторов:
a) H+/CO2 рецепторы
мониторируют PCO2,
a) ↑ PCO2 - стимуляция
дыхания
b) PO2 рецепторы мониторируют O2,
a) ↓артериального PO2
(< 60 мм рт ст) стимуляция дыхания

37.

• Повышение PCO2
и снижение pH в
артериальной
крови и их
влияние на
уровень
вентиляции

38.

Стимуляция периферических
хеморецепторов сниженным РО2

39.

– PO2 в норме мало влияет на вентиляцию, но
– при длительной гипоксемии (PO2 < 60 mmHg) гипоксический драйв
• вентиляция в большей степени зависит от уровня O2, чем от
CO2 (напр., эмфизема, подъем в горы).
Эффект низкого артериального PO2 на
альвеолярную вентиляцию при
постоянном PCO2 и [H+]

40.

При хронической гиперкапнии
• центральные хеморецепторы теряют чувствительность
к CO2
– при ХОБЛ - «гипоксический респираторный драйв»
• опосредован периферическими хеморецепторами
в ответ на низкое PaO2
– назначение чистого О2 таким пациентам может
привести к фатальному снижению альвеолярной
вентиляции
• необходима контролируемая
вентиляция кислородом

41.

Механорецепторы легких
• Ирритантные рецепторы – быстро адаптирующиеся рецепторы
растяжения
– между эпителиальными клетками воздухоносных путей
– отвечают на отек, эмболию, вдыхание сильных раздражителей
– вагусные афференты → ЦНС→ рефлекторная бронхоконстрикция и
кашель→ предупреждают вдыхание вредных веществ
– физиологическая роль при тяжелой физической нагрузке
– ограничивают сильные сокращения скелетных мышц (I-рефлекс)

42.

• Рецепторы растяжения легких:
– медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения (легочные
механорецепторы вагуса)
– в ГМК воздухоносных путей,
– стимулируются растяжением легких (при ДО выше 1500 мл)
– вызывают рефлекс ↓ уровня дыхания (рефлекс Геринга-Брейера)
• через вагусные афференты – в дорсальную группу нейронов
дыхательного центра – подавляют активность инсп. нейронов
– предупреждает перерастяжение легких

43.

• Юкстакапиллярные рецепторы:
– свободные нервные окончания в альвеолярной стенке
вблизи легочных капилляров
– возбуждение – при ↑ кровенаполнения легочных капилляров,
– вызывают быстрое, поверхностное дыхание,
– функциональная роль не до конца ясна, но
• при их возбуждении – ощущение одышки
• Рецепторы суставов и мышц:
– активируются при движении мышц
– помогают стимулировать дыхание при нагрузке
– растет уровень дыхания

44. Дополнительные дыхательные чувствительные структуры

Рецепторы верхних воздухоносных путей:
• ответ на механические и химические стимулы,
– рефлекторный кашель, чиханию, бронхоконстрикция и
спазм гортани.
Мышечные веретена
• регуляция силы мышечного сокращения
– спинальные рефлексы,
• могут быть важны в генерировании макс. силы выдоха
– для устранения обструкции воздухоносных путей
Висцеральные и кожные афференты
• передача информации в центры регуляции дыхания,
– напр., при боли и повышении температуры кожи –
гипервентиляция.

45.

Произвольный контроль
Дыхания (истерия,
возбуждение)
Нейрогенные
стимулы
Химические
стимулы
Дыхательный
центр стимулируется
Легочные
рецепторы:
растяжения,
Рецепторы
грудной стенки
Юкстакапиллярные
Рецепторы
Рецепторы мышц,
сухожилий,
связок,
Грудная стенка
Каротидные и
Аортальные
тельца

46.

Паттерны дыхания в норме и
патологии
• В норме ЧД и глубина могут
значительно изменяться.
• При сильном - углубленное
дыхание с удлиненным
выдохом, «дыхание поцелуя»
• дыхание Чейна- Стокса, бывает
у пациентов при отравлениях или
уремии – нарастание и пауза.
• В случае выпадения более
высоких центров дыхания при
агонии можно наблюдать
периодическое Д. с резко
удлиненным вдохом.
• Апноэ сна – периоды остановки
Д. от10 с до нескольких минут
– обструктивное апноэ сна и
центральное апноэ сна,

47.

48. Схематические представления активности дыхательного центра

Импульсы, идущие через
афферентные нейроны
(темные красные линии),
поступают к центральным
нейронам, которые в
свою очередь активируют
эфферентные нейроны,
вызывающие
возбуждение
дыхательных мышц
Дыхательные движения
могут быть нарушены в
результате нарушений в
различных отделах НС

49.

Chemical control of respiration (feedback mechanism)