Газообмен в легких. Газообмен в тканях

1.

Газообмен в легких. Газообмен в тканях

2.

Человек дышит атмосферным воздухом, который представляет собой смесь
газов: 79,02% азота, 20,95% кислорода, 0,03%углекислогогазаи др.Во
вдыхаемом(альвеолярном)воздухе содержится меньше кислорода и больше
углекислого газа, чем в атмосферном. Это связано с тем, что в момент выдоха
«вредное» пространство заполняется воздухом, выходящим из более глубоких
частей легких. Этот воздух смешивается с атмосферным воздухом,
проникающим в легкие во время вдоха.
●Альвеолярный воздух контактирует с тонкими стенками легочных капилляров,
по которым в легкие приходит венозная кровь. В альвеолах происходит
газообмен между вдыхаемым воздухом и кровью. Интенсивность обмена газов
и их движение из легких в кровь или из крови в легкие зависят от парциального
давления О 2 и СО 2 в газовой смеси легких и в крови (давление газов в
жидкости называется напряжением). Величину парциального давления можно
рассчитать, зная давление смеси газов в целом (в мм рт. ст. или атмосферах) и
процентное содержание данного газа в смеси

3.

Движение газов осуществляется из области большего давления в
область меньшего. Следовательно, кислород будет поступать
●из легких, где его парциальное давление в альвеолярном воздухе
равно 106 мм рт. ст., в кровь (напряжение О
●2 в венозной крови — 40 мм рт. ст.), а углекислый газ из крови —
в альвеолярный воздух .

4.

Парциальное давление (напряжение) О2 и СО2 в
разных участках кровеностного русла ,мм.рт.ст.
Газ
Атмосферный Альвеолярный Артери
воздух
воздух
и
Вены
Клетки
тканей
О2
156
106
106
40
0
СО2
0,2
40
40
46
60

5.

Для растворения газов в крови имеет значение температура тела:
чем она выше, тем меньше газа растворяется в крови. Количество
газа, которое можно растворить при давлении 760 мм рт. ст. в 1
мм жидкости при определенной температуре, называется
коэффициентомрастворимости .Для каждого газа коэффициент
растворимости имеет определенную величину.

6.

Важнейшая функция легких — обеспечение газообмена между
воздухом легочных альвеол и кровью капилляров малого круга.
Для понимания механизмов газообмена необходимо знать газовый
состав обменивающихся между собой сред, свойства
альвеолокапиллярных структур, через которые идет газообмен, и
учитывать особенности легочного кровотока и вентиляции.
●Состав альвеолярного и выдыхаемого воздуха
Состав воздуха О2
%
СО2
N2
H2O . Пары
Атмосферный
20,93
0,03
78,5
0,5
Альвеолярный
14-15
5-6,5
74,5
5,6
Выдыхаемый
16-17
4-5
74,7
5,5

7.

На основе определения процентного содержания газов в альвеолярном воздухе
рассчитывают их парциальное давление. При расчетах давление водяного пара
в альвеолярном газе принимают равным 47 мм рт. ст. Например, если
содержание кислорода в альвеолярном газе равно 14,4%, а атмосферное
давление 740 мм рт. ст., то парциальное давление кислорода (р02) составит: р02
= [(740-47)/100] • 14,4 = 99,8 мм рт. ст. В условиях покоя парциальное давление
кислорода в альвеолярном газе колеблется около 100 мм рт. ст., а парциальное
давление углекислого газа около 40 мм рт. ст.
●Несмотря на чередование вдоха и выдоха при спокойном дыхании состав
альвеолярного газа изменяется лишь на 0,2- 0,4%, поддерживается
относительное постоянство состава альвеолярного воздуха и газообмен между
ним и кровью идет непрерывно. Постоянство состава альвеолярного воздуха
поддерживается благодаря малой величине коэффициента вентиляции легких
(КВЛ). Этот коэффициент показывает, какая часть функциональной остаточной
емкости обменивается на атмосферный воздух за 1 дыхательный цикл. В норме
КВЛ равен 0,13-0,17 (т.е. при спокойном вдохе обменивается приблизительно
1/7 часть ФОЕ). Состав альвеолярного газа по содержанию кислорода и
углекислого газа на 5-6% отличается от атмосферного.

8.

Коэффициент вентиляции различных областей легких может отличаться,
поэтому состав альвеолярного газа имеет разную величину не только в
отдаленных, но и в соседних участках легкого. Это зависит от диаметра и
проходимости бронхов, выработки сурфактанга и растяжимости легких,
положения тела и степени наполнения кровью легочных сосудов, скорости и
соотношения длительностей вдоха и выдоха и т.д. Особенно сильное влияние
на этот показатель оказывает гравитация.
С возрастом величина парциального давления кислорода в альвеолах
практически не меняется, несмотря на значительные возрастные изменения
многих показателей внешнего дыхания (уменьшение ЖЕЛ, ОЕЛ, проходимости
бронхов, увеличение ФОЕ, ООЛ и т.д.). Сохранению устойчивости показателя
рО2 в альвеолах способствует возрастное увеличение частоты дыхания.

9.

Диффузия газов между альвеолами и кровью
Диффузия газов между альвеолярным воздухом и кровью подчиняется общему
закону диффузии, согласно которому се движущей силой является разность
парциальных давлений (напряжений) газа между альвеолами и кровью .
●Газы, находящиеся в растворенном состоянии в плазме крови, притекающей к
легким, создают их напряжение в крови, которое выражают в тех же единицах
(мм рт. ст.), чтои парциальное давление в воздухе. Средняя величина
напряжения кислорода (рО2) в крови капилляров малого круга равна 40 мм рт.
ст., а его парциальное давление в альвеолярном воздухе — 100 мм рт. ст.
Градиент давления кислорода между альвеолярным воздухом и кровью
составляет 60 мм рт. ст. Напряжение углекислого газа в притекающей венозной
крови — 46 мм рт. ст., в альвеолах — 40 мм рт. ст. и градиент давления
углекислого газа составляет 6 мм рт. ст. Эти градиенты и являются движущей
силой газообмена между альвеолярным воздухом и кровью. Следует учитывать,
что указанные величины градиентов имеются лишь в начале капилляров, но
мере продвижения крови по капилляру разность между парциальным
давлением в альвеолярном газе и напряжением в крови уменьшается.

10.

11.

На скорость обмена кислорода между альвеолярным воздухом и
кровью влияют как свойства среды, через которую идет диффузия,
так и время (около 0,2 с), в течение которого происходит
связывание перешедшей порции кислорода с гемоглобином.
●Для перехода из альвеолярного воздуха в эритроцит и связи с
гемоглобином молекула кислорода должна продиффундировать
через:
●слой сурфактанта, выстилающий альвеолу;
●альвеолярный эпителий;
●базальные мембраны и интерстициальное пространство между
эпителием и эндотелием;
●эндотелий капилляра;
●слой плазмы крови между эндотелием и эритроцитом;
●мембрану эртроцита;
●слой цитоплазмы в эритроците.
●Суммарное расстояние этого диффузионного пространства
составляет от 0,5 до 2 мкм.

12.

Коэффициент проницаемости биологических сред для СО2 в 2025 раз выше, чем для кислорода. Поэтому диффузия С02 в тканях
организма и в легких при меньших, чем для кислорода, градиентах
его концентраций, идет быстро и углекислый газ, содержащийся в
венозной крови при большем (46 мм рт. ст.), чем в альвеолах (40
мм рт. ст.), парциальном давлении, как правило, успевает
выходить в альвеолярный воздух даже при некоторой
недостаточности кровотока или вентиляции, в то время как обмен
кислорода в таких условиях уменьшается.
Газообмен в капиллярах большого и малого круга кровообращения

13.

Скорость движения крови в легочных капиллярах такая, что один
эритроцит проходит через капилляр за 0,75-1 с. Этого времени
вполне достаточно для практически полного уравновешивания
парциального давления кислорода в альвеолах и его напряжения в
крови легочных капилляров. Для связывания кислорода
гемоглобином эритроцита требуется лишь около 0,2 с. Также
быстро происходит уравновешивание давления углекислого газа
между кровью и альвеолами. В опекающей от легких по венам
малого круга артериальной крови у здорового человека в обычных
условиях напряжение кислорода составляет 85-100 мм рт. ст., а
напряжение СО2-35-45 мм рт. ст.

14.

Основным фактором, который будет способствовать соединению
кислорода к гемоглобину напряжение кислорода на ход кривой
диссоциации будут влиять ряд вспомогательных факторов:
●снижение pH крови – сдвиг кривой вправо
●повышение температуры – вправо
●повышение 2,3ДФГ Тоже сдвигает кривую вправо
●увеличение CO2 тоже смещает вправо

15.

Вентиляцией легких обозначают процесс обмена воздуха между
легкими и атмосферой. Количественным показателем вентиляции
легких служит минутный объем дыхания, определяемый как
количество воздуха, которое проходит (или вентилируется) через
легкие в 1 мин. В покое у человека минутный объем дыхания
составляет 6—8 л/мин. Только часть воздуха, которым
вентилируются легкие, достигает альвеолярного пространства и
непосредственно участвует в газообмене с кровью. Эта часть
вентиляции легких называется альвеолярной вентиляцией. В покое
альвеолярная вентиляция равна в среднем 3,5—4,5 л/мин.
Основная функция альвеолярной вентиляции заключается в
поддержании необходимой для газообмена концентрации 02 и С02
в воздухе альвеол.

16.

Легкие состоят из воздухопроводящей (дыхательные пути) и
респираторной зон (альвеолы). Дыхательные пути, начиная
от трахеи и до альвеол, делятся по типу дихотомии и
образуют 23 генерации элементов дыхательного тракта . В
воздухопроводящей или кондуктивной зонах легких (16
генераций) отсутствует газообмен между воздухом и кровью,
поскольку в этих отделах дыхательные пути не имеют
достаточной для этого процесса сосудистой сети, а стенки
дыхательных путей, из-за их значительной толщины,
препятствуют обмену газов через них. Этот отдел
воздухоносных путей называется анатомическим мертвым
пространством, объем которого составляет в среднем 175 мл.

17.

Газообмен в тканях.
Газообмен в тканях подчиняется тем же закономерностям, что и газообмен в легких.
Диффузия газов идет по направлению градиентов их напряжения, ее скорость зависит от
величины этих градиентов, площади функционирующих кровеносных капилляров,
толщины диффузионного пространства и свойств газов. Многие из названных факторов,
а следовательно, и скорость газообмена, могут изменяться в зависимости от линейной и
объемной скорости кровотока, содержания и свойств гемоглобина, температуры, рН,
активности клеточных ферментов и ряда других условий.
●Кроме этих факторов обмену газами (особенно кислорода) между кровью и тканями
способствуют: подвижность молекул оксигемоглобина (диффузия их к поверхности
мембраны эритроцита), конвекция цитоплазмы и интерстициальной жидкости, а также
фильтрация и реабсорбция жидкости в микроциркуляторном русле.

18.

Газообмен кислорода
Газообмен между артериальной кровью и тканями начинается уже на уровне
артериол с диаметром 30-40 мкм и осуществляется на протяжении всего
микроциркуляторного русла до уровня венул. Однако основную роль в
газообмене играют капилляры. Для изучения газообмена в тканях полезно
представление о гак называемом «тканевом цилиндре (конусе)», в который
включаются капилляр и прилежащие к нему тканевые структуры,
обеспечиваемые кислородом (рис. 5). О диаметре такого цилиндра можно
судить по межкапиллярному расстоянию. Оно в сердечной мышце составляет
около 25 мкм, в коре большого мозга — 40 мкм, в скелетных мышцах — 80
мкм.
●Движущей силой газообмена в тканевом цилиндре является градиент
напряжения кислорода. Различают продольный и поперечный его градиенты.
Продольный градиент направлен по ходу капилляра. Напряжение кислорода в
начальной части капилляра может составлять около 100 мм рт. ст. По мере
продвижения эритроцитов к венозной части капилляра и диффузии кислорода в
ткань рО2 падает в среднем до 35-40 мм рт. ст., но в некоторых условиях может
понизиться и до 10 мм рт. ст. Поперечный градиент напряжения О2 в тканевом
цилиндре может достигать 90 мм рт. ст. (в наиболее удаленных от капилляра
участках ткани, в так называемом «мертвом углу», р02 может быть 0-1 мм рт.
ст.).

19.

Схематическое представление «тканевого цилиндра» и распределения напряжения кислорода
в артериальном и венозном концах капилляра в покое и при выполнении интенсивной работы

20.

Таким образом, в тканевых структурах доставка кислорода к клеткам зависит
от степени удаления их от кровеносных капилляров. Клетки, прилежащие к
венозному участку капилляра, находятся в худших условиях доставки
кислорода. Для нормального течения окислительных процессов в клетках
достаточно напряжения кислорода 0,1 мм рт. ст.
●На условия газообмена в тканях влияет не только межкапиллярное расстояние,
но и направление движения крови в соседних капиллярах. Если направление
течения крови в капиллярной сети, окружающей данную ячейку ткани,
разнонаправленное, то это увеличивает надежность обеспечения ткани
кислородом.
●Эффективность захвата кислорода тканями характеризует величина
коэффициента утилизации кислорода (КУК) — это выраженное в процентах
отношение объема кислорода, поглощенного тканью из артериальной крови за
единицу времени, ко всему объему кислорода, доставленному кровью в сосуды
ткани за то же время. Определить КУК ткани можно по разнице содержания
кислорода в крови артериальных сосудов и в венозной крови, оттекающей от
ткани. В состоянии физического покоя у человека средняя величина КУК
составляет 25-35%. Даже в покос величина КУК в разных органах неодинакова.
В покое КУК миокарда составляет около 70%.

21.

При физической нагрузке степень утилизации кислорода увеличивается до 5060%, а в отдельных наиболее активно работающих мышцах и сердце может
достигать 90%. Такое возрастание КУК в мышцах обусловлено, прежде всего,
увеличением в них кровотока. При этом раскрываются не функционировавшие
в покое капилляры, увеличивается площадь диффузионной поверхности и
уменьшаются диффузионные расстояния для кислорода. Возрастание кровотока
может быть вызвано как рефлекторно, так и под влиянием местных факторов,
расширяющих сосуды мышц. Такими факторами являются повышение
температуры работающей мышцы, увеличение рС02 и снижение рН крови,
которые не только способствуют увеличению кровотока, но также вызывают
снижение сродства гемоглобина к кислороду и ускорение диффузии кислорода
из крови в ткани.
●Понижение напряжения кислорода в тканях или затруднение его
использования для тканевого дыхания называют гипоксией. Гипоксия может
быть результатом нарушения вентиляции легких или недостаточности
кровообращения, нарушения диффузии газов в тканях, а также недостаточности
активности клеточных ферментов.

22.

Гипероксия - увеличенное по отношению к норме напряжение
кислорода в крови и тканях. Это состояние может развиться при
дыхании человека чистым кислородом (для взрослого такое
дыхание допустимо не более 4 ч) или помещении его в камеры с
повышенным давлением воздуха. При гипероксии могут
постепенно развиваться симптомы кислородного отравления.
Поэтому при длительном использовании дыхания газовой смесью
с повышенным содержанием кислорода его содержание не должно
превышать в ней 50%. Особенно опасно повышенное содержание
кислорода во вдыхаемом воздухе для новорожденных. Длительное
вдыхание чистого кислорода создает угрозу развития повреждения
сетчатки глаза, легочного эпителия и некоторых структур мозга.

23.

Газообмен углекислого газа
В норме напряжение углекислого газа в артериальной крови
колеблется в пределах 35-45 мм рт. ст. Градиент напряжения
углекислого газа между притекающей артериальной кровью и
клетками, окружающими капилляр ткани, может достигать 40 мм
рт. ст. (40 мм рт. ст. в артериальной крови и до 60-80 мм в
глубоких слоях клеток). Под действием этого градиента
углекислый газ диффундирует из тканей в капиллярную кровь,
вызывая повышение в ней напряжения до 46 мм рт. ст. и
увеличение содержания углекислого газа до 56-58 об%. Около
четверти от всего выходящего из ткани в кровь углекислого газа
связывается с гемоглобином, остальная часть благодаря ферменту
карбоангидразе соединяется с водой и образует угольную кислоту,
которая быстро нейтрализуется путем присоединения ионов Na' и
К' и в виде этих бикарбонатов транспортируется к легким.

24.

Количество растворенного углекислого газа в организме человека составляет
100-120 л. Это примерно в 70 раз больше запасов кислорода в крови и тканях.
При изменении напряжения углекислого газа в крови между нею и тканями
идет его интенсивное перераспределение. Поэтому при неадекватной
вентиляции легких уровень углекислого газа в крови изменяется медленнее,
чем уровень кислорода. Поскольку жировая и костная ткани содержат особенно
большое количество растворенного и связанного углекислого газа, то они могут
выполнять роль буфера, захватывая углекислый газ при гиперкапнии и отдавая
при гипокапнии.

25.

Возрастные особенности газообмена
В период внутриутробного развития в крови плода содержится
мало кислорода и много углекислого газа по сравнению с кровью
взрослого организма: у плода — 60 об.% СО2, тогда как в крови
матери — 45—50 об.%.
●У новорожденного ребенка после первых дыхательных движений
обнаруживается высокое содержание СО2 в крови из пупочной
артерии. Газовый состав крови у новорожденного быстро
меняется.Сразу после нескольких дыхательных дви- жений он
уравнивается с составом альвеолярного воздуха, при этом
напряжение СО2 в крови новорожденного составляет не более
30—35 мм рт. ст. В первые дни жизни ребенка напряжение СО2 в
крови несколько увеличивается, что говорит о несоответствии у
него легочной вентиляции образованию СО2. В последующем
газовый состав крови ребенка приближается к его уровню у
взрослого.

26.

Ко второму-третьему месяцу жизни в эритроцитах происходит
смена гемоглобина—HbF заменяется наHbA в 1,4—1,7 раз
снижается кислородная емкость крови. При этом у детей
постепенно нарастает интенсивность легочного газообмена.
●Содержание СО2 в выдыхаемом воздухе у детей с возрастом
увеличивается . Относительно высокое процентное содержание О2
в выдыхаемом воздухе можно объяснить тем, что у детей в
альвеолах в кровь переходит меньше О2, чем у взрослых. Так, у
17-летних подростков использование кислорода в легких
составляет 4,3%, а у шестилетних детей только 3,3%. У
новорожденного эта величина в два раза меньше, чем у взрослого.

27.

Содержание О2 и СО 2 в выдыхаемом воздухеу детей
разных возрастов,%
Возраст,лет
О2
СО2
4-5
19,0-18,7
1,5-1,8
6-7
18,4-18
2,1-2,5
12-13
17,4-17,2
3,1-3,3
14-15
16,4
4,1

28.

Спасибо за внимание!