Механика на дишането. Устройство и функции на респираторната мембрана, сърфактант. Обмяна и транспорт на кръвните газове

1.

Механика на дишането. Устройство и функции на
респираторната мембрана, сърфактант. Обмяна и
транспорт на кръвните газове – О2 и СО2. Белодробни
обеми и капацитети. Регулация на дишането.
Проф. Елена Джамбазова, дм
Катедра Физиология
Медицински Факултет
Софийски Университет

2.

Дихателна система и дишане
Дихателна (торакопулмонална)
система - съвкупност от белите
дробове, дихателните пътища,
гръдния
кош
и
дихателните
мускули.
Дишане - в широк смисъл означава
пренасяне на О2 от атмосферния
въздух до митохондриите на всички
клетки на организма и на СО2 в
обратната посока.

3.

Газова обмяна
Обмяна на О2 и СО2
между атмосферата и
клетките
на
организма;
Гласообразуване
Издишаният въздух генерира
звук (трептене на гласните
връзки в ларинкса);
Защитна функция
Предпазва
организма
от
попадането
на
вредни
химични вещества и чужди
частици (включително и
патогенни микроорганизми);
Функции на
Резервоарна
функция
Депо на кръв (до 500 мл)
дихателната
система
Oбоняние
Чрез вдишания въздух
химичните
вещества
(одоранти) достигат до
обонятелния епител;
Регулаторна функция:
Регулиране на pH на кръвта: Чрез промяна в нивото на СО2 в кръвта
(СО2 + Н2О Н2СО3 Н+ + НСО3–);
Регулиране на кръвното налягане: Ендотелните клетки на
белодробните капиляри произвеждат ензим превръщащ ангиотензин І
в ангиотензин ІІ (вазоконстриктор, покачва кръвното налягане)
Регулиране на водния баланс - Чрез издишания въздух се губи 10-20%
вода от организма
Терморегулация - Чрез издишания въздух се губи 5-10% топлина от
организма

4.

Дихателни пътища
Горни:
носна кухина
гълтач (фаринкс)
гръклян (ларинкс)
Долни
трахея
бронхи
бронхиоли
алвеоларни
ходове
и
сакове
алвеоларни ходове и сакове

5.

Трахеята, разделена на 23 генерации бронхи, образува бронхиално
дърво. То включва:
проводна част – бронхите от 1 до16 генерация (до терминалните
бронхиоли вкл.); няма алвеоли; само проводна функция;
респираторна част – бронхите от 17 до 23 генерация; в стените им
има алвеоли и се извършва газова обмяна.
Трахея
Генерация
Бронхи
Анатомично
мъртво пространство
Бронхиоли
Респираторрно пространство
Терминални
бронхиоли
Респирато
рни бронхиоли
Алвеоларни
ходове
Алвеоларни
сакове
Алвеоли

6.

БЕЛИ ДРОБОВЕ
Белият дроб е чифтен орган, разположен в гръдната кухина.
Белодробният паренхим се състои от:
Алвеоли - малки мехурчета, приблизително сферични (d ~150 до
250 μm), изпълнени с алвеоларен въздух. По-големи в горните части
на белите дробове;
Кръвоносни съдове;
Нервни влакна;
Гладки мускули;
Еластични влакна
Еластичните влакна (еластин,
колаген) винаги са в разтегнато
състояние (както след вдишване,
така и след издишване) и винаги
се стремят да се скъсят и да
свият белите дробове.

7.

Плеврална кухина (Интраплеврално пространство)
Белият дроб е покрит е с обвивка –
плевра, изградена от два листа Висцерален – вътрешен, покрива
белите дробове и
Париетален – външен, покрива
отвътре гръдния кош.
Двата
листа
на
плеврата
заграждат
интраплеврално
пространство, съдържащо тънък слой плеврална течност (10 25 мл), която улеснява движението на белите дробове в гръдния кош
и създава силни капилярни сили на сцепление, които не пoзволяват
разделянето на двата плеврални листа.
Налягането в интраплевралното пространство е субатмосферно
(отрицателно).

8.

При нараняване на гръдната стена въздухът навлиза от
атмосферата в плевралната кухина (пневмоторакс), тъй като
плевралното налягане е по-ниско от атмосферното → Белите
дробове колабират под влияние на силите, които непрекъснато се
стремят да ги свият.
При пневмоторакс белодробната вентилация спира и ако той
е двустранен, бързо настъпва смърт.

9.

Кръвоснабдяване на белия
дроб
Функционално кръвоснабдяване
(белодробно кръвообращение)
Двете
белодробни
техните
артерии
разклонения
неоксигенирана
и
доставят
кръв
на
алвеоларната капилярна мрежа.
След оксигениране кръвта се оттича
към
лявото
предсърдие
през
четирите белодробни вени (2 леви
и 2 десни).

10.

Нутритивно кръвоснабдяване
Бронхиалните
артерии,
които
получават кръв от аортата снабдяват с
оксигенирана
кръв
структурите,
които не се намират в пряк контакт с
О2 на въздуха.
1/3
от
неоксигенираната
бронхиалните
вени,
се
кръв
в
влива
в
горната куха вена и 2/3 се оттичат към
белодробните вени и се смесват с
оксигенираната кръв, която идва от
алвеоларните капиляри (не променя
съществено състава на кръвта в
лявото предсърдие, тъй като през
бронхиалните
съдове преминава
около 70-80 пъти по-малко кръв, в
сравнение с белодробните вени).

11.

Инервация на белите дробове
1.
Парасимпатикова
–
основен
бронхоконстрикторен
път
чрез действие на АцХ върху М3
холинорецептори.
Затова
при
спазъм на бронхите (астма) могат
да се използват М3 антагонисти;
2.
Симпатикова – оскъдна инервация, но гладките мускули имат
β2 адренорецептори, чието стимулиране (от адреналин и β2
агонисти) разширява бронхите;
3.
Неадренергична нехолинергична (НАНХ)
oсновен бронходилататорен път (медиатори NO и VIP);
Бронхоконстрикция с медиатори субстанция P, неврокинин A.

12.

Дишането включва 4 процеса:
1. Белодробна вентилация
Движение на въздух между
белите дробове и атмосферата
2. Газова дифузия
Дифузия на О2 и СО2 между
алвеолите и кръвта
Дифузия на О2 и СО2 между
кръвта и клетките
3. Транспорт на О2 и СО2 в кръвта
4. Клетъчно дишане
Консумация на О2 и продукция на
СО2 от клетките

13.

1. Белодробна вентилация
Състои се от процес на вдишване и процес на издишване
Вдишване (активно) - инспирация
Съкращението на мускулите на вдишването
(диафрагма и външни междуребрени мускули)
предизвиква разширение на гръдния кош
обемът на белите дробове се увеличава
налягането на въздуха в белите дробове
намалява Pалв < Pатм въздухът навлиза в
белите дробове
Издишване (пасивно) - експирация
Мускулите на вдишването се отпускат
еластичните сили предизвикват свиване
гръдния кош и белите дробове обемът
белите дробове намалява Pалв > Pатм
въздухът излиза от белите дробове
на
на
! При усилено издишване се съкращават мускулите на
издишването (коремни и вътрешни междуребрени мускули).

14.

При съкращение на диафрагмата тя
слиза надолу и се увеличава
вертикалният размер на гръдния кош
МЕХАНИКА НА ДИШАНЕТО
При
съкращаване
на
външните
междуребрени мускули гръдният кош
се разширява настрани и напред
Диафрагмата и външните междуребрени мускули са задължителни
мускули на вдишването. Когато трябва да се вдиша по-дълбоко се
включват допълнителните мускули на вдишването (гръдни и
шийни).

15.

Експираторни дихателни мускули
Задължителни
Вътрешни междуребрени мускули - тяхната активност по време
на спокойно дишане е незначителна, тъй като експирацията
(издишането) при покой на организма е пасивен процес.
Допълнителни
Коремни мускули - При съкращаване: повишават налягането в
коремната кухина и по този начин изтласкват диафрагмата
нагоре (към белите дробове); дърпат ребрата и гръдната кост
надолу и така намаляват обема на гръдния кош.

16.

Съпротивление при дишане
Съпротивлението е 2 вида:
Еластично - дължи се на силите, които противодействат на
увеличаването на обема на белите дробове. То трябва да се
преодолява само при вдишване.
Нееластично - дължи се на силите на триене, които възникват при
движението на белите дробове и на въздуха в дихателните пътища.
То трябва да се преодолява при вдишване и при издишване

17.

Сили свиващи белите дробове
Повърхностно
напрежение на
алвеолите
Еластични
сили - дължат
се на еластични
влакна
белодробната
тъкан;
Повърхностно напрежение на алвеолите - създава се на граничната
повърхност вода - въздух в алвеолите - представлява сила, която се
стреми да свие алвеолите.
в

18.

Сърфактант
намалява повърхностното напрежение
поддържа алвеолите разпънати, не позволява стените
им да се слепят една с друга (белия дроб да стои
отворен и да диша)
секретира се от тип ІІ алвеоларни клетки
съдържа 80% фосфолипиди, 10% неутрални липиди
(главно холестерол) и 10 % протеини.

19.

Сърфактант

20.

Недостатъчна
продукция
на
сърфактант най-често се наблюдава
при недоносени бебета, белодробни
заболявания, пушачи, продължително
дишане на 100% О2
При липса на сърфактант настъпва
ателектаза (колапс) на алвеолите.

21.

Фактори от които зависи съпротивлението на
дихателните пътища
1. Промяна в белодробния обем при вдишване и издишване съпротивлението
при
вдишване
е
по-малко
от
това
при
издишване, тъй като горните дихателните пътища са по-широки.
2. Секреция на мукус - увеличената секреция на мукус при
възпалителни и алергични заболявания увеличава
съпротивлението
3. Тонус на гладките мускули в стената
При бронхоконстрикция съпротивление
При бронходилатация съпротивление

22.

Показатели на белодробната вентилация
Минутен дихателен обем (МДО) - обема въздух, който
преминава през белите дробове за 1 min
Максимална белодробна вентилация (МБВ) – най-големият
обем въздух, който може да премине през белите дробове за 1 min
Алвеоларна вентилация (АВ) - обемът свеж “чист” въздух,
който преминава през алвеолите за 1 мин. През тях за 1 мин
преминава обем въздух, равен на МДО, но една част от него (150
мл) е въздух, който вече е участвал в газовата обмяна.
МДО = ДО х ДЧ
АВ = (ДО - МП) х ДЧ
Алвеоларната вентилация е по-голяма при по-дълбоко и рядко
дишане, отколкото при по-повърхностно и често дишане!!!
ДЧ – дихателна честота; МП - мъртво пространство въздух, който запълва дихателните
пътища в проводната зона, където не се извършва газова обмяна

23.

2. Газова дифузия в белите дробове
Включва дифузията на О2 и СО2 между въздуха в алвеолите и кръвта в
белодробните капиляри;
Алвеоларният въздух и кръвта са отделени с респираторна
(алвеоларно-капилярна) мембрана - много тънка (<1μm) и с много
голяма площ (60-80 m2), което създава оптимални условия за газовата
обмяна.
Артериоли
Еритроцит
Капилярна
мрежа
Венули
Алвеоларно
-капилярна
мембрана
(0.2-0.6 m)
Воден Капилярен Интерстициално Алвеоларен
слой
ендотел
пространство
епител
(0.01 m) (0.04-0.2 m) (0.02-0.2 m)
(0.05-0.3 m)
Алвеоли

24.

Състав на атмосферния и алвеоларния въздух
Атмосферен въздух: 79% азот, 21% О2 и 0% СО2 и Н2О. При
попадане в дихателните пътища от проводната зона въздухът се
насища с водни пари;
Алвеоларен въздух: има по-ниско съдържание на О2 и по-високо
съдържание на СО2 от атмосферния въздух.
О2 СО2
Атмосферен въздух
РО2 РСО2 РН2О РN2
160
0
0
600
Прибавяне на
водни пари
Алвеоларен въздух
РО2 РСО2 РН2О РN2
104
40
47
569
Кръвоносен съд

25.

Газова обмяна в белите дробове
Рсо2 = 45 mm Hg
Po2 = 40 mm Hg
АЛВЕОЛА
PCO2 = 40 mm Hg
PO2 = 104 mm Hg
Pco2 = 40 mm Hg
Po2 = 104 mm Hg
Капиляр

26.

Промени в газовата дифузия при различни състояния
Дифузията на газовете се затруднява при:
намален пресорен градиент за кислорода при изкачване на
голяма надморска височина
намалена площ на респираторната
мембрана наблюдава се при емфизем,
тумори
нормален
емфизем
увеличена
на
дебелина
респираторната
мембрана наблюдава
се
при
белодробна
фиброза, оток на белите
Нормален
Фиброза
дробове

27.

Транспорт на кислород в кръвта
Кислородът се транспортира в кръвта под 2 форми:
1. Разтворен в плазмата - 1.5%
2. Свързан с хемоглобина - оксихемоглобин (HbO2) - 98.5%
О2 молекули
Разтворен
О2
1.5 %
разтвор
ен
Еритроцити
Плазма
98.5 %
HbO2
Една хемоглобинова молекула може да свърже максимално 4
молекули кидслород!

28.

Обмяна на О2 в белите дробове и в тъканите
В белите дробове кислородът дифундира от алвеоларния въздух
към кръвта в капилярите, където се свързва с хемоглобина и се
образува оксихемоглобин.
В тъканите кислородът дифундира от кръвта към клетките, тъй като
Ро2 в тъканите е по-ниско от Ро2 в кръвта.
Обемът кислород, който се отдава на тъканите за 1 минута се нарича
кислородна консумация (КК). В състояние на покой КК е 250 мл. При
тежка физическа работа тя се увеличава до 2 - 3 л/мин
Плазма
Еритроцити
Белодробни
капиляри
Тъкани
Алвеоларен
въздух
Системни
капиляри
Захващане на О2 в
белите дробове
Отдаване на О2 в
тъканите

29.

Транспорт на СО2 във венозната кръв
СО2 навлиза от тъканите в кръвта (Рсо2 в тъканите > Рсо2 в кръвта) и
се пренася под 3 форми:
1. Разтворен в плазмата газ - 10%
2. Свързан с хемоглобина - Карбаминохемоглобин - 20%
3. Хидрогенкарбонатни йони (НСО3-) - 70%

30.

Отдаване на СО2 от кръвта към алвеолите на белите
дробове
Алвеоли
Разтворен в плазмата СО2
Хемоглобин + СО2
Карбаминохемоглобин
Еритроцити
Плазма

31.

Белодробни обеми и капацитети
Обемът въздух, който се намира в двата бели дроба (изпълва
алвеолите и дихателните пътища) се нарича Белодробен обем
(VL)
Дълбочината на дишането се определя чрез измерването на 3
белодробни обема:
1. дихателен обем (ДО),
2. инспираторен резервен обем (ИРО) и
3. експираторен резервен обем (ЕРО).
Тези обеми се измерват чрез спирометрия при еднократно
дихателно движение (едно вдишване или едно издишване).

32.

Спирометрията
диагностициране
-
основен
на
метод
за
заболявания
на
дихателните пътища.
Позволява:
1. да се оцени функционалното състояние
на белите дробове и бронхите (поспециално
капацитета
на
белите
дробове, дихателните пътища);
2. да
се
идентифицира
обструкция
(бронхоспазъм);
3. да
се
определи
патологичните промени.
тежестта
на

33.

Белодробни обеми
Дихателен обем (ДО) - обем въздух, който се вдишва или издишва
при 1 дихателно движение. При покой той е 500 мл.
Инспираторен резервен обем (ИРО) - максималният обем
въздух, който може допълнително да се вдиша, след като вече е
вдишан ДО.
При покой (когато ДО е равен на 0,5 l) ИРО е ~ 3 л.
При мъже - 3300 мл, при жени - 1900 мл.

34.

Белодробни обеми
Експираторен резервен обем (ЕРО) - максималният обем
въздух, който може допълнително да се издиша, след като е
издишан ДО.
1000 мл (м), 700 мл (ж)
Остатъчен обем (ОО) - обем въздух, който остава в белите
дробове след максимално издишване. Единственият белодробен
обем, който не може да се измери директно чрез спирометрия.
1200 мл (мъже), 1100 мл (жени)

35.

Белодробни капацитети
Витален капацитет (ВК) - обем въздух, който може да се издиша
максимално след максимално дълбоко вдишване.
ВК = ДО + ИРО + ЕРО (при мъже - 4800 мл, при жени - 3100 мл)
ВК = ТБК - ОО

36.

Белодробни капацитети
Инспираторен капацитет (ИК) - максималният обем въздух,
който може да се вдиша след едно спокойно издишване:
ИК = ДО + ИРО.

37.

Белодробни капацитети
Функционален остатъчен капацитет (ФОК) - обем въздух, който
остава в белите дробове след спокойно издишване (всички
респираторни мускули са отпуснати, системата гръден кош - бели
дробове се намира в равновесно състояние и в белите дробове има
около 2,5 - 3 л въздух. Този обем въздух се нарича равновесен обем).
ФОК = ЕРО + ОО

38.

Белодробни капацитети
Тотален белодробен капацитет (ТБК) - обемът въздух, който се
съдържа в белите дробове след максимално вдишване (~ 6 – 7 л)
ТБК = ВК + ОО
ТБК = ДО + ИРО + ЕРО + ОО.
ТБК = ФОК + ИК
ТБК = ВК + ОО.

39.

Нормални стойности и физиологични колебания
ДЧ
ДО
МДО
(ДО х ДЧ)
при покой
12 - 16 / мин
500 мл
~ 6-8 л/мин
при
30 - 40 / мин
> 500 мл
~ 60-80 л/мин
физическа
работа
(до 120-140 л при
много добре
тренирани
спортисти)

40.

Генератор на дихателния ритъм
Генераторът на дихателния ритъм
се намира в мозъчния ствол продълговат мозък.
Невроните в дихателния център
се възбуждат ритмично, което е
причина за ритмичните дихателни
движения.

41.

Регулация на
дишането
Химична
(автономна)
център
в
ствола;
основен регулатор е
парциалното
гане
на
наля-
СО2
артериалната
(PaCO2).
в
кръв
Поведенческа
Нехимична
(рефлексна)
рецептори в белите
дробове и извън тях
От
мозъчната
Регулира
кора;
дишането
извършване
на
при
волеви
движения, в които участва
дихателният
(говор,
пеене,
апарат
гълтане,
повръщане, дефекация).

42.

Промените в РаСО2, РаО2 и [Н+] се долавят от хeморецептори
Съществуват два вида хеморецептори:
1.
Централни хeморецептори - в продълговатия мозък:
Рсо2 в артериалната кръв увеличава [Н+] в мозъка, което
активира хeморецепторите и те стимулират дихателния център
дишането се учестява и задълбочава.
2.
Периферни хeморецептори - в каротидната артерия и дъгата на
аортата
Възбуждат се при ↓PаO2, ↑PаCO2 и ↑[Н+] в артериалната кръв
Дишането се стимулира значително само когато РО2 < 60 mmHg!
Дихателният център е много чувствителен към промени в
РаСО2!

43.

Чувствителността на дихателния център към СО2:
намалява по време на сън, под действие на анестетици и опиати, както и
при белодробно болни с високо РСО2
Алвеоларна вентилация (л/мин)
се увеличава под влияние на РО2 и [Н+]. Тогава има най-голямо
увеличение на белодробната вентилация!
15
10
5
0
25
35
45
PaCO2
55
65

44.

Нехимична (рефлексна) регулация на дишането
Осъществява се чрез дразнене на различни по вид рецептори в
белите дробове и извън тях
Рецепторите в белите дробове са 3 вида:
1. Бавно адаптиращи се стреч рецептори – в гладките мускули
на дихателните пътища (бронхи и бронхиоли)
2. Бързо адаптиращи се рецептори – между епителните клетки
на дихателните пътища - Активирането им предизвиква: кашляне,
кихане,
бронхоконстрикция,
увеличена
мукусна
секреция,
хипервентилация
3. Рецептори, свързани с С влакна – в дихателните пътища,
интерстициума и алвеоларните стени. Предизвикват спиране на
дишането
(апнея),
последвана
от
учестено,
дишане, съчетано с брадикардия и хипотония
повърхностно

45.

Рецептори извън белите дробове:
1. Проприорецептори в гръдния кош - стимулират се при
↑съпротивление при дишане ↑активност на дихателните мускули
2. Проприорецептори в крайниците ДЧ и ДО при физическа
работа
3. Болкови рецептори:
• силна стимулация временна апнея
• хронична стимулация ↑ ДЧ
4. Терморецептори:
↓ТоС ↓ ДЧ
↑ТоС ↑ ДЧ