Глава 15. Биофизика внешнего дыхания

§ 15.1. Основные термины и определения

Совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом О₂ и выделение СО₂, - дыхание.

Различают 3 этапа дыхания:

1. Внешнее дыхание (обмен газами между кровью легочных капилляров и внешней средой (атмосферой)).

2. Транспорт газов кровью.

3. Тканевое дыхание (газообмен в тканях и биологическое окисление в митохондриях).

Внешнее дыхание обеспечивается системой органов дыхания: носоглотка, гортань, трахея, бронхи, органы, а также мышцы: межреберные, диафрагма. Верхние дыхательные пути: носоглотка, гортань; нижние – трахея, бронхи. Легкие помещаются внутри грудной клетки, отделяются плеврой (внутренний (висцеральный) листок и внешний (париетальный); между которыми щель, заполняется серозной жидкостью). Легкие состоят из бронхиального дерева и мельчайших пузырьков – альвеол (их 300 мл, S = 70-80м², r_ср = 0,2 мм).

Механические процессы в легких. Механическая стабильность альвеол

Вдох совершается в результате увеличения объема грудной полости, происходящем при подъеме ребер и опускании диафрагмы. Увеличение объема грудной полости приводит к уменьшению давления в плевральной полости; в результате увеличения разности давления между давлением воздуха и давлением плевральной полости легкие расправляются.

При выдохе расслабляются мышцы, под давлением перепада давления легкие сжимаются.

Атмосферное давление (р) на грудную клетку уравновешивается давлением плевральной полости и эластичной тягой грудной клетки:

Р_атм = Р_пл + Р_эл.гк (1)

Р_атм – атмосферное давление

Р_пл – давление в плевральной полости

Р_эл.гк - эластичная тяга грудной клетки

Р_атм - Р_пл < 9 мм.рт.ст.

Давление в альвеолах уравновешивается давлением в плевральной полости и эластичной тяги легких:

Р_ал = Р_пл + Р_эл.л (2)

Р_ал – давление в альвеолах

Р_эл.л – эластичная тяга легких.

Транспульманальным давлением называется разность между давлением Р_ал и Р_пл:

Р = Р_ал - Р_пл = Р_эл.л (3)

(в соответствии с (2) обеспечивается эластичной тягой легких).

Эластичная тяга легких развивается за счет 2-х факторов:

- упругость тканей легких

- сила поверхностного натяжения жидкости, выстилающей внутреннюю поверхность альвеол.

Условия равновесия альвеол:

Статическое уравнение равновесия:

r – радиус альвеолы

δ – толщина стенки альвеолы

σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, выстилающей внутреннюю полость альвеолы (сурфактант).

Из (4)

Применим уравнение Гука:

(6) → в (5):

Рассмотрим:

1) Еδ > σ с увеличением радиуса эластичная тяга легких растет.

2) Еδ < σ с увеличением радиуса эластичная тяга легких уменьшается – неустойчивое состояние альвеолы.

Чтобы обеспечить механическую стабильность альвеол, должно выполняться соотношение Еδ > σ.

Для стенок альвеол Е ≈ 5 ∙ 10⁴ н/м², δ = 10^-6 м, → σ < 5 ∙ 10^-2 н/м.

(у воды σ = 0,07 н/м), поверхность выстлана не водой, а сурфактантом, состоит на 90% из липидов и белков. (на вдохе она толще 10,0, на выдохе - толще σ = 0,005-0,01 н/м).

р = р_эл.л ≈ 9 мм.рт.ст. = 1180 Па.

Газообмен в легких

Газообмен между альвеолярной газовой смесью и кровью капилляров происходит через АКМ – альвеолярно-капиллярную мембрану. Активного переноса через АКМ нет, осуществляется только за счет диффузии.

(8)

Уравнение Фика:

(9)

(10)

(11)

l – толщина стенки АКМ.

- дифференциальная способность легких по О₂.

- дифференциальная способность легких по СО₂.

В покое DΛ_О2 = 20-25; ДЛ_СО2 = 600 см³ мин^-1мм.рт.ст.

Парциальное давление О₂ и СО₂ в организме человека

Воздух и жидкости организма	Парциальное давление	Степень насыщения гемоглобина кислородом, %
О2	СО2
Атмосферный воздух		0,3	-
Альвеолярный воздух			-
Артериальная кровь
Межклеточная жидкость			-
Венозная кровь

 

 

Из формулы Фика:

§15.4. Транспорт газа в крови.

Это вторая стадия дыхания. Транспорт О₂ осуществляется двумя путями:

1) проникнув в тело, О₂ растворяется в плазме крови (растворимость: 0,3 см³ на 100г крови),

2) 14-16г гемоглобина на 100г крови, а каждый грамм гемоглобина связывает 1,39см³ О₂, поэтому в 100мл крови за счет связывания с гемоглобином пропорционально 20 см³ О₂.

Углекислый газ переносится за счет

1) растворения 2,4 см³ в 100 мл крови (5% всего СО₂);

2) 15% СО₂ кровь несет в виде карбогемоглобина

Hb – NH₂ + CO₂ ↔ Hb – NH – COOH ↔ Hb – N – COO ^- + H⁺

карбогемоглобин

(реакция протекает вправо в тканях, влево – в легких)

3) 80% СО₂ переносится за счет вытеснения О₂ из гемоглобина (эффект Бора):

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^- (атом Н⁺ вытесняет О₂)

Н⁺ + HbO₂ ↔ H + (Hb) + O₂

эффект Бора заключается в том, что без СО₂ не выделяется О₂.