Поделиться Поделиться

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, rср = 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:

Ратм = Рпл + Рэл.гк (1)

Ратм – атмосферное давление

Рпл – давление в плевральной полости

Рэл.гк - эластичная тяга грудной клетки

Ратм - Рпл < 9 мм.рт.ст.

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

Рал = Рпл + Рэл.л (2)

Рал – давление в альвеолах

Рэл.л – эластичная тяга легких.

Транспульманальным давлением называется разность между давлением Рал и Рпл:

Р = Рал - Рпл = Рэл.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:

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 1

Статическое уравнение равновесия:

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 2

r – радиус альвеолы

δ – толщина стенки альвеолы

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

Из (4) Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 3

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 4


Применим уравнение Гука:

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 5

(6) → в (5):

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 6

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 7

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 8

Рассмотрим:

1) Еδ > σ Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 3 с увеличением радиуса эластичная тяга легких растет.

2) Еδ < σ Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 3 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), Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 3 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 = рэл.л ≈ 9 мм.рт.ст. = 1180 Па.

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 12

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 13

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.

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 14 (8)

Уравнение Фика:

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 15 (9)

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 16 (10)

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 17 (11)

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 18

l – толщина стенки АКМ.

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 19 - дифференциальная способность легких по О2.

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 20 - дифференциальная способность легких по СО2.

В покое DΛО2 = 20-25; ДЛСО2 = 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

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 21

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 22

Из формулы Фика:

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 23

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 24

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 25

§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

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 26 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 Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 27 Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3- (атом Н+ вытесняет О2)

Н+ + HbO2 ↔ H + (Hb) + O2

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания - Инвестирование - 3 эффект Бора заключается в том, что без СО2 не выделяется О2.

← Предыдущая страница | Следующая страница →