Механизм обмена газов в легких и тканях. Транспорт кислорода и углекислого газа.
Газообмен между альвеолярным воздухом и притекающей к легким венозной кровью — это совокупность процессов, обеспечивающих переход кислорода внешней среды в кровь, а углекислого газа из крови в альвеолы. Перемещение газов (легкие — кровь) осуществляется под влиянием разности парциальных давлений и напряжений этих газов в каждой из сред организма (табл.8.1).
Таблица 8.1.
Содержание и парциальное давление (напряжение) кислорода и углекислого газа в различных средах
| Среда | Кислород | Углекислый газ | ||||
| % | мм рт. ст. | мл/л | % | мм рт. ст. | мл/л | |
| Вдыхаемый воздух | 20,93 | 209,3 | 0,03 | 0,2 | 0,3 | |
| Выдыхаемый воздух | 16,0 | 160,0 | 4,5 | |||
| Альвеолярный воздух | 14,0 | 140,0 | 5,5 | |||
| Артериальная кровь | - | 100-96 | 200,0 | - | 560-540 | |
| Венозная кровь | - | 140-160 | - | |||
| Ткань | - | 10-15 | - | - | - | |
| Около митохондрий | - | 01-1 | - | - | - |
Альвеолярный воздух осуществляет газообмен с притекающей к легким венозной кровью, являясь как бы внутренней газовой средой организма. Состав альвеолярного воздуха отличается постоянством, мало изменяясь при обычном дыхании. При спокойном дыхании в альвеолы с каждым вдохом взрослого человека поступает 350 мл воздуха, и альвеолярный воздух обновляется лишь на 1/7 своего объема (коэффициент вентиляции). При спокойном дыхании давление в альвеолах ниже атмосферного.
Решающим фактором, обусловливающим непрерывность газообмена, является постоянство газового состава альвеолярного воздуха.
Учитывая свойство газов диффундировать из области большего парциального давления в область с меньшим парциальным давлением, несложно понять направленность диффузии О2 и СО2 на том или ином уровне дыхания (рис.8.6).
Рис.8.6. Газообмен в легких.
Парциальное давление кислорода в воздухе, заполняющем альвеолы легких, около 106 мм рт. ст., а его напряжение в плазме венозной крови, притекающей к легким, около 40 мм рт.ст. Вследствие разности давлений кислород из альвеол направляется в плазму крови и далее в эритроциты, где его напряжение практически равно нулю. Там он связывается с гемоглобином эритроцитов.
Парциальное давление углекислого газа в альвеолярном воздухе составляет 40 мм рт.ст., а его напряжение в притекающей к легким венозной крови — 46 мм рт.ст. Вследствие разности давлений углекислый газ переходит в альвеолы.
В артериальной крови, притекающей к тканям, напряжение кислорода выше, чем в тканях, а напряжение углекислого газа наоборот значительно ниже. Оно составляет 60 мм рт.ст. в ткани и 40 мм рт.ст. в плазме крови. В эритроцитах напряжение углекислого газа практически равно нулю. Вследствие этого кислород переходит из крови в ткани и включается в цикл метаболических процессов, а углекислый газ, в избытке содержащийся в тканях, переходит в кровь и переносится затем в легкие.
Процесс газообмена происходит непрерывно до тех пор, пока существует разность парциальных давлений и напряжений газов в каждой из сред, участвующих в газообмене.
Величина газообмена является показателем интенсивности окислительных процессов, протекающих в тканях. Для оценки интенсивности газообмена определяют количество кислорода, использованного организмом за определенное время, и количество углекислого газа, выделенного организмом за это же время. Об уровне газообмена можно судить и по величине минутной вентиляции легких. При спокойном дыхании через легкие проходит около 8000 мл воздуха в 1 мин. При физических или эмоциональных напряжениях, различных заболеваниях, сопровождающихся усилением окислительных процессов в тканях, легочная вентиляция возрастает. Газообмен между тканями и кровью, кровью и легкими, легкими и внешней средой может в значительной степени нарушаться при различных заболеваниях легких, сердечно-сосудистой системы, крови. Следствием таких нарушений газообмена может явиться гипоксия — кислородное голодание тканей.
Газообмен в организме осуществляется двумя основными механизмами:
1. Конвективный, представляет собой механическое передвижение молекул О2 и СО2 с током воздуха или крови. Таким образом, осуществляется перенос газов в воздухе или крови на большое расстояние.
2. Диффузия. Механизм газообмена между разными средами организма. Диффузия осуществляется из области с высоким парциальным давлением газов в область низкого их давления, причём на работу по переносу молекул затрачивается их собственная кинетическая энергия
В организме кислород и углекислый газ транспортируются кровью.
Кислород, поступающий из альвеолярного воздуха в кровь, связывается с гемоглобином эритроцитов, образуя так называемый оксигемоглобин, и в таком виде доставляется к тканям.
Количество кислорода, связанного гемоглобином в 100 мл крови, носит название кислородная ёмкость крови.
Известно, что каждый грамм гемоглобина связывает 1,34-1,35 мл О2. Следовательно, КЕК здорового мужчины, у которого в 100 мл крови содержится 15 г Hb, составляет 20,4 объёмных процента (табл.8.2).
Таблица 8.2. Количество гемоглобина и кислородная емкость крови
| Гемоглобин у мужчин у женщин | 14-15 гр% Нb (на 100 мл крови) 13,5-14,5 гр% Нb (на 100 мл крови) |
| Кислородная ёмкость крови КЕК) в покое при мышечной работе | 20 об % О2 (1 гр. Нb связывает 1,34-1,35 мл О2) увеличение на 5-10 % |
В тканевых капиллярах кислород отщепляется и переходит в ткани, где включается в окислительные процессы. Свободный гемоглобин связывает водород и превращается в так называемый восстановленный гемоглобин. Углекислый газ, образующийся в тканях, переходит в кровь и поступает в эритроциты. Затем часть углекислого газа соединяется с восстановленным гемоглобином, образуя так называемый карбогемоглобин, и в таком виде углекислый газ и доставляется к легким. Однако большая часть углекислого газа в эритроцитах при участии фермента карбоангидразы превращается в бикарбонаты, которые переходят в плазму и транспортируются к легким. В легочных капиллярах бикарбонаты при помощи специального фермента карбоангидразы распадаются и выделяется углекислый газ. Отщепляется углекислый газ и от гемоглобина. Углекислый газ переходит в альвеолярный воздух и с выдыхаемым воздухом удаляется во внешнюю среду.
Следует знать, что более эффективно, чем углекислый газ с гемоглобином, связывается окись углерода известная как угарный газ. Образующийся в этом случае так называемый карбоксигемоглобин не способен связывать кислород.
Наконец, последним этапом дыхания является тканевое дыхание или окислительно-восстановительные реакции, протекающие в клетках организма. Существо этих реакций заключается в том, что сложные органические вещества окисляются при участии специальных ферментов кислородом до конечных продуктов в виде аммиака, воды и двуокиси углерода. Освобождающаяся при этом энергия выделяется частично в виде тепла, однако основная ее часть идет на образование известных всем молекул АТФ, которые являются источником энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.
В тканевых капиллярах кислород отщепляется и переходит в ткани, где включается в окислительные процессы. Свободный гемоглобин связывает водород и превращается в так называемый восстановленный гемоглобин.