а) Дыхательная единица. На рисунке ниже показана дыхательная единица (называемая также дыхательной долькой), состоящая из дыхательной бронхиолы, альвеолярных ходов, преддверий и альвеол. В двух легких содержатся около 300 млн альвеол, каждая из них имеет диаметр в среднем около 0,2 мм. Стенки альвеолы очень тонкие, и между альвеолами расположена почти непрерывная сеть из соединяющихся между собой капилляров (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже). Из-за большого пространства переплетенных капилляров о кровотоке в стенках альвеол иногда говорят, как о «слое» текущей крови. Очевидно, что альвеолярные газы находятся на очень близком расстоянии от крови в легочных капиллярах.
Дыхательная единица 
A. Вид поверхности альвеолярной стенки с капиллярами.
Б. Разрез альвеолярных стенок и сосудов в них
Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью происходит не только в самих альвеолах, но и во всех терминальных частях легких. Все участвующие в этом мембраны вместе называют дыхательной мембраной, или легочной мембраной.
б) Дыхательная мембрана. На рисунке ниже слева показана ультраструктура разреза респираторной мембраны, а справа — эритроцит.
Ультраструктура альвеолярной дыхательной мембраны (разрез)
Показана диффузия кислорода из альвеолы в эритроцит и диффузия двуокиси углерода в противоположную сторону. Обратите внимание на слои, составляющие дыхательную мембрану.
1. Слой жидкости, выстилающий альвеолу и содержащий сурфактант, снижающий поверхностное натяжение альвеолярной жидкости.
2. Составленный из тонких эпителиальных клеток альвеолярный эпителий.
3. Эпителиальная базальная мембрана.
4. Тонкое интерстициальное пространство между альвеолярным эпителием и мембраной капилляра.
5. Базальная мембрана капилляра, которая во многих местах сливается с базальной мембраной альвеолярного эпителия.
Несмотря на большое количество слоев, общая толщина дыхательной мембраны в некоторых местах не превышает 0,2 мкм, а в среднем составляет около 0,6 мкм, кроме мест, где расположены клеточные ядра. В гистологических исследованиях было установлено, что общая площадь поверхности дыхательной мембраны у здорового взрослого мужчины составляет около 70 м . Общее количество крови в капиллярах легких колеблется от 60 до 140 мл. Представив это малое количество крови распределенным на всю площадь пола в помещении размером в 70 м , легко понять, почему дыхательный обмен кислорода и двуокиси углерода происходит с такой быстротой.
Средний диаметр легочных капилляров составляет около 5 мкм, и это означает, что эритроциты должны продавливаться через них. Обычно мембрана эритроцита соприкасается со стенкой капилляра, поэтому кислород и двуокись углерода при диффузии из альвеолы в эритроцит не должны проходить через значительное количество плазмы, что также увеличивает скорость диффузии.
в) Факторы, влияющие на скорость диффузии газов через дыхательную мембрану. Возвращаясь к приведенным ранее разъяснениям механизмов диффузии газов в воде, можно сказать, что те же принципы и математические формулы можно использовать при объяснении диффузии газов через дыхательную мембрану. Факторами, определяющими скорость прохождения газа через мембрану, являются:
(2) площадь поверхности мембраны;
(3) коэффициент диффузии газа в мембране,
(4) градиент парциального давления газа между двумя сторонами мембраны.
Толщина дыхательной мембраны может иногда становиться больше, например в результате появления в интерстициальном пространстве мембраны и в альвеолах отечной жидкости, поэтому дыхательные газы должны диффундировать не только через мембрану, но и через эту жидкость. Кроме того, при некоторых болезнях легких возникает фиброз легких, что может увеличивать толщину некоторых участков дыхательной мембраны. Скорость диффузии через мембрану обратно пропорциональна толщине мембраны, поэтому любой фактор, способный увеличить нормальную толщину мембраны более чем в 2-3 раза, может существенно изменить процесс обмена газов.
Площадь поверхности дыхательной мембраны может значительно уменьшаться при воздействии многих факторов. Например, удаление одного легкого уменьшает общую площадь дыхательной мембраны в 2 раза. При эмфиземе многие альвеолы соединяются, и альвеолярные стенки разрушаются. Образуются новые альвеолярные камеры, которые намного больше обычных, но общая площадь поверхности дыхательной мембраны часто снижается примерно в 5 раз из-за разрушения альвеолярных стенок. Когда общая площадь поверхности снижается до 1/3-1/4 доли нормальной поверхности, обмен газов через мембрану даже в условиях покоя сильно замедляется, а во время спортивных соревнований и других больших физических нагрузок даже малейшее уменьшение площади поверхности легких может вызвать серьезные нарушения дыхательного газообмена.
Величина коэффициента диффузии при переходе каждого газа через дыхательную мембрану находится в прямой зависимости от растворимости газа в мембране и в обратной зависимости от квадратного корня молекулярной массы этого газа. Скорость диффузии газа в дыхательной мембране по причинам, объясненным ранее, почти равна таковой в воде, поэтому при данном градиенте давления двуокись углерода диффундирует примерно в 20 раз быстрее, чем кислород, а кислород — в 2 раза быстрее азота.
Читайте также: Рукоделие из лоскутков ткани как называется
Градиент давления между сторонами дыхательной мембраны представляет собой разницу между парциальным давлением газа в альвеолах и капиллярной крови легких. Парциальное давление является мерой общего количества молекул данного газа, которые ударяются о единицу площади альвеолярной поверхности мембраны в единицу времени. Напряжение газа в крови — это количество молекул, стремящихся к выходу из крови в обратном направлении, поэтому разница между этими давлениями является мерой суммарной тенденции движения молекул газа через мембрану. Если парциальное давление газа в альвеолах больше, чем его напряжение в крови, как это бывает с кислородом, диффузия совершается в направлении из альвеол в кровь; если напряжение газа в крови больше его парциального давления в альвеолах, что справедливо для двуокиси углерода, то происходит диффузия газа из крови в альвеолы.
Видео физиология газообмена в легких и транспорта газов кровью — профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Диффузия газов в тканях факторы ее определяющие
Транспорт О 2 из атмосферы до периферических тканей организма представляет собой многоступенчатый процесс.
После того как воздух попадает в альвеолы легких, следующим этапом газообмена является диффузия кислорода из альвеол в кровь легочных капилляров и диффузия СО 2 из крови легочных капилляров в альвеолы. Диффузия представляет собой простое движение молекул через респираторную мембрану из области более высокого давления в область более низкого.
Таким образом, парциальное давление О 2 (PO 2 ) является одним из основных факторов, определяющих его транспорт в организме, причем не только в легких, но и во всем теле вплоть до периферических тканей.
Помимо градиента давления скорость диффузии определяется 1) растворимостью газа в жидкости; 2) площадью поверхности, через которую протекает диффузия; 3) расстоянием, которое газ должен пройти при диффузии; 4) молекулярным весом газа; 5) температурой жидкости. Поскольку в живом организме температура постоянна, она обычно не учитывается.
Применительно к альвеолокапиллярной мембране скорость диффузии газа будет зависеть от:
По мере транспорта О 2 от легких к периферическим тканям его парциальное давление снижается. Если в атмосферном воздухе при нормальном атмосферном давлении парциальное давление О 2 составляет 159 мм рт. ст., то в периферических тканях, в зависимости от уровня их обмена, — 35–85 мм рт. ст. Венозная кровь, поступающая в легкие, имеет РО 2 около 40 мм рт. ст.
Уже в альвеолярном воздухе содержание О 2 и его парциальное давление отличаются от атмосферного воздуха (13,6 % и 104 мм рт. ст. соответственно). Это происходит вследствие нескольких причин:
В артериальной крови, покидающей легкие, РО 2 уменьшается уже до 95 мм рт. ст. вследствие так называемого венозного примешивания. Дело в том, что определенное количество венозной крови (1–2 %) не аэрируется в легких, поступая напрямую в артериальное русло, что и приводит к некоторому снижению РО 2 . Увеличение объема шунтированной крови, которое происходит при гипоксии может приводить к существенному понижению артериального РО 2 .
Увеличение толщины альвеолокапиллярной мембраны, затрудняющее диффузию газов, часто является следствием отека — увеличения количества жидкости в межклеточном пространстве мембраны. Состояние характеризуется как интерстициальный отек легких. Кроме того, жидкость может накапливаться и в альвеолах, так что газам приходится проходить не только через мембрану, но и через жидкость, что характерно уже для альвеолярного отека легких. В большинстве случаев имеет место сочетание этих состояний той или иной степени выраженности. Имеет значение и исходное состояние легких. При ряде заболеваний, может возникнуть фиброз какого либо участка легких с утолщением альвеолокапиллярной мембраны. Поскольку скорость диффузии газов через мембрану обратно пропорциональна ее толщине, любой фактор, увеличивающий ее толщину более чем в два – три раза, может существенно нарушать нормальный газообмен.
Из капилляров кровеносного русла О 2 диффундирует в периферические ткани, поскольку парциальное давление О 2 в капиллярах выше, чем в тканях. РО 2 в интерстициальной жидкости вне капилляров составляет в среднем 40 мм рт. ст., тогда как в артериальной крови — 95 мм рт. ст. В венозной крови, покидающей капилляр, РО 2 также составляет около 40 мм рт. ст. Если скорость тканевого кровотока увеличивается, большие количества О 2 доставляются тканям и тканевое РО 2 увеличивается. Увеличение тканевого метаболизма приводит к снижению РО 2 как в периферических тканях, так и в венозной крови.
Поскольку О 2 постоянно используется тканями, внутриклеточное РО 2 всегда остается ниже интерстициального. Со снижением интерстициального РО 2 снижается и РО 2 внутри клеток, повышение интерстициального РО 2 ведет к повышению внутриклеточного РО 2 . Важным общим свойством живых организмов является большой запас функциональной прочности систем поддержания жизнедеятельности. Такая особенность характерна и для процессов газообмена. Для полного обеспечения процессов метаболизма достаточно РО 2 1–5 мм рт. ст., в то время как внутриклеточное РО 2 может варьировать от 5 до 60 мм рт. ст. (в зависимости от протяженности капиллярного русла). Поэтому организм человека и может функционировать при весьма существенном снижении РО 2 в атмосферном воздухе.
В нормальных условиях около 97 % кислорода от легких к тканям переносится в химически связанном виде гемоглобином. Лишь 3 % составляет О 2 растворенный в плазме крови. Следует учитывать, что способность гемоглобина связывать О 2 является ограниченной. Каждый грамм гемоглобина может максимально связать 1,34 мл О 2 . Эта так называемая константа Гюффнера. Соответственно кислородная емкость крови (т. е. максимальное общее количество кислорода, которое может быть перенесено кровью) будет находиться в прямой зависимости от содержания гемоглобина:
У здоровых людей с содержанием гемоглобина 150 г/л кислородная емкость крови составляет 201 мл О 2 /л крови. Реально переносимое количество мл О 2 обычно меньше.
Ключевым фактором, характеризующим количество кислорода, связанного с гемоглобином, является насыщение артериальной крови кислородом (сатурация, SaO 2 ). Оно выражает отношение между количеством кислорода, связанного с гемоглобином и кислородной емкостью крови:
Содержание кислорода в крови (контент, СаО 2 ) — это сумма связанного с гемоглобином и растворенного в плазме О 2 :
Очевидно, что СаО 2 зависит главным образом от фракции О 2 , связанной с гемоглобином.
Кровь содержит незначительное количество кислорода, не связанного с гемоглобином, а растворенного в плазме. Согласно закону Генри, количество растворенного кислорода пропорционально парциальному давлению О 2 и коэффициенту его растворимости, а растворимость О 2 в крови очень низка: только 0,0031 мл О 2 растворяется в 0,1 л крови при увеличении давления на 1 мм рт. ст. Таким образом, при РаО 2 равным 100 мм рт. ст., в 100 мл артериальной крови содержится только 0,31 мл растворенного О 2 . Со снижением РаО 2 количество растворенного в плазме О 2 станет еще меньше.
Содержание О 2 в связи с изменениями РаО 2 колеблется незначительно до тех пор, пока устойчиво поддерживается SaO 2 . Изменения содержания гемоглобина приводят к более заметным сдвигам СаО 2 . Нормальное СаО 2 равно 198 мл О 2 /л крови при условии, что PaO 2 = 100 мм рт. ст. , содержание гемоглобина 150 г/л, а SaO 2 = 97 % . Умеренная анемия (например гемоглобин 120 г/л) при поддержании нормального РаО 2 проявляется снижением СаО 2 до 160 мл О 2 /л крови.
Сродство гемоглобина к кислороду возрастает по мере последовательного связывания молекул О 2 , что придает кривой диссоциации оксигемоглобина сигмовидную или S-образную форму. Эта кривая, соотносящая изменения SaO 2 в зависимости от РаО 2 , важна для анализа процессов транспорта кислорода к периферическим тканям:
Верхняя часть кривой (при РаО 2 > 60 мм рт. ст.) — относительно плоская. Это приводит к тому, что SaO 2 , а следовательно, и СаО 2 остаются достаточно постоянными, несмотря на значительные колебания РаО 2 . Повышение СаО 2 или транспорта кислорода в этой области кривой может быть достигнуто только за счет увеличения содержания гемоглобина (например, при переливании крови) или растворения в плазме крови кислорода (например при гипербарической оксигенации).
Крутые средняя и нижняя часть кривой иллюстрируют то положение, что, хотя SaO 2 падает (когда РаО 2 оказывается ниже 60 мм рт. ст.), процесс насыщения гемоглобина кислородом продолжается, поскольку градиент РаО 2 между альвеолами и капиллярами сохраняется. Периферические ткани в этих условиях могут продолжать извлекать достаточное количество О 2 , несмотря на снижение капиллярного РО 2 .
РаО 2 , при котором гемоглобин насыщен кислородом на 50 % (при 37 °С и рН 7,4) известно как Р 50 . Это общепринятая мера сродства гемоглобина к кислороду. Р 50 в крови человека в норме составляет 26,6 мм. рт. ст. Однако оно может изменяться при различных метаболических и физиологических условиях, воздействующих на процесс связывания кислорода гемоглобином.
Когда сродство гемоглобина к кислороду падает, О 2 с большой легкостью переходит в ткани, и наоборот. Повышение Р 50 определяет сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо. Сродство гемоглобина к кислороду снижается, указывая, что теперь требуется более высокое РаО 2 для поддержания SaO 2 на прежнем уровне. Более низкое сродство гемоглобина к кислороду означает повышенное высвобождение кислорода в тканях, но ухудшение связывания гемоглобина с О 2 в легких.
Сдвиг кривой диссоциации влево и соответствующее снижение Р 50 указывает на повышенное сродство гемоглобина к кислороду — улучшение связывания в легких и ухудшение высвобождения О 2 в периферических тканях. На Р 50 и положение кривой диссоциации гемоглобина влияет несколько факторов, в частности, рН и температура.
Для обеспечения обмена веществ в периферических тканях важное значение имеет не только общее содержание О 2 — ключевой физиологической переменной является его доставка. Доставка кислорода — это количество кислорода, транспортируемое к тканям в единицу времени. Чтобы поддержать аэробный метаболизм и предотвратить накопление лактата, периферические ткани должны постоянно снабжаться кислородом. Обстоятельства, которые определяют адекватность кислородного снабжения, разнообразны и включают состояние покоя, физическую нагрузку, гиперкатаболические состояния и инфекцию.
Доставка кислорода к периферическим тканям зависит от количества кислорода в определенном объеме крови и уровня кровотока. Хотя объем кровотока к отдельным органам различен, в периферических тканях он в целом равен сердечному выбросу (CB). Системная доставка О 2 (DО 2 ) рассчитывается как DO 2 = СВ (л/мин) x CaO 2 (мл/л) .
Нередко DО 2 рассчитывают с учетом площади тела. То есть на самом деле рассчитывают индекс DО 2 . Нормальными величинами индекса DО 2 считают 520–720 мл·мин -1 ·м -2 .
Доставка кислорода падает при уменьшении сердечного выброса или снижении объемного содержания кислорода в артериальной крови. Это характерно для многих критических и терминальных состояний и чаще всего наблюдается при выраженных проявлениях сердечной недостаточности, повышении внутрилегочного шунтирования крови, централизации кровообращения, при различных пороках сердца, кардиохирургических и других длительных и травматичных вмешательствах. С практической точки зрения следует иметь в виду, что любое нарушение кровообращения будет ухудшать доставку О 2 .
Потребление кислорода является заключительным этапом транспорта кислорода тканям и представляет собой кислородное обеспечение тканевого метаболизма. В условиях основного обмена взрослый человек потребляет около 250 мл О 2 в 1 мин. Однако скорость утилизации О 2 различными тканями значительно отличается.
Потребление кислорода тканями (VO 2 ) — интегральный показатель, учитывающий как циркуляторный компонент транспорта кислорода (сердечный выброс), так и его гемический компонент (артериовенозное различие по кислороду, CaO 2 — CvO 2 ). Его можно определить по формуле: VO 2 = СВ x (CaO 2 — CvO 2 ) x 10 . Так же как и DО 2 , VO 2 часто выражают в виде индекса, то есть в перерасчете на площадь тела. Нормальными величинами индекса потребления кислорода являются 110–160 мл·мин -1 ·м -2 .
В зависимости от состояния организма (покой, нагрузка или заболевание) меняется фракционное распределение СВ к органам. Более того, и экстракция кислорода тканями различных органов неодинакова. Например, миокард получает лишь малую фракцию СВ, но извлекает почти весь доставляемый кислород.
Нормальный компенсаторный ответ на снижение кровотока проявляется в виде увеличения поглощения кислорода, достаточного для поддержания VO 2 на нормальном уровне. Падение сердечного выброса компенсируется увеличением артериовенозного различия по кислороду, и VO 2 остается неизменным. Снижение насыщения венозной крови кислородом отражает увеличение экстракции кислорода.
Способность компенсировать снижение кровотока повышением поглощения кислорода является характерной особенностью микроциркуляторного русла практически всех органов и тканей за исключением сердца и диафрагмы. В них высокая экстракция кислорода из капиллярного ложа происходит уже в норме. Поэтому уровень кислорода в тканях сердца и диафрагмы весьма чувствителен даже к незначительным изменениям кровотока.
Таким образом, основными факторами, определяющими доставку О 2 , являются: