Транспорт газов кровью

Высшая Школа Естественных наук и технологий

Кафедра фундаментальной и прикладной физики

Лаборатория биофизики

Указания к лабораторной работе

«Биофизические основы дыхания»

Архангельск
2018

Теоретическое введение

В процессе дыхания выделяют три этапа:

- внешнее дыхание, включающее вентиляцию лёгких и диффузию газов;

- транспорт кислорода О₂ и углекислого газа СО₂   кровью;

- внутреннее дыхание, включающее диффузию газов в тканях и клеточное дыхание. (Рис.1)

Рис.1. Этапы процесса дыхания

Внешнее дыхание

Газообмен между альвеолярной газовой смесью (АГС) (рис.1) и атмосферным воздухом, обеспечивающий эффективную диффузию кислорода и углекислого газа через альвеолокапиллярную мембрану (АКМ), осуществляется благодаря работе аппарата вентиляции, который состоит из двух анатомо-физиологических образований: грудной клетки с дыхательными мышцами и лёгких с дыхательными путями.

Основная функция лёгких – дыхательная.

Вентиляция лёгких обеспечивается периодической сменой вдоха и выдоха. Последовательность биофизических процессов, обеспечивающих вентиляцию лёгких, можно представить в виде следующей схемы:

· акт вдоха: поступление нервного импульса к дыхательным мышцам → синаптическая (нервно-мышечная) передача → сокращение дыхательных мышц → увеличение объёма грудной полости → увеличение объёма лёгких → снижение давления в лёгких (по закону Бойля-Мариотта)  → всасывание воздуха из атмосферы в лёгкие;

· акт выдоха: расслабление дыхательных мышц (вслед за сокращением при вдохе) → уменьшение объёма грудной полости → уменьшение объёма лёгких → повышение давления в лёгких (по закону Бойля-Мариотта) → выдавливание воздуха из лёгких в атмосферу.

В лёгких совершается обмен кислородом, углекислым газом, азотом между организмом и внешней средой. Благодаря работе дыхательных мышц лёгочные альвеолы обмениваются этими газами с атмосферой, что обеспечивает относительное постоянство концентраций О₂ и СО₂   в АГС. Газообмен между АГС и кровью лёгочных капилляров происходит на АКМ, представляющей собой многомембранную систему. Газообмен в лёгких подчиняется уравнению Фика: .

Транспорт газов кровью

Кислород и углекислый газ преодолевают АКМ по концентрационному градиенту или по градиенту парциальных давлений в противоположных направлениях: О₂ – из АГС в кровь, СО₂   - из крови в эту смесь. Парциальное давление кислорода в воздухе при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт.ст. равно 160 мм рт.ст. В АГС доля кислорода уменьшается за счёт повышения в нём количества углекислоты и водяных паров. Парциальное давление его становиться 100-108 мм рт.ст. На всем протяжении сложного пути кислорода от альвеол до тканей происходит постепенное падение парциального давления. Разность парциальных давлений газов в средах, разделённых проницаемыми мембранами, является основным фактором, обусловливающим переход О₂ и СО₂ из одной среды в другую (табл.1).

Таблица 1. Парциальное давление О₂ и СО₂ в альвеолах, крови и тканях

Проникнув в кровь, текущую по лёгочным капиллярам, кислород приносится ею во все ткани организма. Формы этого транспорта различны. Во-первых, О₂  растворяется в плазме, во-вторых, - связывается с гемоглобином в эритроцитах.

Внутреннее дыхание

Газообмен в тканях подчиняется тем же закономерностям, что и в лёгких. Диффузия кислорода и углекислого газа происходит под действием концентрационного градиента этих газов между кровью, текущей по капиллярам, и межклеточной жидкостью и описывается уравнением Фика.

Кислород, продиффузировав из крови в клетки, поступает в митохондрии и обеспечивает клеточное дыхание. Оно состоит из двух сопряжённых между собой процессов: окисления органических веществ молекулярным кислородом и фосфолирования АДФ (аденозиндифосфат), приводящее к синтезу АТФ (аденозинтрифосфат). В живых клетках окисляются не молекулы, а атомы водорода, поставляемые органическими веществами. К ним принадлежат продукты расщепления углеводов, жиров и белков, усвоенных организмом при пищеварении. В этих веществах заключена солнечная энергия, аккумулированная ими благодаря фотосинтезу.