Дегтярев В.П. Нормальная физиология

Подождите немного. Документ загружается.

тура. Чем активнее работает орган, тем интенсивнее в нем

протекают метаболические процессы, тем быстрее потребляет-

ся 0

и падает его напряжение в тканях, быстрее накапливает-

ся С0

, закисляется среда и повышается температура ткани —

все это ускоряет диссоциацию оксигемоглобина. Все перечис-

ленные факторы ведут к конформационным изменениям бел-

ковой части молекулы гемоглобина, в результате чего гемогло-

бин отдает 0

. Влияние РС0

на связь гемоглобина с 0

от-

крыл отечественный ученый Б.Ф. Вериго в 1898 г. (эффект Ве-

риго). Влияние рН на диссоциацию оксигемоглобина открыл

датский физиолог Ч. Бор в 1904 г. (эффект Бора).

Диссоциации оксигемоглобина также способствует 2,3-ди-

фосфоглицерат — промежуточный продукт, образующийся в

эритроцитах при расщеплении глюкозы, особенно при ги-

поксии. Диссоциацию оксигемоглобина ускоряет АТФ.

При повышении РС0

и температуры, при снижении рН в

тканях сродство гемоглобина к 0

понижается, процесс идет

в сторону диссоциации оксигемоглобина, при этом график

образования — диссоциации оксигемоглобина смещается

вправо (см. рис. 9.4).

При снижении РС0

, понижении температуры и сдвиге рН в

щелочную сторону сродство гемоглобина к 0

повышается,

процесс идет в сторону образования оксигемоглобина, график

образования — диссоциации оксигемоглобина смещается влево.

Транспорт углекислого газа. В артериальной крови содер-

жится С0

50—52 об.%, а в венозной —55—58 об.%. В раство-

ренном состоянии транспортируется всего 2,5—3 об.% С0

, в

соединении с гемоглобином (карбгемоглобин) — 4—5 об.%,

большая часть в виде солей угольной кислоты — 48—51 об.%.

На рис. 9.5 представлены механизмы транспорта газов, в том

числе С0

, кровью.

С0

образуется в клетках тканей в результате окислитель-

ных процессов. Его напряжение в тканях достигает порядка

60 мм рт. ст., в межклеточной жидкости — 46 мм рт. ст., а в

поступающей к тканям артериальной крови — 40 мм рт. ст.,

поэтому С0

по градиенту напряжения из клеток поступает в

межклеточную жидкость и через стенку капилляров в плазму

крови, а затем в эритроциты.

С0

связывается с гемоглобином эритроцитов и образует

карбгемоглобин (ННЬС0

) путем непосредственного присо-

единения к аминогруппам белкового компонента гемоглоби-

на. При этом образуется так называемая карбаминовая связь:

ННЬ + С0

= ННЬС0

(Hb-NH-COOH-карбгемоглобин,

точнее карбаминогемоглобин).

Карбгемоглобин легко образуется при прохождении крови

по капиллярам тканей и легко диссоциирует, когда кровь

проходит по капиллярам легких.

376

NaHCO;

-D О

« О

0 ffl

1 о

Ф Q.

(NaHCO.

HHb

+KCI

Реакция C0

0--H'+HC0

осуществпяатся с участием

карбоангидразы.

(NaHCO,

г NaCI

К HbOo

CI"

Hb (O2),

HX>

KHb0

>н-ро

(C0

t co

KHbO?

+н,о

Ткани

Рис. 9.5. Перенос газов кровью и газообмен в легких и тканях. Объ-

яснение в тексте.

Небольшое количество С0

(1—2 %) переносится белками

плазмы крови также в виде карбаминовых соединений.

Соединяясь с водой, С0

образует слабую угольную кис-

лоту (Н

0 + С0

= Н

С0

). В плазме эта реакция идет мед-

ленно, а в эритроцитах под влиянием фермента карбоангидра-

зы она ускоряется в 15 ООО раз. Угольная кислота сразу же

диссоциирует на ионы Н

и НСО3 • Значительная часть

ионов НСО3 выходит обратно в плазму.

377

Гемоглобин и белки плазмы, являясь слабыми кислотами,

образуют соли с щелочными металлами: в плазме с натрием, в

эритроцитах с калием. Эти соли находятся в диссоциирован-

ном состоянии. Так как угольная кислота обладает более силь-

ными кислотными свойствами, чем белки крови, то при ее

взаимодействии с солями белков белок-анион связывается с

катионом Н

, образуя при этом недиссоциированную молеку-

лу, а ион НС0

образует с соответствующим катионом бикар-

бонат — в плазме бикарбонат натрия, а в эритроцитах бикар-

бонат калия. Эритроциты называют фабрикой бикарбонатов.

Оксигемоглобин, соединенный с ионом калия (КНЬ0

), в

тканях легко отдает 0

; при этом он теряет ионы калия, кото-

рые связываются с бикарбонат-ионами, образуя бикарбонат

калия. Гемоглобин принимает от угольной кислоты ионы во-

дорода, превращаясь в гемоглобиновую кислоту (ННЬ):

КНЬ0

+ Н

СОз = ННЬ + КНСОз + 0

Основная масса HCOJ , образующихся в эритроцитах, вы-

ходит в плазму, соединяется там с ионами натрия, образуя

NaHC0

. Выход НСО3 из эритроцитов компенсируется по-

ступлением туда ионов хлора, диффундирующих из плазмы.

Ион НСО3 из эритроцита выходит по концентрационному

градиенту, а ион хлора входит в эритроцит по электрическо-

му градиенту. Ионы хлора соединяются с освобождающимися

при диссоциации КНСО

, ионами калия, образуя КО.

В легких в первую очередь начинается выход в альвеолы

из плазмы крови физически растворенного С0

по градиенту

парциального давления: РС0

в венозной крови 46 мм рт. ст.,

а в альвеолах — 40 мм рт. ст.

Весь С0

, связанный с гемоглобином, также покидает ор-

ганизм с выдыхаемым воздухом в результате газообмена в

легких. Из других химических соединений С0

освобождает-

ся в легких лишь частично. Бикарбонат натрия диссоциирует

в плазме крови на НСО , и Na

. Бикарбонат-ион поступает в

эритроцит и соединяется с ионом Н

, образуя Н

С0

, кото-

рая в свою очередь распадается на С0

и Н

0. С0

удаляется

легкими, а вода — почками. КС1 в эритроцитах диссоцииру-

ет, и ион С1

поступает в плазму, где соединяется с Na

, об-

разуя NaCl.

9.4. Регуляция дыхания

Реализация различных видов приспособительной деятель-

ности осуществляется с обязательным участием процессов

дыхания. Регуляторные механизмы обеспечивают изменения

внешнего дыхания в соответствии с метаболическими по-

требностями организма. Изменения дыхания происходят при

378

Инспираторная Постинспираторная Экспираторная

фаза фаза фаза

Активность диафрагмального нерва

11111111 II II 111 I

| м|[||||[[

III

1111

Рис. 9.6. Типы дыхательных нейронов продолговатого мозга.

Инспираторные нейроны: 1 — ранние; 2 — поздние; 3 — полные; 4 —

постинспираторные; 5 — экспираторные; 6 — преинспираторные.

осуществлении рефлекторных актов глотания, кашля, чиха-

нья. Выраженные перестройки дыхания создают возможность

осуществления человеком коммуникативной функции —

формирования речи, пения.

Координированные сокращения дыхательных мышц обес-

печиваются ритмической активностью нейронов дыхательно-

го центра. К дыхательным нейронам относят нервные клетки,

импульсная активность которых меняется в соответствии с

фазами дыхательного цикла (рис. 9.6). Различают инспиратор-

ные нейроны (разряжаются в фазу вдоха), экспираторные (ак-

тивны во время выдоха) и целый ряд нейронных популяций,

активность которых занимает часть определенной фазы дыха-

тельного цикла (ранние, поздние) или включается в моменты

перехода инспираторной фазы в экспираторную либо экспи-

раторной в инспираторную.

В 1885 г. А.Н. Миславский установил, что отделение про-

долговатого мозга от спинного или разрушение медиальной

части продолговатого мозга приводит к полной остановке ды-

хания. Следовательно, именно в продолговатом мозге нахо-

дится основной центр, ответственный за процессы вдоха и

выдоха. Дыхательные нейроны обнаружены практически на

всем протяжении продолговатого мозга, однако имеются от-

дельные участки их скопления. Обнаружены дорсальная и

вентральная дыхательные группы нейронов (или ядра). До-

рсальная группа на 90 % состоит из инспираторных нейро-

нов, поэтому условно эту группу называют центром вдоха.

Аксоны инспираторных нейронов образуют синапсы с мото-

нейронами спинного мозга, а аксоны мотонейронов в свою

очередь составляют диафрагмальный, наружные межребер-

ные и межхрящевые нервы, иннервирующие соответствую-

379

щие инспираторные дыхательные мышцы. Мотонейроны

диафрагмального нерва находятся в III—V шейных сегментах

спинного мозга, мотонейроны межреберных нервов — в

IV—X грудных сегментах спинного мозга. Сокращение инс-

пираторных дыхательных мышц увеличивает объем грудной

клетки (диафрагма опускается, ребра поднимаются), легкие

растягиваются, воздух поступает в альвеолы, растягивая их,

происходит вдох.

В вентральной группе находятся инспираторные и экспи-

раторные нейроны, однако больше экспираторных, поэтому

эту группу условно называют центром выдоха. Большинство

экспираторных нейронов является антиинспираторными

(тормозят активность инспираторных нейронов), но некото-

рые из них посылают команды к экспираторным мышцам

(внутренним межреберным и мышцам живота) для осуществ-

ления форсированного выдоха. Эти экспираторные нейроны

связаны с мотонейронами внутренних межреберных и брюш-

ных мышц, расположенными в грудных и поясничных сег-

ментах спинного мозга (от IV грудного до III поясничного).

Установлено, что большинство инспираторных нейронов

продолговатого мозга обладает свойством автоматизма, спо-

собностью к самопроизвольной непрерывной импульсной ак-

тивности, что впервые наблюдал И.М. Сеченов (1863). При-

чины автоматизма дыхательных нейронов до сих пор остают-

ся до конца не изученными, однако можно предположить,

что одним из важных факторов является накопление в про-

цессе метаболизма нервных клеток в межклеточной жидкости

продолговатого мозга С0

и ионов Н

и возбуждение ими

центральных хеморецепторов, которые располагаются здесь

же, в продолговатом мозге. Автоматизм дыхательного центра

отличается от автоматизма, свойственного, например, узлам

проводящей системы сердца, возбуждение которых происхо-

дит в силу их внутренних свойств. Дыхательные нейроны

функционируют нормально лишь при двух условиях: 1) при

сохранности связей между их различными группами (хотя

пока не установлено, какие именно нейроны являются води-

телями ритма, пейсмекерами); 2) при наличии афферентной

стимуляции, особенно от хеморецепторов. Автоматизм инс-

пираторных нейронов продолговатого мозга изменяется в ре-

зультате реципрокных отношений между разными нейронами

дыхательного центра. Например, инспираторные нейроны

активируют экспираторные, а те в свою очередь тормозят их

активность. Кроме того, на автоматизм инспираторных ней-

ронов продолговатого мозга влияют нервные и гуморальные

факторы. К ним поступает информация от хеморецепторов

об изменении газового состава различных сред организма, от

механорецепторов легких, от вышележащих отделов ЦНС.

Все это приводит к тому, что непрерывная спонтанная им-

380

пульсная активность инспираторных нейронов продолговато-

го мозга преобразуется в периодическую фазную активность.

В продолговатом мозге выявлены следующие основные

типы дыхательных нейронов в зависимости от того, в какую

фазу дыхательного цикла они разряжаются:

• ранние инспираторные нейроны — дают залповый раз-

ряд с максимальной частотой в начале вдоха;

• поздние инспираторные нейроны — разряжаются в кон-

це вдоха;

• полные инспираторные нейроны — постоянно разряжа-

ются при протяжении всего вдоха;

• инспираторно-экспираторные (постинспираторные)

нейроны — начинают возбуждаться в конце фазы вдоха

и заканчиваются в начале выдоха;

• экспираторно-инспираторные (преинспираторные) —

начинают возбуждаться в конце фазы выдоха и заканчи-

ваются в начале вдоха;

• экспираторные с постоянной или постепенно нарастаю-

щей активностью во время выдоха.

В средней и каудальной (нижняя треть) частях варолиева

моста обнаружена группа клеток (апнейстический центр), по-

лучающих возбуждение от инспираторных нейронов и тормо-

зящих активность экспираторных нейронов, что способствует

смене выдоха на вдох. Если в эксперименте на животном раз-

рушить апнейстический центр, то возникает гаспинг — на

фоне длительного выдоха редкие судорожные вдохи.

В ростральной (верхняя треть) части варолиева моста рас-

положен пневмотакеический центр, который способствует

смене вдоха на выдох. При разрушении этого центра и одно-

временной перерезке афферентных волокон вагуса возникает

апнейзис — на фоне длительного вдоха короткие выдохи.

В регуляции дыхания принимает участие также средний

мозг, изменяя тонус дыхательной мускулатуры. Гипоталамус

участвует в регуляции частоты и глубины дыхания при физи-

ческой деятельности, изменениях температуры, при боли.

Лимбико-ретикулярный комплекс изменяет дыхание при раз-

личных эмоциях. Кора большого мозга обеспечивает произ-

вольное изменение дыхания, тонкое адекватное приспособле-

ние дыхания к меняющимся условиям существования орга-

низма.

Под дыхательным центром в узком смысле слова понима-

ют совокупность нейронов продолговатого мозга, без суще-

ствования которых дыхание вообще невозможно. Под дыха-

тельным центром в широком смысле слова понимают сово-

купность нервных структур, расположенных на различных

уровнях ЦНС, которые так или иначе участвуют в регуляции

дыхания, в его приспособлении к изменяющимся условиям

381

существования организма. Нервные клетки дыхательного

центра в широком смысле слова объединены в распределен-

ные иерархические сети. Активность нейронов дыхательного

центра в свою очередь управляется стимулами, исходящими

от хеморецепторов и механорецепторов дыхательной сис-

темы.

Работу дыхательного центра схематично можно предста-

вить следующим образом. Вдох начинается с возбуждения

преинспираторных нейронов дорсального ядра, активацию

которых вызывают импульсы от центральных и перифериче-

ских хеморецепторов, контролирующих содержание 0

, С0

и Н

в крови и тканях мозга. Далее последовательно возбуж-

даются ранние, полные и поздние инспираторные нейроны,

которые по нисходящим путям посылают импульсы к мото-

нейронам, иннервирующим диафрагму. В результате диа-

фрагма уплощается. Одновременно от инспираторных нейро-

нов дорсального ядра возбуждение идет к инспираторным

нейронам вентрального ядра, которые посылают импульсы к

мотонейронам, иннервирующим межреберные мышцы. Эти

мышцы сокращаются, ребра поднимаются, грудная клетка

увеличивается в объеме, происходит вдох. Чем сильнее им-

пульсация от хеморецепторов, тем круче нарастает инспира-

торная активность и быстрее развивается вдох.

Полному расслаблению инспираторных мышц и выдоху

предшествует плавное снижение их активности, обусловлен-

ное включением особой группы нейронов, которые оказы-

вают тормозящее влияние на инспираторную активность

постинспираторных нейронов. Активация поздних инспира-

торных нейронов приводит к возбуждению постинспиратор-

ных нейронов, затормаживающих активность инспираторно-

го центра. В результате от инспираторных нейронов прекра-

щается поток импульсов к альфа-мотонейронам, альфа-мото-

нейроны перестают посылать импульсы к дыхательным

мышцам, мышцы расслабляются, что сопровождается пре-

кращением вдоха и началом выдоха. Завершают выдох экспи-

раторные нейроны. Их активация происходит под влиянием

инспираторных нейронов, а также благодаря афферентации

от рецепторов растяжения легких и от нейронов пневмотак-

сического центра. Экспираторные нейроны оказывают окон-

чательное тормозное влияние на инспираторные нейроны,

завершая выдох. Далее вновь развивается возбуждение преин-

спираторных нейронов, которое стимулирует активность ран-

них инспираторных и тормозит активность экспираторных

нейронов.

Основным регулятором ритмогенеза и активности дыха-

тельного центра являются афферентные сигналы о газовом

составе внутренней среды организма от центральных и пери-

ферических хеморецепторов.

382

Центральные хеморецепторы располагаются в ростральных

отделах вентральной дыхательной группы в структурах голу-

бого пятна и ядрах шва продолговатого мозга. Они высоко-

чувствительны к изменению рС0

и рН в тканях мозга. При

накоплении С0

и снижении рН дыхание углубляется и уча-

щается, МОД повышается.

Периферические хеморецепторы располагаются в сосудах

различных органов, их скопления находятся в дуге аорты и в

каротидном синусе. Они высокочувствительны к низкому на-

пряжению 0

в крови и в гораздо меньшей степени — к вы-

сокому напряжению С0

в крови, а также повышению кон-

центрации водородных ионов. От периферических хеморе-

цепторных зон возбуждение направляется в дыхательный

центр по синусным нервам и афферентным волокнам блуж-

дающего нерва. От периферических и центральных хеморе-

цепторов в дыхательный центр одновременно поступает ин-

формация о дыхательных показателях различных гумораль-

ных сред — крови, лимфы, спинномозговой жидкости, меж-

клеточной жидкости дыхательного центра.

Содержание 0

, особенно С0

, в организме поддерживает-

ся на относительно постоянном уровне. Нормальное содер-

жание 0

в организме и тканях называется нормоксией, недо-

статок — гипоксией, а недостаток кислорода в крови — гипок-

семией. Увеличение напряжения 0

в крови называется гипер-

оксией.

Нормальное содержание С0

в крови называется нормокап-

нией, повышение содержания — гиперкапнией, а снижение —

гипокапнией.

Нормальное дыхание в состоянии покоя называется

эйпноэ. Гиперкапния, а также снижение величины рН крови

(ацидоз) сопровождаются увеличением вентиляции легких —

гиперпноэ, что приводит к выделению из организма избытка

С0

. Увеличение вентиляции легких происходит за счет уве-

личения глубины и частоты дыхания.

Гипокапния и повышение уровня рН крови приводят к

уменьшению вентиляции легких, а затем и к остановке дыха-

ния — апноэ.

При нормальном содержании 0

в артериальной крови в

афферентных нервных волокнах, отходящих, например, от

каротидных телец, регистрируются редкие импульсы. При

снижении напряжения 0

частота импульсации значительно

возрастает. Кроме того, афферентные влияния с каротидных

телец усиливаются при повышении в артериальной крови на-

пряжения С0

и концентрации водородных ионов. Хемо-

рецепторы, особенно каротидных телец, информируют ды-

хательный центр о напряжении 0

и С0

в крови, которая

направляется к мозгу. Афферентные пути от каротидного си-

нуса идут через синусную ветвь (языкоглоточного нерва) и

383

достигают дорсальной дыхательной группы нейронов продол-

говатого мозга.

Главным стимулом, управляющим дыханием, служит ги-

перкапния: чем выше напряжение С0

в артериальной крови

и внеклеточной жидкости мозга, тем сильнее возбуждение

бульбарных хемочувствительных структур и артериальных хе-

морецепторов и тем выше вентиляция. Меньшее значение в

регуляции дыхания имеет гипоксический стимул. Особенно

сильным стимулом для центрального дыхательного механиз-

ма является сочетание гиперкапнии с гипоксемией (и связан-

ным с ней ацидозом).

Смене вдоха на выдох способствуют сигналы, поступаю-

щие от механорецепторов растяжения легких по афферент-

ным волокнам блуждающих нервов (рефлекс Геринга—Брей-

ера). Механорецепторы растяжения легких участвуют в регу-

ляции глубины вдоха и его длительности. Они локализованы

главным образом в гладкомышечных участках стенки трахеи

и бронхов всех калибров и возбуждаются при вдохе. При по-

ступлении в легкие воздуха увеличивается частота импульса-

ции от рецепторов растяжения пропорционально степени

растяжения легких. По афферентным волокнам блуждающих

нервов импульсы направляются в дыхательный центр к экс-

пираторным и поздним инспираторным нейронам. Они воз-

буждаются и в свою очередь тормозят ранние инспираторные

нейроны. Кроме того, поток импульсов от рецепторов растя-

жения легких идет также к нейронам пневмотаксического

центра, которые в свою очередь возбуждают экспираторные

нейроны и тормозят ранние инспираторные. Если перерезать

блуждающие нервы, то дыхание становится редким, удлиня-

ется фаза вдоха. Таким образом, рефлекс Геринга—Брейера

способствует смене вдоха на выдох.

В эпителиальном и субэпителиальном слоях всех воздухо-

носных путей, а также в области корней легких расположены

так называемые ирритантные рецепторы, которые обладают

одновременно свойствами механо- и хеморецепторов. Они

раздражаются при сильных изменениях объема легких; часть

их возбуждается при вдохе и выдохе. Ирритантные рецепторы

возбуждаются также под действием пылевых частиц, паров

едких веществ и некоторых биологически активных веществ,

например гистамина, однако в регуляции смены вдоха и вы-

доха в нормальных условиях их активность существенной

роли не играет.

Импульсы, поступающие от центральных и перифериче-

ских хеморецепторов, являются необходимым условием пе-

риодической активности нейронов дыхательного центра и

соответствия вентиляции легких газовому составу крови.

Последний является жесткой константой внутренней среды

организма и поддерживается по принципу саморегуляции

384

Поведение в экстремальных условиях

Буферные свойства крови

Частота сердцебиений

Ударный объём

Скорость кровотока

Количество гемоглобина

Кислородная ёмкость крови

Количество эритроцитов

Сродство гемоглобина

к кислороду

Эритропоэз

Выделительная функция почек

Потоотделение

Выделительная функция

желудочно- кишечного тракта

Хемо- \

рецепторы \

сосудов /

Рис. 9.7. Функциональная система поддержания газового состава

внутренней среды организма (по К.В. Судакову).

путем формирования функциональной системы поддержания

постоянства газового состава крови (рис. 9.7). Системообра-

зующим фактором этой системы является определенное со-

отношение содержания С0

и 0

— газовая константа кро-

ви. Любые ее изменения являются стимулами для возбужде-

ния рецепторов, расположенных в альвеолах легких, в сосу-

дах, во внутренних органах. Информация от рецепторов

поступает в ЦНС, где осуществляется ее анализ и синтез, на

основе которых формируются аппараты реакций. Их сово-

купная деятельность приводит к восстановлению газовой

константы крови. В процесс восстановления этой константы

385