Come avviene lo scambio di gas nei polmoni e nei tessuti. Cos'è lo scambio di gas nel sangue, nei polmoni e nei tessuti? Caratteristiche dello scambio gassoso

Inspirando ed espirando alternativamente, una persona ventila i polmoni, mantenendo una composizione di gas relativamente costante negli alveoli. Una persona respira l'aria atmosferica da alto contenuto ossigeno (20,9%) e basso contenuto anidride carbonica (0,03%) ed espira aria in cui la quantità di ossigeno diminuisce e aumenta l'anidride carbonica. Consideriamo il processo di scambio di gas nei polmoni e nei tessuti umani.

La composizione dell'aria alveolare differisce da quella dell'aria inspirata ed espirata. Ciò è spiegato dal fatto che quando si inspira, l'aria dalle vie aeree (cioè espirata) entra negli alveoli, e quando si espira, al contrario, l'aria atmosferica situata nelle stesse vie aeree (il volume dello spazio morto) si mescola con l'aria espirata (alveolare).

Nei polmoni, l'ossigeno passa dall'aria alveolare al sangue e diossido di carbonio dal sangue entra nei polmoni per diffusione attraverso le pareti degli alveoli e capillari sanguigni. Il loro spessore totale è di circa 0,4 micron. La direzione e la velocità di diffusione sono determinate dalla pressione parziale del gas o dalla sua tensione.

Pressione parziale e tensione sono essenzialmente sinonimi, ma si parla di pressione parziale se un dato gas si trova in un mezzo gassoso, e di tensione se è disciolto in un liquido. La pressione parziale di un gas è quella parte della pressione totale della miscela di gas che cade su un dato gas.

La differenza tra la tensione dei gas nel sangue venoso e la loro pressione parziale nell'aria alveolare è di circa 70 mm Hg per l'ossigeno. Art., e per l'anidride carbonica - 7 mm Hg. Arte.

È stato sperimentalmente stabilito che con una differenza nella tensione dell'ossigeno di 1 mm Hg. Arte. in un adulto a riposo possono entrare nel sangue 25-60 cm 3 di ossigeno al minuto. Una persona a riposo necessita di circa 25-30 cm 3 di ossigeno al minuto. Di conseguenza, la differenza nei movimenti di ossigeno è di 70 mm Hg. Arte. sufficiente a fornire ossigeno al corpo condizioni diverse le sue attività: quando lavoro fisico, esercizi sportivi e così via.

La velocità di diffusione dell'anidride carbonica dal sangue è 25 volte maggiore di quella dell'ossigeno, quindi a causa della differenza di 7 mm Hg. Arte. l'anidride carbonica ha il tempo di fuoriuscire dal sangue.

Trasporta l'ossigeno dai polmoni ai tessuti e l'anidride carbonica dai tessuti ai polmoni: il sangue. Nel sangue, come in qualsiasi liquido, i gas possono trovarsi in due stati: fisicamente disciolti e chimicamente legati. Sia l'ossigeno che l'anidride carbonica sono molto piccola quantità dissolversi nel plasma sanguigno. Le principali quantità di ossigeno e anidride carbonica vengono trasferite chimicamente forma rilegata. Il principale trasportatore di ossigeno è l'emoglobina del sangue, ogni grammo della quale lega 1,34 cm 3 di ossigeno.

L'anidride carbonica viene trasportata dal sangue principalmente sotto forma composti chimici- bicarbonati di sodio e di potassio, ma una parte di essi viene trasportata anche allo stato legato all'emoglobina.

Il sangue arricchito di ossigeno nei polmoni viene trasportato in un ampio cerchio a tutti i tessuti del corpo, dove la diffusione nei tessuti avviene a causa della differenza nella sua tensione nel sangue e nei tessuti. L'ossigeno viene utilizzato nelle cellule dei tessuti processi biochimici respirazione tissutale (cellulare) - processi di ossidazione di carboidrati e grassi.

La quantità di ossigeno consumato e di anidride carbonica rilasciata varia all’interno della stessa persona. Dipende non solo dallo stato di salute, ma anche da attività fisica, alimentazione, età, sesso, temperatura ambientale, peso e superficie corporea, ecc.

Ad esempio, al freddo aumenta lo scambio di gas, che mantiene una temperatura corporea costante. Lo stato dello scambio gassoso viene utilizzato per giudicare la salute umana. Progettato per questo scopo metodi speciali studi basati sull'analisi della composizione dell'aria inalata e raccolta espirata.

Nei tessuti, il sangue cede ossigeno e assorbe anidride carbonica. Scambi gassosi nei capillari tissutali grande cerchio, così come nei capillari polmonari, è dovuta alla diffusione dovuta alla differenza delle tensioni parziali dei gas nel sangue e nei tessuti.

La tensione dell'anidride carbonica nelle cellule può raggiungere i 60 mm, nel fluido tissutale è molto variabile e in media è di 46 mm, e nel fluido che scorre ai tessuti sangue arterioso- 40 mmHg. Arte. Diffondendosi nella direzione del voltaggio più basso, l'anidride carbonica passa dalle cellule al fluido tissutale e quindi al sangue, rendendolo venoso. La tensione dell'anidride carbonica nel sangue mentre passa attraverso i capillari diventa uguale alla tensione dell'anidride carbonica nel fluido tissutale.

Le cellule consumano l'ossigeno in modo molto energetico, quindi la sua tensione parziale nel protoplasma delle cellule è molto bassa e quando la loro attività aumenta può essere pari a zero. Nel fluido tissutale, la tensione dell'ossigeno oscilla tra 20 e 40 mm. Di conseguenza, l'ossigeno fluisce continuamente dal sangue arterioso portato nei capillari della circolazione sistemica (qui la tensione dell'ossigeno è di 100 mm Hg) nel fluido tissutale. Di conseguenza, nel sangue venoso che scorre dai tessuti, la tensione dell'ossigeno è significativamente inferiore rispetto al sangue arterioso, pari a 40 mm.

Il sangue, passando attraverso i capillari di un ampio cerchio, non cede tutto il suo ossigeno. Il sangue arterioso contiene circa il 20% in volume di ossigeno, mentre il sangue venoso ne contiene circa il 12% in volume. % di ossigeno. Pertanto, su 20 vol. % l'ossigeno tissutale riceve 8 vol. %, ovvero il 40% dell'ossigeno totale contenuto nel sangue.

La quantità di ossigeno come percentuale del contenuto totale del sangue arterioso ricevuto dai tessuti è chiamata coefficiente di utilizzo dell'ossigeno. Viene calcolato determinando la differenza nel contenuto di ossigeno nel sangue arterioso e venoso. Questa differenza viene divisa per il contenuto di ossigeno nel sangue arterioso e moltiplicata per 100.

Il tasso di utilizzo dell'ossigeno varia in base a una serie di condizioni fisiologiche. A riposo, il corpo è del 30-40%. Durante il lavoro muscolare intenso, il contenuto di ossigeno nel sangue venoso che scorre dai muscoli diminuisce a 8-10 vol. % e, pertanto, l'utilizzo dell'ossigeno aumenta al 50-60%.

Una transizione più rapida dell'ossigeno nei tessuti è garantita dall'apertura dei capillari non funzionanti nel tessuto funzionante. Un aumento del tasso di utilizzo è facilitato anche dalla maggiore formazione di acidi lattici e carbonici, che riduce l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno e garantisce una più rapida diffusione dell'ossigeno dal sangue. Infine, un aumento dell'utilizzo dell'ossigeno è facilitato da un aumento della temperatura dei muscoli che lavorano e da un aumento dell'attività enzimatica e processi energetici, che si verificano nelle cellule. Pertanto, la fornitura di ossigeno ai tessuti è regolata in base all'intensità dei processi ossidativi.

Per fornire ossigeno alle cellule, ai tessuti e agli organi nel corpo umano, esiste sistema respiratorio. È costituito dai seguenti organi: cavità nasale, rinofaringe, laringe, trachea, bronchi e polmoni. In questo articolo studieremo la loro struttura. Considereremo anche lo scambio di gas nei tessuti e nei polmoni. Definiamo le caratteristiche respirazione esterna, che si verifica tra il corpo e l'atmosfera, e interno, che si verifica direttamente a livello cellulare.

Perché respiriamo?

La maggior parte delle persone risponderà senza pensarci: per ottenere ossigeno. Ma non sanno perché ne abbiamo bisogno. Molti rispondono semplicemente: l’ossigeno serve per respirare. Ne risulta alcuni Circolo vizioso. La biochimica, che studia il metabolismo cellulare, ci aiuterà a romperlo.

Le menti brillanti dell'umanità che studiano questa scienza sono giunte da tempo alla conclusione che l'ossigeno che entra nei tessuti e negli organi ossida carboidrati, grassi e proteine. In questo caso si formano composti poveri di energia: acqua, ammoniaca. Ma la cosa principale è che come risultato di queste reazioni viene sintetizzato l'ATP, un universale sostanza energetica, utilizzato dalla cellula per le sue funzioni vitali. Possiamo dire che lo scambio di gas nei tessuti e nei polmoni fornirà all'organismo e alle sue strutture l'ossigeno necessario per l'ossidazione.

Meccanismo di scambio di gas

Implica la presenza di almeno due sostanze di cui garantisce la circolazione nel corpo processi metabolici. Oltre all'ossigeno sopra menzionato, lo scambio di gas nei polmoni, nel sangue e nei tessuti avviene con un altro composto: l'anidride carbonica. Si forma nelle reazioni di dissimilazione. Essendo sostanza tossica scambio, deve essere rimosso dal citoplasma delle cellule. Diamo uno sguardo più da vicino a questo processo.

L'anidride carbonica penetra per diffusione membrana cellulare nel liquido interstiziale. Da lì entra nei capillari sanguigni - venule. Questi vasi poi si fondono per formare quello inferiore e quello superiore vena cava. Raccolgono il sangue saturo di CO 2. E lo inviano a atrio destro. Quando le sue pareti si contraggono, una porzione di sangue venoso entra nel ventricolo destro. È qui che inizia la circolazione polmonare (minore). Il suo compito è saturare il sangue con l'ossigeno. Il venoso nei polmoni diventa arterioso. E la CO 2, a sua volta, lascia il sangue e viene rimossa all'esterno attraverso. Per capire come ciò accade, devi prima studiare la struttura dei polmoni. Lo scambio di gas nei polmoni e nei tessuti avviene in strutture speciali: gli alveoli e i loro capillari.

Struttura polmonare

Questi sono organi accoppiati situati in cavità toracica. Il polmone sinistro è costituito da due lobi. Quello di destra è di dimensioni maggiori. Ha tre lobi. Attraverso le porte dei polmoni entrano due bronchi che, ramificandosi, formano il cosiddetto albero. L'aria si muove attraverso i suoi rami durante l'inspirazione e l'espirazione. Sui piccoli bronchioli respiratori ci sono vescicole - alveoli. Sono raccolti in acini. Questi, a loro volta, si formano parenchima polmonare. L'importante è che ogni vescicola respiratoria sia strettamente intrecciata con la rete capillare della piccola circolazione e della circolazione sistemica. Portare rami arterie polmonari, fornendo sangue venoso dal ventricolo destro, trasportano l'anidride carbonica nel lume degli alveoli. E le venule polmonari efferenti prendono ossigeno dall'aria alveolare.

Entra attraverso le vene polmonari atrio sinistro, e da esso - nell'aorta. I suoi rami sotto forma di arterie forniscono alle cellule del corpo l'ossigeno necessario per la respirazione interna. È negli alveoli che il sangue cambia da venoso ad arterioso. Pertanto, lo scambio di gas nei tessuti e nei polmoni viene effettuato direttamente dalla circolazione sanguigna attraverso la circolazione polmonare e sistemica. Ciò accade a causa delle continue contrazioni pareti muscolari camere cardiache.

Respirazione esterna

Si chiama anche ventilazione. Rappresenta lo scambio d'aria tra ambiente esterno e alveoli. L'inalazione fisiologicamente corretta attraverso il naso fornisce all'organismo una porzione di aria della seguente composizione: circa 21% O 2, 0,03% CO 2 e 79% azoto. Quindi entra negli alveoli. Hanno la loro porzione d'aria. La sua composizione è la seguente: 14,2% O 2, 5,2% CO 2, 80% N 2. L'inalazione, come l'espirazione, è regolata in due modi: nervoso e umorale (concentrazione di anidride carbonica). Grazie all'entusiasmo centro respiratorio midollo allungato, gli impulsi nervosi vengono trasmessi ai muscoli intercostali respiratori e al diaframma. Volume Petto aumenta. I polmoni, muovendosi passivamente seguendo le contrazioni della cavità toracica, si espandono. La pressione dell'aria al loro interno diventa inferiore a quella atmosferica. Pertanto, una parte dell'aria proveniente dalle vie respiratorie superiori entra negli alveoli.

L'espirazione segue l'inspirazione. È accompagnato dal rilassamento dei muscoli intercostali e dal sollevamento dell'arco del diaframma. Ciò porta ad una diminuzione del volume polmonare. La pressione dell'aria al loro interno diventa superiore alla pressione atmosferica. E l'aria con un eccesso di anidride carbonica sale nei bronchioli. Successivamente, lungo la parte superiore vie respiratorie, lui segue narice. La composizione dell'aria espirata è la seguente: 16,3% O 2, 4% CO 2, 79 N 2. In questa fase avviene lo scambio di gas esterno. Lo scambio gassoso polmonare, effettuato dagli alveoli, fornisce alle cellule l'ossigeno necessario per la respirazione interna.

Respirazione cellulare

Incluso nel sistema delle reazioni cataboliche del metabolismo e dell'energia. Questi processi sono studiati sia dalla biochimica che dall'anatomia e lo scambio di gas nei polmoni e nei tessuti è interconnesso ed è impossibile l'uno senza l'altro. Pertanto, fornisce ossigeno al fluido interstiziale e rimuove da esso l'anidride carbonica. E quello interno, svolto direttamente nella cellula dai suoi organelli - i mitocondri, che forniscono la fosfolazione ossidativa e la sintesi delle molecole di ATP, utilizza l'ossigeno per questi processi.

ciclo di Krebs

Il ciclo dell'acido tricarbossilico è quello principale e combina e coordina le reazioni della fase priva di ossigeno e i processi che coinvolgono le proteine ​​transmembrana. Agisce anche come fornitore di materiali da costruzione cellulare (amminoacidi, zuccheri semplici, acidi carbossilici superiori), formato nelle sue reazioni intermedie e utilizzato dalla cellula per la crescita e la divisione. Come puoi vedere, in questo articolo è stato studiato lo scambio di gas nei tessuti e nei polmoni, ed è così ruolo biologico nella vita del corpo umano.

Funzione escretoria dei polmoni - rimozione di più di 200 sostanze volatili formate nel corpo o che vi penetrano dall'esterno. In particolare nell'organismo si formano anidride carbonica, metano, acetone, sostanze esogene ( etanolo, etere etilico), sostanze gassose narcotiche (fluorotano, protossido di azoto) in vari gradi rimossi dal sangue attraverso i polmoni. L'acqua evapora anche dalla superficie degli alveoli.

Oltre all’aria condizionata, i polmoni sono coinvolti nella protezione del corpo dalle infezioni. I microrganismi depositati sulle pareti degli alveoli vengono catturati e distrutti dai macrofagi alveolari. I macrofagi attivati ​​producono fattori chemiotattici che attraggono i granulociti neutrofili ed eosinofili, che escono dai capillari e partecipano alla fagocitosi. I macrofagi con microrganismi inghiottiti sono in grado di migrare verso i capillari e i nodi linfatici, dove reazione infiammatoria. Nel proteggere il corpo da agenti infettivi che entrano nei polmoni con l'aria, il lisozima, l'interferone, le immunoglobuline (IgA, IgG, IgM) e gli anticorpi specifici dei leucociti formati nei polmoni sono importanti.

Filtrazione ed emostaticafunzione polmonare— quando il sangue passa attraverso il circolo polmonare, piccoli coaguli di sangue ed emboli vengono trattenuti e rimossi dal sangue.

I coaguli di sangue vengono distrutti dal sistema fibrinolitico dei polmoni. I polmoni sintetizzano fino al 90% di eparina che, entrando nel sangue, ne impedisce la coagulazione e migliora proprietà reologiche.

Deposito di sangue nei polmoni può raggiungere fino al 15% del volume sanguigno circolante. In questo caso, il sangue che entra nei polmoni dalla circolazione non si spegne. C'è un aumento dell'afflusso di sangue ai vasi microvascolarizzazione e le vene dei polmoni e il sangue “depositato” continuano a partecipare allo scambio di gas con l'aria alveolare.

Funzione metabolica comprende: la formazione di fosfolipidi e proteine ​​tensioattive, la sintesi di proteine ​​che costituiscono le fibre collagene e elastiche, la produzione di mucopolisaccaridi che costituiscono muco bronchiale, sintesi dell'eparina, partecipazione alla formazione e distruzione di sostanze biologicamente attive e di altro tipo.

Nei polmoni, l'angiotensina I viene convertita in un fattore vasocostrittore altamente attivo - angiotensina II, la bradichinina viene inattivata dell'80%, la serotonina viene catturata e depositata, così come il 30-40% della norepinefrina. L'istamina è inattivata e si accumula in essi, fino al 25% dell'insulina, il 90-95% delle prostaglandine del gruppo E ed F sono inattivate; si formano la prostaglandina (vasodilatatore prostaniclina) e l'ossido nitrico (NO). Depositato biologicamente sostanze attive in condizioni di stress, possono essere rilasciati dai polmoni nel sangue e contribuire allo sviluppo di reazioni d'urto.

Tavolo. Funzioni polmonari non respiratorie

Scambio di gas nei polmoni

La funzione più importante dei polmoni- garantire lo scambio di gas tra l'aria degli alveoli polmonari e il sangue dei capillari polmonari. Per comprendere i meccanismi dello scambio gassoso, è necessario conoscere la composizione gassosa dei mezzi scambiati tra loro, le proprietà delle strutture capillari alveolari attraverso le quali avviene lo scambio gassoso e tenere conto delle caratteristiche del flusso sanguigno polmonare e della ventilazione.

Composizione dell'aria alveolare ed espirata

La composizione dell'aria atmosferica, alveolare (contenuta negli alveoli polmonari) ed espirata è presentata nella tabella. 1.

Tabella 1. Contenuto dei principali gas nell'aria atmosferica, alveolare ed espirata

Sulla base della determinazione della percentuale di gas nell'aria alveolare, viene calcolata la loro pressione parziale. Nei calcoli, si presuppone che la pressione del vapore acqueo nel gas alveolare sia pari a 47 mmHg. Arte. Ad esempio, se il contenuto di ossigeno nel gas alveolare è del 14,4%, e Pressione atmosferica 740mmHg Art., allora la pressione parziale dell'ossigeno (p0 2) sarà: p0 2 = [(740-47)/100]. 14,4 = 99,8 mmHg. Arte. In condizioni di riposo, la pressione parziale dell'ossigeno nel gas alveolare oscilla intorno ai 100 mmHg. Art., e la pressione parziale dell'anidride carbonica è di circa 40 mm Hg. Arte.

Nonostante l'alternanza di inspirazione ed espirazione durante respiro calmo la composizione del gas alveolare cambia solo dello 0,2-0,4%, la relativa costanza della composizione dell'aria alveolare e dello scambio di gas tra esso e sta sanguinando continuamente. La costanza della composizione dell'aria alveolare viene mantenuta grazie al basso valore del coefficiente di ventilazione polmonare (LVC). Questo coefficiente mostra quale parte della capacità funzionale residua viene scambiata con aria atmosferica in 1 ciclo respiratorio. Normalmente, il CVL è 0,13-0,17 (cioè, durante un'inspirazione tranquilla, viene scambiato circa 1/7 della FRC). La composizione del gas alveolare in termini di contenuto di ossigeno e anidride carbonica differisce del 5-6% dal gas atmosferico.

Tavolo. 2. Composizione del gas dell'aria inalata e alveolare

Coefficiente di ventilazione varie aree i polmoni possono differire, quindi la composizione del gas alveolare ha misure differenti non solo nelle aree distanti, ma anche in quelle vicine del polmone. Ciò dipende dal diametro e dalla pervietà dei bronchi, dalla produzione di tensioattivo e dalla compliance dei polmoni, dalla posizione del corpo e dal grado di riempimento sanguigno vasi polmonari, velocità e rapporto tra la durata di inspirazione ed espirazione, ecc. La gravità ha un’influenza particolarmente forte su questo indicatore.

Riso. 2. Dinamica del movimento dell'ossigeno nei polmoni e nei tessuti

Con l'età, la pressione parziale dell'ossigeno negli alveoli praticamente non cambia, nonostante in modo significativo cambiamenti legati all’età numerosi indicatori della respirazione esterna (diminuzione, TLC, pervietà bronchiale, aumento della FRC, TLC, ecc.). Un aumento della frequenza respiratoria correlato all'età contribuisce a mantenere la stabilità della pO 2 negli alveoli.

Diffusione dei gas tra alveoli e sangue

La diffusione dei gas tra l'aria alveolare e il sangue è soggetta a legge generale diffusione, secondo la quale forza motriceè la differenza delle pressioni parziali (tensioni) del gas tra gli alveoli e il sangue (Fig. 3).

I gas disciolti nel plasma sanguigno che scorre verso i polmoni creano la loro tensione nel sangue, che è espressa nelle stesse unità (mmHg) della pressione parziale nell'aria. Il valore medio della tensione dell'ossigeno (pO 2) nel sangue dei capillari del circolo piccolo è di 40 mm Hg. Art., e la sua pressione parziale nell'aria alveolare è di 100 mm Hg. Arte. Il gradiente di pressione dell’ossigeno tra l’aria alveolare e il sangue è di 60 mmHg. Arte. La tensione di anidride carbonica nel sangue venoso in entrata è di 46 mm Hg. Art., negli alveoli - 40 mm Hg. Arte. e il gradiente di pressione dell'anidride carbonica è 6 mmHg. Arte. Questi gradienti sono la forza trainante dello scambio gassoso tra aria alveolare e sangue. Va tenuto presente che i valori del gradiente indicati sono disponibili solo all'inizio dei capillari, ma man mano che il sangue si muove attraverso il capillare, la differenza tra la pressione parziale nel gas alveolare e la tensione nel sangue diminuisce.

Riso. 3. Fisico-chimico e condizioni morfologiche scambio gassoso tra aria alveolare e sangue

La velocità di scambio di ossigeno tra aria alveolare e sangue è influenzata sia dalle proprietà del mezzo attraverso il quale avviene la diffusione, sia dal tempo (circa 0,2 s) durante il quale la porzione di ossigeno trasferita si lega all'emoglobina.

Per passare dall'aria alveolare al globulo rosso e legarsi all'emoglobina, una molecola di ossigeno deve diffondersi attraverso:

• uno strato di tensioattivo che riveste gli alveoli;
• epitelio alveolare;
• membrane basali e spazio interstiziale tra epitelio ed endotelio;
• endotelio capillare;
• strato di plasma sanguigno tra l'endotelio e gli eritrociti;
• membrana dei globuli rossi;
• strato di citoplasma in un eritrocita.

La distanza totale di questo spazio di diffusione è compresa tra 0,5 e 2 µm.

I fattori che influenzano la diffusione dei gas nei polmoni si riflettono nella formula di Fick:

V = −kS(P 1 −P 2)/d,

dove V è il volume del gas diffondente; k è il coefficiente di permeabilità del mezzo ai gas, dipendente dalla solubilità del gas nei tessuti e dal suo peso molecolare; S è la superficie di diffusione dei polmoni; P 1 e P 2 - tensione del gas nel sangue e negli alveoli; d è lo spessore dello spazio di diffusione.

In pratica, a scopo diagnostico, un indicatore chiamato capacità di diffusione dell’ossigeno da parte dei polmoni(DL O2). È uguale al volume di ossigeno diffuso dall'aria alveolare nel sangue attraverso l'intera superficie di scambio gassoso in 1 minuto con un gradiente di pressione dell'ossigeno di 1 mm Hg. Arte.

DL O2 = Vo 2 /(P 1 −P 2)

dove Vo2 è la diffusione dell'ossigeno nel sangue in 1 minuto; P 1 - pressione parziale dell'ossigeno negli alveoli; P 2 - tensione dell'ossigeno nel sangue.

A volte viene chiamato questo indicatore coefficiente di trasferimento. Normalmente, quando un adulto è a riposo, il valore di DL O2 = 20-25 ml/min mmHg. Arte. A attività fisica Il DL O2 aumenta e può raggiungere i 70 ml/min mm Hg. Arte.

Nelle persone anziane il valore O2 DL diminuisce; a 60 anni è circa 1/3 in meno che nei giovani.

Per determinare il DL O2, viene spesso utilizzata una determinazione tecnicamente più facilmente fattibile del DL CO. Prendere una boccata d'aria contenente lo 0,3% monossido di carbonio, trattenere il respiro per 10-12 s, quindi espirare e, determinando il contenuto di CO in ultima porzione aria espirata, calcolare il passaggio di CO nel sangue: DL O2 = DL CO. 1.23.

Coefficiente di permeabilità mezzi biologici per la CO 2 è 20-25 volte superiore a quella per l'ossigeno. Pertanto la diffusione della CO 2 nei tessuti del corpo e nei polmoni, con gradienti di concentrazione inferiori a quelli dell'ossigeno, procede rapidamente, e l'anidride carbonica contenuta nel sangue venoso è maggiore (46 mm Hg) che negli alveoli (40 mm Hg. Art.), la pressione parziale, di regola, riesce a fuoriuscire nell'aria alveolare anche con una certa insufficienza del flusso sanguigno o della ventilazione, mentre lo scambio di ossigeno in tali condizioni diminuisce.

Riso. 4. Scambi gassosi nei capillari della circolazione sistemica e polmonare

La velocità del movimento del sangue nei capillari polmonari è tale che un globulo rosso passa attraverso il capillare in 0,75-1 s. Questo tempo è sufficiente per un equilibrio quasi completo della pressione parziale dell'ossigeno negli alveoli e della sua tensione nel sangue dei capillari polmonari. Occorrono solo circa 0,2 s affinché l'ossigeno si leghi all'emoglobina di un globulo rosso. Anche la pressione dell’anidride carbonica tra il sangue e gli alveoli si stabilizza rapidamente. Nel sangue arterioso che arriva dai polmoni attraverso le vene del piccolo circolo persona sana V condizioni normali la tensione dell'ossigeno è 85-100 mmHg. Art., e la tensione di CO 2 è 35-45 mm Hg. Arte.

Per caratterizzare le condizioni e l'efficienza dello scambio di gas nei polmoni, insieme a DL 0, viene utilizzato anche il fattore di utilizzo dell'ossigeno (CI O2), che riflette la quantità di ossigeno (in ml) assorbita da 1 litro di aria che entra nei polmoni: CI 02 = V O2 ml*min - 1 /MOD l*min -1 Normalmente, CI = 35-40 ml*l -1.

Scambi gassosi nei tessuti

Lo scambio di gas nei tessuti segue le stesse leggi dello scambio di gas nei polmoni. La diffusione dei gas avviene nella direzione dei loro gradienti di tensione; la sua velocità dipende dall'entità di questi gradienti, dall'area dei capillari sanguigni funzionanti, dallo spessore dello spazio di diffusione e dalle proprietà dei gas. Molti di questi fattori, e quindi la velocità dello scambio gassoso, possono variare a seconda della velocità lineare e volumetrica del flusso sanguigno, del contenuto e delle proprietà dell'emoglobina, della temperatura, del pH, dell'attività degli enzimi cellulari e di una serie di altre condizioni.

Oltre a questi fattori, lo scambio di gas (soprattutto ossigeno) tra sangue e tessuti è facilitato da: mobilità delle molecole di ossiemoglobina (la loro diffusione sulla superficie della membrana eritrocitaria), convezione del citoplasma e del liquido interstiziale, nonché filtrazione e riassorbimento dei liquidi nel microcircolo.

Scambio gassoso di ossigeno

Lo scambio di gas tra sangue arterioso e tessuti inizia già a livello delle arteriole con un diametro di 30-40 micron e avviene attraverso il sistema microvascolare fino al livello delle venule. Tuttavia, i capillari svolgono il ruolo principale nello scambio di gas. Per studiare lo scambio di gas nei tessuti, è utile immaginare il cosiddetto “cilindro tissutale (cono)”, che comprende un capillare e strutture tissutali adiacenti fornite di ossigeno (Fig. 5). Il diametro di un tale cilindro può essere giudicato dalla distanza intercapillare. Si trova a circa 25 micron nel muscolo cardiaco, nella corteccia grande cervello— 40 µm, pollici muscoli scheletrici ascia - 80 micron.

La forza trainante per lo scambio di gas in un cilindro di tessuto è il gradiente di tensione dell'ossigeno. Ci sono gradienti longitudinali e trasversali. Il gradiente longitudinale è diretto lungo il capillare. La tensione dell'ossigeno nella parte iniziale del capillare può essere di circa 100 mmHg. Arte. Quando i globuli rossi si spostano verso la parte venosa del capillare e l'ossigeno si diffonde nel tessuto, la pO2 scende ad una media di 35-40 mm Hg. Art., ma in alcune condizioni può scendere fino a 10 mm Hg. Arte. Il gradiente trasversale di voltaggio dell'O2 in un cilindro tissutale può raggiungere i 90 mmHg. Arte. (nelle zone di tessuto più distanti dal capillare, nel cosiddetto “angolo morto”, p0 2 può essere 0-1 mm Hg).

Riso. 5. Rappresentazione schematica del “cilindro tissutale” e della distribuzione della tensione di ossigeno nelle estremità arteriose e venose del capillare a riposo e durante il lavoro intenso

Pertanto, nelle strutture tissutali, l'apporto di ossigeno alle cellule dipende dal grado di rimozione dai capillari sanguigni. Le cellule adiacenti alla porzione venosa del capillare sono presenti condizioni peggiori erogazione di ossigeno. Per corso normale Per i processi ossidativi nelle cellule è sufficiente una tensione di ossigeno di 0,1 mm Hg. Arte.

Le condizioni dello scambio gassoso nei tessuti sono influenzate non solo dalla distanza intercapillare, ma anche dalla direzione del movimento del sangue nei capillari adiacenti. Se la direzione del flusso sanguigno nella rete capillare che circonda una determinata cellula tissutale è multidirezionale, ciò aumenta l'affidabilità della fornitura di ossigeno al tessuto.

L'efficienza della cattura dell'ossigeno da parte dei tessuti è caratterizzata dal valore tasso di utilizzo dell'ossigeno(KUC) è il rapporto, espresso in percentuale, tra il volume di ossigeno assorbito dal tessuto dal sangue arterioso per unità di tempo e il volume totale di ossigeno fornito dal sangue ai vasi tissutali nello stesso tempo. È possibile determinare il CUC del tessuto in base alla differenza nel contenuto di ossigeno nel sangue vasi arteriosi e nel sangue venoso che scorre dal tessuto. In uno stato di riposo fisico negli esseri umani valore medio L’AUC è del 25-35%. Anche durante la falciatura il valore del CUC è organi diversi non lo stesso. A riposo, il CV del miocardio è circa il 70%.

Durante l'attività fisica, il grado di utilizzo dell'ossigeno aumenta al 50-60% e in alcuni dei muscoli e nel cuore che lavorano più attivamente può raggiungere il 90%. Questo aumento del CUC nei muscoli è dovuto innanzitutto ad un aumento del flusso sanguigno al loro interno. Allo stesso tempo, i capillari che non funzionavano a riposo si aprono, la superficie di diffusione aumenta e le distanze di diffusione per l'ossigeno diminuiscono. Un aumento del flusso sanguigno può essere causato sia di riflesso che sotto l'influenza fattori locali, dilatando i vasi sanguigni muscolari. Tali fattori sono un aumento della temperatura del muscolo che lavora, un aumento della pCO 2 e una diminuzione del pH del sangue, che non solo contribuiscono ad un aumento del flusso sanguigno, ma causano anche una diminuzione dell'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno e un accelerazione della diffusione dell'ossigeno dal sangue ai tessuti.

Diminuzione della tensione dell'ossigeno nei tessuti o difficoltà nell'utilizzarlo respirazione dei tessuti chiamato ipossia. L'ipossia può essere il risultato di una ridotta ventilazione polmonare o di un'insufficienza circolatoria, di una ridotta diffusione dei gas nei tessuti e di un'attività insufficiente degli enzimi cellulari.

Lo sviluppo dell'ipossia tissutale nei muscoli scheletrici e nel cuore è in una certa misura impedito dalla cromoproteina in essi contenuta, la mioglobina, che funge da deposito di ossigeno. Il gruppo prostetico della mioglobina è simile all'eme dell'emoglobina e la parte proteica della molecola è rappresentata da una catena polipeptidica. Una molecola di mioglobina è in grado di legare solo una molecola di ossigeno e 1 g di mioglobina - 1,34 ml di ossigeno. La mioglobina è particolarmente abbondante nel miocardio, con una media di 4 mg/g di tessuto. Con la completa ossigenazione della mioglobina, l'apporto di ossigeno che crea in 1 g di tessuto sarà di 0,05 ml. Questo ossigeno può essere sufficiente per 3-4 contrazioni cardiache. L'affinità della mioglobina per l'ossigeno è maggiore di quella dell'emoglobina. La pressione di semisaturazione P50 della mioglobina è compresa tra 3 e 4 mm Hg. Arte. Pertanto, in condizioni di sufficiente perfusione del muscolo con il sangue, immagazzina ossigeno e lo rilascia solo quando compaiono condizioni prossime all'ipossia. La mioglobina negli esseri umani lega fino al 14% della quantità totale di ossigeno nel corpo.

IN l'anno scorso Sono state scoperte altre proteine ​​che possono legare l'ossigeno nei tessuti e nelle cellule. Tra questi ci sono la proteina neuroglobina, presente nel tessuto cerebrale e nella retina dell'occhio, e la citoglobina, presente nei neuroni e in altri tipi di cellule.

Iperossia - aumento della tensione di ossigeno nel sangue e nei tessuti rispetto al normale. Questa condizione può svilupparsi quando una persona respira ossigeno puro (per un adulto, tale respirazione è consentita per non più di 4 ore) o quando viene posto in camere con ipertensione aria. Con l'iperossia, i sintomi della tossicità dell'ossigeno possono svilupparsi gradualmente. Pertanto, quando uso a lungo termine respirando una miscela di gas con un alto contenuto di ossigeno, il suo contenuto non deve superare il 50%. Particolarmente pericoloso contenuto aumentato ossigeno nell'aria inspirata per i neonati. Inalazione prolungata ossigeno puro rappresenta una minaccia di sviluppare danni alla retina, all'epitelio polmonare e ad alcune strutture cerebrali.

Scambio gassoso dell'anidride carbonica

Normalmente, la tensione dell'anidride carbonica nel sangue arterioso oscilla tra 35 e 45 mm Hg. Arte. Il gradiente di tensione dell'anidride carbonica tra il sangue arterioso in ingresso e le cellule che circondano il tessuto capillare può raggiungere i 40 mmHg. Arte. (40 mm Hg nel sangue arterioso e fino a 60-80 mm in strati profondi cellule). Sotto l'influenza di questo gradiente, l'anidride carbonica si diffonde dai tessuti all'interno sangue capillare, provocando un aumento della tensione a 46 mm Hg. Arte. e un aumento del contenuto di anidride carbonica al 56-58 vol%. Circa un quarto di tutta l'anidride carbonica rilasciata dai tessuti nel sangue si lega all'emoglobina, il resto, grazie all'enzima anidrasi carbonica, si combina con l'acqua e forma acido carbonico, che viene rapidamente neutralizzato mediante l'aggiunta di ioni Na" e K" e viene trasportato ai polmoni sotto forma di questi bicarbonati.

La quantità di anidride carbonica disciolta nel corpo umano è di 100-120 litri. Questo è circa 70 volte più inventario ossigeno nel sangue e nei tessuti. Quando la tensione dell'anidride carbonica nel sangue cambia, avviene la sua ridistribuzione intensiva tra esso e i tessuti. Pertanto, quando la ventilazione è inadeguata, il livello di anidride carbonica nel sangue cambia più lentamente rispetto al livello di ossigeno. Dal momento che grasso e tessuto osseo contenere soprattutto un gran numero di anidride carbonica disciolta e legata, quindi possono fungere da tampone, catturando l'anidride carbonica durante l'ipercapnia e rilasciandola durante l'ipocapnia.

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Scambi gassosi nei polmoni e nei tessuti

Respiriamo aria atmosferica. Contiene circa il 21% di ossigeno, lo 0,03% di anidride carbonica, quasi il 79% di azoto e vapore acqueo. L'aria che espiriamo differisce nella composizione dall'aria atmosferica. Contiene già il 16% di ossigeno, circa il 4% di anidride carbonica e c'è più vapore acqueo. La quantità di azoto non cambia.

Scambio di gas nei polmoni- è lo scambio di gas tra l'aria alveolare e il sangue dei capillari polmonari per diffusione. Nei polmoni il sangue viene liberato dall'anidride carbonica e saturo di ossigeno.

Attraverso le arterie della circolazione polmonare, i polmoni ricevono sangue deossigenato. L'aria che una persona inala contiene molto più ossigeno del sangue venoso. Pertanto, di conseguenza lui diffusione passa liberamente attraverso le pareti degli alveoli e dei capillari nel sangue. Qui l'ossigeno si combina con emoglobina- pigmento rosso degli eritrociti. Il sangue si satura di ossigeno e diventa arterioso. Allo stesso tempo, l'anidride carbonica entra negli alveoli. Grazie a respirazione polmonare il rapporto tra ossigeno e anidride carbonica nell'aria degli alveoli viene mantenuto livello costante, e lo scambio di gas tra sangue e aria alveolare continua continuamente, indipendentemente dal fatto che inspiriamo l'aria questo momento o trattenere il respiro per un po'.

Lo scambio di gas nei polmoni avviene a causa dell'esistenza di una differenza pressione parziale gas respiratori. La pressione parziale (cioè parziale) è la parte della pressione totale che rappresenta la quota di ciascun gas nella miscela di gas. Questa pressione è misurata in mmHg. Arte. La pressione parziale dipende dalla percentuale di gas nella miscela di gas: maggiore è percentuale, maggiore è la pressione parziale.

La pressione parziale può essere calcolata utilizzando la formula di Dalton: p = (P x a)/100, dove p è la pressione parziale di un dato gas, P è pressione totale miscela di gas in mm Hg. Art., a è la percentuale di gas nella miscela di gas. Ad esempio, la pressione parziale dell'ossigeno nell'aria inspirata è: (760 x 20,94)/100 = 159 mmHg. Arte. La pressione parziale dell'anidride carbonica nell'aria inspirata è 0,2 mmHg. Arte. Negli alveoli polmonari la pressione parziale dell'ossigeno è 106 mmHg. Art. e anidride carbonica - 40 mm Hg. Arte. Pertanto, l'ossigeno e l'anidride carbonica si spostano dall'area pressione più elevata in un'area di pressione inferiore.

Scambi gassosi nei tessuti- questo è lo scambio di gas tra il sangue arterioso in entrata, il fluido intercellulare, le cellule e il deflusso sangue venoso. Il meccanismo di questo scambio è lo stesso che nei polmoni. Questa è la diffusione associata alla differenza nella pressione parziale dei gas nel sangue, fluido intercellulare e cellule del corpo. Nei tessuti il ​​sangue cede ossigeno ed è saturo di anidride carbonica.

Sangue arterioso attraverso i vasi della circolazione sistemica è diretto agli organi del corpo. Il contenuto di ossigeno nel sangue arterioso è maggiore che nelle cellule dei tessuti. Pertanto, ossigeno grazie a diffusione passa liberamente pareti sottili capillari nelle cellule. L'ossigeno viene utilizzato per l'ossidazione biologica e l'energia rilasciata va ai processi vitali della cellula. Questo produce anidride carbonica, che entra nel sangue dalle cellule dei tessuti. Il sangue arterioso si trasforma in venoso. Ritorna ai polmoni e qui diventa nuovamente arterioso.

È noto che i gas sono scarsamente solubili in acqua calda, ancora peggio in acqua calda e salata. Come spiegare che l'ossigeno penetra nel sangue, nonostante il sangue sia un liquido caldo e salato? La risposta a questa domanda sta nelle proprietà emoglobina globuli rossi, che trasportano l'ossigeno dagli organi respiratori ai tessuti e da essi l'anidride carbonica organi respiratori. La sua molecola interagisce chimicamente con l'ossigeno: cattura 8 atomi di ossigeno e li consegna ai tessuti.

Capacità vitale dei polmoni

Capacità vitale dei polmoni- Questo numero maggiore aria che può essere espirata dopo un'inspirazione massima. Questa capacità è uguale alla somma volume corrente, volume di riserva di inspirazione ed espirazione. Questo indicatore varia da 3.500 a 4.700 ml. Per determinare vari volumi e capacità dei polmoni, vengono utilizzati dispositivi speciali: spirometri , spirografi e così via.

Se chiedi a una persona di fare di più respiro profondo, e poi espira tutta l'aria, quindi il volume d'aria espirata sarà capacità vitale(VEL). È chiaro che anche dopo questa espirazione rimarrà ancora dell'aria nei polmoni - aria residua- pari a circa 1000-1200 cm 3.

La capacità vitale dei polmoni dipende dall'età, dal sesso, dall'altezza e infine dal grado di allenamento di una persona. Per calcolare quale dovrebbe essere la portata d'aria vitale è possibile utilizzare le seguenti formule:

VC (l) uomini = 2,5 x altezza (m); VC (l) donne = 1,9 x altezza (m).

La capacità vitale è la capacità vitale dei polmoni (in litri), l'altezza deve essere espressa in metri, e 2,5 e 1,9 sono coefficienti riscontrati sperimentalmente. Se la capacità vitale effettiva dei polmoni risulta essere uguale o superiore ai valori calcolati, i risultati sono da considerarsi buoni; se inferiore, i risultati sono da considerarsi cattivi. Viene misurata la capacità vitale dei polmoni dispositivo speciale- spirometro.

Quali sono i vantaggi delle persone con il livello alto? capacità vitale polmoni? Durante il lavoro fisico pesante, come la corsa, la ventilazione dei polmoni si ottiene attraverso la respirazione profonda. Una persona la cui capacità polmonare vitale è piccola e uniforme muscoli respiratori deboli, devono respirare velocemente e superficialmente. Questo porta a Aria fresca rimane nelle vie aeree e solo una piccola parte raggiunge i polmoni. Di conseguenza, i tessuti ricevono una quantità insignificante di ossigeno e la persona non può continuare a lavorare.

Al sistema ginnastica per il miglioramento della salute deve essere incluso esercizi di respirazione. Molti di essi mirano a ventilare la parte superiore dei polmoni, che, di norma, nella maggior parte delle persone sono scarsamente ventilati. Se alzi le braccia, ti pieghi all'indietro e inspiri, i muscoli si tirano indietro parte in alto petto in su e la parte superiore dei polmoni è ventilata. I muscoli addominali ben sviluppati aiutano a effettuare la respirazione completa. Ciò significa che sviluppando i muscoli respiratori possiamo aumentare il volume della cavità toracica, e quindi la capacità vitale.