Come avviene lo scambio gassoso nei polmoni? Scambi gassosi nei tessuti e nei polmoni. La struttura dell'apparato respiratorio

Scambi gassosi nei polmoni e nei tessuti.

Nei polmoni avviene lo scambio gassoso tra l’aria che entra negli alveoli e il sangue che scorre attraverso i capillari. L'intenso scambio gassoso tra l'aria degli alveoli e il sangue è facilitato dal ridotto spessore della cosiddetta barriera aereo-ematica. È formato dalle pareti degli alveoli e dei capillari sanguigni. Lo spessore della barriera è di circa 2,5 micron. Le pareti degli alveoli sono costituite da epitelio squamoso monostrato, ricoperto all'interno da una sottile pellicola di fosfolipide, un tensioattivo, che impedisce agli alveoli di aderire tra loro durante l'espirazione e riduce la tensione superficiale.

Gli alveoli sono intrecciati con una fitta rete di capillari sanguigni, che aumenta notevolmente l'area su cui avviene lo scambio di gas tra aria e sangue.

Durante l'inspirazione, la concentrazione (pressione parziale) di ossigeno negli alveoli è molto più elevata (100 mm Hg) che nel sangue venoso (40 mm Hg) che scorre attraverso i capillari polmonari. Pertanto, l'ossigeno fuoriesce facilmente

dagli alveoli nel sangue, dove si combina rapidamente con l'emoglobina degli eritrociti. Allo stesso tempo, l'anidride carbonica, la cui concentrazione nel sangue venoso dei capillari è elevata (47 mm Hg), si diffonde negli alveoli, dove la sua pressione parziale è inferiore (40 mm Hg). L'anidride carbonica viene rimossa dagli alveoli polmonari con l'aria espirata.

Pertanto, la differenza di pressione (tensione) di ossigeno e diossido di carbonio nell'aria alveolare, nel sangue arterioso e venoso, consente all'ossigeno di diffondersi dagli alveoli nel sangue e al carbonio

gas acido dal sangue agli alveoli.

Grazie alla particolare proprietà dell'emoglobina di combinarsi con l'ossigeno e l'anidride carbonica, il sangue è in grado di assorbire questi gas in quantità significative. In 1000 ml sangue arterioso contenuto fino a

20 ml di ossigeno e fino a 52 ml di anidride carbonica. Una molecola di emoglobina è in grado di attaccare a sé 4 molecole di ossigeno, formando un composto instabile: l'ossiemoglobina.

Nei tessuti del corpo, a seguito del metabolismo continuo e degli intensi processi ossidativi, si consuma ossigeno e si forma anidride carbonica. Quando il sangue entra nei tessuti del corpo, l'emoglobina fornisce ossigeno alle cellule e ai tessuti. L'anidride carbonica formata durante il metabolismo passa dai tessuti al sangue e si unisce all'emoglobina. In questo caso si forma un composto fragile: la carboemoglobina. La rapida combinazione dell'emoglobina con l'anidride carbonica è facilitata dall'enzima anidrasi carbonica presente nei globuli rossi.

L'emoglobina nei globuli rossi può anche combinarsi con altri gas, ad esempio il monossido di carbonio, per formare un composto abbastanza forte, la carbossiemoglobina.

Un apporto insufficiente di ossigeno ai tessuti (ipossia) può verificarsi quando manca ossigeno nell'aria inalata. L'anemia, una diminuzione della quantità di emoglobina nel sangue, si verifica quando il sangue non può trasportare ossigeno.

Quando la respirazione si ferma o si ferma, si sviluppa il soffocamento (asfissia). Questa condizione può verificarsi a causa di annegamento o di altre circostanze impreviste. Quando il respiro si ferma, quando il cuore batte ancora

dovrebbe funzionare, la respirazione artificiale viene eseguita utilizzando dispositivi speciali e, in loro assenza, utilizzando il metodo "bocca a bocca", "bocca a naso" o comprimendo ed espandendo Petto.

23. CONCETTO DI IPOSSIA. FORME ACUTE E CRONICHE. TIPI DI IPOSSIA.

Uno di condizioni obbligatorie La vita di un organismo è la sua continua educazione e consumo di energia. Viene speso per garantire il metabolismo, preservare e rinnovare gli elementi strutturali di organi e tessuti, nonché per svolgere le loro funzioni. La mancanza di energia nel corpo porta a notevoli disturbi metabolici, cambiamenti morfologici e disfunzioni e spesso alla morte dell'organo e persino dell'organismo. La base della carenza energetica è l'ipossia.

Ipossia- un tipico processo patologico, solitamente caratterizzato da una diminuzione del contenuto di ossigeno nelle cellule e nei tessuti. Si sviluppa a causa dell'insufficienza dell'ossidazione biologica ed è la base per i disturbi nell'approvvigionamento energetico delle funzioni e dei processi sintetici del corpo.

tipi di ipossia

A seconda delle cause e delle caratteristiche dei meccanismi di sviluppo, si distinguono le seguenti tipologie:

1. Esogeno:

ipobarico;

normobarico.

Respiratorio (respirazione).

Circolatorio (cardiovascolare).

Emico (sangue).

Tessuto (tessuto primario).

Sovraccarico (ipossia da stress).

Substrato.

Misto.

A seconda della prevalenza nell'organismo, l'ipossia può essere generale o locale (con ischemia, stasi o iperemia venosa di singoli organi e tessuti).

A seconda della gravità del decorso, si distingue l'ipossia lieve, moderata, grave e critica, che è irta di morte del corpo.

A seconda della velocità di insorgenza e della durata del corso, l'ipossia può essere:

fulmine: si verifica in poche decine di secondi e spesso termina con la morte;

acuto - si manifesta in pochi minuti e può durare diversi giorni:

cronico: si verifica lentamente, dura diverse settimane, mesi, anni.

Caratteristiche dei singoli tipi di ipossia

Tipo esogeno

Causa : una diminuzione della pressione parziale dell'ossigeno P 0 2 nell'aria inalata, che si osserva durante le salite in montagna ("mal di montagna") o quando gli aerei sono depressurizzati ("mal di alta quota"), nonché quando le persone sono in spazi ristretti di piccolo volume, quando si lavora in miniere, pozzi, sottomarini.

Principali fattori patogeni:

ipossiemia (diminuzione del contenuto di ossigeno nel sangue);

ipocapnia (diminuzione del contenuto di CO2), che si sviluppa a seguito di un aumento della frequenza e della profondità della respirazione e porta ad una diminuzione dell'eccitabilità dei centri respiratori e cardiovascolari del cervello, che aggrava l'ipossia.

Tipo respiratorio (respirazione).

Causa: insufficienza dello scambio di gas nei polmoni durante la respirazione, che può essere dovuta a una diminuzione della ventilazione alveolare

zione o difficoltà nella diffusione dell'ossigeno nei polmoni e può essere osservata con enfisema, polmonite. Principali fattori patogeni:

ipossiemia arteriosa. per esempio nella polmonite, nell'ipertensione della circolazione polmonare, ecc.;

ipercapnia, cioè aumento del contenuto di CO2;

anche l'ipossiemia e l'ipercapnia sono caratteristiche dell'asfissia - soffocamento (cessazione della respirazione).

Tipo circolatorio (cardiovascolare).

Motivo: disturbi circolatori, che portano ad un insufficiente apporto di sangue a organi e tessuti, che si osserva con massiccia perdita di sangue, disidratazione, disfunzione del cuore e dei vasi sanguigni, reazioni allergiche, squilibrio elettrolitico, ecc.

Il principale fattore patogenetico è l'ipossiemia del sangue venoso, poiché a causa sua progresso lento Nei capillari si verifica un intenso assorbimento di ossigeno, combinato con un aumento della differenza artero-venosa di ossigeno .

Tipo emico (sangue).

Motivo: diminuzione della capacità effettiva di ossigeno del sangue. Si osserva con anemia, violazione della capacità dell'emoglobina di legare, trasportare e rilasciare ossigeno nei tessuti (ad esempio, con avvelenamento da monossido di carbonio o con ossigenazione iperbarica).

Il principale fattore patogenetico è una diminuzione del contenuto volumetrico di ossigeno nel sangue arterioso, nonché un calo della tensione e del contenuto di ossigeno nel sangue venoso .

Tipo di tessuto

Capacità compromessa delle cellule di assorbire ossigeno;

Ridotta efficienza dell'ossidazione biologica a causa del disaccoppiamento tra ossidazione e fosforilazione. Si sviluppa quando gli enzimi di ossidazione biologica vengono inibiti, ad esempio a causa di avvelenamento da cianuro, esposizione a radiazioni ionizzanti, ecc.

Il principale collegamento patogenetico è l'insufficienza dell'ossidazione biologica e, di conseguenza, la carenza di energia nelle cellule. In questo caso, c'è un contenuto e una tensione normali di ossigeno nel sangue arterioso, un aumento nel sangue venoso e una diminuzione della differenza artero-venosa nell'ossigeno.

Tipo di sovraccarico

Causa : iperfunzione eccessiva o prolungata di qualsiasi organo o tessuto. Questo è più spesso osservato durante il lavoro fisico pesante. .

Principali legami patogenetici: ipossiemia venosa significativa; ipercapnia .

Tipo di substrato

Motivo: carenza primaria di substrati di ossidazione, solitamente glucosio. COSÌ. la cessazione dell'apporto di glucosio al cervello entro 5-8 minuti porta a cambiamenti distrofici e morte neuronale.

Principale fattore patogenetico - carenza di energia forma di ATP e insufficiente apporto energetico alle cellule.

Tipologia mista

Motivo: l'azione di fattori che determinano l'inclusione di vari tipi di ipossia. Essenzialmente, qualsiasi ipossia grave, soprattutto l'ipossia a lungo termine, è mista.

Morfologia dell'ipossia

L'ipossia è l'anello più importante in molti processi patologici e malattie e, sviluppandosi alla fine di qualsiasi malattia, lascia il segno nel quadro della malattia. Tuttavia, il decorso dell'ipossia può essere diverso e quindi sia l'ipossia acuta che quella cronica hanno le proprie caratteristiche morfologiche.

Ipossia acuta, che è caratterizzato da una rapida interruzione dei processi redox nei tessuti, un aumento della glicolisi, l'acidificazione del citoplasma delle cellule e della matrice extracellulare, che porta ad un aumento della permeabilità delle membrane lisosomiali e al rilascio di idrolasi che distruggono le strutture intracellulari. Inoltre, l’ipossia attiva la perossidazione lipidica. compaiono composti di perossido di radicali liberi che distruggono le membrane cellulari. In condizioni fisiologiche, nel processo del metabolismo, si verifica costantemente

lieve grado di ipossia delle cellule, dello stroma, delle pareti dei capillari e delle arteriole. Questo è un segnale per aumentare la permeabilità delle pareti vascolari e l'ingresso di prodotti metabolici e ossigeno nelle cellule. Pertanto, l'ipossia acuta che si verifica in condizioni patologiche è sempre caratterizzata da un aumento della permeabilità delle pareti delle arteriole, delle venule e dei capillari, che è accompagnato da plasmorragia e dallo sviluppo di edema perivascolare. L'ipossia grave e relativamente a lungo termine porta allo sviluppo della necrosi fibrinoide delle pareti vascolari. In tali vasi, il flusso sanguigno si interrompe, il che aumenta l'ischemia della parete e la diapedesi degli eritrociti si verifica con lo sviluppo di emorragie perivascolari. Pertanto, ad esempio, nell'insufficienza cardiaca acuta, caratterizzata dal rapido sviluppo dell'ipossia, il plasma sanguigno dai capillari polmonari entra negli alveoli e si verifica edema acuto polmoni. L'ipossia cerebrale acuta porta a edema perivascolare e gonfiore del tessuto cerebrale con ernia della parte staminali nel forame magno e sviluppo di coma, che porta alla morte.

Ipossia cronicaè accompagnato da una ristrutturazione a lungo termine del metabolismo, dall'inclusione di un complesso di reazioni compensatorie e adattative, ad esempio l'iperplasia del midollo osseo per aumentare la formazione dei globuli rossi. La degenerazione e l'atrofia grassa si sviluppano e progrediscono negli organi parenchimali. Inoltre, l'ipossia stimola la reazione fibroblastica nel corpo, i fibroblasti vengono attivati, a seguito dei quali, parallelamente all'atrofia del tessuto funzionale, aumentano i cambiamenti sclerotici negli organi. Ad un certo stadio dello sviluppo della malattia, i cambiamenti causati dall'ipossia contribuiscono ad una diminuzione della funzione di organi e tessuti con lo sviluppo del loro scompenso.

Il sangue che scorre ai polmoni dal cuore (venoso) contiene poco ossigeno e molta anidride carbonica; l'aria negli alveoli, al contrario, contiene molto ossigeno e meno anidride carbonica. Di conseguenza, la diffusione bidirezionale avviene attraverso le pareti degli alveoli e dei capillari. l'ossigeno passa nel sangue e l'anidride carbonica si sposta dal sangue negli alveoli. Nel sangue, l'ossigeno entra nei globuli rossi e si combina con l'emoglobina. Sangue, ossigenato, diventa arterioso ed entra nell'atrio sinistro attraverso le vene polmonari.

Nell'uomo lo scambio gassoso si completa in pochi secondi mentre il sangue attraversa gli alveoli polmonari. Ciò è possibile grazie all'enorme superficie dei polmoni con cui comunicano ambiente esterno. La superficie totale degli alveoli è di oltre 90 m3.

Lo scambio di gas nei tessuti avviene nei capillari. Attraverso loro pareti sottili l'ossigeno si sposta dal sangue nel fluido tissutale e poi nelle cellule, mentre l'anidride carbonica dai tessuti passa nel sangue. La concentrazione di ossigeno nel sangue è maggiore che nelle cellule, quindi si diffonde facilmente al loro interno.

La concentrazione di anidride carbonica nei tessuti in cui si accumula è maggiore che nel sangue. Passa quindi nel sangue, dove si lega ai composti chimici del plasma e in parte all'emoglobina, viene trasportato dal sangue ai polmoni e rilasciato nell'atmosfera.

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 mmHg, nel fluido tissutale è molto variabile e ha una media di 46 mmHg, e nel sangue arterioso che scorre nei tessuti è di 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.

Uno di funzioni essenziali il corpo respira. Durante questo, avviene lo scambio di gas nei tessuti e nei polmoni, durante il quale viene mantenuto l'equilibrio redox. La respirazione lo è processo difficile, fornendo ossigeno ai tessuti, il suo utilizzo da parte delle cellule durante il metabolismo, nonché la rimozione dei gas negativi.

Fasi della respirazione

Per capire come avviene lo scambio di gas nei tessuti e nei polmoni, è necessario conoscere le fasi della respirazione. Sono tre in totale:

1. Respirazione esterna, in cui avviene lo scambio di gas tra le cellule del corpo e l'atmosfera esterna. La versione esterna è suddivisa nello scambio di gas tra aria esterna ed interna, nonché nello scambio di gas tra il sangue dei polmoni e l'aria alveolare.
2. Trasporto di gas. Il gas nel corpo è allo stato libero e il resto viene trasferito stato vincolato emoglobina. Lo scambio di gas nei tessuti e nei polmoni avviene proprio attraverso l'emoglobina, che contiene fino al venti per cento di anidride carbonica.
3. Respirazione dei tessuti (interna). Questo tipo può essere suddiviso in scambio di gas tra sangue e tessuti e assorbimento e rilascio di ossigeno da parte delle cellule vari prodotti attività vitale (metano, anidride carbonica, ecc.).

Al processo respiratorio prendono parte non solo i polmoni e le vie respiratorie, ma anche i muscoli del torace, nonché il cervello e il midollo spinale.

Processo di scambio di gas

Durante la saturazione dei polmoni con l'aria e durante l'espirazione, cambia a livello chimico.

Nell'aria espirata a una temperatura di zero gradi e ad una pressione di 765 mm Hg. Art., contiene circa il sedici per cento di ossigeno, il quattro per cento di anidride carbonica e il resto è azoto. Ad una temperatura di 37 o C, l'aria negli alveoli è satura di vapore, durante questo processo la pressione cambia, scendendo a cinquanta millimetri di mercurio. Allo stesso tempo, la pressione del gas nell'aria alveolare è leggermente superiore a settecento mm Hg. Arte. Quest'aria contiene il 15% di ossigeno, il 6% di anidride carbonica e il resto è costituito da azoto e altre impurità.

Per la fisiologia dello scambio di gas nei polmoni e nei tessuti che ha Grande importanza la differenza di pressione parziale tra anidride carbonica e ossigeno. La pressione parziale dell'ossigeno è di circa 105 mmHg. Art., e nel sangue venoso è tre volte inferiore. A causa di questa differenza, l'ossigeno si sposta dall'aria alveolare a sangue venoso. Pertanto, si satura e diventa arterioso.

La pressione parziale della CO 2 nel sangue venoso è inferiore a cinquanta millimetri di mercurio e nell'aria alveolare - quaranta. A causa di questa leggera differenza, l'anidride carbonica si sposta dal sangue venoso al sangue alveolare e viene eliminata dall'organismo durante l'espirazione.

Lo scambio di gas nei tessuti e nei polmoni viene effettuato utilizzando rete capillare vasi. Attraverso le loro pareti, le cellule vengono saturate di ossigeno e l'anidride carbonica viene rimossa. Questo processo si osserva solo con una differenza di pressione: nelle cellule e nei tessuti l'ossigeno raggiunge lo zero e la pressione dell'anidride carbonica è di circa sessanta mm Hg. Arte. Ciò consente alla CO 2 di passare dalle cellule ai vasi, trasformando il sangue in venoso.

Trasporto di gas

Durante respirazione esterna Nei polmoni, il processo di conversione del sangue venoso in sangue arterioso avviene combinando l'ossigeno con l'emoglobina. Come risultato di questa reazione, si forma l'ossiemoglobina. Quando raggiunge le cellule del corpo, questo elemento si disintegra. In combinazione con i bicarbonati, che si formano nel sangue, l'anidride carbonica entra nel sangue. Di conseguenza, si formano sali, ma durante questo processo la reazione rimane invariata.

Una volta raggiunti i polmoni, i bicarbonati si scompongono, cedendo un radicale alcalino all'ossiemoglobina. I bicarbonati vengono poi convertiti in anidride carbonica e vapore acqueo. Tutte queste sostanze in decomposizione vengono eliminate dal corpo durante l'espirazione. Il meccanismo di scambio di gas nei polmoni e nei tessuti viene effettuato convertendo l'anidride carbonica e l'ossigeno in sali. È in questo stato che queste sostanze vengono trasportate dal sangue.

Ruolo dei polmoni

La funzione principale dei polmoni è garantire lo scambio di gas tra aria e sangue. Questo processo è possibile grazie all'enorme area dell'organo: in un adulto è di 90 m2 e quasi la stessa area dei vasi ICC, dove il sangue venoso è saturo di ossigeno e viene rilasciata anidride carbonica.

Durante l'espirazione, più di duecento vengono escreti dal corpo varie sostanze. Non si tratta solo di anidride carbonica, ma anche di acetone, metano, eteri e alcoli, vapore acqueo, ecc.

Oltre all’aria condizionata, la funzione dei polmoni è quella di proteggere il corpo dalle infezioni. Quando inspiri, tutte le sostanze patogene si depositano sulle pareti sistema respiratorio, compresi gli alveoli. Contengono macrofagi che catturano i microbi e li distruggono.

I macrofagi producono sostanze chemiotattiche che attraggono i granulociti: lasciano i capillari e partecipano direttamente alla fagocitosi. Dopo aver fagocitato i microrganismi, possono entrare i macrofagi sistema linfatico dove può verificarsi l'infiammazione. Gli agenti patologici causano la produzione di anticorpi leucocitari.

Funzione metabolica

Le caratteristiche della funzione polmonare includono le proprietà metaboliche. Durante processi metabolici I fosfolipidi e le proteine ​​vengono formati e sintetizzati. L'eparina viene sintetizzata anche nei polmoni. Organo respiratorio partecipa alla formazione e alla distruzione di sostanze biologicamente attive.

Schema respiratorio generale

La caratteristica strutturale dell'apparato respiratorio consente il passaggio facile delle masse d'aria vie respiratorie ed entrano nei polmoni, dove avvengono i processi metabolici.

L'aria entra nel sistema respiratorio attraverso il passaggio nasale, quindi passa attraverso l'orofaringe nella trachea, da dove la massa raggiunge i bronchi. Dopo essere passato albero bronchiale l'aria entra nei polmoni, dove avviene lo scambio tra tipi diversi aria. Durante questo processo, l'ossigeno viene assorbito dalle cellule del sangue, trasformando il sangue venoso in sangue arterioso e consegnandolo al cuore, e da lì viene distribuito in tutto il corpo.

Anatomia dell'apparato respiratorio

La struttura dell'apparato respiratorio distingue le vie aeree e la parte respiratoria stessa. Quest'ultimo è rappresentato dai polmoni, dove avviene lo scambio gassoso tra le masse d'aria e il sangue.

L'aria passa nell'apparato respiratorio attraverso le vie aeree, rappresentate dalla cavità nasale, laringe, trachea e bronchi.

Parte aerea

Il sistema respiratorio inizia con la cavità nasale. È diviso in due parti da un setto cartilagineo. Davanti, i canali nasali comunicano con l'atmosfera e dietro con il rinofaringe.

Dal naso l'aria entra nella bocca e poi nell' parte laringea gole. Qui l'incrocio delle vie respiratorie e sistemi digestivi. Con la patologia dei passaggi nasali, la respirazione può essere effettuata attraverso la bocca. In questo caso l'aria entrerà anche nella faringe e poi nella laringe. Si trova al sesto livello vertebra cervicale, formando un prospetto. Questa parte del sistema respiratorio può spostarsi durante la conversazione.

Attraverso l'apertura superiore la laringe comunica con la faringe e dal basso l'organo passa nella trachea. È una continuazione della laringe ed è costituita da venti anelli cartilaginei incompleti. A livello del quinto toracico segmento spinale La trachea si divide in una coppia di bronchi. Vanno ai polmoni. I bronchi sono divisi in parti, formando un albero rovesciato, da cui sembra siano germogliati dei rami all'interno dei polmoni.

Il sistema respiratorio è completato dai polmoni. Si trovano a cavità toracica su entrambi i lati del cuore. I polmoni sono divisi in lobi, ciascuno dei quali è diviso in segmenti. Hanno la forma di coni irregolari.

I segmenti polmonari sono divisi in molte parti: bronchioli, sulle cui pareti si trovano gli alveoli. L'intero complesso è chiamato alveolare. È qui che avviene lo scambio di gas.

Lo scambio di gas nei tessuti è soggetto alle stesse leggi dello scambio di gas nei polmoni (la diffusione dei gas avviene nella direzione dei loro gradienti di tensione, la sua velocità dipende dalla tensione dei gas, dall'area dei capillari sanguigni, dallo spessore dello strato di diffusione e le proprietà dei gas).

Scambio gassoso di ossigeno. Voltaggio dell'ossigeno tessuto strutture dipende dal grado di rimozione di questa struttura dai capillari sanguigni. Nel più lontano da capillare aree del tessuto (nel cosiddetto angolo morto). Forse essere 0-1 mm Hg e nella sezione iniziale del capillare vicino 90mmHg Pertanto, il gradiente di tensione dell'ossigeno tra il sangue E le cellule dei tessuti possono raggiungere i 90 mm Hg. All'estremità venosa del capillare, la p0 2 diminuisce a 40 mm Hg e le cellule adiacenti a quest'area presentano condizioni peggiori per l'apporto di ossigeno. La distanza intercapillare nel muscolo cardiaco è di circa 25 µm, nella corteccia cerebrale - 40 µm, nei muscoli scheletrici - 80 µm. Per il normale svolgimento dei processi ossidativi nelle cellule è sufficiente una tensione di ossigeno di 1 mm Hg.

L'efficienza dell'assorbimento di ossigeno da parte dei tessuti è caratterizzata da tasso di utilizzo dell'ossigeno(KUK) - espresso in percentuale, il rapporto tra il volume di ossigeno assorbito dal tessuto dal sangue per unità di tempo e l'intero volume di ossigeno fornito dal sangue ai vasi tissutali nello stesso tempo. In uno stato di riposo fisico in una persona, il valore medio (su tutti gli organi) dell'AUC è del 30-40%. A attività fisica aumenta al 50-60%. Anche a riposo, il valore dell'AUC in organi diversi non lo stesso. Il CUC massimo nel cuore è del 70-80%.

Viene chiamata una diminuzione della tensione dell'ossigeno nei tessuti o una violazione del suo utilizzo per la respirazione dei tessuti ipossia. L'ipossia può essere il risultato di una ridotta ventilazione dei polmoni o di un'insufficienza circolatoria, di una ridotta diffusione dei gas nei tessuti e di un'attività insufficiente dei sistemi enzimatici biochimici nelle cellule.

Iperossia- aumento della tensione dell'ossigeno nel sangue e nei tessuti. 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 posta in una camera con maggiore pressione della miscela respiratoria. Con l'iperossia si sviluppano gradualmente sintomi di avvelenamento da ossigeno (nausea, ronzio nelle orecchie, tic dei muscoli facciali, sovraeccitazione del sistema nervoso centrale, convulsioni).

Scambio gassoso dell'anidride carbonica. Il gradiente di tensione dell'anidride carbonica tra il sangue in ingresso e le cellule che circondano il tessuto capillare può raggiungere i 40 mmHg. (40 mm Hg nel sangue arterioso e 60-80 mm Hg negli strati profondi delle cellule). Questa forza garantisce il rilascio di anidride carbonica sangue capillare, la tensione di anidride carbonica in Nei sale a 46 mm Hg e il contenuto di anidride carbonica a 56-58 vol. %. Circa un quarto dell'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 dall'aggiunta di ioni Na + e K + e viene trasportato sotto forma di bicarbonati ai polmoni. Poiché i tessuti (soprattutto grasso e ossa) contengono un gran numero di anidride carbonica disciolta e legata, possono agire come un tampone, catturando l'anidride carbonica durante l'ipercapnia e rilasciandola durante l'ipocapnia.

Respirazione dei tessuti. La respirazione tissutale si riferisce a una serie di processi e reazioni redox che si verificano con la partecipazione dell'ossigeno. Ossidazione - Questa è la donazione di elettroni; recupero, al contrario, l'aggiunta di elettroni; L'ossigeno in tali reazioni svolge il ruolo di un accettore di elettroni, un agente ossidante. Nella reazione seguente tra idrogeno e ossigeno, l'idrogeno viene ossidato e l'ossigeno viene ridotto. L'aggiunta di quattro elettroni alla molecola di 0 2 provoca la formazione di acqua ed è la principale reazione di consumo di 0 2 nelle cellule degli organismi aerobici:

2H 2 + 0 2 2H 2 0 + calore (239 kJ/mol).

Come si può vedere dall'equazione, la reazione è accompagnata dal rilascio di una quantità significativa di energia ed è familiare a tutti dalle lezioni di chimica a scuola (reazione del gas detonante). Tuttavia nella cellula non avviene un'esplosione perché gli atomi di idrogeno fanno parte di substrati organici (non si tratta di idrogeno molecolare) e non si attaccano all'ossigeno immediatamente, ma gradualmente attraverso una serie di trasportatori intermedi. Queste sostanze formano una catena di trasporto di un insieme di enzimi respiratori, disposti in modo ordinato e formando complessi multienzimatici. L'energia durante questo trasferimento viene accumulata sotto forma di un gradiente di concentrazione di ioni idrogeno. I processi di respirazione tissutale sono catalizzati da enzimi della classe delle ossidoreduttasi situati sulla membrana interna dei mitocondri. Su queste membrane avviene anche la reazione finale, la formazione dell'acqua.

Quattro diversi complessi multienzimatici sono coinvolti nel sistema di trasporto degli ioni idrogeno e degli elettroni nei mitocondri (Fig. 10.6). Il ruolo di trasportatori in essi è svolto da molecole organiche relativamente piccole: derivati ​​della niacina (vitamina PP) - nicotinammide adenin dinucleotide (NDD+) e nicotinammide adenin dinucleotide fosfato (NDDP); derivati ​​della vitamina B 2 - flavina adenina dinucleotide (FDD) e flavina mononucleotide (FMN); altamente solubile nei lipidi*

NADH+H*

Ras. 10.6. La sequenza di inclusione dei complessi enzimatici nella respirazione dei tessuti

membrane ubichinone (coenzima Q) e un gruppo di proteine ​​contenenti eme (citocromi b, c, a, az). Nel sistema di trasferimento degli elettroni è importante il ruolo del ferro, che è incluso nella composizione degli enzimi nella struttura dell'eme (nei citocromi) o come parte del complesso FeS.

Lo stadio finale della catena respiratoria è una reazione catalizzata dall'enzima citocromo ossidasi che, attraverso il suo coenzima a, cede gli elettroni direttamente all'ossigeno e quest'ultimo interagisce con i protoni per formare acqua. Una molecola di ossigeno accetta quattro elettroni e forma due molecole d'acqua.

Durante il trasferimento degli elettroni, i complessi della catena respiratoria (1, 3 e 4) pompano protoni dalla matrice nello spazio intermembrana e sulla membrana interna appare un gradiente protonico (gradiente di potenziale elettrochimico). Questo gradiente viene utilizzato da uno speciale complesso enzimatico (chiamato ATP sintetasi) per sintetizzare l'ATP. Per sintetizzare e trasferire una molecola di ATP dal mitocondrio al citoplasma, viene utilizzata l'energia del movimento di quattro protoni lungo il gradiente elettrochimico attraverso la membrana interna del mitocondrio. Poiché durante la formazione di due molecole d'acqua 20 protoni vengono trasferiti nello spazio intermembrana dei mitocondri, la loro energia è sufficiente per sintetizzare cinque molecole di ATP (20:4-5). È anche possibile che funzioni una versione accorciata della catena respiratoria, quando vengono trasferiti solo 12 protoni e vengono sintetizzate solo tre molecole di ATP.

Questo meccanismo di sintesi di ATP dovuto all'energia del gradiente di potenziale elettrochimico è chiamato fosforilazione ossidativa e costituisce la base per la produzione di ATP in condizioni aerobiche. L'ATP così formato è la principale fonte di energia per i processi vitali negli esseri viventi altamente organizzati.

L'accoppiamento tra trasferimento di elettroni e sintesi di ATP può essere interrotto in presenza di alcuni composti chimici o quando si verificano condizioni che aumentano la permeabilità della membrana mitocondriale interna per i protoni. In questo caso, i protoni passano nella matrice, bypassando l'ATP sintetasi e la sintesi dell'ATP rallenta. L'energia di trasferimento degli elettroni viene rilasciata sotto forma di calore e le cellule sperimentano una carenza di energia. Tali eventi sono chiamati disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa, e le sostanze che lo causano lo sono sezionatori. Ad esempio, il 2,4-dinitrofenolo è un potente disaccoppiante. Nei mitocondri del tessuto adiposo bruno, il ruolo di disaccoppiatore è svolto da una proteina speciale - termogenina. I mitocondri contenenti termogenina lo sono buone fonti calore e aiutano ad adattarsi alle basse temperature.

Sono noti un gran numero di inibitori del trasporto degli elettroni lungo la catena respiratoria. Sono potenti veleni (acido cianidrico e suoi derivati). La loro azione provoca la cessazione del trasferimento di elettroni e, di conseguenza, la cessazione della respirazione e la morte.

Una molecola di ossigeno può attaccarsi da uno a quattro elettroni. A seconda del numero di elettroni accettati si formano diversi derivati ​​dell'ossigeno. L'aggiunta di quattro elettroni a una molecola di ossigeno provoca la formazione di acqua. L'aggiunta di un diverso numero di elettroni a una molecola di ossigeno porta alla formazione delle cosiddette specie reattive dell'ossigeno: radicale anionico superossido (un elettrone), radicale perossido (due elettroni) e radicale ossidrile (tre elettroni). Queste forme di ossigeno sono altamente reattive e la loro formazione in quantità significative può avere un effetto dannoso sulla cellula. Questa proprietà dell'ossigeno, in particolare, viene utilizzata dai macrofagi, generando specie reattive dell'ossigeno 3 per distruggere i microrganismi che fagocitano.

Nei perossisomi, anche le ossidoreduttasi trasferiscono l'idrogeno in ossigeno, ma la reazione porta alla formazione di perossido di idrogeno (radicale di perossido di ossigeno):

N2+02 -> n2o2.

Nelle membrane del reticolo endoplasmatico si formano anche specie reattive dell'ossigeno. Tipicamente, la quantità di specie reattive dell'ossigeno formate è controllata da speciali sistemi antiossidanti. Esistono sistemi antiossidanti enzimatici e non enzimatici. Gli enzimi che distruggono le specie reattive dell'ossigeno includono la superossido dismutasi, la catalasi, la glutatione perossidasi, ecc. Le vitamine non enzimatiche E, C e A limitano l'effetto dei radicali dell'ossigeno, acido urico e altri collegamenti.

Un'altra forma di consumo di ossigeno da parte delle cellule è il processo di idrossilazione, in cui l'ossigeno si attacca a una molecola, formando in essa un gruppo ossidrile. Queste reazioni sono ampiamente utilizzate per combattere le molecole idrofobiche che hanno effetti dannosi (xenobiotici) sulle cellule. La loro idrossilazione consente di attaccare successivamente molecole idrofile (acido glucuronico, solfato) e, aumentando la solubilità, rimuoverle dal corpo attraverso i reni.