Состав воздуха
Состав воздуха, который поступает и выходит из дыхательных путей достаточно постоянный. Вдыхаемый воздух содержит порядка 21% кислорода, 0,03% углекислого газа. При этом выдыхаемый воздух будет содержать 16-17% кислорода и 4% углекислого газа. Процентное содержание кислорода в альвеолярном воздухе равно 14,4%, углекислого газа – 5,6%. При выдохе воздух мертвого пространства смешивается с содержимым ацинусов.
Объем вдыхаемого и выдыхаемого атмосферного азота остается практически одинаковым.
Из организма во время выдоха выводятся пары воды.
Если долго вдыхать воздух, который содержит значительные концентрации кислорода, то это может пагубно влиять на состояние организма. Однако, при некоторых заболеваниях, в качестве лечебных мероприятий используют ингаляции 100% кислородом.
Диффузия газов
Легочная мембрана, или аэрогематический барьер является разграничительной чертой между кровью и воздухом альвеол.
В легких газообмен возможен благодаря диффузии кислорода из альвеол в кровь, а также углекислого газа из крови в альвеолы. Сквозь аэрогематический барьер газы могут переходить благодаря разности их концентраций. Парциальное давление газа – это часть общего давления, которая принадлежит данному газу.
В воздушной среде кислород обладает парциальным давлением (или напряжением), равным 160 мм рт. ст. Парциальное давление углекислого газа составляет примерно 0,2 мм рт. ст. В альвеолярном воздухе парциальное давление для кислорода и двуокиси углерода имеет иное значение. Так, давление кислорода составляет 100 мм рт. ст., а углекислого газа – 40 мм рт. ст.
В крови газы пребывают в химически связанном и в растворенном состоянии. В процессе диффузии способны принимать участие исключительно молекулы газа, находящегося в растворенном состоянии.
Способность газа растворяться в жидкостях зависит от:
- объема и давления газа над жидкостью;
- состава жидкости;
- природы газа;
- температуры жидкости.
Чем ниже температура и выше давление газа, тем больше газа способно растворится.
В 1 мл крови при температуре 38 ºС и давлении, равном 760 мм рт. ст. растворяется 2,2% кислорода и 5,1% углекислого газа.
Градиент давления между кровью и альвеолярным воздухом для кислорода равен 60 мм рт. ст. В результате возможна диффузия кислорода в кровь. В крови кислород связывается с гемоглобином, находящимся в эритроцитах, и образуется оксигемоглобин. Артериальная кровь содержит большое количество оксигемоглобина. Гемоглобин здорового человека способен насыщаться кислородом на 96%.
Кислородная емкость крови – это максимально возможное количество кислорода, способное к связыванию кровью при глубоком насыщении кислородом гемоглобина.
Эффект Хрлдейна – повышенная способность крови связывать углекислый газ при переходе оксигемоглобина в гемоглобин.
В норме, в 100 мл крови содержится почти 20 мл кислорода. Венозная кровь такого же объема заключает 13-15 мл кислорода.
Образующийся в тканях углекислый газ, по градиенту концентрации переходит в кровь и соединяется с гемоглобином. В результате образуется карбгемоглобин. Основная часть углекислого газа взаимодействует с водой с образованием карбоновой кислоты. Карбоновая кислота способна диссоциировать, в результате чего образуется ион водорода и бикарбонат-ион. Основная часть углекислого газа перемещается в форме бикарбоната.
В эритроцитах крови содержится фермент карбоангидраза, способный катализировать как расщепление карбоновой кислоты, так и ее образование. Расщепление происходит в капиллярах легких.
В венозной крови напряжение двуокиси углерода равно около 46 мм рт. ст. Парциальное давление двуокиси углерода в альвеолярном воздухе составляет 40 мм рт. ст., поэтому градиент давления составляет 6 мм рт. ст. в пользу крови.
В состоянии покоя из человеческого организма выходит 230 мл двуокиси углерода.
Диффузия газов протекает по разности концентрации, то есть из среды с большим напряжением в среду с меньшим напряжением.
Диффузионная способность легких
Газообмен в тканях
Минимальное напряжение кислорода проявляется в митохондриях – местах его использования для биологического окисления. В результате расщепления оксигемоглобина молекулы кислорода начинают диффундировать в сторону более маленьких значений напряжения кислорода.
Парциальное давление в тканях зависит от ряда факторов:
- расстояния между кровеносными капиллярами и их геометрии;
- скорости движения крови;
- нахождения клеток относительно капилляров;
- окислительных процессов и т.д.
Напряжение кислорода в тканевой жидкости рядом с капиллярами намного меньше (20-40 мм рт. ст.), чем в крови.
При интенсивных окислительных процессах в клетках напряжение кислорода может практически равняться нулю. Напряжение кислорода будет резко увеличиваться при повышении скорости кровотока.
Максимальное давление углекислого газа ( около 60 мм. рт. ст.) наблюдается в клетках при образовании его в митохондриях. Давление углекислого газа изменчиво в тканевой жидкости (около 46 мм рт.ст.), в то время как в артериальной крови равно 40 мм рт.ст.
Двуокись углерода перемещается по градиенту напряжений в капилляры крови и далее транспортируется кровью к легким.
