Транспорт газов кровью

Кровообращение выполняет одну из важнейших функций переноса кисло­рода от легких к тканям, а углекислого газа — от тканей к легким. Потреб­ление кислорода клетками тканей может изменяться в значительных пре­делах, например при переходе от состояния покоя к физической нагрузке и наоборот. В связи с этим кровь должна обладать большими резервами, необходимыми для увеличения ее способности переносить кислород от легких к тканям, а углекислый газ в обратном направлении.

10.4.1. Транспорт кислорода

При 37 °C растворимость О₂ в жидкости составляет 0,225 мл-л"¹-кПа"¹ (0,03 мл/л/мм рт. ст.). В условиях нормального парциального давления ки­слорода в альвеолярном воздухе, т. е. 13,3 кПа или 100 мм рт.ст., 1 л плаз­мы крови может переносить только 3 мл О₂, что недостаточно для жизне­деятельности организма в целом. В покое в организме человека за минуту потребляется примерно 250 мл кислорода. Чтобы тканям получить такое количество кислорода в физически растворенном состоянии, сердце долж­но перекачивать за минуту огромное количество крови. В эволюции живых существ проблема транспорта кислорода была более эффективно решена за счет обратимой химической реакции с гемоглобином эритроцитов. Ки­слород переносится кровью от легких к тканям организма молекулами ге­моглобина, которые содержатся в эритроцитах. Гемоглобин способен за­хватывать кислород из альвеолярного воздуха (соединение называется ок­сигемоглобином) и освобождать необходимое количество кислорода в тка­нях. Особенностью химической реакции кислорода с гемоглобином явля­ется то, что количество связанного кислорода ограничено количеством мо­лекул гемоглобина в эритроцитах крови. Молекула гемоглобина имеет 4 места связывания с кислородом, которые взаимодействуют таким обра­зом, что зависимость между парциальным давлением кислорода и количе­ством переносимого кислорода с кровью имеет S-образную форму, кото­рая носит название кривой насыщения или диссоциации оксигемоглобина (рис. 10.18). При парциальном давлении кислорода 10 мм рт. ст. насыще­ние гемоглобина кислородом составляет примерно 10 %, а при РО₂ 30 мм рт. ст. — 50—60 %. При дальнейшем увеличении парциального давления кислорода от 40 мм рт. ст. до 60 мм рт. ст. происходит уменьшение крутиз­ны кривой диссоциации оксигемоглобина и процент его насыщения ки-

Парциальное давление кислорода, мм рт. ст.

Рис. 10.18. Кривая диссоциации оксигемоглобина. Пределы колебания кривой при РСО₂ = 40 мм рт. ст. (артериальная кровь) и РСО₂ = 46 мм рт. ст. (венозная кровь) показывают изменение сродства гемоглобина к кислороду (эффект Ходена).

слородом возрастает в диапазоне от 70—75 до 90 % соответственно. Затем кривая диссоциации оксигемоглобина начинает занимать практически го­ризонтальное положение, поскольку увеличение парциального давления кислорода с 60 до 80 мм рт. ст. вызывает прирост насыщения гемоглобина кислородом на 6 %. В диапазоне от 80 до 100 мм рт. ст. процент образова­ния оксигемоглобина составляет порядка 2. В результате кривая диссоциа­ции оксигемоглобина переходит в горизонтальную линию и процент насы­щения гемоглобина кислородом достигает предела, т. е. 100. Насыщение гемоглобина кислородом под влиянием РО₂ характеризует своеобразный молекулярный «аппетит» этого соединения к кислороду.

Значительная крутизна кривой насыщения гемоглобина кислородом в диапазоне парциального давления от 20 до 40 мм рт. ст. способствует тому, что в ткани организма значительное количество кислорода может диффун­дировать из крови в условиях градиента его парциального давления между кровью и клетками тканей (не менее 20 мм рт. ст.). Незначительный про­цент насыщения гемоглобина кислородом в диапазоне его парциального давления от 80 до 100 мм рт. ст. способствует тому, что человек без риска снижения насыщения артериальной крови кислородом может перемещать­ся в диапазоне высот над уровнем моря до 2000 м.

Общие запасы кислорода в организме обусловлены его количеством, находящимся в связанном состоянии с ионами Fe²⁺ в составе органиче­ских молекул гемоглобина эритроцитов и миоглобина мышечных клеток.

Один грамм гемоглобина связывает 1,34 мл О₂. Поэтому в норме при концентрации гемоглобина 150 г/л каждые 100 мл крови могут переносить 20,0 мл О₂.

Количество О₂, которое может связаться с гемоглобином эритроцитов крови при насыщении 100 % его количества, называется кислородной емко­стью гемоглобина. Другим показателем дыхательной функции крови явля­ется содержание О₂ в крови (кислородная емкость крови), которое отража­ет его истинное количество, как связанного с гемоглобином, так и физиче­ски растворенного в плазме. Поскольку в норме артериальная кровь насы­щена кислородом на 97 %, то в 100 мл артериальной крови содержится примерно 19,4 мл О₂.

10.4.1.1. Изменение сродства гемоглобина к кислороду

Молекула гемоглобина может находиться в двух формах — напряженной и расслабленной. Расслабленная форма гемоглобина имеет свойство насыщать­ся кислородом в 70 раз быстрее, чем напряженная. Изменение фракций напряженной и расслабленной формы в общем количестве гемоглобина в крови обусловливает S-образный вид кривой диссоциации оксигемоглоби­на, а следовательно, так называемое сродство гемоглобина к кислороду. Если вероятность перехода от напряженной формы гемоглобина к расслаб­ленной больше, то возрастает сродство гемоглобина к кислороду, и наобо­рот. Вероятность образования указанных фракций гемоглобина изменяется в большую или меньшую сторону под влиянием нескольких факторов. Ос­новной фактор — это связывание кислорода с геминовой группой молеку­лы гемоглобина. При этом чем больше геминовых групп гемоглобина свя­зывают кислород в эритроцитах, тем более легким становится переход мо­лекулы гемоглобина к расслабленной форме и тем выше их сродство к ки­слороду. Поэтому при низком РО₂, что имеет место в метаболически ак­тивных тканях, сродство гемоглобина к кислороду ниже, а при высоком РО₂ — выше. Как только гемоглобин захватывает кислород, повышается его сродство к кислороду и молекула гемоглобина становится насыщенной при связывании с четырьмя молекулами кислорода.

Когда эритроциты, содержащие гемоглобин, достигают тканей, то ки­слород из эритроцитов диффундирует в клетки. В мышцах он поступает в своеобразного депо кислорода — в молекулы миоглобина, из которого ки­слород используется в биологическом окислении мышц.

Диффузия кислорода из гемоглобина эритроцитов в ткани обусловлена низким РО₂ в тканях — 35 мм рт. ст. Внутри клеток тканей напряжение ки­слорода, необходимое для поддержания нормального метаболизма, состав­ляет еще меньшую величину — не более 1 кПа. Поэтому кислород путем диффузии из капилляров достигает метаболически активных клеток. Неко­торые ткани приспособлены к низкому содержанию РО₂ в капиллярах кро­ви, что компенсируется высокой плотностью капилляров на единицу объе­ма тканей. Например, в скелетной и сердечной мышцах РО₂ в капиллярах может снизиться чрезвычайно быстро во время сокращения. В мышечных клетках содержится белок миоглобин, который имеет более высокое срод­ство к кислороду, чем гемоглобин. Миоглобин интенсивно насыщается кислородом и способствует его диффузии из крови в скелетную и сердеч­ную мышцы, где он обусловливает процессы биологического окисления. Эти ткани способны экстрагировать до 70 % кислорода из крови, проходя­щей через них, что обусловлено снижением сродства гемоглобина к кисло­роду под влиянием температуры тканей и pH.

Эффект pH и температуры на сродство гемоглобина к кислороду. Моле­кулы гемоглобина способны реагировать с ионами водорода, в результате этой реакции происходит снижение сродства гемоглобина к кислороду. При насыщении гемоглобина менее 100 % низкое pH понижает связыва­ние кислорода с гемоглобином — кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо по оси х. Это изменение свойства гемоглобина под влиянием ионов водорода называется эффектом Бора. Метаболически ак­тивные ткани продуцируют кислоты, такую как молочная, и СО₂. Если pH плазмы крови снижается от 7,4 в норме до 7,2, что имеет место при сокра­щении мыщц, то концентрация кислорода в ней будет возрастать вследст­вие эффекта Бора. Например, при постоянном pH 7,4 кровь отдавала бы порядка 45 % кислорода, т. е. насыщение гемоглобина кислородом снижа­лось до 55 %. Однако когда pH снижается до 7,2, кривая диссоциации сме­щается по оси х вправо. В результате насыщение гемоглобина кислородом падает до 40 %, т. е. кровь может отдавать в тканях до 60 % кислорода, что на 7₃ больше, чем при постоянном pH.

Метаболически активные ткани повышают продукцию тепла. Повыше­ние температуры тканей при физической работе изменяет соотношение фракций гемоглобина в эритроцитах и вызывает смещение кривой диссо­циации оксигемоглобина вправо вдоль оси х. В результате большее коли­чество кислорода будет освобождаться из гемоглобина эритроцитов и по­ступать в ткани.

Эффект 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) на сродство гемоглобина к ки­слороду. При некоторых физиологических состояниях, например при пони­жении РО₂ в крови ниже нормы (гипоксия) в результате пребывания чело­века на большой высоте над уровнем моря, снабжение тканей кислородом становится недостаточным. При гипоксии может понижаться сродство ге­моглобина к кислороду вследствие увеличения содержания в эритроцитах 2,3-ДФГ. В отличие от эффекта Бора, уменьшение сродства гемоглобина к кислороду под влиянием 2,3-ДФГ не является обратимым в капиллярах легких. Однако при движении крови через капилляры легких эффект 2,3-

ДФГ на снижение образования оксигемоглобина в эритроцитах (плоская часть кривой диссоциации оксигемоглобина) выражен в меньшей степени, чем отдача кислорода под влиянием 2,3-ДФГ в тканях (наклонная часть кривой), что обусловливает нормальное кислородное снабжение тканей.

10.4.2. Транспорт углекислого газа

СО₂ является продуктом метаболизма клеток тканей и поэтому переносит­ся кровью от тканей к легким. Углекислый газ выполняет жизненно важ­ную роль в поддержании во внутренних средах организма уровня pH меха­низмами кислотно-основного равновесия. Поэтому транспорт углекислого газа кровью тесно взаимосвязан с этими механизмами (см. глава 15).

В плазме крови небольшое количество СО₂ находится в растворенном состоянии; при РСО₂= 40 мм рт. ст. переносится 2,5 мл/100 мл крови СО₂, или 5 %. Количество растворенного в плазме углекислого газа в линейной зависимости возрастает от уровня РСО₂.

В плазме крови СО₂ реагирует с водой с образованием Н⁺ и НСО^. Уве­личение напряжения углекислого газа в плазме крови вызывает уменьше­ние величины ее pH. Напряжение СО₂ в плазме крови может быть измене­но функцией внешнего дыхания, а количество ионов водорода или pH — буферными системами крови и НСО7, например путем их выведения через почки с мочой. Величина pH плазмы крови зависит от соотношения кон­центрации растворенного в ней СО₂ и ионов бикарбоната. В виде бикарбо­ната плазмой крови, т. е. в химически связанном состоянии, переносится основное количество углекислого газа —порядка 45 мл/100 мл крови, или до 90 %. Эритроцитами в виде карбаминового соединения с белками гемо­глобина транспортируется примерно 2,5 мл/100 мл крови СО₂, или 5 %. Транспорт углекислого газа кровью от тканей к легким в указанных формах не связан с явлением насыщения, как при транспорте кислорода, т. е. чем больше образуется углекислого газа, тем большее его количество транспор­тируется от тканей к легким. Однако между парциальным давлением СО₂ в крови и количеством переносимого кровью углекислого газа имеется кри­волинейная зависимость: кривая диссоциации углекислого газа.

10.4.2.1. Роль эритроцитов в транспорте СО₂

В крови капилляров тканей организма напряжение СО₂ составляет 5,3 кПа (40 мм рт. ст.), а в самих тканях — 8,0—10,7 кПа (60—80 мм рт. ст.). В ре­зультате СО₂ диффундирует из тканей в плазму крови, а из нее — в эритро­циты по градиенту парциального давления СО₂. В эритроцитах СО₂ обра­зует с водой угольную кислоту, которая диссоциирует на Н⁺ и НСО^. (СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н⁺ + НСОр. Эта реакция протекает быстро, по­скольку СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ катализируется ферментом карбоангидразой мембраны эритроцитов, которая содержится в них в высокой концентра­ции (рис. 10.19). Эта реакция протекает по закону действия масс и в норме выражается в логарифмической форме, известной как уравнение Гендерсо- на—Гассельбаха (см. главу 15).

В эритроцитах диссоциация СО₂ продолжается постоянно по мере обра­зования продуктов этой реакции, поскольку молекулы гемоглобина дейст­вуют как буферное соединение, связывая положительно заряженные ионы водорода. В эритроцитах по мере освобождения кислорода из гемоглобина его молекулы будут связываться с ионами водорода (СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = = Н⁺ + НСО7), образуя соединение (НЬ-Н⁺). В целом это называется эф-

Рис. 10.19. Роль эритроцитов в транспорте углекислого газа от тканей к легким.

б

Эритроцит Плазма

О2

Альвеол, воздух

► СО₂

А. Процессы газообмена СО₂ между клетками тканей и плазмой крови. СО₂ поступает путем диффузии в плазму крови из тканей и дифференцирует внутрь эритроцитов. В эритроцитах СО₂ превращается при участии фермента карбоангидразы мембраны эритроцитов в НСО₃ и в виде этого иона вновь активно транспортируется в плазму крови, в которой в составе бикар­бонатов (NaHCO₃) переносится к капиллярам легких. Водородные ионы, образующиеся при реакции дегидратации Н₂СО₃, захватываются молекулами гемоглобина и также транспортиру­ются кровью от тканей к легким. При транспорте из эритроцитов НСО₃-ионное постоянство внутри эритроцитов поддерживается хлорным сдвигом. Кроме того, СО₂ в эритроцитах непо­средственно соединяется с Nh2 группами белков гемоглобина.

Б. Процессы газообмена СО₂ между плазмой крови и альвеолами легких. В капиллярах легких в эритроцитах под влиянием эффекта Бора происходит диссоциация карбаминовых соедине­ний и СО₂ диффундирует через мембрану эритроцитов и альвеолярную мембрану в просвет альвеол легких.

фектом Холдена, который приводит к сдвигу кривой диссоциации оксиге­моглобина вправо по оси х, что снижает сродство гемоглобина к кислоро­ду и способствует более интенсивному освобождению его из эритроцитов в ткани. При этом в составе соединения НЬ-Н⁺ транспортируется примерно 200 мл СО₂ в одном литре крови от тканей к легким.

Диссоциация СО₂ в эритроцитах может быть лимитирована только бу­ферной емкостью молекул гемоглобина. Образующиеся внутри эритроци­тов в результате диссоциации СО₂ ионы НСО^ с помощью специального белка-переносчика мембраны эритроцитов выводятся из эритроцитов в плазму, а на их место из плазмы крови закачиваются ионы СГ (феномен «хлорного» сдвига) (рис. 10.19). Основная роль реакции СО₂ внутри эрит­роцитов заключается в обмене ионами СГ и НСО7 между плазмой и внут­ренней средой эритроцитов. В результате этого обмена продукты диссо­циации углекислого газа Н⁺ и НСО^ будут транспортироваться внутри эритроцитов в виде соединения (НЬ-Н⁺), а плазмой крови — в виде бикар­бонатов.

Эритроциты участвуют в транспорте углекислого газа от тканей к лег­ким, поскольку СО₂ образует прямую комбинацию с — НН₂-группами бел­ковых субъединиц гемоглобина: СО₂ + НЬ НЬСО₂ или карбаминовое со­единение. Транспорт кровью СО₂ в виде карбаминового соединения и ио­нов водорода гемоглобином зависит от свойств молекул последнего; обе реакции обусловлены величиной парциального давления кислорода в плаз­ме крови на основе эффекта Холдена.

В количественном отношении транспорт СО₂ в растворенной форме и в форме карбаминового соединения является незначительным, по сравне­
нию с его переносом СО₂ кровью в виде бикарбонатов. Однако при газо­обмене СО₂ в легких между кровью и альвеолярным воздухом эти две фор­мы приобретают основное значение.

Когда венозная кровь возвращается от тканей к легким, СО₂ диффунди­рует из крови в альвеолы и РСО₂ в крови снижается с 46 мм рт. ст. (веноз­ная кровь) до 40 мм рт.ст. (артериальная кровь). При этом в величине об­щего количества СО₂ (6 мл/100 мл крови), диффундирующего из крови в альвеолы, доля растворенной формы СО₂ и карбаминовых соединений ста­новится более значительной относительно бикарбонатной. Так, доля рас­творенной формы составляет 0,6 мл/100 мл крови, или 10 %, карбамино­вых соединений — 1,8 мл/100 мл крови, или 30%, а бикарбонатов — 3,6 мл/100 мл крови, или 60 %.

В эритроцитах капилляров легких по мере насыщения молекул гемогло­бина кислородом начинают освобождаться ионы водорода, диссоциировать карбаминовые соединения и НСО^ вновь превращается в СО₂ (Н⁺ + HCOj = = Н₂СО₃ = СО₂ +Н₂О), который путем диффузии выводится через легкие по градиенту его парциальных давлений между венозной кровью и альвео­лярным пространством. Таким образом, гемоглобин эритроцитов играет основную роль в транспорте кислорода от легких к тканям, и углекислого газа в обратном направлении, поскольку способен связываться с О₂ и Н⁺. В состоянии покоя через легкие из организма человека за минуту удаляет­ся примерно 300 мл СО₂: 6 мл/100 мл крови х 5000 мл/мин минутного объема кровообращения.

Регуляция дыхания

Дыхательная система должна обеспечивать полное соответствие между ко­личеством кислорода, поступающего в кровь через легкие, и скоростью его потребления в тканях, а так же соответствие между продукцией в тканях СО₂ и количеством удаляемого из организма через легкие СО₂. Эта функ­ция дыхательной системы достигается за счет приспособления (регуляции) объема легочной вентиляции к уровню метаболизма в организме. Приспо­собление легочной вентиляции к процессам метаболически обусловленно­го газообмена в организме человека осуществляется сложной иерархиче­ской системой регуляции дыхания, состоящей из центральных и перифе­рических хеморецепторных рефлексов (общий контроль), а также механо- рецепторных рефлексов (локальный контроль) (рис. 10.20). В этой системе дыхательный центр генерирует дыхательный ритм, интегрирует афферент­ные сигналы, посылает импульсы к дыхательным мышцам грудной клетки и к гладким мышцам дыхательных путей, обеспечивая приспособление ле­гочной вентиляции к условиям жизнедеятельности организма.

> Дыхательный

10.5.1, Дыхательный центр

Величина легочной вентиляции обусловлена частотой и глубиной дыха­тельных движений (дыхательного ритма), происхождение которых связано с функцией дыхательного центра центральной нервной системой. Под ды­хательным центром понимают ограниченный участок ЦНС, где происхо­дит формирование дыхательного импульса, вызывающего координирован­ную деятельность дыхательных мышц, обеспечивающих для организма не­обходимую величину газообмена в легких. В центральной нервной системе местом генерации дыхательного ритма, вызывающего ритмические сокра­щения дыхательных мышц при вдохе и выдохе, является продолговатый мозг, в котором расположен дыхательный центр. Дыхательный центр со­стоит из нервных клеток (дыхательных нейронов), для которых характерна периодическая электрическая активность в одну из фаз дыхания. Нейроны дыхательного центра локализованы двусторонне в продолговатом мозге в виде двух вытянутых столбов вблизи obex — точки, где центральный канал спинного мозга впадает в четвертый желудочек. Эти два образования дыха­тельных нейронов в соответствии с их положением относительно дорсаль­ной и вентральной поверхности продолговатого мозга обозначают как дор­сальная и вентральная дыхательные группы (рис. 10*21).

Дорсальная дыхательная группа нейронов образует вентролатеральную часть ядра одиночного тракта. Дыхательные нейроны вентральной дыха­тельной группы расположены в области n. ambiguus каудальнее уровня obex, n. retroambigualis непосредственно ростральнее obex и представлены ком­плексом Бетзингера, который находится непосредственно вблизи n. retrofa- cialis вентролатеральных отделов продолговатого мозга. В состав дыхатель­ного центра входят нейроны двигательных ядер черепно-мозговых нервов (обоюдное ядро, ядро подъязычного нерва), которые иннервируют мышцы гортани и глотки.

Основным критерием классификации нейронов дыхательного центра является фаза дыхательного цикла, в которую они активны, т. е. инспира­ция или экспирация. По этому критерию дыхательные нейроны подразде­ляют на инспираторные и экспираторные. Дорсальная дыхательная группа состоит полностью из инспираторных нейронов. Вентральная дыхательная группа образована инспираторными и экспираторными нейронами, а ком­плекс Бетзингера образуют только экспираторные нейроны. По паттерну электрической активности нейронов в пределах фаз дыхательного цикла инспираторные и экспираторные нейроны подразделяют на нейроны с на­растающим, постоянным или декрементным типом активности (рис. 10.22).

По проекции аксонов дыхательные нейроны разделяют на премоторные или бульбоспинальные нейроны и проприобульбарные. Аксоны премотор­ных дыхательных нейронов переходят на противоположную сторону про­долговатого мозга, а затем направляются к мотонейронам спинного мозга. Функция инспираторных премоторных дыхательных нейронов заключается

IV желудочек

Рис. 10.21. Схема положения нейронов дорсальной (ДРГ) и вентральной дыхатель­ных групп (ВДГ) дыхательного центра продолговатого мозга.

Слева — проекция отделов дыхательного центра на дорсальную поверхность продолговатого мозга. Справа —- расположение отделов дыхательного центра на поперечном плане продолго­ватого мозга. Диафрагмальные мотонейроны и мотонейроны межреберных мышц являются «общим конечным путем» моторных команд дыхательного центра, обусловливающих сокра­щение дыхательных мышц и вентиляцию легких. NA — n. ambiguus.

LJ.JJJJAB

I                                    I

jlliliMl 1 1

: I I HIM

Потенциал действия

I i L— Разряд ; потенциалов ; действия «Сопрограмма

Рис. 10.22. Образцы электрической активности основных типов нейронов дыха­тельного центра. Наиболее общая классификация типов дыхательных нейронов ос­нована на связи их электрической активности с фазами вдоха и выдоха дыхательно­го цикла и паттерном разряда потенциалов действия.

По этому критерию классифицируют: полные инспираторные с нарастающей активностью (1), экспираторные нейроны с нарастающей активностью (2), ранние инспираторные нейроны с декрементной активностью (3), поздние инспираторные нейроны с нарастающей активностью (4), экспираторные или постинспираторные нейроны с декрементной активностью (5), пол­ные инспираторные нейроны с постоянной активностью (6).

в управлении электрической активностью инспираторных мотонейронов диафрагмы и наружных межреберных мышц во время их сокращения при вдохе. В обычных условиях экспирация осуществляется пассивно, поэтому функция экспираторных премоторных дыхательных нейронов реализуется только при увеличении глубины дыхательных движений. Премоторные нейроны комплекса Бетзингера выполняют уникальную функцию — они тормозят все типы инспираторных нейронов дыхательного центра и диа­фрагмальные мотонейроны. Поэтому их аксоны распределяются билате­рально, т. е. направляются к соответствующим нейронам, расположенным как ипсилатерально, так и контралатерально.

Аксоны проприобульбарных дыхательных нейронов (ранние инспира­торные, постинспираторные, поздние инспираторные, экспираторные ней­роны комплекса Бетзингера) оканчиваются на мембране нейронов самого дыхательного центра, расположенных в вентральной дыхательной группе. Функция большинства проприробульбарных нейронов заключается в гене­рации дыхательного ритма.

10.5.1.1. Происхождение дыхательного ритма

У человека дыхательные движения впервые начинаются у плода (в начале III триместра беременности). Эти дыхательные движения носят периоди­ческий и нерегулярный характер. Современные исследования свидетельст­вуют о том, что дыхательные движения плода инициируются проприобуль- барными инспираторными пейсмекерными клетками вентральной дыха­тельной группы, расположенными вблизи нейронов комплекса Бетзингера (пребетзингерова область). Эти нейроны обладают двумя уникальными свойствами. Мембрана нейронов способна к спонтанной деполяризации и, когда их мембранный потенциал достигает порога возбуждения, нейроны генерируют короткий залп потенциалов действия. Вторым свойством мем­браны пейсмекерных нейронов дыхательного центра является механизм аккомодации, т. е. самоограничения электрической активности. Этот меха­низм представляет собой гиперполяризацию мембранного потенциала ней­рона под влиянием нарастающего входящего тока ионов хлора и формиро­вание декрементного паттерна электрической активности. В результате в течение короткого отрезка времени нейроны способны самостоятельно прекращать свою электрическую активность. Разряды электрических им­пульсов по аксонам дыхательных нейронов распространяется к мотонейро­нам спинного мозга и вызывают через них сокращение диафрагмы и на­ружных межреберных мышц у плода. Внутриутробные ритмические сокра­щения инспираторных мышц у плода способствуют развитию у него аппа­рата внешнего дыхания к моменту рождения. Первый вдох новорожденно­го и дыхание в первые сутки после рождения по-прежнему обусловлены спонтанной пейсмекерной активностью проприобульбарных нейронов вентральной дыхательной группы дыхательного центра.

У взрослых млекопитающих животных происхождение дыхательного ритма объясняют двумя теориями, которые основаны на пейсмекерной ги­потезе и гипотезе нейронной сети. Согласно первой, дыхательный ритм возникает в пейсмекерных проприобульбарных дыхательных нейронах пребетзингеровой области. Затем залпы нервных импульсов от пейсмекер­ных нейронов передаются другим типам нейронов дыхательного центра, при участии которых возникает соответствующий ритм дыхательных дви­жений.

Происхождение дыхательного ритма при участии нейронной сети дыха­тельного центра объясняют функцией синаптических связей между различ­ными типами дыхательных нейронов. Основным проявлением синаптиче­ских связей является взаимное торможение между группами нейронов противоположных фаз дыхательного цикла. Вторым свойством ритмгене- рирующей нейронной сети является наличие в ней хотя бы одного типа дыхательных нейронов, возбудимая мембрана которых обладает механиз­мом аккомодации, т. е. самоограничения электрической активности. В ды­хательном центре взрослых животных имеется два типа дыхательных ней­ронов, обладающих аккомодативным механизмом: ранние инспираторные и постсинспираторные (рис. 10.22). Оба типа нейронов взаимно тормозят друг друга и все другие типы нейронов дыхательного центра в период, ко­гда активны либо ранние инспираторные нейроны, либо постинспиратор­ные нейроны. Ключевая роль в дыхательном ритмогенезе ранних инспира­торных нейронов с декрементным типом активности заключается в ини­циации дыхательного ритма, а именно вдоха. С момента начала разряда этого типа нейронов, благодаря механизму самоограничения активности ранних инспираторных нейронов, прекращается их тормозное действие на другие типы инспираторных нейронов дыхательного центра. В результате происходит активация инспираторных нейронов (полных и поздних) и возникает фаза вдоха. Как только вдох выключается (функция центров моста и ядер блуждающего нерва), активируются постинспираторные ней­роны с декрементным типом активности и начинается фаза выдоха. Благо­даря механизму самоограничения активности постинспираторные нейроны постепенно прекращают тормозное действие на экспираторные нейроны с нарастающей активностью и на ранние инспираторные нейроны. С мо­мента активации последних прекращается фаза выдоха и начинается оче­редная фаза вдоха.

10.5.2. Влияние нервных центров варолиева моста на дыхательный ритм

В верхних отделах моста расположены две области — n. parabrachealis medi- alis и n. Kolliker—Fuse, которые влияют на дыхательный центр продолгова­того мозга и образуют пневмотаксический центр. Нейроны этого центра ре- ципрокно связаны с инспираторными нейронами дорсальной дыхательной группы. Функцией пневмотаксического центра моста является уменьшение периода активности инспираторных нейронов дыхательного центра путем выключения фазы вдоха и более раннее появление в дыхательном цикле фазы выдоха. В результате пневмотаксический центр вызывает в дыхатель­ном центре генерацию большего числа небольших по длительности инспи­раций, т. е. увеличивает частоту дыхания.

На уровне нижней трети моста имеется область, определяемая как ап- нейстический центр. В обычных условиях активность этого центра затор­можена со стороны пневмотаксического центра. Название центра обуслов­лено тем, что его отделение от пневмотаксического центра и/или от тор­мозных афферентных влияний блуждающего нерва (описано ниже), вызы­вает остановку дыхания на вдохе (апнейзис). Эта область оказывает возбу­ждающее влияние на нейроны дорсальной дыхательной группы дыхатель­ного центра и ее роль заключается в увеличении времени фазы выдоха, а, следовательно, глубины дыхательных движений.

10.5.3. Функция спинальных дыхательных мотонейронов

При спокойном дыхании в течение фазы вдоха электрические импульсы инспираторных бульбоспинальных нейронов дыхательного центра переда­ются к мотонейронам сегментов спинного мозга: Сщ—C_v и Т_г—Т_Х11. Аксо­ны мотонейронов С_П1—■C_v образуют диафрагмальные нервы, a Tj—Т_Х11 — межреберные нервы, которые иннервируют соответственно диафрагму и наружные межреберные мышцы. Активация электрической активности этих мотонейронов под влиянием нисходящих команд дыхательного цен­тра вызывает сокращение диафрагмы и наружных межреберных мышц, что определяет уровень вентиляции легких. При глубоком дыхании фаза выдо­ха также становится активной, и нисходящие команды дыхательного цен­тра начинают включать импульсы к мотонейронам мышц живота и внут­ренних межреберных мышц (сегменты Т—L). Активация электрической активности мотонейронов, которые иннервируют экспираторные мышцы, обусловливает глубину выдоха.

10.5.4. Рефлекторная регуляция дыхания

10.5.4.1. Хеморецепторный контроль дыхания

Артериальное РСО2 (мм рт. ст.)

Рис. 10.23. Зависимость вентиляции легких от степени стимуляции цен­тральных хеморецепторов измене­ниями [Н+]/РСО2 в артериальной крови. Увеличение парциального давления СО2 в артериальной крови выше порога (РСО2 = 40 мм рт. ст.) линейно увеличивает объем вентиля­ции легких.

Хеморецепторный контроль дыхания осуществляется при участии цен­тральных и периферических хеморецепторов. Центральные (медуллярные) хеморецепторы расположены непосредственно в в ростральных отделах вентральной дыхательной группы, в структурах голубого пятна (locus coeruleus), в ретикулярных ядрах шва ствола мозга и реагируют на водо­родные ионы в окружающей их межклеточной жидкости мозга (рис. 10.23). Центральные хеморецепторы представляют собой нейроны, кото­рые в определенной степени являются рецепторами углекислого газа, по­скольку величина pH обусловлена парциальным давлением СО₂, согласно уравнению Гендерсона—Гасельбаха, а также тем, что концентрация ионов водорода в межклеточной жидкости мозга зависит от парциального давле­ния углекислого газа в артериальной крови. Увеличение вентиляции легких при стимуляции центральных хеморе­цепторов ионами водорода называется центральным хеморефлексом, который оказывает выраженное влияние на дыхание. Так, в ответ на уменьшение pH внеклеточной жидкости мозга в области локализации рецепторов на 0,01 легочная вентиляция возрастает в среднем на 4,0 л/мин. Однако цен­тральные хеморецепторы медленно реагируют на изменения СО₂ в арте­риальной крови, что обусловлено их локализацией в ткани мозга. У чело­века центральные хеморецепторы сти­мулируют линейное увеличение вен­тиляции легких при увеличении СО₂ в артериальной крови выше порог, рав­ного 40 мм рт. ст.

увеличивает чувствительность пери-

ферических хеморецепторов к [Н⁺] и СО₂. Это состояние называется ас­фиксией и возникает при прекращении вентиляции легких. Поэтому пери­ферические хеморецепторы называются часто рецепторами асфиксии. Им­пульсы от периферических хеморецепторов по волокнам синокаротидного нерва (нерв Геринга — часть языкоглоточного нерва) и аортальной ветви блуждающего нерва достигают чувствительных нейронов ядра одиночного тракта продолговатого мозга, а затем переключаются на нейроны дыха­тельного центра. Возбуждение последнего вызывают прирост вентиляции легких. Вентиляция легких увеличивается линейно в соответствии с вели­чиной [Н⁺] и РСО₂ выше порога (40 мм рт. ст.) в артериальной крови, про­текающей через каротидные и аортальные тельца (рис. 10.24). Наклон кри­вой на рисунке, который отражает чувствительность периферических хе­морецепторов к [Н⁺] и РСО₂, варьирует в зависимости от степени ги­поксии.

10.5.4.2. Механорецепторный контроль дыхания

Механорецепторный контроль дыхания осуществляется рефлексами, кото­рые возникают при раздражении механорецепторов дыхательных путей легких. В тканях дыхательных путей расположено два основных типа меха­норецепторов, импульсы от которых поступают к нейронам дыхательного центра: быстро адаптирующиеся, или ирритантные, рецепторы и рецепто­ры растяжения.

Быстроадаптирующиеся рецепторы расположены в эпителии и субэпите­лиальном слое, начиная от верхних дыхательных путей вплоть до альвеол. Название рецепторов свидетельствует о том, что они активируются при раздражении не продолжительно и быстро снижают свою активность при сохранении действия стимула. Поэтому быстроадаптирующиеся рецепторы реагируют на изменение силы раздражения. Эти рецепторы инициируют такие сложные рефлексы, как нюхательный или кашлевой. Они возбужда­ются при попадании на слизистую оболочку трахеи и бронхов механиче­ских или химических раздражителей (пыль, слизь, табачный дым, пары ед­ких веществ — аммиак, эфир). В зависимости от местоположения ирри- тантных рецепторов в дыхательных путях возникают специфические реф­лекторные реакции дыхания. Раздражение рецепторов слизистой оболочки носовой полости при участии тройничного нерва вызывает рефлекс чиха­нья; рецепторов эпифарингеальной области — через волокна языкоглоточ­ного нерва — нюхательный или аспирационный рефлекс; рецепторов сли­зистой оболочки гортани и трахеи — через волокна блуждающего нерва — рефлекс чиханья; рецепторов слизистой оболочки от уровня трахеи и до бронхиол — при участии блуждающих нервов — парадоксальный рефлекс Геда (при раздувании легких) и рефлекс выдоха и, наконец, рецепторов стенки альвеол в месте их контакта со стенкой легочных капилляров — че­рез волокна блуждающего нерва — вызывает рефлекторную реакцию в виде частого и поверхностного дыхания.

Медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения легких локализованы в гладких мышцах главных дыхательных путей бронхиального дерева (брон­хи и трахея) и раздражаются в результате увеличения объема легких (разду­вание). Рецепторы связаны с нейронами дорсальной дыхательной группы дыхательного центра миелинизированными афферентными волокнами блуждающего нерва. Стимуляция этих рецепторов вызывает рефлекс Ге­ринга—Брейера, который у животных проявляется в том, что раздувание легких вызывает рефлекторное переключение фазы вдоха на фазу выдоха. У человека в состоянии бодрствования этот рефлекторный эффект возни­кает при величине дыхательного объема, которая превышает примерно в три раза его нормальную величину при спокойном дыхании. Во время сна рефлекторное выключение вдоха с помощью рефлекса Геринга—Брейера обусловливает смену фаз дыхательного цикла.

Легочные J-рецепторы локализованы в пределах стенок альвеол в месте их контакта с капиллярами и способны реагировать на стимулы как со стороны легких, так и со стороны легочного кровообращения. Рецепторы связаны с дыхательным центром немиелинизированными афферентными С-волокнами. Эти рецепторы повышают свою активность при увеличении в плазме крови концентрации ионов водорода, при сдавливании легочной ткани или легочном отеке. Наибольшую активность легочные J-рецепторы имеют во время физической активности большой мощности и при подъе­ме на большую высоту над уровнем моря. В этих случаях одним из прояв­лений изменения давления в сосудах малого круга кровообращения может быть отек легких разной выраженности. Возникающее при этом раздраже­ние J-рецепторов вызывает частое, поверхностное дыхание, рефлекторную бронхоконстрикцию и одышку.

Проприорецепторы. Дыхательный центр непрерывно получает афферент­ные входы от прориорецепторов мышц (мышечные веретена и сухожильные рецепторы Гольджи) по восходящим спинальным трактам. Эти афферент­ные входы являются как неспецифическими (рецепторы расположены в мышцах и суставах конечностей), так и специфическими (рецепторы рас­положены в дыхательных мышцах). Импульсация от проприорецепторов распространяется преимущественно к спинальным центрам дыхательных мышц, а также к центрам головного мозга, контролирующим тонус скелет­ной мускулатуры. Активация проприорецепторов в момент начала физиче­ской нагрузки является основной причиной увеличения активности дыха­тельного центра и повышения вентиляции легких. Проприорецепторы межреберных мышц и диафрагмы рефлекторно регулируют ритмическую активность дыхательного центра продолговатого мозга в зависимости от положения грудной клетки в различные фазы дыхательного цикла, а на сегментарном уровне — тонус и силу сокращения дыхательных мышц.