ГАЗООБМІН В ЛЕГЕНЯХ І ТКАНИНАХ
Кисень – неодмінна умова існування кожної живої клітини людського організму. Кисень разом з повітряними масами під час вдихання потрапляє через верхні дихальні шляхи (носову порожнину і гортань), трахею у правовий і лівий бронхи, кожний з яких розгалужується на дольові бронхи – бронхи І порядку, а ті в свою чергу на сегментарні – бронхи ІІ порядку, сегментарні бронхи діляться на долькові – бронхи ІІІ порядку, долькові – на бронхіоли, що діляться дихотомічно на бронхіальні ходи, кожний з яких закінчується двама альвеолярними мішечками. Стінки альвеолярних мішечків складаються з альвеол. Альвеоли, утворені одношаровим плоским дихальним епітелієм. Клітини цього епітелію мають здатність виробляти біологічно активні речовини, які тонкою плівкою вистилають їхню внутрішню поверхню. Ця плівка підтримує постійний об’єм пухирців, не дає їм злипатися.
Крім того, речовини плівки знешкоджують мікроорганізми, які проникають з повітря в легені.
“Відпрацьована” плівка виводиться через повітроносні шляхи у вигляді харкотиння або перетравлюються легеневими фагоцитами.
При запаленні легень, туберкульозі та інших інфекційних захворюваннях плівка може ушкоджуватися. Тоді легеневі пухирці злипаються і не можуть брати участі в газообміні. У курців пухирці втрачають свою еластичність і здатність очищатися, плівка твердне від отрути, що є в цигарках. Свіже повітря, інтенсивне дихання під час фізичної праці й заняття спортом сприяють обновленню плівки.
Кожна альвеола обплетена густою сіткою капіляр. Стінки капілярів і епітелію створюють бар’єр між кров’ю і повітрям в альвеолах, але не перешкоджають газообміну між ними.
Газообмін в легенях здійснюється по принципу дифузії. Кров у легенях постачається по судинах малого кола кровообігу. По верхній і нижній порожнистих венах венозна кров впадає у праве передсердя, а потім у правий шлуночок. Після чого кров з шлуночка виштовхується в легеневу артерію, що розгалужується до дрібних альвеолярних капілярів, де і проходить газообмін. Концентрація вуглекислого газу в крові більша, ніж в повітрі альвеол, а кисню концентрація в повітрі більша, ніж в крові, тому кисень переходить в кров, а вуглекислий газ – в повітря, яке під час вдиху виводиться в зовнішнє середовище.
Отже, в легенях кров збагачується киснем і звільняється від вуглекислого газу, тобто перетворюється із венозної у артеріальну. По легеневих венах уже артеріальна кров впадає в ліве передсердя. потім в лівий шлуночок, звідси – у велике коло кровообігу.
Із капілярів великого кола кровообігу кисень потрапляє в тканини. В артеріальній крові концентрація кисню більша, ніж в клітинах тканин, а вуглекислого газу в клітинах концентрація більша, ніж в крові. Тому кисень легко проникає в клітини тканин і використовується в окислювальних процесах. А вуглекислий газ із клітин переходить у кров. Так у тканинах органів артеріальна кров перетворюється на венозну.
Венозна кров по венах великого кола кровообігу надходить у праве передсердя, потім – у правий шлуночок серця, а звідти – до легень.
Обмін газів через шкіру і кишковий тракт не перевищує 1-2% загального газообміну. За кожну годину людина н 1 кг ваги поглинає 30 мл кисню і виділяє 120 мл вуглекислого газу. Під час роботи ця кількість збільшується в тренованих людей у 15-20 раз, а в нетренованих – 10 раз. Людина в стані спокою за хвилину споживає 250 мл кисню; при максимально напруженій роботі потрібно 400-500 мл кисню. Максимальне поглинання кисню нетренованого людиною не перевищує 2-3,5 мл за хвилину, а в добре тренованої доходить до 3,55 л. Через те, що потреба в кисні збільшується в 20-25 раз, утворюється кисневий борг.
Для характеристики змін газів повітря подаємо таблицею 19 складу газів у вдиху вальному, видихальному і альвеомерному повітрі. Крім перелічених у таблиці газів, у повітрі є ще в певних кількостях неон, гелій, криптон, водень, ксенон, і озон. Останнім часом дослідженнями М.І.Валського доведена можливість засвоєння озону атмосферного повітря рослинами і тваринами. Для хімічного аналізу дихальних газів використовують швидкодіючі прилади, засновані на принципах зміни концентрації газів через кожні 40 мілісекунд.
Склад газів у вдиху вальному, видиху вальному і альвеомерному повітрі (у%).
Широко використовується метод аналізу газів крові за допомогою оксигемометрії. Визначення напруження кисню в тканинах проводиться за допомогою поляриметричного методу, який характеризується високою чутливістю.
Наведені в таблиці 19 цифри кількості газів у вдихуваному і видихуваному повітрі стосуються сухого повітря. При звичайних умовах вдихуване, а особливо видихуване повітря, а особливо видихуване якоюсь мірою насичене водяною парою. За добу людина виділяє 450 мл водної пари. Тиск водяної пари в альвеолах при температурі 37оС дорівнює 50 мм. рт. ст. Отже, в альвеолярному повітрі тиск газів буде не 760, 760-50 = 710 мм. рт. ст. Для визначення парціального тиску процент газу множать на альвеолярний тиск повітря і ділять на 100.
Легеневих альвеол у людини 700 млн. Товщина епітеліального шару альвеол у 0,004 мл не перешкоджає дифузії газів.
Кров, проходячи по легеневих капілярах, обмінюється газами з альвеомерним повітрям. Цьому сприяє велика поверхня альвеол. У венозній крові, що надходить до легенів, високий тиск вуглекислого газу і відносно низький тиск кисню. У тканинах тиск вуглекислого газу найбільший, у венозній крові, яка надходить до альвеол, тиск дорівнює 46 мм, а в альвеолярному повітрі – 40 мм рт. ст. Завдяки такій різниці тиску вуглекислий газ дифундує з тканин у кров капілярів, а з венозної крові – в альвеолярне повітря.
Тиск кисню в клітинах тканин дорівнює нулю, в артеріальній крові – 100 мм, а в альвеолярному повітря 107-110 мм. рт. ст.. Тому кисень дифундує з альвеолярного повітря в кров, а з артеріальної крові – о тканин. У між тканинній рідині тиск кисню дорівнює 20-37 мм. рт. ст.. Споживання кисню тканинами збільшується з посиленням обміну, який регулюється нервовою системою. Ступінь використання кисню тканинами можна встановити різницю кисню в артеріальній і венозній крові; артеріальна кров містить 20 об’ємних процентів кисню, а венозна – 12. Тканини споживають 8 об’ємних процентів кисню, що становить 40% усього кисню крові.
Споживання тканинами кисню залежить від інтенсивності обміну і від функціонального стану тканин. На відміну від гідролітичних процесів, реакції окислення дають більший тепловий ефект і є для організму основним джерелом енергії. Окислення, зрештою, зводиться до втрати електронів окислюванню речовиною, а відновлення, навпаки, - до приєднання їх. Окислювано-відновну реакцію можна уявити як суто електронний процес, як зміну валентності іона або перетворення його в атом. Значно частіше перехід електронів є результатом молекулярного перегрупування, що складається з приєднання посилюваною речовиною кисневого атома, який віддає молекула окислювача. В інших випадках окислення полягає в дегідруванні: окислювана молекула втрачає водневі атоми, які приєднюються окислювачем. Для хімічної реакції потрібне активування хоч би однєї молекули, що бере участь в реакції.
Дихальні ферменти є каталізаторами тканинного дихання. Ферменти, міцно зв’язані з клітинами, називають оксидонами. Вони сприяють сполученню активного кисню з воднем тканин, тоді як з участю оксидоз водень приєднюється молекулярним киснем. У тканинах окислення починається з дегідрування, тобто з активування ферментом дегідрозою водню тієї речовини, що окислюється. Потім водень окислюється з утворенням води з участю оксидози. Остання є дихальним ферментом, до складу якого входить залізо. В процесах окислення беруть участь і інші ферменти, наприклад пероксиди, які, активуючи кисень, сприяють окисленню речовин, що важко окислюються. В основі сучасних уявлень про механім окислювано – відновних процесів тканинного дихання лежать перекисна теорія О.М.Ваха і теорія уявити так: воно починається дегідруванням; після відщеплення водню речовина стає багатшою на кисень, окислюється. Речовини, що віддають водень, розпадаються на простіші сполуки, причому звільняється енергія і виділяється вуглекислий газ. Відщеплення водню відбувається з участю ферментів дегідраз, які тимчасово приєднюють водень і передають його кисню, в результаті чого утворюється вода. Дегідрози не зразу переносять водень до акцептора, а через ряд проміжних перенощиків. Дегідрази переносить електрони і протони від окислюваного субстрату кодегідрзом. Водень, приєднаний до кодегідрази, відщеплюється компонентом дихальної системи – флавіновими ферментами, які приймають водень від кодегідраз і передають його кисневі безпосередньо або через систему інших ферментів. Каталізаторами, що забезпечують взаємодію флавінових ферментів з киснем, є цитохроми. До складу флавінів входить рибофлавін або вітамін В2. О.М.Бах вважав, що кисню належить головна роль у процесах окислення. Речовини поглинають молекулярний кисень і утворюють перекиси, які з участю ферментів пероксиду віддають кисень і утворюють перекиси, які з участю ферментів пероксидаз віддають кисень і окислюють іншу речовину. Після віддачі кисню перекис може приєднати кисень і знову віддати його для окислення. Перекис є ферментами оксигеназами, що беруть участь в окисленні.
Поряд з окисленням відбуваються й процеси відновлення за рахунок розщеплення води. За О.М.Бахом, кисень води йде на окислення, а водень – на відновлення.
В.О.Панладін звернув увагу на водень при окислювально-відновній реакції. Він вважав, що акцептором водню є дихальні пігменти рослин, які цим воднем відновлюються в хромогени. Водень відщеплюється від хромогенів за участю оксидаз і сполучається з киснем повітря, утворюючи воду. Після дегідрації хромогени перетворюються в дихальні ферменти, які знову можуть бути акцепторами для водню.