Газообмен в легких. Диффузия кислорода и углекислого газа в альвеолах

Физиология:

Популярные разделы сайта:

Газообмен в легких. Диффузия кислорода и углекислого газа в альвеолах

Артериальная кровь представляет собой смесь, полученную путем объединения крови от различных ацинусов легких. Доказано, что в нормальных условиях капиллярная кровь из разных ацинусов легких может иметь весьма разнообразный газовый состав. Эти различия усиливаются при легочных заболеваниях. Таким образом, причина гипоксемии у большинства детей с заболеванием легких в неоднородных вентиляционно-перфузионных отношениях в различных ацинусах. Несмотря на видимый порой диффузный характер заболевания легких, все ацинусы повреждаются по-разному.
Для понимания тонких звеньев патогенеза легочных заболеваний необходимо четко уяснить механизмы перемещения кислорода и углекислого газа из воздуха в кровь и обратно.

В процессе дыхания газовый состав альвеолярного воздуха обновляется. В газообмене участвует только тот воздух, который попадает или выводится из легких за единицу времени. Эта часть воздуха называется альвеолярной вентиляцией и определяется соотношением продукции (элиминации) углекислого газа и его парциального давления в альвеолярной смеси. Таким образом, парциальное давление углекислого газа в артериальной крови или альвеолярной смеси прямо пропорционально его выработке и обратно пропорционально минутной альвеолярной вентиляции.

Разность между минутной вентиляцией и минутной альвеолярной вентиляцией носит название вентиляции мертвого пространства и представляет собой ту долю минутной вентиляции, которая не принимает участия в газообмене. Вентиляция мертвого пространства включает в себя воздух дыхательных путей (анатомическое мертвое пространство), а также воздух альвеол, который не вступил в непосредственный контакт с капиллярами (альвеолярное мертвое пространство). Заболевания дыхательной системы обычно характеризуются увеличением показателя вентиляции мертвого пространства.

Транспорт кислорода и углекислого газа в кровь легочных капилляров и обратно осуществляется путем диффузии по градиенту концентрации. Известно, что в легочные капилляры поступает венозная кровь, бедная кислородом и богатая углекислым газом. Состав альвеолярного воздуха обусловлен эффективностью его замены при дыхании, а также активностью транспорта газов из крови и обратно. При условии прочих равных факторов активация вентиляции легких сопровождается увеличением содержания кислорода и снижением уровня углекислого газа как в альвеолах, так и в легочных капиллярах. В свою очередь, снижение вентиляционно-перфузионного отношения снижает парциальное давление кислорода в альвеолах и легочных капиллярах.

Показатели альвеолярного (артериального) Ро2 и Рсо2 связаны как в условиях изолированной альвеолы, так и целого легкого математическим соотношением, которое учитывает состав вдыхаемой газовой смеси, а также относительную скорость транспорта кислорода и углекислого газа через альвеолярно-капиллярную мембрану:

Рао2 = Pio2 - Расо2 / R + Fio2 Расо2 (1 - R)/R, где Рао2 — парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе, Pio2 — парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе (рассчитывается путем умножения концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе (Fio2) и разницы между атмосферным давлением и давлением паров воды при температуре тела), Расо2 — парциальное давление углекислого газа в альвеолярной смеси (на практике этот показатель заменяют парциальным давлением углекислого газа в артериальной крови).

При дыхании комнатным воздухом последний член выражения принимает ничтожно малое значение, поэтому формула принимает следующий сокращенный вид: Рао2 = Pio2 - Расо2 / R.

Выраженное снижение вентиляции (гиповентиляция) наблюдается крайне редко; в большинстве случаев оно обусловлено поражением головного мозга, нарушением нервной проводимости, слабостью дыхательной мускулатуры или ее утомляемостью. Все эти состояния снижают скорость обновление альвеолярного воздуха, что способствует повышению парциального давления углекислого газа и снижению того же показателя кислорода. Снижение парциального давления кислорода в альвеолярной смеси приводит к относительному выравниванию данного показателя с парциальным давлением кислорода в легочных капиллярах, что является одним из наиболее характерных проявлений гипоксии вследствие гиповентиляции.

Ингаляция кислорода способствует быстрому повышению его парциального давления в артериальной крови.

Диффузия кислорода и углекислого газа из альвеолярного воздуха в кровь и обратно происходит по градиенту концентрации. Во время диффузии молекулы кислорода проникают через базальную мембрану и цитоплазму альвеолярного эпителия и эндотелия, через плазму, а также мембрану и цитоплазму эритроцита. В эритроците кислород вступает в химическую реакцию с молекулой гемоглобина. Диффузия идет довольно быстро, поскольку к моменту прохождения эритроцитом 1/3 своей траектории в стенке альвеолы процесс насыщения кислорода гемоглобином завершается.

Вследствие высокой диффузионной способности кислорода и углекислого газа нарушение диффузии очень редко приводит к гипоксии и практически не может вызвать гиперкапнию у ребенка в состоянии покоя. Данное утверждение справедливо даже для тех случаев, когда альвеолярный интерстиций заполнен жидкостью, воспалительным инфильтратом или замещен соединительной тканью. В ряде случаев нарушение диффузии проявляется в виде увеличения градиента парциального давления кислорода в альвеолах и артериальной крови при условии активации легочного кровотока (физическая нагрузка). Причиной тому служит недостаточное количество времени для обеспечения полноценной диффузии.

Как уже было сказано выше, степень оксигенации крови зависит в значительной степени от скорости легочного кровотока. Венозное примешивание или относительное шунтирование наблюдают в том случае, когда из малого круга кровообращения поступает кровь с недостаточным содержанием кислорода. Согласно строгому определению, указанные термины отражают тот объем венозной крови, который следует добавить к «идеальной» капиллярной крови для обеспечения артериального парциального давления кислорода. Венозное примешивание наблюдают при нарушениях диффузии, вентиляционно-перфузионном несоответствии, а также при истинном шунтировании венозной крови.

Последнее развивается при прохождении крови через невентилируемые альвеолы. Ингаляция кислорода приводит к быстрому разрешению гипоксемии, обусловленной нарушением диффузии или вентиляционно-перфузионным несоответствием. При истинном шунтировании назначение ингаляции кислорода не позволяет избавиться от гипоксемии. В настоящее время доказано, что незначительное венозное примешивание имеет место у большинства здоровых людей. Причиной тому служит незначительный альвеолярно-артериальный градиент парциального давления кислорода, который варьирует от возраста и составляет около 5-6 мм рт. ст. у подростков в комнатных условиях. Незначительный градиент парциального давления кислорода обусловлен шунтированием крови из малого в большой круг кровообращения, а также некоторым вентиляционно-перфузионным несоответствием. У новорожденных, особенно недоношенных, альвеолярно-артериальный градиент существенно выше, что можно объяснить большим диффузионным расстоянием между мешочками и мешотчатыми капиллярами, значительной гетерогенностью вентиляционно-перфузионных отношений, а также спадением воздухоносных путей в положении ребенка на спине.

Основной механизм гипоксемии и гиперкапнии у пациентов с заболеваниями легких — вентиляционно-перфузионное несоответствие. Во-первых, содержание кислорода и углекислого газа в крови, выходящей из конкретной альвеолярно-капиллярной структурной единицы, зависит от соотношения вентиляции и перфузии в этой единице. Во-вторых, содержание кислорода и углекислого газа в артериальной крови составляет среднюю сумму указанных показателей для каждой порции крови от всех структурных единиц. Низкое вентиляционно-перфузионное соотношение свидетельствует о низкой оксигенации крови и наоборот. Смешивание бедной кислородом крови из зон низкого вентиляционно-перфузионного соотношения с богатой кислородом кровью сопровождается существенным снижением Ро2 в итоге.

- Читать "Дыхательная недостаточность. Причины"

Оглавление темы "Физиология дыхания у детей":