Общая характеристика и этапы дыхания
Транспорт газов кровью и газообмен в тканях представляют собой ключевые звенья единой системы. Главная задача этой системы — доставка кислорода к клеткам и своевременное удаление углекислого газа. Переход газов между различными биологическими средами осуществляется исключительно путем диффузии. Движущей силой этого физического процесса выступает разница (градиент) парциальных давлений и парциальных напряжений газов.
Дыхание как комплексная физиологическая система включает пять основных этапов:
- Внешнее дыхание — процесс вентиляции легких, при котором происходит газообмен между атмосферным и альвеолярным воздухом.
- Газообмен в легких — диффузия газов между альвеолярным воздухом и кровью, протекающей по легочным капиллярам.
- Транспорт газов кровью — перенос углекислого газа от тканей к легким (и кислорода в обратном направлении) по сосудистому руслу.
- Газообмен в тканях — обмен молекулами между кровью капилляров большого круга кровообращения и клетками тканей.
- Внутреннее (тканевое) дыхание — окислительные процессы, протекающие непосредственно в митохондриях клеток.
Образование углекислого газа и связь с кислородом
Углекислый газ образуется в организме как конечный продукт расщепления органических веществ. Этот процесс неразрывно связан с потреблением кислорода (O₂), который составляет около 21% атмосферного воздуха и представляет собой двухатомную молекулу с двойной связью и парамагнитными свойствами.
В ходе тканевого дыхания в митохондриях происходит кислородное расщепление субстратов. На третьем этапе энергетического обмена (аэробное дыхание) пируват полностью расщепляется до конечных продуктов — CO₂ и H₂O. При этом синтезируется 36 молекул АТФ:
- 2 молекулы АТФ образуются в цикле Кребса, который протекает в матриксе митохондрий.
- 34 молекулы АТФ синтезируются в процессе окислительного фосфорилирования ферментами дыхательной цепи на кристах внутренней мембраны митохондрий.
У облигатных аэробов (к которым относится, например, Mycobacterium tuberculosis) кислород выступает терминальным акцептором электронов в оксидативном метаболизме при участии ключевого фермента цитохромоксидазы. Транспорт кислорода к тканям, где образуется углекислый газ, обеспечивается железом, которое связывает O₂ в легких и придает крови красный цвет. Железо также входит в состав ферментов, ответственных за поэтапное окисление глюкозы до CO₂ и H₂O.
Сам по себе углекислый газ не является исключительно «отходом» метаболизма. Он активно участвует в обменных процессах организма и выполняет важнейшую регуляторную функцию — является физиологическим возбудителем дыхательного центра.
Почечная регуляция кислотно-основного состояния
Транспорт углекислого газа и его гидратация в крови (с участием фермента карбоангидразы) напрямую влияют на кислотно-основное состояние (КОС) организма. Долговременная регуляция КОС обеспечивается сложным механизмом секреции и экскреции в почечных канальцах.
Этот механизм включает два разнонаправленных, но взаимосвязанных процесса:
- Реабсорбция бикарбоната (HCO₃⁻). Ионы бикарбоната всасываются обратно в кровь. Механизм этого процесса основан на электростатическом притяжении к ионам натрия (Na⁺) и калия (K⁺). Физиологическое значение реабсорбции заключается в поддержании нормальной щелочной реакции крови. При развитии алкалозов секреция бикарбоната почками компенсаторно увеличивается, а при ацидозах — уменьшается.
- Секреция протонов (H⁺). Ионы водорода активно секретируются в мочу. Чтобы свободные протоны не повредили мочевыводящие пути, в моче происходит специфическая буферная реакция. Секретируемые ионы H⁺ соединяются с профильтровавшимся гидрофосфатом натрия (Na₂HPO₄). В результате этой химической реакции образуется дигидрофосфат натрия (NaH₂PO₄), который безопасно удаляется из организма вместе с мочой.
Физиологическое значение почечной регуляции огромно: удаление ионов H⁺ из крови надежно предотвращает закисление внутренней среды организма (ацидоз). Следствием работы этого механизма является формирование кислой реакции конечной мочи, pH которой в норме составляет от 4,5 до 6,5.
Для быстрого запоминания пяти этапов дыхания используйте акроним ВЛТТВ: Внешнее дыхание, Легочный газообмен, Транспорт кровью, Тканевый газообмен, Внутреннее дыхание.
Вопросы с занятий и экзамена
За счет чего происходит газообмен между альвеолами и кровью?
Газообмен осуществляется исключительно путем диффузии. Движущей силой является градиент парциальных давлений и напряжений газов между альвеолярным воздухом и кровью легочных капилляров.
Какова роль углекислого газа в регуляции дыхательной системы?
Углекислый газ не только удаляется из организма, но и является главным физиологическим возбудителем дыхательного центра, адаптируя частоту и глубину дыхания к потребностям метаболизма.
Как почки предотвращают развитие ацидоза?
Почки секретируют ионы водорода в мочу, где они связываются с гидрофосфатом натрия (Na₂HPO₄). Одновременно в кровь реабсорбируются ионы бикарбоната (HCO₃⁻), поддерживая щелочную реакцию крови.
Сколько энергии образуется при полном окислении с выделением CO2?
На третьем этапе энергетического обмена при полном расщеплении пирувата до углекислого газа и воды синтезируется 36 молекул АТФ (2 в цикле Кребса и 34 при окислительном фосфорилировании).
Что ещё разобрать по теме
- Роль карбоангидразы в транспорте углекислого газа
- Механизмы окислительного фосфорилирования в митохондриях
- Буферные системы крови и мочи
- Транспорт кислорода и биологическая роль железа
- Регуляция активности дыхательного центра
Разберите тему целиком в курсе «Физиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Газообмен углекислого газа» и ещё 4 128 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 114 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Дополнительные темы»
Бесплатные видеоуроки: физиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.