Биологическое значение дыхания

21. Понятие дыхания, его значение. Этапы дыхания.

Дыхание – это непрерывный обмен газов между организмом и окружающей его средой.Функции дыхательной системы:Газообмен Терморегуляторная Гомеостатическая Фильтрационная и гемостатическая Экскреторная Защитная Кровообращение Депонирование крови Голосообразование

Система дыхания включает: дыхательные (воздухоносные) пути

дыхательные органы (легкие).

В комплексе процессов, обеспечивающих дыхание, выделяют следующие этапы:внешнее дыхание (вентиляция легких)

диффузия газов в легких

транспорт газов кровью

диффузия газов в тканях

клеточное дыхание

Дыхание — это процесс, обеспечивающий метаболизм живых организмов из окружающей среды кислородом (О2) и отводящий в окружающую среду в газообразном состоянии некоторую часть продуктов метаболизма организма .

Жизнедеятельность живого организма связана с поглощением им О2 и выделением СО2. Поэтому в понятие «дыхание» входят все процессы, связанные с доставкой О2 из внешней среды внутрь клетки и выделением СО2 из клетки в окружающую среду.У человека различают дыхание: 1) внутреннее (клеточное, тканевое); 2) транспорт газов кровью или другими жидкостями тела; 3) внешнее (легочное). Фактически вое звенья газотранспортной системы организма, включая ре-гуляторные механизмы, призваны обеспечить концентрацию кислорода в клетках, необходимую для поддержания активности дыхательных ферментов.

ПереносО2 из альвеолярного воздуха в кровь и СО2 из крови в альвеолярный воздух происходит исключительно путем диффузии. Движущей силой диффузии является разница парциального давления О2 и СО2 по обеим сторонам альвеолокапиллярной мембраны. Кислород и углекислый газ диффундируют через слой тонкой пленки фосфолипидов (сурфактанта), альвеолярный эпителий, две основные мембраны, эндотелий кровеносного капилляра. Диффузионная способность легких для кислорода значительная. Это обусловлено большим количеством альвеол и их значительной газообменной поверхностью, а также небольшой толщиной (около 1 мкм) альвеолокапиллярной мембраны. Время прохождения крови через капилляры легких составляет около 1 с, напряжение газов в артериальной крови, которая оттекает от легких, полностью соответствует парциальному давлению в альвеолярном воздухе. Если вентиляция легких недостаточная и в альвеолах увеличивается содержаниеСО2, то уровень концентрации СО2 сразу же повышается в крови, что приводит к учащению дыхания.

В легких кровь из венозной превращается в артериальную, богатую О2 и бедную СО2. Артериальная кровь поступает в ткани, где в результате беспрерывно проходящих процессов используется О2 и образуется СО2. В тканях напряжение О2 близко к нулю, а напряжение СО2 около 60 мм рт. ст. В результате разности давления СО; из ткани диффундирует в кровь, а О2 — в ткани. Кровь становится венозной и по венам поступает в легкие, где цикл обмена газов повторяется вновь.

Газы очень слабо растворяются в жидкостях. Так, только небольшая часть О2 (около 2 %) растворяется в плазме, а СО2 — 3—6%. Основная часть гемоглобина транспортируется в форме непрочного соединения гемоглобина, который содержится в эритроцитах. В молекулу этого дчхатель-ного пигмента входят специфический белок — глобин и простетическая группа — гем, которая содержит двухвалентное железо. При присоединении кислорода к гемоглобину образуется оксигемоглобин, а при отдаче кислорода — дизоксигемоглобин. Например, 1 г гемоглобина способен связать 1,36 мл газообразного О2 (при атмосферном давлении). Если учесть, что в крови человека содержится около 15 % гемоглобина, то 100 мл его крови могут перенести до 21 мл О2. Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигенация гемоглобина зависит от парциального давления О2 в среде, с которой контактирует кровь. Сродство гемоглобина с кислородом измеряется величиной парциального давления кислорода, при которой гемоглобин насыщается на 50 % (Р50); У человека в норме она составляет 26,5 мм рт. ст. для артериальной крови.

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом СО (оксид углерода) с образованием карбоксигемогло-бина, не способного к переносу О2. Его химическое сродство к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к О2. Так, при концентрации СО в воздухе, равной 0,1 %, около 80 % гемоглобина крови оказывается в связи не с кислородом, а с угарным газом. Вследствие этого в организме человека возникают симптомы кислородного голодания (рвота, головная боль, потеря сознания). Легкая степень отравления угарным газом является обратимым процессом: СО постепенно отщепляется от гемоглобина и выводится при дыхании свежим воздухом.

При концентрацииСО, равной 1 %, через несколько секунд наступает гибель организма.

Углекислый газ обладает способностью вступать в разные химические связи, образуя в том числе и нестойкую угольную кислоту. Это обратная реакция, которая зависит от парциального давления СО2 в воздушной среде. Она резко увеличивается под действием фермента карбоангидразы, который находится в эритроцитах, куда СО2 быстро диффундирует из плазмы. Около 4/5 углекислого газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО—3. Связыванию СО2 способствует снижение кислотных особенностей гемоглобина. Угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с ионами натрия и калия, образуя бикарбонаты (NaHCО-3, КНСО-3). Углекислый газ транспортируется к легким в физически растворенном виде и в непрочном химическом соединении в виде карбогемоглобина, угольной кислоты и бикарбонатов калия и натрия. Около 70 % его находится в плазме, а 30 % — в эритроцитах.

Координированные сокращения дыхательных мышц обусловлены ритмичной деятельностью нейронов дыхательного центра, который находится в продолговатом мозre. Кроме того, к звену аппарата регуляции дыхания относятся хеморецепторные и механорецепторные системы, обеспечивающие нормальную работу дыхательного центра в соответствии с потребностями организма в обмене газов. К дыхательным нейронам относятся нервные клетки, импульсная активность которых изменяется в соответствии с фазами дыхательного цикла. Различают инспираторные нейроны, которые активны только в фазе вдоха, и экспираторные, активные во время выдоха. Активность дыхательных нейронов зависит также от импульсов, исходящих от хемо-и механорецепторов дыхательной системы. Основным регулятором активности центрального дыхательного механизма является афферентная сигнализация о газовом составе крови, которая поступает от центральных (бульбарных) и периферических (артериальных) хеморецепторов.

Главный стимул, который управляет дыханием, — высокое содержание СО2 (гиперкапния) в крови и в неклеточной жидкости мозга. Чем сильнее возбуждение бульбарных хемо-чувствительных структур и артериальных хеморецепторов, тем выше происходит вентиляция. Незначительное влияние на регуляцию дыхания оказывает гипоксия. Стимулирует дыхание сочетание гиперкапнии и гипоксии; интенсификация окислительных процессов ведет не только к увеличению поглощения из крови кислорода, но и к возрастанию в ней углекислого газа и кислых продуктов обмена.

Механорецепторы дыхательной системы, во-первых, участвуют в регуляции параметров дыхательного цикла — регуляции глубины вдоха и его продолжительности; во-вторых, эти рецепторы являются рецепторами рефлексов защитного характера — кашля. К механорецепторам относятся рецепторы растяжения легких, иритантные, юкстаальвеолярные, рецепторы верхних дыхательных путей и проприорецепторы дыхательных мышц. Рецепторы растяжения легких находятся в основном в гладкомышечном слое стенок трахеобронхиального дерева и чувствительны к давлению и растяжению. Иритантные рецепторы расположены в эпителиальном и субэпителиальном слоях стенок воздухоносных путей. Они чувствительны к частицам пыли, слизи, химических веществ, а также реагируют на резкие изменения объема легких (спадение). Юкстаальвеолярные рецепторы локализуются в интерстиции легких вблизи альвеолярных капилляров и дают начало немиелинизированным С-волокнам, которые идут в блуждающий нерв. Эти рецепторы чувствительны к ряду биологически активных веществ (никотину, гистамину и др.). Рецепторы верхних дыхательных путей являются в основном источником защитных рефлексов (кашель, чиханье, глотание). Проприорецепторы дыхательных мышц контролируют деятельность этих мышц под влиянием центральных дыхательных нейронов.

Таким образом, в регуляции дыхания участвуют различные по характеру и местонахождению как нервные, так и гуморальные структуры, которые создают оптимальные условия для газообмена.Человек в состоянии покоя вдыхает и выдыхает около 500 мл воздуха. Этот объем воздуха называется дыхательным. Если после спокойного вдоха сделать усиленный дополнительный вдох, то в легкие может поступить еще 1500 мл воздуха. Такой объем называют резервным объемом вдоха. После спокойного выдоха при максимальном напряжении дыхательных мышц можно выдохнуть еще 1500 мл воздуха. Этот объем носит название резервного объема выдоха. После максимального выдоха в легких остается около 1200 мл воздуха — остаточный объем. Сумма резервного объема выдоха и остаточного объема составляет около 250 мл — функциональную остаточную емкость легких (альвеолярный воздух). Жизненная емкость легких — это в сумме дыхательный объем воздуха, резервный объем вдоха и резервный объем выдоха (500 + 1500 + 1500).Жизненную емкость легких и объем легочного воздуха измеряют при помощи специального прибора — спирометра (или спирографа).Дыхание изменяется при повышенном или пониженном атмосферном давлении. Так, при работе под водой на глубине (водолазы, акванавты) необходимо доставить дыхательную смесь, которая бы соответствовала гидростатическому давлению на данной глубине, иначе дыхание будет невозможным. При увеличении глубины на каждые 10 м давление возрастает на 1 атм (0,1 мПа). Таким образом, на глубине 100 м человеку необходима дыхательная смесь, превышающая атмосферное давление приблизительно в 10 раз. Пропорционально возрастает и плотность этой смеси, что создает дополнительное препятствие для дыхания. Поэтому на глубине более 60—80 м в крови и тканях людей растворяется большое количество газов, в том числе и азота. При быстром переходе от повышенного давления к нормальному в организме человека образуется много газовых пузырьков из азота, которые закупоривают капилляры и нарушают кровообращение. Постепенное снижение давления в декомпрессионной камере способствует выведению азота через легкие.

Для предупреждения отрицательного влияния азота на организм человека азот полностью или частично заменяют гелием, плотность которого в 7 раз меньше, чем у азота.Нахождение человека на больших высотах сопровождается снижением парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе и альвеолярном газе. Так, на высоте 4000 м над уровнем моря давление атмосферное О2 и альвеолярное О2 снижается более чем в 1,5 раза в сравнении с нормой. При этом у человека может наблюдаться недостаточное обеспечение кислородом организма, особенно головного мозга, проявляющееся одышкой, нарушениями центральной нервной системы (головная боль, тошнота, бессонница) и др. Индивидуальная устойчивость организма человека в полной мере зависит от его адаптации. Однако на высоте 7000—8000 м, где атмосферное и альвеолярное давление Од падает почти втрое, дыхание считается небезопасным для жизни без употребления газовой смеси с кислородом.

StudFiles.ru

39. Значение дыхания для организма. Основные этапы процесса дыхания. Дыхательные пути.

Система органов дыхания служит для поступлений О2 в организм и выделении из него СО2. О2 необходим для протекания окислительных процессов в организме. Без пищи человек погибает через 60-70 суток, без воды через 5-7 дней, без О2 3-5 мин. Дыхательная система состоит из носовой полости, бронхов и лёгких.

В дыхательной системе выделяют:

- воздухоносные пути;

- паренхима лёгких, которую составляют дыхательные пузырьки (альбеолы) окружённые густой сетью капилляров;

Носовая полость помимо дыхательной функции очищает, согревает, увлажняет воздух, а также выполняет обонятельную функцию.

Лёгкие располагаются в грудной полости по обеим сторонам сердца. Снаружи каждое лёгкое окружено плеврой (соединительно тканной оболочкой), которая состоит из 2х листков между которыми находится пространство (плевральная полость). Здесь р ниже атмосферного. Поэтому говорят об «-» давлении в плевральной полости. В полости есть небольшое количество серозной жидкости.

Дыхание человека состоит из следующих процессов:

  1. Внешнее дыхание (вентиляция лёгких)

  2. Обмен газов в лёгких (между альбиолярным воздухом и кровью капилляров)

  3. Перенос газов кровью к ткани и обратно к лёгким

  4. Внутреннее дыхание (течение окислительных процессов в митохондриях)

Дыхательный цикл включает в себя 2 фазы: вдох и выдох. Соотношение 1:1,3. Вдох осуществляется активно, выдох пассивно.

В лёгких действуют силы, способствующие их растяжению.

1. Тяга грудной клетки обусловлена силой сокращения дыхательных мышц

2. «-» р в плевральной полости

Силы, способствующие спаданию лёгких.

  1. Эластическая тяга лёгких.

40. Понятие о дыхательных объёмах.

Дыхательный объём – объём воздуха, который вдыхает и выдыхает человек при спокойном дыхании. Составляет ≈ 500 мл колеблется от 300-800 мл.

  1. Резервный объём вдоха – количество воздуха, который человек может дополнительно вдохнуть ≈ 3000 мл.

  2. Резервный объём выдоха – количество воздуха, которое человек может дополнительно выдохнуть 1300 мл.

  3. Жизненная ёмкость лёгких. Это сумма указанных объёмов. Она составляет ≈ 4800 мл.

  4. Остаточный объём – количество воздуха, которое остаётся в лёгких после глубокого выдоха.

  5. Общая ёмкость лёгких – сумма остаточного объёма и общей ёмкости лёгких ≈ 6000 мл.

  6. Мёртвое пространство. Воздух находится не только в альбиолах на и в воздухоносных путях, он не участвует в газообмене ≈ 3500 мл. Объёмы воздуха определяют при помощи спирометра.

Кроме определения объёмов для изучения функции лёгких используются и временные показатели.

ВЕНТИЛЯЦИЯ ЛЁГКИХ

Это объём выдыхаемого и вдыхаемого воздуха в единицу времени. Обычно измеряют минутный объём дыхания (мод). При спокойном дыхании мод составляет 6-9 л.

Вентиляция лёгких зависит от глубины и частоты дыхания.

Газообмен в лёгких осуществляется в альбиолах. Вентиляция альбиол ‹ вентиляции лёгких на величину мёртвого пространства. При нагрузке более эффективно глубокое дыхание чем поверхностное, т.к. большая часть объёма воздуха при поверхностном дыхании тратится на вентиляцию мёртвого пространства.

МОД = 800 мл

ЧД = 16

StudFiles.ru

Сущность процесса и значение дыхания для организма

Обмен газами между клетками и окружающей средой называется дыханием. Дыхание является одной из жизненно важных функций организма, направленной на поддержание оптимального уровня окислительно-восстановительных процессов в клетках. Нормальная жизнедеятельность клеток организма возможна при условии постоянного поступления кислорода и удаления углекислого газа (диоксида углерода). Газы переносятся в организме путем конвекционного и диффузионного транспорта. Для переноса на большие расстояния служат процессы конвекционного транспорта - легочная вентиляция и транспорт газов кровью. Диффузионный транспорт в легочных альвеолах и тканях обеспечивает перенос газов на расстояние менее 0,1 мм.

Значение дыхания для организма:

1. Сохранение постоянства газового состава крови.

2. Участие в регуляции кислотно-основного состояния крови.

3. Участие в терморегуляции.

4. В легких активируется ангиотензин I, который под влиянием ангиотензинконвертирующего фермента превращается в ангиотензин II. Этот же фермент обеспечивает инактивацию брадикинина. В легких инактивируются серотонин и норадреналин, простагландины.

5. Легкие являются физиологическими депо крови

6. Эпителиоцитами синтезируются липиды и протеины, входящие в состав сурфактанта, коллаген и эластин, придающие упругость стенкам альвеол.

7. Легким принадлежит важная роль в регуляции агрегатного состояния крови. Интестиций легких содержит большое количество тучных клеток, содержащих гепарин благодаря чему кровь, оттекающая от легких, свертывается медленнее, чем притекающая. В легких синтезируются эритропоэтины.

8. В легких синтезируется и выделяется в бронхиальную слизь иммуноглобулин А, который и имеет важное значение в защите организма от инфекции.

Этапы переноса кислорода из окружающей среды до клетки:

1) конвекционный транспорт в альвеолы (вентиляция легких);

2) диффузия из альвеол в кровь легочных капилляров;

3) конвекционный перенос газов кровью к тканям;

4) диффузия из капилляров в окружающие ткани.

Удаление диоксида углерода включает те же стадии в обратной последовательности. Первый и второй этапы называются легочным (внешним) дыханием. Третий носит название транспорта газов кровью, а четвертый - тканевым (внутренним) дыханием. Тканевым дыханием называется обмен дыхательных газов, происходящий в клетках при биологическом окислении питательных веществ. Наиболее эффективен аэробный путь окисления. Для получения одного и того же количества энергии в анаэробных условиях в клетке должно расщепляться примерно в 15 раз больше глюкозы, чем в аэробных. Количество кислорода, потребляемого тканью, зависит от функционального состояния входящих в ее состав клеток. В состоянии покоя кислород интенсивно поглощается миокардом, серым веществом головного мозга, печенью и корковым веществом почек. Единственная ткань, в которой имеются запасы кислорода,- это мышечная ткань, роль депо в которой играет миоглобин, способный обратимо связывать кислород. Один грамм миоглобина может максимально связать 1,34 мл кислорода. В условиях полного прекращения снабжения кислородом миокарда такое количество кислорода может обеспечить дыхательные процессы в течение примерно 3-4 с. В миокарде кислород, связанный с миоглобином, обеспечивает протекание окислительных процессов в тех участках, кровоснабжение которых на короткий срок снижается или полностью прекращается во время систолы. Миоглобин играет роль кратковременного депо и внутриклеточного переносчика кислорода. Обратимо связывая кислород, он служит своего рода кислородным буфером. Благодаря этому различия в парциальном давлении кислорода в разных участках мышц выражены меньше, чем в тканях, не содержащих миоглобин. В условиях нагрузки его парциальное давление поддерживается почти постоянным. Благодаря высокому сродству миоглобина к кислороду (парциальное давление полунасыщения равно 5-6 мм рт. ст.) в мышечных клетках поддерживается низкое парциальное давление кислорода, что приводит к созданию значительного градиента парциального давления кислорода между мышечными клетками и капиллярной кровью. Молекулы оксигенированного миоглобина диффундируют из областей с высоким содержанием кислорода в области с его низким содержанием. В начальном периоде интенсивной мышечной нагрузки возросшая потребность скелетных мышц в кислороде частично удовлетворяется за счет кислорода, высвобождаемого миоглобином. В дальнейшем возрастает мышечный кровоток и соответственно поступление кислорода и питательных веществ.

studopedia.ru

1.Значения дыхания в жизни растений.

Образующиеся в процессе фотосинтеза органические вещества и заключенная в них химическая энергия служат основным источни­ком материи и энергии для жизни всего органического мира нашей планеты.

Схематически процесс дыхания можно выразить следующим простым уравнением:

Энергия дыхания используется клеткой в ходе различных процессов жизнедея­тельности.

Дыха­ние является центром, в котором скрещиваются и увязываются в единое целое различные звенья и направления обмена. Важная роль принадлежит, например, дыханию в связывании процессов обмена углеводов и азотистых веществ клетки. Особое место при­надлежит в этом случае кетокислотам, образующимся в ходе гли­колитического распада сахара, а затем в цикле Кребса (пировиноградная, α-кетоглутаровая, щавелевоуксусная), которые, аминируясь, превращаются в соответствующие аминокислоты (аланин, глутаминовую, аспарагиновую), играющие центральную роль синтезе и обмене аминокислот и белковых веществ в целом.

Через дыхание осуществляется взаимосвязь процессов обмена углеводов и жиров. Так при окислении ацетальдегида образуется уксусная кислота, при кон­денсации двух молекул которой образуется ацетоуксусная кисло­та (СН3СОСН2СООН). Путем восстановления ацетоуксусная кислота превращается в одну из кислот жирного ряда — масляную.

Универсальным путем син­теза жирных кислот в организме является последовательное нара­щивание углеродной цепи за счет присоединения ацетильных групп, донатором которых является уксусная кислота, ацетальдегид и другие соединения.

Исключительная роль в пластическом обмене клетки, несомнен­но, принадлежит гексозомонофосфатному дыханию. Гексозомонофосфатный путь окисления является основным ис­точником образования в клетке пентоз, которые необходимы при синтезе нуклеиновых кислот, а также при синтезе флавиновых фер­ментов, компонентов адениловой системы и т. д.

В ходе апотоми­ческого дыхания (ПФП) образуются скелетные основы, необходимые для синтеза циклических аминокислот (тирозин, триптофан, фенилаланин и др.). Очень важная роль принадлежит в этом случае шикимовой кислоте. Шикимовая кислота является исходным продуктом для биосинтеза многих других циклических соединений, играющих важную роль в обмене веществ раститель­ной клетки (полифенолы, хиноны, хинная кислота и т. д.).

Возникающие в ходе дыхания продукты превращения гексоз могут быть использованы не толь­ко для удовлетворения пластических потребностей клетки, но они вместе с тем служат материальным источником, необходимым для построения ферментов и других биологически активных соединений.

Все это указывает на огромное значение процессов дыхания для созидательных, конструктивных сторон жизнедеятельности растительной клетки.

2. Развитие представлений о природе механизмов и путях окислительно-восстановительных превращений в клетке. Теория дыхания паладина. Перекисная теория окисления Баха.

А. Н. Бах в 1897 разработал перекисную теорию биологического окисления, приложив ее к процессам дыхания. Суть перекисной теории заключается в следующем: молекулярный кислород имеет двойную связь и для того чтобы его активировать, необходимо эту двойную связь расщепить. Легко окисляющиеся соединения А взаимодействует с кислородом и, разрывая двойную связь, образуют пероксид АО2. Активация кислорода есть образование пероксида. Пероксидное соединение, взаимодействуя с соединением В, окисляет его; затем эта реакция повторяется со вторым атомом кислорода и второй молекулой В. Получается полностью восстановленное исходное соединение – акцептор кислорода А и полностью окисленное вещество В. Во второй и третьей реакциях, по баху, участвует пероксидаза. Соединение А Бах назвал «оксигеназой», он пришёл к заключению, что это те соединения, которые темнеют на воздухе при поранении тканей, что именно такого рода легко окисляющиеся вещества спопсобны присоединять кислород и образовывать пероксиды. Органические соединения могут окисляться благодаря отнятию Н2. Бах сделал упор на перекисную теорию, согласно которой биологическое окисление связано с отнятием протонов и электронов. Эту вторая гипотеза в дальнейшем была развита В. И. Палладиным в стройную теорию химизма дыхания. Он представил общую теорию химизма дыхания, разделив основное уравнение на анаэробную (1) и аэробную (2) части:

  1. С6Н12О6 + 6Н2О + 12R = 6СО2 + 12RН2

  2. 12RН2 + 6СО2 = 12R + 12 Н2О

-----------------------------------------------

С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2

R – окрашенный дыхательный пигмент, способный отнимать водород от субстрата, а

RН2 – бесцветный окрашенный хромоген. На анаэробном этапе глюкоза окисляется за счёт отнятия водорода, который с помощью редуктазы передается на дыхательный пигмент R (активация водорода!). по Палладину, дыхательный субстрат окисляется с участием воды, от которой тоже отнимается водород. На аэробном этапе дыхательный хромоген регенерирует в окислительную форму. Кислород необходим для отнятия электронов и протонов от хромогена, в результате чего образуется вода.

StudFiles.ru

Читайте также