Sistemul respirator: structură și funcționare

Sistemul respirator uman este format din tractul respirator (superior și inferior) și plămâni. Sistemul respirator este responsabil pentru schimbul de gaze între organism și mediu. Cum este construit sistemul respirator și cum funcționează?

Sistemul respirator uman ar trebui să permită respirația - procesul de schimb de gaze, și anume oxigen și dioxid de carbon, între organism și mediu. Fiecare celulă din corpul nostru are nevoie de oxigen pentru a funcționa corect și a genera energie. Procesul de respirație este împărțit în:

• respirația externă - aducerea oxigenului în celule
• respirația internă - intracelulară

Respirația externă apare datorită sincronizării sistemului respirator cu centrele nervoase și este împărțită într-o serie de procese:

• ventilație pulmonară
• difuzia gazelor între aerul alveolar și sânge
• transportul gazelor prin sânge
• difuzia gazelor între sânge și celule

Pentru a vizualiza acest videoclip, activați JavaScript și luați în considerare actualizarea la un browser web care acceptă videoclipuri

Structura sistemului respirator

Căile respiratorii sunt formate din:

• tractul respirator superior, adică cavitatea nazală (cavumul nostru) și gât (faringe)
• tractul respirator inferior: laringele (laringe), traheea (trahee), bronhie (bronhiile) - dreapta și stânga, care sunt împărțite în continuare în ramuri mai mici, iar cele mai mici devin bronșiole (bronșioli)

Ultima parte a căilor respiratorii duce la alveole (alveole pulmonale). Aerul inhalat trece prin căile respiratorii și este curățat de praf, bacterii și alte impurități mici, hidratat și încălzit. Pe de altă parte, structura bronhiilor, prin combinația de cartilaj, elemente musculare elastice și netede, vă permite să reglați diametrul acestora. Gâtul este locul în care sistemele respirator și digestiv se intersectează. Din acest motiv, la înghițire, respirația se oprește și căile respiratorii se închid prin epiglotă.

• plămâni - organe pereche situate în piept.

În ceea ce privește aspectele anatomice și funcționale, plămânii sunt împărțiți în lobi (plămânul stâng în doi lobi și cel drept în trei), lobii sunt împărțiți în continuare în segmente, segmente în lobuli și lobuli în grupuri.

Fiecare plămân este înconjurat de două straturi de țesut conjunctiv - pleura parietală (pleura parietalis) și pleura pulmonară (pleura pulmonalis). Între ele se află cavitatea pleurală (cavum pleurae), iar fluidul din acesta permite aderența plămânului acoperit cu pleura pulmonară la pleura parietală fuzionată cu peretele interior al pieptului.În locul în care bronhiile intră în plămâni, există cavități pulmonare, în care, în afară de bronhii, există și artere și vene pulmonare.
În plus, mușchii striați scheletici, sângele și sistemul cardiovascular și centrele nervoase sunt implicate în procesul complicat de respirație.

Ventilația pulmonară

Esența ventilației este de a atrage aerul atmosferic în alveole. Deoarece aerul curge întotdeauna de la o presiune mai mare la o presiune mai mică, grupurile musculare adecvate participă la fiecare inhalare și expirație, permițând mișcările de aspirație și presiune ale pieptului.

La sfârșitul expirației, presiunea din alveole este egală cu presiunea atmosferică, dar pe măsură ce trageți aer, diafragma se contractă (diafragma) și mușchii intercostali externi (musculi intercostales externi), datorită căreia volumul pieptului crește și creează un vid care aspiră aerul.

Când crește cererea de ventilație, se activează mușchi inspiratori suplimentari: mușchii sternocleidomastoidieni (musculi sternocleidomastoidei), mușchii pectorali (musculi pectorales minores), mușchii dinților anteriori (musculi serrati anteriores), mușchii trapez (musculi trapezia), mușchii scapulei levatorului (musculi levatores scapulae), mușchii paralelogramului major și minor (musculi rhomboidei maiores et minores) și mușchii oblici (musculi fuzionat).

Următorul pas este să expiri. Începe atunci când mușchii inspiratori se relaxează în vârful inhalării. De obicei, acesta este un proces pasiv, deoarece forțele generate de elementele elastice întinse din țesutul pulmonar sunt suficiente pentru ca pieptul să scadă în volum. Presiunea alveolară crește peste atmosferă și diferența de presiune rezultată elimină aerul spre exterior.

Situația este ușor diferită atunci când expiri puternic. Avem de-a face cu el când ritmul de respirație este lent, când expirația necesită depășirea rezistenței crescute la respirație, de exemplu în unele boli pulmonare, dar și în activitatea de fonație, în special în timp ce cânți sau cânți la instrumente de suflat. Se stimulează motoneuronii mușchilor expiratori, care includ: mușchii intercostali interni (musculi intercostales interni) și mușchii peretelui abdominal anterior, în special al rectului abdominal (musculi recti abdominis).

Rata respiratorie

Rata respiratorie este foarte variabilă și depinde de mulți factori diferiți. Un adult în odihnă trebuie să respire de 7-20 de ori pe minut. Factorii care duc la creșterea ratei de respirație, numită profesional tahipnee, includ exercițiile fizice, problemele pulmonare și suferința respiratorie extrapulmonară. Pe de altă parte, bradipneea, adică o scădere semnificativă a numărului de respirații, poate rezulta din boli neurologice sau din efectele secundare centrale ale stupefiantelor. Copiii diferă de adulți în această privință: cu cât este mai mic copilul, cu atât este mai mare frecvența respiratorie fiziologică.

Volumele și capacitățile pulmonare

• TLC (capacitatea pulmonară totală) - volumul care se află în plămâni după cea mai profundă respirație
• IC - capacitate inspiratorie - tras în plămâni în timpul celei mai profunde inhalări după o expirație calmă
• IRV (volum de rezervă inspirator) - volum de rezervă inspirator - tras în plămâni în timpul inhalării maxime efectuate în partea superioară a inspirației libere
• TV (volumul mareelor) - volumul mareelor ​​- inhalat și expirat în timp ce inhalează și expiră liber
• FRC - capacitate reziduală funcțională - rămâne în plămâni după o expirație lentă
• ERV (volum de rezervă expirator) - volum de rezervă expirator - eliminat din plămâni în timpul expirației maxime după inhalare liberă
• RV (volumul rezidual) - volumul rezidual - rămâne în plămâni întotdeauna în timpul expirației maxime
• VC (capacitate vitală) - capacitate vitală - eliminată din plămâni după inspirație maximă la expirare maximă
• IVC (capacitate vitală inspiratorie) - capacitate vitală inhalată - trasă în plămâni după cea mai profundă expirație la inhalare maximă; pot fi ușor mai mari decât VC deoarece la expirația maximă urmată de inhalarea maximă, conductorii alveolari se închid înainte ca aerul care umple bulele să fie îndepărtat

Cu inspirație gratuită, volumul mareelor ​​este de 500 ml. Cu toate acestea, nu tot acest volum ajunge la alveole. Aproximativ 150 ml umple căile respiratorii, care nu au condițiile pentru schimbul de gaze între aer și sânge, adică cavitatea nazală, faringele, laringele, traheea, bronhiile și bronhiolele. Aceasta se numește spațiul anatomic respirator mort. Restul de 350 ml este amestecat cu aer, constituind capacitatea funcțională reziduală, încălzit simultan și saturat cu vapori de apă. În alveole, din nou, nu tot aerul este gazos. În capilarele pereților unora dintre foliculi, nu curge sau prea puțin sânge care să curgă pentru a folosi tot aerul pentru schimbul de gaze. Acesta este spațiul mort respirator fiziologic și este mic la persoanele sănătoase. Din păcate, poate crește semnificativ în stările de boală.

Rata medie de respirație în repaus este de 16 pe minut, iar volumul mareelor ​​este de 500 ml, înmulțind aceste două valori, obținem ventilație pulmonară. Din aceasta rezultă că aproximativ 8 litri de aer sunt inhalați și expirați pe minut. În timpul respirațiilor rapide și profunde, valoarea poate crește semnificativ, chiar de la o duzină la douăzeci de ori.

Toți acești parametri complicați: capacitățile și volumele au fost introduse nu numai pentru a ne deruta, dar au o aplicație semnificativă în diagnosticul bolilor pulmonare. Există un test - spirometrie care măsoară: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV și IRV. Este esențial pentru diagnosticarea și monitorizarea bolilor precum astmul și BPOC.

Difuzia gazului între aerul alveolar și sânge

Alveolele sunt structura de bază care formează plămânii. Există aproximativ 300-500 de milioane, fiecare cu un diametru de 0,15 până la 0,6 mm, iar suprafața lor totală variază de la 50 la 90 m².

Pereții foliculilor sunt construiți de un epiteliu subțire, plat, cu un singur strat. În plus față de celulele care alcătuiesc epiteliul, foliculii conțin alte două tipuri de celule: macrofage (celule intestinale) și, de asemenea, celule foliculare de tip II care produc surfactantul. Este un amestec de proteine, fosfolipide și carbohidrați produs din acizii grași din sânge. Surfactantul, prin reducerea tensiunii superficiale, previne lipirea alveolelor și reduce forțele necesare pentru a întinde plămânii. Din exterior, bulele sunt acoperite cu o rețea de capilare. Capilarele care intră în alveole transportă sânge bogat în dioxid de carbon, apă, dar cu o cantitate mică de oxigen. În contrast, în aerul alveolar, presiunea parțială a oxigenului este ridicată și cea a dioxidului de carbon este scăzută. Difuzia gazelor urmează un gradient de presiune moleculară a gazului, astfel încât eritrocitele capilare prind oxigenul din aer și scapă de dioxidul de carbon. Particulele de gaz trebuie să treacă prin peretele alveolar și peretele capilar și, mai precis, prin: stratul de fluid care acoperă suprafața alveolară, epiteliul alveolar, membrana bazală și endoteliul capilar.

Transportul gazelor prin sânge

• transportul oxigenului

În primul rând, oxigenul se dizolvă fizic în plasmă, dar apoi se difuzează prin plic în celulele roșii din sânge, unde se leagă cu hemoglobina pentru a forma oxihemoglobină (hemoglobină oxigenată). Hemoglobina joacă un rol foarte important în transportul oxigenului, deoarece fiecare dintre moleculele sale se combină cu 4 molecule de oxigen, crescând astfel capacitatea sângelui de a transporta oxigenul de până la 70 de ori. Cantitatea de oxigen transportat dizolvată în plasmă este atât de mică încât este irelevantă pentru respirație. Datorită sistemului circulator, sângele saturat cu oxigen ajunge în fiecare celulă a corpului.

• transportul dioxidului de carbon

Dioxidul de carbon din țesuturi pătrunde în capilare și este transportat la plămâni:

• aproximativ 6% dizolvat fizic în plasmă și în citoplasma eritrocitelor
• aproximativ 6% legat de grupurile amino libere de proteine ​​plasmatice și hemoglobină (sub formă de carbamați)
• majoritatea, adică aproximativ 88%, ca ioni HCO3 - legați de sistemul tampon bicarbonat de plasmă și eritrocite

Difuzia gazelor între sânge și celule

Din nou, moleculele de gaz din țesuturi trec de-a lungul gradientului de presiune: oxigenul eliberat din hemoglobină difuzează către țesuturi, în timp ce dioxidul de carbon difuzează în direcția opusă - de la celule la plasmă. Datorită diferențelor în cererea de oxigen a diferitelor țesuturi, există și diferențe în tensiunea oxigenului. În țesuturile cu metabolism intensiv, tensiunea oxigenului este scăzută, deci consumă mai mult oxigen, în timp ce sângele venos drenant conține mai puțin oxigen și mai mult dioxid de carbon. Diferența arteriovenoasă în conținutul de oxigen este un parametru care determină gradul de consum de oxigen de către țesuturi. Fiecare țesut este alimentat cu sânge arterial cu același conținut de oxigen, în timp ce sângele venos poate conține mai mult sau mai puțin din el.

Respirație internă

Respirația la nivel celular este un proces biochimic cu mai multe etape care implică oxidarea compușilor organici în care se produce energie utilă din punct de vedere biologic. Este un proces fundamental care are loc chiar și atunci când alte procese metabolice sunt oprite (procesele alternative anaerobe sunt ineficiente și de importanță limitată).

Rolul cheie îl au mitocondriile - organite celulare, care primesc molecule de oxigen care difuzează în interiorul celulei. Pe membrana exterioară a mitocondriilor există toate enzimele ciclului Krebs (sau ciclul acizilor tricarboxilici), în timp ce pe membrana interioară există enzime ale lanțului respirator.

În ciclul Krebs, metaboliții zaharurilor, proteinelor și grăsimilor sunt oxidați în dioxid de carbon și apă cu eliberarea de atomi de hidrogen sau electroni liberi. Mai departe în lanțul respirator - ultima etapă a respirației intracelulare - prin transferul de electroni și protoni către purtători succesivi, sunt sintetizați compuși cu fosfor de mare energie. Cel mai important dintre ei este ATP, adică adenozin-5'-trifosfat, un purtător universal de energie chimică utilizată în metabolismul celular. Este consumat de numeroase enzime în procese precum biosinteza, mișcarea și diviziunea celulară. Procesarea ATP în organismele vii este continuă și se estimează că în fiecare zi omul convertește cantitatea de ATP comparabilă cu greutatea sa corporală.

Reglarea respirației

În nucleul extins există un centru de respirație care reglează frecvența și profunzimea respirației. Se compune din doi centri cu funcții opuse, construiți de două tipuri de neuroni. Ambele sunt situate în cadrul formațiunii reticulare. În nucleul solitar și în partea anterioară a nervului vag posterior-ambiguu se află centrul inspirator, care trimite impulsuri nervoase către măduva spinării, către neuronii motori ai mușchilor inspiratori. În contrast, în nucleul ambiguu al nervului vag și în partea posterioară a nervului vag posterior-ambiguu, există centrul de expirație, care stimulează neuronii motori ai mușchilor expiratori.

Neuronii centrului de inspirație trimit o serie de impulsuri nervoase de mai multe ori pe minut, care se desfășoară pe ramura care coboară către neuronii motori din măduva spinării și în același timp cu ramura axonului care urcă spre neuronii formației reticulare a podului. Există un centru pneumotaxic care inhibă centrul inspirator pentru 1-2 secunde și apoi stimulează din nou centrul inspirator. Datorită perioadelor succesive de stimulare și inhibare a centrului inspirator, se asigură ritmicitatea respirațiilor.
Centrul inspirator este reglat de impulsurile nervoase care apar în:

• chemoreceptori de glomerul cervical și aortic, care răspund la o creștere a concentrației de dioxid de carbon, concentrația de ioni de hidrogen sau o scădere semnificativă a concentrației de oxigen arterial; impulsurile din aglomerările aortice călătoresc prin nervii glosofaringieni și vagi. iar efectul este de a accelera și aprofunda inhalările
• interoreceptori de țesut pulmonar și proprioreceptori toracici;
• există mecanoreceptori de inflație între mușchii netezi bronșici, sunt stimulați prin întinderea țesutului pulmonar, ceea ce declanșează expirația; apoi reducerea întinderii țesutului pulmonar în timpul expirației, activează alți mecanoreceptori, de această dată deflaționari, care declanșează inspirația; Acest fenomen se numește reflexe Hering-Breuer;
• Poziția inspiratorie sau expiratorie a pieptului irită respectivii proprioreceptori și modifică frecvența și adâncimea respirațiilor: cu cât inspirația este mai profundă, cu atât expirația este mai profundă;
• centre superioare ale creierului: cortex, sistem limbic, centru hipotalamic de termoreglare