《生理学》第五章 呼吸.ppt

,第五章呼 吸（Respiration）,【目的与要求】,熟悉呼吸的概念及呼吸的基本过程。了解呼吸器官的结构特点及功能意义。掌握肺内压的变化，胸膜腔负压的形成及意义，肺表面活性物质的来源及意义，用力呼气量及肺泡通气量的概念及意义。掌握肺换气的原理和影响因素，肺通气/血流比值的概念和意义。熟悉气体运输的形式，掌握氧与Hb结合的特征、氧解离曲线的概念及影响因素。熟悉呼吸中枢的概念和部位，掌握化学感受器的种类和化学性因素调节的途径。熟悉肺牵张反射的概念及意义。,呼吸（Respiration）：机体与外界环境之间的气体交换过程。,三个相互衔接并同时进行的过程,1.外呼吸：包括肺通气和肺换气2.气体在血液中的运输3.内呼吸：组织细胞与组织毛细血管之间 的气体交换以及组织细胞内的生物氧化过程,第一节 呼吸器官的结构特点及功能 第二节 肺通气第三节 呼吸气体的交换第四节 气体在血液中的运输第五节 呼吸运动的调节,目 录,第一节 呼吸道和肺的结构与功能,呼吸道,上呼吸道,下呼吸道,呼吸道：具有加温、加湿、过滤和清洁作用,一、呼吸道,（Airway),：呼吸道的平滑肌受神经、体液因素的调节植物神经系统：副交感神经使呼吸道平滑肌收缩 交感神经使呼吸道平滑肌舒张,收缩：组织胺、5-HT、内皮素、缓激肽,舒张：儿茶酚胺、PGE2、氨茶碱,化学因素,肺泡上皮细胞,型细胞,型细胞,二、肺泡,三、胸廓,第二节 肺 通 气（pulmonary ventilation）,肺通气是指肺与外界环境之间的气体交换,肺通气的直接动力：肺内压与大气压之间的压力差,肺通气的原动力：呼吸运动(respiratory movement),呼吸运动（原动力）胸内压变化（间接动力）肺内压与大气压差变化（直接动力）肺通气,一、肺通气的动力,吸气肌 收缩（呼气肌）舒张,呼吸肌,呼气肌,呼吸运动：呼吸肌的收缩和舒张引起的胸 廓节律性扩张与缩小。,吸气肌,腹壁肌,肋间内肌,肋间外肌,膈肌,（一）呼吸运动(respiration movement),平静呼吸(eupnea)：安静状态下平稳而均匀的自然呼吸。吸气：主动过程 呼气：被动过程用力呼吸(forced breathing)：加深加快的呼吸。呼气：主动过程 吸气：主动过程,根据参与呼吸运动的肌群不同分为：,腹式呼吸(abdominal breathing):以膈肌舒缩活 动为主的呼吸运动。胸式呼吸(thoracic breathing):以肋间外肌舒缩 活动为主的呼吸运动。混合式呼吸,呼吸暂停、声带开放、呼吸道通畅时：肺内压大气压呼吸运动过程中肺内压的周期性交替升降 肺内压和大气压之间的压力差 推动气体进出肺的直接动力,1.肺内压(intrapulmonary pressure)肺泡内的压力,（二）呼吸时肺内压和胸膜腔内压的变化,吸气初：肺内压 大气压 呼气开始呼气末：肺内压=大气压 呼气停止,（1）胸膜腔：位于两层胸膜之间的潜在、密闭的腔隙，其内仅少量浆液,2.胸膜腔内压(intrapleural pressure),（2）胸膜腔内压：胸膜腔内的压力。,测量：直接法 间接法,2.胸膜腔内压(intrapleural pressure),肺回缩,以胸膜腔密闭且含浆液为条件胸廓生长肺生长胸廓容积肺容积 胸廓将肺拉大肺回缩 胸内负压,胸膜腔负压的形成,胸膜腔内压=肺内压 肺回缩力 在吸气末或呼气末 胸膜腔内压=大气压 肺回缩力 以大气压为0，胸膜腔内压=肺回缩力（负压是指其低于大气压）呼气末：-3-5mmHg；吸气末：-5-10 mmHg,为什么平静呼气末胸膜腔内压仍然为负,胸膜腔负压及其生理意义：,维持肺泡的扩张状态，有利于肺的扩张 有利于静脉血及淋巴液的回流,气胸,弹性阻力（肺和胸廓）平静呼吸时约占总通气阻力的70%非弹性阻力 平静呼吸时约占总通气阻力的30%（气道阻力、惯性阻力与粘滞阻力）,二、肺通气的阻力,（一）弹性阻力与顺应性,弹性阻力(R)：物体对抗外力作用所引起变形的力。包括肺弹性阻力和胸廓弹性阻力。顺应性(C)：在外力作用下弹性组织的可扩张性。,顺应性（C）=容积变化/压力变化(L/cmH2O),顺应性（C）=1/R,1.肺的弹性阻力与顺应性(compliance)肺在被牵张时的弹性回缩力是吸气的阻力,跨肺压的变化（P）,肺容量的变化（V）,肺的弹性阻力,肺组织的弹性回缩力,肺泡内液-气界面的表面张力,（1）肺泡表面张力和肺表面活性物质,肺泡表面张力(surface tension)肺泡的内表面覆盖一薄层液体，与肺泡内气体形成液-气界面，使液体表面尽量缩小的力。,阻碍肺泡扩张，增加吸气的阻力，降低肺顺应性；使相通的大小肺泡内压不稳定；促进肺部组织液生成，使肺泡内液体积聚。,肺泡表面张力,肺泡表面活性物质(pulmonary surfactant)由肺泡型细胞产生的二棕榈酰卵磷脂作用：降低肺泡的表面张力生理意义：有助于维持肺泡的稳定性减少肺间质和肺泡内的组织液生成，防止肺水肿发生降低吸气阻力，增加肺的顺应性,肺表面活性物质减少 肺不张肺弹性阻力增加，顺应性降低 吸气困难肺弹性阻力减小，顺应性增大 呼气困难,正常及几种异常情况下顺应性曲线,跨肺压(cmH2O)（肺内压-胸内压）,正常,肺气肿（emphysema）,肺纤维化(fibrosis),肺不张(atelectasis),肺容量=肺总容量的67%无回弹力肺容量肺总容量的67%向内的回弹力肺容量肺总容量的67%向外的回弹力 胸腔容积变化(V)Cchw=L/cmH2O 跨胸壁压力变化(P),2.胸廓弹性阻力和顺应性(compliance),肺容量占肺总容量百分比,胸廓弹性回位力,胸廓容积,67（自然位置）（平静吸气末）,无,自然容积,67（自然位置）（深吸气状态）,向内（吸气阻力）,大于自然容积,67（自然位置）（平静呼气末）,向外（吸气动力）,小于自然容积,（二）非弹性阻力 包括：气道阻力、惯性阻力、粘滞阻力 气道阻力：非弹性阻力的 80%90%，由气流流速、气流形式和气道管径 决定。,为什么支气管哮喘病人呼气比吸气困难,潮气量（tidal volume，TV）：400600 ml补吸气量（inspiratory reserve volume，IRV）：15002000 ml补呼气量（expiratory reserve volume，ERV）：900 1200 ml残气量（residual volume，RV）：1000 1500 ml,三、肺通气功能的评价(evaluation of function of pulmonary ventilation),（一）肺容积,肺容积(pulmonary volume),肺所容纳的气体量,1、深吸气量（inspiratory capacity，IC）：TV+IRV，最大通气能力2、功能残气量（functional residual capacity，FRC）：ERV+RV 缓冲呼吸过程中肺泡气O2、CO2分压的过度变化,（二）肺容量,(1)VC=TV+IRV+ERV 单次肺通气的最大能力 男性：3 500 ml 女性：2 500 ml(2)FVC：尽力最大吸气后，尽力尽快呼气所能呼出 的最大气量(3)FEV：尽力最大吸气后再尽力尽快呼气时，在一定时间内所能呼出的气量，通常以它所占FVC的百分数来表示，反映呼吸阻力的变化。正常：FEV1/FVC%约80%(第一秒),3.肺活量和用力呼气量,用力呼气量（forced expiratory volume，FEV）：,最大吸气后以最快速度用力呼气，在一定（单位）时间内所能呼出的最大气量。,第1秒末:83%第2秒末:96%第3秒末:99%。,测定方法：作一次深吸气后，以最快的速度用力呼气，同时分别记录第1，2，3秒末所呼出的气量，计算其所占肺活量的百分比。,用力肺活量和用力呼气量,生理情况下,气道狭窄时,4.肺总量（total lung capacity，TLC）：肺所能容纳的最大气量.,肺总量VCRV,（三）肺通气量,2.肺泡通气量(alveolar ventilation)每分钟吸入肺泡的新鲜空气量=（TV 无效腔气量)呼吸频率,肺泡无效腔(接近于零）,生理无效腔,解剖无效腔(150ml),支气管扩张 解剖无效腔肺A部分梗塞 肺泡无效腔,呼吸形式,肺泡通气量(毫升/分),呼吸频率(次/分),肺通气量(毫升/分),潮气量(毫升),正常安静,16,8000,500,5600,不同呼吸频率、潮气量时的肺通气量及肺泡通气量,在一定的呼吸频率范围内深而慢的呼吸比浅而快的呼吸更为有效。,结论：,第三节 呼吸气体的交换,肺换气：肺泡与肺毛细血管血液之间的气体交换,从高分压点流向低分压点,组织换气：组织细胞与组织毛细血管血液之间的气体交换,一、气体交换的原理,形式：单纯扩散动力：气体分压（张力）差气体扩散速率（Diffusion rate，D）：单位时间内气体扩 散的容积。,（一）气体分压差,2.血液及组织中的气体分压kPa（mmHg）,1.呼吸气与肺泡气的分压,（二）气体的分子量与溶解度,溶解度(solubility)：在1个大气压下，37时，每100ml液体中所溶解的气体ml数。,O2的分子量：32CO2的分子量：44,CO2的扩散系数是O2的20倍,（三）扩散的面积和距离,（四）温度,CO2溶解度：51.5/100mlO2溶解度：2.14/100ml,PO2和PCO2时，刺激呼吸，有助于CO2的排出，却几乎无助于O2的摄取,二、肺换气,结构基础：呼吸膜动力：气体的分压差,静脉血 动脉血,（一）肺换气过程,O2,CO2,CO2和O2的扩散仅需0.3秒即达到平衡 血液流经肺毛细血管耗时0.7秒,（二）影响肺换气的因素1.呼吸膜的厚度：肺泡 毛细血管膜,由六层组成，约0.2 1.0m,肺纤维化与肺水肿均 可使呼吸膜变厚,2.呼吸膜的面积,3.通气/血流比值(Ventilation/perfusion ratio),每分肺泡通气量与每分肺血流量之间的比值。,VA/Q,(dead space)肺泡无效腔,VA/Q（肺血管栓塞）,VA/Q（支气管痉挛）,VA/Q,组织中气体交换的原理与在肺中交换相似，但该处交换在液相中进行，且扩散膜两侧的O2、CO2分压差随细胞内氧化代谢强度和组织血流量而异。,三、组织换气,血液与组织细胞之间的气体交换过程。,结构基础：毛细血管壁、细胞膜,动力：气体的分 压差,静脉血 动脉血,血液O2和CO2的含量（ml/100ml 血液）,第四节 气体在血液中的运输,物理溶解,物理溶解,合计,化学溶解,合计,两种形式：物理溶解、化学结合（为主）两种形式处在动态平衡之中：气体应在溶解状态下进行交换；化学结合形式可看作贮备体,（一）物理溶解 PO2为13.3KPa(100mmHg)时，100ml血液只溶解0.3ml的O2。,一、氧的运输,（二）化学结合,1.O2与Hb结合的特征 血液中的氧主要以氧合Hb（HbO2）形式运输（1）可逆、快速、不需要酶催化、受O2分压的影响 Hb+O2 HbO2（2）O2与Hb结合为氧合作用，不是氧化作用（3）氧解离曲线呈S型，与Hb的变构效应有关R型（疏松型）：氧合HbT型（紧密型）：去氧HbR型对O2亲和力是T型数百倍协同效应,(oxygenation)(oxidation),（4）HbO2呈鲜红色，去氧Hb呈暗红色（5）1分子Hb可结合4分子O2Hb氧容量(Oxygen capacity of Hb)：100ml血液中Hb所能结合的最大O2量。取决于Hb的浓度。Hb氧含量(Oxygen content of Hb)：100ml血液中Hb实际结合的O2量。取决于PO2。Hb 氧饱和度：Hb氧含量(Oxygensaturation of Hb)Hb氧容量紫绀：去氧Hb 5 g/100ml（体表表浅毛细血管血液中）,100%,2.氧解离曲线（oxygen dissociation curve)：S型 氧离曲线是显示PO2与Hb氧饱和度关系的曲线,在PO2 为8.013.3kPa（60100mmHg）这个范围内，是Hb与O2结合的部分。PO2的变化对Hb氧饱和度影响不大。只要PO2不低于8.0kPa（60mmHg），Hb氧饱和度仍维持在90%以上。,（1）氧解离曲线的上段（较平坦）,PO2 为5.3 8.0 kPa,（40 60 mmHg）这个范围内，是HbO2释放O2的部分。当PO2=40mmHg（混合静脉血），Hb氧饱和度=75%（氧含量为14.4ml/100 ml），而PO2=100mmHg（动脉血），Hb氧饱和度=97.4%（氧含量为19.4ml/100 ml），表明100 ml动脉血流经组织时，释放5 ml 的O2供组织利用。,HbO2释放进组织的O2量 动脉血中氧含量,氧利用系数=,100%（正常为 25%）,（2）氧解离曲线中段（较陡直）,PO2稍有下降，HbO2释放大量的O2，有利于运动时组织的供氧。当组织活动加强时，耗O2量增多（PO2低至2.0 kPa以下），氧利用系数达到 75%（代表O2 贮备）。,（3）氧解离曲线下段（最陡直）,PO2 为2.0 5.3kPa（15 40mmHg）这个范围内，是HbO2与O2解离的部分。,3.影响氧解离曲线的因素（1）pH 和 Pco2的影响 pH 或 Pco2，Hb对O2的亲和力降低，P50增大，曲线右移；反之，曲线左移。酸度对Hb与O2亲和力的影响称为波尔效应（Bohr effect）波尔效应的生理意义：促进肺毛细血管中Hb与O2的结合；有利于组织毛细血管释放O2，以满足组织代谢的需要。,（2）温度的影响 温度，Hb对O2 亲和力降低，P50增大，曲线右移，促使O2 的释放；温度，Hb对O2 亲和力升高，P50减小，曲线左移，O2 释放减少。（3）2,3-二磷酸甘油酸（2,3-DPG）2,3-DPG浓度，Hb与O2 亲和力降低，P50增大，曲线右移，促使HbO2 解离；2,3-DPG浓度，Hb与O2 亲和力升高，P50减小，曲线左移。高原缺氧,pH 或 Pco2，温度，2,3-DPG浓度，氧解离曲线左移（A图）,pH 或 Pco2，温度，2,3-DPG浓度，氧解离曲线右移（C图）,正常（B图）,4.其它因素 Fe2+Fe3+，Hb 失去对O2的亲和力 胎儿的Hb与O2 高亲 和力大 异常Hb对O2亲和力 低 CO对Hb的亲和力比 O2高出250倍,煤气中毒,二、CO2的运输,（一）物理溶解 CO2的溶解的量约占CO2的总运输量的5%,（二）化学结合,碳酸氢盐,氨基甲酸Hb,1.碳酸氢盐 红细胞：CO2+H2O H2CO3 HCO3+H+快速、可逆、碳酸酐酶能加速反应5000倍氯转移：HCO-3 Cl-载体将Cl-从血浆移入红细胞2.氨基甲酸Hb Hb（NH2）O2+H+CO2 HHbNHCOOH+O2,氧合作用是主要的调节因素,的 运 输,CO2,（88%）,（7%）,（三）CO的解离曲线 非S型、呈线性关系、无饱和点,Haldane氏效应：O2与Hb结合促进CO2释放的效应。去氧Hb 较易与CO2 结合形成HbNHCOOH，去氧Hb的酸性弱于HbO2，也易与H+结合，促进反应向左侧进行。,（四）Hb氧合作用对CO2运输的影响,一、呼吸中枢与呼吸节律的形成,（一）呼吸中枢 中枢神经系统内，产生和调节呼吸运动的神经细胞群，称为呼吸中枢(Respiratory center)。分布在脊髓、延髓、脑桥、间脑、大脑皮质等部位。1.脊髓：联系高位脑与呼吸肌的中继站、整合某些呼吸反射的初级中枢膈肌颈35；肋间肌和腹肌胸段,第五节 呼吸运动的调节,A平面：在中脑和脑桥之间横切，呼吸无明显变化D平面：在延髓和脊髓之间横切，呼吸运动停止B平面：在脑桥上、中部之间横切，呼吸将变慢变 深，如切断双侧迷走神经，则出现长吸式 呼吸C平面：脑桥和延髓之间横切，长吸式呼吸消失，出现喘息样呼吸 三级呼吸中枢理论：脑桥上部有呼吸调整中枢，中下部有长吸中枢，延髓有呼吸节律基本中枢。但目前尚未证实存在结构上特定的长吸中枢。,a,b,c,d,迷走神经完整,切断双侧迷走神经,PBKF,背侧呼吸组（DRG）：在孤束核的腹外侧部，通过脊髓支配膈肌 腹侧呼吸组（VRG）：疑核、后疑核及面神经后核附近的包钦格复合体，通过脊髓支配肋间内、外肌及腹肌,2.延髓呼吸中枢,3.脑桥呼吸调整中枢 PBKF复合体（臂旁核与Klliker-Fuse核）与延脑呼吸核团有双向联系 破坏PBKF及切断迷走神经 长吸式呼吸 抑制吸气的呼吸调节中枢位于PBKF4.高位脑大脑皮层、边缘系统、下丘脑大脑皮层：随意呼吸调节系统下位脑干：不随意的自主呼吸节律调节系统,（二）呼吸节律的形成,神经元网络学说 中枢吸气活动发生器与吸气切断机制(Inspiratory off-switch mechanism),（一）化学感受性反射,二、呼吸的反射性调节,（1）外周化学感受器（peripheral chemorecptor),动脉PO2、PCO2、pH 刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器（+）延髓呼吸中枢（+）呼吸加深加快 颈动脉体主要调节呼吸,（2）中枢化学感受器（central chemorecptor),1.CO2、H+、缺O2 对呼吸运动的调节,CO2对维持呼吸和呼吸中枢兴奋性是必要的，是调呼吸活动的生理性因素，是经常起作用的重要化学刺激。,但CO2 过度积聚，压抑中枢神经系统，出现呼吸困难、头昏，甚至昏迷，称为CO2 麻醉,颈动脉体灌流液,人工脑脊液,分析,CO2的两条作用途径,动脉血中H+呼吸加深加快 肺通气量增多中枢化学感受器对H+的敏感性较外周化学感受器大 25倍，H+透过血脑屏障的速度较慢，限制其作用。脑脊液中的H+才是中枢化学感受器的最有效的刺 激。,2.H+对呼吸运动的调节,脑脊液中的H+,3.缺O2对呼吸运动的调节,呼吸气中的PO2 呼吸加深加快 肺通气量 仅当PO2 低于10.64kPa（80mmHg）才有调节作用，对正常呼吸的调节作用不大。PO2 下降主要作用于外周化学感受器，缺氧对呼吸中 枢的直接作用是抑制 当中枢化学感受器对CO2 产生适应时，PO2 对外周化 学感受器的刺激在呼吸调节上起重要作用,为什么低氧时不能吸入纯氧,小结：,PCO2、H+及PO2的相互关系,PCO2 H+，两者均刺激通气 H+通气 CO2 抵消一部分由 H+的刺激作用 PO2 通气 PCO2 和 H+减弱了PO2的刺激作用,（二）机械感受性反射 1.肺牵张反射（Hering-Breuer reflex）（1）肺扩张反射：肺扩张时引起吸气抑制的反射。肺扩张 刺激了气道平滑肌的牵张感受器 延髓 吸气切断机制 切断吸气 呼气（2）肺萎陷反射：肺萎陷到一定程度时反射性地引 起吸气的反射。,2.呼吸肌的本体感受性反射（三）防御反射 咳嗽反射：激惹气道粘膜感受器 呼吸肌 强烈收缩+会厌关闭 肺内压急剧上升 会厌突然开放 从肺内涌出爆发性气流 喷嚏反射：激惹鼻粘膜 气体急剧地通过 鼻腔喷出（会厌持续开放）,陈施氏呼吸（Cheyne-stokes氏呼吸）：呼吸运动逐渐加强加快，达到最强后，又逐渐减弱减慢，直到呼吸暂停，待一定时间后，又重复上述过程，周而复始。,Biot呼吸：多次强呼吸后，出现一次长时间呼吸暂停，如此周而复始。,三、周期性呼吸,复习思考题1.何谓呼吸？呼吸全过程由哪几个环节组成？2.肺通气的动力是什么？需要克服那些阻力才能实现肺通气？3.胸膜腔负压是如何形成的？有什么生理意义？4.简述肺表面活性物质的来源、主要成分、生理作用及意义？5.在动物实验中，增大无效腔对呼吸有何影响？为什么？6.为什么深而慢的呼吸比浅而快呼吸效率高？7.试分析氧解离曲线的特点和生理意义。8.试述动脉血中二氧化碳分压升高、氧分压降低、H+升高对呼吸有何影响？为什么？,