Respirația ( lat. respiratio ) este principala formă de catabolism la animale , plante și multe microorganisme . Respirația este un proces fiziologic care asigură cursul normal al metabolismului (metabolismului și energiei) organismelor vii și ajută la menținerea homeostaziei (constanța mediului intern), primirea oxigenului ( O 2 ) din mediu și eliminarea unora dintre produsele metabolice ale corpul în mediu în stare gazoasă ( СО 2 , H 2 O și altele). În funcție de intensitatea metabolismului, o persoană eliberează prin plămâni , în medie, aproximativ 5 - 18 litri de dioxid de carbon (CO 2 ) și 50 de grame de apă pe oră. Și cu ei - aproximativ 400 de alte impurități de compuși volatili, inclusiv acetonă . În procesul de respirație, substanțele bogate în energie chimică aparținând corpului sunt oxidate în produse finale sărace în energie ( dioxid de carbon și apă), folosind oxigen molecular pentru aceasta .
Prin respirație externă se înțelege[ cine? ] schimbul de gaze între organism și mediu, inclusiv absorbția oxigenului și eliberarea de dioxid de carbon, precum și transportul acestor gaze în interiorul organismului prin sistemul de tuburi respiratorii ( insecte traheale -respiratoare ) sau în sistemul circulator .
Respirația celulară include procesele biochimice de transport a proteinelor prin membranele celulare ; precum și oxidarea efectivă în mitocondrii , ducând la conversia energiei chimice a alimentelor.
La organismele care au suprafețe mari de contact cu mediul înconjurător, respirația poate apărea datorită difuzării gazelor direct către celule prin pori (de exemplu, la frunzele plantelor, la animalele cavitare). Cu o suprafață relativă mică, transportul gazelor se realizează datorită circulației sângelui (la vertebrate și altele) sau în trahee (la insecte ). La o persoană în repaus, schimbul de gaze prin piele cu atmosfera reprezintă aproximativ 2-3% din schimbul de gaze pulmonare [1] .
Toate plantele absorb dioxidul de carbon în timpul zilei și produc oxigen - aceasta este faza de creștere. Noaptea, faza de somn, are loc procesul invers: oxigenul este absorbit în timpul respirației, dioxidul de carbon este eliberat, cantitatea de CO 2 eliberată este neglijabilă și nu este discutată de oamenii de știință.
Respirația anaerobă la plante a fost descoperită de Louis Pasteur . De obicei, apare în conformitate cu ecuația generală a fermentației alcoolice:
Respirația anaerobă este un proces de fermentație. Cantitatea de energie (modificare standard a energiei libere) care ar trebui eliberată în timpul fermentației este de 234 kJ per mol de hexoză consumat. Astfel, pentru a-și asigura cantitatea necesară de energie, o plantă în timpul fermentației trebuie să consume o cantitate semnificativ mai mare de hexoze decât în timpul respirației aerobe. Într-o atmosferă cu oxigen, are loc o respirație aerobă mai eficientă din punct de vedere energetic, care protejează planta de risipa excesivă de materie organică [2] .
În condiții anaerobe, clorofila dizolvată în piridină este redusă sub influența luminii de către acidul ascorbic sau alți donatori de electroni. În întuneric, reacția merge în direcția opusă:
La rândul său, clorofila „fotoredusă” poate fi redusă de acceptori precum NAD+, chinone, Fe3+.
Aceste reacții sunt numite după A. A. Krasnovsky [3] [4] .
Principiile generale de organizare a procesului de respirație la nivel molecular la plante și animale sunt similare. Cu toate acestea, datorită faptului că plantele duc un stil de viață atașat, metabolismul lor trebuie să se adapteze constant la condițiile externe în schimbare, prin urmare respirația lor celulară are unele caracteristici (căi suplimentare de oxidare, enzime alternative).
Schimbul de gaze cu mediul extern se realizează prin stomatele și lenticele, crăpăturile în scoarță (în copaci).
Respirația umană poate fi împărțită în etape:
Funcția respirației externe este asigurată atât de sistemul respirator, cât și de sistemul circulator . Aerul atmosferic pătrunde în plămâni din nazofaringe (unde este în prealabil curățat de impuritățile mecanice, umezit și încălzit) prin laringe și arborele traheobronșic ( trahee , bronhii principale , bronhii lobare , bronhii segmentare, bronhii lobulare, bronhiole și ducte alveolare) alveole pulmonare . Bronhiolele respiratorii, canalele alveolare și sacii alveolari cu alveole alcătuiesc un singur arbore alveolar, iar structurile de mai sus, extinzându-se de la o bronhiole terminale, formează o unitate funcțională și anatomică a parenchimului respirator al plămânului - acinus ( lat. ácinus - ciorchine ) . Schimbarea aerului este asigurată de mușchii respiratori , care inspiră (du aer în plămâni) și expiră (elimină aerul din plămâni). Prin membrana alveolelor are loc schimbul de gaze între aerul atmosferic și sângele circulant [5] . În plus, sângele, îmbogățit cu oxigen , se întoarce la inimă, de unde este transportat prin artere către toate organele și țesuturile corpului. Pe măsură ce distanța de la inimă și diviziune, calibrul arterelor scade treptat până la arteriole și capilare, prin membrana cărora are loc schimbul de gaze cu țesuturile și organele. Astfel, granița dintre respirația externă și cea celulară trece de-a lungul membranei celulare a celulelor periferice .
Respirația externă a unei persoane include două etape:
Ventilația alveolelor se realizează alternativ prin inhalare ( inspirație ) și expirație ( expirație ). Când inhalați, aerul atmosferic intră în alveole , iar atunci când expirați, aerul saturat cu dioxid de carbon este îndepărtat din alveole. Inhalarea și expirarea se realizează prin modificarea dimensiunii toracelui cu ajutorul mușchilor respiratori .
Există două tipuri de respirație conform metodei inhalare-exhalare [6] :
Tipul de respirație depinde de doi factori:
Un adult, fiind în repaus, face în medie 14 mișcări respiratorii pe minut [16] . Cu toate acestea, frecvența respiratorie poate suferi fluctuații semnificative (de la 10 la 18 pe minut) [16] . La copii, ritmul respirator este de 20-30 de respirații pe minut; la sugari - 30-40; la nou-născuți - 40-60 [16] .
În timpul unei respirații (în stare calmă), 400-500 ml de aer intră în plămâni . Acest volum de aer se numește volum mare (TO). Aceeași cantitate de aer intră în atmosferă din plămâni în timpul unei expirații liniștite. Respirația profundă maximă este de aproximativ 2000 ml de aer. Expirația maximă este și ea de aproximativ 2000 ml.
După expirarea maximă, în plămâni rămân aproximativ 1500 ml de aer, numit volumul rezidual al plămânilor . După o expirație liniștită, în plămâni rămân aproximativ 3000 ml. Acest volum de aer se numește capacitatea reziduală funcțională (FRC) a plămânilor.
Datorită FRC, un raport relativ constant între conținutul de oxigen și dioxid de carbon este menținut în aerul alveolar , deoarece FRC este de câteva ori mai mare decât TO. Doar 2/3 din căile respiratorii ajung în alveole, ceea ce se numește volum de ventilație alveolară .
Adult (cu un volum curent de 0,5 litri și o frecvență de 14[ clarifica ] mișcări respiratorii pe minut) trece prin plămâni 7 litri de aer pe minut [16] . Într-o stare de activitate fizică, volumul minute al respirației poate ajunge la 120 de litri pe minut [16] .
Cu o respirație calmă, raportul dintre inhalare și expirație în timp este de 1:1,3 [17] .
Fără a respira, o persoană poate trăi de obicei până la 5-7 minute, după care apar pierderea conștienței, modificări ireversibile ale creierului și moartea.
Respirația este una dintre puținele abilități ale corpului care pot fi controlate conștient și inconștient. Cu respirația frecventă și superficială, excitabilitatea centrilor nervoși crește, iar cu respirația profundă, dimpotrivă, scade.
Tipuri de respirație: adâncă și superficială, frecventă și rară, superioară, medie (toracică) și inferioară (abdominală).
Tipuri speciale de mișcări respiratorii sunt observate cu sughiț și râs .
Biomecanica și biofizica respirației externe Patologia respirației externePrincipala formă a patologiei respirației externe este insuficiența respiratorie . În funcție de natura cursului procesului patologic, se disting insuficiența respiratorie acută și cronică. În plus, există trei tipuri de insuficiență respiratorie:
Tahipnee sau „respirația unui animal vânat” - respirație rapidă și superficială ( frecvența respiratoriepeste 20 de mișcări respiratorii pe minut). Respirația rapidă apare de obicei atunci când centrul respirator este iritat de deșeurile organismului ( dioxid de carbon ). Se observă cu anemie , febră , boli de sânge. Dacă se dorește, poate fi cauzată de un efort de voință ( hiperventilație ), de exemplu, înainte de reținerea intenționată a respirației. În isterie , frecvența mișcărilor respiratorii poate ajunge la 60-80 pe minut.
Bradipneea - o scădere patologică a respirației - se dezvoltă atunci când excitabilitatea centrului respirator scade sau când funcția acestuia este suprimată, ceea ce poate fi cauzat de o creștere a presiunii intracraniene ( tumoare cerebrală , meningită , hemoragie cerebrală , edem cerebral ) sau de expunerea la Centrul respirator s-a acumulat în cantități semnificative în produsele metabolice toxice din sânge ( uremie , comă hepatică sau diabetică , unele boli infecțioase acute și otrăviri ) [18] .
Apneea ( greaca veche ἄπνοια , literalmente „ calm ”; lipsa respirației) - absența sau încetarea mișcărilor respiratorii. Un proces patologic asociat cu patologia mușchilor respiratori, de exemplu, otrăvirea cu o otravă care acționează ca curare sau paralizia centrului respirator, de exemplu, ca urmare a edemului cerebral sau a unei leziuni cerebrale traumatice . Sindromul de apnee obstructivă în somn [ 19] , care este cauzat de lasarea tractului respirator superior, este izolat separatAcest tip de apnee în somn apare de obicei la persoanele care sforăie în timpul somnului și este un semn de prognostic slab în ceea ce privește riscul de a dezvolta insuficiență cardiovasculară acută.
Așa-numitul reflex sau „falsă apnee” apare uneori cu iritații severe ale pielii (de exemplu, atunci când corpul este scufundat în apă rece). Apneea (ca afecțiune patologică) ar trebui să fie, de asemenea, diferențiată de ținerea respirației indusă artificial (de exemplu, atunci când este scufundată într-un lichid) - ca urmare a înfometării dezvoltate de oxigen (pe fundalul încetării aportului de oxigen din aerul atmosferic către alveole ). ), cortexul cerebral este oprit (pierderea cunoștinței sau încetarea proceselor de activitate nervoasă superioară ), după care structurile subcorticale și stem (centrul respirator) dau comanda de a inspira. Dacă, în același timp, aerul atmosferic pătrunde în plămâni , atunci când oxigenul ajunge la țesuturi și organe (inclusiv sistemul nervos central ), are loc recuperarea spontană a conștienței. Dacă corpul se află într-un mediu lichid, atunci lichidul intră în tractul respirator și se dezvoltă înec (normal sau „uscat”, asociat cu laringospasm ).
Scurtarea respirației sau dispneea este o încălcare a frecvenței și profunzimii respirației, însoțită de o senzație de lipsă de aer . În cazul modificărilor patologice ale mușchiului inimii, respirația scurtă apare mai întâi în timpul efortului, iar apoi apare în repaus, în special în poziție orizontală (datorită creșterii întoarcerii venoase a sângelui către inimă), obligând pacientul să ia o poziție șezând forțat, care contribuie la depunerea sângelui venos în sistemul venelor goale inferioare ale picioarelor (ortopedice). Atacurile de dispnee severă (de obicei nocturnă) cu boli de inimă - o manifestare a astmului cardiac : dificultățile de respirație în aceste cazuri sunt inspiratorii (dificultate la inhalare). Dificultăți de respirație expiratorie (dificultate la expirare) apare atunci când lumenul bronhiilor mici și al bronhiolelor este îngustat (de exemplu, cu astm bronșic ) sau cu o pierdere a elasticității țesutului pulmonar (de exemplu, cu dezvoltarea emfizemului pulmonar cronic ) . Dificultățile de respirație „cerebrale” apar cu iritarea directă a centrului respirator ( tumori , hemoragii și alți factori etiologici).
Tipuri patologice de respirație externă:
Principalele tipuri de tulburări respiratorii:
Adesea există o combinație de tipuri de tulburări.
Hipoventilatie alveolaraHipoventilația alveolară se caracterizează printr-o ventilație alveolară insuficientă, ceea ce duce la intrarea mai puțină a oxigenului în sânge și, de obicei, eliminarea insuficientă a dioxidului de carbon din sânge. Hipoventilația are ca rezultat o scădere a cantității de oxigen din sânge ( hipoxemie ) și o creștere a cantității de dioxid de carbon din sânge ( hipercapnie ).
Cauzele hipoventilației alveolare:
Obstrucția căilor respiratorii:
Respirația tisulară sau celulară este un set de reacții biochimice care au loc în celulele organismelor vii , în timpul cărora carbohidrații , lipidele și aminoacizii sunt oxidați în dioxid de carbon și apă . Energia eliberată este stocată în legăturile chimice ale compușilor macroergici (molecule de acid adenozin trifosforic și alți macroergi) și poate fi folosită de organism după cum este necesar. Inclus în grupul proceselor de catabolism . La nivel celular, sunt luate în considerare două tipuri principale de respirație: aerobă (cu participarea unui agent oxidant - oxigen ) și anaerobă . În același timp, procesele fiziologice de transport a oxigenului către celulele organismelor multicelulare și de îndepărtare a dioxidului de carbon din acestea sunt considerate ca o funcție a respirației externe.
Respirație aerobă . În ciclul Krebs, cantitatea principală de molecule de ATP este produsă prin metoda fosforilării oxidative în ultima etapă a respirației celulare: în lanțul de transport de electroni. Aici, NADH și FADH 2 sunt oxidate , reduse în procesele de glicoliză, β-oxidare, ciclul Krebs etc. Energia eliberată în timpul acestor reacții se datorează lanțului de purtători de electroni localizați în membrana interioară a mitocondriilor (la procariote). - în membrana citoplasmatică ), se transformă într-un potențial proton transmembranar . Enzima ATP sintaza folosește acest gradient pentru a sintetiza ATP, transformându-și energia în energie de legătură chimică. S-a calculat că o moleculă de NADH poate produce 2,5 molecule de ATP în timpul acestui proces, FADH 2 - 1,5 molecule. Acceptorul final de electroni din lanțul respirator al aerobilor este oxigenul .
Respirația anaerobă este un proces biochimic de oxidare a substraturilor organice sau a hidrogenului molecular folosind alți agenți oxidanți de natură anorganică sau organică în ETC respirator ca acceptor final de electroni în loc de O 2 . Ca și în cazul respirației aerobe , energia liberă eliberată în timpul reacției este stocată sub forma unui potențial de protoni transmembranar , care este folosit de ATP sintaza pentru a sintetiza ATP .
În timpul efortului fizic, respirația, de regulă, crește. Metabolismul este accelerat, mușchii au nevoie de mai mult oxigen.