Respiration ( lat. respiratio ) er hovedformen for katabolisme hos dyr , planter og mange mikroorganismer . Respiration er en fysiologisk proces, der sikrer det normale stofskifte (metabolisme og energi) af levende organismer og hjælper med at opretholde homeostase (konstant i det indre miljø), modtager ilt ( O 2 ) fra miljøet og fjerner nogle af de metaboliske produkter fra krop ind i miljøet i en gasformig tilstand ( СО 2 , H 2 O og andre). Afhængigt af intensiteten af stofskiftet frigiver en person gennem lungerne i gennemsnit omkring 5-18 liter kuldioxid (CO 2 ) og 50 gram vand i timen. Og med dem - omkring 400 andre urenheder af flygtige forbindelser, herunder acetone . I respirationsprocessen oxideres stoffer, der er rige på kemisk energi, der tilhører kroppen, til energifattige slutprodukter ( kuldioxid og vand), ved at bruge molekylær oxygen til dette .
Ved ydre respiration menes[ hvem? ] gasudveksling mellem kroppen og miljøet, herunder absorption af ilt og frigivelse af kuldioxid, samt transport af disse gasser i kroppen gennem systemet af åndedrætsrør ( luftrørs -åndende insekter ) eller i kredsløbet .
Cellulær respiration omfatter de biokemiske processer til at transportere proteiner over cellemembraner ; samt den faktiske oxidation i mitokondrier , hvilket fører til omdannelsen af madens kemiske energi.
Hos organismer, der har store overfladearealer i kontakt med miljøet, kan respiration forekomme på grund af diffusion af gasser direkte til cellerne gennem porerne (f.eks. i planteblade, hos kavitære dyr). Med et lille relativ overfladeareal udføres gastransport på grund af blodcirkulationen (hos hvirveldyr og andre) eller i luftrøret (i insekter ). Hos en person i hvile er gasudvekslingen gennem huden med atmosfæren omkring 2-3 % af pulmonal gasudveksling [1] .
Alle planter absorberer kuldioxid i dagtimerne og producerer ilt - dette er vækstfasen. Om natten, søvnfasen, sker den omvendte proces: ilt absorberes under vejrtrækningen, kuldioxid frigives, mængden af frigivet CO 2 er ubetydelig og diskuteres ikke af videnskabsmænd.
Anaerob respiration i planter blev opdaget af Louis Pasteur . Det sker normalt i overensstemmelse med den overordnede ligning af alkoholisk gæring:
Anaerob respiration er en gæringsproces. Mængden af energi (standardændring i fri energi), der skulle frigives under fermentering, er 234 kJ pr. mol forbrugt hexose. For at kunne forsyne sig selv med den nødvendige mængde energi skal en plante under gæringen opbruge en væsentlig større mængde hexoser end ved aerob respiration. I en iltatmosfære opstår der en mere energieffektiv aerob respiration, som beskytter planten mod for stort spild af organisk stof [2] .
Under anaerobe forhold reduceres klorofyl opløst i pyridin under påvirkning af lys af ascorbinsyre eller andre elektrondonorer. I mørke går reaktionen i den modsatte retning:
Til gengæld kan "fotoreduceret" klorofyl reduceres med sådanne acceptorer som NAD+, quinoner, Fe3+.
Disse reaktioner er opkaldt efter A. A. Krasnovsky [3] [4] .
De generelle principper for organisering af respirationsprocessen på molekylært niveau i planter og dyr er ens. Men på grund af det faktum, at planter fører en knyttet livsstil, skal deres stofskifte konstant tilpasse sig skiftende ydre forhold, derfor har deres cellulære respiration nogle funktioner (yderligere oxidationsveje, alternative enzymer).
Gasudveksling med det ydre miljø udføres gennem stomata og linser, revner i barken (i træer).
Menneskets åndedræt kan opdeles i stadier:
Funktionen af ekstern respiration varetages af både åndedrætssystemet og kredsløbssystemet . Atmosfærisk luft kommer ind i lungerne fra nasopharynx (hvor den tidligere er renset for mekaniske urenheder, fugtet og opvarmet) gennem strubehovedet og tracheobronchial træet ( luftrør , hovedbronkier , lobar bronkier , segmentale bronkier, lobulære bronkier, bronkioler og alveolære kanaler) pulmonale alveoler . Respiratoriske bronkioler, alveolære kanaler og alveolære sække med alveoler udgør et enkelt alveolært træ, og ovenstående strukturer, der strækker sig fra en terminal bronkiole, danner en funktionel og anatomisk enhed af lungens respiratoriske parenkym - acinus ( lat. ácinus - bundt ) . Luftforandring leveres af åndedrætsmusklerne , som inhalerer (tager luft ind i lungerne) og udånder (fjerner luft fra lungerne). Gennem alveolernes membran sker der gasudveksling mellem atmosfærisk luft og cirkulerende blod [5] . Yderligere vender blodet, beriget med ilt , tilbage til hjertet, hvorfra det føres gennem arterierne til alle organer og væv i kroppen. Som afstanden fra hjertet og divisionen falder arteriernes kaliber gradvist til arterioler og kapillærer, gennem hvis membran gasudveksling med væv og organer sker. Grænsen mellem ekstern og cellulær respiration løber således langs perifere cellers cellemembran .
Ekstern respiration af en person omfatter to faser:
Ventilation af alveolerne udføres ved skiftevis indånding ( inspiration ) og udånding ( udånding ). Når du indånder, kommer atmosfærisk luft ind i alveolerne , og når du puster ud, fjernes luft mættet med kuldioxid fra alveolerne. Indånding og udånding udføres ved at ændre størrelsen af brystet ved hjælp af åndedrætsmuskler .
Der er to typer vejrtrækning ifølge metoden til indånding-udånding [6] :
Typen af vejrtrækning afhænger af to faktorer:
En voksen, der er i hvile, foretager i gennemsnit 14 åndedrætsbevægelser i minuttet [16] . Respirationsfrekvensen kan dog undergå betydelige udsving (fra 10 til 18 i minuttet) [16] . Hos børn er respirationsfrekvensen 20-30 vejrtrækninger i minuttet; hos spædbørn - 30-40; hos nyfødte - 40-60 [16] .
I løbet af et åndedrag (i rolig tilstand) kommer 400-500 ml luft ind i lungerne . Denne luftmængde kaldes tidalvolumen (TO). Den samme mængde luft kommer ind i atmosfæren fra lungerne under en stille udånding. Den maksimale dybe indånding er omkring 2000 ml luft. Den maksimale udånding er også omkring 2000 ml.
Efter maksimal udånding er der ca. 1500 ml luft tilbage i lungerne, kaldet lungernes resterende volumen . Efter en stille udånding er der ca. 3000 ml tilbage i lungerne. Denne luftmængde kaldes lungernes funktionelle restkapacitet (FRC).
På grund af FRC opretholdes et relativt konstant forhold mellem oxygen- og kuldioxidindholdet i alveoleluften , da FRC er flere gange større end TO. Kun 2/3 af luftvejene når alveolerne, som kaldes alveolær ventilationsvolumen .
Voksen (med et tidevandsvolumen på 0,5 liter og en frekvens på 14[ afklar ] åndedrætsbevægelser i minuttet) passerer gennem lungerne 7 liter luft i minuttet [16] . I en tilstand af fysisk aktivitet kan åndedrættets minutvolumen nå op på 120 liter i minuttet [16] .
Ved rolig vejrtrækning er forholdet mellem indånding og udånding i tid 1:1,3 [17] .
Uden vejrtrækning kan en person normalt leve op til 5-7 minutter, hvorefter der opstår bevidsthedstab, irreversible forandringer i hjernen og død.
Vejrtrækning er en af kroppens få evner, der kan kontrolleres bevidst og ubevidst. Ved hyppig og overfladisk vejrtrækning øges nervecentrenes excitabilitet, og med dyb vejrtrækning falder den tværtimod.
Typer af vejrtrækning: dyb og overfladisk, hyppig og sjælden, øvre, midterste (thorax) og nedre (abdominal).
Særlige typer åndedrætsbevægelser observeres med hikke og latter .
Biomekanik og biofysik af ekstern respiration Patologi af ekstern respirationHovedformen for patologien ved ekstern respiration er respirationssvigt . Afhængigt af arten af forløbet af den patologiske proces skelnes akut og kronisk respirationssvigt. Derudover er der tre typer af respirationssvigt:
Takypnø eller "vejrtrækning af et jagt dyr" - hurtig overfladisk vejrtrækning (åndedrætsfrekvens over 20 åndedrætsbevægelser i minuttet). Hurtig vejrtrækning opstår normalt, når åndedrætscentret er irriteret af kroppens affaldsstoffer ( kuldioxid ). Det er observeret med anæmi , feber , blodsygdomme. Hvis det ønskes, kan det være forårsaget af en viljeanstrengelse ( hyperventilation ), for eksempel før den tilsigtede vejrtrækning. I hysteri kan frekvensen af åndedrætsbevægelser nå 60-80 i minuttet.
Bradypnø - et patologisk fald i vejrtrækningen - udvikler sig, når respirationscentrets excitabilitet falder, eller når dets funktion undertrykkes, hvilket kan være forårsaget af en stigning i intrakranielt tryk ( hjernetumor , meningitis , hjerneblødning , cerebralt ødem ) eller eksponering for respirationscenter akkumuleret i betydelige mængder i blodet toksiske stofskifteprodukter ( uræmi , lever- eller diabetisk koma , nogle akutte infektionssygdomme og forgiftning ) [18] .
Apnø ( oldgræsk ἄπνοια , bogstaveligt talt " rolig "; mangel på vejrtrækning) - fravær eller ophør af åndedrætsbevægelser. En patologisk proces forbundet med patologi af åndedrætsmusklerne, for eksempel forgiftning med en gift , der virker som curare eller lammelse af åndedrætscentret, for eksempel som følge af cerebralt ødem eller traumatisk hjerneskade . Syndromet med obstruktiv søvnapnø [19] , som er forårsaget af sænkning af de øvre luftveje, isoleres separatDenne type søvnapnø opstår normalt hos mennesker, der snorker under deres søvn og er et dårligt prognostisk tegn i forhold til risikoen for at udvikle akut hjerte-kar-svigt.
Den såkaldte refleks eller "falsk apnø" opstår nogle gange ved alvorlig hudirritation (for eksempel når kroppen er nedsænket i koldt vand). Apnø (som en patologisk tilstand) bør også skelnes fra kunstigt induceret vejrtrækning (for eksempel når nedsænket i en væske) - som et resultat af udviklet iltsult (på baggrund af ophør af iltforsyning fra atmosfærisk luft til alveolerne ), slukkes hjernebarken (tab af bevidsthed eller ophør af processer med højere nervøs aktivitet ), hvorefter subkortikale og stamstrukturer (respirationscenter) giver kommandoen til at inhalere. Hvis atmosfærisk luft samtidig trænger ind i lungerne , så sker der spontan genopretning af bevidstheden, når ilt når væv og organer (inklusive centralnervesystemet ). Hvis kroppen er i et flydende miljø, kommer væske ind i luftvejene, og drukning udvikler sig (normal eller "tør", forbundet med laryngospasme ).
Åndenød eller åndenød er en krænkelse af vejrtrækningens hyppighed og dybde, ledsaget af en følelse af mangel på luft . I tilfælde af patologiske ændringer i hjertemusklen opstår åndenød først under træning og opstår derefter i hvile, især i vandret stilling (på grund af en stigning i venøs tilbageførsel af blod til hjertet), hvilket tvinger patienten til at tage en tvungen siddestilling, som bidrager til aflejring af veneblod i systemet af de nedre hule vener i benene (ortopædisk). Angreb af alvorlig åndenød (normalt natlig) med hjertesygdom - en manifestation af hjerteastma : åndenød i disse tilfælde er inspiratorisk (besvær med at indånde). Ekspiratorisk åndenød (udåndingsbesvær) opstår, når lumen i de små bronkier og bronkioler er indsnævret (for eksempel med bronkial astma ) eller med tab af elasticitet i lungevævet (for eksempel med udvikling af kronisk lungeemfysem ) . "Cerebral" åndenød opstår med direkte irritation af åndedrætscentret ( tumorer , blødninger og andre ætiologiske faktorer).
Patologiske typer af ekstern respiration:
De vigtigste typer af luftvejssygdomme:
Ofte er der en kombination af typer lidelser.
Alveolær hypoventilationAlveolær hypoventilation er karakteriseret ved utilstrækkelig alveolær ventilation, hvilket resulterer i, at mindre ilt kommer ind i blodet og normalt utilstrækkelig fjernelse af kuldioxid fra blodet. Hypoventilation resulterer i et fald i mængden af ilt i blodet ( hypoxæmi ) og en stigning i mængden af kuldioxid i blodet ( hyperkapni ).
Årsager til alveolær hypoventilation:
Luftvejsobstruktion:
Væv eller cellulær respiration er et sæt biokemiske reaktioner , der forekommer i cellerne i levende organismer , hvor kulhydrater , lipider og aminosyrer oxideres til kuldioxid og vand . Den frigivne energi lagres i de kemiske bindinger af makroerge forbindelser (molekyler af adenosintrifosforsyre og andre makroerger) og kan bruges af kroppen efter behov. Inkluderet i gruppen af katabolismeprocesser . På celleniveau overvejes to hovedtyper af respiration: aerob (med deltagelse af et oxidationsmiddel - oxygen ) og anaerob . Samtidig betragtes de fysiologiske processer med at transportere ilt til cellerne i flercellede organismer og fjerne kuldioxid fra dem som en funktion af ekstern respiration.
Aerob respiration . I Krebs-cyklussen produceres hovedmængden af ATP-molekyler ved metoden med oxidativ phosphorylering i det sidste trin af cellulær respiration: i elektrontransportkæden. Her oxideres NADH og FADH 2 , reduceres i processerne med glykolyse, β-oxidation, Krebs-cyklussen osv. Den energi, der frigives under disse reaktioner, skyldes kæden af elektronbærere lokaliseret i mitokondriers indre membran (i prokaryoter). - i den cytoplasmatiske membran ), omdannes til et transmembran protonpotentiale . Enzymet ATP-syntase bruger denne gradient til at syntetisere ATP og omdanner dets energi til kemisk bindingsenergi. Det er blevet beregnet, at et NADH-molekyle kan producere 2,5 ATP-molekyler under denne proces, FADH 2 - 1,5 molekyler. Den endelige elektronacceptor i luftvejskæden af aerobe er ilt .
Anaerob respiration er en biokemisk proces med oxidation af organiske substrater eller molekylært brint under anvendelse af andre oxidationsmidler af uorganisk eller organisk natur i det respiratoriske ETC som den endelige elektronacceptor i stedet for O 2 . Som i tilfældet med aerob respiration lagres den frie energi, der frigives under reaktionen, i form af et transmembran protonpotentiale , som bruges af ATP-syntase til at syntetisere ATP .
Under fysisk anstrengelse øges vejrtrækningen som regel. Stofskiftet accelereres, musklerne kræver mere ilt.