Процеси дихання. Матеріали для учнів 8 класу.

Етапи та процеси дихання Легеневе дихання: легенева вентиляція та газообмін у клітинах Транспорт газів Тканинне дихання: газообмін у тканинах та клітинне дихання Дихальні рухи

Конвекція – активне перенесення дихальних газів середовищем, що рухається за допомогою органів (під час вдиху та видиху кисень і вуглекислий газ переносяться повітрям до легень або від них, а в середині організму – кров'ю). Дифузія – фізичний процес пасивного переміщення молекул будь-якої речовини з ділянки, де їх концентрація більша, до ділянки, де їх концентрація менша, до тих пір, доки концентрація речовини в обох ділянках не стане однаковою. Швидкість дифузії вуглекислого газу з крові приблизно в 25 разів більша, ніж кисню. Кисень і вуглекислий газ переносяться під час дихання повітрям до легень, а всередині організму – кров’ю. Газовий склад крові залежить від фізичного навантаження, індивідуальних особливостей обміну речовин. Об'ємна концентрація складника газу в суміші пропорційна до його парціального тиску (тиску, який створював би цей складник газу за умови, що тільки він займав би увесь об'єм посудини). Різницю парціальних тисків складників газу можна вважати рушійною силою дифузії газу, тобто напрям і швидкість дифузії визначаються парціальним тиском.    Напруження газу в рідині – сила, з якою розчинений газ намагається залишити рідину. Парціальний тиск кисню в альвеолах легень набагато перевищує парціальне  напруження кисню у венозній крові, а парціальне напруження вуглекислого газу у крові перевищує парціальний тиск С02 у альвеолярному повітрі, що створює умови для обміну газів між альвеолярним повітрям і кров'ю. Частка тиску кисню в атмосферному повітрі – 158,84 мм рт. ст. (20,9% від 760 мм рт. ст.). В основі дихання – біологічне окиснення, що здійснюється в клітинах. Окиснення – це хімічні реакції розщеплення сполук за допомогою кисню, що супроводжуються вивільненням енергії (кінцевими продуктами окиснення є вода та вуглекислий газ, а вивільнена енергія акумулюється в АТФ).

Розрізняють зовнішнє (розуміють газообмін між легенями та навколишнім середовищем) та внутрішнє дихання (розуміють використання кисню клітинами під час окислення органічних речовин і виділення вуглекислого газу).

Етапи дихання щодо місця, де воно відбувається.

	Зовнішнє дихання, або легеневе дихання	Транспорт газів	Внутрішнє дихання, або клітинне дихання
Що відбувається	Обмін газів між організмом і довкіллям, що відбувається в органах дихання	Перенесення газів в організмі	Окисні процеси в клітинах, унаслідок яких виділяється енергія.
Значення	Завдяки фізичним процесам організм людини отримує кисень і позбавляється від CO2 (конвекційне перенесення дихальних газів повітроносними шляхами та дифузій­не переміщення дихальних газів крізь стінки альвеол).	Гази розчиняються в плазмі крові або хімічно  сполучаються з гемоглобіном крові й транспортуються до клітин (СО2 розчиняється в плазмі крові, О2 хімічно сполучається з гемоглобіном). Дифузія газів між кров'ю та тканинною  рідиною.	Прості поживні речовини (амінокислоти, жирні кислоти, глюкоза) за допомогою ферментів клітини розщеплюються до води й вуглекислого газу (CO2) з вивільненням енергії (окиснення).
Забезпечує	Дихальна система	Рідини тіла людини – кров, лімфа і тканинна рідина	Мітохондрії клітини
Процеси	Вентиляція легень [Надходження кисню із сере­довища в органи дихання. Виділення СО2 з органів дихання в довкілля]. Газообмін у альвеолах [Проникнення кисню з органів дихання в кров. Проникнення вуглекислого газу з крові в органи дихання].	Транспорт дихальних газів [Транспорт кисню від органів дихання до клітин. Транспорт СО2 від клітин до органів дихання]. Газообмін у тканинах [Проникнення кисню з крові у тканину рідину. Проникнення вуглекислого газу з тканинної рідини в крові].	Клітинне дихання [Використання кисню в реакці­ях розщеплення глюкози й синтезу АТФ. Утворення CO2 у реакціях розщеплення органічних речовин].
Фізичні та хімічні процеси	вентиляція легень (активне переміщення потоку повітря в легені завдяки конвекції); газообмін у легенях (пасивне переміщення газів між повітрям і кров'ю шляхом дифузії)	транспорт дихальних газів (активне перенесення газів потоком крові завдяки конвекції); газообмін у тканинах (пасивне переміщення газів між повітрям і кров'ю шляхом дифузії).	клітинне дихання (вивільнення енергії з поживних сполук шля­хом окиснення в мітохондріях).

Процеси дихання.
І. Легенева вентиляція.
1. Вентиляція легень (за допомогою дихальних рухів та конвекції газів повітрям).
ІІ. Обмін газів.
2. Газообмін у легенях (дифузія газів).
3. Перенесення газів (конвекція середовищем).
4. Газообмін у тканинах (дифузія газів).
ІІІ. Тканинне дихання (окиснення).
5. Клітинне дихання.

Відмінність між газообміном у легенях і тканинах. 
• Під час газообміну в легенях венозна кров перетворюється на артеріальну, під час газообміну в тканинах артеріальна кров перетворюється на венозну.
• У процесі газообміну в легені надходить не лише кисень, а й усі інші гази, що містяться в повітрі, проте вони не беруть участі в тканинному газообміні, не затримуються в організмі й під час видиху повертаються в навколишнє середовище.

І. ЗОВНІШНЄ, АБО ЛЕГЕНЕВЕ ДИХАННЯ – обмін газів між атмосферним повітрям і організмом.
Легеневе дихання – це дихання за допомогою внутрішніх спеціалізованих органів газообміну (легенів) у тісному взаємозв'язку дихальної системи з кровоносною, опорно – руховою та регуляторними системами.
1) Вентиляція легень – це механічні процеси (дихальні рухи та конвекція),  які забезпечують надходження повітря в легені та виведення його з легень через повітроносні шляхи.
Вентиляція легень у здорової людини досягає 5-9 л за одну хвилину. За добу в кожної людини за умови найбільшого спокою з альвеолярного повітря в кров надходить близько 500 л кисню, а з видихуваним повітрям виділяється близько 450 л вуглекислого газу. Організм людини в стані спокою щохвилини одержує
250–300 мл кисню й виділяє 250–300 мл вуглекислого газу.

2) Газообмін у легенях між альвеолярним повітрям і кров'ю – дифузія кисню з альвеолярного повітря у кров, а вуглекислого газу – із крові в альвеолярне повітря, тому під час газообміну в легенях венозна кров перетворюється на артеріальну.

Стан	Кров	Кисень	Вуглекислий газ	Артерій-венозна різниця кисню
Спокій	Артеріальна кров	200 мл/л	560 – 540 мл/л	60 – 70 мл/л
	Венозна кров	130 – 140 мл/л	580 мл/л
Фізичне навантаження	Артеріальна кров	200 мл/л	560 – 540 мл/л	130 – 140 мл/л
	Венозна кров	60 – 70 мл/л

Значення газообміну в легенях:
а) венозна кров позбавляється вуглекислого газу й насичується киснем, перетворюючись із венозної в артеріальну;
б) підтримується сталий склад альвеолярного повітря, його забезпечує  інтенсивний обмін газів (безперервне надходження кисню та видалення вуглекислого газу), що має важливе значення для гомеостазу.

Газообмін у легенях.

Газообмін у легенях відбувається у спеціальних пухирцях — альвеолах, дифузія газів через одношаровий плоский епітелій альвеол. 
У повітряний простір альвеол легень атмосферне повітря надходить завдяки вдиху, а виходить із нього із зміненим складом за допомогою видиху.
У процесі газообміну в легені надходить не лише кисень, а й усі інші гази, що містяться в повітрі, але зазвичай вони не беруть участі в тканинному газообміні, не затримуються в організмі й під час видиху повертаються в навколишнє середовище.
У капіляри легенів по артеріях малого кола кровообігу завжди надходить венозна кров, яка збагачена вуглекислим газом, що потрапив до неї з міжклітинної рідини, але бідна на кисень. Кисень і вуглекислий газ вільно дифундують через мембрани клітин стінок альвеол і капілярів. Проникнення кисню з альвеолярного повітря у кров, а вуглекислого газу – із крові в альвеолярне повітря здійснюється завдяки дифузії, напрямок і швидкість якої визначає різниця концентрацій цих газів у крові та альвеолярному повітрі.

Газообмін О₂ у легенях з  перетворення венозної крові на артеріальну.
Вдихуване повітря потрапляє до альвеол, кисень з повітря в альвеолах розчиняється в рідині, що вкриває їхню поверхню. Оскільки концентрація кисню в альвеолярному повітрі вища, ніж у венозній крові, тому О₂ переміщується крізь стінки альвеол і капілярів у кров, перетворюючи венозну кров на артеріальну.
Газообмін СО₂ у легенях.
Концентрація вуглекислого газу в альвеолярному повітрі менша, тому СО₂ з капілярів венозної крові дифундує в альвеоли і під час видиху видаляється назовні.

ІІ. ТРАНСПОРТУВАННЯ ГАЗІВ – транспорт (конвекція) газів в організмі рідинами  тіла людини (кров, лімфа і тканинна рідина).
Транспортування газів відбувається за участі двох фізіологічних систем органів – дихальної та кровоносної, які об'єднуються в єдину функціональну систему для виконання спільної функції – забезпечення кожної клітини організму киснем.

Зв'язок дихальної та кровоносної систем. Артеріальна кров – кров, насичена киснем, а венозна кров – кров, насичена вуглекислим газом і бідна на кисень. З легенями пов'язані судини малого кола кровообігу. Артерія – судина, що йде до органа, вена – судина, що йде від органа. Легенева артерія – судина з венозною кров'ю, що йде до легені по малому колу кровообігу. Легенева вена – судина з артеріальною кров'ю, що йде від легені по малому колу кровообігу. По легеневій артерії малого кола кровообігу до легень надходить венозна кров з вуглекислим газом. Після газообміну в легенях по легеневій вені артеріальна кров надходить до лівого передсердя, потім до лівого шлуночка серця, звідти – до  великого кола кровообігу, яким переноситься до тканин. У тканинах кров віддає кисень, забирає вуглекислий газ, перетворюючись у венозну. Ця венозна кров по венах великого кола кровообігу надходить до правого передсердя, потім до правого шлуночка серця й по малому колу кровообігу легеневою артерією спрямовується знову до легень.

3) Транспорт дихальних газів – перенесення кров'ю 0₂ від легень до тканин і CO₂ від тканин до легень.
Кисень і вуглекислий газ транспортуються кров'ю по – різному, оскільки розчинність цих дихальних газів різна (кисень переважно транспортується кров'ю у зв'язаному з гемоглобіном стані у вигляді оксигемоглобіну, тоді як вуглекислий газ — у вигляді сполук, розчинених у плазмі крові).
Усі інші гази повітря розчиняються в плазмі, тому внаслідок забруднення повітря до організму можуть потрапити гази (викиди промислових підприємств, вихлопні гази, леткі речовини, що містяться в лаках і фарбах, природний і чадний гази), що в тканинах утворюють шкідливі сполуки. 

Формула: Hb + CO = HbCO. Чадний газ СО зв'язується з гемоглобіном та утворює стійку сполуку  карбоксигемоглобін (НЬСО), розпадання якої на НЬ і CO відбувається у 200 разів повільніше, ніж оксигемоглобіну. Тому за наявності в повітрі чадного газу більша частина гемоглобіну зв'язується з ним, втрачаючи здатність до переносу кисню, що призводить до порушення тканинного дихання та є смертельно небезпечним для людини.

Транспортування О₂ від капілярів легень до тканин.
• 99% О2 від легень до тканин здійснюється переважно залізовмісним білком гемоглобіном еритроцитів крові, що є основним транспортувальником кисню.
Формула: Hb + O₂ = HbO₂. Кисень через стінки кровоносних капілярів легень надходить в еритроцити, де він за допомогою слабких зв'язків приєднується до атома Fe (II). Приєднавши О₂, гемоглобін (НЬ) перетворюється на оксигемоглобін (НЬО₂) – сполуку яскраво – червоного кольору, яка є нестійкою й легко розпадається на НЬ та О₂. Одна молекула гемоглобіну може зв'язати 4 молекули кисню, тому що гем містить 4 атоми Fe(II), саме завдяки цій властивості гемоглобіну всі тканини організму забезпечуються киснем.

У складі оксигемоглобіну по судинах великого кола кровообігу кисень транспортується до тканин. Один грам гемоглобіну може приєднати 1,34 мл кисню.
• Тільки близько 1% транспортується в плазмі у розчиненому стані, оскільки розчинність кисню у воді невелика.
Транспортування СО₂ від тканин до капілярів легень.
У капілярах тканин більша частина молекул вуглекислого газу венозної крові переноситься плазмою крові.
• 10% С0₂ переноситься у розчиненому стані, оскільки у воді розчинність вуглекислого газу більша за розчинність кисню.
• 80 % С0₂ взаємодіє з водою плазми крові, утворюючи карбонатну кислоту  (Н₂С0₃), яка одразу розпадається з утворенням гідрогенкарбонатів Натрію і Калію (NaНC0₃ і КНС0₃). У легенях ці солі дисоціюють, і звільнений вуглекислий газ надходить в альвеоли.
• 10 % СО₂ потрапляє до еритроциту, де він приєднується до гемоглобіну, утворюючи новий тимчасовий комплекс карбгемоглобіну (формула: Hb + CO₂ = НЬС0₂), у складі якого транспортується до капілярів легенів, ця сполука є нестійкою та легко розпадається в легеневих капілярах. 
По судинах великого кола кровообігу венозна кров надходить до правого передсердя і правого шлуночка, звідти вона потрапляє до легенів, де знову відбувається газообмін.
Проходячи через легені, венозна кров віддає тільки 10% СО₂, а решта залишається для підтримання певного складу крові.

4) Газообмін у тканинах відбувається між кров'ю й тканинами тіла через тканинну рідину завдяки дифузії.
Значення газообміну в тканинах:
а) артеріальна кров постачає киснем клітини і позбавляє їх від вуглекислого газу, перетворюючись у венозну;
6) підтримується сталий склад тканинної рідини, що має важливе значення для гомеостазу.

Проникнення О₂ із артеріальної крові капілярів через міжклітинну речовину до клітин.
Тимчасовий комплекс оксигемоглобін руйнується, О₂ із капілярів надходить до міжклітинної  (тканинної) рідини, де вміст кисню нижчий, ніж в артеріальній крові. Далі з міжклітинної рідини кисень дифундує до мітохондрій клітин, де вступає в реакції енергетичного обміну, тому в клітинах вільного кисню майже немає.
Проникнення СО₂ з клітин через міжклітинну рідину до капілярів з перетворенням артеріальної крові на венозну. 
Унаслідок клітинного дихання в клітинах зростає вміст вуглекислого газу, СО₂  дифундує до міжклітинної рідини тканин, а потім до капілярів, де його концентрація менша, тому артеріальна кров перетворюється на венозну.

ІІІ. ВНУТРІШНЄ ДИХАННЯ – використання кисню клітинами, унаслідок чого виділяється енергія.
5) Клітинне дихання – клітинне дихання, або респірація (від лат. respiration — дихання) — це процес отримання клітиною енергії з хімічних сполук шляхом їх окиснення, тобто реакції з киснем.
Поетапне отримання енергії з молекули глюкози відбувається в цитоплазмі клітини (гліколіз), що не потребує Оксигену (з кожної молекули глюкози утворюється тільки 2 молекули АТФ) і в мітохондріях клітини, де потрібен Оксиген (з кожної молекули глюкози утворюються ще 36 молекул АТФ). Ось чому з точки зору енергетики кисневі (аеробні) реакції в 18 разів ефективніші, ніж безкисневі (анаеробні).
Під час сукупності біохімічних реакцій, що протікають у клітинах, відбувається окиснення глюкози, жирних кислот та амінокислот до вуглекислого газу та води з виділенням енергії хімічних зв'язків спожитої їжі та її акумуляція в АТФ.
Необхідність кисню: клітини втрачають своє головне джерело енергії, а без кисню вони не здатні виробляти в потрібній їм кількості АТФ.

УМОВНА СХЕМА ДИХАННЯ.
• Венозна кров в капілярах легенів та вдих легеневої вентиляції –>
• газообмін О₂ у легенях з  перетворення венозної крові на артеріальну –>
• транспортування кисню від капілярів легень до клітин –>
• проникнення О₂ із артеріальної крові капілярів через міжклітинну речовину до клітин –>
• клітинне дихання –>
• проникнення СО₂ із клітини через міжклітинну рідину до капілярів з перетворенням артеріальної крові на венозну –>
• транспортування СО₂ від клітин до капілярів легень –>
• газообмін СО₂ у легенях –>
• видих легеневої вентиляції та рух венозної крові великим колом кровообігу до правого передсердя і правого шлуночка, звідти знову до легенів. 

Інші завдання дивись тут...