第五章 呼吸生理

基础医学院生理学教研室第五章呼吸Respiration目的要求掌握呼吸运动的三个过程和呼吸运动的调节。熟悉呼吸的三个环节，血红蛋白与氧可逆性的结合，氧解离曲线及意义。了解肺通气的结构基础，胸膜腔和呼吸肌及其在呼吸中的作用。教学难点肺通气原理，胸内负压形成及变化和意义；影响气体交换的因素；氧解离曲线；动脉血CO2分压，O2分压下降，H+浓度变化时呼吸运动的影响及机制。呼吸运动的调节。机体与外界环境的气体交换过程称为呼吸。直接动力：肺泡与大气之间的压力差原动力：呼吸肌的收缩和舒张(一).肺通气的动力第一节肺通气一.肺通气的原理1．呼吸运动Respiratorymovement

呼吸肌收缩、舒张所造成的胸廓节律性扩大和缩小称为呼吸运动。吸气运动inspiratorymovement呼气运动expiratorymovement(1).呼吸运动的过程平静状态下的呼吸运动的发生过程呼吸运动{腹式呼吸胸式呼吸膈肌舒缩引起的呼吸运动伴以腹壁的起伏，所以称为腹式呼吸。由肋间外肌舒缩使肋骨和胸骨运动产生的呼吸运动，伴有胸壁的起伏称为胸式呼吸。(2):呼吸运动的形式平静呼吸:用力呼吸：用力吸气时，辅助吸气肌也参加，胸廓容积进一步扩大。用力呼气时，除吸气肌舒张外，呼气肌也参加（肋间内肌+腹壁肌收缩），胸廓容积进一步缩小。特点：①平静呼吸时，吸气是主动的，呼气是被动的。②用力呼吸时，吸气和呼气都是主动的。③平静呼吸时，肋间外肌所起的作用＜膈肌。膈肌收缩造成的通气量占总通气量的4/5。

2.肺内压:

肺内压是指肺内气道和肺泡内气体的压力。平静吸气初:肺内压<大气压=0.3～0.4kPa→气入肺平静吸气末:肺内压=大气压──────→气流停平静呼气初:肺内压>大气压=0.3～0.4kPa→气出肺平静呼气末:肺内压=大气压──────→气流停用力呼吸时:肺内压的升降变化有所增加。如：故意闭住声门而作剧烈呼吸运动。

人工呼吸:

基本原理:使肺内与外界大气压间产生压力差方法:负压吸气式(压胸法)正压吸气式(口对口呼吸法，呼吸机)3.胸内压（1）概念:胸内压是指胸膜腔内的压力。（2）测定方法:

间接法:气囊测定食管内压以间接反映胸内压直接法:（3）压力:平静吸气时:胸内压<大气压=0.7～1.3kPa呼气时:胸内压<大气压=0.4～0.7kPa特点:①平静呼吸时胸内压始终为负压；②用力呼吸时负压变动更大；③有时可为正压(如紧闭声门用力呼吸)。前提条件:①有少量浆液的密闭腔；②肺和胸廓是弹性组织；③胸廓自然容积>肺容积；④壁层胸膜紧贴于胸廓内壁,大气压对其影响极小。

（4）成因:两种方向相反作用力的代数和

胸内压＝大气压－肺回缩力胸内压＝0－肺回缩力迫使脏层胸膜回位迫使脏层胸膜外移使肺扩张(肺弹性组织回缩力和肺泡表面张力)肺回缩力(大气压)肺内压(5)生理意义:纽带作用；维持肺处于扩张状态；促进血液和淋巴液的回流。结论：胸膜腔内负压是脏层胸膜受到两个相反作用力相互抵消的代数和,经脏层胸膜间接反映在胸膜腔的压力。（二）肺通气的阻力(resistance){弹性阻力（70%）{非弹性阻力（30%）肺胸廓{气道阻力惯性阻力粘滞阻力1、弹性阻力（Elasticresistance）物体抵抗外力作用所引起的变形的力称为弹性阻力呼吸器官的弹性阻力是胸廓和肺抵抗其自身发生形变（或容积变化）的力。顺应性(compliance)外力作用下弹性组织的可扩展性顺应性（C）与弹性阻力（R）成反变关系：C=1/R顺应性用单位压力变化（△P）所引起的容积变化（△V）来表示，单位是L/cmH2O，即C=△V/△P(L/cmH2O)方向向内，指向肺泡中心。是吸气的阻力，呼气的动力。（1）肺的弹性阻力和顺应性肺的弹性阻力Pulmonaryelasticresistance肺被扩张变形时，产生与肺扩张方向相反的回缩力，就形成了肺扩张的弹性阻力a、肺静态顺应性曲线肺容积变化0.500.25564跨肺压（cmH2O)吸气呼气CL=0.2L/cmH2O曲线的斜率反应不同肺容量下顺应性或弹性阻力的大小。曲线的斜率大，顺应性也大。b、比顺应性（specificcompliance)单位肺容量下的顺应性大肺泡顺应性大，小肺泡顺应性小。比顺应性=肺的顺应性/肺总容量肺泡表面张力alveolarsurfacetension（2/3）肺弹性回缩力pulmonaryelasticrecoil（1/3）c.肺的弹性阻力的来源在肺泡内壁覆盖有一薄层液体，它与肺泡内气体形成了液-气交界面。由于液体分子之间存在相互吸引力，因而产生了一种力图减小液-气界面的力，即为肺泡表面张力。其合力指向肺泡中央，使肺泡趋于缩小。Laplace定律：P=2T/rP:肺泡内压力T：表面张力r：半径肺泡表面活性物质（surfactant）是由肺泡Ⅱ型细胞分泌的一种复杂的脂蛋白，主要成分为二棕榈酰卵磷脂。其主要作用是降低表面张力。肺泡DPPC肺泡表面活性物质的生理意义降低表面张力维持大小肺泡的容积相对稳定调节肺泡的回缩力，有利呼吸使肺泡表面相对干燥，避免肺水肿影响弹性阻力的因素:①肺充血、肺不张、表面活性物质减少、肺纤维化和感染等原因→肺弹性阻力↑(肺顺应性↓)→吸气困难。②肺气肿时→肺弹性成分破坏→肺回缩力↓→肺弹性阻力↓(肺顺应性↑)→呼气困难。故肺顺应性加大并不一定表示肺通气功能好。③肥胖、胸廓畸形、胸膜增厚、腹内占位病变等原因→弹性阻力↑(顺应性↓)→但引起通气障碍的情况较少。

（2）胸廓的弹性阻力和顺应性即胸廓的弹性回位力,来自胸廓的弹性成分方向{肺容量<67%肺总容量向外

吸气的动力，呼气的阻力肺容量>67%肺总容量向内

吸气的阻力，呼气的动力胸廓的弹性阻力即可是吸气的动力，也可以是吸气的阻力平静呼气末肺容量=40%肺总容量肺回缩力=胸廓回位力肺容量<67%肺总容量肺容量>40%肺总容量肺回缩力>胸廓回位力向内向外用力呼气肺容量<40%肺总容量肺回缩力<胸廓回位力2、非弹性阻力(inelasticresistance)非弹性阻力={惯性阻力粘滞阻力气道阻力（80%~90%）惯性阻力是气流在发动、变速、换向时因气流和组织的惯性所产生的。平静呼吸时，惯性阻力小，可忽略不计。粘滞阻力来自呼吸时组织相对位移所发生的磨擦。气道阻力来自气体分子间和气体分子与气道之间的磨擦，是非弹性阻力的主要成分，约占80%-90%。R与1/r4成正比影响r的因素：1、跨壁压2、肺实质对气道壁的外向放射状牵引3、自主神经系统对气道管壁平滑肌活动的调节4、化学因素的影响交感神经NE+

2气管舒张迷走神经Ach+M气管收缩体液因素组织胺5-羟色胺CO2气管收缩二、肺通气功能的指标（一）基本肺容积（pulmonaryvolume)1、潮气量400~600ml2、补吸气量1500~2000ml3、补呼气量900~1200ml4、余气量1000~1500ml（二）肺容量（pulmonarycapacities）基本肺容积中两项或两项以上的联合气量。1、深吸气量=潮气量+补吸气量2、功能余气量=余气量+补呼气量3、肺活量=补呼气量+潮气量+补吸气量4、肺总容量5、时间肺活量时间肺活量（timedvitalcapacity)先深吸气，然后以最快的速度呼出气体，同时分别测量第1、2、3s末呼出的气量，计算其所占肺活量的百分数（正常人各为83%、96%和99%肺活量。)用力呼气量（forcedexpiratoryvolumeFEV)

尽力最大吸气后再尽力最大最快呼气，在一定时间内所能呼出的气量，通常以它所占用力肺活量的百分数来表示

尽力最大吸气后，尽力尽快呼气所能呼出的最大气量。用力肺活量（forcedvitalcapacityFVC)(三)、肺通气量和肺泡通气量1.肺通气量:每分钟吸入或呼出的气体总量肺通气量=12~18500=6~9L/min男:70-170L/min女:50-120L/min尽力作深快呼吸时，每分钟所能吸入或呼出的最大气量为最大随意通气量。男:70-170L/min女:50-120L/min是估计一个人能进行多大运动量的生理指标之一.（二）无效腔和肺泡通气量生理无效腔{解剖无效腔（150ml）肺泡无效腔进入肺泡内的气体，也可因血流在肺内分布不均而未能都与血液进行气体交换，未能发生气体交换的这一部分肺泡容量称为肺泡无效腔。肺泡通气量(alveolarventilation)每分钟进入肺泡，能与血液进行气体交换的新鲜气体量。肺泡内气体更新率350ml/2500ml=1/7深慢呼吸和浅快呼吸的效率比较呼吸频率（次/min）潮气量（ml）肺通气量（ml/min）肺泡通气量（ml/min）126245001000250600060006000420051002400第二节肺换气和组织换气一、肺换气和组织换气的原理(一)气体扩散(gasdiffusion)气体扩散的速率:单位时间内气体扩散的容积气体分子从分压(partialpressure)高处向分压低处发生净转移，称为气体扩散。机体内的气体交换就是以扩散方式进行的。1、气体的分压差△P2、气体的分子量（MW）和溶解度（S）3、扩散面积（A）和距离（d）4、温度（T）MWS/扩散系数(二)机体不同部位的气体分压在混合气体中，每种气体分子运动所产生的压力为各该气体的分压(partialpressure)，它不受其它气体存在的影响，只决定于它自身的浓度。两个区域之间的分压差（△P）是气体扩散的动力，分压差大，扩散快。D∝△P•T•A•Sd•√MW二、肺换气(pulmonarygasexchange)（一）过程•时间需0.3S（0.7S）（二）影响肺换气的因素1、呼吸膜(alveolocapillarymembrain)（1）厚度（2）面积2、通气/血流比值每分肺泡通气量和每分肺血流量之间的比值。为0.84。（VA/Q)如果VA/Q比值增大，这就意味着通气过剩，血流不足，部分肺泡气未能与血液气充分交换，致使肺泡无效腔(alveolardeadspace)增大。反之，VA/Q下降，则意味着通气不足，血流过剩，部分血液流经通气不良的肺泡，未能得到充分更新,血就流回了心脏。犹如发生了功能性的动-静脉短路(shortcircuit)。肺泡无效腔增大动静脉短路VA/Q的增大或减小，可导致血液缺O2和CO2渚留，但主要是缺O2。通气/血流比值是衡量肺换气功能的指标。(三)肺扩散容量(pulmonarydiffusioncapacity,DL)气体在1mmHg分压差作用下，每分钟通过呼吸膜扩散的气体的ml数为肺扩散容量(DL)。DL=VPA-PCDL是测定呼吸气通过呼吸膜的能力的一种指标。DLCO2=20DLO2O2(104mmHg)O2(40mmHg)CO2(46mmHg)O2(100mmHg)CO2(40mmHg)CO2(40mmHg)CO2

O2肺动脉肺静脉肺泡动脉静脉O2(30mmHg)CO2(50mmHg)O2(100mmHg)CO2(40mmHg)O2(40mmHg)CO2(40mmHg)组织细胞三、组织换气(gasexchangeinthetissure)影响组织换气的因素1、组织细胞与毛细血管的距离2、组织代谢水平3、毛细血管内血流速度第三节气体在血液中的运输Gasestransportintheblood

一、氧和二氧化碳在血液中存在的形式（一）物理溶解（二）化学结合O2溶解的O2化学结合的O2溶解的O2O2CO2溶解的CO2化学结合的CO2溶解的CO2CO2二、氧的运输（一）物理溶解占血液总氧含量的约1.5%（二）化学结合占血液总氧含量的约98.5%与血红蛋白进行可逆的化学结合1、Hb的分子结构{1个珠蛋白4个血红素

2

2每个血红素有4个吡咯环，其中心有一个Fe2+共有四个单体2、Hb与O2的结合特征（1）反应快，可逆，不需要酶的催化，受O2分压的影响。（2）Fe2+与O2的结合是氧合，不是氧化。（3）1分子的Hb可以结合4分子的O2。Hb氧容量Hb氧含量Hb氧饱和度血氧容量血氧含量血氧饱和度HbO2(oxyhemoglobin)呈鲜红色，去氧Hb(deoxyhemoglobin)呈紫蓝色。当体表表浅毛细血管床血液中去氧Hb含量达5g/100ml血液以上时，皮肤、粘膜呈浅蓝色，称紫绀(cyanosis)。（4）Hb与O2的结合和解离曲线呈S形去氧Hb紧密型T氧合Hb疏松型R3、氧离曲线（oxygendissociationcurve）是表示PO2与Hb氧结合量或Hb氧饱和度关系的曲线。该曲线既表示不同PO2下，O2与Hb的分离情况，也反映不同PO2时，O2与Hb的结合情况。上段：PO2100~60mmHg中段：PO260~40mmHg下段：PO240~15mmHg上段：PO2100~60mmHg：曲线平坦，氧饱和度受O2分压影响小。是Hb与O2的结合阶段。意义：当外环境或吸入气中的O2分压下降，造成血PO2降低时，仍能为机体摄取和携带足够的O2。中段：PO260~40mmHg曲线较陡，是HbO2释放O2的部分。意义：当动脉血流经组织时，可释放出适量的O2，满足机体安静状态下对O2的需求。下段：PO240~15mmHg曲线很陡，表明当O2分压稍有下降时，血氧饱和度将明显降低。也是Hb与O2的解离阶段。意义：当动脉血流经活动增强的组织时，可释放足够的O2，满足活动增强组织对O2需求。代表O2的贮备4、影响氧离曲线的因素氧离曲线在坐标系的位置用P50表示

用P50表示Hb对O2的亲和力。P50是使Hb氧饱和度达50%时的PO2，正常为26.5mmHg，P50升高表明Hb对O2亲和力下降，需要更高的PO2才能达到50%氧饱和度，曲线右移。反之亦然。（1）PCO2和pH的影响pH降低或PCO2升高，P50增大，曲线右移。波尔效应（Bohreffect)：酸度对Hb氧亲和力的影响。当酸度增大时，Hb对氧的亲和力下降。生理意义：既可促进肺毛细血管血液的氧合，又有利于组织毛细血管血液氧气的释放。（2）温度(temperature)的影响温度升高，氧离曲线右移，促使O2的释放；温度降低，曲线左移，不利于O2释放。（3）2、3-二磷酸甘油酸（2、3-DPG)2,3-DPG浓度升高，氧离曲线右移：2,3-DPG浓度升降低，曲线左移。（4）其它因素自身CO三、二氧化碳的运输carbondioxidetransport1、物理溶解physicaldissolution每100ml静脉血，物理溶解的CO2仅为2.91ml，约占总运输量的5%。（一）二氧化碳的运输形式2、化学结合chemicalcombination（红细胞）{碳酸氢盐氨基甲酸血红蛋白88%7%HbNH2O2+H++CO2HbNHCOOH+O2组织处肺泡处（二）CO2的解离曲线（carbondioxidedissociationcurve）表示血液中CO2含量与PCO2关系的曲线，几乎呈线形关系。（三）O2与Hb的结合对CO2运输的影响何尔登效应（Haldaneeffect)O2与Hb结合将促使CO2释放，这一效应称何尔登效应。

Hb+O2肺泡处HbO2组织处HbCO2组织处Hb+CO2肺泡处第四节呼吸运动的调节Regulationofrespiration一、对呼吸中枢的认识的历史与现状1824年Legallois发现破坏进入延髓部分的迷走神经时，呼吸停止。1842年Flourens提出第四脑室底闩部灰白质中，有呼吸中枢所在。1859年Budge发现吸气中枢与呼气中枢独立存在。1923年Lumsden通过分段横切脑干的方法提出三级呼吸中枢学说。1939年Pitts发现呼吸中枢并不是一个特定核团，而是网状结构的一部分。延髓是呼吸基本中枢,脑桥是呼吸调整中枢1923年Lumsden实验：

1923年Lumsden实验：横切部位呼吸运动形式切断迷走神经后呼吸运动形式脑桥与中脑之间基本正常变深变慢脑桥中部基本正常长吸式呼吸脑桥与延髓之间不规则呼吸喘式呼吸延髓与脊髓之间呼吸停止呼吸停止小结脑桥上部——呼吸调整中枢脑桥下部——长吸中枢（?）延髓——基本呼吸中枢脊髓——初级呼吸中枢1、脊髓2、低位脑干呼吸节律产生于低位脑干三级呼吸中枢假说{延髓是呼吸的基本中枢脑桥上部有呼吸调整中枢脑桥中下部有长吸中枢3、高位脑二、呼吸中枢与呼吸节律的形成（一）呼吸中枢脑桥以上部位特别是大脑皮层。大脑皮层对呼吸的调节系统是通过躯体运动神经，是随意的呼吸调节系统。下位脑干的呼吸调节系统则是通过植物神经，是不随意的自主呼吸节律调节系统。它们的下行通路是分开的。通过电刺激脑干、记录脑干神经细胞放电，同位素示踪、放射免疫等发现：延髓网状结构：吸气神经元（IN）－放电在吸气动作之前出现，终止与吸气动作之末。呼气神经元（EN）－放电始于吸气动作之后，延续到呼气的终末。吸－呼气神经元（IEN）－吸气相放电延续至呼气相，转相时放电频率最高。呼－吸气神经元（EIN）－呼气相放电延续至吸气相，转相时放电频率最高。这类神经元分布特点：相对集中但交错存在。2.延髓呼吸中枢根据呼吸神经元在延髓相对集中的部位，可分两组(1)背侧群（DRG）－位于孤束核腹外侧，多数为IN，E-N元仅占5～6％，轴突投射到膈肌和肋间外肌运动N元，引起吸气。

(2)延髓腹侧呼吸神经元组(VRG)：按功能又分如下区域：①后疑核尾段：主含E-N元，引起主动呼气；②面N后核头段：主含E-N元，抑制I-N元的活动；③疑核中段：主含I-N元，引起吸气；还含有直接支配咽喉部辅助呼吸肌的I-N元和E-N元；④疑核头段：是含有各类呼吸性中间N元的过度区，被认为是呼吸节律发源部位。