21.10C: Хеморецепторна регуляція дихання

Last updated
Save as PDF

Page ID: 70344

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Хеморецептори виявляють рівень вуглекислого газу в крові шляхом контролю концентрації іонів водню в крові.

Цілі навчання

Опишіть роль хеморецепторів в регуляції дихання

Ключові моменти

Збільшення концентрації вуглекислого газу призводить до зниження рН крові за рахунок вироблення іонів Н ⁺ з вугільної кислоти.
У відповідь на зниження рН крові дихальний центр (в головному мозку) посилає нервові імпульси до зовнішніх міжреберних м'язів і діафрагми, для збільшення частоти дихання і обсягу легенів при вдиху.
Гіпервентиляція викликає алакалоз, що викликає зворотну реакцію зниженої вентиляції (на збільшення вуглекислого газу), в той час як гіповентиляція викликає ацидоз, що викликає зворотну реакцію підвищеної вентиляції (для видалення вуглекислого газу).
Будь-яка ситуація з гіпоксією (занадто низький рівень кисню) викличе реакцію зворотного зв'язку, яка збільшує вентиляцію для збільшення споживання кисню.
Блювота викликає алкалоз, а діарея викликає ацидоз, що спричинить відповідну реакцію респіраторного зворотного зв'язку.

Ключові умови

гіпоксія: Загальносистемний дефіцит рівня кисню, який досягає тканин.
центральні хеморецептори: розташовані всередині мозку, вони чутливі до рН свого середовища.
периферичні хеморецептори: Аоритичні та сонні тіла, які діють головним чином для виявлення зміни концентрації кисню в артеріальній крові, також контролюють артеріальний вуглекислий газ та рН.

Хеморецепторна регуляція дихання - форма негативного зворотного зв'язку. Мета цієї системи - підтримувати рН кровотоку в межах нормальних нейтральних діапазонів, близько 7,35.

Хеморецептори

Хеморецептор, також відомий як хемосенсор, - це сенсорний рецептор, який перетворює хімічний сигнал у потенціал дії. Потенціал дії направляється по нервових шляхах до частин мозку, які є інтеграційними центрами для цього типу зворотного зв'язку. Існує багато видів хеморецепторів в організмі, але лише деякі з них беруть участь в диханні.

Дихальні хеморецептори працюють, відчуваючи рН свого середовища через концентрацію іонів водню. Оскільки більшість вуглекислого газу перетворюється на вугільну кислоту (і бікарбонат) у крові, хеморецептори здатні використовувати рН крові як спосіб вимірювання рівня вуглекислого газу в крові.

Основними хеморецепторами, які беруть участь в дихальному зворотному зв'язку є:

Центральні хеморецептори: Вони розташовані на вентролатеральної поверхні довгастого мозку і виявляють зміни рН спинномозкової рідини. Вони можуть десенсибілізуватися з часом від хронічної гіпоксії (дефіциту кисню) і підвищеного вуглекислого газу.
Периферичні хеморецептори: До них відносяться аортальне тіло, яке виявляє зміни кисню крові та вуглекислого газу, але не рН, і сонне тіло, яке виявляє всі три. Вони не десенсибілізуються і мають менший вплив на частоту дихання в порівнянні з центральними хеморецепторами.

Хеморецептори негативний зворотний зв'язок

Негативні відгуки відгуки мають три основні складові: датчик, інтегруючий датчик і ефектор. Для частоти дихання хеморецептори є датчиками рН крові, мозок і понс утворюють інтегруючий центр, а дихальні м'язи - ефектором.

Розглянемо випадок, при якому у людини відбувається гіпервентиляція від нападу тривоги. Їх підвищена швидкість вентиляції виведе з їх організму занадто багато вуглекислого газу. Без цього вуглекислого газу в крові буде менше вугільної кислоти, тому концентрація іонів водню зменшується, а рН крові підвищується, викликаючи алкалоз.

У відповідь хеморецептори виявляють цю зміну і посилають сигнал до мозку, який сигналізує дихальним м'язам про зниження швидкості вентиляції, щоб рівень вуглекислого газу та рН могли повернутися до нормального рівня.

Є ще кілька прикладів, в яких застосовується зворотний зв'язок хеморецепторів. Людина з сильною діареєю втрачає багато бікарбонату в кишковому тракті, що знижує рівень бікарбонату в плазмі. Оскільки рівень бікарбонату зменшується, а концентрація іонів водню залишається незмінною, рН крові зменшиться (оскільки бікарбонат є буфером) і стане більш кислим.

У випадках ацидозу зворотний зв'язок збільшить вентиляцію для видалення більшої кількості вуглекислого газу для зменшення концентрації іонів водню. І навпаки, блювота виводить іони водню з організму (оскільки вміст шлунка кислий), що спричинить зниження вентиляції для корекції алкалозу.

Зворотній зв'язок хеморецепторів також регулює рівень кисню, щоб запобігти гіпоксії, хоча лише периферичні хеморецептори відчувають рівень кисню. У випадках, коли споживання кисню занадто низьке, зворотний зв'язок збільшує вентиляцію для збільшення надходження кисню.

Більш детальним прикладом може бути те, що якщо людина дихає через довгу трубку (наприклад, маску для підводного плавання) і має збільшену кількість мертвого простору, зворотний зв'язок збільшить вентиляцію.

Це діаграма того, як мозок переводить сигнали від хеморецепторів, які є датчиками рН крові, до мозку та понсів, які інтегрують інформацію для активації дихальних м'язів.

Дихальний зворотний зв'язок: Хеморецептори є датчиками рН крові, мозок і понс утворюють інтегруючий центр, а дихальні м'язи є ефектором.