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生理学ノート04「呼吸」

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呼吸の種類は外呼吸(肺呼吸)と内呼吸(組織呼吸)とがある
1.呼吸器系の構造と機能
■1)気道
鼻腔→咽頭→喉頭→気管→気管支
(1)気道の機能
①鼻腔
鼻粘膜には静脈叢、粘液腺が多く、吸気を暖め湿り気を与える
鼻毛は細埃の侵入を防ぐ
②咽頭
呼吸器系と消化器系をかねる
③喉頭
発生に関与
④気管および気管支
気管には繊毛上皮や分泌腺があり、異物を分泌物とからめ、咽頭に向かって排出
細気管支部には軟骨が少なくなり平滑筋や弾性線維に富むが、この平滑筋は、交感神経活動亢進で弛緩し、副交感神経活動亢進で収縮する

■2)肺
気管支はさらに分岐
細気管支→終末細気管支→呼吸細気管支→肺胞管→肺胞嚢
(1)肺胞
・直径:0.1~0.2ミリメートル
・総数:約3億個
・総評面積:約70平方メートル
内壁は一層の肺胞上皮細胞に覆われている
肺胞には多数の毛細血管が取り囲んでいる
肺胞は弾性線維に富むが平滑筋はない

■3)胸郭
胸壁と横隔膜よりなる
胸壁の前部には胸骨、後部には脊柱があり、これらを肋骨が結合し肋骨間を肋間筋が覆う
胸郭の内腔を胸腔という

2.呼吸運動
呼気と外界の空気とを肺において交換することを換気という
換気は呼吸運動によって行われる
呼吸運動は吸息と呼息よりなる
■1)吸息
①主吸息筋
・横隔膜:収縮すると沈下
・外肋間筋:収縮すると肋骨が挙上
☆肋間神経に支配されている
②補助吸息筋
肋骨を居城させて胸食うの拡張を助ける
・斜角筋
・胸鎖乳突筋
・肋骨挙筋など

③吸息のながれ
横隔膜、外肋間筋が収縮

胸郭の拡大

胸腔内圧がより陰圧へ
★ 呼息時:-3~-6mmHg
吸息時:-5~-9mmHg
外界の空気が受動的に流入

■2)呼息
①主呼息筋
内肋間筋
②補助呼息筋
腹壁筋(腹直筋、外腹斜筋、内腹斜筋、腹横筋 など)
③呼息の流れ
吸息筋の弛緩にともない、胸郭自体の重みと肺の弾性により肺内の空気が呼出される

■3)腹式呼吸と胸式呼吸
主に横隔膜の運動によって行われる呼吸を横隔膜呼吸(=腹式呼吸)
主に肋間筋の運動によって行われる呼吸を胸式呼吸という
安静時には主として腹式呼吸が行われる

■4)胸腔内圧(胸膜腔内圧)
肺の組織は豊富な弾性線維からなり、胸腔内の圧は陰圧に保たれているため、肺は収縮しようとする性質に逆らって、常時引き伸ばされた状態にある
(参考)気胸
肺が破れたり胸壁に穴があいて空気が胸膜腔内に流入すると、肺が弾性によって収縮すること

3.肺機能
スパイロメーターで測定
■1)肺気量
(1)一回換気量(TV)
安静呼吸時に一回の吸息、あるいは呼息で出入りする空気の量
成人:約500ml
(2)予備吸気量(IRV)
安静吸息の上に、さらに吸い込める最大の吸気量
成人:約2~3リットル
(3)予備呼気量(ERV)
安静呼息後にさらに吐き出せる呼気量
成人:約1リットル
(4)残気量(RV)
最大に吐き出した後に、肺内に残っている気体容量
成人:1~1.5リットル
(5)機能的残気量(FRC)
予備呼気量 + 残気量
](6)肺活量(VC)
一回の呼吸で可能な最大の換気量で、最大吸気位から最大呼気位までゆっくりと呼出させてはかる
肺活量 = 1回換気量 + 予備吸気量 + 予備呼気量
成人男子:3~5リットル
成人女子:2~3リットル
(7)全肺気量(TLC)
全肺気量 = 肺活量 + 残気量

(参考)
①%肺活量
体格、年齢、性別を加味した肺活量の予測値に対する実測値の割合
正常値は80%以上
②努力肺活量(強制肺活量 FVC)
最大吸気位から最大速度で吐き出した最大の呼気量
③1秒率
努力肺活量のうち、はじめの1秒間で吐き出される量を1秒量といい、努力肺活量に対する1秒量の割合を1秒率という
正常値は70%以上
④換気障害
・閉塞性肺疾患では%肺活量は正常、1秒率は低下
・拘束性肺疾患では1秒率は正常、%肺活量は低下
・混合性障害では両方低下
☆閉塞性疾患:気管歯疾患などで気導が狭くなってしまっている
拘束性肺疾患:肺そのものの病

■2)呼吸数
安静時の成人の呼吸数は毎分12~20回
分時換気量= 呼吸数(16回) × 一回換気量(500ml)= 8リットル

■3)肺胞換気量
ガス交換に関与しない容積を生理的死腔といい、成人で約150mlである
気道の容積を解剖学的死腔という
健康な肺では両者は等しい
肺疾患がある場合、生理学的死腔は大きくなる

肺胞換気量 = 1回換気量 - 死腔量
500 - 150
分時肺胞換気量=(1回換気量-死腔量) × 1分間の呼吸数
呼吸は深く遅くするほうが効率的

4.ガス交換とガスの運搬
■1)吸気、呼気の組成
・吸気
O2:約21%、CO2:約0.03%、☆N2:約78%
・呼気
O2:約16%、CO2:約4%

■2)肺におけるガス交換
①肺胞
O2:13~14%、CO2:5~6%
O2分圧:約100mmHg
CO2分圧:約40mmHg
②静脈血
O2分圧:約40mmHg
CO2分圧:約46mmHg
③ガス交換
肺胞気と肺の毛細血管の静脈血との間のガス分圧の差によって行われる
O2は 100-40=60の分圧差により肺胞気から静脈血へ拡散
CO2は 46-40=6の分圧差により静脈血から肺胞気へ拡散
その結果、O2分圧:95mmhg、CO2分圧:40mmHgの動脈血になる

■3)血液のガス運搬
(1)O2の運搬
ヘモグロビンとO2の結合は、O2分圧に左右されるが、その関係を描いたのが酸素解離曲線である
O2分圧が高いほど、酸素化ヘモグロビンの割合が増える
動脈血の場合、約97%が酸素化ヘモグロビンである
酸素解離曲線はCO2濃度が上昇すると、右方向に移動する
このことを、ボーア効果という
ボーア効果はその他にpHの低下、温度の上昇などでも洞様の現象が起こる
動脈血は約20ml/デシリットル
静脈血:約15ml/デシリットル
のO2を含むことから約5ml/デシリットルのO2が供給されたことになる

************************
6月30日

(2)CO2の運搬
・動脈血:40~50ミリリットル/デシリットル
静脈血:45~55ミリリットル/デシリットル
大部分(80%)は重炭酸イオンHCO3-として存在
CO2+H2O←→H2CO3 ←→ H + HCO3-
赤血球内にある炭酸脱水酵素の働きによって、この反応が速やかに行われる
・ヘモグロビンと結合して存在するのは約10%
CO2がヘモグロビン内のタンパク質と結びついたものをカルバミノ化合物
・その他溶解しているもの、10%

■4)組織におけるガス交換
組織においてもガス分圧の差によって拡散する
①組織
O2分圧 : 0~40mmHg
CO2分圧:40~70mmHg
②動脈血
O2分圧 :95mmHg
CO2分圧:40mmHg
分圧差
O2分圧差 :55~95mmHg
CO2分圧差:0~30mmHg

③静脈血
O2分圧 :40mmHg
CO2分圧:46mmHg

5.呼吸運動の調節
■1)呼吸中枢
延髄の網様体部には吸息中枢と呼息中枢があり、両者を合わせて呼吸中枢という
この部位で呼吸リズムが形成される
呼吸リズムは肋間神経やや横隔神経を介して呼吸器に伝えられる
また、橋には呼吸中枢の働きを調節する、呼吸調節中枢があると考えられている

(参考)
延髄の化学受容器=中枢性化学感受領野
延髄の呼吸中枢の近くにある、二酸化炭素の増加に反応する領域

■2)反射性調節
(1)ヘーリング・ブロイエル反射(=肺迷走神経反射)
肺の伸展受容器の興奮

迷走神経(求心路)

延髄の呼吸中枢(吸息中枢・呼息中枢)
吸息中枢:抑制
呼息中枢:亢進

呼吸筋にいく運動神経

吸息筋の運動が抑制、呼息筋の運動が促進

(2)その他の反射性調節
①くしゃみ反射
鼻粘膜への刺激

三叉神経を求心路としておこる

②咳反射
咽頭や気道粘膜への刺激

舌咽神経および迷走神経を求心路としておこる

<参考>
呼吸調節に直接かかわりを持たないが、換気に影響を与える因子を特殊呼吸駆動力という
・皮膚への熱刺激、冷刺激、筋への機械的刺激など
・体温上昇は呼吸を促進し、体温低下は呼吸を減弱する
・運動時や精神的興奮時にはアドレナリン分泌亢進により、呼吸促進

■3)大脳による呼吸の調節
呼吸運動は意志により大脳からの指令で調節される

<参考>
異常呼吸に関しては試験汎胃外

<参考>特殊環境への呼吸への影響
①高圧環境
・潜函病
海中では10メートルごとに約1気圧の水圧が加わるが、海中に深くもぐると多量の空気が血中に溶ける
この後、急に水面に上がると、血中に解けていた空気(特に窒素)が気泡となって毛細血管につまり、その部分の組織に障害を起こすこと

①低圧環境
・高山病
比較的短時間のうち高山に登った時に起こる症状
気圧の低下や酸素の欠乏などが原因となる
息切れ、めまい、動悸、頭痛など
高地に長く居住していると、肺胞換気量、心拍出量、赤血球数が増加する
③運動時の呼吸
運動開始と同時に呼吸運動は速やかに増大し、その後ゆるやかに増大
☆たとえば中程度の運動、無酸素域値までは比較的緩やかに上昇し、その後は比較的急になる
④一酸化炭素中毒
一酸化炭素はヘモグロビンに対してO2より約200倍の親和性を持ち、組織低酸素状態になる





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