(устаревшие син.: дыхательное отношение, респираторный коэффициент ) - отношение объема выделенного из организма (органа, ткани) углекислого газа (VCO 2) к объему поглощенного за это же время кислорода (VO 2). Определение Д. к. проводят при изучении особенностей газообмена (см.) и обмена веществ и энергии (см.) у животных и растительных организмов.

Определение Д. к. имеет важное значение также при исследовании внешнего дыхания. Во многие формулы для расчетного определения состава альвеолярного воздуха входит величина Д. к. Так как между величиной Д. к. и отношением количества вентилирующего альвеолы воздуха к количеству протекающей через их капилляры крови существует определенная зависимость, то по Д.к. можно судить о вентиляционно-перфузионных отношениях. Установлено, что величины Д. к. для воздуха, выдыхаемого из верхних и нижних долей легких, существенно различны из-за неравенства их вентиляционно-перфузионных отношений.

Сравнение Д. к. левого и правого легкого при раздельной бронхоспирометрии помогает судить об особенностях вентиляции и обмене газов в каждом из них. Определение Д. к. в разных частях выдыхаемого воздуха используется для углубленного исследования некоторых сторон внешнего дыхания.

У человека и животных Д. к. обычно колеблется в пределах от 0,7 до 1. При окислении углеводов на 1 моль потребляемого кислорода в организме образуется 1 моль углекислого газа, т. к. весь потребляемый из вдыхаемого воздуха кислород в конечном счете идет только на окисление углерода углеводов, а окисление находящегося в составе углеводов водорода до воды обеспечивается заключенным в молекуле углевода кислородом. Грамм-молекулы различных газов (в данном случае кислорода и углекислого газа) занимают при одинаковых давлении и температуре равные объемы, поэтому при окислении углеводов Д. к. равняется 1. При окислении жиров, в молекуле которых содержится много атомов водорода и мало атомов кислорода, потребление кислорода количественно связано также с образованием воды из содержащегося в жирах водорода. В результате объем образующегося в организме (и выделяющегося) углекислого газа при диссимиляции жиров меньше объема потребляемого кислорода. При окислении жиров Д. к. равен 0,70- 0,72. Окислению белков, в результате к-рого образуются, кроме воды и углекислого газа, азотсодержащие соединения, выделяющиеся гл. обр. с мочой, соответствует величина Д. к., равная 0,80-0,82.

Количество окисляющегося в организме белка определяется по выводимым с мочой азотистым продуктам его распада. Учитывая эту величину (в приближенных расчетах ею можно пренебречь), по Д. к. определяют долю участия в диссимиляции жиров и углеводов. Количество энергии (в килокалориях), освобождающейся в организме при потреблении 1 л кислорода (так наз. калорический эквивалент кислорода), при окислении углеводов равно 5,05, жиров - 4,69, белков - 4,49.

Д. к. закономерно изменяется в зависимости от величины калорического эквивалента кислорода (табл.).

Таблица. Изменение величины дыхательного коэффициента в зависимости от величины калорического эквивалента кислорода

Если в рацион входят углеводы, жиры и белки, Д. к. колеблется в пределах 0,8-0,9. При преимущественном углеводном питании Д. к. составляет 0,9-1; при избыточном потреблении углеводов и их частичном переходе в организме в жиры (напр., при откорме свиней, гусей) Д. к. может достигать 1,2-1,4. Это связано с тем, что при переходе богатых кислородом углеводов в бедные кислородом жиры часть выделяемого организмом углекислого газа образуется при участии освобождающегося при этом процессе кислорода, а не только поглощаемого в легких из вдыхаемого воздуха. Аналогичное повышение Д. к., но менее выраженное, наблюдается у людей, восстанавливающих свой нормальный вес после частичного или полного голодания. Обратное явление - снижение Д. к.- наблюдается при голодании и при спячке. При мышечной работе умеренной мощности, во время так наз. устойчивого состояния, когда потребление кислорода соответствует потребности в нем организма, Д. к. в связи с усиленной диссимиляцией преимущественно углеводов обычно повышается, составляя 0.9-1. Однако при очень длительной работе, связанной с уменьшением запасов углеводов в организме, Д. к. начинает понижаться, что свидетельствует о постепенно увеличивающемся использовании жиров.

Помимо характера окисляющихся веществ, на количество выделенного углекислого газа оказывает влияние ряд физ. и хим. факторов, не имеющих отношения к процессам окисления. К первым относятся часто встречающиеся в клинике нарушения вентиляции (см. Дыхание). Так, гипер-вентиляция, уменьшая парциальное давление углекислоты в альвеолярном воздухе, способствует значительному вымыванию ее из крови и увеличивает Д. к. Гиповентиляция, увеличивая напряжение углекислоты альвеолярного воздуха, соответственно снижает Д. к. К хим. факторам относится накопление в крови не полностью окисленных продуктов обмена (ацетоновые тела, молочная к-та и т. п.), изменяющих кислотно-щелочное равновесие в сторону ацидоза (см.) и создающих условия для вытеснения углекислоты из крови (см. Кислотно-щелочное равновесие). Кроме того, интенсивный переход жиров и белков в углеводы (при диабете) или углеводов в жиры (при ожирении) также влияет на выделение углекислоты, и, следовательно, на величину Д. к.

Определение Д. к. проводится также при исследованиях газообмена отдельных органов и тканей. О Д. к. органов в условиях целостного организма можно судить по содержанию кислорода и углекислоты в артериальной крови и в оттекающей от данных органов венозной крови. Д. к. при этом равняется отношению разности между содержанием напряжения углекислого газа в венозной и артериальной крови к разности между содержанием кислорода в артериальной и венозной крови:

Полученные т. о. результаты указывают на некоторые особенности и более широкие границы колебаний Д. к. разных органов по сравнению с организмом в целом (Д. к. изолированных тканей - см. Окисление биологическое).

Клиническое изучение дыхательного коэффициента. В клин, практике уровень Д. к. не всегда характеризует течение окислительных процессов в организме и характер окисляющихся веществ, т. к. при исследовании газообмена определяется не потребление кислорода, а его поглощение. Поглощение кислорода определяется тем его количеством, к-рое проникает из альвеолярного воздуха в кровь легочных капилляров, а потребление - его участием в биохим, реакциях окисления. В обычных условиях различия между этими терминами не делают, т. к. поглощение и потребление кислорода практически одинаковы.

Несоответствие между поглощением и потреблением возникает при переходе от дыхания атмосферным воздухом к дыханию чистым кислородом, когда в плазме крови и в тканях растворяется добавочное его количество без эквивалентного увеличения потребления в тканевом дыхании, а также при резком изменении кислородной емкости крови или изменении условий насыщения крови кислородом в легких.

Сама методика исследования газообмена может существенно изменять вентиляцию как в сторону ее повышения, так и снижения. Поэтому величину Д. к., определяемую при кратковременных клин. опытах, нельзя считать достоверной. Существующая аппаратура позволяет определять газообмен только по поглощению кислорода, а при расчете основного обмена (см.) Д. к. условно берется по средней его величине (0,82-0,85). Результаты получаются аналогичные тем, которые дают расчеты величины Д. к. по выделению углекислого газа.

Т. о., только при определенных условиях, влияние которых не всегда может быть учтено, цифра Д. к. действительно отражает характер веществ, подвергающихся окислению. Поэтому данные о Д. к. при различных заболеваниях разноречивы. Так, при нарушениях углеводного или жирового обмена Д. к. может колебаться от 0,5 до 1; различные величины Д. к. наблюдаются при тиреотоксикозе и беременности.

Изменения Д. к. при сердечной недостаточности, по-видимому, связаны с изменениями вентиляции.

При определении основного обмена Д. к. почти в 100% случаев не выходит за пределы 0,74 - 0,9. Практически следует считать, что цифры Д. к., оказывающиеся выше или ниже этих, являются результатом методических погрешностей и не отражают истинного характера окислительных процессов в организме.

Библиография Дeмбо А. Г. Недостаточность функций внешнего дыхания, Л., 1957, библиогр.; Навратил М., Кадлец К. и Даум С. Патофизиология дыхания, пер. с чешек., М., 1967, библиогр.; Сыркина П. Е. Газовый анализ в медицинской практике, М., 1956, библиогр.; Физиология дыхания, под ред. Л. Л. Шика и др., М., 1973, библиогр.; A n t h о n у А. J. Funktionspriifung der Atmung, Lpz., 1962, Bibliogr.

Л. Л. Шик; А. Г. Дембо (клин, значение).

Дыхательный коэффициент рассчитывается как отношение объема выдыхаемой СО 2 к объему потребляемого кислорода. В состоянии покоя и при работе умеренной интенсивности ДК служит показателем окисляемых в организме энергетических субстратов. Так, при использовании в качестве источника энергии исключительно углеводов значение ДК равно 1,0, при окислении одних жиров – 0,75. обычно в организме происходит одновременное окисление углеводов и жиров и значение ДК находится в диапазоне 0,83 – 0,85.

18.3.3. Неметаболический «излишек» СО 2

При интенсивной мышечной работе значение ДК зависит не только от окисляемых субстратов, но и от других причин. Кроме СО 2 , образующейся в окислительных превращениях (метаболическая СО 2), из организма выделяется углекислота, вытесняемая образующимися при работе кислыми продуктами (главным образом молочной кислотой) из бикарбонатной буферной системы:

NаНСО 3 + СН 3 СНОНСООН → СН 3 СНОНСООNа + Н 2 СО 3

Н 2 СО 3 → Н 2 О + СО 2

Эта углекислота, образующаяся не в ходе окислительных превращений энергетических субстратов, получила название неметаболического «излишка» СО 2 (Exess СО 2). При напряженной мышечной работе, когда в ее энергетическом обеспечении принимает участие гликолиз и образуется значительное количество молочной кислоты, основным энергетическим субстратом являются углеводы. Как уже указывалось, ДК при окислении углеводов равен 1,0. Поэтому в данных условиях к неметаболической можно отнести всю ту углекислоту, которая вызывает превышение значения ДК сверх 1,0.

Исходя из этого, для расчета неметаболического «излишка» СО 2 может быть использована следующая формула:

Exess СО 2 = VО 2 × (ДК – 1),

Где VО 2 – уровень потребления О 2 (л/мин) в исследуемый период,

ДК – значение дыхательного коэффициента.

Уровень неметаболического «излишка» СО 2 можно рассматривать как показатель скорости образования молочной кислоты, т.е. как показатель интенсивности протекания гликолиза в организме, суммарный Exess СО 2 отражает метаболическую ёмкость гликолиза.

Кислородный долг.

Под кислородным долгом понимается кислород, потребляемый в период отдыха после работы сверх уровня покоя. Для определения величины кислородного долга в течение восстановительного периода непрерывно или дискретно проводится определение уровня потребления кислорода до тех пор, пока оно не вернется к дорабочему уровню. Из полученного суммарного потребления кислорода за указанный период времени вычитается количество О 2 , которое потребил бы за тот же самый период времени организм, находящийся в состоянии покоя. Использование математических методов анализа позволяет выделить в О 2 -долге, как минимум, две фракции – «быструю» и «медленную».

Кислород, потребляемый в быстрой фракции кислородного долга, используется в окислительных превращениях, образующих АТФ, идущую на ресинтез креатинфосфата из креатина (см. главу 10). Таким образом, величина этой фракции кислородного долга отражает участие креатинфосфатного механизма в энергообеспечении мышечной работы.

Медленная фракция кислородного долга отражает количество накопленной молочной кислоты, и, следовательно, степень участия гликолиза в энергетическом обеспечении работы.

Конечно, потребляемый в период «оплаты» О 2 долга кислород расходуется не только на обеспечение ресинтеза креатинфосфата и устранение молочной кислоты. Часть его тратится на восстановление кислородного баланса организма, часть – на обеспечение энергией интенсивно работающих сердечно-сосудистой и дыхательной систем, восстановление минерального баланса, гормонального статуса и другие процессы. Это, однако, не снижает значимости этого показателя в оценке степени участия анаэробных процессов в энергетическом обеспечении напряженной мышечной работы, глубины анаэробных сдвигов.

(ДК) это отношение объема выделенного в процессе дыхания углекислого газа к объему поглощенного кислорода.

Величина дыхательного коэффициента растений

Тепловой эффект при дыхании растений

Читатель, наверное, заметил, что в норме каждые 100 мл крови переносят от легких в ткани около 5 мл кислорода, в то же время из тканей в легкие переносится только около 4 мл двуокиси углерода. Таким образом, в нормальных условиях в покое объем выведенного через легкие двуокиси углерода составляет только 82% объема поглощенного в легких кислорода. Соотношение количества выведенной двуокиси углерода к количеству поглощенного кислорода называют дыхательным коэффициентом (ДК).
Дыхательный коэффициент = Объем выведенной двуокиси углерода / Объем поглощенного кислорода.

При изменении условий обмена величина дыхательного коэффициента изменяется. При использовании в пище только углеводов величина ДК достигает 1, и наоборот, при использовании в пище только жиров величина ДК снижается до 0,7. Причина этих изменений заключается в том, что при использовании одной молекулы кислорода в метаболизме углеводов образуется одна молекула двуокиси углерода; при реакции кислорода с жирами большое количество кислорода соединяется с атомами водорода жира, и вместо двуокиси углерода образуется вода. Другими словами, при обмене жиров дыхательный коэффициент химических реакций в тканях составляет около 0,7 вместо 1. Считается, что для человека, питающегося пищей, содержащей средние количества углеводов, жиров и белков, средняя величина ДК составляет 0,825.

Дыхательный центр

Нервная система обычно устанавливает такую скорость альвеолярной вентиляции, которая почти точно соответствует потребностям тела, поэтому напряжение кислорода (Ро2) и двуокиси углерода (Рсо2) в артериальной крови мало изменяется даже при тяжелой физической нагрузке и при большинстве других случаев респираторного стресса. В этой главе изложена функция этой нейрогенной системы регуляции дыхания.

Дыхательный центр состоит из нескольких групп нейронов, расположенных в стволе мозга по обе стороны продолговатого мозга и моста. Их делят на три большие группы нейронов: (1) дорсальная группа дыхательных нейронов, расположенная в дорсальной части продолговатого мозга, которая в основном вызывает вдох; (2) вентральная группа дыхательных нейронов, которая расположена в вентролатеральной части продолговатого мозга и в основном вызывает выдох; (3) пневмотаксический центр, который расположен дорсально в верхней части моста и контролирует в основном скорость и глубину дыхания. Наиболее важную роль в контроле дыхания выполняет дорсальная группа нейронов, поэтому первой будем рассматривать ее функции.

Дорсальная группа дыхательных нейронов простирается на большую часть длины продолговатого мозга. Большинство этих нейронов расположено в ядре одиночного тракта, хотя расположенные в близлежащей ретикулярной формации продолговатого мозга дополнительные нейроны также имеют важное значение для регуляции дыхания. Ядро одиночгого тракта является сенсорным ядром для блуждающего и языкоглоточного нервов, которые передают в дыхательный центр сенсорные сигналы от: (1) периферических хеморецепторов; (2) барорецепторов; (3) разного типа рецепторов легких.

Ритмические инспираторные разряды от дорсальной группы нейронов. Базовый ритм дыхания генерируется в основном дорсальной группой дыхательных нейронов. Даже после перерезки всех входящих в продолговатый мозг периферических нервов и ствола мозга ниже и выше продолговатого мозга эта группа нейронов продолжает генерировать повторяющиеся залпы потенциалов действия инспираторных нейронов. Основная причина возникновения этих залпов неизвестна. У примитивных животных были найдены нервные сети, в которых активность одной группы нейронов активирует вторую группу, а активность второй группы тормозит первую.

Через некоторое время схема активации повторяется , и так продолжается в течение всей жизни животного, поэтому большинство физиологов, занимающихся физиологией дыхания, полагают, что у человека тоже имеется подобная сеть нейронов, расположенная в пределах продолговатого мозга; возможно, что в нее входит не только дорсальная группа нейронов, но и прилегающие части продолговатого мозга, и что эта сеть нейронов отвечает за основной ритм дыхания.

Нарастающий сигнал вдоха . Сигнал от нейронов, который передается инспираторным мышцам, в основном диафрагме, не является мгновенным всплеском потенциалов действия. При нормальном дыхании он постепенно увеличивается в течение примерно 2 сек. После этого он резко снижается примерно на 3 сек, что прекращает возбуждение диафрагмы и позволяет эластической тяге легких и грудной стенки выполнить выдох. Потом инспираторный сигнал начинается опять, и цикл повторяется снова, и в перерыве между ними происходит выдох. Таким образом, инспираторный сигнал является нарастающим сигналом. По-видимому, такое нарастание сигнала обеспечивает постепенное увеличение объема легких во время вдоха вместо резкой инспирации.
Контролируются два момента нарастающего сигнала.

1. Скорость прироста нарастающего сигнала, поэтому во время затрудненного дыхания сигнал растет быстро и вызывает быстрое наполнение легких.
2. Лимитирующая точка, при достижении которой сигнал внезапно пропадает. Это обычный способ контроля над скоростью дыхания; чем раньше прекращается нарастающий сигнал, тем меньше длительность вдоха. При этом сокращается и длительность выдоха, в результате дыхание учащается.

К методам определения расхода энергии относят: прямая и непрямая калориметрия.

Прямая калориметрия

Прямая калориметрия основана на непосредственном учете в биокалориметрах количества тепла, выделенного организмом. Биокалориметр представляет собой герметизированную и хорошо теплоизолированную от внешней среды камеру. В камере по трубкам циркулирует вода. Тепло, выделяемое находящимся в камере человеком или животным, нагревает циркулирующую воду. По количеству протекающей воды и изменению ее температуры рассчитывают количество выделенного организмом тепла.

Одновременно в биокалориметр подается О2 и поглощается избыток СО2 и водяных паров. Продуцируемое организмом человека тепло измеряют с помощью термометров (1,2) по нагреванию воды, протекающей по трубкам в камере. Количество протекающей воды измеряют в баке (3). Через окно (4) подают пищу и удаляют экскременты. С помощью насоса (5) воздух извлекают из камеры и прогоняют через баки с серной кислотой (6 и 8) - для поглощения воды и с натронной известью (7) - для поглощения СО2. О2 подают в камеру из баллона (10) через газовые часы (11). Давление воздуха в камере поддерживают на постоянном уровне с помощью сосуда с резиновой мембраной (9).

Непрямая калориметрия

Методы прямой калориметрии очень громоздки и сложны. Учитывая, что в основе теплообразования в организме лежат окислительные процессы, при которых потребляется О2 и образуется СО2, можно использовать косвенное, непрямое, определение теплообразования в организме по его газообмену - учету количества потребленного О2 и выделенного СО2 с последующим расчетом теплопродукции организма.

Для длительных исследований газообмена используют специальные респираторные камеры (закрытые способы непрямой калориметрии) (рис. 10.2). Кратковременное определение газообмена в условиях лечебных учреждений и производства проводят более простыми не камерными методами (открытые способы калориметрии) .

Наиболее распространен способ Дугласа - Холдейна, при котором в течение 10-15 мин собирают выдыхаемый воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани (мешок Дугласа), укрепляемый на спине обследуемого (рис. 10.3.). Он дышит через загубник, взятый в рот, или резиновую маску, надетую на лицо. В загубнике и маске имеются клапаны, устроенные так, что обследуемый свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает воздух в мешок Дугласа. Когда мешок наполнен, измеряют объем выдохнутого воздуха, в котором определяют количество О2 и СО2.

Количество тепла, освобождающегося после потребления организмом 1 л О2, носит название калорического эквивалента кислорода. Зная общее количество О2, использованное организмом, можно вычислить энергетические затраты только в том случае, если известно, какие вещества - белки, жиры или углеводы, окислились в теле. Показателем этого может служить дыхательный коэффициент.

Дыхательным коэффициентом (ДК) называется отношение объема выделенного СО2 к объему поглощенного О2. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов