Vai trò của CO2 và Ion H+ điều hòa hô hấp: điều hòa hóa học trung tâm hô hấp

Mục đích cuối cùng của hô hấp là để duy trì nồng độ thích hợp O2 và CO2 và ion H+ trong các mô. Do đó, hoạt động hô hấp phụ thuộc rất nhiều vào sự thay đổi nồng độ các chất này.

Nồng độ CO2 hay ion H+ quá cao trong máu tác động trực tiếp vào trung tâm hô hấp, làm tăng đáng kể lực mạnh của các tín hiệu vận động hít vào và thở ra tới các cơ hô hấp.

Oxygen, ngược lại, không có ảnh hưởng trực tiếp tới trung tâm hô hấp của não trong việc điều hòa hô hấp. Thay vào đó, nó tác động gần như hoàn toàn lên các hóa thụ thể ở ngoại vi nằm trong động mạch cảnh và thân động mạch chủ, và các hóa thụ thể lần lượt truyền tín hiệu thần kinh thích hợp về trung tâm hô hấp để điều hòa hô hấp.

Khu vực nhận cảm hóa học của trung tâm hô hấp nằm ở phần dưới mặt bụng của hành não

Ba khu vực của trung tâm hô hấp là: nhóm neuron hô hấp lưng, nhóm neuron hô hấp bụng và trung tâm điều hòa thở. Người ta tin rằng không khu vực nào trong 3 khu vực trên bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự thay đổi nồng độ CO2 hay hydrogen ion trong máu. Thay vào đó, một khu vực tế bào thần kính khác - khu vực nhận cảm hóa học, nằm song song hai bên, dài khoảng 0.2 mm phần phía dưới mặt bụng của hành não. Khu vực này rất nhạy cảm với những thay đổi PCO2 hay nồng độ ion H+ trong máu, sau đó nó lần lượt kích thích các phần khác của trung tâm hô hấp.

Hình. Kích thích vùng cảm hứng thân não bằng các tín hiệu từ vùng hóa cảm nằm ở hai bên trong tủy, chỉ nằm dưới bề mặt tủy thất một phần milimet. Lưu ý rằng các ion hydro kích thích vùng hóa trị, nhưng carbon dioxide trong chất lỏng làm phát sinh hầu hết các ion hydro.

Kích thích các neuron cảm ứng hóa học bằng ion H+ có thể là kích thích cơ bản

Các tế bào thần kinh trong khu vực cảm ứng hóa học đặc biệt bị kích thích bởi ion H+; trên thực tế, người ta tin rằng các ion H+ có thể là thành chất duy nhất có vai trò quan trọng tác động trực tiếp tới các tế bào thần kinh này. Tuy nhiên, các ion H+ không dễ dàng đi qua được hàng rào máu não. Vì lý do này, những sự thay đổi nồng độ ion H+ trong máu có tác dụng kém hơn trong việc kích thích các tế bào thần kinh cảm ứng hóa học hơn là sự thay đổi nồng độ CO2 máu, mặc dù CO2 được cho rằng kích thích các tế bào thần kinh gián tiếp thông qua sự thay đổi nồng độ ion H+, như đã được giải thích trong đoạn tiếp theo.

CO2 kích thích vào khu vực nhận cảm hóa học

Mặc dù CO2 ít có tác động trực tiếp trong việc kích thích các neuron ở khu vực nhận cảm hóa học, song nó có tác động gián tiếp mạnh. Nó tác động bằng cách phản ứng với nước trong các mô để tạo thành acid carbonic, acid này sẽ phân ly thành ion H+ và ion HCO3 -; các ion H+ sau đó sẽ có một kích thích trực tiếp mạnh tới hô hấp.

Vậy tại sao CO2 trong máu có tác động mạnh hơn trong việc kích thích các neuron nhận cảm hóa học hơn là nồng độ H+ trong máu? Câu trả lời là hàng rào máu não không cho các ion H+ đi qua, nhưng CO2 có thể đi qua hàng rào này. Do đó, bất cứ khi nào PCO2 máu tăng, thì cũng tăng PCO2 ở dịch kẽ ở hành não và dịch não tủy. Ở cả hai dịch trên, khí CO2 lập tức phản ứng với nước hình thành các ion H+ mới. Sau đó, các ion H+ được giải phóng sẽ tác động vào khu vực nhận cảm hóa học hô hấp ở hành não khi nồng độ CO2 máu tăng nhiều hơn là khi nồng độ H+ máu tăng. Vì lý do này, hoạt động trung tâm hô hấp tăng mạnh hơn bởi sự thay đổi nồng độ CO2 máu.

Sự giảm tác động kích thích của CO2 sau ngày thứ nhất đến ngày thứ 2.

Sự kích thích tới trung tâm hô hấp bởi CO2 rất mạnh mẽ trong một vài giờ đầu tiên sau khi nồng độ CO2 máu tăng khởi phát, nhưng sau đó giảm dần trong 1- 2 ngày tiếp theo, giảm khoảng 1/5 do với tác động ban đầu. Một phần của sự sụt giảm này là do sự điều chỉnh lại nồng độ ion H+ máu trở lại như bình thường của thận sau khi CO2 máu tăng khởi phát làm tăng nồng độ H+. Thận điều chỉnh bằng cách làm tăng nồng độ HCO3 - trong máu, nó sẽ liên kết với ion H+ trong máu và dịch não tủy để làm giảm nồng độ các chất này. Nhưng quan trọng hơn, trong khoảng thời gian một giờ, bicarbonate ions khuếch tán chậm qua hàng rào máu não và trực tiếp liên kết với ion H+ tiếp xúc với các neuron hô hấp, do đó làm giảm nồng độ H+ về gần giá trị bình thường. Một sự thay đổi nồng độ CO2 máu sẽ tác động cấp tính mạnh lên điều hòa hô hấp nhưng chỉ là một tác động mạn tính yếu một vài ngày sau đó.

Tác động của PCO2 và nồng độ H+ máu chủ yếu vào thông khí phế nang

Tác động chủ yếu của PCO 2 và pH máu trong thông khí phế nang. Đặc biệt lưu ý là sự gia tăng đáng kể thông khí gây ra bởi tăng PCO2 trong giới hạn bình thường khoảng 35-75 mm Hg, nó chứng minh tác dụng to lớn của sự thay đổi nồng độ CO2 trong điều hòa hô hấp. Ngược lại, sự thay đổi hô hấp trong khoảng pH 7.3 - 7.5 thì ít hơn 1/10 so với CO2.

Hình. Ảnh hưởng của tăng PCO2 máu động mạch và giảm pH động mạch (tăng nồng độ ion hydro) trên tỷ lệ thông khí phế nang.

Sự thay đổi nồng độ O2 ít có tác động trực tiếp tới trung tâm điều hòa hô hấp

Sự thay đổi nồng độ O2 hầu như không có ảnh hưởng trực tiếp đến trung tâm hô hấp (mặc dù vậy, sự thay đổi nồng độ O2 có tác động gián tiếp, tác động thông qua cá hóa thụ thể ở ngoại vi, như được giải thích ở đoạn tiếp theo).

Hệ thống đệm hemoglobin-oxygen cung cấp gần như thích hợp lượng O2 tới các mô ngay cả khi có sự thay đổi PO2 ở phổi từ một giá trị thấp khoảng 60 mm Hg lên một giá trị cao khoảng 1000 mm Hg. Do đó, ngoại trừ trong các điều kiện đặc biệt, lượng O2 tới mô luôn thích hợp ngay cả khi có những sự thay đổi khác nhau trong hệ thống thông khí phổi (từ giảm nhẹ dưới ½ bình thường đến cao gấp 20 lần bình thường hoặc hơn). Cơ chế này không áp dụng cho CO2 bởi vì PCO2 cả máu và mô thay đổi tỷ lệ nghịch với tỷ lệ thông khí phổi; do đó, các quá trình tiến hóa của động vật đã làm cho CO2 có chức năng điều khiển hô hấp chính thay vì là O2.

Tuy nhiên trong những trường hợp đặc biệt, khi đó mô bị thiếu O2, cơ thể có một cơ chế đặc biệt để điều hòa hô hấp nằm ở các thụ thể hóa học ở ngoại vi, bên ngoài trung tâm hô hấp não; cơ chế này đáp ứng khi PO2 giảm quá thấp, thường là dưới 70 mm Hg, như sẽ được thảo luận ở đoạn tiếp theo.