Vai trò của O2 trong điều hòa hô hấp: điều hòa hô hấp bởi thụ thể ngoại vi

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.

Ngoài ra để điều hòa hoạt động hô hấp bởi trung tâm hô hấp, vẫn còn một cơ chế khác. Cơ chế này là hệ thống các thụ thể hóa học ngoại vi. Các thụ thể hóa học thần kinh đặc biệt được gọi là thụ thể hóa học, nằm ở một số khu vực bên ngoài não. Chúng đặc biệt quan trọng trong việc phát hiện sự thay đổi nồng độ O2 trong máu, ngoài ra chúng cũng đáp ứng mức độ thấp hơn với sự thay đổi nồng độ CO2 và hydrogen ion. Những thụ thể hóa học truyền tín hiệu thần kính tới trung tâm hô hấp nằm trong não giúp điều hòa hoạt động hô hấp.

Hình. Kiểm soát hô hấp bằng các thụ thể hóa học ngoại vi động mạch cảnh và động mạch chủ.

Hầu hết các thụ thể hóa học này nằm ở thân động mạch cảnh. Ngoài ra, một số còn nằm ở thân động mạch chủ, và một số ít cũng nằm ở một số nơi khác trong các động mạch khác ở vùng ngực và bụng.

Thân động mạch cảnh nằm ở hai bên thuộc động mạch cảnh chung. Các sợi thần kinh hướng tâm đi theo các dây thần kinh Hering của dây thần kinh thiệt hầu tới nhóm hô hấp lưng ở hành não. Thân động mạch chủ nằm dọc theo vòng cung của động mạch chủ, các sợi thần kính của nó đi theo dây thần kinh X, và cũng tới nhóm hô hấp lưng ở hành não.

Mỗi thân thụ thể hóa học nhận tín hiệu đặc biệt dòng máu chảy qua một động mạch nhỏ trực tiếp từ thân động mạch liền kề. Hơn nữa, lưu lượng máu chảy qua thân động mạch này này là rất lớn, gấp 20 lần trọng lượng của chúng mỗi phút. Do đó, tỷ lệ phần trăm lượng O2 đi ra khỏi máu gần như bằng không, có nghĩa là các hóa thụ thể không bị kích thích, máu động mạch không có huyết khối, và giá trị PO2 chính là giá trị PO2.

Giảm O2 động mạch kích thích các thụ thể hóa học

Khi nồng độ oxy trong máu động mạch giảm xuống dưới mức bình thường, các hóa thụ thể trở nên kích thích mạnh mẽ. Tác động ở các mức độ khác nhau của PO2 tới tốc độ của xung thần kinh từ thân động mạch cảnh. Tốc độ xung đặc biệt dao động với những thay đổi PO2 trong khoảng từ 60 tới 30 mm Hg, giới hạn trong đó nồng độ hemoglobin bão hòa với oxy giảm nhanh.

Hình. Ảnh hưởng của PO2 động mạch đến tốc độ xung động từ thân động mạch cảnh.

Tăng nồng độ CO2 và ion H+ gây kích thích các hóa thụ thể

Tăng nồng độ CO2 hay hydrogen ion cũng kích thích các hóa thụ thể và theo cách gián tiếp làm tăng hoạt động hô hấp. Mặc dù vậy, tác động trực tiếp của hai chất này tới trungn tâm hô hấp là mạnh hơn nhiều so với tác động gián tiếp của chúng qua các hóa thụ thể (mạnh hơn khoảng 7 lần). Tuy nhiên, có sự khác nhau giữa tác động ngoại vi và trung tâm của CO2 là: Sự kích thích bằng cách qua các hóa thụ thể ngoại vi có thể đặc biệt quan trọng trong sự tăng nhanh CO2 khi bắt đầu tập thể dục.

Cơ chế cơ bản của sự kích các hóa thụ thể khi thiếu O2

Cơ chế chính xác của việc PO2 giảm kích thích các tận cùng thần kinh trong thân động mạch cảnh và quai động mạch chủ vẫn chưa hoàn toàn được hiểu rõ. Tuy nhiên, các cơ quan này có các tế bào tuyến có chiều cao khác nhau, gọi là tế bào glomus, chúng khớp trực tiếp hoặc gián tiếp với các đầu thần kinh. Nó là bằng chứng cho thấy rằng những tế bào glomus có chức năng như các hóa thụ thể và có khả năng kích thích các đầu thần kinh.

Hình. Cảm nhận oxy tế bào glomus của thân động mạch cảnh. Khi PO2 giảm xuống dưới khoảng 60mmHg, các kênh kali đóng lại, gây khử cực tế bào, mở kênh canxi và tăng nồng độ ion canxi trong tế bào. Điều này kích thích giải phóng trans-mitter (ATP có thể là quan trọng nhất), kích hoạt các sợi hướng tâm gửi tín hiệu đến hệ thần kinh trung ương (CNS) và kích thích hô hấp. Cơ chế mà PO2 thấp ảnh hưởng đến hoạt động của kênh kali vẫn chưa rõ ràng. Vm, thay đổi điện thế màng.

Những tế bào Glomus có các kênh K nhạy cảm với O2, dễ bị bất hoạt khi PO2 máu giảm rõ rệt. Sự bất hoạt này làm cho các tế bào bị khử cực, khi đó làm mở các kênh Ca điện thế và tăng nồng độ Ca nội bào. Tăng nồng độ calcium ions kích thích tạo một xung động thần kinh kích hoạt tế bào thần kinh hướng tâm gửi tín hiệu cho hệ thần kinh trung ương và kích thích hô hấp. Mặc dù nghiên cứu ban đầu cho rằng dopamin hoặc acetylcholin có thể là chất dẫn truyền thần kính chính, nhưng các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng trong tình trạng thiếu oxy, adenosine triphosphate có thể là chìa khóa kích thích tạo ra các xung động thần kinh được giải phóng bởi các tế bào glomus ở động mạch cảnh.

Tác động của PO2 động mạch thấp tới kích thích thông khí phế nang khi nồng độ CO2 và H+ vẫn bình thường

Tác động của PO2 động mạch thấp tới thông khí phế nang trong khi PCO2 và nồng độ hydrogen ion vẫn được giữ ổn định ở mức bình thường. Nói cách khác. Trong hình này, thông khí phế nang chỉ thay đổi do tác động của giảm O2 tới các hóa thụ thể đang hoạt động. Hình này cho thấy hầu như không có tác động tới thông khí phế nang khi PO 2 vẫn lớn hơn 100 mm Hg. Tuy nhiên, khi nó xuống thấp dưới 100 mm Hg, thông khí phế nang tăng gấp đôi khi PO2 giảm xuống 60 mmHg và có thể tăng gấp 5 lần khi giá trị PO2 rất thấp. Trong những điều kiện PO2 động mạch thấp rõ ràng thông khí phế nang tăng khá mạnh.

Khi tình trạng thiếu oxy cho mô trong giá trị PO2 từ 60 tới 80 mm Hg, thì PCO2 và hydrogen ion chịu trách nhiệm chủ yếu trong việc điều hòa tông khí ở người khỏe mạnh trên mực nước biển.

Hình. Đường cong dưới thể hiện ảnh hưởng của các mức PO2 động mạch khác nhau đến thông khí phế nang, cho thấy thông khí tăng gấp sáu lần khi PO2 giảm từ mức bình thường 100mmHg xuống 20mmHg. Đường trên cho thấy PCO2 động mạch được giữ ở mức không đổi trong các phép đo của nghiên cứu này; pH cũng được giữ không đổi.

Hiện tượng thở thích nghi khi chịu sự kích thích của giảm nồng độ O2 từ từ

Những người leo núi đã nhận ra rằng khi họ lên một ngọn nút một cách từ từ, trong khoảng thời gian vài ngày hơn là vài giờ, họ sẽ hít thở sâu hơn và do đó có thể chịu được khí quyển có nồng đọ O2 thấp, hơn nhiều lần khi họ lên một cách nhanh hơn. Hiện tượng này gọi là thích khi với khí hậu.

Lý do thích nghi với khí hậu là do trong 2-3 ngày, trung tâm hô hấp ở thân não mất khoảng 45% sự nhạy cảm với sự thay đổi PCO 2 và hydro- gen ions. Do đó, sự tăng nồng độ CO2 thông thường sẽ làm ức chế sự gia tăng hô hấp không xảy ra, và nồng độ O2 thấp có thể điều khiển hệ thống hô hấp làm tăng thông khí phế nang mạnh hơn nhiều so với trường hợp cấp tính. Sự gia tăng 70% thông khí có thể xảy ra sau khi tiếp xúc với nơi nồng độ O2 thấp, nó có vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp thêm O2 cho người leo núi.

Tổng quát tác động của PCO2, pH, và PO2 tới thông khí phế nang

Cách thực các yếu tố hóa học thông qua PO2, PCO2, và pH cùng tác động lên thông khí phế nang. Để hiểu được sơ đồ này:

Hình. Tác động tương hỗ của PCO2, PO2 và pH đối với thông khí phế nang.

Đầu tiên quan sát bốn đường cong màu đỏ. Những đường cong được ghi lại ở các mức khác nhau của động mạch ở PO2 40 mm Hg, 50 mm Hg, 60 mm Hg, và 100 mm Hg. Với mỗi đường cong PCO2 thay đổi từ thấp đến cao. Vì vậy tổ hợp đường cong màu đỏ đại diện cho ảnh hưởng kết hợp của PCO2 và PO2 phế nang lên hoạt động thở.

Bây giờ quan sát các đường cong màu xanh lá. Trong khi các đường cong màu đỏ được ghi lại tại pH 7.4, thì đường cong màu xanh lá được đo tại pH 7.3. Chúng ta có hai tổ hợp đường cong thể hiện sự kết hợp của PCO2 và PO2 lên hoạt động thở tại hai giá trị pH khác nhau. Tuy nhiên với các tổ hợp khác nhau các đường cong sẽ thay đổi từ bên phải pHs cao hơn tới vùng bên trái pHs thấp hơn. Vì vậy, sử dụng sơ đồ này, người ta có thể dự đoán mức thông khí phế nang cho hầy hết các trường hợp PCO2 phế nang, PO2 phế nang, và pH máu động mạch.