Транспорт газов кровью

Эта тема сводится к двум взаимосвязанным вопросам.

В каком виде дыхательные газы переносятся кровью?

Каково содержание дыхательных газов в крови?

Общие принципы.

Формы содержания газов в жидкостях. Газы могут пребывать в жидкостях в двух состояниях:

• — физически растворенном;
• — химически связанном (например, кислород с гемоглобином).

Показатели содержания газов в газовых смесях и жидкостях Этих показателей три.

• 1. Фракционное содержание газа в смеси F.
• 2. Парциальное давление газа в смеси или жидкости p.
• 3. Объемная концентрация газа в жидкости c.

Определения.

Фракционное содержание показывает, какой процент от общего объема газовой смеси приходится на долю данного газа:

Fг = Vг/Vсм ґ 100, (14).

где Fг — фракционное содержание газа, %; Vг — объем газа, л; Vсм — объем смеси, л. Например, фракционное содержание кислорода в атмосферном воздухе составляет 21%.

Парциальное давление. Этот показатель отражает концентрацию свободных молекул данного газа в газовой смеси или жидкости; в жидкости это соответствует количеству физически растворенного газа. Для газовой смеси парциальное давление можно рассчитать, зная общее давление газовой смеси и фракционное содержание газа:

pг = pсм ґ Fг, (15).

где pг — парциальное давление газа, мм рт. ст.; Fг — фракционное содержание газа, %; pсм — давление смеси, мм рт. ст. Например, парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе (при атмосферном давлении 760 мм рт. ст.) составляет 760 мм рт. ст. ґ 21% = 160 мм рт. ст.

Парциальное давление газа в жидкости иногда называют напряжением.

Объемная концентрация газа в жидкости показывает, какой объем газа в свободном и связанном виде содержится в 100 мл жидкости, то есть соответствует общей концентрации физически растворенного и химически связанного газа. Она измеряется в млгаза/100 млжидкости, или объемных процентах (об%). Например, объемная концентрация кислорода в артериальной крови составляет 20 мл кислорода/100 мл крови, то есть 20 об%.

Физиологический смысл.

Парциальное давление (точнее, разность парциальных давлений) газа служит движущей силой диффузии газа из одной среды в другую (например, из воздуха в кровь).

Объемная концентрация отражает общее содержание газа в крови, и тем самым — его количество, которое поступает к органам или относится от них.

Связь между парциальным давлением газа и его объемной концентрацией.

Процессы. Если газ контактирует с жидкостью, содержащей связывающее этот газ вещество (например, кислород альвеолярного воздуха контактирует с кровью, содержащей гемоглобин), то газ будет сначала диффундировать в жидкость по градиенту парциального давления, то есть растворяться физически (рис. 10.6, А). Растворившийся газ будет диффундировать в жидкости, подходить к связывающему веществу и соединяться с ним. Если время контакта газа с жидкостью достаточно велико, то установится динамическое равновесие (рис. 10.6, Б), при котором:

• — парциальное давление газа в жидкости будет таким же, как в газовой смеси;
• — количество химически связанного газа будет зависеть от парциального давления (физически растворенного газа), сродства связывающего вещества к газу и количества связывающего вещества.

Количественное описание. Из предыдущего раздела мы увидели, что количество газа в крови (как физически растворенного, так и химически связанного) зависит от его парциального давления. Таким образом, для того чтобы количественно описать содержание газа в крови, надо ответить на вопрос о том, чему равна объемная концентрация газа (отражающая общее содержание газа) при данном парциальном давлении. Связь между объемной концентрацией газа и парциальным давлением в жидкости описывается так называемыми сатурационными кривыми.

Кривая 1 (нижняя) соответствует только физическому растворению газа; она представляет собой прямую линию. Кривая 2 (верхняя): основная часть газа находится в химически связанном виде. Сатурационная кривая при этом в какой-то момент становится почти горизонтальной (дальнейшее увеличение парциального давления почти не сопровождается ростом объемной концентрации). Этот момент соответствует полному насыщению всех участков связывания газа; после этого повышение парциального давления приводит к росту лишь количества физически растворенного газа.

Итак, характер зависимости объемного содержания газа от его парциального давления определяется тем, в каком виде газ переносится кровью.

Кислород. Этот газ переносится кровью преимущественно в химически связанном виде — в соединении с гемоглобином. Будучи идеальным переносчиком кислорода, гемоглобин отвечает следующим трем требованиям:

• — связывает большое количество кислорода в легких;
• — отдает большое количество кислорода в тканях;
• — еще больше увеличивает отдачу кислорода в активно работающих тканях.

Из этого вытекает характер сатурационной кривой для кислорода.

Сатурационная кривая для кислорода У нее имеется почти горизонтальный участок, соответствующий полному насыщению гемоглобина кислородом. Этот участок начинается при парциальном давлении кислорода (pO₂) около 70 мм рт. ст. В альвеолярном воздухе (и артериальной крови) pO₂ составляет около 100 мм рт. ст. Благодаря этому:

• — в легких кровь максимально насыщается кислородом;
• — при снижении pO₂ в альвеолярном воздухе даже до 70 мм рт. ст. кровь все равно максимально насыщается кислородом — важный механизм защиты от гипоксии.

Благодаря горизонтальному участку сатурационной кривой гемоглобин отвечает первому требованию — связывает большое количество кислорода в легких.

У нее имеется наклонный участок, соответствующий pO₂ менее 70 мм рт. ст. Значит, при низких значениях pO₂ (в тканях) сродство гемоглобина к кислороду падает, и кислород высвобождается в ткани.

Благодаря наклонному участку сатурационной кривой гемоглобин отвечает второму требованию — отдает большое количество кислорода в тканях.

При снижении pH (ацидозе), увеличении парциального давления углекислого газа (pCO₂) и повышении температуры кривая сдвигается вправо, то есть сродство гемоглобина к кислороду падает. Все три фактора имеются в активно работающих тканях. Следовательно, омывая активно работающие ткани, кровь отдает им еще больше кислорода.

Благодаря сдвигу сатурационной кривой гемоглобин отвечает третьему требованию — еще больше увеличивает отдачу кислорода в активно работающих тканях.

Механизм изменения сродства гемоглобина к кислороду Как мы только что выяснили, снижение сродства гемоглобина к кислороду в активно работающих тканях обусловлено действием трех факторов Существует еще один, четвертый фактор, оказывающий выраженное влияние на сродство гемоглобина к кислороду — концентрация в крови 2,3-дифосфоглицерата. Однако эта концентрация меняется, по-видимому, только при патологических или по меньшей мере пограничных условиях (например, при хронической гипоксии) и поэтому здесь не рассматривается.:

• — повышением температуры;
• — повышением pCO₂;
• — снижением pH, то есть повышением содержания H+.

Механизмы действия этих трех факторов следующие.

Повышение температуры вызывает неспецифический сдвиг равновесия в реакции связывания кислорода с гемоглобином в сторону диссоциации (так же как, например, при повышенной температуре лучше растворяется любая соль — равновесие сдвигается в сторону диссоциированных ионов).

CO₂ и H+, как и кислород, связываются с гемоглобином (см. ниже), однако не с железом гема, а с различными аминокислотными остатками белковой части — глобина. Присоединение CO₂ и H+ к соответствующим центрам связывания вызывает снижение сродства кислородного центра (гема) к кислороду (по механизму аллостерического взаимодействия, то есть влияния одних участков белка на свойства других участков) (рис. 10.9, А).

Кривая диссоциации оксигемоглобина Вместо сатурационной кривой для кислорода часто приводят очень похожую на нее кривую диссоциации оксигемоглобина. Она отличается тем, что по вертикальной оси отложена не объемная концентрация кислорода, а степень насыщения гемоглобина кислородом. Горизонтальному участку при этом соответствует насыщение, равное 100%.

Связь между насыщением гемоглобина кислородом и объемной концентрацией кислорода в крови Из сопоставления сатурационной кривой для кислорода (рис. 10.8) и кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 10.10) видно, что при 100% насыщении гемоглобина кислородом объемная концентрация кислорода в крови составляет (в норме!) около 20 об%. Рассмотрим, каким образом получается такое значение.

Поскольку подавляющая часть кислорода в крови приходится на химически связанный с гемоглобином кислород, объемная концентрация кислорода в крови зависит от:

• — концентрации гемоглобина;
• — кислородной емкости гемоглобина, то есть максимального количества кислорода, которое может связать 1 г гемоглобина при полном насыщении;
• — степени насыщения гемоглобина кислородом:

cO₂ = Hb% ґ КЕHb ґ sO₂, (16).

где cO₂ — объемная концентрация кислорода; Hb% - концентрация гемоглобина в крови; КЕHb — кислородная емкость гемоглобина; sO₂ — насыщение гемоглобина кислородом.

В идеальном случае для артериальной крови:

• — Hb% равна 15 г/100 мл;
• — КЕHb равна 1,34 — один грамм гемоглобина при полном насыщении способен связать до 1,34 мл кислорода;
• — sO₂ равно около 100%.

Итак:

cO2 = 15 (г Hb/100 мл крови) ґ 1,34 (мл O2/г Hb) ґ 100%= 20 (мл O2/100 мл крови).(17).

Парциальные давления и объемные концентрации кислорода в артериальной и венозной крови приведены в табл. 10.1.

Углекислый газ. Этот газ переносится в нескольких формах, или транспортных фракциях:

• — физически растворенный CO₂;
• — CO₂, соединенный с гемоглобином (карбогемоглобин);
• — бикарбонат (HCO₃-).

Для того чтобы мог образоваться бикарбонат, CO₂ должен сначала прореагировать с H₂O с образованием угольной кислоты. Эта реакция катализируется ферментом карбоангидразой, находящейся в эритроцитах. Таким образом, для образования бикарбоната CO₂ должен сначала войти в эритроцит. Поскольку гемоглобин имеется только в эритроцитах, для образования карбогемоглобина CO₂ также должен войти в эритроцит. Образующийся в эритроцитах бикарбонат должен выйти в плазму, а для сохранения электронейтральности взамен в эритроцит должен поступить другой анион — основной анион плазмы Cl-. Это осуществляет мембранный белок — хлор-бикарбонатный обменник.

Итак, образование основных транспортных фракций CO₂ происходит в эритроците, и для этого эритроцит обладает следующими свойствами:

• — в цитоплазме эритроцита имеется карбоангидраза;
• — в цитоплазме эритроцита имеется гемоглобин;
• — мембрана эритроцита (как и любые другие мембраны) свободно пропускает CO2;
• — в мембране эритроцита имеется хлор-бикарбонатный обменник.

Образование транспортных фракций CO₂

Последовательность событий при образовании этих фракций следующая:

• 1. Выделяемый тканями CO₂ проходит через стенку капилляра по градиенту его парциального давления; образуется первая фракция — физически растворенный CO₂.
• 2. Из плазмы CO₂ проходит через мембрану эритроцита.
• 3. В эритроците CO₂ соединяется с гемоглобином; образуется вторая фракция — карбогемоглобин.
• 4. В эритроците CO₂ под действием карбоангидразы соединяется с водой; образуется угольная кислота.
• 5. Угольная кислота распадается до H+ и HCO₃-; образуется третья фракция — бикарбонат.
• 6. Бикарбонат выходит из эритроцита в обмен на Cl- (с помощью хлор-бикарбонатного обменника).
• 7. Образующиеся на этапе 5 протоны (H+) связываются с гемоглобином, так как он обладает буферными свойствами (гл. 9).

Сатурационная кривая для CO₂

Основная транспортная фракция CO₂ — бикарбонат, который может образовываться почти бесконечно (до тех пор, пока CO₂ не свяжется со всеми молекулами воды, что в физиологических условиях невозможно). Отсюда:

• — объемная концентрация CO₂ гораздо выше, чем O₂;
• — сатурационная кривая для CO₂ не характеризуется насыщением (не имеет горизонтального участка).

Фракция карбогемоглобина придает сатурационной кривой для CO₂ важное свойство (аналогичное соответствующему свойству для кислорода): при снижении парциального давления кислорода (pO₂) кривые сдвигаются вверх и влево, то есть сродство гемоглобина к CO₂ увеличивается. Поскольку pO2 снижено в активно работающих тканях, то, проходя через такие ткани, кровь дополнительно связывает интенсивно выделяемый ими CO₂.

Буферные свойства гемоглобина Гемоглобин — это главный внутриэритроцитарный буфер и самый мощный буфер организма. Эта его функция важна потому, что в эритроцитах в большом количестве образуются протоны. Буферные свойства гемоглобина дополнительно усиливаются за счет того, что при снижении парциального давления кислорода (pO₂) гемоглобин активнее связывает протоны. Поскольку pO₂ снижено в активно работающих тканях, то, проходя через такие ткани, кровь дополнительно связывает протоны (активно работающие ткани интенсивно выделяют кислые метаболиты).

Механизм изменения сродства гемоглобина к CO2 и H+.

Выше мы видели, что присоединение CO₂ и H+ к их центрам связывания снижает сродство гема к O₂. Точно так же (по механизму аллостерического взаимодействия) присоединение O₂ к его центру связывания снижает сродство гемоглобина к CO₂ и H+. При уменьшении концентрации O2 (в активно работающих тканях), напротив, сродство центров связывания CO2 и H+ к этим веществам повышается.