Транспорт кислорода артериальной кровью. Диффузия кислорода

Обновлено: 18.05.2024

Большая часть кислорода в организме млекопитающих переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. Свободно растворенного кислорода в крови всего 0.3%. Реакцию оксигенации, превращение дезоксигемоглобина в оксигемоглобин, протекающую в эритроцитах капилляров легких можно записать следующим образом:

Эта реакция протекает очень быстро - время полунасыщения гемоглобина кислородом около 3 миллисекунд. Гемоглобин обладает двумя удивительными свойствами, которые позволяют ему быть идеальным переносчиком кислорода. Первое - это способность присоединять кислород, а второе - отдавать его. Оказывается способность гемоглобина присоединять и отдавать кислород зависит от напряжения кислорода в крови. Попробуем изобразить графически зависимость количества оксигенированного гемоглобина от напряжения кислорода в крови, и тогда нам удастся выяснить: в каких случаях гемоглобин присоединяет кислород, а в каких отдает. Гемоглобин и оксигемоглобин неодинаково поглощают световые лучи, поэтому их концентрацию можно определить спектрометрическими методами.

График, отражающий способность гемоглобина присоединять и отдавать кислород называется «Кривая диссоциации оксигемоглобина». По оси абсцисс на этом графике отложено количество оксигемоглобина в процентах ко всему гемоглобину крови, по оси ординат - напряжение кислорода в крови в мм рт. ст.

Рисунок 9А. Кривая диссоциации оксигемоглобина в норме

Рассмотрим график в соответствии с этапами транспорта кислорода: самая высокая точка соответствует тому напряжению кислорода, которое наблюдается в крови легочных капилляров - 100 мм рт.ст. (столько же, сколько и в альвеолярном воздухе). Из графика видно, что при таком напряжении весь гемоглобин переходит в форму оксигемоглобина - насыщается кислородом полностью. Попробуем рассчитать, сколько кислорода связывает гемоглобин. Один моль гемоглобина может связать 4 моля О₂ , а 1грамм Нв связывает 1,39 мл О₂ в идеале, а на практике 1,34 мл . При концентрации гемоглобина в крови, например, 140 г/литр количество связанного кислорода составит 140 × 1,34 = 189,6 мл/литр крови. Количество кислорода, которое может связать гемоглобин при условии его полного насыщения, называется кислородной емкостью крови (КЕК). В нашем случае КЕК = 189,6 мл.

Обратим внимание на важную особенность гемоглобина - при снижении напряжения кислорода в крови до 60 мм рт.ст, насыщение практически не изменяется - почти весь гемоглобин присутствует в виде оксигемоглобина. Эта особенность позволяет связывать максимально возможное количество кислорода при снижении его содержания в окружающей среде (например, на высоте до 3000 метров).

Кривая диссоциации имеет s - образный характер, что связано с особенностями взаимодействия кислорода с гемоглобином. Молекула гемоглобина связывает поэтапно 4 молекулы кислорода. Связывание первой молекулы резко увеличивает связывающую способность, так же действуют и вторая, и третья молекулы. Этот эффект называется кооперативное действие кислорода

Артериальная кровь поступает в большой круг кровообращения и доставляется к тканям. Напряжение кислорода в тканях, как видно из таблицы 2, колеблется от 0 до 20 мм рт. ст., незначительное количество физически растворенного кислорода диффундирует в ткани, его напряжение в крови снижается. Снижение напряжения кислорода сопровождается диссоциацией оксигемоглобина и освобождением кислорода. Освободившийся из соединения кислород переходит в физически растворенную форму и может диффундировать в ткани по градиенту напряжения.. На венозном конце капилляра напряжение кислорода равно 40 мм.рт.ст, что соответствует примерно 73% насыщения гемоглобина. Крутая часть кривой диссоциации соответствует напряжению кислорода обычному для тканей организма - 35 мм рт.ст и ниже.

Таким образом, кривая диссоциации гемоглобина отражает способность гемоглобина присоединять кислород, если напряжение кислорода в крови высоко, и отдавать его при снижении напряжения кислорода.

Переход кислорода в ткани осуществляется путем диффузии, и описывается законом Фика, следовательно зависит от градиента напряжений кислорода.

Можно узнать, сколько кислорода извлекается тканью. Для этого нужно определить количество кислорода в артериальной крови и в венозной крови, оттекающей от определенной области. В артериальной крови, как нам удалось вычислить (КЕК) содержится 180-200 мл. кислорода. Венозная кровь в состоянии покоя содержит около 120 мл. кислорода. Попробуем рассчитать коэффициент утилизации кислорода: 180 мл.  120 мл. = 60 мл.- это количество извлеченного тканями кислорода, 60мл./180  100 = 33%. Следовательно, коэффициент утилизации кислорода равен 33% (в норме от 25 до 40%). Как видно из этих данных, не весь кислород утилизируется тканями. В норме в течение одной минуты к тканям доставляется около 1000 мл. кислорода. Если учесть коэффициент утилизации, становится ясно, что ткани извлекают от 250 до 400 мл. кислорода в минуту, остальной кислород возвращается к сердцу в составе венозной крови. При тяжелой мышечной работе коэффициент утилизации повышается до 50 - 60 %.

Однако количество кислорода, которое получают ткани, зависит не только от коэффициента утилизации. При изменении условий во внутренней среде и тех тканях, где осуществляется диффузия кислорода, свойства гемоглобина могут измениться. Изменение свойств гемоглобина отражается на графике и называется «сдвиг кривой». Отметим важную точку на кривой - точка полунасыщения гемоглобина кислородом наблюдается при напряжении кислорода 27 мм рт. ст., при таком напряжении 50 % гемоглобина находится в форме оксигемоглобина, 50% в виде дезоксигемоглобина, следовательно 50 % связанного кислорода - свободно (примерно 100мл/л). Если в ткани увеличивается концентрация углекислого газа, ионов водорода, температура, то кривая сдвигается вправо. В этом случае точка полунасыщения переместится к более высоким значениям напряжения кислорода - уже при напряжении 40 мм рт. ст. будет освобождено 50 % кислорода (рисунок 9Б). Интенсивно работающей ткани гемоглобин отдаст кислород легче. Изменение свойств гемоглобина обусловлены следующими причинами: закисление среды в результате увеличения концентрации углекислого газа действует двумя путями 1) увеличение концентрации ионов водорода способствует отдаче кислорода оксигемоглобином потому, что ионы водорода легче связываются с дезоксигемоглобином, 2) прямое связывание углекислого газа с белковой частью молекулы гемоглобина уменьшает ее сродство к кислороду; увеличение концентрации 2,3-дифосфоглицерата, который появляется в процессе анаэробного гликолиза и тоже встраивается в белковую часть молекулы гемоглобина и снижает его сродство к кислороду.

Сдвиг кривой влево наблюдается, например, у плода, когда в крови определяется большое количество фетального гемоглобина.

Транспорт кислорода артериальной кровью. Диффузия кислорода

4.1. Транспорт кислорода

В сложных механизмах транспорта газов кровью и газообмена в тканях важная роль отводится эритроцитам, ответственным за доставку О2 к различным органам и удаление образующегося в процессе метаболизма СО2.

Эритроцит - безъядерная клетка, лишенная митохондрий, основным источником энергии для эритроцита служит глюкоза, метаболизируемая в гексозомонофосфатном шунте или цикле Эмбдена-Мейергофа. Транспорт О2 обеспечивается в значительной мере гемоглобином, состоящим из белка глобина и гема. Последний представляет собой комплексное соединение железа и порфирина. Глобин представляет собой тетрамер полипептидной цепи. Hb A (HbA) - основной гемоглобин взрослых содержит 2 - альфа и 2 - бета - цепи, Hb A2 - содержит две альфа и две дельта цепи.

Гем состоит из иона железа, встроенного в порфириновое кольцо. Ион железа гема обратимо связывает одну молекулу О2. С одной молекулой Hb максимально связываются 4 молекулы О2 с образованием оксигемоглобина.

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению, когда железо становится из двухвалентного трехвалентным. Окисленный гем носит название гематина, а молекула гемоглобина становится метгемоглобином. В крови человека метгемоглобин находится в незначительных количествах, его уровень резко возрастает при отравлениях. Метгемоглобин не способен отдавать кислород тканям.

В норме метгемоглобин составляет менее 3% общего Hb крови. Основная форма транспорта О2 - в виде оксигемоглобина. Кислород транспортируется артериальной кровью не только в связи с гемоглобином, но и в растворенном виде. Принимая во внимание тот факт, что 1 г Hb может связать 1,34 мл О2, кислородная емкость крови в среднем у взрослого человека составляет около 200 мл/л крови. Одним из показателей кислородного транспорта является насыщение артериальной крови О2(Sa O2), равного отношению О2, связанного с Hb, к кислородной емкости крови:

SaO2=O2, связанного с Hb/O2 емкость крови* 100%.

В соответствии с кривой диссоциации оксигемоглобина насыщение артериальной крови кислородом в среднем составляет 97%, в венозной крови - 75%.

PaO2 в артериальной крови около 100 мм. рт. ст., а в венозной - около 40 мм. рт. ст.

Количество растворенного кислорода в крови пропорционально парциальному давлению О2 и коэффициэнту его растворимости.

Последний для О2 составляет 0,0031/100 мл крови/ 1 мм. рт. ст.. Таким образом, 100 мл крови при PaO2, равном 100 мм. рт. ст., содержит менее 0,31 мл O2.

Диссоциация оксигемоглобина в тканях обусловлена главным образом химическими свойствами гемоглобина, а также рядом других факторов - температурой тела, рН среды, р СО2.

При понижении температуры тела наклон кривой диссоциации оксигемоглобина возрастает, а при ее повышении - снижается, и соответственно снижается сродство Hb к О2.

При снижении рН, т.е. при закислении среды, сродство гемоглобина к О2 уменьшается. Увеличение напряжения в крови СО2 также сопровождается снижением сродства Hb к О2 и уплощением кривой диссоциации оксигемоглобина.

Известно, что степень диссоциации оксигемоглобина определяется содержанием в эритроцитах некоторых фосфорорганических соединений, главным из которых является 2,3 - ДФГ (2,3 дифосфоглицерат), а также содержанием в эритроцитах катионов. В случаях развития алкалозов, поглощение О2 в легких увеличивается, но в то же время затрудняется отдача кислорода тканями. При ацидозах наблюдается обратная картина.

4.2.Утилизация кислорода тканями

Тканевое или клеточное дыхание включает три стадии. На первой стадии пируват, аминокислоты и жирные кислоты окисляются до двухуглеродных фрагментов ацетильных групп, входящих в состав ацетилкофермента А. Последние на втором этапе окисления включаются в цикл лимонной кислоты, где происходит образование высокоэнергетических атомов водорода и высвобождение СО2 - конечного продукта окисления органических субстратов. На третьей стадии клеточного дыхания атомы водорода делятся на протоны (Н+) и «высокоэнергетические» электроны, передающиеся по дыхательной цепи на молекулярный О2 и восстанавливающие его до НО2. Перенос электронов сопряжен с запасом энергии в форме АТФ, т.е. с окислительным фосфорилированием (рис.6).

Касаясь патогенеза метаболических сдвигов, свойственных гипоксическим состояниям, следует отметить, что в организме человека более 90% всего потребляемого кислорода восстанавливается с участием цитохромоксидазы митохондрий, и лишь около 10% кислорода метаболизируется в тканях с участием оксигеназ: диоксигеназы и монооксигеназы.

Рис.6. Схема тканевого дыхания. Конечные продукты каждой стадии даны в рамке (Ленинджер А., 1999)

Наиболее многочисленны и сложны монооксигеназные реакции, протекающие в эндоплазматическом ретикулуме клеток при участии цитохрома Р-450 и обеспечивающие гидроксилирование субстрата (стероидных гормонов, лекарственных препаратов и различных др. соединений) и, как правило, его инактивацию.

Диоксигеназы катализируют реакции, в которых в молекулу органического субстрата включаются оба атома молекулы кислорода (например, реакция окисления катехола молекулярным кислородом с раскрытием кольца).

В реакциях, связанных с переносом электронов, т.е. в реакциях окисления-восстановления, где, как указывалось выше, используется более 90% потребляемого кислорода, атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в цикле лимонной кислоты, передают свои электроны в цепь переноса электронов и превращаются также в Н +. Как известно, помимо 4 пар атомов водорода, поставляемых каждым оборотом цикла лимонной кислоты, образуются и другие атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от пирувата, жирных кислот и аминокислот в процессе их расщепления до Ацетил-СоА и других продуктов.

Таким образом, все атомы водорода, отщепляемые дегидрогеназами от субстратов, передают свои электроны в дыхательную цепь к конечному акцептору электронов - кислороду.

Касаясь последовательности транспорта электронов в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих на внутренней мембране митохондрий, прежде всего, следует отметить, что от всех НАД - зависимых реакций дегидрирования восстановленные эквиваленты переходят к митохондриальной НАДН - дегидрогеназе, затем через ряд железосерных ферментов передаются на убихинон М цитохрому b. Далее электроны переходят последовательно на цитохромы С1 и С, затем на цитохромы аа 3 (цитохромоксидазу - медьсодержащий фермент). В свою очередь цитохромоксидаза передает электроны на кислород. Для того, чтобы полностью восстановить кислород с образованием 2-х молекул воды требуется 4 электрона и четыре Н+ .

Скорость утилизации О2 в различных тканях различна. В среднем взрослый человек потребляет 250 мл О2 в 1 мин. Максимальное извлечение О2 из притекающей артериальной крови свойственно миокарду.

Кислород используется в клетках, в основном в метаболизме белков, жиров, углеводов, ксенобиотиков, в окислительно-восстановительных реакциях в различных субклеточных фракциях: в митохондриях, в эндоплазматическом ретикулуме, в реакциях липопероксидации, а также в межклеточном матриксе и в биологических жидкостях.

Коэффициент утилизации О2 в тканях равен отношению потребления О2 к интенсивности его доставки, широко варьирует в различных органах и тканях.

В условиях нормы минимальную потребность в О2 проявляют почки и селезенка, а максимальную потребность - кора головного мозга, миокард и скелетные мышцы, где коэффициент утилизации О2 колеблется от 0,4 до 0,6, а в миокарде до 0,7. При крайне интенсивной физической работе коэффициент утилизации О2 мышцами и миокардом может возрастать до 0,9.

Обмен дыхательных газов в тканях происходит в процессе свободной и облегченной диффузии. При этом О2 переносится по градиенту напряжения газа из эритроцитов и плазмы крови в окружающие ткани.

Одновременно происходит диффузия СО2 из тканей в кровь. На выход О2 из крови в ткани влияет диссоциация оксигемоглобина в эритроцитах, что обеспечивает так называемую облегченную диффузию О2. Интенсивность диффузионного потока О2 и СО2 определяется градиентом их напряжения между кровью и тканями, а также площадью газообмена, плотностью капилляров, распределением кровотока в микроциркуляторном русле. Интенсивность окислительных процессов в тканях определяется величиной критического напряжения О2 в митохондриях, которое в условиях нормы должно превосходить 0,1-1 мм рт. ст.

Соответствие доставки О2 к органам и тканям, возросшим потребностям в оксигенации обеспечивается на клеточном, органном уровнях за счет образования метаболитов изнашивания, а также при участии нервных, гормональных и гуморальных влияний.

Основная масса углекислого газа (СО2) образуется в организме как конечный продукт различных метаболических реакций и транспортируется к легким с кровью. Вдыхаемый воздух содержит лишь незначительное количество СО2.

Транспорт СО2 кровью осуществляется в 3-х состояниях: в виде аниона бикарбоната, в растворенной форме и в виде карбаминовых соединений.

СО2 хорошо растворяется в плазме крови и в артериальной крови, около 5% от общей двуокиси углерода содержится в крови в растворенной форме.

Анион бикарбоната составляет около 90% от общего содержания СО2 в артериальной крови: СО2+Н2О - Н++НСО-3.

Эта реакция медленно протекает в плазме крови, но чрезвычайно интенсивно происходит в эритроцитах при участии фермента карбоангидразы. Мембрана эритроцита относительно непроницаема для Н+, как и вообще для катионов, но в тоже время, проницаема для ионов НСО-3, выход которых из эритроцитов в плазму обеспечивается притоком Cl- из плазмы в эритроциты. Часть Н+ забуферивается гемоглобином с образованием восстановленного гемоглобина.

Третьей формой транспорта СО2 кровью являются карбаминовые соединения, образованные взаимодействием СО2 с концевыми группами белков крови преимущественно с гемоглобином:

Hb NH2 + CO2 - Hb NH COOH > Hb NH COO + Н+

Карбаминовые соединения составляют около 5% от общего количества СО2, транспортируемого кровью.

В оксигенированной артериальной крови напряжение СО2 составляет 40 мм. рт. ст., а в венозной крови Рv СО2 равно 46 мм. рт. ст.

4.4.Связывание гемоглобина с окисью углерода

Угарный газ (СО) - окись углерода обладает значительно большим сродством к гемоглобину, чем О2, с последующим образованием карбоксигемоглобина. СО входит в состав бытового газа, а также выделяется при работе двигателей внутреннего сгорания. При концентрации СО во вдыхаемом воздухе всего в количестве 7*10- 4 около 50% гемоглобина превращается в карбоксигемоглобин. В норме в крови содержится около 1% HbCO, у курильщиков - 3% . В крови водителей такси концентрация карбоксигемоглобина достигает 20%. Карбоксигемоглобин диссоциирует с отдачей О2 в 200 раз медленней оксигемоглобина и в то же время препятствует его диссоциации в тканях.

Транспорт О 2 из атмосферы до периферических тканей организма представляет собой многоступенчатый процесс.

После того как воздух попадает в альвеолы легких, следующим этапом газообмена является диффузия кислорода из альвеол в кровь легочных капилляров и диффузия СО 2 из крови легочных капилляров в альвеолы. Диффузия представляет собой простое движение молекул через респираторную мембрану из области более высокого давления в область более низкого.

Таким образом, парциальное давление О 2 (PO 2 ) является одним из основных факторов, определяющих его транспорт в организме, причем не только в легких, но и во всем теле вплоть до периферических тканей.

Помимо градиента давления скорость диффузии определяется 1) растворимостью газа в жидкости; 2) площадью поверхности, через которую протекает диффузия; 3) расстоянием, которое газ должен пройти при диффузии; 4) молекулярным весом газа; 5) температурой жидкости. Поскольку в живом организме температура постоянна, она обычно не учитывается.

толщины мембраны;
площади поверхности мембраны;
диффузионного коэффициента газа в мембране;
градиента давления газа по обе стороны мембраны.

По мере транспорта О 2 от легких к периферическим тканям его парциальное давление снижается. Если в атмосферном воздухе при нормальном атмосферном давлении парциальное давление О 2 составляет 159 мм рт. ст., то в периферических тканях, в зависимости от уровня их обмена, — 35-85 мм рт. ст. Венозная кровь, поступающая в легкие, имеет РО 2 около 40 мм рт. ст.

альвеолярный воздух лишь частично замещается атмосферным во время каждого вдоха;
О 2 постоянно абсорбируется из альвеолярного воздуха;
СО 2 постоянно диффундирует из крови легочных капилляров в альвеолы;
сухой атмосферный воздух, который поступает в дыхательные пути, увлажняется, насыщаясь водными парами, прежде чем достигает альвеол.

В артериальной крови, покидающей легкие, РО 2 уменьшается уже до 95 мм рт. ст. вследствие так называемого венозного примешивания. Дело в том, что определенное количество венозной крови (1-2 %) не аэрируется в легких, поступая напрямую в артериальное русло, что и приводит к некоторому снижению РО 2 . Увеличение объема шунтированной крови, которое происходит при гипоксии может приводить к существенному понижению артериального РО 2 .

Увеличение толщины альвеолокапиллярной мембраны, затрудняющее диффузию газов, часто является следствием отека — увеличения количества жидкости в межклеточном пространстве мембраны. Состояние характеризуется как интерстициальный отек легких. Кроме того, жидкость может накапливаться и в альвеолах, так что газам приходится проходить не только через мембрану, но и через жидкость, что характерно уже для альвеолярного отека легких. В большинстве случаев имеет место сочетание этих состояний той или иной степени выраженности. Имеет значение и исходное состояние легких. При ряде заболеваний, может возникнуть фиброз какого либо участка легких с утолщением альвеолокапиллярной мембраны. Поскольку скорость диффузии газов через мембрану обратно пропорциональна ее толщине, любой фактор, увеличивающий ее толщину более чем в два - три раза, может существенно нарушать нормальный газообмен.

Из капилляров кровеносного русла О 2 диффундирует в периферические ткани, поскольку парциальное давление О 2 в капиллярах выше, чем в тканях. РО 2 в интерстициальной жидкости вне капилляров составляет в среднем 40 мм рт. ст., тогда как в артериальной крови — 95 мм рт. ст. В венозной крови, покидающей капилляр, РО 2 также составляет около 40 мм рт. ст. Если скорость тканевого кровотока увеличивается, большие количества О 2 доставляются тканям и тканевое РО 2 увеличивается. Увеличение тканевого метаболизма приводит к снижению РО 2 как в периферических тканях, так и в венозной крови.

Поскольку О 2 постоянно используется тканями, внутриклеточное РО 2 всегда остается ниже интерстициального. Со снижением интерстициального РО 2 снижается и РО 2 внутри клеток, повышение интерстициального РО 2 ведет к повышению внутриклеточного РО 2 . Важным общим свойством живых организмов является большой запас функциональной прочности систем поддержания жизнедеятельности. Такая особенность характерна и для процессов газообмена. Для полного обеспечения процессов метаболизма достаточно РО 2 1-5 мм рт. ст., в то время как внутриклеточное РО 2 может варьировать от 5 до 60 мм рт. ст. (в зависимости от протяженности капиллярного русла). Поэтому организм человека и может функционировать при весьма существенном снижении РО 2 в атмосферном воздухе.

В нормальных условиях около 97 % кислорода от легких к тканям переносится в химически связанном виде гемоглобином. Лишь 3 % составляет О 2 растворенный в плазме крови. Следует учитывать, что способность гемоглобина связывать О 2 является ограниченной. Каждый грамм гемоглобина может максимально связать 1,34 мл О 2 . Эта так называемая константа Гюффнера. Соответственно кислородная емкость крови (т. е. максимальное общее количество кислорода, которое может быть перенесено кровью) будет находиться в прямой зависимости от содержания гемоглобина:

У здоровых людей с содержанием гемоглобина 150 г/л кислородная емкость крови составляет 201 мл О 2 /л крови. Реально переносимое количество мл О 2 обычно меньше.

Ключевым фактором, характеризующим количество кислорода, связанного с гемоглобином, является насыщение артериальной крови кислородом (сатурация, SaO 2 ). Оно выражает отношение между количеством кислорода, связанного с гемоглобином и кислородной емкостью крови:

Содержание кислорода в крови (контент, СаО 2 ) — это сумма связанного с гемоглобином и растворенного в плазме О 2 :

Очевидно, что СаО 2 зависит главным образом от фракции О 2 , связанной с гемоглобином.

Кровь содержит незначительное количество кислорода, не связанного с гемоглобином, а растворенного в плазме. Согласно закону Генри, количество растворенного кислорода пропорционально парциальному давлению О 2 и коэффициенту его растворимости, а растворимость О 2 в крови очень низка: только 0,0031 мл О 2 растворяется в 0,1 л крови при увеличении давления на 1 мм рт. ст. Таким образом, при РаО 2 равным 100 мм рт. ст., в 100 мл артериальной крови содержится только 0,31 мл растворенного О 2 . Со снижением РаО 2 количество растворенного в плазме О 2 станет еще меньше.

Содержание О 2 в связи с изменениями РаО 2 колеблется незначительно до тех пор, пока устойчиво поддерживается SaO 2 . Изменения содержания гемоглобина приводят к более заметным сдвигам СаО 2 . Нормальное СаО 2 равно 198 мл О 2 /л крови при условии, что PaO 2 = 100 мм рт. ст. , содержание гемоглобина 150 г/л, а SaO 2 = 97 % . Умеренная анемия (например гемоглобин 120 г/л) при поддержании нормального РаО 2 проявляется снижением СаО 2 до 160 мл О 2 /л крови.

Сродство гемоглобина к кислороду возрастает по мере последовательного связывания молекул О 2 , что придает кривой диссоциации оксигемоглобина сигмовидную или S-образную форму. Эта кривая, соотносящая изменения SaO 2 в зависимости от РаО 2 , важна для анализа процессов транспорта кислорода к периферическим тканям:

Верхняя часть кривой (при РаО 2 > 60 мм рт. ст.) — относительно плоская. Это приводит к тому, что SaO 2 , а следовательно, и СаО 2 остаются достаточно постоянными, несмотря на значительные колебания РаО 2 . Повышение СаО 2 или транспорта кислорода в этой области кривой может быть достигнуто только за счет увеличения содержания гемоглобина (например, при переливании крови) или растворения в плазме крови кислорода (например при гипербарической оксигенации).

Крутые средняя и нижняя часть кривой иллюстрируют то положение, что, хотя SaO 2 падает (когда РаО 2 оказывается ниже 60 мм рт. ст.), процесс насыщения гемоглобина кислородом продолжается, поскольку градиент РаО 2 между альвеолами и капиллярами сохраняется. Периферические ткани в этих условиях могут продолжать извлекать достаточное количество О 2 , несмотря на снижение капиллярного РО 2 .

РаО 2 , при котором гемоглобин насыщен кислородом на 50 % (при 37 °С и рН 7,4) известно как Р 50 . Это общепринятая мера сродства гемоглобина к кислороду. Р 50 в крови человека в норме составляет 26,6 мм. рт. ст. Однако оно может изменяться при различных метаболических и физиологических условиях, воздействующих на процесс связывания кислорода гемоглобином.

Когда сродство гемоглобина к кислороду падает, О 2 с большой легкостью переходит в ткани, и наоборот. Повышение Р 50 определяет сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо. Сродство гемоглобина к кислороду снижается, указывая, что теперь требуется более высокое РаО 2 для поддержания SaO 2 на прежнем уровне. Более низкое сродство гемоглобина к кислороду означает повышенное высвобождение кислорода в тканях, но ухудшение связывания гемоглобина с О 2 в легких.

Сдвиг кривой диссоциации влево и соответствующее снижение Р 50 указывает на повышенное сродство гемоглобина к кислороду — улучшение связывания в легких и ухудшение высвобождения О 2 в периферических тканях. На Р 50 и положение кривой диссоциации гемоглобина влияет несколько факторов, в частности, рН и температура.

Для обеспечения обмена веществ в периферических тканях важное значение имеет не только общее содержание О 2 — ключевой физиологической переменной является его доставка. Доставка кислорода — это количество кислорода, транспортируемое к тканям в единицу времени. Чтобы поддержать аэробный метаболизм и предотвратить накопление лактата, периферические ткани должны постоянно снабжаться кислородом. Обстоятельства, которые определяют адекватность кислородного снабжения, разнообразны и включают состояние покоя, физическую нагрузку, гиперкатаболические состояния и инфекцию.

Доставка кислорода к периферическим тканям зависит от количества кислорода в определенном объеме крови и уровня кровотока. Хотя объем кровотока к отдельным органам различен, в периферических тканях он в целом равен сердечному выбросу (CB). Системная доставка О 2 (DО 2 ) рассчитывается как DO 2 = СВ (л/мин) x CaO 2 (мл/л) .

Нередко DО 2 рассчитывают с учетом площади тела. То есть на самом деле рассчитывают индекс DО 2 . Нормальными величинами индекса DО 2 считают 520-720 мл·мин -1 ·м -2 .

Доставка кислорода падает при уменьшении сердечного выброса или снижении объемного содержания кислорода в артериальной крови. Это характерно для многих критических и терминальных состояний и чаще всего наблюдается при выраженных проявлениях сердечной недостаточности, повышении внутрилегочного шунтирования крови, централизации кровообращения, при различных пороках сердца, кардиохирургических и других длительных и травматичных вмешательствах. С практической точки зрения следует иметь в виду, что любое нарушение кровообращения будет ухудшать доставку О 2 .

Потребление кислорода является заключительным этапом транспорта кислорода тканям и представляет собой кислородное обеспечение тканевого метаболизма. В условиях основного обмена взрослый человек потребляет около 250 мл О 2 в 1 мин. Однако скорость утилизации О 2 различными тканями значительно отличается.

Потребление кислорода тканями (VO 2 ) — интегральный показатель, учитывающий как циркуляторный компонент транспорта кислорода (сердечный выброс), так и его гемический компонент (артериовенозное различие по кислороду, CaO 2 - CvO 2 ). Его можно определить по формуле: VO 2 = СВ x (CaO 2 - CvO 2 ) x 10 . Так же как и DО 2 , VO 2 часто выражают в виде индекса, то есть в перерасчете на площадь тела. Нормальными величинами индекса потребления кислорода являются 110-160 мл·мин -1 ·м -2 .

В зависимости от состояния организма (покой, нагрузка или заболевание) меняется фракционное распределение СВ к органам. Более того, и экстракция кислорода тканями различных органов неодинакова. Например, миокард получает лишь малую фракцию СВ, но извлекает почти весь доставляемый кислород.

Нормальный компенсаторный ответ на снижение кровотока проявляется в виде увеличения поглощения кислорода, достаточного для поддержания VO 2 на нормальном уровне. Падение сердечного выброса компенсируется увеличением артериовенозного различия по кислороду, и VO 2 остается неизменным. Снижение насыщения венозной крови кислородом отражает увеличение экстракции кислорода.

Способность компенсировать снижение кровотока повышением поглощения кислорода является характерной особенностью микроциркуляторного русла практически всех органов и тканей за исключением сердца и диафрагмы. В них высокая экстракция кислорода из капиллярного ложа происходит уже в норме. Поэтому уровень кислорода в тканях сердца и диафрагмы весьма чувствителен даже к незначительным изменениям кровотока.

Медицинское компьютерное оборудование для диагностики функционального состояния организма у больных, здоровых и спортсменов.

Физиология транспорта кислорода

Для выживания человек должен быть способен поглощать кислород из атмосферы и транспортировать его клеткам, где он используется в метаболизме. Некоторые клетки могут короткое время вырабатывать небольшое количество энергии без участия кислорода (анаэробный метаболизм). Другие органы (например, головной мозг) состоят из клеток, которые могут существовать только при наличии постоянного снабжения кислородом (аэробный метаболизм). Различные ткани имеют различную степень толерантности к аноксии (отсутствие кислорода). Мозг и сердце - наиболее уязвимые органы. Вначале недостаток кислорода поражает функцию органа, а с течением времени вызывает и необратимые морфологические изменения (в течение минут в случае с мозгом), когда восстановление функции невозможно.

Транспорт кислорода из воздуха тканям.

Кислород доставляется из воздуха, которым мы дышим, каждой клетке организма. В целом, газы перемещаются из области высокой концентрации (давления) в зону низкой концентрации (давления). Если в резервуаре имеется смесь газов, то давление каждого газа (парциальное давление) равняется давлению, при котором находился бы газ, будь он в резервуаре один.

Из атмосферы к альвеолам.

Воздух (атмосфера) вокруг нас имеет давление 760 мм Hg (1 атмосфера = 760 мм Hg = 101 кРа). Воздух содержит 21% кислорода, 78% азота и небольшое количество СО₂, аргона и гелия. Давление, создаваемое двумя основными газами, смешанными вместе, равняется общему или атмосферному давлению. Давление кислорода (РО₂) в сухом воздухе на уровне моря равняется 159 мм Hg (21/100 х 760 = 159). При вдохе воздух, продвигающийся по верхним дыхательным путям, нагревается и увлажняется. Влажность, формирующаяся парами воды, создает давление, которое при 37 градусах в трахее составляет 47 мм Hg. Беря в расчет давление водяных паров, РО₂ в трахее при дыхании воздухом (760-47) х 21/100 = 150 мм Hg. При достижении альвеол РО₂ падает до 100 мм Hg. Это происходит из-за того, что в альвеолах идет процесс постоянного поступления О₂ извне (дыхание) и удаления его из организма легочными капиллярами.

Из альвеол в кровь.

Кровь, возвращающаяся к сердцу из тканей, имеет низкое РО₂ (40 мм Hg). Она идет к легким по легочным артериям. Легочные артерии образуют легочные капилляры, окружающие альвеолы. Кислород диффундирует из альвеол - зоны высокого Р_АО₂ (100 мм Hg) в капилляры - зону низкого РаО₂ (40 мм Hg). После оксигенации кровь поступает по легочным венам в левые отделы сердца и далее в ткани организма. В «идеальном легком» РаО₂ крови в легочных венах должно равняться Р_АО₂ в альвеолах. Три фактора делают РО₂ венозной крови ниже альвеолярного: нарушение вентиляционно/перфузионных (V/Q) отношений, шунт и медленная диффузия.

Нарушение вентиляционно/перфузионных отношений.

В «идеальном легком» все альвеолы получали бы одинаковую степень вентиляции и капилляризации с одинаковым током крови по ним.

Пораженные легкие могут иметь значительный дисбаланс между вентиляцией и кровотоком. Некоторые альвеолы сравнительно гипервентилируются, другие же «гиперперфузируются». Наиболее яркой формой этого нарушения является шунт, когда кровь протекает по альвеолам без газообмена (рисунок 1). Хорошо вентилируемые альвеолы (с высоким РО₂ в капиллярной крови) не способны компенсировать газообмен при наличии большого числа невентилируемых альвеол с низким РО₂ в капиллярах. Это происходит из-за того, что гемоглобин способен нести лимитированное количество кислорода (см. кривую диссоциации оксигемоглобина, рис. 2а). Легочная венозная кровь (смешанная кровь всех легочных капилляров) будет иметь меньшее РО₂, чем в альвеолах. Даже нормальные легкие имеют некоторый вентиляционно/перфузионный дисбаланс; верхние зоны сравнительно лучше вентилируются, тогда как нижние - лучше перфузируются, но гиповентилируются.

Рис. 1. Отражена норма и два типа V/Q нарушений, таких как шунт и мертвое пространство.

Шунт имеет место, когда деоксигенированная венозная кровь, возвращающаяся от тканей проходит через невентилируемые альвеолы и поступает в легочные вены и большой круг кровообращения с неизмененным РО₂ (40 мм Hg) (рисунок 1). Ателектазы (коллабированные альвеолы), уплотнение легкого, отек легких или обструкция дыхательных путей малого калибра (см. ниже) вызывают развитие шунта.

Диффузия.

Кислород диффундирует из альвеол в капилляры до момента выравнивания РО₂ в капиллярах и альвеолах. Этот процесс завершается, когда кровь проходит одну треть пути по легочному капилляру. В интактных легких процесс диффузии происходит очень быстро и завершается даже при высоком сердечном выбросе (нагрузка), когда кровь находится меньшее время в контакте с альвеолами. Этого может не происходить в поврежденной капиллярной сети легких (легочные заболевания). Однако, легкие имеют широкий диапазон компенсации и проблемы, связанные с неадекватной диффузией газов - редкая причина гипоксии, за исключением случаев альвеолярного фиброза.

Для нивелирования негативных эффектов легочного шунта и вентиляционно/перфузионных нарушений на оксигенацию крови легочные сосуды обладают способностью к вазоконстрикции — таким образом снижается кровоток по плохо вентилируемым зонам. Это называется гипоксической легочной вазоконстрикцией, снижающей эффект шунта.

Транспорт кислорода кровью.

Кислород переносится кровью в двух формах. Большая часть связывается с гемоглобином (рисунок 2b), но также имеется очень небольшая доля кислорода, растворенного в плазме. Каждый грамм гемоглобина при полном насыщении способен переносить 1,31 мл кислорода. Таким образом, каждый литр крови с концентрацией гемоглобина 15 г/дл (150 г/л - пер.) может переносить около 200 мл кислорода при полном насыщении (РО₂ >100 мм Hg). При этом РО₂ всего 3 мл кислорода растворится в каждом литре плазмы.

Если РаО₂ значительно повышено (при дыхании 100% кислородом), небольшое количество кислорода растворится в плазме (0,003 мл О₂/100 мл крови/мм Hg РО₂), но при этом гемоглобин при сатурации > 95% не способен продолжать связываться с кислородом. При рассмотрении адекватности доставки кислорода тканям следует иметь в виду три фактора: концентрация гемоглобина, сердечный выброс и оксигенация.

Кислородный каскад.

Кислород перемещается по градиенту из зоны более высокой концентрации в воздухе через дыхательные пути, смешиваясь с альвеолярным газом, далее поступает в артериальную кровь, капилляры и, наконец, в клетку. РО₂ достигает минимального уровня (4-20 мм Hg) в митохондриях (структурное образование клетки, ответственное за продукцию энергии). Это снижение парциального давления кислорода от воздуха к митохондрии известно как кислородный каскад, каждая ступень которого может быть затронута патологическим процессом и вызывать гипоксию (рисунок 3).

Рис. 2а. Кривая диссоциации HbО₂ при рН=7,4, РСО₂= 40 ммHg и 37 о С. Рис. 2b. Относительные доли О₂, растворенного в плазме, и О₂, связанного с Hb (концентрация Hb = 15г/100 мл крови).

Доставка кислорода.

Количество кислорода, доступного для организма за минуту, известно как доставка кислорода и равняется сердечному выбросу х содержание кислорода в артериальной крови (см. выше). Например, 5000 мл крови/мин х 200 мл О₂/1000 мл крови = 1000 мл О₂/мин. Доставка кислорода (млО₂/мин) = сердечный выброс (л/мин) х концентрация Нb (г/л) х 1,30 (млО₂/г Hb) х % сатурации.

Рис. 3. Кислородный каскад.

Эффекты гиповентиляции показаны тонким пунктиром, шунта — ширным.

Потребление кислорода.

Человеком в покое каждую минуту потребляет около 250 мл кислорода (потребление кислорода), то есть используется всего 25% кислорода артериальной крови. Гемоглобин в смешанной венозной крови насыщен примерно на 75% (95% — 25%).

Клеткам доставляется больше кислорода, чем они могут использовать. При высоком потреблении кислорода (например, при физической нагрузке) повышенная потребность компенсируется повышением сердечного выброса (см. формулу выше). Однако низкий сердечный выброс, низкое содержание гемоглобина (анемия) или низкая сатурация гемоглобина приведет к неадекватной доставке кислорода, если не произойдет компенсаторных изменений в одном из перечисленных звеньев. С другой стороны, если доставка кислорода падает на уровень потребления кислорода, ткани начинают экстрагировать большее его количество (сатурация смешанной венозной крови падает ниже 70%)(рис. 4 а-b). Снижение доставки ниже точки «с» на рисунке 4 не может быть компенсировано повышением экстракции кислорода и ведет к анаэробному метаболизму и лактат ацидозу.

Запасы кислорода.

Несмотря на огромную важность кислорода, его запасы в организме человека невелики и недостаточны для поддержания жизни более, чем несколько минут. При отсутствии дыхания запасы кислорода ограничены его наличием в легких и крови. Количество кислорода в рови зависит от объема циркулирующей крови и концентрации Hb. Количество в легких - от величины функциональной остаточной емкости (ФОЕ) и альвеолярной концентрации кислорода. ФОЕ это объем воздуха (около 3 литров у взрослых), который остается в легких в конце выдоха, когда эластические силы легких находятся в равновесии с диафрагмой и расслабленной грудной клеткой. При дыхании общий запас кислорода (кислород крови и легких) невелик и так как в основном он связан с гемоглобином (см. рис. 5), только небольшая его часть высвобождается при отсутствии недопустимого падения РО₂ (когда насыщение — сатурация гемоглобина 50% и РО₂ снижено до 26 мм Hg). Дыхание 100% кислородом приводит к значительному увеличению запасов кислорода в организме, так как ФОЕ заполнена кислородом. Основной компонент запаса теперь находится в легких и 80% его может быть использовано без опасности критического снижения сатурации гемоглобина (Р_АО₂ остается около 100 ммHg). Это объясняет эффективность преоксигенации (см. ниже).

Транспорт кислорода - эффекты анестезии.

Гиповентиляция может возникать во время анестезии вследствие обструкции дыхательных путей, действия ингаляционных анестетиков, опиоидов и гипнотиков. С другой стороны, при анестезии кетамином и эфиром (менее 1 МАК) наблюдается менее выраженная депрессия дыхания, чем при использовании других анестетиков. Альвеолярное РО₂ сбалансировано поступлением кислорода при дыхании и его потреблением в метаболических процессах организма. Гиповентиляция и сниженная вдыхаемая концентрация кислорода приведет к падению альвеолярного Р_АО₂. Повышенное потребление кислорода при растущих метаболических потребностях, например, при послеоперационном ознобе или злокачественной гипертермии также приводит к снижению РaО₂.

При падении РаО₂ ниже 60 мм Hg хеморецепторы каротидного синуса и дуги аорты вызывают гипервентиляцию и повышение сердечного выброса через стимуляцию симпатической нервной системы. Эту нормальную протективную реакцию на гипоксию подавляют анестетики в интра- и послеоперационном периоде.

После индукции в наркоз наблюдается быстрое снижение ФОЕ, приводящее с закрытию мелких бронхиол, особенно в зависимых частях легких, которые спадаются и находятся в закрытом состоянии втечение всего респираторного цикла. Некоторые альвеолы при этом не вентилируются и возникает шунт.

Нарастают V/Q нарушения, что приводит к снижению сатурации крови в легочных венах ниже, чем в капиллярах вентилируемых альвеол. Ситуация усугубляется во время индукции в наркоз, когда примесь неоксигенированной крови может составлять не 1%, а 10%. За исключением пациентов с сохраненным спонтанным дыханием на фоне анестезии кетамином подобная картина возникает вне зависимости от использованного анестетика и от того, вводились ли пациенту миорелаксанты. Это следует рассматривать как неизбежный побочный эффект анестезии. Ингаляционные анестетики подавляют легочную гипоксическую вазоконстрикцию и кровоток по невентилируемым альвеолам не снижается. Многие анестетики снижают сердечный выброс и соответственно доставку кислорода. При анестезии на 15% падает уровень метаболизма и, следовательно, потребность в кислороде. Искусственная вентиляция снижает потребности в кислороде на 6% вследствие отсутствия работы дыхательной мускулатуры. Анестетики не влияют на кислородотранспортные свойства гемоглобина.

10.3.1. Диффузия кислорода и углекислого газа через аэрогематический барьер

Перенос О₂ из альвеолярного газа в кровь и CO₂ из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии. Ее движущей силой служат разности (градиенты) парциальных давлений (напряжений) O₂ и СО₂ по обе стороны аэрогематического барьера, образованного альвеолокапиллярной мембраной (см. табл. 10.1). Никакого механизма активного транспорта газов здесь нет.

Кислород и углекислый газ диффундируют в растворенном состоянии: все воздухоносные пути увлажнены слоем слизи. Важное значение для облегчения диффузии 0₂ имеет сурфактантная выстилка альвеол, так как кислород растворяется в фосфолипидах, входящих в состав сурфактантов, гораздо лучше, чем в воде.

В ходе диффузии через аэрогематический барьер молекулы растворенного газа должны преодолеть (рис. 10.25): слой сурфактанта, альвеолярный эпителий,

две основные мембраны, эндотелий кровеносного капилляра. Ввиду того что в транспорте дыхательных газов существенную роль играют эритроциты, к этому списку добавляются слой плазмы и мембрана эритроцита.

Диффузионная способность легких для кислорода очень велика. Это обусловлено огромным числом (сотни миллионов) альвеол и большой их газообменной поверхностью (у человека она составляет около 100 м 2 ), а также малой толщиной (порядка 1 мкм) альвеолокапиллярной мембраны. Диффузионная способность легких у человека равна примерно 25 мл О₂/мин в расчете на 1 мм рт. ст. градиента парциальных давлений кислорода. При учете того, что градиент Ро₂ между притекающей к легким венозной кровью и альвеолярным газом обычно превышает 50 мм рт. ст., этого оказывается вполне достаточно, чтобы за время прохождения через легочный капилляр (около 0,8 с) напряжение кислорода в ней успело уравновеситься с альвеолярным Ро₂. Несколько более низкое (на 3—6 мм рт. ст.) артериальное Роз по сравнению с альвеолярным объясняется проникновением венозной крови в артериальную через невентилируемые альвеолы, а также артериовенозные шунты. Лишь при ускорении легочного кровотока, например при тяжелой мышечной работе, когда время прохождения крови через капилляры альвеол может сокращаться до 0,3 с, наблюдается недонасыщение крови кислородом в легких, что, однако, возмещается увеличением минутного объема крови (рис. 10.26).

Что касается диффузии СО₂ из венозной крови в альвеолы, то даже сравнительно небольшого градиента Рсо₂, (6—10 мм рт. ст.) здесь оказывается вполне достаточно, так как растворимость углекислого газа в 20—25 раз больше, чем у кислорода. Поэтому после прохождения крови через легочные капилляры Рсо₂ в ней оказывается почти равным альвеолярному — обычно около 40 мм рт. ст.

10.3.2. Транспорт кислорода кровью

Лишь небольшая часть О₂ (около 2%), переносимого кровью, растворена в плазме. Основная его часть транспортируется в форме непрочного соединения с гемоглобином, который у позвоночных содержится в эритроцитах. В молекулы этого дыхательного пигмента входят видоспецифичный белок — глобин и одинаково построенная у всех животных простетическая группа — гем, содержащая двухвалентное железо (рис. 10.27).

Присоединение кислорода к гемоглобину (оксигенация гемоглобина) происходит без изменения валентности железа, т. е. без переноса электронов, характеризующего истинное окисление. Тем не менее гемоглобин, связанный с кислородом, принято называть окисленным (правильнее — оксигемоглобин), а отдавший кислород — восстановленным (правильнее — дезоксигемоглобин).

1 г гемоглобина может связать 1,36 мл газообразного О₂ (при нормальном атмосферном давлении). Учитывая, к примеру, что в крови человека содержится примерно 150 г/л гемоглобина, 100 мл крови могут переносить около 21 мл О₂. Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигенация гемоглобина (иначе говоря, процент, на который используется кислородная емкость крови) зависит от парциального давления 0₂ в среде, с которой контактирует кровь. Такая зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 10.28). Сложная S—образная форма этой кривой объясняется кооперативным эффектом четырех полипептидных цепей гемоглобина, кислородсвязывающие свойства (сродство к О₂) которых различны.

Благодаря такой особенности венозная кровь, проходя легочные капилляры (альвеолярное РO₂ приходится на верхнюю часть кривой), оксигенируется почти полностью, а артериальная кровь в капиллярах тканей (где Ро₂ соответствует крутой части кривой) эффективно отдает О₂. Отдаче кислорода способствует

содержащийся в эритроцитах 2,3—дифосфоглицерат, синтез которого усиливается при гипоксии и интенсификации окислительного процесса в тканях.

Кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо при повышении температуры и при увеличении концентрации водородных ионов в среде которая, в свою очередь, зависит от Рсо₂ (эффект Вериго—Бора). Поэтому создаются условия для более полной отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях особенно там, где выше интенсивность метаболизма, например в работающих мышцах. Однако и в венозной крови большая или меньшая часть (от 40 до 70%) гемоглобина остается в оксигенированной форме. Так, у человека каждые 100 мл крови отдают тканям 5—6 мл О₂ (так называемая артерио—венозная разница по кислороду) и, естественно, на ту же величину обогащаются кислородом в легких.

Сродство гемоглобина к кислороду измеряется величиной парциального давления кислорода, при которой гемоглобин насыщается на 50% (Р₅₀) у человека оно составляет в норме 26,5 мм рт. ст. для артериальной крови. Параметр Р₅₀ отражает способность дыхательного пигмента связывать кислород. Этот параметр выше для гемоглобина животных, обитающих в бедной кислородом среде, а также для так называемого фетального гемоглобина, который содержится в крови плода, получающего кислород из крови матери через плацентарный барьер.

Читайте также: