Переносчиком O2 от легких к тканям и С02 от тканей в легкие является кровь. В растворенном состоянии в плазме крови дыхательных газов переносится мало. 6 основном они транспортируются в связанном состоянии.
Транспортировку кислорода. Количество растворенного в крови кислорода составляет 0,03 мл на 1 л крови / мм рт. ст. В артериальной крови Ро2 = 100 мм рт. ст., поэтому в 1 л ее транспортируется растворенного кислорода только 3 мл.
Главная часть O2 транспортируется кровью в виде химического соединения с гемоглобином - оксигемоглобин: Нb + O2 → НbO2. В связи с тем, что гемоглобин состоит из 4 субъединиц, 1 моль гемоглобина может связать 4 моли О2. Это означает, что 1 г Нb присоединяет 1,34 мл O2 (число Хюфнер). Зная число Хюфнер (1,34) и количество гемоглобина ВИЧ крови (150 г), можно рассчитать кислородную емкость крови (КЕК), которая составит: 1,34 мл O2 150 = 200 мл О2 / л. КЕК - это максимальное количество O2, который может связать кровь при полном насыщении гемоглобина кислородом.
Однако в естественных условиях гемоглобин оксигенуеться не полностью. Согласно закону действующих масс, насыщения гемоглобина кислородом (в%) зависит от напряжения кислорода (Ро2) в крови. Графически эту зависимость отражает так называемая кривая диссоциации оксигемоглобина, что S-образную форму (рис. 11.14). Комбинация первого гема в молекуле Нb с O2 усиливает сродство второго тему для O2, а оксигенация другой - усиливает сродство третьего и так далее, следовательно, родство Нb для четвертой молекулы O2 в несколько раз больше, чем для первой.
Когда напряжение O2 равна 0, в крови находится восстановленный гемоглобин - дезоксигемоглобин. Повышение напряжения O2 сопровождается увеличением количества оксигемоглобина, но этот прирост имеет не линейный характер, а S-образный. Особенно быстро нарастает концентрация оксигемоглобина при повышении Ро2 от 10 до 40 мм рт. ст. При Ро2 равном 60 мм рт. ст. оксигемоглобин достигает 90%. При дальнейшем нарастании Ро2 насыщения гемоглобина крови идет очень медленно и кривая диссоциации переходит из крутого к пологому роста.
Пологая часть свидетельствует, что в этих условиях содержание оксигемоглобина мало зависит от напряжения кислорода (Ро2) и его парциального давления во вдыхаемом и альвеолярном воздухе. Например, при поднятии на высоту 2 км атмосферное давление снижается с 760 до 600 мм рт. ст., а содержание оксигемоглобина - на 3%. Таким образом, пологая часть кривой диссоциации отражает способность связывать большее количество 02, несмотря на умеренное снижение парциального давления во вдыхаемом воздухе.
Крутой наклон среднего участка кривой диссоциации оксигемоглобина свидетельствует о благоприятной ситуации для отдачи кислорода тканям. При необходимости органов в кислороде он должен высвобождаться в достаточном количестве даже в условиях отсутствия значительных сдвигов Ро2 в артериальной крови. В состоянии покоя Ро2 в области венозного конца капилляра составляет 40 мм рт. ст. (5,3 кПа), что соответствует 73 % насыщения (см. Рис. 11.14).
РИС. 11.14. Кривая диссоциации оксигемоглобина в норме - красная линия, и под влиянием родственных кислорода факторов - коричневая и синяя. Стрелочки вверх - увеличение величины действующих факторов, вниз - их уменьшения. Факторами, влияющими на сродство гемоглобина к кислороду, являются: pH, Рсо2, температура, концентрация 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ), HbF
Смещение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо. Уменьшение pH, увеличение Рсо2, повышение температуры крови, увеличение концентрации в эритроцитах 2,3-ДФГ сдвигает кривую справа - это значит, что при том же Ро2 диссоциация оксигемоглобина увеличивается: НЬ + 02 "- НЬ02. Это имеет место в капиллярах, которые приносят кровь к мышцам во время физической работы, когда снижается pH, повышается Рсо2, растет температура крови.
Эритроциты богаты 2,3-ДФГ, который является продуктом гликолиза. Это високообминний анион, который присоединяется к β-цепей дезоксигемоглобином. Один моль дезоксигемоглобином связывает 1 моль 2,3-ДФГ: НbO2 + 2.3-ДФГ → Нb-2,3-ДФГ + O2.
К факторам, которые влияют на концентрацию 2.3-ДФГ в эритроцитах, принадлежит pH. Поскольку ацидоз ингибирует гликолиз в эритроцитах, то при снижении pH концентрация 2,3-ДФГ уменьшается. При гипоксии увеличивается интенсивность гликолиза и соответственно - концентрация 2,3-ДФГ, что способствует увеличению диссоциации оксигемоглобина. Такие изменения имеют место при адаптации человека к гипоксии в условиях высокогорной местности.
Гемоглобин плода - фетальный гемоглобин (HbF) имеет большее сродство к кислороду, чем гемоглобин взрослых - НbА, что облегчает поступление кислорода от матери к плоду.
Смещение кривой диссоциации оксигемоглобина влево. При росте pH, снижении Рсо2, температуры и концентрации 2,3-ДФГ кривая диссоциации оксигемоглобина смещается влево; это означает, что меньше кислорода диффундирует в клетки организма.
Транспортировка СO7. Углекислый газ транспортируется кровью в виде:
■ физически растворенного (СО2) и в форме угольной кислоты (Н7С03) - 12%;
■ карбаминовой соединения (NHCOOH), упрощенно - карбогемоглобин 11%;
■ бикарбонатных ионов в эритроцитах - 27%;
■ остальные - 50% растворенные в плазме в форме НСО3-.
Напряжение СО2 в артериальной крови, поступающей в тканевые капилляры, составляет 40 мм рт. ст. В клетках вследствие метаболизма образуется значительное количество СО2 (Рсо2 - 70 мм рт. Ст.), Который благодаря градиенту напряжения диффундирует в плазму крови и в эритроциты.
В эритроцитах большая часть СО2 связывается с водой и под воздействием фермента карбоангидразы образуется угольная кислота СО2 + Н2О = Н2СO3, которая распадается на ион водорода и бикарбонат Н2СO3 → H + + НСО 3. НСO3 переходит в плазму в обмен на анион хлора (хлоридное сдвиг) (рис. 11.15). Ион Н + связывается с восстановленным НЬ (дезоксигемоглобином), образуя слабую кислоту ННb, которая соединяется с СО2.
В то же время кислород диффундирует в клетки организма, способствует диффузии СО2 в кровь, потому дезоксигемоглобин является слабой кислотой, чем оксигемоглобин, и может присоединять больше ионов водорода, в результате чего повышается степень диссоциации Н2СO3 → Н + + НСО 3, увеличивается транспортировки СО2 кровь "ю (эффект Холдейна).
В плазме НСО3- взаимодействует с катионами и создает соли угольной кислоты (NaHCO3), которые транспортируются в легочных капилляров.
Небольшая часть СО2 в эритроцитах соединяется с конечными аминогруппами глобиновой части молекулы гемоглобина, образуя соединение карбамата: HbNH2 + СО2 = HbNHCOOH + Н +. Кроме этого, карбаминови соединения в малом количестве образуются с белками плазмы крови.
В легких все реакции идут наоборот. НСО3- входит в эритроциты в обмен на ионы Сl - . Ионы Н + вместе с ионами НСО3- образуют Н2СO3, которая расщепляется под воздействием карбоангидразы на СО2 и Н2О. Углекислый газ диффундирует в альвеолы и выдыхается.
Переносчиком кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким является кровь. В свободном (растворенном) состоянии переносится лишь небольшое количество этих газов. Основное количество кислорода и углекислого газа переносится в связанном состоянии.
Транспорт кислорода. Кислород, растворяющийся в плазме крови капилляров малого круга кровообращения, диффундирует в эритроциты, сразу связывается с гемоглобином, образуя оксигемоглобин. Скорость связывания кислорода велика: время полунасыщения гемоглобина кислородом около 3 мс. Один грамм гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода, в 100 мл крови 16 г гемоглобина и, следовательно, 19,0 мл кислорода. Эта величина называется кислородной емкостью крови (КЕК).
Превращение гемоглобина в оксигемоглобин определяется напряжением растворенного кислорода. Графически эта зависимость выражается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 6.3).
На рисунке видно, что даже при небольшом парциальном давлении кислорода (40 мм рт. ст.) с ним связывается 75-80% гемоглобина.
При давлении 80-90 мм рт. ст. гемоглобин почти полностью насыщается кислородом.
Рис. 6.3.
Кривая диссоциации имеет 5-образную форму и состоит из двух частей - крутой и отлогой. Отлогая часть кривой, соответствующая высоким (более 60 мм рт. ст.) напряжениям кислорода, свидетельствует о том, что в этих условиях содержание оксигемоглобина лишь слабо зависит от напряжения кислорода и его парциального давления во вдыхаемом и альвеолярном воздухе. Верхняя отлогая часть кривой диссоциации отражает способность гемоглобина связывать большие количества кислорода, несмотря на умеренное снижение его парциального давления во вдыхаемом воздухе. В этих условиях ткани достаточно снабжаются кислородом (точка насыщения).
Крутая часть кривой диссоциации соответствует напряжению кислорода, обычному для тканей организма (35 мм рт. ст. и ниже). В тканях, поглощающих много кислорода (работающие мышцы, печень, почки), оксигемоглобин диссоциирует в большей степени, иногда почти полностью. В тканях, в которых интенсивность окислительных процессов мала, большая часть оксигемоглобина не диссоциирует.
Свойство гемоглобина - легко насыщаться кислородом даже при небольших давлениях и легко его отдавать - очень важно. Благодаря легкой отдаче гемоглобином кислорода при снижении его парциального давления обеспечивается бесперебойное снабжение тканей кислородом, в которых вследствие постоянного потребления кислорода его парциальное давление равно нулю.
Распад оксигемоглобина на гемоглобин и кислород увеличивается с повышением температуры тела (рис. 6.4 ).
Рис. 6.4.
А - в зависимости от реакции среды (pH); Б - от температуры; В - от содержания солей; Г - от содержания углекислого газа. По оси абцисс - парциальное давление кислорода (в мм рт. ст.), по оси ординат - степень насыщения (в %)
Диссоциация оксигемоглобина зависит от реакции среды плазмы крови. С увеличением кислотности крови возрастает диссоциация оксигемоглобина (рис. 6.4, А).
Связывание гемоглобина с кислородом в воде осуществляется быстро, но полного его насыщения не достигается, как и не происходит полной отдачи кислорода при снижении его парциального давления. Более полное насыщение гемоглобина кислородом и полная его отдача при понижении напряжения кислорода происходят в растворах солей и в плазме крови (см. рис. 6.4, В).
Особое значение в связывании гемоглобина с кислородом имеет содержание углекислого газа в крови: чем больше его содержание в крови, тем меньше связывается гемоглобина с кислородом и тем быстрее происходит диссоциация оксигемоглобина. На рис. 6.4, Г показаны кривые диссоциации оксигемоглобина при разном содержании углекислого газа в крови. Особенно резко понижается способность гемоглобина соединяться с кислородом при давлении углекислого газа, равном 46 мм рт. ст., т.е. при величине, соответствующей напряжению углекислого газа в венозной крови. Влияние углекислого газа на диссоциацию оксигемоглобина очень важно для переноса газов в легких и тканях.
В тканях содержится большое количество углекислого газа и других кислых продуктов распада, образующихся в результате обмена веществ. Переходя в артериальную кровь тканевых капилляров, они способствуют более быстрому распаду оксигемоглобина и отдаче кислорода тканям.
В легких же по мере выделения углекислого газа из венозной крови в альвеолярный воздух с уменьшением содержания углекислого газа в крови увеличивается способность гемоглобина соединяться с кислородом. Тем самым обеспечивается превращение венозной крови в артериальную.
Транспорт углекислого газа. Известны три формы транспорта двуокиси углерода:
- физически растворенный газ - 5-10%, или 2,5 мл/100 мл крови;
- химически связанный в бикарбонатах: в плазме NaHC0 3 , в эритроцитах КНС0 3 - 80-90%, т.е. 51 мл/100 мл крови;
- химически связанный в карбаминовых соединениях гемоглобина - 5-15%, или 4,5 мл/100 мл крови.
Углекислый газ непрерывно образуется в клетках и диффундирует в кровь тканевых капилляров. В эритроцитах он соединяется с водой и образует угольную кислоту. Этот процесс катализируется (ускоряется в 20 000 раз) ферментом карбоангидразой. Карбоангидраза содержится в эритроцитах, в плазме крови ее нет. Поэтому гидратация углекислого газа происходит практически только в эритроцитах. В зависимости от напряжения углекислого газа карбоангидраза катализируется с образованием угольной кислоты, так и расщеплением ее на углекислый газ и воду (в капиллярах легких).
Часть молекул углекислого газа соединяется в эритроцитах с гемоглобином, образуя карбогемоглобин.
Благодаря указанным процессам связывания напряжение углекислого газа в эритроцитах оказывается невысоким. Поэтому все новые количества углекислого газа диффундируют внутрь эритроцитов. Концентрация ионов НС0 3 - , образующихся при диссоциации солей угольной кислоты, в эритроцитах возрастает. Мембрана эритроцитов обладает высокой проницаемостью для анионов. Поэтому часть ионов НС0 3 - переходит в плазму крови. Взамен ионов НС0 3 - в эритроциты из плазмы входят ионы С1 _ , отрицательные заряды которых уравновешиваются ионами К + . В плазме крови увеличивается количество бикарбоната натрия (NaHC0 3 -).
Накопление ионов внутри эритроцитов сопровождается повышением в них осмотического давления. Поэтому объем эритроцитов в капиллярах большого круга кровообращения несколько увеличивается.
Для связывания большей части углекислого газа исключительно большое значение имеют свойства гемоглобина как кислоты. Окси- гемоглобин имеет константу диссоциации в 70 раз большую, чем дезоксигемоглобин. Оксигемоглобин - более сильная кислота, чем угольная, а дезоксигемоглобин - более слабая. Поэтому в артериальной крови оксигемоглобин, вытеснивший ионы К + из бикарбонатов, переносится в виде соли КНЬ0 2 . В тканевых капиллярах КНЬ0 2 отдает кислород и превращается в КНЬ. Из него угольная кислота как более сильная вытесняет ионы К + :
Таким образом, превращение оксигемоглобина в гемоглобин сопровождается увеличением способности крови связывать углекислый газ. Это явление носит название эффекта Холдейна. Гемоглобин служит источником катионов (К +), необходимых для связывания угольной кислоты в форме бикарбонатов.
Итак, в эритроцитах тканевых капилляров образуется дополнительное количество бикарбоната калия, а также карбогемоглобин, а в плазме крови увеличивается количество бикарбоната натрия. В таком виде углекислый газ переносится к легким.
В капиллярах малого круга кровообращения напряжение углекислого газа снижается. От карбогемоглобина отщепляется С0 2 . Одновременно происходит образование оксигемоглобина, увеличивается его диссоциация. Оксигемоглобин вытесняет калий из бикарбонатов. Угольная кислота в эритроцитах (в присутствии карбоангидразы) быстро разлагается на воду и углекислый газ. Ионы НС0 3 “ входят в эритроциты, а ионы СГ входят в плазму крови, где уменьшается количество бикарбоната натрия. Углекислый газ диффундирует в альвеолярный воздух. Схематически все эти процессы представлены на рис. 6.5 .
Рис. 6.5.
- См.: Физиология человека / Под ред. А. Косицкого.
- См.: Леонтьева Н.Н, Маринова К.В. Указ. соч.
Газообмен 02 и СО2 через альвеолярно-капиллярную мембрану происходит с помощью диффузии, которая осуществляется в два этапа. На первом этапе диффузионный перенос газов происходит через аэрогематический барьер, на втором - происходит связывание газов в крови легочных капилляров, объем которой оставляет 80-150 мл при толщине слоя крови в капиллярах всего 5-8 мкм. Плазма крови практически не препятствует диффузии газов, в отличие от мембраны эритроцитов.
Структура легких создает благоприятные условия для газообмена: дыхательная зона каждого легкого содержит около 300 млн альвеол и примерно такое же число капилляров, имеет площадь 40-140 м 2 при толщине аэрогематического барьера всего 0,3-1,2 мкм.
Особенности диффузии газов количественно харктеризуются через диффузионную способность легких. Для 02 диффузионная способность легких - это объем газа, переносимого из альвеол в кровь в 1 минуту при градиенте альвеолярно-капиллярного давления газа, равном 1 мм рт.ст.
Движение газов происходит в результате разницы парциальных давлений. Парциальное давление - это та часть давления, которую составляет данный газ из общей смеси газов. Пониженное давление 0„ в ткани способствует движению кислорода к ней. Для СО2 градиент давления направлен в обратную сторону, и СО с выдыхаемым воздухом уходит в окружающую среду. Изучение физиологии дыхания фактически сводится к изучению этих градиентов и того, как они поддерживаются.
Градиент парциального давления кислорода и углекислого газа это сила, с которой молекулы этих газов стремятся проникнуть через альвеолярную мембрану в кровь. Парциальное напряжение газа в крови или тканях - это сила, с которой молекулы растворимого газа стремятся выйти в газовую среду.
На уровне моря атмосферное давление составляет в среднем 760 мм рт.ст., а процентное содержание кислорода - около 21%. В этом случае р02 в атмосфере составляет: 760 х 21/100=159 мм рт.ст. При вычислении парциального давления газов в альвеолярном воздухе следует учитывать, что в этом воздухе присутствуют пары воды (47 мм рт.ст.). Поэтому это число вычитают из значения
атмосферного давления, и на долю парциального давления газов приходится (760 - 47) == 713 мм рт.ст. При содержании кислорода в альвеолярном воздухе, равном 14 %, его парциальное давление будет 100 мм рт. ст. При содержании двуокиси углерода, равном 5,5%, парциальное давление Сопоставит примерно 40 мм рт.ст.
В артериальной крови парциальное напряжение кислорода достигает почти 100 мм рт.ст., в венозной крови - около 40 мм рт.ст., а в тканевой жидкости, в клетках - 10 - 15 мм рт.ст. Напряжение углекислого газа в артериальной крови составляет около 40 мм рт.ст., в венозной - 46 мм рт.ст., а в тканях - до 60 мм рт.ст.
Газы в крови находятся в двух состояниях: физически растворенном и химически связанном. Растворение происходит в соответствии с законом Генри, согласно которому количество газа, растворенного в жидкости, прямо пропорционально парциальному давлению этого газа над жидкостью. На каждую единицу парциального давления в 100 мл крови растворяется 0,003 мл 02, или 3 мл/л крови.
Каждый газ имеет свой коэффициент растворимости. При температуре тела растворимость СО2 в 25 раз больше, чем 02. Из-за хорошей растворимости углекислоты в крови и тканях СО2 переносится в 20 раз легче, чем 02. Стремление газа переходить из жидкости в газовую фазу называют напряжением газа. В обычных условиях в 100 мл крови находится в растворенном состоянии всего 0,3 мл 02 и 2,6 мл СО2. Такие величины не могут обеспечить запросы организма в 02.
Газообмен кислорода между альвеолярным воздухом и кровью происходит благодаря наличию концентрационного градиента 02 между этими средами. Транспорт кислорода начинается в капиллярах легких, где основная масса поступающего в кровь 02 вступает в химическую связь с гемоглобином. Гемоглобин способен избирательно связывать 02 и образовывать оксигемоглобин (НвО2). Один грамм гемоглобина связывает 1,36 - 1,34 мл О 2 а в 1 литре крови содержится 140-150 г гемоглобина. На 1 грамм гемоглобина приходится 1,39 мл кислорода. Следовательно, в каждом литре крови максимально возможное содержание кислорода в химически связанной форме составит 190 - 200 мл 02, или 19 об% - это кислородная емкость крови. Кровь человека содержит примерно 700-800 г гемоглобина и может связывать 1 л кислорода.
Под кислородной емкостью крови понимают количество О 2которое связывается кровью до полного насыщения гемоглобина. Изменение концентрации гемоглобина в крови, например, при анемиях, отравлениях ядами изменяет ее кислородную емкость. При рождении в крови у человека более высокие значения кислородной емкости и концентрации гемоглобина. Насыщение крови кислородом выражает отношение количества связанного кислорода к кислородной емкости крови, т.е. под насыщением крови 0^
подразумевается процент оксигемоглобина по отношению к имеющемуся в крови гемоглобину. В обычных условиях насыщение 0^ составляет 95-97%. При дыхании чистым кислородом насыщение крови 0^ достигает 100%, а при дыхании газовой смесью с низким содержанием кислорода процент насыщения падает. При 60-65% наступает потеря сознания.
Зависимость связывания кислорода кровью от его парциального давления можно представить в виде графика, где по оси абсцисс откладывается р02 в крови, по ординате - насыщение гемоглобина кислородом. Этот график - кривая диссоциации оксигемоглобина, или сатурационная кривая, показывает, какая доля гемоглобина в данной крови связана с 02 при том или ином его парциальном давлении, а какая - диссоциирована, т.е. свободна от кислорода. Кривая диссоциации имеет S-образную форму. Плато кривой характерно для насыщенной 02 (сатурированной) артериальной крови, а крутая нисходящая часть кривой - венозной, или десатурированной, крови в тканях (рис. 21).
Рис. 21. Кривые диссоциации оксигемоглобина цельной крови при различных рН крови (Л) и при изменении температуры (Б}
Кривые 1-6 соответствуют 0°, 10°, 20°, 30°, 38° и 43°С
Сродство кислорода к гемоглобину и способность отдавать 02 в тканях зависит от метаболических потребностей клеток организма и регулируется важнейшими факторами метаболизма тканей, вызывающими смещение кривой диссоциации. К этим факторам относятся: концентрация водородных ионов", температура, парциальное напряжение углекислоты и соединение, которое накапливается в эритроцитах - это 2,3-дифосфоглицератфосфат (ДФГ). Уменьшение рН крови вызывает сдвиг кривой диссоциации вправо, а увеличение рН крови - сдвиг кривой влево. Вследствие повышенного содержания СО2 в тканях рН также меньше, чем в плазме крови. Величина рН и содержание СО2 в тканях организма изменяют сродство гемоглобина к О 2 Их влияние на кривую диссоциации оксигемоглобина называется эффектом Бора (Х.Бор, 1904). При повышении концентрации водородных ионов и парциального напряжения СО2 в среде сродство гемоглобина к кислороду снижается. Этот «эффект» имеет важное приспособительное значение: СО2 в тканях поступает в капилляры, поэтому кровь при том же р02 способна освободить больше кислорода. Образующийся при расщеплении глюкозы метаболит 2,3-ДФГ также снижает сродство гемоглобина к кислороду.
На кривую диссоциации оксигемоглобина оказывает влияние также и температура. Рост температуры значительно увеличивает скорость распада оксигемоглобина и уменьшает сродство гемоглобина к О 2 Увеличение температуры в работающих мышцах способствует освобождению О 2 Связывание 02 гемоглобином снижает сродство его аминогрупп к СО2 (эффект Холдена). Диффузия СО2 из крови в альвеолы обеспечивается за счет поступления растворенного в плазме крови СО2 (5- 10%), из гидрокарбонатов (80-90%) и, наконец, из карбаминовых соединений эритроцитов (5- 15%), которые способны диссоциировать.
Углекислый газ в крови находится в трех фракциях: физически растворенный, химически связанный в виде бикарбонатов и химически связанный с гемоглобином в виде карбогемоглобина. В венозной крови углекислого газа содержится всего 580 мл. При этом на долю физически растворенного газа приходится 25 мл, на долю карбогемоглобина - около 45 мл, на долю бикарбонатов - 510 мл (бикарбонатов плазмы - 340 мл, эритроцитов - 170 мл). В артериальной крови содержание угольной кислоты меньше.
От парциального напряжения физически растворенного углекислого газа зависит процесс связывания СО2 кровью. Углекислота поступает в эритроцит, где имеется фермент карбоангидраза, который может в 10 000 раз увеличить скорость образования угольной кислоты. Пройдя через эритроцит, угольная кислота превращается в бикарбонат и переносится к легким.
Эритроциты переносят в 3 раза больше СО2, чем плазма. Белки плазмы составляют 8 г на 100 см 3 крови, гемоглобина же содержится в крови 15 г на 100 см 3 . Большая часть СО2 транспортируется в организме в связанном состоянии в виде гидрокарбонатов и карбаминовых соединений, что увеличивает время обмена СО2.
Кроме физически растворенного в плазме крови молекулярного СО2 из крови в альвеолы легких диффундирует СО 2 который высвобождается из карбаминовых соединений эритроцитов благодаря реакции окисления гемоглобина в капиллярах легкого, а также из гидрокарбонатов плазмы крови в результате их быст
рой диссоциации с помощью содержащегося в эритроцитах фермента карбоангидразы. Этот фермент в плазме отсутствует. Бикарбонаты плазмы для освобождения СО2 должны сначала проникнуть в эритроциты, чтобы подвергнуться действию карбоангидразы. В плазме находится бикарбонат натрия, а в эритроцитах - бикарбонат калия. Мембрана эритроцитов хорошо проницаема для СО2, поэтому часть СО2 быстро диффундирует из плазмы внутрь эритроцитов. Наибольшее количество бикарбонатов плазмы крови образуется при участии карбоангидразы эритроцитов.
Следует отметить, что процесс выведения СО2 из крови в альвеолы легкого менее лимитирован, чем оксигенация крови, так как молекулярный СО2 легче проникает через биологические мембраны, чем 0^.
Различные яды, ограничивающие транспорт 0^, такие как СО, нитриты, ферроцианиды и многие другие, практически не действуют на транспорт СО2. Блокаторы карбоангидразы также никогда полностью не нарушают образование молекулярного СО2. И наконец, ткани обладают большой буферной емкостью, но не защищены от дефицита О 2 Выведение СО2 легкими может нарушиться при значительном уменьшении легочной вентиляции (гиповентиляции) в результате заболевания легких, дыхательных путей, интоксикации или нарушении регуляции дыхания. Задержка СО2 приводит к дыхательному ацидозу - уменьшению концентрации бикарбонатов, сдвигу рН крови в кислую сторону. Избыточное выведение СО2 при гипервентиляции во время интенсивной мышечной работы, при восхождении на большие высоты может вызвать дыхательный алкалоз, сдвиг рН крови в щелочную сторону.
Транспорт газов находится в прямой зависимости от состояния органов кровообращения, поскольку именно они осуществляют перемещение крови, содержащей газы, от органов, осуществляющих газообмен, к тканям и клеткам организма. И от того, какой дебит кровотока обеспечивает сердце, каково сопротивление сосудов на периферии, сколько тканевых капилляров участвует в газообмене, зависит эффективность транспорта газов.
Схематически система
органов дыхания состоит из двух отделов. Первый отдел - это ротовая полость, глотка, гортань, трахея и бронхи. Трахея дихотомически делится на бронхи уменьшающихся калибров: от двух главных бронхов до бронхиол. Этот отдел дыхательной системы призван осуществлять кондиционирование, обеззараживание вдыхаемых газов и удаление различных продуктов, возникающих в результате метаболической деятельности легких, в виде бронхиального содержимого (мокроты).
Этот же отдел органов дыхания обеспечивает транспорт газов из внешней среды до бронхиол и альвеол.
Соответственно делению бронхов делится и легочная артерия так, что главным бронхам соответствуют основные стволы легочной артерии, долевым и сегментарным бронхам - долевые и сегментарные стволы, бронхиолам и альвеолам - прекапилляры и капилляры.
Легкие человека содержат около 300 млн. альвеол с общей площадью альвеолярной поверхности в 70-80 кв.м. В альвеолах, бронхиолах, а по последним данным и в мелких бронхах происходит обмен газов между поступившим воздухом и кровью.
Альвеолы представляют сложную структуру, объединяющую функционально тесно связанные между собой две системы- дыхания и кровообращения. Альвеолу с окутывающими ее капиллярами иногда называют аэроном.
Аэрон выполняет множество функций: транспорт газов в систему кровообращения, транспорт воды из альвеол в межклеточное пространство, регуляцию поверхностного натяжения в альвеоле (секреция сурфактанта), регуляцию объема циркулирующей крови, инактивацию и секрецию биологически активных белков, участвующих в обмене веществ и др.
Большинство
из этих функций реализуются в альвеоло-капиллярной , состоящей из нескольких слоев.
Схема альвеоло-капиллярной мембраны
позволяет видеть, сколько анатомических образований должен преодолеть путь диффузии газов: альвеолярный эпителий, базальную мембрану и интерстициальное пространство, плазму крови, оболочку эритроцита и его протоплазму. На каждом из этих образований при критических состояниях может возникнуть препятствие для диффузии. Наиболее часто таким образованием является легочный интерстиций, в котором при остром повреждении легких (респираторный дисресс синдром) может скапливаться транссудат и белковые вещества.
Принято выделять 4 этапа транспорта дыхательных газов
:
из атмосферы до бронхиол и альвеол;
из бронхиол и альвеол в легочные капилляры;
из легочных капилляров через легочные вены и камеры сердца в артериальную систему;
из артериальных капилляров к митохондриям тканевых клеток, в которых и осуществляется выработка энергии.
Образующаяся в тканях углекислота и оставшийся неиспользованным кислород проделывают обратный путь к легочным капиллярам, из которых через альвеолы и верхние дыхательные пути удаляются из организма.
И о . Сегодня вы узнаете о том, как транспортируются газы в нашей крови.
Переносчиком кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким является кровь. В свободном (растворенном) состоянии переносится настолько малое количество этих газов, что им смело можно пренебречь при оценке потребностей организма. Для простоты в дальнейшем будем считать, что основное количество кислорода и углекислого газа транспортируется в связанном состоянии.
Транспорт кислорода
Кислород транспортируется в виде оксигемоглобина. Оксигемоглобин - это комплекс гемоглобина и молекулярного кислорода.
Гемоглобин содержится в красных кровяных тельцах - эритроцитах . Эритроциты под микроскопом похожи на слегка приплюснутый бублик, дырку в котором забыли проткнуть до конца. Такая необычная форма позволяет эритроцитам взаимодействовать с окружающей кровью большей площадью, чем шарообразным клеткам (помните - из тел, имеющих равный объем, шар имеет минимальную площадь). А кроме того, эритроцит способен сворачиваться в трубочку, протискиваясь в узкий капилляр и добираясь в самые отдаленные уголки организма.
В 100 мл крови при температуре тела растворяется лишь 0,3 мл кислорода. Кислород, растворяющийся в плазме крови капилляров малого круга кровообращения, диффундирует в эритроциты, сразу же связывается гемоглобином, образуя оксигемоглобин, в котором кислорода 190 мл/л. Скорость связывания кислорода велика - время поглощения диффундировавшего кислорода измеряется тысячными долями секунды. В капиллярах альвеол с соответствующими вентиляцией и кровоснабжением практически весь гемоглобин притекающей крови превращается в оксигемоглобин. А вот сама скорость диффузии газов «туда и обратно» значительно медленнее скорости связывания газов. Отсюда следует второй практический вывод : чтобы газообмен шел успешно, воздух должен «получать паузы», за время которых успевает выровняться концентрация газов в альвеолярном воздухе и притекающей крови, то есть обязательно должна присутствовать пауза между вдохом и выдохом .
Запомните это!
Превращение восстановленного (бескислородного) гемоглобина (дезоксигемоглобина) в окисленный (содержащий кислород) гемоглобин (оксигемоглобин) зависит от содержания растворенного кислорода в жидкой части плазмы крови. Причем механизмы усвоения растворенного кислорода весьма эффективны.
Например, подъем на высоту 2 км над уровнем моря сопровождается снижением атмосферного давления с 760 до 600 мм рт. ст., парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе со 105 до 70 мм рт. ст., а содержание оксигемоглобина снижается лишь на 3%. И, несмотря на снижение атмосферного давления, ткани продолжают успешно снабжаться кислородом.
В тканях, требующих для нормальной жизнедеятельности много кислорода (работающие мышцы, печень, почки, железистые ткани), оксигемоглобин «отдает» кислород очень активно, иногда почти полностью. В тканях, в которых интенсивность окислительных процессов мала(например, в жировой ткани), большая часть оксигемоглобина не «отдает» молекулярный кислород - уровень диссоциации оксигемоглобина низкий. Переход тканей из состояния покоя в деятельное состояние (сокращение мышц, секреция желез) автоматически создает условия для увеличения диссоциации оксигемоглобина и увеличения снабжения тканей кислородом.
Способность гемоглобина «удерживать» кислород (сродство гемоглобина к кислороду ) снижается при увеличении концентрации углекислого газа и ионов водорода. Подобным же образом действует на диссоциацию оксигемоглобина повышение температуры.
Отсюда становится легко понятным, как взаимосвязаны и сбалансированы относительно друг друга природные процессы. Изменения способности оксигемоглобина удерживать кислород имеет громадное значение для обеспечения снабжения им тканей. В тканях, в которых процессы обмена веществ протекают интенсивно, концентрация углекислого газа и ионов водорода увеличивается, а температура повышается. Это ускоряет и облегчает «отдачу» гемоглобином кислорода и облегчает течение обменных процессов.
В волокнах скелетных мышц содержится близкий к гемоглобину миоглобин. Он обладает очень высоким сродством к кислороду. «Ухватившись» за молекулу кислорода, он уже не отдаст ее в кровь.
Количество кислорода в крови
Максимальное количество кислорода, которое может связать кровь при полном насыщении гемоглобина кислородом, называется кислородной емкостью крови . Кислородная емкость крови зависит от содержания в ней гемоглобина.
В артериальной крови содержание кислорода лишь немного (на 3-4%) ниже кислородной емкости крови. В обычных условиях в 1 л артериальной крови содержится 180-200 мл кислорода. Даже в тех случаях, когда в экспериментальных условиях человек дышит чистым кислородом, его количество в артериальной крови практически соответствует кислородной емкости. По сравнению с дыханием атмосферным воздухом количество переносимого кислорода увеличивается мало (на 3-4%).
Венозная кровь в состоянии покоя содержит около 120 мл/л кислорода. Таким образом, протекая по тканевым капиллярам, кровь отдает не весь кислород.
Часть кислорода, поглощаемая тканями из артериальной крови, называется коэффициентом утилизации кислорода . Для его вычисления делят разность содержания кислорода в артериальной и венозной крови на содержание кислорода в артериальной крови и умножают на 100.
Например:
(200- 120): 200 х 100 = 40%.
В покое коэффициент утилизации кислорода организмом колеблется от 30 до 40%. При интенсивной мышечной работе он повышается до 50-60%.
О читайте в следующей статье.
Материал подготовил: Atamovich
