Кислород необходим для функционирования всех клеток. Гемоглобин, железосодержащий белок эритроцитов, используется, чтобы связывать кислород, доставлять его в ткани и затем высвобождать по потребности.
Каждая клетка человеческого организма для нормальной жизнедеятельности нуждается в постоянном снабжении энергией. В подавляющем большинстве клеток эта энергия получается в процессе окисления сахаров, прежде всего глюкозы. Фактически можно сказать, что организм сжигает сахара, так же как автомобиль сжигает горючее; этот процесс называется клеточным дыханием.
Глюкоза и кислород доставляются в ткани кровью. Когда два этих вещества вступают в химическую реакцию, они преобразуются в двуокись углерода (углекислый газ) и воду, которые переносятся кровью к специализированным органам (прежде всего легким и почкам) для выведения.
Эритроциты
В каждом кубическом миллиметре крови взрослого человека содержится около 5 млн эритроцитов (красных кровяных клеток).Эти клетки имеют только одну функцию: транспортируют по организму дыхательные газы (кислород и углекислый газ).
Эритроциты производятся в костном мозге. В процессе развития они утрачивают ядро (часть клетки, которая содержит ДНК) и другие системы, отвечающие за синтез белка. Эритроциты человека имеют форму двояковогнутой линзы, которая обеспечивает одновременно достаточно большой объем клетки, чтобы переносить необходимое количество кислорода, и достаточно большую поверхность, чтобы обеспечить высокую скорость газообмена.
Анемия и ее причины
У здорового человека около 40-45% объема крови составляют красные кровяные клетки (это соотношение известно как гематокрит). Если гематокрит падает ниже нормального уровня, развивается анемия. Поскольку средняя продолжительность жизни эритроцита составляет около 120 дней, причинами анемии могут стать, например, слишком быстрое разрушение или, наоборот, слишком медленное производство красных кровяных клеток.Так, при сильном кровотечении кишечник больного может оказаться не в состоянии усвоить достаточное количество железа, чтобы компенсировать потерю гемоглобина.
Еще одна причина снижения транспортной функции гемоглобина - генетические заболевания. Например, при серповидноклеточной анемии нарушается структура гемоглобина части эритроцитов. Патологические клетки хуже, чем нормальные, переносят кислород, легче разрушаются, а характерная серповидная форма затрудняет их прохождение через капилляры. Все эти факторы вместе приводят к развитию анемии.
Роль гемоглобина
Главная составляющая эритроцита, отвечающая за транспорт кислорода, - гемоглобин, сложный белок, разделенный на четыре субъединицы (глобины). Каждая из них состоит из большой полипептидной белковой молекулы и порфириновой группы, содержащей атом железа, -гема. Таким образом, каждая молекула гемоглобина способна обратимо связать четыре молекулы кислорода. Примерно 98% кислорода в крови находится в связанном состоянии. Остальные 2% растворены в плазме.Высвобождение кислорода из эритроцитов
Высвобождение кислорода из гемоглобина запускается нарастанием содержания в крови продукта обмена - двуокиси углерода. Потребность в кислороде зависит от уровня его потребления тканями.Кислород, связанный гемоглобином в легких, высвобождается в непосредственной близости от потребляющих его тканей.
В процессе клеточного дыхания производится большое количество углекислого газа, который диффундирует через клеточную мембрану и капиллярную стенку в плазму крови, а затем внутрь эритроцита. Нарастание концентрации двуокиси углерода внутри клетки запускает процесс высвобождения кислорода, который диффундирует в плазму, а затем в клетки ткани. Таким образом, кислород попадает именно туда, где он в данный момент необходим, а избыток двуокиси углерода уносится из тканей для выведения легкими. Только 23% образовавшегося в процессе обмена веществ углекислого газа переносится эритроцитами. Остальное транспортируется в форме ионов бикарбоната (70%) или растворенным в плазме (7%).
Фетальный гемоглобин
Поскольку концентрация кислорода в крови матери намного выше, чем в крови плода, кислород проходит через плаценту в кровеносную систему развивающегося ребенка в результате простого процесса диффузии. Фетальный гемоглобин (гемоглобин плода) структурно отличается от гемоглобина матери и намного активнее взаимодействует с кислородом. Кроме того, в миллилитре крови плода содержится на 50% больше молекул гемоглобина, чем у матери. Комбинация этих двух факторов гарантирует, что, несмотря на низкий уровень кислорода в крови плода, его ткани, тем не менее, получают достаточное снабжение для роста и развития.Регулирование высвобождения кислорода
После прохождения крови через легочные капилляры она практически полностью оксигенируется (насыщается кислородом). Содержание кислорода достигает 97% кислородной емкости -максимального количества газа, который может быть обратимо связан гемоглобином. Когда кровь через артериальную систему достигает вен, она все еще содержит 75% кислородной емкости. Таким образом, у человека в состоянии покоя в тканях высвобождается только около 25% переносимого кровью кислорода. Избыточная кислородная емкость нужна, чтобы обеспечить транспорт большого количества кислорода в случае необходимости, например, при физической нагрузке.Более того, зависимость между изменением уровня кислорода в тканях и скоростью его высвобождения из гемоглобина носит нелинейный характер (см. график). Поэтому даже небольшое снижение концентрации может вызвать значительный рост количества высвобождающегося кислорода. Вдобавок при физических нагрузках увеличивается кислотность крови и возрастает температура тела. Эти факторы вызывают изменение пространственной структуры гемоглобина, которое приводит к усилению связи с кислородом. Этот механизм позволяет в первую очередь снабжать кислородом те ткани, которые в нем больше всего нуждаются. Например, при беге наиболее нагруженные мышцы бедра получат больше всего кислорода.
Кислород . Перенос кислорода осуществляется в растворенном виде или в соединении с гемоглобином эритроцитов. Так как 1 г гемоглобина способен связать 1,39 мл кислорода, кислородная емкость крови при нормальном содержании гемоглобина (15 г%) составляет приблизительно 200 мл кислорода на литр крови (см. приложение 1). Способность переносить кислород зависит от напряжения его в крови (рис. 11). При рO 2 около 700 мл рт. ст. гемоглобин полностью насыщен кислородом. При обычном уровне альвеолярного или артериального рO 2 (в пределах колебаний от 90 до 100 мм рт. ст.) он насыщен на 95-98%.
Рис. 11. Кривая диссоциации O 2 и снабжение кислородом.
Шкала «насыщение» составлена на основании отношения содержание/емкость Х100. На шкале «содержание» представлено содержание кислорода (в миллилитрах на литр крови) при условии нормальной концентрации гемоглобина (15 г%) Шкала «снабжение» указывает количество кислорода в артериальной системе, доставляемое в минуту, принимая сердечный выброс равным 5 л/мин. При составлении шкалы «доступный для потребления» исходили из факта, что многие жизненно важные ткани и органы не способны извлекать последние 20% кислорода из гемоглобина, так как их жизнедеятельность прекращается при капиллярном рO 2 ниже 15- 20 мм рт. ст.
Следует обратить внимание на то, что при низких цифрах рO 2 артериальной крови, соответствующих крутой части кривой, небольшое повышение напряжения (допустим, от 25 до 40 мм рт. ст.) вызывает значительный подъем насыщения (40-70%) и резкое увеличение доступного для потребления кислорода (200-500 мл/мин):
1 - доступный для потребления (мл/мин); 2 - снабжение (мл/мин); 3 - содержание (мл/л); 4 - насыщение (%).
Однако, если рO 2 падает ниже 60 мм рт. ст. (90% насыщения), насыщение гемоглобина круто снижается. При этом изменения количества содержания кислорода, соответствующие определенным сдвигам рO 2 , резко возрастают.
У здорового человека кровь почти полностью насыщается кислородом в легких, причем уровень оксигенации артериальной крови приходится на плато кривой диссоциации. рO 2 венозной крови и внеклеточной тканевой жидкости составляет примерно 40 мм рт. ст., и кровь быстро отдает большой объем кислорода, так как его напряжение приходится теперь на круто снижающуюся часть кривой диссоциации.
Некоторые ткани, например мышцы, обладают способностью экстрагировать из крови весь кислород. Другие, особенно мозг, не могут потреблять кислород из крови, если рO 2 ниже 15-20 мм рт. ст.
Доступный для потребления кислород (см. рис. 11). В покое при нормальном сердечном выбросе, равном 5 л/мин, и при почти 100% насыщении крови кислородом к тканям через аорту он поступает в объеме 1000 мл/мин. Но потреблению 200 мл из них препятствует то, что при этом рO 2 уменьшится ниже уровня, при котором такие органы, как, например, мозг, способны еще сохранить свою жизнедеятельность. Поэтому для потребления тканями кислорода доступны только 1000-200 = 800 мл/мин. Это количество приблизительно в 4 раза превышает утилизацию кислорода в покое. Если насыщение артериальной крови падает до 40%, количество кислорода, транспортируемое через аорту при сердечном выбросе, равном 5 л/мин, снижается до 460 мл. Теперь доступный для потребления кислород составит 400-200 = 200 мл/мин. В этом случае снабжение точно соответствует потребности. При насыщении артериальной крови ниже 40% потребности тканей в кислороде могут быть удовлетворены только путем увеличения сердечного выброса, а через более длительное время - за счет повышения концентрации гемоглобина.
Количество кислорода, доступного для потребления, снижается также при уменьшении сердечного выброса, при анемии или сдвигах кривой диссоциации кислорода из-за изменений температуры, рН или рCO 2 (см. рис. 20). Так как уменьшение содержания кислорода во многих ситуациях компенсируется повышением сердечного выброса, сочетание снижения обеих величин особенно опасно. Поэтому крайне важно учитывать все эти вопросы при анализе состояния больных с дыхательной недостаточностью.
Углекислота . Транспортировка углекислоты кровью осуществляется в трех основных видах: в растворенном, в виде бикарбоната и в сочетании с белками (главным образом гемоглобином) в форме карбаминовых соединений (таблица 1).
Углекислота диффундирует из тканевых клеток в плазму, а затем в эритроциты, где под влиянием карбоангидразы образуется угольная кислота:
CO 2 + Н 2 O Н 2 СO 3 .
Угольная кислота диссоциирует на ион Н+ и ион НCO 3 - . Благодаря буферным свойствам гемоглобина он связывает большую часть ионов Н+, а соответствующее количество ионов НCO 3 - диффундирует в плазму. Чтобы произошло восстановление ионного равновесия, ионы Cl-переходят из плазмы в эритроциты. Так как восстановленный гемоглобин более сильное основание (и, следовательно, более легко связывает ионы Н+), чем оксигемоглобин, восстановление гемоглобина, происходящее в тканях, увеличивает количество H 2 CO 3 , которая может быть транспортирована при той же величине рCO 2 . Восстановленный гемоглобин обладает также большей способностью к формированию карбаминовых соединений, чем оксигемоглобин. Поэтому, отдавая кислород, гемоглобин транспортирует в этой форме больше углекислоты.
Все эти процессы протекают в легочных капиллярах в обратном порядке.
Важная роль, которую играют эритроциты в транспортировке углекислоты, объясняется разницей наклона буферной линии log рCO 2 к рН для плазмы и крови (см. главу 19).
Остановимся еще на двух особенностях переноса углекислоты, которые отражены на кривой диссоциации CO 2 , приведенной на рис. 9. Во-первых, кривая диссоциации CO 2 намного круче, чем кривая кислорода. Иными словами, это означает, что при данном изменении парциального давления количественные сдвиги CO 2 более выражены.
Частично это обусловлено уже обсуждавшейся повышенной способностью восстановленного гемоглобина связывать углекислоту. Во-вторых, кривая диссоциации CO 2 в области, соответствующей нормальному составу артериальной крови, имеет равномерный наклон, что определяет возможность компенсировать гиповентиляцию одних отделов легких гипервентиляцией других (см. стр. 41).
Напротив, кривая диссоциации кислорода в этой точке имеет форму плато. Поэтому аналогичная компенсация оксигенации практически невозможна.
Установлена зависимость между уровнем бикарбоната и рCO 2 артериальной крови. Однако изменения концентрации бикарбоната, возникающие при дыхательном ацидозе или алкалозе, относительно невелики по сравнению со сдвигами, возникающими при метаболических расстройствах кислотно-щелочного равновесия. В норме происходит избыточная абсорбция или продукция ионов Н+, составляющая примерно 50 мэкв в сутки. Большинство этих ионов поставляют серная и фосфорная кислоты, которые образуются при распаде белков и других сложных соединений.
Избыток ионов Н+ обычно экскретируется с мочой. Хотя подобное количество кислоты весьма невелико по сравнению с 15 000 мэкв углекислоты, элиминируемой в сутки легкими, роль этой кислоты чрезвычайно важна, так как с ее возникновением связана задержка или экскреция бикарбоната почками, что определяет метаболический компонент кислотно-щелочного равновесия.
Резюмируя, следует отметить, что концентрация растворенной углекислоты в тканях регулируется соотношением CO 2 , образующейся в результате обменных процессов, и величиной кровотока, вымывающего ее. В целом организме она определяется общей продукцией углекислоты и ее элиминацией легкими. С другой стороны, концентрация бикарбоната регулируется главным образом почками.
В зависимости от транспортируемых веществ различают несколько основных функций крови: дыхательную, питательную, выделительную, регуляторную, гомеостатическую, защитную и терморегуляторную. Дыхательная функция крови состоит доставке кислорода от лёгких к тканям и полученного от них углекислого газа к лёгким. Транспорт кислорода осуществляется благодаря наличию в крови гемоглобина (Hb), разности парциального давления газов на этапе их транспортировки и некоторых других факторов. Ниже представлен состав вдыхаемого, альвеолярного и выдыхаемого воздуха (таблица 1), а также парциальное давление газов на различных этапах транспортировки (таблица 2).
Таблица 1. Состав вдыхаемого, альвеолярного и выдыхаемого воздуха (по Уайту и др., 1981)
Таблица 2. Парциальное давление дыхательных газов на разных участках их транспортировки у здоровых людей в состоянии покоя (Сиггаард-Андерсен, I960)
В норме потребление кислорода и потребность в нём тканей эквивалентны. При критических состояниях потребность в кислороде (метаболический запрос) может превышать его потребление, что сопровождается развитием тканевой гипоксии . В состоянии покоя организм за одну минуту потребляет около 250 мл кислорода. При значительной физической нагрузке это значение может увеличиваться до 2500 мл/мин.
Дыхательная функция крови: транспорт кислорода
Кислород в крови находится в двух видах: физически растворённый в плазме и химически связанный с гемоглобином (НЬ). Для определения клинической значимости каждого из этих двух видов существования кислорода необходимо провести несложные расчёты.
Нормальный минутный объём сердца (количество крови, выбрасываемое сердцем за одну минуту) равен 5 л/мин; из этого количества примерно 60% (3 л) приходится на плазму. Коэффициент растворимости кислорода в плазме крови при t = 38°С и при давлении 760 мм рт.ст. составляет 0,O 2 4 мл/мл. При этих условиях в 3 л плазмы может быть растворено (3000 х 0,O 2 4) 72 мл кислорода. Однако в циркулирующей крови парциальное давление кислорода намного меньше и составляет порядка 80-90 мм рт.ст., а поскольку любой газ растворяется в жидкостях пропорционально своему парциальному давлению, то можно рассчитать, что в 3 л циркулирующей в организме плазмы крови содержится около 8 мл растворённого кислорода. Это составляет приблизительно 3% от минимальной потребности организма, равной 250 мл/мин. Полученная величина совпадает с данными, выявленными Cuenter С.А. (1977). Это значение (3%) мало настолько, что им в дальнейшем можно пренебречь.
Помимо указанных выше факторов, на дыхательную функцию крови оказывает существенное влияние и внутриклеточный органический фосфат - 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ). Это вещество образуется непосредственно в эритроцитах и влияет на сродство гемоглобина к кислороду. Этот показатель снижается при повышении концентрации 2,3-ДФГ в эритроцитах и повышается при её снижении.
К возрастанию сродства Hb к кислороду и смещению КДО влево при падении Р 50 приводят:
- уменьшение давления углекислого газа (рС0 2);
- уменьшение концентрации 2,3-ДФГ и неорганического фосфата;
- снижение температуры тела;
- повышение рН;
В то же время, уменьшение рН, увеличение рС0 2 , концентрации 2,3-ДФГ и неорганического фосфата, а также повышение температуры и ацидоз приводят к уменьшению сродства гемоглобина к кислороду и смещению КДО вправо при возрастании Р 50 .
Потребление кислорода, помимо функционального состояния Hb, в определённой степени отражает компенсаторную роль гемодинамики. Увеличение минутного объёма кровообращения (МОК) может компенсировать недостаток кислорода в крови.
Дыхательная функция крови: транспорт углекислого газа
Подавляющая доля углекислого газа (СO 2) в организме является продуктом клеточного метаболизма. Обладая высокой способностью к диффузии (в 20 раз выше, чем у кислорода), углекислый газ легко диффундирует в капилляры и переносится к лёгким в виде растворённой формы, аниона бикарбоната и карбаминовых соединений. В растворённой форме находится около 5% всего количества СO 2 .
В капиллярах большого круга кровообращения оксигемоглобин отдаёт кислород в ткани и превращается в восстановленный гемоглобин. Одновременно с этим в эритроциты поступает СO 2 , и очень быстро взаимодействуя с водой в присутствии внутриклеточного фермента карбоангидразы, образует угольную кислоту (СО 2 + H 2 O = H 2 CO 3). В плазме без данного фермента эта реакция протекает очень медленно. Образовавшаяся внутри клетки угольная кислота диссоциирует на НСО 3 и Н + . Образовавшийся ион водорода соединяется с восстановленным гемоглобином, образуя ННb, буферируется и остается внутри клетки. Тем самым деоксигенация артериальной крови в периферических тканях способствует связыванию протонов. Анионы НСО 3 по мере накопления переходят из эритроцитов в плазму, а из плазмы в эритроциты осуществляется приток ионов хлора (хлоридный сдвиг), который обеспечивает электрическую нейтральность клетки.
В данной форме находится основная часть СO 2 в артериальной крови (около 90%). Транспорт углекислого газа в виде карбаминовых соединений осуществляется за счёт его взаимодействия с концевыми аминогруппами белков крови (в основном это гемоглобин). Карбаминовые соединения переносят около 5% общего количества углекислого газа в артериальной крови. При этом в артерио-венозной разнице концентраций углекислого газа 60% приходится на НСО 3 , 30% - на карбаминовые соединения, 10% - на растворенную форму СO 2 . Подобное наличие в крови всех трех форм существования создает равновесие между растворенной и связанной формами углекислого газа.
Источники:
1. Федюкович Н.И. / Анатомия и физиология человека // Феникс, 2003.
2. Сумин С.А. / Неотложные состояния // Фармацевтический мир, 2000.
