Транспорт кислорода кровью

Кислород переносится к тканям в двух формах: связанный с гемоглобином и растворенный в плазме. В крови содержится лишь незначительное количество О2 растворимого в плазме. Согласно закону Генри, количество газа, растворенного в жидкости, прямо пропорционально его парциальному давлению и коэффициенту растворимости. Растворимость О2 в плазме крови низка: при РО2 =1 мм рт.ст. в 100 мл крови растворяется 0,0031 мл 02(Покровский В.М., Коротько Г. Ф. 2003).

В артериальной крови содержание О2 составляет 18—20 об.%, а в венозной — 12 об.%. Количество физически растворенного в крови О2 равно всего лишь 0,3 об.%; следовательно, практически весь О2 переносится кровыо в виде химического соединения с гемоглобином (Дегтярев В.П., Будылина С. М., 2006).

Гемоглобин — красный кровяной пигмент, содержащийся в эритроцитах; состоит из 4 одинаковых групп — гемов. Гем представляет собой протон орфирин, в центре которого расположен ион двухвалентного железа, играющий важную роль в переносе O2. Каждый гем присоединяет к себе по 1 молекуле О, одна молекула гемоглобина связывает 4 молекулы О2, возникает обратимая связь, при этом валентность железа не изменяется. Это называется оксигенацией гемоглобина. Восстановленный гемоглобин (НЬ) становится окисленным — НЬО2 (оксигемоглобин) (Дегтярев В.П., Будылина С. М., 2006).

Максимальное количество кислорода, которое. может быть связано в 100 мл крови при полном насыщении гемоглобина кислородом, называется кислородной емкостью крови. Она зависит от содержания гемоглобина в крови. 1 г гемоглобина способен присоединить 1,34 мл О2; следовательно, при содержании в крови в среднем 140 г/л гемоглобина (130—160 г/л у мужчин и 120—140 г/л у женщин) кислородная емкость крови будет 1,34- 140=187,6 мл (или 19 об.% у мужчин и 18— 19 об.% у женщин) (Дегтярев В. П. Будылина С.М., 2006).

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению. При этом железо из двухвалентного превращается в трехвалентное. Окисленный гем носит название гематина (метгема), а вся молекула в целом — метгемоглобина. В крови человека в норме метгемоглобин содержится в незначительном количестве, но при некоторых заболеваниях, отравлениях некоторыми ядами, при действии лекарственных веществ, например кодеина и фенацетина, его содержание увеличивается. Опасность таких состояний заключается в том, что окисленный гемоглобин очень слабо диссоциирует (не отдает тканям О2) и не может присоединять другие молекулы О2, т. е. теряет свойства переносчика О2. Также опасно соединение гемоглобина с угарным газом (СО) с образованием карбоксигемоглобина (НЬСО), так как сродство гемоглобина к СО в 300 раз больше, чем к О2, и НЬСО диссоциирует в 10 000 раз медленнее, чем НЬО2. В норме на долю карбоксигемоглобина приходится лишь 1% общего количества гемоглобина крови, а у курильщиков к вечеру достигает 20% (Дегтярев В.П., Будылина С. М., 2006).

Скорость процесса связывания О2 гемоглобином в легких и отдачи его тканям иллюстрирует кривая образования и диссоциации оксигемоглобина.

Степень насыщения гемоглобина кислородом, т. е. образование оксигемоглобина, зависит от напряжения кислорода в крови. На кривой имеется 4 характерных отрезка, отражающих эту зависимость:

• 1 — при напряжении О2 в крови от 0 до 10 мм рт. ст. в крови находится восстановленный гемоглобин, оксигенация крови идет медленно;
• 2 — от 10 до 40 мм рт. ст. — насыщение гемоглобина кислородом идет очень быстро и достигает 75%;
• 3 — от 40 до 60 мм рг. ст. — насыщение гемоглобина кислородом замедляется, но достигает 90%;
• 4 — при возрастании РО2 свыше 60 мм рт. ст. дальнейшее насыщение гемоглобина идет очень медленно и постепенно приближается к 96—98%, никогда не достигая 100%. Однако такое высокое насыщение гемоглобина кислородом наблюдается только у молодых людей. У пожилых людей эти показатели ниже (Дегтярев B.П., Будылина С М. 2006).

Диссоциация оксигемоглобина происходит в тканевых капиллярах большого круга кровообращения. Главным фактором, обеспечивающим диссоциацию оксигемоглобина, является большой градиент РО2: в пришедшей артериальной крови РО2 составляет около 95 мм рт. ст., в межклеточной жидкости РО2 уменьшается примерно до 40 мм рт. ст., а в клетках тканей падает до 10—15 мм рт. ст. и меньше, в работающих мышцах приближается к 0 (когда РО2 в клетке становится равным 0,1 мм рт. ст., клетка погибает). Резкое падение РО2 в тканях связано с интенсивным потреблением его клетками для окислительных процессов. Диссоциация оксигемоглобина в тканях приводит к уменьшению содержания оксигемоглобина с 96 до 75% и снижению РО; до 40 мм рт. ст. (Дегтярев B.П., Будылина С. М. 2006).

Каждые 100 мл артериальной крови, содержащие 18—20 мл О2, отлают тканям в среднем около 4,5 мл О2, т. е. 20—30%. Эта часть О2, поглощаемая тканями, называется коэффициентом утилизации кислорода. В миокарде, сером веществе мозга и печени коэффициент утилизации достигает 50−60%.

Кроме главного фактора — градиента РО2, имеется и ряд других факторов, влияющих на диссоциацию оксигемоглобина в тканях. К ним относятся РСО2 в тканях, рН среды, температура. Чем активнее работает орган, тем интенсивнее в нем протекают метаболические процессы, тем быстрее потребляется О2 и падает его напряжение в тканях, быстрее накапливается СО2, закисляется среда и повышается температура ткани — все это ускоряет диссоциацию оксигемоглобина. Все перечисленные факторы ведут к конформационным изменениям белковой части молекулы гемоглобина, в результате чего гемоглобин отдает О2. Влияние РСО2 на связь гемоглобина с О2 открыл отечественный ученый Б. Ф. Вериго в 1898 г. (эффект Вериго). Влияние рН на диссоциацию оксигемоглобина открыл датский физиолог Ч. Бор в 1904 г. (эффект Бора) (Дегтярев В.П., Будылина C.М., 2006).

Диссоциации оксигемоглобина также способствует 2,3-ди-фосфоглицерат — промежуточный продукт, образующийся в эритроцитах при расщеплении глюкозы, особенно при гипоксии. Диссоциацию оксигемоглобина ускоряет АТФ (Дегтярев В.П., Будылина С. М., 2006).

При повышении РСО2 и температуры, при снижении рН в тканях сродство гемоглобина к О2 понижается, процесс идет в сторону диссоциации оксигемоглобина, при этом (график образования — диссоциации оксигемоглобина смещается вправо (Дегтярев В.П., Будылина С. М., 2006).

При снижении РСО2, понижении температуры и сдвиге рН в щелочную сторону сродство гемоглобина к 02 повышается, процесс идет в сторону образования оксигемоглобина, график образования — диссоциации оксигемоглобина смещается влево (Дегтярев В.П., Будылина С. М., 2006).

Одним из центральных понятий физиологии дыхания является понятие транспорт, или доставка кислорода — D02— скорость, с которой кислород доставляется к тканям. D02 является интегральным показателем и зависит от содержания кислорода в крови (СаС>2) и сердечного выброса (Q), так:

D02= CaO2 х Q.

или.

D02 = (1,34 х НЬ х Sa02 + 0,0031 х РаО2) х Q.

Нормальное значение DO2= (1,34 150 г/л-97%+ 0,0031 100 мм рт.ст.)х5 л/мин, т. е. около 1000 мл2/мин.

Заключительным этапом транспорта 02 является потребление его тканями (V02). Согласно правилу Фика, V02 рассчитывают как произведение сердечного выброса и артерновенозной разницы в содержании 02 (СаО2 — CV02):

VO2= (CaO2-CVO2) Q.

или.

V О 2 = (1,3 4 Hb) (Sa02-SV02) Q,.

где SV02 — насыщение кислородом смешанной венозной крови.

Теоретически величина D02 является максимумом потребления ислорода V02. Однако на практике ткани не могут использовать весь доставленный кислород, и среднее V02 составляет около 250 мл/мин. Таким образом, в стабильном состоянии доставка 02 примерно в 4 раза превышает 02 Примерно 25% 02 экстрагируется из артериальной крови тканями, и остальной О2 возвращается к сердцу в составе смешанной венозной крови. Если сатурация артериальной крови достигает примерно 100%, то сатурация смешанной венозной крови (SV02) будет составлять 75—80%. Когда коэффициент доставки 02 (отношение D02 / V02) становится менее 4:1, то для обеспечения аэробного метаболизма необходимо увеличение его периферической экстракции, увеличение разницы между содержанием 02 в артериальной и венозной крови (a-VD02) и снижение сатурации 02 в смешанной венозной крови (VS02). Тщательно проведенные лабораторные исследования показали, что не D02 зависит от V02 до тех пор, пока отношение DO2/V02 превышает 2:1. Когда коэффициент доставки 02 падает ниже этого критического уровня, проявляется «физиологическая» зависимость между DO2 и С02. Двухфазные соотношения между D02 и V02 существуют при любом стабильном у ровне V02 (Покровский В.М., Коротько Г. Ф., 2003).