Сродство со2 к гемоглобину

Связывание гемоглобина с оксидом углерода

Оксид углерода (угарный газ, СО) обладает гораздо большим сродством к гемоглобину, чем кислород. Даже при крайне низких парциальных давлениях СО гемоглобин превращается в карбоксигемоглобин: Нb+СО  НbСО. Равновесие этой реакции значительно смещено вправо, поэтому кривая диссоциации карбоксигемоглобина имеет очень крутой наклон. Высокое сродство оксида углерода к гемоглобину обусловлено тем, что СО диссоциирует от НЬ гораздо медленнее, чем О2. Максимально эффективная концентрация для СО составляет 30 частей на миллион, что соответствует 0,003 объемных %. В артериальной крови человека, пребывающего достаточно долго в среде с таким содержанием СО, на долю НЬСО приходится около 5% общего содержания гемоглобина. Парциальные давления СО и О2, при которых содержание соответственно НbСО и НbО2 составляет по 5%, соотносятся как 1:350. Иными словами, в данных пределах парциальных давлений сродство Нb к СО примерно в 35O раз выше, чем к О2.

Токсичность оксида углерода обусловлена именно высоким сродством этого соединения к гемоглобину. СО представляет собой газ без цвета и запаха, образующийся при неполном сгорании органических веществ. Иногда он входит в состав бытового газа; кроме того, он выделяется при работе двигателей внутреннего сгорания. Даже при низких концентрациях СО вытесняет кислород из соединения с гемоглобином, при этом последний теряет способность к переносу О2. В норме на долю НbСО приходится лишь 1% общего количества гемоглобина в крови; у курильщиков же к вечеру она достигает 20%. Об опасности, которую угарный газ представляет для автомобилистов, говорит тот факт, что на дорогах с особенно интенсивным движением содержание СО в воздухе достигает 3-10 ч. При такой концентрации СО шахтерам положено надевать дыхательные аппараты.

Токсичность угарного газа обусловлена не только блокированием гемоглобина, но и другим эффектом. Когда часть гемоглобина превращается в НbСО, кривая диссоциации оксигемоглобина (для гемоглобина, еще не блокированного СО) сдвигается влево и может в итоге приобретать форму гиперболы. В результате происходит еще большее снижение напряжения О2 в тканевых капиллярах.

При тяжелом отравлении угарным газом, отличительным признаком которого служит вишнево-красная окраска крови, жизнь пострадавшего можно спасти путем немедленного применения искусственного дыхания, по возможности с чистым кислородом. При этом напряжение кислорода в крови увеличивается, и О2 частично вытесняет СО из связи с гемоглобином. Рекомендуется также переливание большого количества крови, так как при этом в кровь пострадавшего поступает гемоглобин, способный переносить кислород.

Перенос со2 кровью. Формы транспорта со2.

Диоксид углерода (СО2, углекислый газ) ― конечный продукт окислительного метаболизма в клетках ― переносится с кровью к легким и удаляется через них во внешнюю среду. Подобно кислороду, диоксид углерода может переноситься как в физически растворенном виде, так и в составе химических соединений. Химическое связывание СО2 ―более сложный процесс по сравнению со связыванием кислорода. Это обусловлено тем, что механизм, отвечающий за транспорт СО2, должен одновременно обеспечивать поддержание постоянства кислотно-щелочного равновесия крови и тем самым внутренней среды организма в целом.

Связывание СО2. Напряжение СО2 в артериальной крови, поступающей в тканевые капилляры, составляет 40 мм рт.ст. (5,3 кПа). В клетках же, расположенных около этих капилляров, напряжение СО2 значительно выше, так как углекислый газ постоянно образуется в процессе метаболизма. В связи с этим физически растворенный СО2 диффундирует по градиенту напряжения из тканей в капилляры. Здесь некоторое количество углекислого газа остается в растворенном состоянии, но большая часть СО2 претерпевает ряд химических превращений. Прежде всего, происходит гидратация молекул СО2 с образованием угольной кислоты, сразу же диссоциирующей на ион бикарбоната и протон:

В плазме крови эта реакция протекает очень медленно; в эритроците же она ускорена примерно в 10 тыс. раз. Это связано с действием фермента карбоангидразы. Поскольку этот фермент присутствует только в эритроцитах, практически все молекулы СО2, участвующие в реакции гидратации, должны сначала проникнуть в эритроциты.

Роль разных форм СО2в газообмене. В крови, поступающей к тканям, напряжение СО2 составляет 40 мм рт.ст. Проходя через них, кровь насыщается углекислым газом, и напряжение его в оттекающей из тканей крови достигает в среднем 46 мм рт.ст. При этом 1 л крови поглощает примерно 1,8 ммоль СО2. Около 12% этого количества остается в физически растворенном виде или в форме недиссоциированной угольной кислоты, 11% образует карбаминовое соединение с гемоглобином, 27% транспортируется в виде бикарбоната в эритроцитах, а остальное количество ―около 50% ―растворено в виде НСО3¯ в плазме. При прохождении крови через легкие СО2 высвобождается из этих четырех форм в таком же соотношении.

Соседние файлы в папке тексты лекций по физе

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Источник

Физиология и патофизиология газообмена

Транспорт О2 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 СО2 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 О2 (PO2) 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.

Применительно к альвеолокапиллярной мембране скорость диффузии газа будет зависеть от:

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

По мере транспорта О2 от легких к периферическим тканям его парциальное давление снижается. Если в атмосферном воздухе при нормальном атмосферном давлении парциальное давление О2 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 РО2 около 40 мм рт. ст.

Уже в альвеолярном воздухе содержание О2 и его парциальное давление отличаются от атмосферного воздуха (13,6 % и 104 мм рт. ст. соответственно). Это происходит вследствие нескольких причин:

1. альвеолярный воздух лишь частично замещается атмосферным во время каждого вдоха;
2. О2 постоянно абсорбируется из альвеолярного воздуха;
3. СО2 постоянно диффундирует из крови легочных капилляров в альвеолы;
4. сухой атмосферный воздух, который поступает в дыхательные пути, увлажняется, насыщаясь водными парами, прежде чем достигает альвеол.

В артериальной крови, покидающей легкие, РО2 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 РО2. Увеличение объема шунтированной крови, которое происходит при гипоксии может приводить к существенному понижению артериального РО2.

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 О2 диффундирует в периферические ткани, поскольку парциальное давление О2 в капиллярах выше, чем в тканях. РО2 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, РО2 также составляет около 40 мм рт. ст. Если скорость тканевого кровотока увеличивается, большие количества О2 доставляются тканям и тканевое РО2 увеличивается. Увеличение тканевого метаболизма приводит к снижению РО2 как в периферических тканях, так и в венозной крови.

Поскольку О2 постоянно используется тканями, внутриклеточное РО2 всегда остается ниже интерстициального. Со снижением интерстициального РО2 снижается и РО2 внутри клеток, повышение интерстициального РО2 ведет к повышению внутриклеточного РО2. 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 РО2 1-5 мм рт. ст., в то время как внутриклеточное РО2 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 РО2 в атмосферном воздухе.

В нормальных условиях около 97 % кислорода от легких к тканям переносится в химически связанном виде гемоглобином. Лишь 3 % составляет О2 растворенный в плазме крови. Следует учитывать, что способность гемоглобина связывать О2 является ограниченной. Каждый грамм гемоглобина может максимально связать 1,34 мл О2. 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:

Кислородная емкость крови = [ Hb ]

x

1, 34 мл O2 / 100 мл крови

У здоровых людей с содержанием гемоглобина 150 г/л кислородная емкость крови составляет 201 мл О2/л крови. Реально переносимое количество мл О2 обычно меньше.

Ключевым фактором, характеризующим количество кислорода, связанного с гемоглобином, является насыщение артериальной крови кислородом (сатурация, SaO2). Оно выражает отношение между количеством кислорода, связанного с гемоглобином и кислородной емкостью крови:

SaO2 = ( HbO2 / кислородная емкость крови )

x

100 %

Содержание кислорода в крови (контент, СаО2) — это сумма связанного с гемоглобином и растворенного в плазме О2:

CaO2 = ( 1, 34

x

[ Hb ]

x

SaO2 ) + ( PaO2

x

0, 0031 )

Очевидно, что СаО2 зависит главным образом от фракции О2, 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 О2 и коэффициенту его растворимости, а растворимость О2 в крови очень низка: только 0,0031 мл О2 растворяется в 0,1 л крови при увеличении давления на 1 мм рт. ст. Таким образом, при РаО2 равным 100 мм рт. ст., в 100 мл артериальной крови содержится только 0,31 мл растворенного О2. Со снижением РаО2 количество растворенного в плазме О2 станет еще меньше.

Содержание О2 в связи с изменениями РаО2 колеблется незначительно до тех пор, пока устойчиво поддерживается SaO2. Изменения содержания гемоглобина приводят к более заметным сдвигам СаО2. Нормальное СаО2 равно 198 мл О2/л крови при условии, что PaO2 = 100 мм рт. ст., содержание гемоглобина 150 г/л, а SaO2 = 97 %. Умеренная анемия (например гемоглобин 120 г/л) при поддержании нормального РаО2 проявляется снижением СаО2 до 160 мл О2/л крови.

Сродство гемоглобина к кислороду возрастает по мере последовательного связывания молекул О2, что придает кривой диссоциации оксигемоглобина сигмовидную или S-образную форму. Эта кривая, соотносящая изменения SaO2 в зависимости от РаО2, важна для анализа процессов транспорта кислорода к периферическим тканям:

Рис. 1: Кривая диссоциации оксигемоглобина

Верхняя часть кривой (при РаО2 > 60 мм рт. ст.) — относительно плоская. Это приводит к тому, что SaO2, а следовательно, и СаО2 остаются достаточно постоянными, несмотря на значительные колебания РаО2. Повышение СаО2 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 SaO2 падает (когда РаО2 оказывается ниже 60 мм рт. ст.), процесс насыщения гемоглобина кислородом продолжается, поскольку градиент РаО2 между альвеолами и капиллярами сохраняется. Периферические ткани в этих условиях могут продолжать извлекать достаточное количество О2, несмотря на снижение капиллярного РО2.

РаО2, при котором гемоглобин насыщен кислородом на 50 % (при 37 °С и рН 7,4) известно как Р50. Это общепринятая мера сродства гемоглобина к кислороду. Р50 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, О2 с большой легкостью переходит в ткани, и наоборот. Повышение Р50 определяет сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо. Сродство гемоглобина к кислороду снижается, указывая, что теперь требуется более высокое РаО2 для поддержания SaO2 на прежнем уровне. Более низкое сродство гемоглобина к кислороду означает повышенное высвобождение кислорода в тканях, но ухудшение связывания гемоглобина с О2 в легких.

Сдвиг кривой диссоциации влево и соответствующее снижение Р50 указывает на повышенное сродство гемоглобина к кислороду — улучшение связывания в легких и ухудшение высвобождения О2 в периферических тканях. На Р50 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 О2 — 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 О2 (DО2) рассчитывается как DO2 = СВ (л/мин) x CaO2 (мл/л).

Нередко DО2 рассчитывают с учетом площади тела. То есть на самом деле рассчитывают индекс DО2. Нормальными величинами индекса DО2 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 О2.

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 О2 в 1 мин. Однако скорость утилизации О2 различными тканями значительно отличается.

Потребление кислорода тканями (VO2) — интегральный показатель, учитывающий как циркуляторный компонент транспорта кислорода (сердечный выброс), так и его гемический компонент (артериовенозное различие по кислороду, CaO2 — CvO2). Его можно определить по формуле: VO2 = СВ x (CaO2 — CvO2) x 10. Так же как и DО2, VO2 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 VO2 на нормальном уровне. Падение сердечного выброса компенсируется увеличением артериовенозного различия по кислороду, и VO2 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.

Таким образом, основными факторами, определяющими доставку О2, являются:

• парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе;
• нормальное состояние альвеолокапиллярной мембраны;
• эффективность дыхательной системы;
• достаточное количество гемоглобина крови;
• эффективность системы кровообращения.

Сергей Науменко,

г. Новосибирск, 2018 г.

Источник