Розділ 2 механізм транспорту газів кров’ю та їх обмін у тканинах

2.1 Транспорт газів кров'ю

Кисень, що надходить у кров, спочатку розчиняється у плазмі крові. При РА_О2 100 мм рт. ст. у 100 мл плазми розчиняється 0,3 мл О₂.

Кисень, що розчинився у плазмі крові, за градієнтом концент­рації проходить через мембрану еритроцита і утворює оксиге­моглобін (НbО₂). При цьому валентність заліза не змінюється. Оксигемоглобін — нестійка сполука і легко розкладається. Пряма реакція називається оксигенацією, а зворотний процес — дезоксигенацією гемоглобіну. При сполученні О₂ із ге­моглобіном Fe²⁺ залишається двовалентним [8].

Кожна молекула Hb може приєднати 4 молекули О₂, що у пере­рахунку на 1 г Hb означає 1,34 мл О₂. Знаючи кількість гемогло­біну в крові, можна визначити кисневу ємкість крові.

Враховуючи те, що 100 мл крові містять лише 0,3 мл розчине­ного О₂, можна уявити, що основний об'єм кисню транспортується у стані хімічного зв'язку з гемоглобіном. Але, незважаючи на від­носно низьку розчинність, кількість розчиненого в крові О₂можна збільшити штучно. Розчинність газу в рідині залежить від темпе­ратури, складу рідини, тиску газу і його природи. Поза як склад крові, її температура у організмі майже завжди постійні, кількість розчиненого газу можна вирахувати за формулою. [11].

Коли збільшується тиск газу над рідиною, кількість розчинено­го газу збільшується. Так, при диханні чистим О₂, коли його парці­альний тиск у альвеолах може перевищувати 600 мм рт. ст., у 100 мл крові розчиняється вже близько 2 мл кисню. Але якщо лю­дина перебуває в умовах з підвищеним тиском кисню (у барокаме­рі), то кількість розчиненого у крові кисню буде зростати пропор­ційно до тиску (гіпербарична оксигенація). Напри­клад, при парціальному тиску 3 атм, коли РА_О2 збільшується до 2280 мм рт. ст. (304 кПа), в 100 мл крові може розчинитись близько 5—6 мл О₂. Цієї кількості кисню досить для того, щоб тканини не відчували кисневої недостатності навіть за відсутності зв'язано­го з гемоглобіном О₂. Вказаний ефект можна використовувати при наданні допомоги тим хворим, у яких гемоглобін не може транс­портувати кисень. Наприклад, дихання чистим киснем рекомендо­вана при отруєнні чадним газом, коли утворюється стійка сполука карбоксигемоглобін (дисоціює у 1000 разів повільніше, ніж оксигемоглобін).

Розчинність газів зменшується при підвищенні температури, але в умовах організму це великої ролі не відіграє. Про значення природи газу свідчить той факт, що розчинність кисню у 20—25 ра­зів нижча, ніж вуглекислого газу [13].

Асоціація і дисоціація оксигемоглобіну

Між кількістю оксигемоглобіну в крові і напругою в ній кисню є залежність. Встановлено, що коли в крові немає кисню (Ро₂ =0), то нема і оксигемоглобіну, він міститься у формі відновленого ге­моглобіну. Якщо Р_О2 = 10 мм рт. ст., 5,5 % гемоглобіну перейде у форму НbО₂, коли ж вміст Ро₂ досягне 20 мм рт. ст., то оксигемо­глобіну буде вже 25 %, при рівні 40 мм рт. ст. буде 74 %, а при рівні 100 мм рт. ст. у формі НbО₂ буде близько 92 % О₂. Таким чи­ном, що більша напруга кисню в крові, то більше буде оксигемо­глобіну.

Але ця залежність не лінійна, вона виражається S-подібною кривою. На рис. 2.1 показана залежність між Р_О2 крові і процен­том НbО₂ в ній.

Крива дисоціації оксигемоглобіну. Треба звернути увагу на дві частини цієї кривої. Верхня частина кривої, яка за формою набли­жається до горизонтальної, має значення для утворення оксигемо­глобіну в капілярах легень. Сюда надходить венозна кров, у якій Р_О2 = 40 мм рт. ст. (в альвеолярному повітрі Ро₂ =100 мм рт. ст.), тому кисень дуже швидко переходить у кров і рівень НbО₂ зростає до 92 % [6].

Рис. 2.1 - Криві дисоціації оксигемогло­біну

Але не завжди Р_О2 в альвеолярному повітрі буде становити 100 мм рт. ст. При підніманні на висоту, зниженні альвеолярної вентиляції він зменшиться. Проте, незважаючи на це, кількість гемоглобіну у формі НbО₂ ще довго (до певної межі) буде досить високою і гемоглобін виконуватиме функцію транспорту кисню (цю частину кривої порівнюють із графічним зображенням проце­су зарядження акумулятора).

Середня частина кривої, яка за формою наближається до вер­тикальної, має значення для процесів, що відбуваються в капіля­рах тканин. При Р_О2 40 мм рт. ст. (5,3 кПа) лише 72 % припадає на НbО₂, але що інтенсивніше працюватиме орган, то менше буде в крові Р_О2 і більша буде дисоціація НbО₂ на Hb і ки­сень. Отже, оксигенація клі­тин, що інтенсивно працю­ють, буде зростати. Цю час­тину кривої можна порівня­ти із графічним зображен­ням процесу розрядження акумулятора [9].

Показником, що характе­ризує інтенсивність викори­стання 0₂ тканинами, є різ­ниця кількості НbО₂ в крові, яка притікає і відтікає,— артеріовенозна різниця (АВР_О2).

Нахил кривої ди­соціації оксигемо­глобіну в крові людини не постійний і за деяких умов може змінюватися. Характер кривої дисоціації відображає показник, який має назву «напруга напівнасичення» (Р₅₀). Р₅₀ — така напруга О₂, при котрій насичення гемоглобіну киснем скла­дає 50 %. У нормі Р₅₀ артеріальної крові становить близько 26 мм рт. ст. (3,5 кПа).

Конфігурація кривої дисоціації НbО₂ обумовлена хімічною спорідненістю гемоглобіну до О₂ й іншими зовнішніми факторами, що змінюють характер кривої. До таких факторів належать тем­пература, pH, Р_СО2, концентрація в еритроциті 2,3-ДФГ [14].

Форма кривої дисоціації оксигемоглобіну значною мірою зале­жить від концентрації в крові Н+. При зниженні pH крива зміщує­ться вправо, що свідчить про зменшення спорідненості Hb до О₂. При підвищенні pH збільшується спорідненість Hb до О₂ і крива зміщується вліво. Вплив pH на спорідненість Hb до О₂ нази­вається ефектом Бора. Ефект Бора відіграє певну роль у газотранспортній функції крові: утворення великої кількості СО₂ в тканинах сприяє збільшенню віддачі кисню за рахунок зниження спорідненості Hb до нього. При виділенні СО₂ у легенях зменшує­ться pH крові і поліпшується оксигенація. СО₂ також впливає на дисоціацію НbО₂. Причому згаданий ефект обумовлений не тільки Н₂СО₃, але й прямим впливом рівня Р_СО2 на гемоглобін [6].

При зниженні температури віддача О₂ оксигемоглобіном спо­вільнюється, а при її збільшенні прискорюється цей процес. Змі­щенню кривої вправо сприяє також збільшення вмісту в еритроци­тах 2,3-ДФГ. Вміст цієї речовини в еритроциті збільшується при анемії, що сприяє надходженню О₂ до тканин і частково компенсує зниження рівня КЄК. Таким чином, відсутність у організмі запасів О₂ компенсується за рахунок різкого збільшення використання його з крові, підвищення АВР_О2. При інтенсивній роботі тканин, коли утворюється більше СО₂, Н+ і підвищується температура, створюються умови для поліпшення доставки кисню клітинам.

У венозній крові міститься близько 580 мл/л СО₂. У крові він міститься в трьох формах: зв'язаний у вигляді вугільної кислоти і її солей, зв'язаний з гемоглобіном і у розчиненому вигляді.

СО₂ утворюється в тканинах при окислювальних процесах. У більшості тканин Р_СО2 складає 50—60 мм рт. ст. (6,7—8 кПа). У крові, що надходить у артеріальний кінець капілярів, Ра_СО2 ста­новить близько 40 мм рт. ст. (5,3 кПа). Наявність градієнту зму­шує СО₂ дифундувати із тканинної рідини до капілярів. Що актив­ніше в тканинах здійснюються процеси окислення, то більше ство­рюється СО₂ і то більший Р_тк._СО2. Інтенсивність окислення у різних тканинах різна. У венозній крові, що відтікає від тканини, Pv_СО2 наближається до 50 мм рт. ст. (6,7 кПа). А в крові, що відтікає від нирок, Pv_СО2 становить близько 43 мм рт. ст. Тому у змішаній ве­нозній крові, що надходить до правого передсердя, у стані спокою Pv_СО2 дорівнює 46 мм рт. ст. (6,1 кПа) [4].

СО₂ розчиняється в рідинах активніше, ніж О₂. При Pv_СО2 який дорівнює 40 мм рт. ст. (5,3 кПа), у 100 мл крові розчинено 2,4— 2,5 мл СО₂, що складає приблизно 5 % від загальної кількості газу, який транспортується кров'ю. Кров, що проходить через леге­ні, віддає далеко не весь СО₂. Велика частина його залишається в артеріальній крові, оскільки сполуки, які утворюються на основі СО₂, беруть участь у підтриманні кислотно-основної рівноваги кро­ві — одного із параметрів гомеостазу.

Хімічно зв'язаний СО₂ перебуває в крові в одній із трьох форм: 1) вугільна кислота (Н₂СО₃): 2) бікарбонатний іон (НСО₃); 3) карбогемоглобін (ННbСО₂). У формі вугіль­ної кислоти переноситься лише 7 % СО₂, бікарбонатних іонів — 70 %, карбогемоглобіну — 23 %.

С0₂, який проникає у кров, спочатку піддається гідратації з утворенням вугільної кислоти: С0₂+Н₂О Н₂СО₃.

Ця реакція в плазмі крові відбувається повільно. В еритроциті, куди С0₂ проникає за градієнтом концентрації, завдяки спеціаль­ному ферменту — карбоангідразі — цей процес прискорює­ться приблизно в 10 000 разів. Тому ця реакція відбувається в ос­новному в еритроцитах (рис. 2.2). Утворювана тут вугільна кис­лота швидко дисоціює на Н⁺ і НСО3, чому сприяє постійне утворення вугільної кислоти: Н₂С0₃ Н⁺+НСО₃.

Рис. 2.2 - Транспорт СО₂ кров'ю

У еритроциті при дисоціації вугільної кислоти Н+ утворює ком­плекс з відновленим гемоглобіном:

HbО₂ О₂ + Hb,

Hb + Н⁺ HHb [2].

При накопиченні НСО₃ в еритроцитах створюється його граді­єнт з плазмою. Можливість виходу НСО₃ у плазму визначається такими умовами: вихід НСО₃ повинен супроводжуватися одночас­ним виходом катіону або ж надходженням іншого аніону. Мембра­на еритроциту добре пропускає негативні, але погано — позитивні іони. Найчастіше утворення і вихід НСО₃ із еритроцитів супрово­джується надходженням у клітину Сl. Це переміщення називають хлоридним зрушенням.

У плазмі крові НСО₃, взаємодіючи з катіонами, створює солі вугільної кислоти. У вигляді солей вугільної кислоти транспортує­ться близько 510 мл/л СО₂.

Крім того, СО₂ може зв'язуватися з білками крові: частково — з білками плазми, але головним чином — з гемоглобіном еритроци­тів. При цьому СО₂ взаємодіє з білковою частиною гемоглобіну — глобіном. Гем же залишається вільним і зберігає здатність гемо­глобіну перебувати одночасно у зв'язку як з СО₂, так і з О₂. Таким чином, одна молекула Hb може транспортувати обидва гази [5].

У крові альвеолярних капіля­рів усі процеси здійснюються в протилежному напрямі. Головна із хімічних реакцій — дегідрата­ція — відбувається в еритроци­тах за участю тієї ж карбоангідрази:

Н⁺+НСО₃ Н2СО₃ Н₂О + СО₂.

Спрямування реакції визна­чається безперервним виходом СО₂ з еритроциту у плазму, а із плазми в альвеоли. У легенях у зв'язку з постійним його виділенням відбувається реак­ція дисоціації карбогемоглобіну:

ННbСО₂+О₂ → ННbО₂ + СО₂ → НbО₂ +Н⁺+СО₂.

Взаємозв'язок транспорту кисню та двооксиду вуглецю. Вище вказувалося, що форма кривої ди­соціації оксигемоглобіну впливає на вміст СО₂ у крові. Ця залеж­ність пов'язана з тим, що дезоксигемоглобін є слабшою кислотою, ніж оксигемоглобін, і може приєднувати більше Н⁺. Унаслідок цього при зменшенні вмісту оксигемоглобіну підвищується ступінь дисоціації Н₂СО₃, а отже, збільшується транспорт СО₂ кров'ю. Ця залежність називається ефектом Холдейна (рис. 2.3).

Взаємозв'язок обмінів двооксиду вуглецю і кисню яскраво ви­являється в тканинах і легенях. До тканин надходить оксигенована кров. Тут під впливом СО₂ посилюється дисоціація гемоглобіну. Тому надходження кисню в тканини сприяє прискоренню погли­нання СО₂ кров'ю [7].

Рис. 2.3 - Криві вмісту CO₂ в оксигенованій (1) та дезоксигенованій (2) крові (за даними Р. Шмідта та Г. Тевса, 1986). Лінія «а — в» харак­теризує фактичний газообмін

У легенях відбуваються зворотні процеси. Надходження О₂ зни­жує спорідненість крові до СО₂ і полегшує дифузію СО₂ в альвео­ли. Це, в свою чергу, активізує асоціацію гемоглобіну з киснем [10].