2 курс / Нормальная физиология / Физиология_человека_Семенович_А_А_,_Переверзев_В_А_

зе принимают равным 47 мм рт.ст. Например, если содержа! ние кислорода в альвеолярном газе равно 14,4%, а атмосферное давление – 740 мм рт.ст., то парциальное давление кислорода (рО2) составит: рО2 =[(740 – 47)/100 ] 14,4 = 99,8 мм рт.ст.

В условиях покоя парциальное давление кислорода в альвео! лярном газе колеблется около 100 мм рт.ст., а парциальное

давление углекислого газа около 40 мм рт.ст.

Диффузия газов между альвеолами и кровью. В притека! ющей к легким плазме крови газы находятся в растворенном состоянии. В этом случае говорят о напряжении газов в крови, которое выражают в тех же единицах (мм рт.ст.), что и парци! альное давление. В крови, поступающей в капилляры малого круга, напряжение кислорода составляет 40 мм рт.ст., а на! пряжение углекислого газа – 46 мм рт.ст. (рис. 10.4). Таким образом, градиент давления между альвеолярным воздухом и кровью по кислороду составляет 60 мм рт.ст. (100 мм рт.ст. в альвеолярном газе, 40 мм рт.ст. – в крови). Градиент по угле! кислому газу составляет 6 мм рт.ст. В притекающей крови рСО2– 46 мм рт.ст., в альвеолах – 40 мм рт.ст. Эти градиенты и являются движущей силой газообмена между альвеолярным воздухом и кровью. На скорость перехода газов между альвео! лярным воздухом и кровью влияют также свойства альвеоло! капиллярной мембраны, через которую идет диффузия газов: площадь диффузионной поверхности, средняя толщина мем! браны (около 2 мкм), коэффициент проницаемости этой мем! браны для газов. Коэффициент проницаемости через биологи! ческие мембраны для углекислого газа весьма высокий (в 25 раз выше, чем у кислорода). Поэтому диффузия углекис! лого газа в тканях организма и в легких идет быстро и углекис! лый газ, содержащийся в избытке в венозной крови, как пра! вило, успевает выходить в альвеолярный воздух даже при не! которой недостаточности кровотока или вентиляции, в то вре! мя как обмен кислорода нарушается.

Об уровне проницаемости альвеоло!капиллярного барьера для кислорода судят по показателю, называемому диффузион! ной способностью легких по кислороду (ДЛО2). В норме, когда взрослый человек находится в состоянии покоя, величина ДЛО2 = 20–25 мл кислорода мин/мм рт.ст. Показатель диф! фузионной способности легких по кислороду отражает объем кислорода, переходящий из альвеолярного воздуха в кровь за

351

Рис. 10.4. Условия газообмена между альвеолярным воздухом и кровью

одну минуту, при разности между парциальным давлением кислорода в альвеолярном воздухе и напряжением его в крови, равной 1 мм рт.ст. При физической нагрузке ДЛО2 может воз! расти до предела 70 мл кислорода мин/ мм рт.ст.

Скорость движения крови в легочных капиллярах такая, что один эритроцит проходит через капилляр за 0,75 с. Этого времени вполне достаточно для практически полного уравновешивания парциального давления кислорода и углекислого газа в альвеолах

352

и напряжения их в крови легочных капилляров. У здорового чело! века в оттекающей от легких по легочным венам крови в обычных условиях напряжение кислорода составляет 90–100 мм рт.ст.,

напряжение углекислого газа – 40 мм рт.ст.

Взаимосвязь вентиляции, кровотока и гравитации.

Для нормального газообмена важным является адекватное со! отношение величин легочной вентиляции и легочного крово! тока. В норме соотношение объемов легочной вентиляции и легочного кровотока близко к 1 (МОД = 4–6 л и МОК = 5– 6 л). Однако в разных участках легких это соотношение не оди! наково (выделяют зоны Веста).

В связи с тем что давление в легочных артериях низкое (не превышает 30 мм рт.ст.), на легочный кровоток сильно влияет положение участка легкого относительно уровня сердца. Если человек находится в вертикальном положении, то верхушки легких располагаются на 15–25 см выше уровня желудочков и большая часть давления, создаваемого правым желудочком сердца, расходуется на подъем крови, поэтому в капиллярах верхушек легких отмечается пониженное давление и объем! ный кровоток. Следствие этого – вентиляция альвеол в верх! них участках легких превышает перфузию (объемный крово! ток) в 2–3 раза. В нижних долях легких наблюдается обратное соотношение. Сила тяжести способствует притоку крови к этим долям и кровоток в них в 2–3 раза превышает вентиля! цию. В среднем же по легким соотношение между вентиляцией и перфузией составляет 0,8–1.

Учет влияния гравитации (силы тяжести) на кровоток име! ет значение во врачебной практике. В частности, у взрослых людей при одностороннем воспалении легкого оксигенация крови улучшается при таком положении больного, когда здо! ровое легкое находится ниже воспаленного.

Особенностью легочного кровотока является также то, что в отличие от всех других сосудов при снижении напряжения кислорода сосуды легких сужаются и кровоток в них уменьша! ется. Такая реакция сосудов способствует подстройке величи! ны легочного кровотока к величине вентиляции альвеол. В ре! зультате получается то, что в участках легких с большей вен! тиляцией (и большим парциальным давлением кислорода) кровоток усиливается, а в плохо вентилируемых – ослабляет! ся. Это обеспечивает условия для достаточного насыщения крови кислородом.

353

10.5. Транспорт газов кровью

Транспорт кровью кислорода. Объем газов, находящихся в крови, принято выражать в объемных процентах (об.%). Этот показатель отражает количество газа в миллилитрах, находящее! ся в 100 мл крови. Кислород транспортируется кровью в состоя! нии физического растворения (0,3 об.%, т.е. 0,3 мл кислорода в 100 мл крови) и в виде химической связи с гемоглобином (15– 21 об.%). Молекулу гемоглобина, не связанную с кислородом, обозначают символом Нв, а присоединившую кислород – НвО2. Присоединение кислорода к гемоглобину называют оксигенаци1 ей, а его отдачу – деоксигенацией или восстановлением. Гемоглобину принадлежит основная роль в транспорте кислоро! да. Одна молекула гемоглобина связывает 4 молекулы кислоро! да. Один грамм гемоглобина связывает и транспортирует 1,34 мл кислорода. Зная содержание Нв в крови, легко рассчитать кисло! родную емкость крови. Кислородная емкость крови – это ко! личество кислорода, связанного с гемоглобином, находящимся в 100 мл крови, при полном насыщении гемоглобина кислородом. Если в крови содержится 15 г % гемоглобина, то кислородная емкость крови составит 15 1,34 = 20,1 мл кислорода.

Для того чтобы гемоглобин мог связывать кислород в ле! гочных капиллярах и отдавать в тканевых, он должен обладать рядом свойств, которые в значительной мере отражают кри! вые диссоциации оксигемоглобина (рис.10.5). На графике по

Рис. 10.5. Кривые диссоциации оксигемоглобина (1):

а– при нормальном (2) и повышенном (3) напряжении углекислого газа в крови;

б– при температуре 20 °С, 37 °С и 40 °С

354

вертикали отмечается процент молекул гемоглобина, связан! ных с кислородом (% НвО2), по горизонтали – напряжение кислорода (РО2). Кривая отражает изменение % НвО2 по ме! ре возрастания напряжения кислорода в плазме крови. Эта кривая имеет S!образный вид с перегибами в области напря! жения 10 мм рт.ст. и 60 мм рт.ст. Если рО2 в плазме становит! ся больше 10 мм рт.ст., то сродство гемоглобина к кислороду повышается и по мере возрастания напряжения кислорода почти линейно нарастает процент оксигенированных молекул гемоглобина. При РО2, равном 27 мм рт.ст. 50% молекул ге! моглобина оказывается оксигенированными, при 60 мм рт.ст. – 90 %. При дальнейшем нарастании РО2 скорость увеличения % НвО2 замедляется так, что при обычном парциальном дав! лении кислорода в альвеолярном воздухе и плазме крови (90– 100 мм рт.ст.) оксигенация гемоглобина составляет 98%. В норме %НвО2 артериальной крови должен составлять 95– 98%. Если РО2 в крови становится ниже 80 мм рт. ст., а окси! генация гемоглобина ниже 92%, то это состояние называют гипоксемией, недостаточным содержанием и напряжением кислорода в крови.

Приведенные показатели сродства гемоглобина к кислоро! ду имеют место при обычной, нормальной температуре и на! пряжении углекислого газа (РСО2 = 40 мм рт.ст.) в артериаль! ной крови. При повышении РСО2 в крови (подкислении кро! ви), сродство гемоглобина к кислороду снижается, кривая дис! социации НвО2 сдвигается вправо. В организме повышение РСО2 происходит в тканевых капиллярах и это способствует увеличению деоксигенации гемоглобина и доставке кислорода в ткани. Снижение сродства гемоглобина к кислороду проис! ходит также при повышении температуры и накоплении в эритроцитах 2,3!дифосфоглицерата, синтезируемого в них.

С особенностями сродства гемоглобина к кислороду связа! на определенная устойчивость организма к понижению атмо! сферного давления (способность жить в горах) и снижению вентиляции легких. По кривой диссоциации НвО2 видно (см. рис. 10.5), что парциальное давление кислорода в альвеоляр! ном воздухе может быть снижено до 80 мм рт.ст., а оксигена! ция гемоглобина будет сохраняться на совместимом с жизне! деятельностью уровне.

Сродство гемоглобина к кислороду меняется под влиянием многих факторов. На практике важно учитывать то, что гемо!

355

глобин обладает очень высоким сродством к угарному газу (СО). Соединение гемоглобина с угарным газом называют карбоксигемоглобином, оно имеет вишнево!красный цвет. Угарный газ присоединяется к атому железа в молекуле гемо! глобина и тем самым блокирует возможность связи гемогло! бина с кислородом. Кроме того, в присутствии угарного газа даже те молекулы гемоглобина, которые связаны с кислоро! дом, в меньшей степени отдают его тканям (т.е. приобретают повышенное сродство к кислороду).

При наличии в воздухе 0,1% угарного газа более 50% мо! лекул гемоглобина превращается в карбоксигемоглобин, а уже при содержании в крови 20–25% карбоксигемоглобина человеку требуется врачебная помощь. В числе лечебных ме! роприятий при таких отравлениях угарным газом важно дать пострадавшему подышать чистым кислородом. Это увеличива! ет скорость распада карбоксигемоглобином в 20 раз. В усло! виях обыденной жизни в крови содержится 0–2% карбоксиге! моглобина. После выкуренной сигареты он может возрасти до 5% и более.

У новорожденного в эритроцитах содержится до 70% фе! тального гемоглобина (НвF), сродство которого к кислороду выше, чем у НвА, характерного для взрослого человека. Гемоглобин F заменяется на НвА в течение первого полугодия жизни. В первые часы после рождения рО2 артериальной крови составляет около 50 мм рт.ст., а НвО2 – 75–90%. Для новорожденных вдыхание чистого кислорода (особенно длительное) опасно. Оно грозит поражением сетчатки глаза, легочного эпителия и некоторых структур мозга.

Методами определения степени оксигенации гемоглобина являются оксигемометрия, оксигемография и пульсоксиметрия. Общим для этих методов является то, что они основаны на измерении поглощения света определенных длин волн гемоглобином крови при просвечивании тканей (уха, пальцев). Эти методы позволяют непрерывно наблюдать за измене! нием насыщения крови кислородом.

Метод пульсоксиметрии отличается тем, что позволяет выделять по! глощение света гемоглобином артериальной крови и определять абсо! лютную величину оксигенации гемоглобина артериальной крови одно! временно с непрерывным контролем частоты пульса. Этот метод дает важную информацию для оценки состояния человека и принятия реше! ния о действиях медперсонала в клинической практике, при тестирова! нии резервов организма и проведении различных функциональных проб.

356

Однако надо иметь в виду, что пульсоксиметр не отличает оксигемо! глобин от карбоксигемоглобина и при отравлении угарным газом показа! ния прибора не будут давать истинную картину оксигенации артериаль! ной крови.

До появления пульсоксиметрии главным признаком гипо! ксемии считался цианоз (синюшная окраска покровов кожи и слизистых оболочек). Выделяют две главные причины циано! за: 1) артериальная гипоксемия; 2) уменьшение кровотока в поверхностных сосудах.

Наиболее надежно гипоксемия выявляется пульсоксимет! ром при сохранении достаточного кровотока в периферических тканях (в области датчика). Прибор улавливает снижение со! держания НвО2 на 1–2%, в то время как невооруженным гла! зом даже при снижении НвО2 на 6% цианоз выявляется лишь

в половине случаев.

Транспорт кровью углекислого газа. Углекислый газ транспортируется кровью в состоянии: 1) физического раство! рения – 2,5–3 об %, 2) карбгемоглобина (НвСО2) – 5 об.%,

3)бикарбонатов (NaHCO3 и KHCO3) – около 50 об.%.

Воттекающей от тканей крови содержится 56–58 об.% уг! лекислого газа, а артериальной – 50–52 об.%. При протека!

нии через тканевые капилляры кровь захватывает около 6 об.% углекислого газа, а в легочных капиллярах он выходит в альвеолярный воздух. Особенно быстро идет обмен углекис! лого газа, связанного с гемоглобином. Углекислый газ присо! единяется к аминогруппам в молекуле гемоглобина. Поэтому наряду с названием “карбгемоглобин” это соединение называ! ют карбаминогемоглобином. Большая часть углекислого газа транспортируется в виде бикарбонатов натрия и калия – солей угольной кислоты (Н2СО3). Ускоренному распаду угольной кислоты в эритроцитах при прохождении их по легочным ка! пиллярам способствует фермент карбоангидраза. При рСО2 ниже 40 мм рт.ст. этот фермент разлагает Н2СО3 на Н2О и СО2. Углекислый газ при этом выходит из крови в альвеоляр! ный воздух.

В норме напряжение углекислого газа в артериальной кро! ви колеблется в пределах 35–45 мм рт.ст. Накопление угле! кислого газа в крови свыше нормы называют гиперкапнией, а понижение гипокапнией. Гиперкапния сопровождается изме! нением рН крови в кислую сторону. Это обусловлено тем, что углекислый газ, соединяясь с водой, образует угольную кислоту.

357

Таким образом, внешнее дыхание принимает непосредственное участие в поддержании кислотно!основного равновесия в орга! низме. За сутки с выдыхаемым воздухом из организма человека удаляется около 15 000 мМоль угольной кислоты. Другой важ! ный для поддержания показателя рН орган – почки, которые удаляют приблизительно в 100 раз меньше кислот.

При избыточной вентиляции легких (например, при гипер! вентиляции в условиях подключения аппарата искусственного дыхания) из организма удаляется много углекислого газа и развивается гипокапния с подщелачиванием крови. Такое со! стояние называют дыхательный (респираторный) алка1 лоз, при котором показатель рН начинает увеличиваться. При недостаточной вентиляции легких происходит накопление уг! лекислого газа в крови и тканях и развивается респиратор1 ный ацидоз – показатель рН крови может уменьшаться и снижается показатель щелочного резерва крови.

Содержание неиспользованного кислорода в организме взрослого человека составляет около 1,5 л, а запасы углекис! лого газа находятся в пределах 100–120 л. Особенно много углекислого газа растворено в жировой ткани. Следовательно, имеются большие буферные запасы углекислого газа в орга! низме, между ними и кровью идет перераспределение углекис! лого газа. Поэтому при неадекватной вентиляции легких уро! вень углекислого газа в крови изменяется медленнее, чем уро! вень кислорода.

10.6. Газообмен в тканях

Газообмен в тканях подчиняется тем же закономерностям, что и газообмен в легких (диффузия газов идет по направлению градиентов их напряжения, ее скорость зависит от напряже! ния газов, площади кровеносных капилляров, толщины диф!

фузионного слоя и свойств газов).

Газообмен кислорода. Напряжение кислорода в тканевых структурах зависит от степени удаления этой структуры от кро! веносных капилляров. В наиболее удаленных от капилляра участках ткани (в так называемом мертвом углу) оно может быть 0–1 мм рт.ст., а в начальном участке капилляра около 90 мм рт.ст. Таким образом, градиент напряжения кислорода между кровью и клетками ткани может достигать 90 мм рт.ст. В венозном конце капилляра рО2 снижается до 40 мм рт.ст., и

358

прилежащие к этому участку клетки имеют худшие условия до! ставки кислорода. Межкапиллярное расстояние в сердечной мышце составляет около 25 мкм, в коре большого мозга – 40 мкм, в скелетных мышцах – 80 мкм. Для нормального тече! ния окислительных процессов в клетках достаточно напряже! ния кислорода, равного 1 мм рт.ст.

Эффективность захвата кислорода тканями характеризует

коэффициент утилизации кислорода (КУК) – выраженное в процентах отношение объема кислорода, поглощенного тка! нью из крови за единицу времени, ко всему объему кислорода, доставленному кровью в сосуды ткани за то же время. В состо! янии физического покоя у человека средняя (по всем органам) величина КУК составляет 30–40%. При физической нагрузке она увеличивается до 50–60%. Даже в покое величина КУК в разных органах неодинакова. Максимальный КУК в сердце – 70–80%.

Понижение напряжения кислорода в тканях или нарушение его использования для тканевого дыхания называют гипокси1 ей. Гипоксия может быть результатом нарушения вентиляции легких или недостаточности кровообращения, нарушения диф! фузии газов в тканях, а также недостаточной активности био! химических ферментных систем в клетках.

Гипероксия – повышение напряжения кислорода в крови и тканях. Это состояние может развиться при дыхании человека чистым кислородом (для взрослого такое дыхание допустимо не более 4 ч) или помещении его в камеру с повышенным давлени! ем дыхательной смеси. При гипероксии постепенно развивают! ся симптомы кислородного отравления (тошнота, звон в ушах,

тик мышц лица, перевозбуждение ЦНС, судороги).

Газообмен углекислого газа. Градиент напряжения угле! кислого газа между притекающей кровью и клетками, окру! жающими капилляр ткани, может достигать 40 мм рт.ст. (40 мм рт.ст. в артериальной крови и до 60–80 мм рт.ст. в глу! боких слоях клеток). Эта сила обеспечивает выход углекисло! го газа в капиллярную кровь, напряжение углекислого газа в ней повышается до 46 мм рт.ст., а содержание углекислого газа до 56–58 об.%. Около четверти углекислого газа, выходящего из ткани в кровь, связывается с гемоглобином, остальная часть благодаря ферменту карбоангидразе соединяется с водой и образует угольную кислоту, которая быстро нейтрализуется путем присоединения ионов Nа+ и К+ и в виде бикарбонатов

359

транспортируется к легким. Поскольку ткани (особенно жиро! вая и костная) содержат большое количество растворенного и связанного углекислого газа, они могут выполнять роль буфе! ра, захватывая углекислый газ при гиперкапнии и отдавая при

гипокапнии.

Тканевое дыхание. Под тканевым дыханием понимают ряд окислительно!восстановительных процессов и реакций, про! текающих с участием кислорода. Окисление – это отдача электронов; восстановление, напротив, – присоединение электронов; кислород в таких реакциях выполняет роль акцеп! тора электронов, окислителя. В ниже приведенной реакции взаимодействия водорода с кислородом водород окисляется, а кислород восстанавливается. Присоединение четырех элект! ронов к молекуле О2 завершается образованием воды и явля! ется основной реакцией потребления О2 в клетках аэробных организмов:

2Н2 + О2 → 2Н2О + тепло (239 кДж/моль).

Как видно из уравнения, реакция сопровождается высво! бождением значительного количества энергии и знакома каж! дому человеку из уроков химии в школе (реакция гремучего га! за). Однако взрыва в клетке не происходит, потому что атомы водорода являются частью органических субстратов (это не молекулярный водород) и присоединяются к кислороду не сра! зу, а постепенно через ряд промежуточных переносчиков. Эти вещества формируют цепь переноса – набор дыхательных ферментов, упорядоченно расположенных и формирующих полиферментные комплексы. Энергия при таком переносе ак! кумулируется в форме градиента концентрации ионов водоро! да. Процессы тканевого дыхания катализируются ферментами класса оксидоредуктаз, расположенными на внутренней мем! бране митохондрий. На этих мембранах происходит и заверша! ющая реакция – образование воды.

В системе переноса ионов водорода и электронов в мито! хондриях участвуют четыре разных полиферментных комплек! са (рис. 10.6). Роль переносчиков в них выполняют относи! тельно небольшие органические молекулы: производные ниа! цина (витамина РР) – никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ); производ! ные витамина В2 – флавинадениндинуклеотид (ФАД) и фла! винмононуклеотид (ФМН); хорошо растворимый в липидах

360