Механизмы газообмена и транспорта газов

Рассмотрим процесс газообмена в легких. В легких происходит газообмен между поступающим в альвеолы воздухом и протекающей по капиллярам кровью (рис.11). Интенсивному газообмену между воздухом альве­ол и кровью способствует малая толщина так называемого аэрогематического барьера. Этот барьер между воздухом и кровью образован стенкой альвеолы и стенкой кровенос­ного капилляра. Толщина барьера - около 2,5 мкм. Стенки альвеол построены из однослойного плоского эпителия (альвеолоцитов), покрытого изнутри, со стороны просвета альвеол, тонкой пленкой фосфолипида, белков и гликопротеидов – сурфактантом, секретируемым пневмоцитами второго типа. Сурфактант препятствует слипанию альвеол при выдохе и понижает поверхностное натяжение на границе воздух-жидкость. Он также предотвращает пропотевание жидкости из крови в просвет альвеолы. «Смазывая» альвеолы изнутри, сурфактант защищает легочную ткань от проникновения через аэрогематический барьер микроорганизмов, частиц пыли и т.д. Альвеолы оплетены густой сетью кровеносных капилляров, что сильно увели­чивает площадь, на которой совершается газообмен между воздухом и кровью.

Во вдыхаемом воздухе - в альвеолах концентрация (пар­циальное давление) кислорода намного выше (100 мм рт. ст.), чем в венозной крови (40 мм рт. ст.), протекающей по легочным капиллярам. Поэтому кислород легко выходит из альвеол в кровь, где он быстро вступает в соединение с гемоглобином эритроцитов. Одновременно углекислый газ, концентрация которого в венозной крови капилляров высокая (47 мм рт.ст.), диффундирует

Рис.11. Схема обмена газами между кровью и воздухом альвеол: 1 - просвет альвеолы, 2 - стенка альвеолы, 3 - стенка кровеносно­го капилляра, 4 - просвет капилляра, 5 - эритроцит в просвете капил­ляра.

Стрелками показан путь кислорода (О₂,), углекислого газа (СО₂) че­рез аэрогематический барьер между кровью и воздухом

в альвеолы, где парциальное давление СО₂ значительно ниже (40 мм рт. ст.). Из альвеол легкого углекислый газ выводится с вы­дыхаемым воздухом.

Таким образом, разница в давлении (а точнее- напряжении) кис­лорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе, в арте­риальной и венозной крови дает возможность кислороду диффундировать из альвеол в кровь, а из крови в альвео­лы - углекислому газу.

В организме газообмен О₂ и СО₂ через альвеолярно-капиллярную мембрану, как указывалось выше, происходит с помощью диффузии. Диффузия О₂ и СО₂ через аэрогематический барьер зависит от следующих факторов: вентиляции дыхательных путей; смешивания и диффузии газов в альвеолярных протоках и альвеолах; смешивания и диффузии газов через аэрогематический барьер, мембрану эритроцитов и плазму альвеолярных капилляров; химической реакции газов с различными компонентами крови, и наконец от перфузии кровью легочных капилляров.

Диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану лег­ких осуществляется в два этапа. На первом этапе диффузионный перенос газов происходит по концентрационному градиенту через тонкий аэрогематический барьер, на втором - происходит связы­вание газов в крови легочных капилляров, объем которой составляет 80-150 мл, при толщине слоя крови в капиллярах всего 5-8 мкм и скорости кровотока около 0,1 мм/с. После преодоления аэрогематического барьера газы диффундируют через плазму крови в эритроциты.

Значительным препятствием на пути диффузии О₂ является мем­брана эритроцитов. Плазма крови практически не препятствует диффузии газов, в отличие от альвеолярно-капиллярной мембраны и мембраны эритроцитов.

Общие закономерности процесса диффузии могут быть выражены в соответствии с законом Фика следующей формулой:

M/t = ∆P/X ∙C ∙ K ∙ α,

где М - количество газа, t - время, M/t - скорость диффузии, ∆P - разница парциального давления газа в двух точках, X - расстояние между этими точками, С - поверхность газообмена, К -коэффициент диффузии, α - коэффициент растворимости газа.

В легких ∆P является градиентом давлений газа в альвеолах и в крови легочных капилляров. Проницаемость альвеолярно-капиллярной мембраны прямо пропорциональна площади контакта между функционирующими альвеолами и капиллярами (С), коэффициен­там диффузии и растворимости (К и α).

Анатомо-физиологическая структура легких создает исключи­тельно благоприятные условия для газообмена: дыхательная зона каждого легкого содержит около 300 млн. альвеол и приблизительно аналогичное число капилляров, имеет площадь 40-140 м², при толщине аэрогематического барьера всего 0,3-1,2 мкм.

Особенности диффузии газов через аэрогематический барьер ко­личественно характеризуются через диффузионную способность лег­ких.

Для О₂ диффузионная способность легких - это объем газа, переносимого из альвеол в кровь в минуту при градиенте альвеолярно-капиллярного давления газа 1 мм рт. ст. Согласно закону Фика, диффузионная способность мембраны аэрогематического барь­ера обратно пропорциональна ее толщине и молекулярной массе газа и прямо пропорциональна площади мембраны и в особенности коэффициенту растворимости О₂ и СО₂ в жидком слое альвеолярно-капиллярной мембраны.

Транспорт кислорода осуществляется в физически растворенном и хи­мически связанном виде. Физические процессы, т. е. растворение газа, не могут обеспечить запросы организма в 0₂. Подсчитано, что физически растворенный О₂ может поддерживать нормальное по­требление О₂ в организме (250 мл/мин), если минутный объем кровообращения составит примерно 83 л/мин в покое. Наиболее оптимальным является механизм транспорта О₂ в химически свя­занном виде.

Согласно закону Фика, газообмен О₂ между альвеолярным воздухом и кровью происходит благодаря наличию концентраци­онного градиента О₂ между этими средами. В альвеолах легких парциальное давление О₂ составляет 13,3 кПа, или 100 мм рт. ст., а в притекающей к легким венозной крови парциальное напряжение О₂ составляет примерно 5,3 кПа, или 40 мм рт. ст. Давление газов в воде или в тканях организма обозначают тер­мином «напряжение газов» и обозначают символами Ро₂, Рсо₂. Градиент О₂ на альвеолярно-капиллярной мембране, равный в среднем 60 мм рт. ст., является одним из важнейших, но не единственным, согласно закону Фика, факторов начальной стадии диффузии этого газа из альвеол в кровь.

Транспорт О₂ начинается в капиллярах легких после его хими­ческого связывания с гемоглобином.

Гемоглобин (Нb) способен избирательно связывать О₂ и образо­вывать оксигемоглобин (НЬО₂) в зоне высокой концентрации О₂ в легких и освобождать молекулярный О₂ в области пониженного содержания О₂ в тканях. При этом свойства гемоглобина не изме­няются и он может выполнять свою функцию на протяжении дли­тельного времени.

Благодаря особому свойству гемоглобина вступать в со­единение с кислородом и с углекислым газом кровь спо­собна поглощать эти газы в значительном количестве. В 100 мл артериальной крови содержится до 20 мл кисло­рода и до 52 мл углекислого газа. Одна молекула гемогло­бина способна присоединить к себе четыре молекулы кис­лорода, образуя неустойчивое соединение оксигемоглобин. Известно, что 1 мл гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода. В 100 мл крови содержится 15 г гемоглобина.

Зависимость степени оксигенации гемоглобина от парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе графически представляется

Рис.12. Кривая диссоциации оксигемоглобина цельной крови.

А- влияние изменения рН крови на сродство гемоглобина к кислороду; Б- влияние изменения температуры на сродство гемоглобина к кислороду. Кривые 1-6 соответствуют температуре 0,10,20,30,38 и 43 градуса С.

виде кривой диссоциации оксигемоглобина, или сатурационной кри­вой (рис. 12). Плато кривой диссоциации характерно для насы­щенной кислородом (сатурированной) артериальной крови, а крутая нисхо­дящая часть кривой - венозной, или десатурированной, крови в тканях.

На сродство кислорода к гемоглобину влияют различные мета­болические факторы, что выражается в виде смещения кривой дис­социации влево или вправо. Сродство гемоглобина к кислороду регулируется важнейшими факторами метаболизма тканей: РО₂, рН, температурой и внутриклеточной концентрацией 2,3-дифосфоглицерата. Величина рН и содержание СО₂ в любой части организма закономерно изменяют сродство гемоглобина к О₂: уменьшение рН крови вызывает сдвиг кривой диссоциации соответственно вправо (уменьшается сродство гемоглобина к 0₂), а увеличение рН крови - сдвиг кривой диссоциации влево (повышается сродство гемоглобина к О₂) ( рис.12, А). Например, рН в эритроцитах на 0,2 единицы ниже, чем в плазме крови. В тканях вследствие повышенного со­держания СО₂ рН также меньше, чем в плазме крови. Влияние рН на кривую диссоциации оксигемоглобина называется «эффектом Бора».

Рост температуры уменьшает сродство гемоглобина к О₂. В ра­ботающих мышцах увеличение температуры способствует освобож­дению 0₂. Уменьшение температуры тканей или содержания 2,3-дифосфоглицерата вызывает сдвиг влево кривой диссоциации окси­гемоглобина (рис.12, Б).

Метаболические факторы являются основными регуляторами связывания О₂ с гемоглобином в капиллярах легких, когда уровень О₂, рН и СО₂ в крови повышает сродство гемоглобина к О₂ по ходу легочных капилляров. В условиях тканей организма эти же факторы метаболизма понижают сродство гемоглобина к О₂ и способствуют переходу оксигемоглобина в его восстановленную форму - дезоксигемоглобин. В результате О₂ по концентрацион­ному градиенту поступает из крови тканевых капилляров в ткани организма.

Оксид углерода (II) - СО, способен соединяться с атомом железа гемоглобина, изменяя его свойства и реакцию с О₂. Очень высокое сродство СО к гемоглобину (в 200 раз выше, чем у О₂) блокируют один или более атомов железа в молекуле гема, изменяя сродство гемоглобина к О₂.

Под кислородной емкостью крови понимают количество О₂, которое связывается кровью до полного насыщения гемоглобина. При содержании гемоглобина в крови 8,7 ммоль/л кислородная емкость крови составляет 0,19 мл О₂ в 1 мл крови (температура О °С и барометрическое давление 760 мм рт. ст. или 101,3 кПа). Величину кислородной емкости крови определяет количество гемо­глобина, 1 г которого связывает 1,36-1,34 мл О₂. Кровь человека содержит около 700-800 г гемоглобина и может связать таким образом почти 1 л 0₂.

Гемоглобин эритроцитов способен соединяться и с дру­гими газами. Так, например, с окисью углерода, образую­щейся при неполном сгорании угля или другого топлива, гемоглобин соединяется в 150-300 раз быстрее, чем с кис­лородом. При этом образуется довольно прочное соедине­ние карбоксигемоглобин. Поэтому даже при малом со­держании в воздухе окиси углерода (СО) гемоглобин со­единяется не с кислородом, а с окисью углерода. При этом снабжение организма кислородом, его транспорт к клет­кам, тканям нарушается, прекращается. Человек в этих ус­ловиях задыхается и может погибнуть из-за непоступления кислорода в ткани организма.

Недостаточное поступление кислорода в ткани (гипок­сия) может возникнуть при недостатке кислорода во вды­хаемом воздухе, например в горах. Уменьшение содержа­ния гемоглобина в крови - анемия - появляется, когда кровь не может переносить кислород (при отравлении угар­ным газом).

При остановке, прекращении дыхания развивается уду­шье (асфиксия). Такое состояние может случиться при утоп­лении или других неожиданных обстоятельствах, при по­падании инородного тела в дыхательные пути (разговор во время еды), при отеке голосовых связок в связи с заболеванием. Частицы пищи могут быть удалены из дыхательных путей рефлекторным кашлем (кашлевым толчком), возникающим в результате раздражения слизистой оболочки дыхательных путей, в первую очередь гортани.

При остановке дыхания (утопление, удар электрического тока, отравление газами), когда сердце еще продолжает работать, делают искусственное дыхание с помощью специальных аппаратов, а при их отсутствии «рот в рот», «рот в нос» или путем сдавления грудной клетки .

В тканях организма в результате непрерывного обмена веществ, интенсивных окислительных процессов расходу­ется кислород и образуется углекислый газ. При поступле­нии крови в ткани организма гемоглобин отдает клеткам, тканям кислород. Образовавшийся при обмене веществ уг­лекислый газ переходит (диффундирует) из тканей в кровь и присоединяется к гемоглобину. При этом образуется непрочное соединение -карбгемоглобин. Быстрому соеди­нению гемоглобина с углекислым газом способствует на­ходящийся в эритроцитах фермент карбоангидраза.

Поступление СО₂ в легких из крови в альвеолы обеспечивается из следующих источников: 1) из СО₂, растворенного в плазме крови (5-10%); 2) из гидрокарбонатов (80-90%); 3) из карбаминовых соединений эритроцитов (5-15%), которые способны диссоцииро­вать.

Для СО₂ коэффициент растворимости в мембранах аэрогематического барьера больше, чем для О₂, и составляет в среднем 0,231 ммоль/л ∙ Па, поэтому СО₂ диффундирует быстрее, чем О₂. Это положение является верным только для диффузии молекулярного СО₂. Большая часть СО₂ транспортируется в организме в связанном состоянии в виде гидрокарбонатов и карбаминовых соединений, что увеличивает время обмена СО₂, затрачиваемое на диссоциацию этих соединений.

В венозной крови, притекающей к капиллярам легких, напря­жение СО₂ составляет в среднем 46 мм рт. ст. (6,1 кПа), а в альвеолярном воздухе парциальное давление СО₂ равно в среднем 40 мм рт. ст. (5,3 кПа), что обеспечивает диффузию СО₂ из плазмы крови в альвеолы легких по концентрационному градиенту.

Эндотелий капилляров проницаем только для молекулярного СО₂ как полярной молекулы (О = С = О). Из крови в альвеолы диффундирует физически растворенный в плазме крови молеку­лярный СО_2. Кроме того, в альвеолы легких диффундирует СО₂, который высвобождается из карбаминовых соединений эритроцитов благодаря реакции окисления гемоглобина в капиллярах легкого, а также из гидрокарбонатов плазмы крови в результате их быстрой диссоциации с помощью фермента карбоангидразы, содержащейся в эритроцитах.

Молекулярный СО₂ проходит аэрогематический барьер, а затем поступает в альвеолы.

В норме через 1 с происходит выравнивание концентраций СО₂ на альвеолярно-капиллярной мембране, поэтому за половину времени капиллярного кровотока происходит полный обмен СО₂ через аэрогематический барьер. Реально равновесие наступает не­сколько медленнее. Это связано с тем, что перенос СО₂, так же как и О₂, ограничивается скоростью перфузии капилляров легких.

Процесс выведения СО₂ из крови в альвеолы легкого менее лимитирован, чем окcигенация крови. Это обусловлено тем, что молекулярный СО₂ легче проникает через биологические мембраны, чем О₂. По этой причине он легко проникает из тканей в кровь. К тому же карбоангидраза способствует образованию гидрокарбоната. Яды, которые ограничивают транспорт O₂ (такие как СО, метгемоглобинобразующие субстанции - нитриты, метиленовый си­ний, ферроцианиды и др.) не действуют на транспорт СО₂. Блокаторы карбоангидразы, например диакарб, которые используются нередко в клинической практике или для профилактики горной или высотной болезни, полностью никогда не нарушают образование молекуляр­ного СО₂. Наконец, ткани обладают большой буферной емкостью, но не защищены от дефицита О₂. По этой причине нарушение транспорта О₂ наступает в организме гораздо чаще и быстрее, чем нарушения газообмена СО₂. Тем не менее при некоторых заболе­ваниях высокое содержание СО₂ и ацидоз могут быть причиной смерти.

Измерение напряжения О₂ и СО₂ в артериальной или смешанной венозной крови производят полярографическими методами с исполь­зованием очень небольшого количества крови. Количество газов в крови измеряют после их полного извлечения из пробы крови, взятой для анализа.

Такие исследования выполняют с помощью манометрических приборов типа аппарата Ван-Слайка, или гемоалкариметра (необ­ходимо 0,52,0 мл крови) или на микроманометре Холандера (не­обходимо около 50 мкл крови).