4. Транспорт газов кровью и газообмен на уровне тканей

Транспорт газов (кислорода из легких к тканям, где он отчасти потребляется) и углекислого газа (из тканей, где он образуется в результате окислительных процессов, к легким) осуществляется кровью, движение которой обеспечивается благодаря ритмичной деятельности сердца. Таким образом, реализация процесса транспорта газов кровью во многом зависит от функционального состояния аппарата кровообращения.

Газы могут находиться в крови в двух состояниях:

• физического растворения в плазме крови (обычно очень небольшое количество газа)

• химически связанном виде.

Причем после перехода газа в кровь он сначала растворяется в плазме крови, а затем уже связывается с теми или иными химическими веществами. Скорость связывания газа кровью будет во многом определять интенсивность его последующей диффузии в кровь (поскольку в результате химического связывания газа концентрация его свободной фракции в крови снижается, и это облегчает дальнейшую диффузию новых молекул данного газа в кровь). Кислород связывается с гемоглобином эритроцитов (с гемом гемоглобина), а углекислый газ – с водой (в результате чего образуются бикарбонат-ионы) и гемоглобином (белковой его частью). Диффузия кислорода из крови в межклеточную жидкость или углекислого газа из крови в альвеолярный воздух осуществляется за счет свободных их форм (физически растворенных). Причем по мере уменьшения концентрации физически растворенных газов в плазме происходит высвобождение части их молекул из химически связанного состояния (т.е. переход их в свободную форму) и последующая диффузия из крови.

Концентрация кислорода в артериальной крови в среднем составляет 19об% (19мл/100мл крови), большая часть его находится в состоянии химически связанном с гемоглобином (в виде оксигемоглобина) и очень небольшая (всего 0,3 мл кислорода) – в свободном виде (растворена в плазме крови). Поступающий из альвеолярного воздуха в кровь кислород вначале растворяется в плазме, а затем диффундирует в эритроциты, где быстро присоединяется к гемоглобину. Поскольку скорость связывания кислорода гемоглобином очень велика, то концентрация свободного гемоглобина в эритроцитах оказывается ничтожно малой, что облегчает и ускоряет диффузию в них кислорода из плазмы крови. Гемоглобин является сложным белком, состоящим из небелковой части (гема) и белковой части (глобина). Причем в состав каждой молекулы гемоглобина входит 4 глобиновые субъединицы, каждая из которых ассоциирована с одной молекулой гема. Кислород присоединяется к железу гема (при этом атом железа после присоединения кислорода не изменяет свою валентность). Поскольку в составе молекулы гемоглобина насчитывается 4 молекулы гема, то соответственно одна молекула гемоглобина может присоединять 4 молекулы кислорода. Кривая диссоциации оксигемоглобина, отражающая зависимость его концентрации от парциального напряжения кислорода в плазме крови, имеет S-образный вид, что свидетельствует в пользу кооперативного характера связывания кислорода гемоглобином. Кооперативность связывания кислорода гемоглобином заключается в том, что присоединение одной молекулы кислорода к одному из гемов гемоглобина приводит к такому изменению конформации макромолекулы, при котором облегчается и ускоряется присоединение остальных молекул кислорода к оставшимся гемам гемоглобина. Нижняя часть кривой диссоциации оксигемоглобина, соответствующая диапазону низких парциальных напряжений кислорода в крови (типичных для периферических тканей), является крутой, а верхняя, соответствующая диапазону высоких парциальных напряжений кислорода в крови (типичных для капилляров легких) – пологой. Таким образом, при низких парциальных напряжениях кислорода в плазме крови имеет место диссоциация оксигемоглобина, и концентрация его в эритроцитах снижается (соответственно увеличивается концентрация дезоксигемоглобина). Причем скорость диссоциации оксигемоглобина будет тем больше, чем ниже парциальное напряжение кислорода в плазме крови и окружающих тканях. Некоторые вещества (2,3-дифосфоглицерат, концентрация которого в эритроцитах повышается при снижении парциального напряжения кислорода в крови, ионы водорода, а также повышение температуры) обладают способностью снижать сродство гемоглобина к кислороду, что будет обеспечивать более высокий уровень диссоциации оксигемоглобина.

Рис. 8. Кривые диссоциации оксигемоглобина

I – кривая насыщения гемоглобина кислородом при нормальном содержании СО₂

II – влияние изменения парциального напряжения СО₂ на кривую диссоциации оксигемоглобина

При высоких парциальных напряжениях кислорода в плазме крови происходит связывание его гемоглобином с образованием оксигемоглобина. Причем вначале по мере увеличения парциального напряжения кислорода в плазме концентрация оксигемоглобина в крови резко увеличивается, и при парциальном напряжении 60 мм.рт.ст. достигается почти 90% насыщение гемоглобина кислородом. Дальнейшее же увеличение парциального напряжения кислорода в плазме мало влияет на концентрацию оксигемоглобина (кривая принимает отлогий вид). Следовательно, концентрация оксигемоглобина в артериальной крови при парциальном давлении кислорода в альвеолярном воздухе, равном 60 мм.рт., уже приближается к максимальному насыщению (достигается 90% насыщение гемоглобина кислородом), тогда как нормальное парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе (при нормальном процентном его содержании в атмосферном воздухе, соответствующим 21%) составляет 100 мм.рт.ст. Из сказанного следует, что изменения парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе в диапазоне 60-100 мм.рт.ст. мало отражаются на концентрации окисгемоглобина в крови и кислородном снабжении тканей.

Максимальное количество кислорода, которое может связать кровь, характеризует кислородную емкость крови, которая во многом зависит от концентрации гемоглобина в ней. Часть кислорода, поглощаемая периферическими тканями из артериальной крови, отражает коэффициент утилизации кислорода тканями, который рассчитывается по следующей формуле:

К утилизации О₂ =

где К утилизации О₂ – коэффициент утилизации кислорода тканями

Р_О2^артер и Р_О2^веноз – парциальное напряжение кислорода в артериальной и венозной крови соответственно.

Коэффициент утилизации кислорода периферическими тканями находится в пределах от 30 до 40% (причем его величина для разных тканей различна и во многом зависит от уровня обменных процессов в них). При тяжелой мышечной работе коэффициент утилизации кислорода повышается до 60%.

Концентрация углекислого газа в венозной крови составляет 58об% (58мл/100мл крови), из которых большая часть (55,5об%) находится в химически связанном виде (4,5об% в виде карбгемоглобина (причем СО₂ присоединяется к белковой части гемоглобина, и каждая молекула гемоглобина может присоединить 4 молекулы углекислого газа) и 51об% в виде бикарбонатов) и только 2,5об% углекислого газа транспортируется в состоянии физического растворения. Углекислый газ образуется в клетках периферических тканей в ходе окислительных процессов и по градиенту парциального напряжения поступает в кровь капилляров большого круга кровообращения, где сначала растворяется, а затем диффундирует в эритроциты. Небольшая часть этого углекислого газа присоединяется к гемоглобину, а большая – под действием фермента угольной ангидразы связывается с водой, превращаясь в угольную кислоту (угольная ангидраза имеется только в эритроцитах и ускоряет процесс образования угольной кислоты в 20000 раз). Одновременно с образованием угольной кислоты из крови в периферические ткани переходит кислород, что сопряжено с диссоциацией оксигемоглобина и образованием дезоксигемоглобина (гемоглобина, отдавшего кислород). Если оксигемоглобин обладает более сильными кислотными свойствами, чем угольная кислота, то дезоксигемоглобин – напротив, является более слабой кислотой по сравнению с угольной. В связи с этим усиленно образующаяся на уровне тканей угольная кислота начинает обменивать свои ионы Н⁺ на ионы К⁺, ассоциированные с дезоксигемоглобином, в результате чего образуется бикарбонат калия и восстановленный дезоксигемоглобин (ННв). Бикарбонат-ионы частично переходят из эритроцита в плазму крови (в обмен на проникающие в эритроцит ионы Сl^-), где связываются с натрием. Следовательно, диссоциация оксигемоглобина на уровне тканей, сопровождающаяся отдачей тканям кислорода, облегчает и улучшает связывание кровью углекислого газа (поскольку образующийся дезоксигемоглобин, как более слабая кислота, начинает обмениваться ионами К⁺ с угольной кислотой, способствуя образованию бикарбонатов и связыванию таким образом углекислого газа). Данный эффект, отражающий зависимость скорости связывания углекислого газа кровью от интенсивности отдачи кислорода, носит название эффекта Холдена.

На уровне капилляров легких венозная кровь постепенно насыщается кислородом. При этом образуется оксигемоглобин, который, являясь более сильной кислотой, чем угольная, начинает вытеснять из бикарбонатов ионы К⁺, что, в конечном итоге, сопровождается образованием

• во-первых, калиевой соли оксигемоглобина

• а во-вторых, свободной угольной кислоты, которая, являясь нестойкой, распадется на углекислый газ и воду; углекислый газ диффундирует сначала из эритроцита в плазму крови, а затем в альвеолярный воздух.

Таким образом, связывание кровью кислорода на уровне капилляров легких облегчает отдачу ею углекислого газа, поскольку образующийся оксигемоглобин вытесняет ионы калия из бикарбонатов, способствуя их превращению в угольную кислоту, распадающуюся на углекислый газ и воду.

Схематическое представление связывания углекислого газа и отдачи кислорода кровью на уровне капилляров большого круга кровообращения и обратных процессов в капиллярах малого круга кровообращения

На уровне капилляров периферических тканей (капилляров большого круга кровообращения) часть оксигемоглобина, находящегося в эритроцитах в виде калиевой соли (КНbО₂), диссоциирует, отдавая кислород и превращаясь в дезоксигемоглобин (КНb):

К НbО₂ КНb+О₂ (процесс происходит в эритроците, О₂ диффундирует из крови в ткани)

Но дезоксигемоглобин является гораздо более слабой кислотой, чем оксигемоглобин, и обладает более слабыми кислотными свойствами по сравнению с угольной кислотой. В результате этого он начинает обменивать ионы К⁺ на ионы Н⁺ угольной кислоты, которая интенсивно образуется в эритроцитах на уровне тканей вследствие поступления СО₂ из тканей в кровь:

С О₂+Н₂О Н₂СО₃ (процесс происходит в эритроците и катализаруется угольной ангидразой: СО₂ вначале поступает из тканей в плазму крови, а из плазмы в эритроцит, где связывается с водой)

К Нb+Н₂СО₃ ННb+КНСО₃ (процесс происходит в эритроците, ионы НСО₃^- из эритроцитов частично переходят в плазму крови, где ассоциируются с ионами натрия)

Таким образом, калиевая соль дезоксигемоглобина, проявляя слабые щелочные свойства, является акцептором протонов водорода и, присоединяя их, превращается в ННb (восстановленный дезоксигемоглобин); при этом угольная кислота, усиленно образующася в эритроцитах капилляров большого круга кровообращения, превращается в бикарбонат-ион (НСО₃^-), ассоциированный в эритроцитах с ионами К⁺, а в плазме крови с ионами Na⁺.

На уровне капилляров малого круга кровообращения происходит насыщение крови кислородом, в результате чего бóльшая часть дезоксигемоглобина превращается в оксигемоглобин, который являясь более сильной кислотой, чем угольная, начинает вытеснять ионы К⁺ из бикарбонатов (при этом бикарбонат-ион присоединяет ионы Н⁺ и превращается в угольную кислоту, которая, являясь нестойкой, диссоциирует на СО₂ и воду; углекислый газ диффундирует из эритроцита в плазму крови, а затем – в альвеолярный воздух):

Н

Н₂О

СО₂, диффундирует из эритроцита в плазму крови, а затем в альвеолярный воздух

Нb+О₂ ННbО₂ (оксигемоглобин, является более сильной кислотой чем угольная)

Н НbО₂+КНСО₃ КНbО₂+Н₂СО₃

Рис. 9. Транспорт газов кровью и газообмен в легких и тканях

Диффузия газов на уровне периферических тканей, также как и газообмен между кровью капилляров и тканями, осуществляется по градиенту их парциального напряжения. Так, парциальное напряжение углекислого газа в клетках при высоком уровне их функциональной активности может достигать 60 мм.рт.ст., а в межклеточных щелях, окружающих капилляры – 46 мм.рт.ст., тогда как в артериальной крови, притекающей к ткани – 40 мм.рт.ст. Соответственно углекислый газ будет диффундировать из клеток в межклеточные щели, а оттуда в направлении капилляров и переходить в кровь (парциальное напряжение углекислого газа в венозной крови в среднем составляет 46 мм.рт.ст.).

Парциальное напряжение кислорода в артериальной крови в среднем составляет 96 мм.рт.ст., тогда как в тканевой жидкости, окружающей капилляры – 20-40 мм.рт.ст., а в клетках самих периферических тканей (особенно в области митохондрий) может быть близко к нулю. Соответственно кислород будет диффундировать из крови в направлении клеток, где он усиленно потребляется. Градиент парциального напряжения кислорода между кровью и тканями, во многом определяющий количество переходящего в ткани кислорода, напрямую зависит от уровня обменных процессов в них.

Рис. 10. Схема газообмена между капиллярами большого круга кровообращения и периферическими тканями