3.2.2. Транспорт газов кровью

Кислород транспортируется артериальной кровью в двух формах: связанный с гемоглобином внутри эритроцита и растворенный в плазме.

Эритроцит происходит из недифференцированной костномозговой ткани. При созревании клетка утрачивает ядро, рибосомы и митохондрии. Вследствие этого эритроцит не способен к выполнению таких функций, как клеточное деление, окислительное фосфорилирование и синтез белка. Источником энергии для эритроцита служит преимущественно глюкоза, метаболизируемая в цикле Эмбдена-Миергофа, или гексозомонофосфатном шунте. Наиболее важным внутриклеточным белком для обеспечения транспорта О₂ и СО₂ является гемоглобин, представляющий собой комплексное соединение железа и порфирина. С одной молекулой гемоглобина связываются максимально четыре молекулы О₂. Гемоглобин, полностью загруженный О₂, называется оксигемоглобином, а гемоглобин без О₂ или присоединивший менее четырех молекул О₂ - деоксигенированным гемоглобином.

Основной формой транспорта О₂ является оксигемоглобин. Каждый грамм гемоглобина может максимально связать 1,34 мл О₂. Соответственно, кислородная емкость крови находится в прямой зависимости от содержания гемоглобина:

О₂ емкость крови = [Hb] 1,34 О₂ /гHb/100 мл крови (3.21).

У здоровых людей с содержанием гемоглобина 150 г/л кислородная емкость крови составляет 201 мл О₂ крови.

Кровь содержит незначительное количество кислорода, не связанного с гемоглобином, а растворенного в плазме. Согласно закону Генри, количество растворенного О₂ пропорционально давлению О₂ и коэффициенту его растворимости. Растворимость О₂ в крови очень мала: только 0,0031 мл растворяется в 0,1 л крови на 1 мм рт. ст. Таким образом, при напряжении кислорода 100 мм рт. ст. в 100 мл крови содержится только 0,31 мл растворенного О₂.

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

СаО₂ = [(1,34)[Hb](SaО₂)] + [(Pa)(0,0031)] (3.22).

Кривая диссоциации гемоглобина. Сродство гемоглобина к кислороду возрастает по мере последовательного связывания молекул О₂, что придает кривой диссоциации оксигемоглобина сигмовидную или S-образную форму (рис. 3.14).

Верхняя часть кривой (РаО₂60 мм рт.ст.) плоская. Это указывает на то, что SaО₂ и, следовательно, СаО₂, остаются относительно постоянными, несмотря на значительные колебания РаО₂. Повышение СаО₂ или транспорта О₂ может быть достигнуто за счет увеличения содержания гемоглобина или растворения в плазме (гипербарическя оксигенация).

РаО₂, при котором гемоглобин насыщен кислородом на 50% (при 37⁰ рН=7,4), известно как Р₅₀. Эта общепринятая мера сродства гемоглобина к кислороду. Р₅₀ крови человека составляет 26,6 мм рт. ст. Однако оно может изменяться при различных метаболических и фармакологических условиях, воздействующих на процесс связывания кислорода гемоглобином. К ним относят следующие факторы: концентрацию ионов водорода, напряжение углекислого газа, температуру, концентрацию 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) и др.

Рис. 3.14. Сдвиги кривой диссоциации оксигемоглобина при изменениях рН, температуры тела и концентрации 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) в эритроцитах

Изменение сродства гемоглобина к кислороду, обусловленное колебаниями внутриклеточной концентрации водородных ионов, называется эффектом Бора. Снижение рН сдвигает кривую вправо, повышение рН - влево. Форма кривой диссоциации оксигемоглобина такова, что этот эффект более выражен в венозной крови, чем в артериальной. Данный феномен облегчает освобождение кислорода в тканях, практически не сказываясь на потреблении кислорода (в отсутствии тяжелой гипоксии).

Двуокись углерода оказывает двоякое действие на кривую диссоциации оксигемоглобина. С одной стороны, содержание СО₂ влияет на внутриклеточный рН (эффект Бора). С другой, накопление СО₂ вызывает образование карбаминовых соединений вследствие ее взаимодействия с аминогруппами гемоглобина. Эти карбаминовые соединения служат в качестве аллостерических эффекторов молекулы гемоглобина и непосредственно влияют на связывание О₂. Низкий уровень карбаминовых соединений вызывает сдвиг кривой вправо и снижение сродства гемоглобина к О₂, что сопровождается увеличение высвобождения О₂ в тканях. По мере роста РаСО₂ сопутствующее ему увеличение карбаминовых соединений сдвигает кривую влево, повышая связывание О₂ гемоглобином.

Органические фосфаты, в частности 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ), образуются в эритроцитах в процессе гликолиза. Продукция 2,3- ДФГ увеличивается во время гипоксемии, что является важным механизмом адаптации. Ряд условий, вызывающих снижение О₂ в периферических тканях, таких как анемия, острая кровопотеря, застойная сердечная недостаточность и т.д. характеризуются увеличением продукции органических фосфатов в эритроцитах. При этом уменьшается сродство гемоглобина к О₂ и повышается его высвобождение в тканях. И наоборот, при некоторых патологических состояниях, таких как септический шок и гипофосфатемия, наблюдается низкий уровень 2,3-ДФГ, что приводит к сдвигу кривой диссоциации оксигемоглобина влево.

Температура тела влияет на кривую диссоциации оксигемоглобина менее выражено и клинически значимо, чем описанные выше факторы. Гипертермия вызывает повышение Р₅₀, т.е. сдвиг кривой вправо, что является благоприятной приспособительной реакцией не повышенный кислородный запрос клеток при лихорадочных состояниях. Гипотермия, напротив, снижает Р₅₀, т.е. сдвигает кривую диссоциации влево.

СО, связываясь с гемоглобином (образуя карбоксигемоглобин), ухудшает оксигенацию периферических тканей посредством двух механизмов. Во-первых, СО непосредственно уменьшает кислородную емкость крови. Во-вторых, снижая количество гемоглобина, доступного для связывания О₂; СО снижает Р₅₀ и сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина влево.

Окисление части двухвалентного железа гемоглобина до трехвалентного приводит к образованию метгемоглобина. В норме у здоровых людей метгемоглобин составляет менее 3% общего гемоглобина. Низкий его уровень поддерживается внутриклеточными ферментными механизмами восстановления. Метгемоглобинемия может наблюдаться как следствие врожденной недостаточности этих восстановительных ферментов или образования аномальных молекул гемоглобина, резистентных к ферментативному восстановлению (например, гемоглобин М).

Доставка кислорода (DО₂) представляет собой скорость транспорта кислорода артериальной кровью, которая зависит от кровотока и содержания О₂ в артериальной крови. Системная доставка кислорода (DО₂), рассчитывается как:

DO₂ = СаО₂ х Q_t (мл/мин) или

DO₂ = ([(Hb) 1,34 % насыщения] + [0,0031PaO₂ )Q_t (мл/мин) = 20 мл О₂/100 мл крови  5000 мл/мин = 1000 мл О₂/мин (3.23).

Доставку и потребление кислорода часто рассчитывают с учётом площади поверхности тела. При сердечном индексе, составляющем 3 л/(мин_*м^-2) (Q_t делённый на площадь поверхности тела) нормальное значение DО₂ = 540 мл/(мин  м²). Если обычный показатель сердечного выброса составляет от 2,5 до 3,5 л/мин/м², то нормальная величина DО₂ колеблется от 520 до 720 мл/мин/м².

Существует тонкое сопряжение между артериальным содержанием О₂, сердечным выбросом, тканевой утилизацией О₂ и содержанием О₂ в смешанной венозной крови. Некоторые заболевания, такие как РДСВ и сепсис, сопровождаются нарушением сопряжения между утилизацией О₂ периферическими тканями и доставкой кислорода. Утилизация снижается, когда доставка падает ниже некоторого порога.

Отношение между этими переменными выражается правилом Фика, которое устанавливает, что потребление О₂ (объем в 1 мин) является произведение минутного сердечного выброса и артерио-венозной разницы О₂:

Потребление О₂ = VO₂ = Q  (CaO₂ - CvO₂) (3.24).

В условия основного обмена взрослый человек потребляет около 250 мл О₂ в минуту, с учетом площади поверхности тела - 110-160 мл/(мин_*м²). Однако скорость утилизации О₂ различными тканями неодинакова. Содержание кислорода в смешанной венозной крови представляет собой усредненную величину для венозной крови от всех органов - и низким, и с высоким уровнями экстракции О₂.

Возросшая кислородная потребность при фиксированном минутном сердечном выбросе вызывает увеличение артерио-венозной разницы по О₂. Кроме того, нормальный компенсаторный ответ на снижение кровотока проявляется также в виде увеличения поглощения кислорода, достаточного для поддержания VO₂ на нормальном уровне. Иными словами, падение сердечного выброса компенсируется увеличением разницы SaO₂ – SvO₂, и VO₂ остаётся неизменным. Следовательно, артериовенозную разницу можно рассматривать как меру адекватности доставки кислорода, а снижение SvO₂ отражает увеличение экстракции кислорода.

При нормальном потреблении кислорода около 250 мл/мин и сердечном выбросе 5000 мл/мин нормальная артериовенозная разница, согласно этому уравнению, составит 5 мл О₂/100 мл крови. При этом нормальный коэффициент экстракции О₂ [(СаО₂ - CvO₂)/CaO₂] составит 25 %, т. е. 5 мл/20 мл. Таким образом, в норме организм потребляет только 25 % кислорода, переносимого гемоглобином. Когда потребность в О₂ превосходит возможность его доставки, то коэффициент экстракции становится выше 25 %. Наоборот, если доставка О₂ превышает потребность, то коэффициент экстракции падает ниже 25 %.

Если доставка кислорода снижена умеренно, потребление кислорода не изменяется благодаря увеличению экстракции О₂ (насыщение гемоглобина кислородом в смешанной венозной крови снижается). В этом случае VO₂ не зависит от доставки. По мере дальнейшего снижения DO₂ достигается критическая точка, в которой VO₂ становится прямо пропорциональна DO₂. Состояние, при котором потребление кислорода зависит от доставки, характеризуется прогрессирующим лактат-ацидозом, обусловленным клеточной гипоксией. Критический уровень DO₂ наблюдается в различных клинических ситуациях. Например, его значение 300 мл/(мин_*м²) отмечено после операций в условиях искусственного кровообращения и у больных с острой дыхательной недостаточностью.

Напряжение углекислого газа в смешанной венозной крови (PvCO₂) в норме составляет примерно 46 мм рт. ст., что является конечным результатом смешивания крови, притекающей из тканей с различными уровнями метаболической активности. Венозное напряжение углекислого газа в венозной крови меньше в тканях с низкой метаболической активностью (например, в коже) и больше в органах с высокой метаболической активностью (например, в сердце).

Двуокись углерода легко диффундирует. Ее способность к диффузии в 20 раз превышает таковую у кислорода. СО₂, по мере образования в процессе клеточного метаболизма, диффундирует в капилляры и транспортируется к легким в трех основных формах: в виде растворенной СО₂, в виде аниона бикарбоната и в виде карбаминовых соединений.

СО₂ очень хорошо растворяется в плазме. Количество растворенной фракции определяется произведением парциального давления СО₂ и коэффициента растворимости ( =0,3 мл/л крови /мм рт. ст.). Около 5% общей двуокиси углерода в артериальной крови находится в форме растворенного газа.

Анион бикарбоната является преобладающей формой СО₂ (около 90%) в артериальной крови. Бикарбонатный анион является продуктом реакции СО₂ с водой с образованием Н₂СО₃ и ее диссоциации:

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃Н⁺ + НСО₃^- (3.25).

Реакция между СО₂ и Н₂О протекает медленно в плазме и очень быстро в эритроцитах, где присутствует внутриклеточный фермент карбонгидраза. Она облегчает реакцию между СО₂ и Н₂О с образованием Н₂СО₃. Вторая фаза уравнения протекает быстро без катализатора.

По мере накопления НСО₃^- внутри эритроцита анион диффундирует через клеточную мембрану в плазму. Мембрана эритроцита относительно непроницаема для Н⁺, как и вообще для катионов, поэтому ионы водорода остаются внутри клетки. Электрическая нейтральность клетки в процессе диффузии СО₂ в плазму обеспечивает приток ионов хлора из плазмы в эритроцит, что формирует так называемый хлоридный сдвиг (сдвига Гамбургера). Часть Н⁺, остающихся в эритроцитах, забуферируется, соединясь с гемоглобином. В периферических тканях, где концентрация СО₂ высока и значительные количества Н⁺ накапливаются эритроцитами, связывание Н⁺ облегчается деоксигенацией гемоглобина. Восстановленный гемоглобин лучше связывается с протонами, чем оксигенированный. Таким образом, деоксигенация артериальной крови в периферических тканях способствует связыванию Н⁺ посредством образования восстановленного гемоглобина.

СО₂ + Н₂О + HbО₂ → HbH⁺ + HCO₃+ О₂ (3.26).

Это увеличение связывания СО₂ с гемоглобином известно как эффект Холдейна. В легких процесс имеет противоположное направление. Оксигенация гемоглобина усиливает его кислотные свойства, и высвобождение ионов водорода смещает равновесие преимущественно в сторону образования СО₂:

О₂ + НСО₃^- + HbН⁺ → СО₂ + Н₂О + HbО₂ (3.27).