Транспортування газів між легенями і тканинами

                                                                      

ВСТУП

Градієнти парціальних тисків для 02 і С02 позначені на графіку (рис. 35-1), відіграють вирішальну роль у транспортуванні газів і визначають потік донизу 02 з повітря через альвеоли і кров у тканини, тоді як для С02— потік донизу від тканин до альвеол. Кількість транспортованих газів може бути валово неадекватною, бо понад 99% 02, розчиненого у крові, сполучається з гемоглобіном — білком, що переносить кисень, і понад 94,5% С02, який розчиняється у крові, беручи участь у серії зворотних хімічних реакцій, перетворюється в інші сполуки. Тому наявність гемоглобіну збільшує кисневу ємність крові у 70 разів, а реакції з С02 — вміст у крові С02 в 17 разів. У цьому розділі розглянуто механізми, що виконують транспортування 02 ІС02.

                                                                                                                                                                  

ТРАНСПОРТУВАННЯ КИСНЮ

                                                                                                                                                                  

Постачання кисню у тканини

Система організму з постачання 02 у тканини охоплює легені і серцево-судинну систему. Ступінь постачання 02

Рис. 35-1. Сумарні рівні Р і Ро2 У повітрі, легенях і тканинах графічно відображають факт, що 02 і С02 дифундують донизу уздовж знижувальних ґрадієнтів парціального тиску (відтворено за дозволом з Kinney JM: Transport of carbon dioxide in blood. Anesthesiology 1960;21:615).

у певні тканини залежить від кількості 02, що потрапляє в легені, адекватності газообміну в легенях, кровопостачання тканини і спроможності крові переносити 02. Плин крові визначений ступенем звуження судинного русла у тканинах та серцевим викидом. Кількість 02 у крові зумовлена кількістю розчиненого 02, кількістю гемоглобіну в крові і спорідненістю гемоглобіну ДО 02.

                                                                                                                                                                  

Реакції гемоглобіну і кисню

Динаміка реакції гемоглобіну з 02 перетворює його в особливу відповідну сполуку — оксигемоглобін, носій 02. Гемоглобін (див. Розділ 27) є білком, що складається з чотирьох субодиниць — поліпептидних ланцюгів, кожний з яких приєднується до небілкової частини — гему. У нормі в дорослих більшість гемоглобіну містить два а- і два (5-ланцюги. Гем (див. рис. 27-17) — це комплекс, створений порфірином і одним атомом двовалентного заліза. Кожний з чотирьох атомів заліза може приєднати або віддати одну молекулу 02. Залізо залишається у двовалентному стані, тому цю реакцію називають оксигенацією, а не окиснен-ням. Записують реакцію гемоглобіну з 02 так: НЬ + 02 ^ НЬ02. Утворену сполуку називають оксигемоглобін. Оскільки він містить чотири Hb-одиниці, то молекулу гемоглобіну можна також записувати як НЬ4; він справді реагує з чотирма молекулами 02 для утворення НЬ40 :

НЬ4+02^НЬ402;

НЬ402+02^НЬ404;

НЬ402 + 02^НЬ406;

                                                                                                                                                                                                                                                                                    

нь4о22^нь4о8.

Реакція є стрімкою, триває до 0,01 с. Деоксигенація (відновлення) НЬ408теж дуже швидка.

Четвертинна структура гемоглобіну визначає його спорідненість до 02. У дезоксигемоглобіні глобінові одиниці щільно зв’язані у напружену (Н) конфігурацію, яка зменшує спорідненість молекули до 02. Якщо першим приєднується 02, то зв’язки, що утримують глобінові одиниці, вивільняються, утворюючи розслаблену (Р) конфігурацію, яка експонує більше сайтів для зв’язування. Остаточним наслідком є посилення спорідненості до 02 у 500 разів. У тканинах ці реакції оборотні (змінюють напрям), унаслідок чого вивільнюється 02. Відомо, що перехід від

одного стану до іншого за час існування еритроцита відбувається близько 108 разів.

Крива дисоціації оксигемоглобіну — нелінійне співвідношення у відсотках 07-траі іспортувальної сили насичення гемоглобіну киснем до Р02 (рис. 35-2) — має S-подібну форму, що залежить від Н-Р-взаємозаміни. Комбінація першого гему в молекулі НЬ з 02 посилює спорідненість другого гему для 07, а оксигенація другого посилює спорідненість третього і так далі, отже, спорідненість НЬ для четвертої молекули 07 у декілька разів більша, ніж для першої.

Якщо кров урівноважується на 100% 070, дорівнює 760 мм рт. ст.), то нормальний гемоглобін стає 100% насичений. У разі повного насичення кожний 1 г нормального гемоглобіну вміщує 1,39 мл 07, хоча кров у нормі містить невелику кількість неактивних похідних гемоглобіну, і рівень, який вимірюють in vivo, є нижчий: традиційно він становить 1,34 мл 02. У нормі концентрація гемоглобіну крові в середньому 15 г/дл (14 г/дл для жінок і 16 г/дл у чоловіків; див. Розділ 27). Отже, 1 дл крові містить 20,1 мл (1,34 мл х 15) 02, зв’язаного з гемоглобіном за 100% насичення гемоглобіну. Кількість розчиненого 02є в лінійному співвідношенні до Ро2 (0,003 мл/дл крові/мм рт. ст.)

На закінченнях легеневих капілярів in vivo гемоглобін крові на 97,5% насичений 0207 = 97 мм рт. ст.). Однак невелика частка венозної крові, що обходить легеневі капіляри (фізіологічний шунт), зумовлює лише 97% насиченості гемоглобіну крові у великому колі кровообігу. Тому артеріальна кров містить 19,8 мл 02 на 1 дл: 0,29 мл у розчині і 19,5 мл, зв’язаного з гемоглобіном. За стану спокою у венозній крові гемоглобін на 75% насичений, і загальний вміст 02 становить близько 15,2 мл/дл: 12 мл у розчині і 15,1 мл зв’язаного з гемоглобіном. Як бачимо, у спокої тканина вилучає 4,6 мл 02 з кожного декалітра крові, що проходить через неї (табл. 35-1); 0,17 мл цієї загальної кількості належить 02, що був у розчинений у крові, а решта -звільнена гемоглобіном. Отже, у стані спокою щохвилини 250 мл 02 транспортується з крові у тканини.

_І_і_і_і_і_І_І_І_і_і_І

0 10 20 ЗО 40 50 60 70 80 90 100110

Ро2, мм рт. ст.

                                                                                                                                                                  

Чинники, що впливають на спорідненість гемоглобіну до кисню

Три важливі чинники впливають на криву дисоціації гемоглобіну: pH, температура і концентрація 2,3-дифос-фогліцерату (2,3-ДФГ). Підвищення температури або зменшення pH зміщує криву праворуч (рис. 35-3). Якщо крива зміщується у цьому напрямі, то підвищений Р02 потрібний, щоб гемоглобін зв’язувався з оптимальною кількістю 07. Натомість зниження температури або збільшення pH зміщує криву ліворуч, і знижений Р необхідний для зв’язування отриманої кількості 07. Зручним показником для таких зміщень є Р50— Р02, за якого гемоглобін насичується 07 наполовину. Чим вищий Р50, тим нижча спорідненість гемоглобіну до 02.

Зменшення спорідненості 07 до гемоглобіну, коли pH крові зменшується, називають ефектом Бора; воно тісно пов’язане з фактом, що деоксигенований гемоглобін (дез-оксигемоглобін) зв’язує Н+ активніше, ніж оксигемоглобін. Показник pH у крові зменшуватиметься зі збільшенням вмісту в ній С02 (див. нижче), тому, коли зростатиме РС07, крива зміщуватиметься праворуч, і зростатиме Р50. Більшість ненасиченого гемоглобіну, що трапляється у тканинах, є вторинним для зниження Р02, однак додаткові 1-2% ненасичення зумовлюють зростання Рс02 і послідовне зміщення кривої дисоціації праворуч.

Еритроцити багаті на 2,3-ДФГ, що формується (рис. 35-

4) з 3-фосфогліцеральдегіду, який є продуктом гліколізу за шляхом Ембдена-Мейєргофа (див. Розділ 17). Це високо-обмінний аніон, який приєднується до (3-ланцюгів дезокси-гемоглобіну. Один моль дезоксигемоглобіну зв’язує 1 моль

2,3-ДФГ:

НЬ02+ 2/3-ДФГ ^ НЬ — 2,3-ДФГ + 02.

У цьому рівнянні збільшення концентрації 2,3-ДФГ зміщує реакцію праворуч, зумовлюючи вивільнення більшої кількості 02. АТФ приєднується до дезоксигемоглобіну і поширюється менше; деякі органічні фосфати зв’язуються меншою мірою.

До чинників, які впливають на концентрацію 2,3-ДФГ в еритроцитах, належить pH. Оскільки ацидоз інгібує гліколіз в еритроцитах, то концентрація 2,3-ДФГ зменшується, якщо pH низький. Тиреоїдні гормони, гормон росту й андрогени збільшують концентрацію 2,3-ДФГ і Р50.

Таблиця 35-1. Газовий склад крові

Кров, мл/дл, що вміщує 15 г гемоглобіну

Артеріальна кров,

Венозна кров,

Ро2 95 мм рт. ст.;

Ро2 40 мм рт. ст.;

Газ

РС02 40 мм рт. ст.;

рсо2 46 мм рт* ст.;

НЬ 97% насичення

НЬ 75% насичення

Розчинений

Сполучений

Розчинений

Сполучений

02

0,29

19,5

0,12

15,1

со2

2,62

46,4

2,98

49,7

м2

0,98

0

0,98

0

Рис. 35-2. Крива дисоціації оксигемоглобіну при pH 7,40 і температурі 38°С.

ТРАНСПОРТУВАННЯ ГАЗІВ МІЖ ЛЕГЕНЯМИ І ТКАНИНАМИ / 613

[НС03 ]

pH = 6,10 + log о 0301 рс

рН артеріальної крові ^ 7,40 pH венозної крові = 7,36

Рис. 35-3. Вплив температури та pH на криву дисоціації оксигемоглобіну. Осі координат такі, як на рис. 35-2 (відтворено за дозволом з Comroe JH et al: The Lung: Clinical Physiology and Pulmonary Function Tests, 2nd ed. Year Book, 1962).

Як зазначено, фізичне навантаження збільшує утворення 2,3-ДФГ через 60 хв, хоча у тренованих атлетів збільшення може не виникати. Підвищення Р50 у разі фізичного навантаження настає тому, що температура підвищується в активних тканинах і С02, а метаболіти нагромаджуються, зменшуючи pH. Крім того, щораз більше 02 виводиться з кожної одиниці крові, що протікає через активні тканини, бо РШ2 у тканинах знижується. Остаточно при низьких значеннях Р02 крива дисоціації гемоглобіну стає крутою, і значна кількість 02 вивільняється на одиницю зниження Ро2.

Глюкоза 6-Р04

І

З-Фосфогліцеральдегід

і

1,3-Дифосфогліцерат

Н2С — о-р-он ОН

2,3-Дифосфогліцерат

(2,3-ДФГ)

2,3-ДФГ-фосфатаза

З-Фосфогліцерат

\

Піруват

Рис. 35-4. Утворення і катаболізм 2,3-ДРГ.

Стрімке піднімання вгору зумовлює суттєве збільшення концентрації 2,3-ДФГ в еритроцитах з послідовним підвищенням Р50 за наявності 02 у тканинах. Збільшення 2,3-ДФГ, який має період напівжиття 6 год, є вторинним для збільшення pH крові (див. Розділ 37). Рівень 2,3-ДФГ знижується до норми внаслідок повернення до рівня моря.

Більша спорідненість фетального гемоглобіну (гемоглобіну F), на відміну гемоглобіну дорослих (гемоглобіну А), до 02 полегшує надходження 02 від матері до плоду (див. Розділ 27 і 32). Причиною такої збільшеної спорідненості є погане з’єднання з 2,3-ДФГ у-поліпептидних ланцюгів, які замінюють Р-ланцюги у фетальному гемоглобіні. Деякі аномальні гемоглобіни у дорослих мають низький рівень Р50, і кінцева висока спорідненість гемоглобіну до 02 зумовлює виражену тканинну гіпоксію, яка стимулює збільшене утворення еритроцитів, що спричинює поліцитемію (див. Розділ 24). Цікавим є міркування, що такі гемоглобіни не можуть зв’язувати 2,3-ДФГ.

Концентрація 2,3-ДФГ в еритроцитах збільшується в разі анемії та різноманітних хвороб, що супроводжуються хронічною гіпоксією. Це полегшує постачання 02до тканин у випадку підвищення Р02, коли 02 вивільняється у периферійних капілярах. Зберігання крові у спеціальних банках зумовлює зниження рівня 2,3-ДФГ, і спорідненість такої крові для вивільнення 02 у тканини зменшується. Це зниження, яке, очевидно, обмежує доцільність використання такої крові для переливання хворому з гіпоксією, є меншим, якщо кров зберігають у цитрат-фосфат-декстроз-ному розчині, а не у звичайному кислотно-цитрат-дєкст-розному.

                                                                                                                                                                  

Транспортування гемоглобіном оксиду азоту

Сайти двовалентного заліза, що зв’язують у гемоглобіні 02, також приєднують оксид азоту (NO), однак є один додатковий NO-зв’язу вальний сайт на Р-ланцюгах. Спорідненість цього сайту збільшується за допомогою 02, тому гемоглобін зв’язує N0 у легенях і вивільнює його в тканинах, зумовлюючи вазодилатацію (див. Розділ 31).

Отже, гемоглобін виконує чотири функції: сприяє транспортуванню 02, полегшує транспортування С02, відіграє важливу роль як буфер (див. Розділ 39) і транспортує NO.

Інші аспекти хімії гемоглобіну описані у Розділі 27. Фетальний гемоглобін та трансплацентарний обмін 02 розглянуто у Розділі 32.

                                                                                                                                                                  

Міоглобін

Міоглобін — це залізовмісний пігмент, який є у скелетних м’язах. Він подібний до гемоглобіну, однак зв’язує 1, а не 4 молі 02. Його крива дисоціації — це прямокутна гіпербола, а не S-подібна крива. Оскільки вона розташована лівіше, ніж гемоглобінова (рис. 35-5), то міоглобін бере 02 від гемоглобіну в крові, вивільнюючи 02 тільки за низького рівня Ро2, однак Ро2 у м’язах під час фізичного навантаження близький до нуля. Вміст міоглобіну найбільший у м’язах, що витримують скорочення. Скорочення м’язів перетискають судини, по яких тече кров, і міоглобін забезпечує 02, коли кровоплин припинений. Є також докази, що міоглобін полегшує дифузію 02 з крові у мітохондрії, де відбуваються реакції окиснення. Хоча у мишей з нокаутом гена, відповідального за синтез міоглобіну, простежується нормальна спроможність до фізичних навантажень. Отже, додаткові дослідження фізіологічної ролі міоглобіну потрібні.

                                                                                                                                                                  

ТРАНСПОРТУВАННЯ ОКСИДУ ВУГЛЕЦЮ Буферні системи

Для того, щоб зрозуміти процеси буферування в організмі з моменту утворення С02 із вугільної кислоти у крові, потрібно з’ясувати, як відбувається транспортування С02. Буферні системи описані у Розділі 1 і детально розглянуті у Розділі 39.

                                                                                                                                                                  

Рух оксиду вуглецю в крові

Розчинність С02 у крові в 20 разів більша, ніж розчинність 02, тому вважають, що за однакових парціальних тисків С02 є більше, ніж 02 у простому розчині. У випадку дифузії в еритроцити С02 швидко гідратується до Н2С03, оскільки наявна карбоангідраза. Внаслідок дисоціації Н2С03 утворюються Н+ і НС03. Йон Н+ буферує головно гемоглобін, а НС03» потрапляє у плазму. Частина С02 в

-1-1-1-1-1-1—

0 40 80 120

Ро2, мм рт. ст.

Рис. 35-5. Криві дисоціації гемоглобіну і міоглобіну.

еритроцитах реагує з аміногрупами білків, насамперед з гемоглобіном, і утворює карбаміносполуки:

Н Н

І І

CO, + R-N ±5 R-N

\ \

н соон

Як тільки деоксигенований гемоглобін зв’яже більше Н+, ніж це робить оксигемоглобін, розпочинається швидке утворення карбаміносполук, зв’язуючи 02 з гемоглобіном і зменшуючи його спорідненість з С02 (ефект Галдана). Венозна кров переносить більше С02, аніж артеріальна, і поглинання С02 полегшується у тканинах, а С02 вивільнюється у легенях. Понад 11% С02 долучається у капілярну кров великого кола кровообігу і переноситься до легень як карбаміно-СО,

У плазмі С02 реагує з білками плазми, утворюючи невелику кількість карбаміносполук, незначна частина С02 гід-ратує. Реакція гідратації відбувається повільно без карбо-ангідрази.

                                                                                                                                                                  

Переміщення хлору

Унаслідок збільшення вмісту НС03 в еритроцитах порівняно з плазмою під час проходження крові через капіляри понад 70% цього НС03 переходить у плазму. Рух надлишку НС03_, що виходить з еритроцитів в обмін на С1“(рис. 35-6), контрольований білком смужки 3, головним мембранним білком. Цей обмін називають переміщенням хлору, оскільки завдяки йому вміст С1~ в еритроцитах венозної крові значно більший, ніж в артеріальній. Переміщення хлору відбувається швидко і повністю закінчується за 1 с.

Зверніть увагу, що кожна молекула С02, яка надходить в еритроцити, збільшує їх на одну осмотично активну частинку: або НС03 , або С1“ (див. рис. 35-6). Внаслідок цього еритроцити набирають воду і збільшуються у розмірі. З цього погляду, а також беручи до уваги, що невелика кількість рідини в артеріальній крові повертається через лімфатичні судини швидше, ніж через вени, гематокрит венозної крові у нормі на 3% більший, ніж артеріальної. У легенях СІ виводиться з клітин і вони зморщуються.

Рис. 35-6. Зміни, що відбуваються в еритроцитах у разі додавання С02 у кров. Зверніть увагу, що кожна молекула С02, яка входить у еритроцити, — це додатковий йон НС03~ або СІ у клітину.

ТРАНСПОРТУВАННЯ ГАЗІВ МІЖ ЛЕГЕНЯМИ І ТКАНИНАМИ / 615

                                                                                                                                                                  

Підсумок

З огляду на різноманітність функцій С02 у плазмі та еритроцитах їх систематизовано у табл. 35-2. З рис. 35-7 видно, що збільшення ємності крові переносити С02 визначене різницею між лініями, що позначають розчинений С02і загальний С02у кривій дисоціації для С02.

У кожному декалітрі артеріальної крові є близько 49 мл С02 (див. табл. 35-1): 2,6 мл розчиненого, 2,6 мл утворює карбаміносполуки і 43,8 мл — у НС03“. У тканинах на кожний декалітр крові припадає 3,7 мл С02,0,4 мл залишається у розчині, 0,8 мл утворює карбаміносполуки і 2,5 мл

— нсо3-.

Показник pH крові з 7,4 зменшується до 7,36. У легенях відбувається протилежний процес, і 3,7 мл С02 вивільняється через альвеоли. У такий спосіб у спокої 200 мл

Таблиця 35-2. С02 у крові

У плазмі

1. Розчинений

2. Утворює карбаміносполуки з білком плазми

3. Гідратація, буферування Н+ у плазмі НС03~

В еритроцитах

1. Розчинений

2. Утворення карбоміно-НЬ

3. Гідратація, буферування Н+, 70% НС03~ входить у

плазму

4. СІ входить у клітини, збільшуючи мосмоль в клітинах

Рсо2, мм рт. ст.

Рис. 35-7. Крива дисоціації С02. Артеріальна (а) і венозна точки (v) відображають загальний вміст С02 в артеріальній і венозній крові людини у нормі в стані спокою (модифіковано та відтворено за дозволом з Schmidt RF, Thews G [editors]: Human Physiology. Springer, 1983).

CO>2 за 1 хв і значно більше під час навантаження транспортується від тканин до легень і виводиться. Це заслуговує на увагу, бо така кількість С02 еквівалентна надолужити 12 500 мекв Н+ за 24 год.

36

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини