Кривые насыщения гемоглобина кислородом в крови матери и плода
Оглавление темы “Вентиляция легких. Перфузия легких кровью.”: Сродство гемоглобина к кислороду. Изменение сродства гемоглобина к кислороду. Эффект Бора.Молекула гемоглобина может находиться в двух формах — напряженной и расслабленной. Расслабленная форма гемоглобина имеет свойство насыщаться кислородом в 70 раз быстрее, чем напряженная. Изменение фракций напряженной и расслабленной формы в общем количестве гемоглобина в крови обусловливает S-образный вид кривой диссоциации оксигемоглобина, а следовательно, так называемое сродство гемоглобина к кислороду. Если вероятность перехода от напряженной формы гемоглобина к расслабленной больше, то возрастает сродство гемоглобина к кислороду, и наоборот. Вероятность образования указанных фракций гемоглобина изменяется в большую или меньшую сторону под влиянием нескольких факторов. Основной фактор — это связывание кислорода с геминовой фуппой молекулы гемоглобина. При этом чем больше геминовых фупп гемоглобина связывают кислород в эритроцитах, тем более легким становится переход молекулы гемоглобина к расслабленной форме и тем выше их сродство к кислороду. Поэтому при низком Р02, что имеет место в метаболически активных тканях, сродство гемоглобина к кислороду ниже, а при высоком Р02 — выше. Как только гемоглобин захватывает кислород, повышается его сродство к кислороду и молекула гемоглобина становится насыщенной при связывании с четырьмя молекулами кислорода.
Когда эритроциты, содержащие гемоглобин, достигают тканей, то кислород из эритроцитов диффундирует в клетки. В мышцах он поступает в своеобразного депо кислорода — в молекулы миоглобина, из которого кислород используется в биологическом окислении мышц. Диффузия кислорода из гемоглобина эритроцитов в ткани обусловлена низким Р02 в тканях — 35 мм рт. ст. Внутри клеток тканей напряжение кислорода, необходимое для поддержания нормального метаболизма, составляет еще меньшую величину — не более 1 кПа. Поэтому кислород путем диффузии из капилляров достигает метаболически активных клеток. Некоторые ткани приспособлены к низкому содержанию Р02 в капиллярах крови, что компенсируется высокой плотностью капилляров на единицу объема тканей. Например, в скелетной и сердечной мышцах Р02 в капиллярах может снизиться чрезвычайно быстро во время сокращения. В мышечных клетках содержится белок миоглобин, который имеет более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин. Миоглобин интенсивно насыщается кислородом и способствует его диффузии из крови в скелетную и сердечную мышцы, где он обусловливает процессы биологического окисления. Эти ткани способны экстрагировать до 70 % кислорода из крови, проходящей через них, что обусловлено снижением сродства гемоглобина к кислороду под влиянием температуры тканей и рН. Эффект рН и температуры на сродство гемоглобина к кислороду. Молекулы гемоглобина способны реагировать с ионами водорода, в результате этой реакции происходит снижение сродства гемоглобина к кислороду. При насыщении гемоглобина менее 100 % низкое рН понижает связывание кислорода с гемоглобином — кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо по оси х. Это изменение свойства гемоглобина под влиянием ионов водорода называется эффектом Бора. Метаболически активные ткани продуцируют кислоты, такую как молочная, и С02. Если рН плазмы крови снижается от 7,4 в норме до 7,2, что имеет место при сокращении мыщц, то концентрация кислорода в ней будет возрастать вследствие эффекта Бора. Например, при постоянном рН 7,4 кровь отдавала бы порядка 45 % кислорода, т. е. насыщение гемоглобина кислородом снижалось до 55 %. Однако когда рН снижается до 7,2, кривая диссоциации смещается по оси х вправо. В результате насыщение гемоглобина кислородом падает до 40 %, т. е. кровь может отдавать в тканях до 60 % кислорода, что на 1/з больше, чем при постоянном рН.
Метаболически активные ткани повышают продукцию тепла. Повышение температуры тканей при физической работе изменяет соотношение фракций гемоглобина в эритроцитах и вызывает смещение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо вдоль оси х. В результате большее количество кислорода будет освобождаться из гемоглобина эритроцитов и поступать в ткани. Эффект 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) на сродство гемоглобина к кислороду. При некоторых физиологических состояниях, например при понижении Р02 в крови ниже нормы (гипоксия) в результате пребывания человека на большой высоте над уровнем моря, снабжение тканей кислородом становится недостаточным. При гипоксии может понижаться сродство гемоглобина к кислороду вследствие увеличения содержания в эритроцитах 2,3-ДФГ. В отличие от эффекта Бора, уменьшение сродства гемоглобина к кислороду под влиянием 2,3-ДФГ не является обратимым в капиллярах легких. Однако при движении крови через капилляры легких эффект 2,3-ДФГ на снижение образования оксигемоглобина в эритроцитах (плоская часть кривой диссоциации оксигемоглобина) выражен в меньшей степени, чем отдача кислорода под влиянием 2,3-ДФГ в тканях (наклонная часть кривой), что обусловливает нормальное кислородное снабжение тканей. – Также рекомендуем “Углекислый газ. Транспорт углекислого газа.” |
В соответствии с законом действующих масс насыщение гемоглобина кислородом зависит от напряжения О2. Графически эту зависимость отражает так называемая кривая диссоциации оксигемоглобина. На рис. 1.6 графически представлена взаимосвязь между парциальным давлением кислорода (раО2) и насыщением Нb (SО2). Как
Рис. 1.6. Кривые диссоциации оксигемоглобина
видно, эта зависимость нелинейная и кривая имеет S-образную форму.
Каждому раО2 соответствует определенное SaО2: низкие значения раО2 ведут к снижению насыщения и наоборот. Кривая связывания О2 (кривая диссоциации О2) имеет плоскую нижнюю часть, крутую центральную и плоскую верхнюю части. Расположение кривой диссоциации оксигемоглобина в системе координат зависит от ряда факторов. Наиболее простым показателем, характеризующим расположение этой кривой, служит так называемое напряжение полунасыщения – Р50, т.е. такое напряжение О2, при котором насыщение гемоглобина кислородом составляет 50%. В норме (при рН 7,4 и t = 37″C) P50 артериальной крови составляет 26-28 мм рт. ст. Причины S-образной формы кривой диссоциации оксигемоглобина до конца не ясны. Если бы каждая молекула гемоглобина присоединяла только одну молекулу О2, то кинетика этой реакции графически была бы представлена гиперболой. Именно такая гиперболическая кривая диссоциации характерна, например, для реакции соединения кислорода с красным мышечным пигментом миоглобином (Мв), аналогичной реакции оксигенации гемоглобина. Строение миоглобина сходно со структурой одной из четырех субъединиц гемоглобина, и поэтому молекулярные веса этих двух веществ относятся друг к другу как 1:4. Поскольку в состав миоглобина входит лишь одна пигментная группа, одна молекула миоглобина может присоединить только одну молекулу О2:
Мв + О2 МвО2.
Исходя из вполне правдоподобного предположения в том, что S- образная форма кривой диссоциации НЬО2 обусловлена связыванием одной молекулой гемоглобина четырех молекул О2, Эдер выдвинул так называемую гипотезу промежуточных соединений. Согласно этой гипотезе, присоединение четырех молекул О2 к гемоглобину происходит в несколько стадий, каждая из которых влияет на равновесие этой реакции. Концепция Эдера удовлетворительно объясняет форму кривой диссоциации оксигемоглобина. В то же время возможно и другое объяснение, согласно которому существуют два состояния гемоглобина, переходящие друг в друга при изменении содержания О2. Этот переход может происходить в результате либо конформационных перестроек, либо присоединения или отщепления низкомолекулярных веществ. Если предположить, что параметры равновесия реакций оксигенации для этих двух форм гемоглобина различны, то с позиции данной гипотезы можно объяснить S- образную форму кривой диссоциации НbО2.
Артериальное насыщение О2, которое можно измерить неинвазивно при пульсоксиметрии, свидетельствует о том, что небольшие изменения в верхней плоской части кривой связаны с большими изменениями раО2. Так, снижение насыщения крови от 97 до 95% соответствует падению раО2 от 90 до 70 мм рт. ст., а при насыщении крови 85% парциальное давление О2 около 50 мм рт. ст. В табл. 1.6 отражена связь между раО2 и SаО2 при 37°С, рН 7,4 и рСО2 38 мм рт. ст.
Таблица 1.6. Взаимосвязь между раО2 и насыщением НЬ
| раО2 (мм рт. ст.) | SaО2 (%) |
| 20 | 35 |
| 30 | 57 |
| 40 | 75 |
| 50 | 83,5 |
| 60 | 89 |
| 70 | 92,7 |
| 80 | 94,5 |
| 90 | 96,5 |
| 100 | 97,4 |
С биологической точки зрения, конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина имеет важное значение для переноса кислорода кровью. В процессе поглощения кислорода в легких напряжение О2 в крови (рО2) приближается к парциальному давлению этого газа в альвеолах. У молодых людей рО2 артериальной крови составляет около 95 мм рт. ст. При таком напряжении О2 насыщение гемоглобина кислородом равно примерно 97%. С возрастом (и в еще большей степени – при заболеваниях легких) напряжение О2 в артериальной крови может значительно снижаться. Однако, поскольку кривая диссоциации оксигемоглобина в правой части почти горизонтальна, насыщение крови кислородом уменьшается ненамного. Так, даже при падении рО2 в артериальной крови до 60 мм рт. ст. насыщение гемоглобина кислородом равно 90%. Таким образом, благодаря тому, что области высоких напряжений кислорода соответствует горизонтальный участок кривой диссоциации оксигемоглобина, насыщение артериальной крови кислородом сохраняется на высоком уровне даже при существенных сдвигах рО2.
Для клинической практики имеет значение следующее:
• В области низких значений раО2 (периферические ткани) ход кривой крутой, таким образом, даже незначительное снижение раО2 способствует освобождению большого количества кислорода из гемоглобина.
• При сдвиге кривой вправо улучшаются условия для освобождения О2 в тканях.
• В области с высокими значениями раО2 (легкие) при возрастании раО2 насыщение возрастает незначительно.
Крутой наклон среднего участка кривой диссоциации оксигемоглобина благоприятствует отдаче кислорода тканям. При изменениях потребностей органов в кислороде он должен высвобождаться в достаточной степени даже в отсутствие значительных сдвигов раО2. В состоянии покоя рО2 в области венозного конца капилляра равно приблизительно 40 мм рт. ст., что соответствует примерно 73% насыщения. Если в результате увеличения потребления кислорода его напряжение в венозной крови падает лишь на 5 мм рт. ст., то насыщение гемоглобина кислородом снижается на 7%; высвобождающийся при этом О2 может быть сразу же использован для процессов метаболизма.
Артериовенозная разница по О2 имеет важное физиологическое и клиническое значение. Количество химически связанного кислорода в крови зависит от насыщения им гемоглобина ^О2). Зная величину SО2, можно, исходя из числа Хюфнера, вычислить объемное содержание О2 в крови (в л О2 на 1 л крови):
О2= 1,34[Нb] SО2 x 10-5,
где SО2 выражено в %, а [Нb] – в г/л. Подставляя в это уравнение количественные значения насыщения гемоглобина кислородом, можно вычислить, что в артериальной крови (SО2 = 97%) содержание химически связанного кислорода составляет 0,20, а в венозной (SО2 = 73%) равно 0,15. Таким образом, артериовенозная разница по кислороду (АВР О2) равна 0,05. Это означает, что в норме при прохождении крови через тканевые капилляры используется лишь 25% ее кислородной емкости.
Само собой разумеется, что величина извлечения кислорода разными органами может широко варьировать. При интенсивной физической нагрузке артериовенозная разница по кислороду может превышать 0,1.
Несмотря на то что конфигурация кривой диссоциации НЬО2 обусловлена главным образом химическими свойствами гемоглобина, существует ряд других факторов, влияющих на сродство крови к кислороду. Как правило, все эти факторы смещают кривую диссоциации оксигемоглобина, увеличивая или уменьшая ее наклон, но не изменяют при этом ее S-образную форму. В зависимости от концентрации НЬ кривая может быть более крутой или пологой. Кривая может быть смещена влево или вправо, что в клинических условиях определяет следующее: сдвиг вправо обозначает, что при данном раО2 с гемоглобином связывается меньше кислорода. Однако при этом больше кислорода освобождается из гемоглобина в периферических тканях (эффект Бора). Пример: ацидоз, гиперкапния, лихорадка, избыток 2,3 ДФГ. Сдвиг влево обозначает, что при данном раО2 с гемоглобином связывается больше кислорода и поэтому насыщение крови кислородом будет выше. Связь кислорода с НЬ усиливается, поэтому меньше кислорода освобождается из НЬ. Клиническое значение: уменьшается доставка кислорода периферическим тканям. Пример: алкалоз, гипокапния, гипотермия, недостаток 2,3 ДФГ.
Для доставки кислорода тканям ацидоз более выгоден, чем алкалоз. Поэтому бикарбонат натрия не применяют, если рН >= 7,2. К факторам, которые влияют на оксигенацию крови и тканей, относятся температура, рН, напряжение СО2 и некоторые другие, роль которых возрастает в патологических условиях. Равновесие реакции оксигенации гемоглобина (как и большинства химических реакций вообще) зависит от температуры. При понижении температуры наклон кривой диссоциации оксигемоглобина увеличивается, а при ее повышении – уменьшается.
У теплокровных животных этот эффект проявляется только при гипотермии или лихорадочном состоянии. Форма кривой диссоциации оксигемоглобина в значительной степени зависит от содержания в крови ионов Н+. При снижении рН, т.е. закислении крови, сродство гемоглобина к кислороду уменьшается и кривая диссоциации оксигемоглобина уплощается. Влияние рН на расположение кривой диссоциаций оксигемоглобина называется эффектом Бора. рН крови тесно связан с напряжением в ней СО2 (PCО2): чем выше рСО2 тем рН ниже. Увеличение напряжения в крови СО2 сопровождается снижением сродства гемоглобина к кислороду и уплощением кривой диссоциации НЬО2. Эту зависимость также называют эффектом Бора, хотя при подробном количественном анализе было показано, что влияние СО2 на форму кривой диссоциации оксигемоглобина нельзя объяснить только изменением рН. Очевидно, сам углекислый газ оказывает на диссоциацию оксигемоглобина специфический эффект. Эффект Бора играет определенную роль как в поглощении кислорода в легких, так и при его высвобождении в тканях (хотя значение этого эффекта не следует преувеличивать). В легких поглощение О2 идет одновременно с выделением СО2, и поэтому по мере насыщения гемоглобина кислородом кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается. По мере того как венозная кровь насыщаясь кислородом превращается в артериальную, сродство гемоглобина к кислороду увеличивается. В результате скорость диффузии кислорода из альвеол в кровь несколько возрастает. Таким образом, эффект Бора способствует поглощению кислорода. Эффект Бора имеет несколько большее значение для переноса О2 из капилляров в ткани. Поскольку одновременно с выходом кислорода из крови в нее поступает СО2, кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо. Снижение сродства гемоглобина к кислороду приводит к еще большему падению содержания оксигемоглобина и в результате кислород поступает в ткани даже при относительно высоком рО2 в капилляре. Таким образом, в данном случае эффект Бора также способствует транспорту кислорода.
При ряде патологических состояний наблюдаются изменения процесса транспорта кислорода кровью, например, при некоторых видах анемий, которые сопровождаются сдвигами кривой диссоциации оксигемоглобина вправо (реже – влево). Причины таких сдвигов окончательно не раскрыты. Известно, что на форму и расположение кривой диссоциации оксигемоглобина оказывают выраженное влияние некоторые фосфорорганические соединения, содержание которых в эритроцитах при патологии может изменяться. Главным таким соединением является 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ). Сродство гемоглобина к кислороду зависит также от содержания в эритроците катионов. Необходимо отметить также влияние патологических сдвигов рН: при повышении рН (алкалозе) поглощение кислорода в легких в результате эффекта Бора увеличивается, но отдача его тканям затрудняется, а при снижении рН (ацидозе) наблюдается обратная картина. Наконец, значительный сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина влево имеет место при отравлении угарным газом.
Особенности кривой диссоциации оксигемоглобина у плода. В плаценте, как и в любом другом органе, газообмен осуществляется путем диффузии. В то же время заслуживает особого внимания разница в сродстве крови матери и плода к кислороду. При прочих равных условиях наклон кривой диссоциации оксигемоглобина у плода несколько больше, чем у матери, однако in vivo эта разница почти целиком сводится на нет благодаря эффекту Бора (рН крови плода несколько ниже, чем рН материнской крови). В связи с этим разница в сродстве НЬ матери и плода к кислороду практически не отражается на газообмене в плаценте. Для того чтобы понять, в чем заключается преимущество этого явления, необходимо учитывать различия в концентрации гемоглобина в крови матери и плода. Поскольку содержание гемоглобина в крови матери и плода различно (120 г/л и 180 г/л соответственно), процессы, происходящие при выходе кислорода из крови матери и насыщении им крови плода различны. При одном и том же напряжении О2 кровь плода поглощает значительно больше кислорода, чем кровь матери. Так, при рО2 = = 25 мм рт. ст. содержание О2 в крови матери составляет 0,08, а в крови плода -0,1 1. Особую роль в плацентарном газообмене играет эффект Бора. По мере диффузии газов сродство крови матери к кислороду в результате поступления СО2 снижается, а сродство крови плода – повышается. Благодаря такому двойственному влиянию эффекта Бора скорость обмена кислорода увеличивается.
Окись углерода (угарный газ, СО) обладает гораздо большим сродством к гемоглобину, чем кислород. Даже при крайне низких парциальных давлениях угарного газа гемоглобин превращается в карбоксигемоглобин: Нb + СО о НbСО. Равновесие этой реакции значительно смещено вправо, и поэтому кривая диссоциации карбоксигемоглобина обладает очень крутым наклоном. Возможны два объяснения такого явления: либо константа скорости реакции соединения Нb и СО очень велика, либо константа скорости реакции диссоциации НbСО очень низкая (т.е. распад этого соединения происходит крайне медленно). Результат и в том и в другом случае будет одинаков. Однако в настоящее время предпочтение отдают второму объяснению, согласно которому крутой наклон кривой диссоциации карбоксигемоглобина обусловлен тем, что это вещество диссоциирует в 200 раз медленнее оксигемоглобина.
Токсичность окиси углерода обусловлена именно высоким сродством этого соединения к гемоглобину. СО представляет собой газ без цвета и запаха, образующийся при неполном сгорании органических веществ. Иногда он входит в состав бытового газа, кроме того, он выделяется при работе двигателей внутреннего сгорания. Даже при низких концентрациях СО вытесняет кислород из связи с гемоглобином, и при этом последний теряет способность к переносу О2. При концентрации СО во вдыхаемом воздухе, равной всего 7 х 10-4, 50% гемоглобина превращается в карбоксигемоглобин. В норме на долю НbСО приходится лишь 1% от общего количества гемоглобина в крови. У курильщиков содержание НbСО составляет 3%, а после глубокой затяжки – до 10%. В крови водителей такси концентрация карбоксигемоглобина достигает 20%. Наглядным примером опасности, которую угарный газ представляет для автомобилистов, служит тот факт, что на дорогах с особенно интенсивным движением содержание СО в воздухе достигает 3 • 10-4. При такой концентрации СО шахтерам положено надевать дыхательные аппараты.
Токсичность угарного газа обусловлена не только его прочным соединением с гемоглобином, но также тем, что при превращении части гемоглобина в НbСО кривая диссоциации оксигемоглобина, не соединившегося с СО, сдвигается влево. В результате происходит еще большее снижение напряжения О2 в тканевых капиллярах. При тяжелом отравлении угарным газом, отличительным признаком которого служит вишнево-красная окраска крови, жизнь пострадавшего можно спасти с помощью немедленной искусственной вентиляции легких, по возможности чистым кислородом, или гипербарооксигенации. При этом напряжение кислорода в крови увеличивается и О2 частично вытесняет СО из связи с гемоглобином. Рекомендуется также обменное переливание, так как при этом в кровь пострадавшего поступает гемоглобин, способный переносить кислород.
Еще по теме Кривая связывания кислорода:
- Индекс доставки кислорода, индекс потребления кислорода, напряжение кислорода в венозной крови, насыщение кислородом венозной крови, коэффициент экстракции кислорода
- Механизм обеспечения безопасности при снижении давления кислорода. Вентили экстренной (аварийной) подачи кислорода
- Кривая объема
- Кривая потока
- ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ (СВЯЗЫВАНИЕ)
- Кривая давления
- Связывание лекарственных средств с белками плазмы крови
- ТРАНСПОРТ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА, ОБРАЗОВАНИЕ БИКАРБОНАТОВ, СВЯЗЫВАНИЕ ИОНОВ ВОДОРОДА.
- 1. КИСЛОРОД
- Содержание кислорода в крови
- Транспорт кислорода
- Транспорт кислорода
- Напряжение кислорода в крови конечных легочных капилляров
- Напряжение кислорода в артериальной крови
- Напряжение кислорода в артериальной крови
- Альвеолярное напряжение кислорода
- ГЛАВА 17 ЭНЕРГИЯ КИСЛОРОДА
- Улучшение снабжения тканей кислородом
- Объемное содержание кислорода в артериальной крови