Перенос углекислого газа гемоглобином
Одним из самых сложных процессов, что происходят в организме человека, несомненно, является дыхание. И сложность эта не только в танце легких, благодаря которому человек получает кислород, но и в процессах, с помощью которых этот кислород проникает дальше, в ткани, где превращается в углекислый газ, что отправляется в обратное путешествие. О данных процессах и пойдет речь далее.
Итак, приступим. Человек делает вдох, иии… Далеко не весь кислород поступает в легкие, а затем и в кровь. Часть вдыхаемого воздуха остается в так называемом мертвом пространстве. Мертвое пространство, в свою очередь, делится на анатомическое (дыхательные пути), в котором остается около 30 % вдыхаемого воздуха, и функциональное (вентилируемые, но по каким-то причинам не перфузируемые альвеолы).
Ухудшение альвеолярного газообмена может происходить при неглубоком и частом дыхании (причиной может стать перелом ребер, паралич дыхательной мускулатуры различного генеза и др.), а также при увеличении мертвого пространства, вызванном разнообразными причинами (нарушение перфузии альвеол в результате воспалительных заболеваний легких, удаление доли или целого легкого и др.), при снижении скорости кровотока по альвеолярным капиллярам (ТЭЛА, инфаркт легкого), при наличии диффузионного барьера (отек легких) и в результате ослабления альвеолярной вентиляции при обтурации просвета бронха. Газообмен между легкими и кровью происходит путем диффузии в соответствии с законом Фика. В легочных капиллярах она происходит за счет разности парциальных давлений в альвеолах и эритроцитах.
В альвеолах парциальное давление кислорода значительно превышает таковое для углекислого газа и составляет примерно 13,3 кПа (100 мм рт. ст.) и 5,3 кПа (40 мм рт. ст.) соответственно. Альвеолы омываются приносимой легочными артериями венозной кровью, в которой соотношение парциальных давлений этих двух газов обратно пропорционально и составляет приблизительно 5,3 кПа (40 мм рт. ст.) для кислорода и 6,1 кПа (46 мм рт. ст.) для углекислого газа. В среднем разница парциальных давлений составляет около 8 кПа (60 мм рт. ст.) для кислорода и около 0,8 кПа для углекислого газа.
Как уже было сказано выше, кислород путем диффузии проникает в кровь легочных капилляров. Диффузионное расстояние для кислорода при этом составляет 1–2 мкм, то есть именно на такое расстояние он проникает внутрь капилляра. Обмен крови в легочном капилляре происходит примерно за 0,75 секунды, но этого времени хватает на то, чтобы парциальные давления в альвеолах и в крови пришли в равновесие.
Кровь, в которой показатели парциального давления для кислорода и углекислого газа примерно равны таковым в альвеолах, называется артериализированной. Однако за счет наличия в легких артериовенозных шунтов и притока венозной крови из бронхиальных вен такой она остается недолго. В результате парциальное давление кислорода в аорте составляет примерно 12,0 кПа (как уже было сказано выше, парциальное давление в артериализированной крови равно таковому в альвеолах и составляет 13,3 кПа), а давление углекислого газа меняется незначительно и не приводит к затруднению его диффузии из крови в альвеолы.
Но кислород непосредственно в ткани попадает лишь в крайне незначительных количествах: для свободного перемещения по организму ему необходим транспортер. Эту функцию выполняет содержащийся в эритроцитах белок — гемоглобин. Гемоглобин существует в оксигенированной и неоксигенированной формах. В дезокси-гемоглобине железо находится на уровне порфиринового кольца и стабилизируется электростатическими силами, что обеспечивает поддержание всей структуры. Появившись, кислород начинает «тянуть» за железо, которое переносится на проксимальный гистидин на другом конце полипептидной цепи и меняет структуру всего протеина.
В результате гемоглобин переходит в оксигенированную форму, альфа- и бета-цепи при этом поворачиваются относительно друг друга на 15 градусов, облегчая присоединение остальных молекул кислорода. В итоге каждый из четырех содержащихся в нем атомов двухвалентного железа обратимо связывается с молекулой кислорода, что превращает молекулу гемоглобина в оксигемоглобин. По сравнению с миоглобином гемоглобин имеет низкое сродство к кислороду, однако оно не статично. Так, миоглобин может связывать кислород только одним участком, поэтому кривая его связывания — гипербола. Кривая связывания гемоглобина с кислородом имеет S-образную форму, демонстрируя, что при его связывании с первой молекулой кислорода гемоглобин имеет очень низкое сродство к кислороду, но при связывании последующих молекул кислорода сродство остальных его субъединиц к нему значительно увеличивается и в конечном счете повышается примерно в 500 раз.
При этом альфа-цепи связывают кислород легче, чем бета-цепи. Этот процесс назван кооперативным взаимодействием. По мере снижения парциального давления кислорода в крови происходит его высвобождение из гемоглобина и поступление в ткани. Например, парциальное давление кислорода в работающих мышцах составляет всего 26 мм рт. ст, и при прохождении эритроцитов через капилляры, кровоснабжающие мышцы, происходит высвобождение и поступление в мышечные клетки примерно ⅓ всего переносимого гемоглобином кислорода. При повышении температуры тела также возрастает потребность в кислороде, что, в свою очередь, стимулирует высвобождение и поступление его в ткани. При снижении температуры, напротив, развивается гипоксия тканей, способствующая компенсаторному увеличению сродства гемоглобина к кислороду.
Гемоглобин также осуществляет перенос от тканей к легким продуктов тканевого дыхания — углекислого газа и ионов водорода. В ходе окислительных процессов в клетке выделяется углекислый газ, в результате гидратации которого образуются ионы водорода, что, в свою очередь, приводит к снижению рН. Давно известно, что снижение рН и повышение концентрации углекислого газа в крови оказывает сильное влияние на способность гемоглобина связывать кислород.
В периферических сосудах показатели рН низкие, и по мере связывания гемоглобина с ионами водорода и углекислым газом происходит снижение его сродства к кислороду. Это влияние величины рН и концентрации углекислого газа на способность гемоглобина связывать кислород называют эффектом Бора.
Обратная ситуация имеет место в альвеолярных капиллярах, где присоединение кислорода к гемоглобину превращает тот в более сильную кислоту.
При этом сродство гемоглобина к углекислому газу снижается, а повышение кислотности гемоглобина приводит к высвобождению излишка ионов водорода и образованию в крови из бикарбоната угольной кислоты, которая затем распадается на воду и углекислый газ. В обоих случаях углекислый газ из крови поступает в альвеолы, а затем в атмосферу. Данный процесс назван эффектом Холдейна. Стоит отметить, что важную роль в образовании углекислого газа в эритроцитах играет ион хлора, поступающий в плазму крови в обмен на бикарбонат при участии белка-переносчика АЕ1. Данный процесс в англоязычной литературе получил название «Chloride shift» или «перенос Хамбургера».
На сродство гемоглобина к кислороду оказывает влияние и присутствующее в эритроцитах вещество, получившее название 2,3-бисфосфоглицерат (БФГ). Его образование — своего рода побочная реакция анаэробного гликолиза, происходящего в эритроцитах в ходе ферментативного превращения глюкозы в пируват под действием фермента бифосфоглицератмутазы. БФГ способен самостоятельно связываться с неоксигенированной формой гемоглобина, образуя солевой мостик между двумя его бета-субъединицами и снижая сродство к кислороду.
При этом гемоглобин способен связать только одну молекулу БФГ, а при присоединении кислорода БФГ вытесняется из полости. В обычных условиях в эритроцитах крови содержится достаточно большое количество БФГ, которое может увеличиваться в условиях гипоксии (например, у дайверов при погружении на глубину), а также при восхождении на большую высоту. В первые часы подъема концентрация БФГ в эритроцитах будет возрастать, а сродство кислороду снижаться. Но на большой высоте парциальное давление будет значительно ниже такового на уровне моря, а значит, оно снизится и в тканях. При этом БФГ будет облегчать передачу кислорода от гемоглобина к тканям.
Некоторые вещества способны прочно связываться с гемоглобином или же вовсе менять его структуру. Одним из них является угарный газ, чье сродство к гемоглобину в 200 раз превышает таковое для кислорода. Отравления угарным газом часто происходят в помещениях с печным отоплением, при пожарах и авариях на производстве. Со временем кислород вытесняет угарный газ из гемоглобина, и в легких случаях пациенты помещаются под наблюдение и получают ингаляции с увлажненным кислородом. Необходимой мерой при тяжелых отравлениях угарным газом является переливание эритроцитарной массы.
К веществам, способным изменять структуру гемоглобина, относятся метгемоглобинобразователи — соединения, способные окислять двухвалентное железо в геме до трехвалентного. К ним относятся нитриты, нитраты, некоторые местные анестетики, аминофенолы, хлораты, примахин и некоторые сульфаниламиды. Состояние, характеризующееся появлением в крови окисленного гемоглобина, называют метгемоглобинемией. При высокой метгемоглобинемии капля крови, помещенная на фильтровальную бумагу, имеет характерный коричневый цвет, а при пропускании кислорода через пробирку с такой кровью ее цвет не меняется. Метгемоглобинемия выше 70 % от общего содержания гемоглобина часто приводит к гибели пациента еще до момента постановки диагноза.
Источники:
- Harrison’s hematology and oncology Longo, Dan L (Dan Louis), Third edition. New York : McGraw-Hill Education Medical, 2017.
- Наглядная физиология, С. Зильбернагль, А. Деспопулос, 2013.
- Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 1. /Д. Нельсон, М. Кокс ; Пер. с англ.-М.: БИНОМ: Лаборатория знаний, 2011.- 694 с.
ГБОУ ВПО.
<<Красноярский государственный
медицинский
Университет им. Проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого>>
Министерства здравоохранения
и социального развития
Российской федерации.
Кафедра биологической
химии с курсом медицинской, фармацевтической
и токсикологической химии.
Зав.Кафедрой:Салмина Алла Борисовна
Преподаватель:Буйко Ольга Васильевна
Реферат по химии.
По
теме: Механизмы переноса кислорода
и углекислого газа с участием гемоглобина.
Выполнил: Студент 122-ой группы,
Факультета ФМО,
Специальности “Лечебное дело”
Арзамазов Леонид Александрович
Проверил(а):
2012
Содержание:
- Основные понятия по теме “Механизмы переноса кислорода и углекислого газа с участием гемоглобина” (стр.3)
Основные механизмы
переноса (стр.4-8)
- Механизм переноса кислорода путем диффузии кислорода и углекислого газа через аэрогематический барьер. (стр.4)
- Механизм транспорта кислорода кровью.(стр.5)
- Механизм транспорта углекислого газа кровью. (стр.6)
- Механизм транспорта газов в тканях.(стр.7-8)
- Регуляция дыхания. (стр.8-12)
- Заключение
Основные понятия:
Кровь- внутренняя среда организма,
образованная жидкой соединительной
тканью. Состоит из плазмы и форменных
элементов: клеток лейкоцитов и постклеточных
структур (эритроцитов и тромбоцитов).
Циркулирует по системе сосудов под действием
силы ритмически сокращающегося сердца
и не сообщается непосредственно с другими
тканями тела ввиду наличия гистогематических
барьеров. В среднем, массовая доля крови
к общей массе тела человека составляет
6,5-7%.
Плазма(крови)- жидкая часть крови,
в которой взвешены форменные элементы
— вторая часть крови. Процентное содержание
плазмы в крови составляет 52—61 %. Макроскопически
представляет собой однородную несколько
мутную (иногда почти прозрачную) желтоватую
жидкость, собирающуюся в верхней части
сосуда с кровью после осаждения форменных
элементов. Гистологически плазма является
межклеточным веществом жидкой ткани
крови.
Гемоглобин – сложный
железосодержащий белок кровосодержащих
животных, способный обратимо связываться
с кислородом, обеспечивая его перенос
в ткани. У позвоночных животных содержится
в эритроцитах.
Эритроцит- также известные под
названием кра́сные кровяны́е тельца́, — клетки
крови человека, позвоночных животных
и некоторых беспозвоночных главной функцией
которых, является перенос кислорода.
Диффузия – процесс взаимного проникновения
молекул одного вещества между молекулами
другого, приводящий к самопроизвольному
выравниванию их концентраций по всему
занимаемому объёму
Активный транспорт- перенос вещества
через клеточную или внутриклеточную
мембрану (трансмембранный А.т.) или через
слой клеток (трансцеллюлярный А.т.), протекающий
против градиента концентрации из области
низкой концентрации в область высокой,
т. е. с затратой свободной энергии организма.
В большинстве случаев, но не всегда, источником
энергии служит энергия макроэргических
связей АТФ.
Кислород(О2)– Химический элемент
главной подгруппы VI группы,
с атомным номером 8, при нормальных условиях —
газ без цвета, вкуса и запаха, молекула
которого состоит из двух атомов кислорода
(формула O2). Жидкий кислород имеет
светло-голубой цвет, а твёрдый представляет
собой кристаллы светло-синего цвета.
Углекислый газ(СО2)- бесцветный
газ (в нормальных условиях), без запаха,
со слегка кисловатым вкусом.
Сурфактант(легочный) – смесь поверхностно-активных
веществ, находящаяся на границе воздух-жидкость
в лёгочных альвеолах, то есть выстилающая
альвеолы изнутри. Препятствует спадению
(слипанию) альвеол за счёт снижения поверхностного
натяжения жидкости. Сурфактант секретируется
специальной разновидностью альвеолоцитов
II типа.
Аэрогематический барьер(аэро — воздух + гема – кровь)- барьер
между кровью и воздухом (в альвеолах)
Альвеола (лат. alveolus — ячейка, углубление, пузырёк)-
концевая часть дыхательного аппарата
в лёгком, имеющая форму пузырька, открытого
в просвет альвеолярного хода. Альвеолы
участвуют в акте дыхания, осуществляя
газообмен с лёгочными капиллярами.
Капилляр- (от лат. capillaris — волосяной)тонкие сосуды
в организме человека и
других животных. Средний их диаметр составляет
5-10 мкм.
Механизм переноса кислорода путем
диффузии кислорода и углекислого газа
через аэрогематический барьер
Схема аэрогематического
барьера –
Перенос О2 из альвеолярного газа в кровь
и СО2 из крови в альвеолярный газ
происходит исключительно путем диффузии.
Ее движущей силой служат разности (градиенты)
парциальных давлений (напряжений) О2
и СО2 по обе стороны аэрогематического
барьера, образованного альвеолокапиллярной
мембраной. Никакого механизма активного
транспорта газов здесь нет.
Кислород и углекислый газ диффундируют в растворенном
состоянии: все воздухоносные пути увлажнены
слоем слизи. Важное значение для облегчения
диффузии О2 имеет сурфактантная
выстилка альвеол, так как кислород растворяется
в фосфолипидах, входящих в состав сурфактантов,
гораздо лучше, чем в воде.
В ходе диффузии через аэрогематический
барьер молекулы растворенного газа
должны преодолеть: слой сурфактанта,
альвеолярный эпителий, две основные
мембраны, эндотелий кровеносного капилляра.
Ввиду того что в транспорте дыхательных
газов существенную роль играют эритроциты,
к этому списку добавляются слой плазмы
и мембрана эритроцита.
Диффузионная способность
легких для кислорода очень велика.
Это обусловлено огромным числом
(сотни миллионов) альвеол и большой
их газообменной поверхностью (у человека она составляет
около 100 м2), а также малой толщиной
(порядка 1 мкм) альвео-локапиллярной мембраны.
Диффузионная способность легких у человека
равна примерно 25 мл О2/мин в расчете
на 1 мм рт. ст. градиента парциальных давлений
кислорода. При учете того, что градиент
Ро2 между притекающей к легким венозной
кровью и альвеолярным газом обычно превышает
50 мм рт. ст., этого оказывается вполне
достаточно, чтобы за время прохождения
через легочный капилляр (около 0,8 с) напряжение
кислорода в ней успело уравновеситься
с альвеолярным – Ро2. Несколько
более низкое (на 3-6 мм рт. ст.) артериальное
–Ро2 по сравнению с альвеолярным
объясняется проникновением венозной
крови в артериальную через невентилируемые
альвеолы, а также артериовенозные шунты.
Лишь при ускорении легочного кровотока,
например при тяжелой мышечной работе,
когда время прохождения крови через капилляры
альвеол может сокращаться до 0,3 с, наблюдается
недонасыщение крови кислородом в легких,
что, однако, возмещается увеличением
минутного объема крови.
Что касается диффузии СО2 из венозной
крови в альвеолы, то даже сравнительно
небольшого градиента Рсо2 (6-10 мм
рт. ст.) здесь оказывается вполне достаточно,
так как растворимость углекислого газа
в 20-25 раз больше, чем у кислорода. Поэтому
после прохождения крови через легочные
капилляры –Рсо2 в ней оказывается
почти равным альвеолярному — обычно
около 40 мм рт. ст.
Механизм транспорта кислорода кровью.
Схема регуляции транспорта О2.
Лишь небольшая часть
О2 (около 2%), переносимого кровью,
растворена в плазме. Основная его часть
транспортируется в форме непрочного
соединения с гемоглобином, который у
позвоночных содержится в эритроцитах.
В молекулы этого дыхательного пигмента
входят видоспецифичный белок — глобин, и одинаково построенная
у всех животных простетическая группа
— гем, содержащая двухвалентное
железо.
Присоединение кислорода
к гемоглобину (оксигенация гемоглобина)
происходит без изменения валентности
железа, т. е. без переноса электронов,
характеризующего истинное окисление.
Тем не менее гемоглобин, связанный с кислородом,
принято называть окисленным (правильнее
— оксигемоглобин), а отдавший
кислород — восстановленным (правильнее
— дезоксигемоглобин).
1 г гемоглобина может
связать 1,36 мл газообразного О2 (при нормальном атмосферном давлении).
Учитывая, к примеру, что в крови человека
содержится примерно 150 г/л гемоглобина,
100 мл крови могут переносить около 21 мл О2.-Это так называемая кислородная емкость крови.
Оксигенация гемоглобина (иначе говоря,
процент, на который используется кислородная
емкость крови) зависит от парциального
давления О2 в среде, с которой контактирует
кровь. Такая зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина.
Сложная S-образная форма этой кривой объясняется
кооперативным эффектом четырех полипептидных
цепей гемоглобина, кислородсвязывающие
свойства (сродство к О2) которых
различны.
Благодаря такой особенности венозная кровь, проходя
легочные капилляры (альвеолярное Ро2
приходится на верхнюю часть кривой), оксигенируется
почти полностью, а артериальная кровь
в капиллярах тканей (где Ро2 соответствует
крутой части кривой) эффективно отдает
О2. Отдаче кислорода способствуетсодержащийся
в эритроцитах 2,3-дифосфоглицерат, синтез
которого усиливается при гипоксии и интенсификации
окислительного процесса в тканях.
Кривая диссоциации
оксигемоглобина сдвигается вправо
при повышении температуры и
при увеличении концентрации водородных ионов
в среде, которая, в свою очередь, зависит
от Рсо2 (эффект Вериго-Бора). Поэтому
создаются условия для более полной отдачи
кислорода оксигемоглобином в тканях,
особенно там, где выше интенсивность
метаболизма, например в работающих мышцах.
Однако и в венозной крови большая или
меньшая часть (от 40 до 70%) гемоглобина
остается в оксигенированной форме. Так,
у человека каждые 100 мл крови отдают тканям
5—6 мл О2 (так называемая артерио-венозная разница
по кислорду) и, естественно, на ту
же величину обогащаются кислородом в
легких.
Сродство гемоглобина
к кислороду измеряется величиной
парциального давления кислорода, при
которой гемоглобин насыщается на 50%
(Р50); У человека оно составляет в
норме 26,5 мм рт. ст. для артериальной крови.
Параметр р50 отражает способность
дыхательного пигмента связывать кислород.
Этот параметр выше для гемоглобина животных,
обитающих в бедной кислородом среде,
а также для так называемого фетального гемоглобина,
который содержится в крови плода, получающего
кислород из крови матери через плацентарный
барьер.
Механизм
транспорта углекислого газа кровью.
Хотя СО2 растворяется в жидкости гораздо
лучше, чем СО2, только 3-6% общего
количества продуцируемого тканями СО2
переносится плазмой крови в физически
растворенном состоянии. Остальная часть
вступает в химические связи.
Поступая в тканевые
капилляры, СО2 гидратируется, образуя нестойкую
угольную кислоту:
СО2 + Н20 = Н2СО3 à Н+ + НСО3-
Направление этой обратимой реакции зависит от
Рсо2 в среде. Она резко ускоряется
под действием фермента карбоангидразы,
находящегося в эритроцитах, куда СО2
быстро диффундирует из плазмы.
Около 4/5 углекислого
газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО2-. Связыванию СО2
способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства)
гемоглобина в момент отдачи им кислорода
— дезоксигенирование (эффект
Холдейна). При этом гемоглобин высвобождает
связанный с ним ион калия, с которым, в
свою очередь, реагирует угольная кислота:
К+ + НbО2 + Н+
+ НСОз- àННЬ + КНСОз + О2
Часть ионов НСОз диффундирует в плазму, связывая
там ионы натрия, в эритроцит же поступают
в порядке сохранения ионного равновесия
ионы хлора.
Кроме того, также за счет уменьшения протонного сродства
дезоксигениро-ванный гемоглобин легче
образует карбаминовые соединения, связывая
при этом еще около 15% переносимого кровью
СО2.
В легочных капиллярах происходит
высвобождение части СО2, который диффундирует в альвеолярный
газ. Этому способствует более низкое,
чем в плазме, альвеолярное Рсо2,
а также усиление кислотных свойств гемоглобина
при его оксигенации. В ходе дегидратации
угольной кислоты в эритроцитах (эта реакция
тоже резко ускоряется карбоангидразой)
оксигемоглобин вытесняет ионы калия
из гидрокарбоната. Ионы НСОз-
поступают из плазмы в эритроцит,а ионы
С1-— в обратном направлении. Таким
путем каждые 100 мл крови отдают в легких
4—5 мл СО2 — то же количество, какое
кровь получает в тканях (артерио-венозная разница
по СО2).
Гемоглобин (в силу амфотерных
свойств) и гидрокарбонат являются
важными буферными системами крови. Гидрокарбонатная
система играет особую роль благодаря
тому, что в ее состав входит летучая угольная
кислота. Так, при поступлении в кровь кислых продуктов метаболизма гидрокарбонат
как соль слабой (угольной) кислоты отдает
свой анион, а избыток углекислого газа
выводится легкими, что способствует нормализации
рН крови. Поэтому гиповентиляция легких
сопровождается наряду с гиперкапнией
увеличением концентрации водородных
ионов в крови — дыхательным (респираторным)
ацидозом, а гипервентиляция наряду
с гипокапнией — сдвигом активной реакции
крови в щелочную сторону — дыхательным алкалозом.