Переносят углекислый газ от тканей к легким только гемоглобин
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.
В организме
человека, не выполняющего физической работы (состояние покоя), от тканей к легким
каждую минуту переносится примерно 180 мл углекислого газа. Эту величину легко
рассчитать. Если дыхательный коэффициент равен 0,85, то при поглощении тканями
в покое 200 мл кислорода в минуту должно образовываться около 170 мл
углекислого газа (200•0,85). На самом деле величина несколько больше, поскольку
количество поглощаемого в покое кислорода колеблется от 200 до 240 мл в минуту.
В целом за
сутки с вдыхаемым воздухом в организм человека поступает примерно 600 л
кислорода и выделяется в окружающую среду 480 л углекислого газа (примерно
942,8 г), что соответствует 21,4 моль углекислого газа.
Организм
располагает несколькими механизмами переноса СО2 от тканей к легким.
Часть его переносится в физически растворенном виде. Растворимость СО2
в плазме крови в 40 раз превышает растворимость в ней кислорода, тем не менее
при небольшой артериовенозной разнице РСО2 (напряжение СО2
в венозной крови, притекающей к легким по легочной артерии, равно 60 гПа, а в
артериальной крови – 53,3 гПа) в физически растворенном виде может быть
перенесено в покое 12–15 мл СО2, что составляет 6–7% от всего
количества переносимого углекислого газа.
Некоторое
количество СО2 может переноситься в виде карбаминовой формы.
Оказалось, что СО2 может присоединяться к гемоглобину посредством
карбаминовой связи, образуя карбгемоглобин, или карбаминогемо-глобин (впервые
мысль о наличии углекислого газа, непосредственно связанного с гемоглобином,
была высказана И.М. Сеченовым):
или
Карбгемоглобин – соединение очень нестойкое и чрезвычайно быстро диссоциирует в
легочных капиллярах с отщеплением СО2.
Количество
карбаминовой формы невелико: в артериальной крови оно составляет 3 об. %, в
венозной – 3,8 об. % . В виде карбаминовой формы из ткани к легким переносится
от 3 до 10% всего углекислого газа, поступающего из тканей в кровь. Основная
масса СО2 транспортируется с кровью к легким в форме бикарбоната,
при этом важнейшую роль играет гемоглобин эритроцитов.
Как отмечалось, кислотный характер оксигемоглобина выражен значительно сильнее, чем
гемоглобина (константа диссоциации ННbО2 примерно в 20 раз больше
константы диссоциации ННb). Важно также запомнить, что поступающий в ткани с
кровью оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем Н2СО3,
и связан с катионом калия. Эту калийную соль оксигемоглобина можно обозначить
как КНbО2 (рис. 17.7). В периферических капиллярах большого круга
кровообращения гемоглобин эритроцитов отдает кислород тканям (КНbО2
—> О2 + KHb), его способность
связывать ионы водорода увеличивается. Одновременно в эритроцит поступает
продукт обмена – углекислый газ. Под влиянием фермента карбоангидразы
углекислый газ взаимодействует с водой, при этом образуется угольная кислота.
Возникающий за счет угольной кислоты избыток водородных ионов связывается с
гемоглобином, отдавшим кислород, а накапливающиеся анионы НСО3
выходят из эритроцита в плазму :
В обмен на
эти ионы в эритроцит поступают анионы хлора, для которых мембрана эритроцитов
проницаема, в то время как натрий – другой составной элемент хлорида натрия,
содержащегося в крови, остается в плазме. В
итоге в плазме
крови повышается содержание
бикарбоната натрия NaHCO3.
Этот процесс
способствует восстановлению щелочного резерва крови, т.е. бикарбонатная
буферная система находится в довольно тесных функциональных связях с буферной
системой эритроцитов.
Рис. 17.7. Роль
системы плазма-эритроцит в дыхательной функции крови (по
Г.Е.
Владимирову, Н.С. Пантелеевой).
а – химические
процессы в капиллярах легких; б – химические процессы в капиллярах ткани.
В легочных
капиллярах, в эритроцитах, происходит процесс вытеснения угольной кислоты из
бикарбоната калия оксигемоглобином:
ННbO2 + К+ + НCO3–—> КНbO2 + Н2СO3.
Образующаяся
угольная кислота быстро расщепляется при участии карбоангидразы на углекислый
газ и воду. Низкое РCO2 в просвете альвеол способствует диффузии
углекислого газа из эритроцитов в легкие.
По мере
снижения в эритроцитах концентрации бикарбоната из плазмы крови в них поступают
новые порции ионов НСО3–, а в плазму выходит
эквивалентное количество ионов Сl–. Концентрация бикарбоната натрия
в плазме крови в легочных капиллярах быстро падает, но одновременно в плазме
повышается концентрация хлорида натрия, а в эритроцитах свободный гемоглобин
превращается в калийную соль оксигемо-глобина.
Итак, в форме
бикарбоната при участии гемоглобина эритроцитов транспортируется с кровью к
легким более 80% от всего количества углекислого газа.
Производя попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в альвеолах относительно постоянный газовый состав. Человек дышит атмосферным воздухом с большим содержанием кислорода (20,9%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%), а выдыхает воздух, в котором количество кислорода снижается, а углекислого газа — увеличивается. Рассмотрим процесс газообмена в легких и тканях человека.
Состав альвеолярного воздуха отличается от вдыхаемого и выдыхаемого. Это объясняется тем, что при вдохе в альвеолы поступает воздух воздухоносных путей (т.е. выдыхаемый), а при выдохе, наоборот, к выдыхаемому (альвеолярному) примешивается атмосферный воздух, находящийся в тех же воздухоносных путях (объем мертвого пространства).
В легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови поступает в легкие путем диффузии через стенки альвеол и кровеносных капилляров. Общая толщина их составляет около 0,4мкм. Направление и скорость диффузии определяются парциальным давлением газа, или его напряжением.
Парциальное давление и напряжение — по сути синонимы, но о парциальном давлении говорят, если данный газ находится в газовой среде, а о напряжении, если он растворен в жидкости. Парциальным давлением газа называют ту часть общего давления газовой смеси, которая приходится на данный газ.
Разность между напряжением газов в венозной крови и их парциальным давлением в альвеолярном воздухе составляет для кислорода около 70 мм рт. ст., а для углекислого газа — 7 мм рт. ст.
Экспериментальным путем установлено, что при разнице напряжения кислорода в 1 мм рт. ст. у взрослого человека, находящегося в покое, в кровь может поступать 25-60 см3 кислорода в минуту. Человеку в покое нужно примерно 25-30 см3 кислорода в минуту. Следовательно, разность движений кислорода в 70 мм рт. ст. достаточна для обеспечения организма кислородом при разных условиях его деятельности: при физической работе, спортивных упражнениях и др.
Скорость диффузии углекислого газа из крови в 25 раз больше, чем кислорода, поэтому за счет разности в 7 мм рт. ст. углекислый газ успевает выделиться из крови.
Переносит кислород от легких к тканям и углекислый газ от тканей к легким — кровь. В крови, как и во всякой жидкости, газы могут находиться в двух состояниях: в физически растворенном и в химически связанном. И кислород, и углекислый газ в очень небольшом количестве растворяются в плазме крови. Основные количества кислорода и углекислого газа переносятся в химически связанном виде. Основной переносчик кислорода — гемоглобин крови, каждый грамм которого связывает 1,34 см3 кислорода.
Углекислый газ переносится кровью в основном в виде химических соединений — бикарбонатов натрия и калия, но часть его переносится и в связанном с гемоглобином состоянии.
Обогащенная кислородом в легких кровь по большому кругу разносится ко всем тканям организма, где происходит диффузия в ткани в силу разности его напряжения в крови и тканях. В клетках тканей кислород используется в биохимических процессах тканевого (клеточного) дыхания — процессы окисления углеводов, жиров.
Количество потребляемого кислорода и выделяемого углекислого газа изменяются у одного и того же человека. Зависит оно не только от состояния здоровья, но и от физической активности, питания, возраста, пола, температуры среды, массы и площади поверхности тела и др.
Например, на холоде газообмен усиливается, чем поддерживается постоянство температуры тела. По состоянию газообмена судят о здоровье человека. Для этого разработаны специальные методы исследований, основанные на анализе состава вдыхаемого и собранного выдыхаемого воздуха.
Фото: фотобанк Лори
НОРМА: КИСЛОРОД И УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ
Воздух, которым мы дышим, на 98% состоит из азота и кислорода. Экология мегаполисов и промышленных районов вносит свои коррективы – в воздухе появляются даже тяжелые металлы.
Но основного компонента – кислорода О2 нам все же хватает. Транспорт для кислорода – это белок гемоглобин, содержащий железо. Он содержится в «красной» крови – эритроцитах. Гемоглобин может легко соединяться с кислородом О2 и углекислым газом СО2. А самое главное – может также легко от них избавляться. Благодаря этому в легких и тканях происходит газообмен. В зависимости от количества того или иного газа и его давления кислород и углекислый газ связываются с гемоглобином.
В воздушном пространстве легких во время вдоха много кислорода – его парциальное давление большое. Поэтому кислород через специальную мембрану между тканью легкого и сосудом поступает в кровь и соединяется с гемоглобином.
С током крови оксигемоглобин поступает к тканям. Например, к мышцам и коже стопы. Там в результате жизнедеятельности клеток накапливается углекислый газ. Его давление большое, поэтому он легко вытесняет кислород из связи с гемоглобина. Кислород поступает в ткани, а СО2 уносится с током крови по венам к легким.
ОПАСНЫЙ ВРАГ №1 – УГАРНЫЙ ГАЗ
Опасность любого пожара – отравление угарным газом. Это жизнеугрожающее состояние. Угарный газ образуется при недостатке кислорода – эта молекула в отличие от углекислого газа содержит всего один атом кислорода. В результате из безобидного СО2 получается злейший СО, ведущий к отравлению организма.
Причина этого – «слабость» кислорода в сравнении с угарным газом. СО в 300 раз крепче связывается с гемоглобином! Обычное парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе не поможет. Тяжесть состояния пациента в таком случае напрямую связана с объемом гемоглобина, соединенного с угарным газом. В тяжелых случаях жизненно важные органы – сердце, почки, головной мозг – практически лишаются кислорода и погибают при нормальном его содержании во вдыхаемом воздухе.
Решается проблема срочным проведением пациенту гипербарической оксигенации. При этом кислород подается пациенту под повышенным давлением – ему помогают вытеснить угарный газ из эритроцитов.
Ситуация с отравлением угарным газом обычно острая, жизнеугрожающая. Пациент находится под контролем врачей.
ОПАСНЫЙ ВРАГ №2 – ГЛЮКОЗА
Другая ситуация с хроническими заболеваниями. Здесь выявить проблему вовремя часто не удается. Кого сейчас не беспокоят слабость, утомляемость, снижение работоспособности?
Что же это – энергетический кризис в организме или просто усталость, депрессия?
Часто причина может оказаться сладкой – это глюкоза крови. В результате соединения с ней в эритроцитах формируется ГЛИКИРОВАННЫЙ ГЕМОГЛОБИН HbF1c. Его количество напрямую связано с уровнем глюкозы в крови. Основная проблема – это необратимость связывания глюкозы с гемоглобином. До конца жизни эритроцитов (пока они не попадут на распад в селезенку) гемоглобин в них остается в связанном с глюкозой состоянии. Это около 3х месяцев.
Поэтому гликированный гемоглобин, в отличие от разового измерения глюкозы, показывает средний уровень сахара в крови за 3 месяца. Для врачей это очень ценный показатель, особенно при контроле лечения сахарного диабета.
Вред, который наносит гликированный гемоглобин, такой же, как и при отравлении угарным газом. Только это не острая, а растянутая во времени проблема – хроническое кислородное голодание. Симптомы неспецифичны – это может быть и головокружение, общая слабость, плохая переносимость нагрузок. Все они являются результатом хронического дефицита кислорода и энергии.
Реализуется это пагубное влияние не так, как у угарного газа. Глюкоза связывается с гемоглобином и повышает связывание его с кислородом! В тканях кислород не может поменяться местами с углекислым газом – там накапливается СО2. Яркий медицинский пример – диабетическая стопа. При нормальном содержании кислорода в крови он не поступает в мышцы и кожу стопы. В тканях закисляется среда. Отсюда незаживающие раны при диабете. И поэтому одним из эффективных методов лечения диабетической стопы – местная (на нижние конечности) гипербарическая оксигенация.
В федеральной лаборатории «Гемотест» централизованная технологическая база площадью 3 500 квадратных метров включает 5 аналитических лабораторий.
ОБСЛЕДОВАНИЕ НА ГЛИКИРОВАННЫЙ ГЕМОГЛОБИН
Пройти обследование на показатели обмена глюкозы можно в лаборатории федерального уровня «Гемотест». Исследования в «Гемотест» выполняются на высокотехнологичном оборудовании ведущих мировых производителей, технологический комплекс площадью 3 500 кв.м. включает 5 лабораторий. Например, исследование на гликированный гемоглобин выполняется в отделе общеклинических исследований:
1.18. Гликированный гемоглобин (HbA1с)
Другие исследования углеводного обмена:
1.14.2. Глюкоза (фторид) анализ крови на сахар
1.15. Экспресс-анализ глюкозы (определяется на месте)
27.54. Сахарный диабет (скрининг) Это исследование содержит несколько показателей сахарного диабета. О возможности выполнения этого исследования в Вашем городе Вы можете узнать по телефону 8-800-550-13-13.
Всего в федеральной лаборатории «Гемотест» выполняется более 3 000 лабораторных анализов по всем медицинским специальностям. Полный список исследований Вы можете посмотреть на сайте www.gemotest.ru
Желаем Вам здоровья!
Реклама