Сущность дыхательной функции крови состоит в доставке кислорода от легких к тканям и углекислоты от тканей к легким (табл. 49).

Перенос кислорода кровью

Кровь осуществляет свою дыхательную функцию прежде всего благодаря наличию в ней гемоглобина. Физиологическая функция гемоглобина как переносчика кислорода основана на способности обратимо связывать кислород в зависимости от его напряжения в крови. Поэтому в легочных капиллярах происходит насыщение крови кислородом, а в тканевых капиллярах, где парциальное давление кислорода резко снижено, осуществляется отдача кислорода тканям.

В состоянии покоя ткани и органы человека потребляют около 200 мл кислорода в минуту. При тяжелой физической работе количество потребляемого тканями кислорода возрастает в 10 и более раз (до 2-3 л O₂ в 1 мин). Доставка от легких к тканям такого количества кислорода в виде газа, физически растворенного в плазме, невозможна вследствие малой растворимости кислорода в воде и плазме крови (табл. 50).

Исходя из приведенных в табл. 50 данных, а также зная парциальное давление кислорода в артериальной крови 107-120 гПа (80-90 мм рт. ст.), нетрудно видеть, что количество физически раствoренного кислорода в плазме крови не может превышать 0,3 об%. При расчете кислородной емкости крови этой величиной можно пренебречь.

Итак, функцию переносчика кислорода в организме выполняет гемоглобин. Напомним, что молекула гемоглобина построена из четырех субъединиц (полипептидных цепей), каждая из которых связанна с гемом -(см. с. 80). Следовательно, молекула гемоглобина имеет четыре гема, к которым может присоединяться кислород. При этом гемоглобин переходит в оксигемоглобин.

Гемоглобин человека содержит 0,335% железа. Каждый грамм-атом железа (55,84 г) в составе гемоглобина при полном насыщении кислoродом связывает 1 грамм-молекулу O₂ (22 400 мл). Таким образом, 100 г гемоглобина может связать

0,335 x 22 400/ 55,84 = 134 мл 0₂,

15 х 1,34 х 96/ 100 = 19,3 мл О₂ (в среднем 19-20 об. %).

В венозной крови при покое РO₂ = 53,3 гПа, и в этих условиях гемоглобин насыщен кислородом лишь на 70-72%, т. е. содержание кислорода в 100 мл венозной крови не превышает

15 x 1,34 x 70 / 100 = 14,1 O₂ (~ 14 об.%)

Артериовенозная разница по кислороду будет равна ~6 об.%. (Артериовенозная разница по кислороду в разных органах далеко не одинакова и зависит от уровня метаболизма органа. В миокарде А-В-разница составляет 12 об.%, в мозге - 6, в желудочно-кишечном тракте - 3, в почках - 1,5 об.%.)

Таким образом, за 1 мин ткани в состоянии покоя получают 200-240 мл 0₂ (при условии, что минутный объем крови, протекающей через сердце, в покое составляет 4 л).

Возрастание интенсивности окислительных процессов в тканях, например при усиленной мышечной работе, всегда связано с более полным извлечением кислорода из крови. Кроме того, при физической работе резко увеличивается скорость кровотока. Зависимость между степенью насыщения гемоглобина кислородом и РO₂ можно выразить в виде кривой насыщения гемоглобина кислородом, или кривой диссоциации оксигемоглобина, которая имеет S-образную форму и характеризует сродство гемоглобина к кислороду (рис. 129).

Характерная для гемоглобина S-образная кривая насыщения кислородом свидетельствует о том, что связывание первой молекулы кислорода одним из гемов гемоглобина облегчает связывание последующих молекул кислорода тремя другими оставшимися темами. Долгое время механизм, лежащий в основе этого эффекта, оставался загадкой, ибо, по данным рентгеноструктурного анализа, четыре гема в молекуле гемоглобина довольно далеко отстоят друг от друга и вряд ли могут оказывать взаимное влияние. В последнее время принято следующее объяснение происхождения S-образной кривой. Считают, что молекула гемоглобина способна обратимо распадаться на две половинки, каждая из которых содержит одну α-цепь и одну β-цепь:

При взаимодействии молекулы кислорода с одним из четырех гемов гемоглобина происходит присоединение кислорода (обозначим звездочкой) к одной из половинок молекулы гемоглобина (допустим, к α-цепи этой половинки). Как только такое присоединение произойдет, α-полипептидная цепь претерпевает конформационные изменения (условно обозначим эту форму О):

После этого конформационные изменения α-цепи механически передаются на тесно связанную с ней β-цепь, которая также подвергается конформационным сдвигам:

β-Цепь присоединяет кислород, имея уже большее сродство к нему. Таким путем связывание одной молекулы кислорода благоприятствует связыванию второй молекулы:

После насыщения кислородом одной половины молекулы гемоглобина возникает новое, внутреннее, напряженное состояние молекулы гемоглобина, которое вынуждает и вторую половинку гемоглобина изменить конформацию:

Теперь еще две молекулы кислорода, по-видимому, по очереди связываются со второй половинкой1 молекулы гемоглобина, образуя оксигемоглобин:

S-образная форма кривой насыщения гемоглобина кислородом имеет большое физиологическое значение. При такой форме кривой обеспечивается возможность насыщения крови кислородом при изменении РO₂ в довольно широких предела. Например, дыхательная функция крови существенно не нарушается при снижении РO₂ во вдыхаемом воздухе с 133,3 до 8-93,3 гПа.

Численно сродство гемоглобина к кислороду принято выражать через величину P₅₀-парциальное напряжение О₂, при котором 50% гемоглобина связано с кислородом (pH 7,4, температура 37°С). Нормальная величина Р₅₀ около 34,67 гПа. Смещение кривой насыщения гемоглобина кислородом вправо означает уменьшение способности гемоглобина связывать кислород и, следовательно, сопровождается повышением Р₅₀. Напротив, смещение кривой влево свидетельствует о повышенном сродстве гемоглобина к кислороду, величина Р₅₀ снижена.

Ход кривой насыщения гемоглобина кислородом или диссоциации оксигемоглобина зависит от ряда факторов. Сродство гемоглобина к кислороду в первую очередь связано о pH. Чем ниже pH, тем меньше способность гемоглобина связывать кислород и тем больше Р₅₀. В тканевых капиллярах pH ниже (поступает большое количество СO₂), в связи с чем гемоглобин легко отдает кислород. В легких СO₂ выделяется, pH повышается и гемоглобин жадно присоединяет кислород.

Способность гемоглобина связывать кислород зависит также от температуры. Чем выше температура (в тканях температура выше, чем в легких), тем меньше сродство гемоглобина к кислороду. Напротив, снижение температуры вызывает обратные явления.

Количество гемоглобина в крови, а также в какой-то мере способность связывать кислород (характер кривой диссоциации оксигемоглобина) несколько меняются с возрастом. Например, у новорожденных содержание гемоглобина доходит до 20-21% (вместо обычных для взрослого 13-16%). У человека имеется несколько гемоглобинов, которые образуются в различном количестве в разные стадии онтогенеза и отличаются по своему сродству к кислороду.

Рассмотрим нарушения дыхательной функции крови при некоторых патологических состояниях.

Различные формы гипоксии

Гипоксия (кислородное голодание) - состояние, возникающее при недостаточном снабжении тканей организма кислородом ли нарушении его утилизации в процессе биологического окисления. Согласно классификации, предложенной И. Р. Петровым (1949), гипоксии делятся на две группы:

1. Гипоксия вследствие понижения РO₂ во вдыхаемом воздухе (экзогенная гипоксия) [показать].

   Гипоксия вследствие понижения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе.

   Этот вид гипоксии возникает главным образом при подъеме на высоту. Может наблюдаться и в тех случаях, когда общее барометрическое давление нормально, но РO₂ понижено, например при авариях в шахтах, неполадках в системе кислородообеспечения кабины летательного аппарата, в подводных лодках и т. п., а также во время операций при неисправности наркозно-дыхательной аппаратуры.

   При экзогенной гипоксии развивается гипоксемия, т. е. уменьшается напряжение кислорода в артериальной крови и снижается насыщение гемоглобина кислородом.

2. Гипоксия при патологических процессах, нарушающих снабжение тканей кислородом при нормальном содержании его в окружающей среде, или утилизацию кислорода тканями. Сюда относятся следующие типы:
   • дыхательный (легочный) [показать].

     Дыхательный (легочный) тип гипоксии возникает в связи с альвеолярной гиповентиляцией, что может быть обусловлено нарушением проходимости дыхательных путей (воспалительный процесс, инородные тела, спазм), уменьшением дыхательной поверхности легких (отек легкого, пневмония и т. д.). В подобных случаях снижаются РO₂ в альвеолярном воздухе и напряжение кислорода в крови, в результате чего уменьшается насыщение гемоглобина кислородом. Обычно нарушается также выведение из организма углекислоты и к гипоксии присоединяется гиперкапния.

   • сердечно-сосудистый (циркуляторный) [показать].

     Сердечно-сосудистый (циркуляторный) тип гипоксии наблюдается при нарушениях кровообращения, приводящих к недостаточному кровоснабжению органов и тканей. Для газового состава крови в типичных случаях циркуляторной гипоксии характерны нормальные напряжение и содержание кислорода в артериальной крови, снижение этих показателей в венозной крови и высокая артериовенозная разница по кислороду.

   • кровяной (гемический) [показать].

     Кровяной (гемический) тип гипоксии возникает в результате уменьшения кислородной емкости крови при анемиях, обусловленных значительным уменьшением эритроцитной массы или резким понижением содержания гемоглобина в эритроцитах. В этих случаях РO₂ в венозной крови резко снижено.

     Гемическая гипоксия наблюдается также при отравлений окисью углерода (образование карбоксигемоглобина) и метгемоглобинообразователями (метгемоглобинемия), а также пни некоторых генетически обусловленных аномалиях гемоглобина. При образовании карбоксигемоглобина и метгемоглобина напряжение кислорода в венозной крови и тканях оказывается значительно пониженным при одновременном уменьшении артериовенозной разницы содержания кислорода.

   • тканевый (гистотоксический) [показать].

     Тканевый (гистотоксический) тип гипоксии обычно обусловлен нарушением способности тканей поглощать кислород из крови. Утилизация кислорода тканями может затрудняться в результате угнетения биологического окисления различными инигибиторами, нарушения синтеза ферментов или повреждения мембранных структур клетки. Типичным примером тканевой гипоксии может служить отравление цианидами. Попадая в организм, ионы CN^- активно взаимодействуют с трехвалентным железом, тем самым блокируя конечный фермент дыхательной цепи - цитохромоксидазу, в результате подавляется потребление кислорода клетками. Иными словами, при гистотоксической гипоксии ткани не в состоянии извлекать кислород из тканевых капилляров даже при высоких значениях РO₂.

   • смешанный.

Перенос углекислоты кровью от тканей к легким

В организме человека, не выполняющего физической работы (состояние покоя), от тканей к легким каждую минуту переносится примерно 180 мл СO₂.

Это легко рассчитать. Если дыхательный коэффициент равен 0,85, то при поглощении тканями человека в покое 200 мл O2 в минуту должно образовываться (200-0,85) около 170 мл СO2. На самом деле эта величина несколько больше, поскольку количество поглощаемого в покое кислорода колеблется от 200 до 240 мл в 1 мин. 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 СO2.

Организм располагает несколькими механизмами переноса СO₂ от тканей к легким. Часть СO₂ переносится в физически растворенном виде. Хотя растворимость СO₂ в плазме крови в 40 раз превышает растворимость в ней кислорода, тем не менее при небольшой артериовенозной разнице в РCO₂ (напряжение СO₂ в венозной крови, притекающей к легким по легочной артерии, равно 60 гПа, а в артериальной крови - около 53,3 гПа) в физически растворенном виде может быть перенесено в покое 12-15 мл СO₂, что составляет 6-7% от всего количества переносимой углекислоты.

Некоторое количество СO₂ может переноситься в виде карбаминовой формы. Оказалось, что СO₂ может присоединяться к гемоглобину посредством карбаминовой связи, образуя карбгемоглобин, или карбаминогемоглобин (впервые мысль о наличии углекислоты, непосредственно связанной с гемоглобином, была высказана И. М. Сеченовым):

Карбгемоглобин - соединение очень нестойкое и чрезвычайно быстро диссоциирует в легочных капиллярах с отщеплением СO₂. Количество карбаминовой формы невелико: в артериальной крови оно составляет 3 об.% (1,0 ммоль/л), в венозной - 3,8 об.% (1,5-2,0 ммоль/л). В виде карбаминовой формы из тканей к легким переносится от 3 до 10% всей углекислоты, поступающей из тканей в кровь. Основная масса СO₂ транспортируется с кровью к легким в форме бикарбоната, при этом важнейшую роль играет гемоглобин эритроцитов.

Как уже отмечалось, кислотный характер оксигемоглобина выражен значительно сильнее, чем гемоглобина (константа диссоциации ННbO₂ примерно в 20 раз больше константы диссоциации ННb. Важно также запомнить, что поступающий в ткани с кровью оксигемоглобин, являющийся более сильной кислотой, чем Н₂СO₃, связан с катионами калия. Эту калийную соль оксигемоглобина можно обозначить как КНbO₂ (рис. 130). В периферических капиллярах большого круга кровообращения гемоглобин эритроцитов отдает кислород тканям (КНbO₂ -> O₂ + КНb), его способность связывать ионы водорода увеличивается. Одновременно в эритроцит поступает продукт тканевого обмена - углекислый газ. Под влиянием фермента карбоангидразы, который может существовать в нескольких молекулярных формах (изоферменты А, В и С), разделяемых при помощи электрофореза, углекислый газ взаимодействует с водой, при этом образуется угольная кислота (Н₂СO₃). Возникающий за счет угольной кислоты избыток водородных ионов связывается с гемоглобином, отдавшим кислород, а накапливающиеся анионы НСO₃ выходят из эритроцита в плазму. Артериальная кровь содержит 25,5 ммоль/л НСO₃^- в плазме и 12,7 ммоль/л в эритроцитах; венозная кровь - соответственно 26,4 и 13,9 ммоль/л.

КНb + Н₂СO₃ --> K⁺НСO₃^- + ННb

В обмен на эти ионы в эритроцит поступают анионы хлора, для которых мембрана эритроцита проницаема, в то время как натрий - другой составной элемент натрия хлорида, содержащегося в крови, остается в плазме. В итоге в плазме крови повышается содержание бикарбоната натрия (NaНСO₃). Этот процесс способствует восстановлению щелочного резерва крови, т. е. бикарбонатная буферная система находится в довольно тесных функциональных связях с буферной системой эритроцитов.

В легочных капиллярах, опять таки в эритроцитах, происходит процесс вытеснения угольной кислоты из бикарбоната калия оксигемоглобином:

ННbO₂ + K⁺НСO₃^- --> КНbO₂ + Н₂СO₃.

Образующаяся Н₂СO₃ быстро расщепляется при участии карбоангидразы на углекислый газ и воду. Низкое РO₂ 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 НСO₃^-, а в плазму выходит эквивалентное количество ионов хлора. Концентрация бикарбоната натрия в плазме крови в легочных капиллярах быстро падает, но одновременно в плазме повышается концентрация натрия хлорида, а в эритроцитах свободный гемоглобин превращается в калийную соль оксигемоглобина.

Итак, в форме бикарбоната при участии гемоглобина эритроцитов транспортируется с кровью к легким более 80% всего количества углекислоты.

Продолжение: Свертывающие и противосвертывающие системы крови