Доставка кислорода к тканям и его утилизация

Для обеспечения обмена веществ в периферических тканях ключевой физиологической переменной является доставка кислорода – количество О₂, транспортируемое к тканям в единицу времени. Чтобы поддержать аэробный метаболизм и предотвратить образование молочной кислоты в анаэробном цикле, периферические ткани должны постоянно снабжаться кислородом. Обстоятельства, которые определяют адекватность снабжения кислородом, разнообразны и включают состояние покоя, физическую нагрузки, гиперкатаболические состояния и инфекцию.

Системная доставка кислорода

Доставка кислорода к периферическим тканям зависит от количества кислорода в определенном объеме крови и уровня кровотока. Хотя объем кровотока к отдельным органам различен, в периферических тканях он в целом равен минутному сердечному выбросу (Q). Системная доставка кислорода (DO₂) рассчитывается как:

DO₂ = Q · CаО₂,

где CаО₂ – общее содержание кислорода, равное сумме количества кислорода, связанного с гемоглобином и растворенным в плазме крови.

Нормальное значение DO₂ составляет около 1000 мл/мин.

Утилизация кислорода тканями и его артерио-венозная разница

В условиях основного обмена взрослый человек потребляет около 250 мл кислорода в минуту. Однако скорости утилизации кислорода разными тканями значительно отличаются.

В зависимости от состояния организма (покой, нагрузка или заболевание) меняется фракционное распределение сердечного выброса к органам. Более того, и экстракция кислорода тканями различных органов неодинакова. Например, миокард получает лишь малую фракцию сердечного выброса, но извлекает почти весь доставляемый кислород. Измерение содержания кислорода в венозной крови, покидающей миокард (в коронарном синусе), выявило большую артерио-венозную разницу кислорода. Артерио-венозная разница кислорода для здорового человека с минутным сердечным выбросом 5 л и потреблением кислорода 250 мл/мин равна 50 мл О₂ /л.

Правило Фика

Существует тонкое сопряжение между артериальным содержанием кислорода, сердечным выбросом, тканевой утилизацией кислорода и содержанием кислорода в смешанной венозной крови. Некоторые заболевания (например, сепсис) сопровождаются нарушением сопряжения между утилизацией кислорода периферическими тканями и доставкой кислорода. Утилизация снижается, когда доставка падает ниже некоторого порога.

Отношение между этими переменными выражается правилом Фика, которое устанавливает, что потребление кислорода (объем в 1 мин.) является произведением минутного сердечного выброса и артерио-венозной разницы кислорода:

VO₂ = Q · (CаО₂ - CvО₂), где

VO₂ – потребление кислорода в минуту,

CаО₂ – содержание кислорода в артериальной крови,

CvО₂ – содержание кислорода в смешанной венозной крови,

Q – минутный сердечный выброс.

Анализ уравнения Фика показывает, что возросшая кислородная потребность при фиксированном минутном сердечном выбросе вызывает увеличение артерио-венозной разницы кислорода. Напротив, снижение метаболических требований при фиксированном минутном сердечном выбросе влечет за собой уменьшение этой разницы. Отсюда содержание кислорода в смешанной венозной крови и, следовательно, ее насыщение кислородам и РО₂ зависят от экстракции кислорода тканями и доставки к ним кислорода.

Теоретически максимумом потребления кислорода (VO₂) является доставка кислорода (DO₂). Однако на практике ткани не могут использовать весь доставленный кислород, и среднее VO₂ (как упоминалось выше) составляет около 250 мл/мин. Таким образом, в стабильном состоянии доставка кислорода примерно в 4 раза превышает его потребление. Примерно 25 % кислорода экстрагируется из артериальной крови тканями, и остальной кислород возвращается к сердцу в составе смешанной венозной крови.

Транспорт углекислого газа

Вдыхаемый воздух содержит незначительное количество СО₂. Следовательно, практически весь углекислый газ крови является продуктом клеточного метаболизма.

Углекислый газ легко диффундирует. Его способность к диффузии в 20 раз превышает таковую способность кислорода. По мере образования в процессе клеточного метаболизма СО₂ диффундирует в капилляры и транспортируется к легким в трех основных формах:

1. в растворенном виде (5 %);

2. в виде аниона бикарбоната (90 %);

3. в виде карбаминовых соединений (5 %).

Углекислый газ очень хорошо растворяется в плазме. Количество растворенного в плазме СО₂ определяется произведением его парциального давления и коэффициента растворимости (a = 0,3 мл/(л крови · мм рт. ст.)). Таким образом, около 5 % общей двуокиси углерода в артериальной крови находится в форме растворенного газа.

Преобладающей формой транспорта СО₂ является анион бикарбоната. Этот анион является продуктом реакции СО₂ с водой с образованием Н₂СО₃ и ее диссоциации на водород и ион бикарбоната:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-

Реакция между СО₂ и Н₂О протекает медленно в плазме и очень быстро в эритроцитах, где присутствует внутриклеточный фермент карбоангидраза. Она облегчает реакцию между СО₂ и Н₂О с образованием Н₂СО₃; вторая фаза реакции протекает быстро без катализатора.

По мере накопления НСО₃^- внутри эритроцита аниона диффундирует через клеточную мембрану в плазму. Мембрана эритроцита относительно непроницаема для Н⁺, как и вообще для катионов, поэтому ионы водорода остаются внутри клетки. Электрическая нейтральность клетки в процессе диффузии НСО₃^- в плазму обеспечивается притоком ионов хлора из плазмы в эритроцит, что формирует так называемый хлоридный сдвиг (рис).

Часть ионов Н⁺, остающихся в эритроцитах, забуферивается, соединяясь с гемоглобином. В периферических тканях, где концентрация СО₂ высока и значительные количества Н⁺ накапливаются эритроцитами, связывание Н⁺ облегчается деоксигенацией гемоглобина. Восстановленный гемоглобин лучше связывается с протонами, чем оксигенированный. Таким образом, деоксигенация артериальной крови в периферических тканях способствует связыванию Н⁺ посредством образования восстановленного гемоглобина. Это увеличение связывания СО₂ с гемоглобином известно как эффект Холдейна.

Третьей формой транспорта СО₂ являются карбаминовые соединения, образованные в реакции СО₂ с концевыми аминогруппами белков крови. Основным белком крови, связывающим СО₂, является гемоглобин (особенно глобиновая часть молекулы). Этот процесс описывается следующей реакцией:

Hb-NH₂ + СО₂ ↔ Hb-NH·COOH ↔ Hb-NHCOO^- + Н⁺

Реакция СО₂ с аминогруппами протекает быстро. Как и в случае более легкого СО₂ связывания с восстановленным гемоглобином, образование карбаминовых соединений легче протекает с деоксигенированными формами гемоглобина. Карбаминовые соединения составляют около 5 % общего количества СО₂, транспортируемого артериальной кровью.

С точки зрения сравнительного вклада каждой из этих форм в артерио-венозную разницу по концентрации СО₂, около 60 % принадлежит бикарбонатному аниону, карбаминовым соединениям – около 30 % и растворенной форме СО₂ – около 10 %.

Кривая диссоциации СО₂-гемоглобин

Присутствие в крови всех трех форм СО₂ создает равновесие между растворенным СО₂ (РСО₂) и СО₂, химически связанным с другими веществами.

В отличие от S-образной кривой диссоциации оксигемоглобина, кривая диссоциации СО₂-гемоглобина более линейна. Особое физиологическое значение имеет то, что общее содержание СО₂ при любом уровне РСО₂ зависит от степени оксигенации гемоглобина (эффект Холдейна).

По мере того как в периферических тканях происходит отщепление О₂ от гемоглобина, он присоединяет СО₂ все более активно. Отсюда, общее содержание СО₂ в крови больше при любом уровне тканевого РСО₂. В этом можно убедиться, сравнивая кривы диссоциации СО₂ для полностью деоксигенированной, полностью оксигенированной и частично оксигенированной крови с РО₂, эквивалентным смешанной венозной крови (рис).

В оксигенированной артериальной крови с РаСО₂ в 40 мм рт. ст. содержание СО₂ составляет около 480 мл/л. Так как О₂ высвобождается в периферических тканях, кровь, прошедшая капилляры, насыщена кислородом на 75 %. При РСО₂ около 46 мм рт. ст. содержание СО₂ в смешанной венозной крови (т.е. крови, входящей в правый желудочек и представляющей смесь венозной крови от всех тканей тела) составляет приблизительно 530 мл/л. Повышенное сродство деоксигенированной крови с СО₂ объясняет добавочные 20-30 мл СО₂ /л сверх того, что могло бы быть поглощено без изменения насыщения оксигемоглобина.

 

О₂-СО₂-диаграмма

Соотношения между связыванием и транспортом О₂ и СО₂ обобщает О₂-СО₂-диаграмма, представляющая собой график содержания О₂ и СО₂ в крови в зависимости от их парциальных давлений (рис).

В качестве примера рассмотрим воздействие изменений в уровне РаСО₂ на содержание О₂ при 40 мм рт. ст. При выраженной гипокапнии (РаСО₂ 10 мм рт. ст.) и при РаО₂ в 40 мм рт. ст. содержание в крови составляет около 180 мл/л. При РаСО₂ 40 мм рт. ст. та же самая величина РО₂ обеспечивает содержание О₂ только 150 мл/л (эффект Бора).

теперь рассмотрим воздействие изменений в уровне РаО₂ на содержание в крови СО₂ при различных уровнях РаСО₂. При РаСО₂ 40 мм рт. ст. и РаО₂ 80 мм рт. ст. (как в артериальной крови) содержание СО₂ составит 500 мл/л. Когда же РаО₂ равно 40 мм рт.ст., а РаСО₂ – 46 мм рт.ст. (как в смешанной венозной крови), то содержание приблизится СО₂ к 540 мл/л (эффект Холдейна).

Регуляция дыхания

Чтобы потребление кислорода и продукция углекислого газа соответствовали разнообразным требованиям организма, связанным с повседневной активностью, а величины РаО₂ и РаСО₂ сохранялись в узких физиологических пределах, необходимы приспособительные изменения минутной вентиляции. Для достижения этого гомеостатического эффекта существует сложная система регуляции дыхания.

Подобно многим физиологическим системам контроля, система управления дыханием организована как контур отрицательной обратной связи (рис). Вдыхаемый газ поступает по воздухоносным путям к альвеолам, где он участвует в обмене газов на уровне альвеолярно-капиллярной мембраны. Рецепторы откликаются на информацию о механических явлениях (например, о наполнении легких) и гуморальных параметрах (например, РаО₂ и РаСО₂). Эта информация интегрируется в дыхательном центре продолговатого мозга, который модулирует нервный импульс к мотонейронам, иннервирующим дыхательные мышцы. Координированное возбуждение респираторных мотонейронов приводит к синхронному сокращению дыхательных мышц, создающему воздушный поток.

Когда химические возмущения, подобные гипоксии или гиперкапнии, распознаются хеморецепторами, их сигналы в дыхательном центре реализуются повышенной нервной импульсацией к респираторным мотонейронам, что вызывает повышение минутной вентиляции. Артериальная гипокапния, напротив, вызывает уменьшение вентиляции.