Занятие 15. ГазОобмен в легКих и ткАнях.

Занятие 15. ГазОобмен в легКих и ткАнях.

Транспорт газов кровью

 

                Газообмен между легкими и кровью

 

         

Функциональная т ранспортная система дыхания включает в себя системы внешнего дыхания, кровообращения и клеточного дыхания. Важнейшими составляющими транспортной системы для внешнего дыхания являются вентиляция, диффузия и перфузия; для кровообращения – сердечно-временной (минутный) объем и транспортные свойства крови для О₂ и СО₂; для клеточного дыхания – кровоснабжение ткани, диффузия и обмен веществ (потребление О₂ и образование СО₂). Обмен газов в легких происходит по физическим законам диффузии. Объем диффузии О₂ составляет около 500 л/сут, СО₂ – 430 л/сут.

Диффузия – процесс пассивного переноса газов на уровне аэрогематического и гистогематического барьеров. Количественные закономерности этого процесса выражаются уравнением Фика, сформулированным им для диффузии через клеточные мембраны в 1885 г.

где:

M/t – объемная скорость диффузии,

равная 15-30 мл/мин в покое, 60-70 мл/мин при нагрузке,

М – количество газа;

Х – расстояние между этими точками, т.е. толщина аэрогематического барьера;

S – площадь газообмена;

 – коэффициент диффузии Крога;

a – коэффициент растворимости газа.

Следовательно можно выделить факторы определяющие скорость диффузии:

Х – толщина мембраны;

S – площадь ее поверхности;

– коэффициент диффузии;

D P – парциального давления.

Исходя из уравнения Фика, скорость диффузии прямо пропорциональна DP – силе, обеспечивающей направленное движение молекул газа, и обратно пропорциональна x/SK a – величине сопротивления диффузии. Применительно к условиям газообмена в легких D P есть разница между парциальным давлением газа в альвеолярной смеси газов и его напряжением в крови легочных капилляров.

Парциальное давление О₂ и СО₂ в альвеолярном воздухе и их напряжение в крови.

Парциальным давлением (ПД) называется то давление, которое оказывал бы данный газ, если бы он один занимал весь объем смеси газов. По закону Дальтона оно пропорционально процентному содержанию газа в смеси и общему давлению смеси. ПД не зависит от природы газа. Состав альвеолярного воздуха отличается о состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха тем, что в нем меньше О₂ и больше СО₂ (табл. 1). Выдыхаемый воздух – это сумма альвеолярного и чистого воздуха мертвого пространства.

Диффузионная способность легких

Транспорт газов кровью

Газообмен в легких необходим для следующего этапа дыхательного процесса - транспорта О₂ и СО₂ к тканям. Транспорт газов (кислорода из легких к тканям, где он отчасти потребляется) и углекислого газа (из тканей, где он образуется в результате окислительных процессов, к легким) осуществляется кровью, движение которой обеспечивается благодаря ритмичной деятельности сердца. Таким образом, реализация процесса транспорта газов кровью во многом зависит от функционального состояния аппаратакровообращения.

Газы могут находиться в крови в двух состояниях:

Ø физического растворения в плазме крови (обычно очень небольшое количество газа)

Ø химически связанном виде.

Содержание физически растворенного газа в жидкости описывается законом Генри-Дальтона.

[ газ ] = a / 760 ´ Р_r, где

Р_r - напряжение газ в жидкости,

a- коэффициент растворимости Бунзена.

В знаменателе стоит значение атмосферного давления(760), т.к. при определении a в качестве единиц давления используют атмосферы, а Р_r выражают в мм рт.ст.

В артериальной крови содержание физически растворенного О₂ составляет 0,3 об.%, а СО₂ – 3,0 об.%, в венозной - 0,11 и 2,9 об.% соответственно. Несмотря на то, что рО₂ в артериальной крови 96 мм рт. ст., а рСО₂ 39 мм рт. ст., содержание физически растворенного СО₂ выше, что объясняется гораздо более высоким a для СО₂.

Всего же в 100 мл артериальной и венозной крови может находиться значительно большее количество этих газов.

Общее содержание газов в крови (об.%)

Газ	Артериальная кровь	Венозная кровь
О2	20,0	15,0
СО2	52,0	58,0

Следовательно, лишь небольшая часть О₂ и СО₂ находится в крови в физически растворенном виде. Но это состояние играет огромную физиологическую роль, т.к., во-первых, именно эта форма является функционально активной, т.е. способной диффундировать к тем или иным веществам для последующего связывания, а во-вторых, от содержания в крови физически растворенного газа зависит скорость реакций его химического связывания, которые подчиняются закону действующих масс.

Транспорт кислорода кровью

Большая часть кислорода переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. Газообмен кислорода между альвеолярным воздухом и кровью происходит благодаря наличию концентрационного градиента О₂ между этими средами. Поступающий из альвеолярного воздуха в кровь кислород, вначале растворяется в плазме, а затем диффундирует в эритроциты, где быстро присоединяется к гемоглобину. При протекании крови через капилляр кислород практически весь поступает в клетки, а его пополнение идет за счет деоксигенации оксигемоглобина (HbO₂). Деоксигенация – процесс перехода О₂ из HbO₂ в физически растворенное в плазме состояние и затем в ткани. Время деоксигенации равно времени пребывания эритроцита в капилляре.

Оксигенация – процесс обратимого связывания О₂ гемоглобином, происходящий в капиллярах легких.

Сдвиги кривой диссоциации

 

Традиционно полагают, что сдвиг КДО вправо повышает отдачу кровью кислорода тканям, а влево затрудняет десатурацию крови в микроциркулярном русле.

Смещение влево сопровождается снижением Р₅₀ и повышением сродства гемоглобина к О₂ (СГК), а вправо - увеличением Р₅₀ и уменьшением СГК.

Сродство кислорода к гемоглобину и способность отдавать О₂ в тканях зависит от метаболических потребностей клеток организма и регулируется важнейшими факторами метаболизма тканей, вызывающими смещение кривой диссоциации(рис.2.6.). К этим факторам относятся: концентрация водородных ионов, температура, парциальное напряжение углекислоты и соединение, которое накапливается в эритроцитах – это 2,3-дифосфоглицератфосфат (ДФГ).

Факторы, влияющие на СГК.

По механизму действия их делят на 2 группы: прямые и косвенные.

Прямое влияние оказывают химические вещества, которые могут взаимодействовать с гемоглобином и изменять конформацию его молекулы. Это лиганды (О₂, Н⁺, СО₂, органические и неорганические соли).

Косвенное действие оказывают физические факторы (t^о, pH), которые изменяют условия взаимодействия Hb с лигандами.

Рассмотрим первую группу факторов:

I. В 1907 C.Bohru, A.Krogh установили зависимость положения КДО от содержания СО₂ в крови. Сначала “ эффект Бора” связывали только с СО₂. Однако затем J.Barcroft (1909) показал, что подобная связь существует и при воздействии других кислот. В настоящее время эффект Бора рассматривается как влияние рН среды на взаимодействие атома Fe²⁺ с различными лигандами.

При снижении рН (увеличении [Н⁺]) СГК падает. Поэтому КДО смещается вправо. Уменьшение оксигенации Hb при снижении рН - эффект Рута.

Описанные эффекты объясняются тем, что при изменении рН происходит сдвиг константы диссоциации и конформации групп, связанных с О₂ в тетрамере гемоглобина. В результате этого меняется СГК. Различают респираторный и метаболический компоненты эффекта Бора.

Метаболический - связан с изменением рН под влиянием кислых или щелочных продуктов обмена веществ.

Респираторный - связан с влиянием СО₂ на КДО. Образующийся при тканевом метаболизме СО₂ диффундирует внутрь эритроцитов, где под влиянием карбоангидразы образуется Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО₃ ^־. Образующиеся при ее диссоциации Н⁺ приводят к снижению рН. Это рН-зависимый эффект СО₂. Однако СО₂ также образует карбаминовые связи с концевыми группами a и b цепей гемоглобина, способствуя таким образом стабилизации дезоксиформы гемоглобина. Это рН-независимый эффект СО₂.

На выраженность эффекта Бора влияют:

1) органические фосфаты - при повышении содержания 2,3-дифосфоглицериновой кислоты (2,3-ДФГ) падает коэффициент Бора, который определяют как D log Р₅₀ / D log рН; 2) температура; 3) насыщение крови О₂;

4) электролиты; 5) свойства Hb; 6) пол - коэффициент Бора меньше у мужчин, чем у женщин.

Т.о., эффект Бора - это результат сложного взаимодействия рН, СО₂, 2,3-ДФГ и всех других указанных факторов.

Биологический смысл эффекта Бора: он способствует поглощению О₂ в легких и отдаче его в тканях.

В легких - поглощение О₂ идет одновременно с выделением СО₂, поэтому по мере насыщения гемоглобина кислородом КДО сдвигается влево (рис. 2.6), т.е. СГК возрастает. В результате скорость диффузии О₂ из альвеол в кровь несколько увеличивается.

В тканях - одновременно с выходом О₂ в эритроциты поступает СО₂, поэтому КДО смещается вправо, что приводит к снижению СГК и благоприятствует отдаче О₂ тканям.

II. В 1967 г. была описана специфическая роль органичнских фосфатов в эритроцитах. 2,3-ДФГ, значительно уступая АТФ в энергетической ценности, играет огромную роль в регуляции транспорта О₂. Во-первых, он взаимодействует с b-цепями восстановленного гемоглобина благодаря соответствию зарядов некоторых аминокислотных остатков распределению зарядов в органическом фосфате. После образования связи с b-цепью 2,3-ДФГ закрывает вход в центральный канал молекулы, что уменьшает СГК. Во-вторых, 2,3-ДФГ также изменяет внутриклеточный рН.

На реакцию 2,3-ДФГ и гемоглобина влияют:

1) соотношение Hb/HbО₂ - чем оно выше, тем больше связывается 2,3-ДФГ);

2) рН - снижение рН увеличивает сродство гемоглобина к 2,3-ДФГ;

3) рСО₂ - уменьшение рСО₂ повышает сродство гемоглобина к 2,3-ДФГ;

4) t^о - возрастание t^о препятствует присоединению 2,3-ДФГ к гемоглобину;

5) анионы - могут конкурировать с 2,3-ДФГ за одни и те же центры связывания.

С изменением содержания 2,3-ДФГв эритроцитах связана зависимость СГК от их возраста - молодые эритроциты имеют меньшее СГК, по мере старения оно возрастает, поскольку уровень 2,3-ДФГ уменьшается.

Роль 2,3-ДФГ в качестве регулятора положения КДО заключается не только во влияниии на СГК. Он служит посредником других влияний - рН, рСО₂, t, ионного состава на кислородтранспортную функцию крови.

III. Органические и неорганические соли - при увеличении их концентрации КДО сдвигается вправо. Соли влияют через эритроцитарный метаболизм.

К косвенным факторам, как уже отмечалось, относят рН, влияние которого на СГК рассмотрено выше, и t^о. Уменьшение t^о увеличивает интенсивность образования HbО₂, т.е. при прочих равных условиях смещает КДО влево. Повышение t^о, напротив, снижает СГК.

Температурный коэффициент, представляющий собой отношение D log рО₂ / D t^о, зависит от рН, [2,3-ДФГ], насыщения крови кислородом. Он различен у мужчин и женщин. Оксигенация гемоглобина является экзотермической реакцией, соответственно диссоциация оксигемоглобина протекает с поглощением тепла. При повышении температуры крови происходит снижение СГК и его увеличение при снижении температуры. Алкалоз и гипотермия повышают сродство гемоглобина к кислороду. В этих условиях гемоглобин жадно присоединяет к себе кислород в легких и неохотно отдает его тканям.

При ацидозе и гипертермии в эритроцитах сродство гемоглобина к кислороду снижается. При этом насыщение гемоглобина кислородом в легких ухудшается, но отделение кислорода от оксигемоглобина в капиллярах облегчается.

Особый интерес для изучения кислородсвязывающих свойств крови представляет выделение NO клетками эндотелия кровеносных сосудов.

В целом, дыхательный цикл можно рассматривать как механизм транспорта "трех газов": NO/О₂/CО₂. Характерной особенностью NO является способность быстро (менее чем за 5 секунд) диффундировать через мембрану синтезировавшей его клетки в межклеточное пространство и легко (без участия рецепторов) проникать в клетки-мишени. В результате взаимодействия NO и гемоглобина происходит образование его различных NO-форм: метгемоглобин, нитрозилгемоглобин, нитрозогемоглобин, которые играют роль своеобразного аллостерического регулятора функциональной активности гемоглобина на уровне отдельных его тетрамеров. Присутствие этих соединений гемоглобина с NO может по-разному влиять на СГК всей крови: метгемоглобин и нитрозогемоглобин его повышают, а нитрозилгемоглобин снижает. В ходе одного цикла движения эритроцита в сосудистой системе происходят последовательные реакции гемоглобина с NO, модулирующиеся его структурными переходами из R - в Т -состояние. На уровне капилляров малого круга кровообращения это может быть дополнительным механизмом, способствующим оксигенации крови, а на уровне микроциркуляции большого круга – оптимизирующим десатурацию крови, и, соответственно, доставку кислорода в ткани.

Транспорт углекислого газа кровью

Химические реакции связывания СО₂ несколько сложнее, чем О₂. Это обусловлено тем, что механизмы, отвечающие за транспорт СО₂, должны одновременно обеспечивать поддержание кислотно-щелочного равновесия крови и тем самым - внутренней среды организма.

I. Первый способ связывания СО₂ - прежде всего происходит гидратация молекул СО₂ с образованием Н₂СО₃

СО₂ + Н₂О ® Н₂СО₃

В плазме эта реакция протекает очень медленно. В эритроцитах она ускоряется в 20 тысяч раз, что связано с действием карбоангидразы - фермента, расположенного только внутри клеток. Его существование предполагал еще И.М.Сеченов, но открыт он был в 1932 г. Мелдрумом и Рафтоном.

Следующая реакция в цепи химических превращений СО₂ заключается в диссоциации слабой кислоты Н₂СО₃ на бикарбонат-ионы и Н⁺.

Н₂СО₃ ® НСО₃ ^־ + Н⁺

Накопление НСО₃ ^־ в эритроцитах приводит к тому, что между его внутренней средой и плазмой крови создается градиент концентрации этого иона. НСО₃ могут передвигаться по этому градиенту лишь в том случае, если при этом не будет нарушаться равновесное распределение электрических зарядов. Т.е., одновременно с выходом НСО^־₃ должен происходить либо выход из эритроцитов одного катиона, либо вход одного аниона(рис.2.7.). Поскольку мембрана эритроцитов практически непроницаема для катионов, но проницаема для небольших анионов, взамен НСО₃ в эритроциты поступает Cl^-. Этот обменный процесс называется хлоридным сдвигом Хамбургера.

 

Участие эритроцитов в обмене О₂ и СО₂ в тканях и в легких

А- между тканями и кровью; Б- между кровью и альвеолярным воздухом

 

Накопление анионов внутри эритроцитов приводит к повышению осмотического давления, что вызывает поступление в них воды. В результате этого объем эритроцитов в венозной крови больше, чем в артериальной. Поэтому эритроциты занимают 40% объема артериальной крови и 40,4% - венозной. Образующиеся при реакции диссоциации Н₂СО₃ протоны не изменяют рН, поскольку гемоглобин, будучи амфолитом, обладает значительной буферной емкостью. Кроме того, восстановленный гемоглобин является более слабой кислотой, чем оксигемоглобин, поэтому может присоединять дополнительное количество Н⁺. В тканях Hb ведет себя как основание:

KHbO₂ ® _­ O₂ = KHb +H₂CO₃ ® H Н b H⁺

  (HСО₃ + H⁺)

II. Второй способ связывания СО₂ - непосредственное его присоединение к аминогруппам белкового компонента гемоглобина за счет образования карбаминовой связи. В легких Hb выполняет функцию кислоты:

HbNH₂ + CO₂ ® HbNHCOO^- + H⁺

Соединение гемоглобина с СО₂ называется карбаминогемоглобином. На количество связываемого таким образом СО₂ влияет оксигенация гемоглобина. Присоединение О₂ к гемоглобину уменьшает количество связываемого в виде карбаминового соединения СО₂.

Еще в 1892 г. Вериго было установлено, что газовая емкость по отношению к СО₂ крови, содержащей восстановленный гемоглобин, значительно выше, чем в условиях полной оксигенации гемоглобина. Это явление, затем подробно изученное Холденом (1914), обусловлено тем, что, во-первых, оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем восстановленный гемоглобин, и, следовательно, когда реакция происходит между КНbO₂ и Н₂СО₃, равновесие наступает при образовании меньшего объема КНСО₃, чем в случае, когда реакция течет между КНb и Н₂СО₃. Во-вторых, оксигенация гемоглобина ведет к снижению образования карбаминогемоглобина, поскольку уменьшает количество свободных NH₂ групп глобина, способных связывать СО₂. Следовательно, оксигенация гемоглобина влияет на способность крови связывать СО₂. Это явление получило название эффекта Вериго-Холдена.

Соотношение между фракциями СО₂ в крови. Каждый мл крови, протекая через ткани, захватывает примерно 2 мМоль СО₂. 5-10% этого количества остается в физически растворенном виде, 10% образует карбаминовую связь с гемоглобином, 35% транспортируется в виде бикарбонатов в эритроцитах, а остальные 45% - в виде бикарбонатов натрия - в плазме. При прохождении крови через легкие СО₂ выделяется из этих фракций точно в таком же соотношении.

Таким образом, дыхательная функция крови является важной составной частью функциональной системы транспорта газов и необходима для следующего этапа дыхания - газообмена между кровью и тканями.

 

Занятие 15. ГазОобмен в легКих и ткАнях.

Транспорт газов кровью

 

                Газообмен между легкими и кровью

 

         

Функциональная т ранспортная система дыхания включает в себя системы внешнего дыхания, кровообращения и клеточного дыхания. Важнейшими составляющими транспортной системы для внешнего дыхания являются вентиляция, диффузия и перфузия; для кровообращения – сердечно-временной (минутный) объем и транспортные свойства крови для О₂ и СО₂; для клеточного дыхания – кровоснабжение ткани, диффузия и обмен веществ (потребление О₂ и образование СО₂). Обмен газов в легких происходит по физическим законам диффузии. Объем диффузии О₂ составляет около 500 л/сут, СО₂ – 430 л/сут.

Диффузия – процесс пассивного переноса газов на уровне аэрогематического и гистогематического барьеров. Количественные закономерности этого процесса выражаются уравнением Фика, сформулированным им для диффузии через клеточные мембраны в 1885 г.

где:

M/t – объемная скорость диффузии,

равная 15-30 мл/мин в покое, 60-70 мл/мин при нагрузке,

М – количество газа;

Х – расстояние между этими точками, т.е. толщина аэрогематического барьера;

S – площадь газообмена;

 – коэффициент диффузии Крога;

a – коэффициент растворимости газа.

Следовательно можно выделить факторы определяющие скорость диффузии:

Х – толщина мембраны;

S – площадь ее поверхности;

– коэффициент диффузии;

D P – парциального давления.

Исходя из уравнения Фика, скорость диффузии прямо пропорциональна DP – силе, обеспечивающей направленное движение молекул газа, и обратно пропорциональна x/SK a – величине сопротивления диффузии. Применительно к условиям газообмена в легких D P есть разница между парциальным давлением газа в альвеолярной смеси газов и его напряжением в крови легочных капилляров.

Парциальное давление О₂ и СО₂ в альвеолярном воздухе и их напряжение в крови.

Парциальным давлением (ПД) называется то давление, которое оказывал бы данный газ, если бы он один занимал весь объем смеси газов. По закону Дальтона оно пропорционально процентному содержанию газа в смеси и общему давлению смеси. ПД не зависит от природы газа. Состав альвеолярного воздуха отличается о состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха тем, что в нем меньше О₂ и больше СО₂ (табл. 1). Выдыхаемый воздух – это сумма альвеолярного и чистого воздуха мертвого пространства.