текстови_полета

текстови_полета

стрелка_нагоре

Количеството кислород, влизащо в алвеоларното пространство от вдишания въздух за единица време при стационарни условия на дишане, е равно на количеството кислород, преминаващо през това време от алвеолите в кръвта на белодробните капиляри. Това е, което осигурява постоянството на концентрацията (и парциалното налягане) на кислорода в алвеоларното пространство. Този основен модел на обмен на белодробен газ е характерен и за въглеродния диоксид: количеството на този газ, навлизащо в алвеолите от смесена венозна кръв, протичаща през белодробните капиляри, е равно на количеството въглероден диоксид, който се отстранява от алвеоларното пространство навън с издишан въздух.

При човек в покой разликата между съдържанието на кислород в артериалната и смесената венозна кръв е 45-55 ml O 2 на 1 литър кръв, а разликата между съдържанието на въглероден диоксид във венозна и артериална кръв е 40-50 ml CO 2 на 1 литър кръв. Това означава, че около 50 ml O 2 идва от алвеоларния въздух във всеки литър кръв, протичаща през белодробните капиляри, и 45 литра CO 2 от кръвта в алвеолите. Концентрацията на O 2 и CO 2 в алвеоларния въздух остава практически постоянна поради вентилацията на алвеолите.

Обмен на газове между алвеоларния въздух и кръвта

текстови_полета

текстови_полета

стрелка_нагоре

Алвеоларният въздух и кръвта на белодробните капиляри се разделят от т.нар алвеоларно-капилярна мембрана,чиято дебелина варира от 0,3 до 2,0 µm. Основата на алвеоларно-капилярната мембрана е алвеоларен епители капилярен ендотел,всяка от които е разположена върху собствената си базална мембрана и образува непрекъсната облицовка, съответно на алвеоларната и вътресъдовата повърхност. Между епителните и ендотелните базални мембрани е интерстициумът. В някои области базалните мембрани практически се прилепват една към друга (фиг. 8.6).

Ориз. 8.6. Алвеоларно-капилярна мембрана (схема)

Непрекъснати компоненти на въздушно-кръвната бариера: клетъчна мембрана (PM) и базална мембрана (VM). Прекъснати компоненти: алвеоларни макрофаги (P), везикули и вакуоли (V), митохондрии (M), ендоплазмен ретикулум (ER), ядра (N), ламеларен комплекс (G), колаген (C) и еластични (EL) влакна на съединителната тъкан .

Повърхностно активно вещество

текстови_полета

текстови_полета

стрелка_нагоре

Обменът на дихателни газове се осъществява чрез набор от субмикроскопични структури, съдържащи хемоглобин на еритроците, кръвна плазма, капилярен ендотел и неговите две плазмени мембрани, сложен слой от съединителна тъкан, алвеоларен епител с две плазмени мембрани и накрая вътрешната обвивка на алвеоли - повърхностно активно вещество(повърхностно активно вещество). Последният има дебелина от около 50 nm, представлява комплекс от фосфолипиди, протеини и полизахариди и постоянно се произвежда от клетките на алвеоларния епител, подложени на разрушаване с полуживот от 12-16 часа. Наслояването на повърхностно активното вещество върху епителната обвивка на алвеолата създава допълнителна дифузионна среда към алвеоло-капилярната мембрана, която газовете преодоляват при масовия си пренос. Благодарение на повърхностно активното вещество се удължава разстоянието за дифузия на газовете, което води до леко намаляване на концентрационния градиент през алвеоло-капилярната мембрана. Въпреки това, без сърфактант, дишането обикновено е невъзможно, тъй като стените на алвеолите биха се слепили под въздействието на значително повърхностно напрежение, присъщо на алвеоларния епител.

Повърхностно активното вещество намалява повърхностното напрежение на алвеоларните стени до близки до нулеви стойности и по този начин:

а) създава възможност за изправяне на белия дроб при първото вдишване на новороденото,
б) предотвратява развитието на ателектаза по време на издишване,
в) осигурява до 2/3 от еластичното съпротивление на белодробната тъкан на възрастен и стабилността на структурата на дихателната зона,
г) регулира скоростта на абсорбция на кислород по границата газ-течност и интензивността на изпаряване на водата от алвеоларната повърхност.

Повърхностно активното вещество почиства и повърхността на алвеолитеот чужди частици, уловени с дишането и има бактериостатично действие.

Преминаването на газове през алвеоло-капилярната мембрана

текстови_полета

текстови_полета

стрелка_нагоре

Преминаването на газовете през алвеоло-капилярната мембрана се извършва по законите дифузия,но когато газовете се разтварят в течност, процесът на дифузия рязко се забавя. Въглеродният диоксид, например, дифундира в течност около 13 000 пъти, а кислородът - 300 000 пъти по-бавно, отколкото в газообразна среда. Количеството газ, преминаващо през белодробната мембрана за единица време, т.е. скоростта на дифузия е право пропорционална на разликата в нейното парциално налягане от двете страни на мембраната и обратно пропорционална на съпротивлението на дифузия. Последният се определя от дебелината на мембраната и размера на газообменната повърхност, коефициента на дифузия на газа, който зависи от неговото молекулно тегло и температура, както и коефициента на разтворимост на газа в биологичните течности на мембрана.

Посока и интензивност на преходакислород от алвеоларния въздух в кръвта на белодробните микросъдове и въглероден диоксид - в обратна посока, определя разликата между парциалното налягане на газа в алвеоларния въздух и неговото напрежение (парциалното налягане на разтворения газ) в кръвта. За кислорода градиентът на налягането е около 60 mm Hg. (парциалното налягане в алвеолите е 100 mm Hg, а напрежението в кръвта, постъпваща в белите дробове, е 40 mm Hg), а за въглеродния диоксид - около 6 mm Hg. (парциално налягане в алвеолите 40 mm Hg, напрежение в кръвта, която тече към белите дробове 46 mm Hg).

Съпротивлението на дифузията на кислород в белите дробове се създава от алвеоло-капилярната мембрана, плазмения слой в капилярите, еритроцитната мембрана и нейния протоплазмен слой. Следователно общото съпротивление срещу дифузия на кислород в белите дробове се състои от мембранни и интракапилярни компоненти. Биофизична характеристика на пропускливостта белодробна бариера във въздухаза дихателните газове е т.нар дифузионен капацитет на белите дробове.Това е количеството ml газ, преминаващо през белодробната мембрана за 1 минута с разлика в парциалното газово налягане от двете страни на мембраната от 1 mm Hg. При здрав човек в покой дифузионният капацитет на белите дробове за кислород е 20-25 ml min -1 mm Hg. -1 .

Стойността на дифузионния капацитет на белите дробовезависи от техния обем и съответната повърхност на газообмена. Това до голяма степен обяснява факта, че стойността на дифузионния капацитет на белите дробове при мъжете обикновено е по-голяма от тази на жените, както и факта, че стойността на дифузионния капацитет на белите дробове при задържане на дъха при дълбоко вдишване е по-голяма отколкото в стационарно състояние на ниво функционален остатъчен капацитет. Поради гравитационното преразпределение на кръвотока и обема на кръвта в белодробните капиляри, дифузионният капацитет на белите дробове в легнало положение е по-голям, отколкото в седнало положение, а в седнало положение е по-голям, отколкото в изправено положение. С възрастта дифузионният капацитет на белите дробове намалява.

Пренос на кислород в кръвта

текстови_полета

текстови_полета

стрелка_нагоре

Кислородът в кръвта е в разтворена форма и в комбинация с хемоглобина. В плазмата се разтваря много малко количество кислород. Тъй като разтворимостта на кислорода при 37 °C е 0,225 ml * l -1 * kPa -1 (0,03 ml-l -1 mm Hg -1), тогава всеки 100 ml кръвна плазма при налягане на кислорода от 13,3 kPa (100 mm rg. Art.) може да носи само 0,3 ml кислород в разтворено състояние. Това явно не е достатъчно за живота на организма. При такова съдържание на кислород в кръвта и условието за пълната му консумация от тъканите минутният обем на кръвта в покой трябва да бъде повече от 150 l/min. Оттук и значението на друг механизъм за пренос на кислород чрез него ковръзка с хемоглобина.

Всеки грам хемоглобин е в състояние да свърже 1,39 ml кислород и следователно при съдържание на хемоглобин от 150 g/l, всеки 100 ml кръв може да пренесе 20,8 ml кислород.

Показатели за дихателната функция на кръвта

1. Кислороден капацитет на hemoglo бина. Количеството, което отразява количеството кислород, което може да се свърже с хемоглобина, когато е напълно наситен, се нарича кислороден капацитет на hemogloкошче а.

2. Такаподдържане на кислород в кръвта. Друг показател за дихателната функция на кръвта е коподдържане на кислород в кръвтакоето отразява истинското количество кислород, както свързан с хемоглобина, така и физически разтворен в плазмата.

3. Степента на насищане на хемоглобина с кислород . В 100 ml артериална кръв обикновено се съдържат 19-20 ml кислород, същият обем венозна кръв съдържа 13-15 ml кислород, докато артерио-венозната разлика е 5-6 ml. Съотношението на количеството кислород, свързано с хемоглобина, към кислородния капацитет на последния е показател за степента на насищане на хемоглобина с кислород. Насищането на хемоглобина в артериалната кръв с кислород при здрави индивиди е 96%.

образование оксихемоглобин в белите дробове и възстановяването му в тъканите зависи от парциалното напрежение на кислорода в кръвта: с повишаването му. Наситеността на хемоглобина с кислород се увеличава, с намаляване намалява. Тази връзка е нелинейна и се изразява чрез кривата на дисоциация на оксихемоглобина, която има S-образна форма (фиг. 8.7).

Фиг.8.7. Крива на дисоциация на оксихемоглобина.

Фиг.8.7. Крива на дисоциация на оксихемоглобина.
1 - с повишаване на рН, или понижаване на температурата, или понижаване на 2,3-DPG;
2 - нормална крива при pH 7,4 и 37°C;
3 - с намаляване на pH или повишаване на температурата или повишаване на 2,3-DPG.

Наситената с кислород артериална кръв съответства на платото на кривата на дисоциация, а десатурираната кръв в тъканите съответства на нейната рязко намаляваща част. Лекият наклон на кривата в горната й част (зоната на високо напрежение на О2) показва, че е осигурено достатъчно пълно насищане на хемоглобина на артериалната кръв с кислород дори при намаляване на напрежението на О2 до 9,3 kPa (70 mm Hg). Намаляването на напрежението на O от 13,3 kPa до 2,0-2,7 kPa (от 100 до 15-20 mm Hg) практически няма ефект върху насищането на хемоглобина с кислород (HbO 2 намалява с 2-3%). При по-ниски волтажи на O 2 оксихемоглобинът се дисоциира много по-лесно (зоната на стръмния спад на кривата). По този начин, когато напрежението на O 2 се намали от 8,0 на 5,3 kPa (от 60 на 40 mm Hg), насищането на хемоглобина с кислород намалява с приблизително 15%.

Позицията на кривата на дисоциация на оксихемоглобина обикновено се изразява количествено чрез парциалното напрежение на кислорода, при което насищането на хемоглобина е 50% (P 50). Нормалната стойност на P 50 при температура 37°C и pH 7,40 е около 3,53 kPa (26,5 mm Hg).

Кривата на дисоциация на оксихемоглобина при определени условия може да се измести в една или друга посока, като същевременно поддържа S-образна форма, под влияние на промените в рН, напрежението на CO 2, телесната температура и съдържанието на 2,3-диафосфоглицерат (2, 3-DPG) в еритроцитите, от които зависи способността на хемоглобина да свързва кислорода. В работещите мускули, в резултат на интензивен метаболизъм, се увеличава образуването на CO 2 и млечна киселина, както и производството на топлина. Всички тези фактори намаляват афинитета на хемоглобина към кислорода. В този случай кривата на дисоциация се измества надясно (фиг. 8.7), което води до по-лесно освобождаване на кислород от оксихемоглобина и възможността за консумация на кислород от тъканите се увеличава. С понижаване на температурата, 2,3-DPG, намаляване на напрежението на CO и повишаване на pH, кривата на дисоциация се измества наляво, афинитетът на хемоглобина към кислорода се увеличава, в резултат на което доставката на кислород до тъканите намалява .

Транспорт на въглероден диоксид в кръвта

текстови_полета

текстови_полета

стрелка_нагоре

Като краен продукт на метаболизма, CO 2 се намира в тялото в разтворено и свързано състояние. Коефициентът на разтворимост на CO 2 е 0,231 mmol -1 * kPa -1 (0,0308 mmol -1 * mm Hg -1.), което е почти 20 пъти по-високо от това на кислорода. Въпреки това, по-малко от 10% от общото количество CO, транспортирано от кръвта, се пренася в разтворена форма. По принцип CO се транспортира в химически свързано състояние, главно под формата на бикарбонати, а също и в комбинация с протеини (т.нар. карбомин,или въглеродни съединения).

В артериалната кръв напрежението на CO 2 е 5,3 kPa (40 mm Hg), в интерстициалната течност напрежението му е 8,0-10,7 kPa (60-80 mm Hg). Благодарение на тези градиенти образуваният в тъканите CO 2 преминава от интерстициалната течност в кръвната плазма, а от нея в еритроцитите. Реагирайки с вода, CO 2 образува въглеродна киселина: CO 2 + H 2 O<>H 2 CO 3. Тази реакция е обратима и в тъканните капиляри се насочва главно към образуването на H 2 CO 3 (фиг. 8.8.A). В плазмата тази реакция протича бавно, но в еритроцитите образуването на въглена киселина под въздействието на ензима ускорява реакцията на хидратация на CO 2 с 15 000-20 000 пъти. Въглеродната киселина се дисоциира на H + и HCO 3 йони. Когато съдържанието на HCO 3 йони се увеличи, те дифундират от еритроцита в плазмата и H + йони остават в еритроцита, тъй като мембраната на еритроцита е относително непропусклива за катиони. Освобождаването на HCO 3 йони в плазмата се балансира от навлизането на хлоридни йони от плазмата. В същото време в плазмата се освобождават натриеви йони, които се свързват с HCO 3 йони, идващи от еритроцита, образувайки NaHCO 3 . Хемоглобинът и плазмените протеини, показващи свойствата на слаби киселини, образуват соли в еритроцитите с калий и в плазмата с натрий. Въглеродната киселина има по-силни киселинни свойства, следователно, когато взаимодейства с протеинови соли, H + йонът се свързва с протеиновия анион, а HCO 3 йонът със съответния катион образува бикарбонат (NaHCO 3 в плазмата, KHCO 3 в еритроцита).

Фиг.8.8. Схема на процесите, протичащи в плазмата и еритроцитите по време на газообмен в тъканите (А) и белите дробове (Б).

В кръвта на тъканните капиляри, едновременно с навлизането на CO 2 в еритроцита и образуването на въглена киселина в него, кислородът се освобождава от оксихемоглобина. Намаленият хемоглобин е по-слаба киселина (т.е. по-добър акцептор на протони) от кислородния хемоглобин. Поради това той по-лесно свързва водородните йони, образувани по време на дисоциацията на въглената киселина. Така наличието на намален хемоглобин във венозната кръв подпомага свързването на CO2, докато образуването на оксихемоглобин в белодробните капиляри улеснява освобождаването на въглероден диоксид.

При преноса на CO 2 по кръвен път, химическата връзка на CO 2 с крайните аминогрупи на кръвните протеини също е от голямо значение, най-важният от които е глобинът в състава на хемоглобина. В резултат на реакцията с глобина се получава т.нар карбаминохемоглокошче.Намаленият хемоглобин има по-голям афинитет към CO2 от оксихемоглобина. По този начин дисоциацията на оксихемоглобина в тъканните капиляри улеснява свързването на CO2, а в белите дробове образуването на оксихемоглобин подпомага отстраняването на въглеродния диоксид.

От общото количество CO, което може да бъде извлечено от кръвта, само 8-10% от CO е в комбинация с хемоглобина. Въпреки това, ролята на това съединение в транспорта на CO 2 чрез кръвта е доста голяма. Приблизително 25-30% от CO 2, абсорбиран от кръвта в капилярите на голям кръг, влиза в комбинация с хемоглобина и в белите дробове се екскретира от кръвта.

Когато венозната кръв навлезе в капилярите на белите дробове, напрежението на CO 2 в плазмата намалява и физически разтвореният CO 2 вътре в еритроцита се освобождава в плазмата. Когато това се случи, H 2 CO 3 се превръща в CO 2 и вода (фиг. 8.8. B), а карбоанхидразата катализира реакцията, протичаща в тази посока. H 2 CO 3 за такава реакция се доставя в резултат на комбинацията от HCO 3 йони с водородни йони, освободени от връзката с протеинови аниони.

В покой с дишане от човешкото тяло се отделят 230 ml CO 2 на минута или около 15 000 mmol на ден. Тъй като CO 2 е "летлив" въглероден анхидрид, когато се отстрани от кръвта, приблизително еквивалентно количество водородни йони изчезва. Следователно дишането играе важна роля за поддържането киселинно-алкален балансвъв вътрешната среда на тялото. Ако в резултат на метаболитни процеси в кръвта се увеличи съдържанието на водородни йони, тогава поради хуморалните механизми на регулиране на дишането това води до увеличаване на белодробната вентилация. (хипервентилация).В този случай молекулите CO 2, образувани по време на реакцията на HCO 3 + H + -> H 2 CO 3 -> H 2 O + CO 2, се отделят в по-голямо количество и рН се връща до нормално ниво.

Обмен на газове между кръвта и тъканите

текстови_полета

текстови_полета

стрелка_нагоре

Газообменът на O 2 и CO 2 между кръвта на капилярите на голям кръг и тъканните клетки се извършва чрез проста дифузия. Прехвърлянето на респираторни газове (O 2 - от кръв към тъкани, CO 2 - в обратна посока) се осъществява под действието на концентрационния градиент на тези газове между кръвта в капилярите и интерстициална течност.разлика в напрежението Около 2от двете страни на стената на кръвния капиляр, който осигурява дифузията му от кръвта в интерстициалната течност, е от 30 до 80 mm Hg. (4,0-10,7 kPa). Напрежението на CO 2 в интерстициалната течност на стената на кръвоносния капиляр е 20-40 mm Hg. (2,7-5,3 kPa) повече, отколкото в кръвта. Тъй като CO 2 дифундира около 20 пъти по-бързо от кислорода, отстраняването на CO 2 е много по-лесно от доставянето на кислород.

Газообменът в тъканите се влияе не само от градиентите на напрежението на дихателните газове между кръвта и интерстициалната течност, но и от площта на обменната повърхност, размера на разстоянието на дифузия и коефициентите на дифузия на тези среди, през които се пренасят газове. Пътят на дифузия на газовете е толкова по-къс, колкото по-голяма е плътността на капилярната мрежа. На 1 mm 3 общата повърхност на капилярното легло достига например 60 m 2 в скелетния мускул и 100 m 2 в миокарда. Областта на дифузия също така определя броя на еритроцитите, преминаващи през капилярите за единица време, в зависимост от разпределението на кръвния поток в микроваскулатурата. Освобождаването на O 2 от кръвта в тъканта се влияе от конвекцията на плазмата и интерстициалната течност, както и от цитоплазмата в еритроцитите и тъканните клетки. O 2, дифундиращ в тъканта, се консумира от клетките по време на тъканното дишане, така че разликата в неговото напрежение между кръвта, интерстициалната течност и клетките съществува постоянно, осигурявайки дифузия в тази посока. С увеличаване на консумацията на кислород в тъканите, неговото напрежение в кръвта намалява, което улеснява дисоциацията на оксихемоглобина.

Количеството кислород, консумирано от тъканите, като процент от общото му съдържание в артериалната кръв, се нарича коефициент на използване на кислорода. В покой за цялото тяло коефициенткоефициент на използване на кислородае около 30-40%. В същото време обаче консумацията на кислород в различните тъкани се различава значително, а коефициентът на неговото използване, например в миокарда, сивото вещество на мозъка, черния дроб, е 40-60%. В покой сивото вещество на мозъка (по-специално мозъчната кора) изразходва на минута от 0,08 до 0,1 ml O 2 на 1 g тъкан, а в бялото вещество на мозъка - 8-10 пъти по-малко. В кортикалното вещество на бъбрека средната консумация на O 2 е около 20 пъти по-голяма, отколкото във вътрешните части на медулата на бъбрека. При тежко физическо натоварване коефициентът на използване на O 2 от работещите скелетни мускули и миокарда достига 90%.

Кислородът, влизащ в тъканите, се използва в клетъчните окислителни процеси, протичащи на субклетъчно ниво с участието на специфични ензими, разположени в групи в строга последователност от вътрешната страна на митохондриалните мембрани. За нормалното протичане на окислителните метаболитни процеси в клетките е необходимо напрежението на O 2 в митохондриалната област да бъде най-малко 0,1-1 mm Hg. (13,3-133,3 kPa).
Тази стойност се наричакритично напрежение на кислорода в митохондриите. Тъй като единственият резерв на O 2 в повечето тъкани е неговата физически разтворена фракция, намаляването на доставката на O 2 от кръвта води до факта, че нуждите на тъканите от O 2 вече не са задоволени, развива се кислородно гладуване и окислителните метаболитни процеси се забавят.

Единствената тъкан, в която има депо на O 2, е мускулната. Ролята на O 2 депо в мускулната тъкан се играе от пигмента миоглобин,близки по структура до хемоглобина и способни обратимо да свързват O 2 . Съдържанието на миоглобин в човешките мускули обаче е ниско и следователно количеството съхраняван O2 не може да осигури нормалното им функциониране за дълъг период от време. Афинитетът на миоглобина към кислорода е по-висок от този на хемоглобина: вече при напрежение O, 3-4 mm Hg. 50% от миоглобина преминава в оксимиоглобин, а при 40 mm Hg. миоглобинът е наситен с O 2 до 95%. По време на мускулното съкращение, от една страна, енергийните нужди на клетките се увеличават и окислителните процеси се засилват, от друга страна, условията за доставка на кислород рязко се влошават, тъй като по време на свиването мускулът компресира капилярите и достъпът на кръв през тях може да спре. По време на контракция O 2 се изразходва, складиран в миоглобина по време на мускулната релаксация. Това е от особено значение за постоянно активно работещия сърдечен мускул, тъй като снабдяването му с кислород от кръвта е периодично. По време на систола, в резултат на повишаване на интрамуралното налягане, кръвният поток в басейна на лявата коронарна артерия намалява, а във вътрешните слоеве на миокарда на лявата камера може напълно да спре за кратко време. Когато напрежението O 2 в мускулните клетки падне под 10-15 mm Hg. (1,3-2,0 kPa), миоглобинът започва да освобождава O, складиран под формата на оксимиоглобин по време на диастола. Средното съдържание на миоглобин в сърцето е 4 mg/g. Тъй като 1 g миоглобин може да свърже до около 1,34 ml кислород, при физиологични условия запасите от кислород в миокарда са около 0,005 ml на 1 g тъкан. Това количество кислород е достатъчно за поддържане на окислителните процеси в миокарда само за 3-4 s при условия на пълно спиране на доставянето му с кръв. Въпреки това, продължителността на систола е много по-кратка, така че миоглобинът, който действа като краткосрочно депо на O 2, предпазва миокарда от кислороден глад.

Само малка част от O 2 (около 2%), пренасян от кръвта, се разтваря в плазмата. По-голямата част от него се транспортира под формата на нестабилно съединение с хемоглобина, който при гръбначните животни се съдържа в еритроцитите. Молекулите на този дихателен пигмент включват специфичен за вида протеин - глобини една и съща протетична група при всички животни - скъпоценен камък,съдържащи двувалентно желязо (фиг. 10.27).

Прикрепване на кислород към хемоглобина (оксигениране на хемоглобина)протича без промяна във валентността на желязото, т.е. без пренос на електрони, което характеризира истинското окисление. Въпреки това хемоглобинът, свързан с кислород, обикновено се нарича окислен (по-правилно - оксихемоглобин),и който даде кислород - възстановен (по-правилно - дезоксихемоглобин).

1 g хемоглобин може да свърже 1,36 ml газообразен O 2 (при нормално атмосферно налягане). Като се има предвид например, че човешката кръв съдържа около 150 g/l хемоглобин, 100 ml кръв може да носи около 21 ml O 2 . Този т.нар кислороден капацитет на кръвта.Оксигенацията на хемоглобина (с други думи, процентът, с който се използва кислородният капацитет на кръвта) зависи от парциалното налягане 0 2 в средата, с която кръвта влиза в контакт. Тази връзка е описана крива на дисоциация на оксихемоглобина(фиг. 10.28). КомплексС --образната форма на тази крива се обяснява с кооперативния ефект на четири полипептидни вериги на хемоглобина, чиито кислород-свързващи свойства (афинитет към O 2) са различни.

Поради тази особеност венозната кръв, преминавайки през белодробните капиляри (алвеоларна R O2 пада върху горната част на кривата), се насища почти напълно с кислород и артериалната кръв в капилярите на тъканите (където Po 2 съответства на стръмната част на кривата) ефективно се отказва от O 2. Насърчава отделянето на кислород

Кривата на дисоциация на оксихемоглобина се измества надясно с повишаване на температурата и с увеличаване на концентрацията на водородни йони в средата, което от своя страна зависи от Pco 2 (Ефект на Вериго-Бор).Поради това се създават условия за по-пълно освобождаване на кислород от оксихемоглобина в тъканите, особено там, където интензивността на метаболизма е по-висока, например в работещите мускули. Въпреки това, дори във венозна кръв, голяма или по-малка част (от 40 до 70%) от хемоглобина остава в наситена с кислород форма. И така, при човек на всеки 100 ml кръв се дават на тъканите 5-6 ml O 2 (т.нар. артериовенозна кислородна разлика)и, разбира се, те са обогатени с кислород в белите дробове със същото количество.

Афинитетът на хемоглобина към кислорода се измерва чрез парциалното налягане на кислорода, при което хемоглобинът е 50% наситен. (R 50)при хората нормално е 26,5 mm Hg. Изкуство. за артериална кръв. Параметър R 50отразява способността на дихателния пигмент да свързва кислорода. Този параметър е по-висок за хемоглобина на животни, живеещи в бедна на кислород среда, както и за т.нар. фетален хемоглобин,който се съдържа в кръвта на плода, който получава кислород от кръвта на майката през плацентарната бариера.

Пренос на кислородизвършва се главно от еритроцитите. От 19 об.% кислород, извлечен от артериалната кръв, само 0,3 об.% се разтварят в плазмата, докато останалата част от О2 се съдържа в еритроцитите и е химически свързана с хемоглобина. Хемоглобинът (Hb) образува с кислорода крехко, лесно дисоцииращо съединение - оксихемоглобин (HbO02). Свързването на кислорода от хемоглобина зависи от напрежението на кислорода и е лесно обратим процес. Когато напрежението на кислорода намалее, оксихемоглобинът освобождава кислород.

Криви на дисоциация на оксихемоглобина. Ако нанесем парциалното налягане на кислорода по абсцисата и процента на насищане на хемоглобина с кислород, т.е. процента на хемоглобина, който е преминал в оксихемоглобин, по ординатната ос, тогава ще получим крива на дисоциация на оксихемоглобина. Тази крива ( ориз. 55, А) има формата на хипербола и показва, че няма правопропорционална връзка между парциалното налягане на кислорода и образуваното количество оксихемоглобин. Лявата страна на кривата се издига стръмно. Дясната страна на кривата има почти хоризонтална посока. Ориз. 55. Криви на дисоциация на оксихемоглобин във воден разтвор (А) и в кръв (В) при напрежение на въглероден диоксид 40 mm Hg. Изкуство. (според Баркрофт).

Фактът, че свързването на кислорода от хемоглобина води до такава крива, е от голямо физиологично значение. В зоната на относително високо парциално налягане на кислорода, съответстващо на неговото налягане в алвеолите на белите дробове, промяната в налягането на кислорода е в диапазона от 100-60 mm Hg. Изкуство. почти не влияе върху хоризонталния ход на кривата, т.е. почти не променя количеството на образувания оксихемоглобин.

Доведени до ориз. 55крива А се получава чрез изследване на разтвори на чист хемоглобин в дестилирана вода. В естествени условия кръвната плазма съдържа различни соли и въглероден диоксид, които до известна степен променят кривата на дисоциация на оксихемоглобина. Лявата страна на кривата се извива и цялата крива наподобява буквата S. От ориз. 55(крива B) се вижда, че средната част на кривата е насочена стръмно надолу, а долната част се доближава до хоризонталната посока.

Трябва да се отбележи, че долната част на кривата характеризира свойствата на хемоглобина в зоната на ниско , които са близки до наличните в тъканите. Средната част на кривата дава представа за свойствата на хемоглобина при тези стойности на кислородното напрежение, които присъстват в артериалната и венозната кръв.

Рязко намаляване на способността на хемоглобина да свързва кислорода в присъствието на въглероден диоксид се отбелязва при парциално налягане на кислорода, равно на 40 ml Hg. чл., т.е. с неговото напрежение, което присъства във венозната кръв. Това свойство на хемоглобина е от съществено значение за организма. В капилярите на тъканите напрежението на въглеродния диоксид в кръвта се увеличава и следователно способността на хемоглобина да свързва кислорода намалява, което улеснява връщането на кислород в тъканите. В алвеолите на белите дробове, където част от въглеродния диоксид преминава в алвеоларния въздух, афинитетът на хемоглобина към кислорода се увеличава, което улеснява образуването на оксихемоглобин.

Особено рязко намаляване на способността на хемоглобина да свързва кислород се отбелязва в кръвта на мускулните капиляри по време на интензивна мускулна работа, когато киселинните метаболитни продукти, по-специално млечната киселина, навлизат в кръвния поток. Това допринася за връщането на голямо количество кислород към мускулите.

Способността на хемоглобина да свързва и освобождава кислород също варира в зависимост от температурата. Оксихемоглобинът при същото парциално налягане на кислорода в околната среда освобождава повече кислород при температура на човешкото тяло (37-38°C), отколкото при по-ниска температура.

Повечето от кислорода в тялото на бозайниците се пренася в кръвта под формата на химично съединение с хемоглобина. Свободно разтвореният кислород в кръвта е само 0,3%. Реакцията на оксигенация, превръщането на дезоксихемоглобина в оксихемоглобин, протичаща в еритроцитите на капилярите на белите дробове, може да бъде записана по следния начин:

Hb + 4O 2 ⇄ Hb (O 2) 4

Тази реакция протича много бързо - времето за полунасищане на хемоглобина с кислород е около 3 милисекунди. Хемоглобинът има две удивителни свойства, които го правят идеален носител на кислород. Първият е способността да присъединява кислород, а вторият е да го отдава. Оказа се Способността на хемоглобина да свързва и освобождава кислород зависи от напрежението на кислорода в кръвта.Нека се опитаме да изобразим графично зависимостта на количеството наситен с кислород хемоглобин от напрежението на кислорода в кръвта и тогава ще можем да разберем: в кои случаи хемоглобинът свързва кислорода и в кои го отдава. Хемоглобинът и оксихемоглобинът абсорбират светлинните лъчи по различен начин, така че тяхната концентрация може да се определи чрез спектрометрични методи.

Графика, която отразява способността на хемоглобина да свързва и освобождава кислород, се нарича "крива на дисоциация на оксихемоглобина". Абсцисата на тази графика показва количеството оксихемоглобин като процент от общия хемоглобин в кръвта, ординатата показва напрежението на кислорода в кръвта в mm Hg. Изкуство.

Фигура 9А. Нормална крива на дисоциация на оксихемоглобина

Помислете за графика в съответствие с етапите на транспортиране на кислород: най-високата точка съответства на напрежението на кислорода, което се наблюдава в кръвта на белодробните капиляри - 100 mm Hg. (същото като в алвеоларния въздух). От графиката се вижда, че при такова напрежение целият хемоглобин преминава под формата на оксихемоглобин - той е напълно наситен с кислород. Нека се опитаме да изчислим колко кислород свързва хемоглобина. Един мол хемоглобин може да свърже 4 мола Около 2, а 1 грам Hb свързва 1,39 ml O 2 идеално, но на практика 1,34 мл. При концентрация на хемоглобин в кръвта, например 140 g / литър, количеството на свързания кислород ще бъде 140 × 1,34 = 189,6 ml / литър кръв. Количеството кислород, което хемоглобинът може да свърже, когато е напълно наситен, се нарича кислороден капацитет на кръвта (KEK). В нашия случай KEC = 189,6 ml.

Нека обърнем внимание на важна характеристика на хемоглобина - когато напрежението на кислорода в кръвта намалява до 60 mm Hg, насищането практически не се променя - почти целият хемоглобин присъства под формата на оксихемоглобин. Тази функция ви позволява да свържете максимално възможното количество кислород, като същевременно намалите съдържанието му в околната среда (например на надморска височина до 3000 метра).

Кривата на дисоциация има s-образен характер, което се свързва с особеностите на взаимодействието на кислорода с хемоглобина. Една молекула хемоглобин свързва 4 молекули кислород на етапи. Свързването на първата молекула драстично увеличава капацитета на свързване, както и втората и третата молекула. Този ефект се нарича кооперативно действие на кислорода.

Артериалната кръв навлиза в системното кръвообращение и се доставя до тъканите. Напрежението на кислорода в тъканите, както може да се види от таблица 2, варира от 0 до 20 mm Hg. Чл., малко количество физически разтворен кислород дифундира в тъканите, напрежението му в кръвта намалява. Намаляването на напрежението на кислорода е придружено от дисоциацията на оксихемоглобина и освобождаването на кислород. Кислородът, освободен от съединението, преминава във физически разтворена форма и може да дифундира в тъканите по градиента на напрежение.Във венозния край на капиляра напрежението на кислорода е 40 mm Hg, което съответства на приблизително 73% насищане на хемоглобина. Стръмната част на кривата на дисоциация съответства на обичайното напрежение на кислорода за телесните тъкани - 35 mm Hg и по-ниско.

По този начин кривата на дисоциация на хемоглобина отразява способността на хемоглобина да свързва кислород, ако напрежението на кислорода в кръвта е високо, и да го отдава, когато напрежението на кислорода намалява.

Преходът на кислород в тъканите се осъществява чрез дифузия и се описва от закона на Фик, следователно зависи от градиента на кислородния стрес.

Можете да разберете колко кислород се извлича от тъканта. За да направите това, трябва да определите количеството кислород в артериалната кръв и във венозната кръв, изтичаща от определена област. В артериалната кръв, както успяхме да изчислим (KEK) съдържа 180-200 ml. кислород. Венозната кръв в покой съдържа около 120 ml. кислород. Нека се опитаме да изчислим коефициента на използване на кислорода: 180 мл. - 120 мл. \u003d 60 ml е количеството кислород, извлечено от тъканите, 60 ml / 180 ´ 100 \u003d 33%. Следователно коефициентът на използване на кислорода е 33% (обикновено 25 до 40%). Както се вижда от тези данни, не целият кислород се използва от тъканите. Обикновено около 1000 ml се доставят до тъканите в рамките на една минута. кислород. Ако вземем предвид коефициента на използване, става ясно, че тъканите се възстановяват от 250 до 400 ml. кислород на минута, останалата част от кислорода се връща в сърцето като част от венозната кръв. При тежка мускулна работа коефициентът на използване се повишава до 50 - 60%.

Количеството кислород, което тъканите получават обаче, зависи не само от коефициента на използване. Когато се променят условията във вътрешната среда и в тези тъкани, където се извършва дифузия на кислород, свойствата на хемоглобина могат да се променят. Промяната в свойствата на хемоглобина се отразява на графиката и се нарича "изместване на кривата".Отбелязваме важна точка на кривата - точката на полунасищане на хемоглобина с кислород се наблюдава при напрежение на кислорода 27 mm Hg. Чл., При това напрежение 50% от хемоглобина е под формата на оксихемоглобин, 50% под формата на деоксихемоглобин, следователно 50% от свързания кислород е свободен (около 100 ml / l). Ако концентрацията на въглероден диоксид, водородни йони, температурата се повиши в тъканта, тогава кривата се измества надясно. В този случай точката на полунасищане ще се премести към по-високи стойности на напрежението на кислорода - вече при напрежение от 40 mm Hg. Изкуство. Ще бъдат освободени 50% кислород (Фигура 9B). Интензивно работещата тъкан, хемоглобинът ще отделя по-лесно кислород. Промените в свойствата на хемоглобина се дължат на следните причини: подкисляванеоколната среда в резултат на повишаване на концентрацията на въглероден диоксид действа по два начина: 1) увеличаването на концентрацията на водородни йони допринася за освобождаването на кислород от оксихемоглобина, тъй като водородните йони се свързват по-лесно с деоксихемоглобина, 2) директното свързване на въглеродният диоксид към протеиновата част на молекулата на хемоглобина намалява афинитета му към кислорода; повишаване на концентрацията на 2,3-дифосфоглицерат, който се появява по време на анаеробна гликолиза и също се интегрира в протеиновата част на молекулата на хемоглобина и намалява афинитета му към кислорода.

Изместване на кривата вляво се наблюдава, например, при плода, когато в кръвта се определя голямо количество фетален хемоглобин.

Фигура 9 Б. Влияние на промяната на параметрите на вътрешната среда

Червен пигмент хемоглобин (Hb)се състои от протеинова част (глобин) и същински пигмент (хем). Молекулите изграждат четири протеинови субединици, всяка от които прикрепя хем група с двувалентен железен атом, разположен в центъра. В белите дробове всеки атом на желязото свързва една молекула кислород. Кислородът се транспортира до тъканите, където се отделя. Добавянето на O 2 се нарича оксигениране (насищане с кислород), а отделянето му се нарича деоксигениране.

Транспорт на CO 2

Около 10% от въглеродния диоксид (CO 2), крайният продукт на окислителния метаболизъм в тъканните клетки, се транспортира от кръвта във физически разтворена форма и 90% в химически свързана форма. Повечето от въглеродния диоксид дифундира първо от тъканните клетки в плазмата, а оттам в червените кръвни клетки. Там молекулите CO 2 се свързват химически и се превръщат от ензими в много по-разтворимите бикарбонатни йони (HCO 3 -), които се транспортират в кръвната плазма. Образуването на CO 2 от HCO 3 - се ускорява значително от ензима карбоанхидраза, присъстващ в еритроцитите.

Повечето (около 50-60%) от образуваните бикарбонатни йони идват от еритроцитите обратно в плазмата в замяна на хлоридни йони. Те се транспортират до белите дробове и се освобождават по време на издишване, след като се превърнат в CO 2 . И двата процеса - образуването на HCO 3 - и съответно освобождаването на CO 2 са свързани с оксигенацията и деоксигенацията на хемоглобина. Деоксихемоглобинът е значително по-силна основа от оксихемоглобина и може да прикрепи повече H+ йони (буферната функция на хемоглобина), като по този начин насърчава образуването на HCO 3 - в тъканните капиляри. В капилярите на белите дробове HCO 3 - отново преминава от кръвната плазма в еритроцитите, комбинира се с H + -йони и отново се превръща в CO 2. Този процес се подкрепя от факта, че окислената кръв освобождава повече Н+ протони. Много по-малка част от CO 2 (около 5-10%) се свързва директно с хемоглобина и се транспортира като карбаминохемоглобин.

Хемоглобин и въглероден окис

Въглероден оксид (въглероден оксид, CO)е безцветен газ без мирис, който се образува при непълно изгаряне и подобно на кислорода може обратимо да се свърже с хемоглобина. Въпреки това, афинитетът на въглеродния оксид към хемоглобина е много по-голям от този на кислорода. По този начин, дори когато съдържанието на CO във вдишания въздух е 0,3%, 80% от хемоглобина се свързва с въглероден оксид (HbCO). Тъй като въглеродният окис освобождава връзките си с хемоглобина 200-300 пъти по-бавно от кислорода, неговият токсичен ефект се определя от факта, че хемоглобинът вече не може да пренася кислород. При заклети пушачи, например, 5-10% от хемоглобина присъства като HbCO, докато при съдържание на 20% се появяват симптоми на остро отравяне (главоболие, световъртеж, гадене), а 65% могат да бъдат фатални.

Често за оценка на хемопоезата или за разпознаване на различни форми на анемия се определя средното съдържание на хемоглобин в еритроцитите (HEG). Изчислява се по формулата:

Стойността на средното съдържание на хемоглобин в един еритроцит е между 38 и 36 пикограма (pg) (1 pg = 10ˉ¹² g). Еритроцитите с нормален SGE се наричат ​​нормохромни (ортохромни). Ако CGE е нисък (например, поради постоянна загуба на кръв или дефицит на желязо), се казва, че червените кръвни клетки са хипохромни; ако SGE е висок (например при пернициозна анемия поради дефицит на витамин В 12), те се наричат ​​хиперхромни.

Форми на анемия

анемиясе определя като дефицит (намаляване на броя) на червени кръвни клетки или намалено съдържание на хемоглобин в кръвта. Диагнозата анемия обикновено се поставя по съдържанието на хемоглобин, долната граница на нормата достига 140 g/l при мъжете и 120 g/l при жените. При почти всички форми на анемия надежден симптом на заболяването е бледият цвят на кожата и лигавиците. Често по време на физическо натоварване сърдечната честота се увеличава значително (увеличава скоростта на кръвообращението), а намаляването на кислорода в тъканите води до задух. Освен това се появяват световъртеж и лесна умора.

В допълнение към желязодефицитната анемия и хроничната загуба на кръв, например поради кървящи язви или тумори в стомашно-чревния тракт (хипохромна анемия), анемия може да възникне при дефицит на витамин B 12. фолиева киселина или еритропоетин. Витамин B 12 и фолиевата киселина участват в синтеза на ДНК в незрелите клетки на костния мозък и по този начин значително влияят върху деленето и узряването на червените кръвни клетки (еритропоеза). При техния недостиг се образуват по-малко еритроцити, но те се увеличават значително поради повишеното съдържание на хемоглобин (макроцити (мегалоцити), прекурсори: мегалобласти), така че съдържанието на хемоглобин в кръвта практически не се променя (хиперхромна, мегалобластна, макроцитна анемия). ).

Недостигът на витамин В 12 често възниква поради нарушена абсорбция на витамина в червата, по-рядко поради недостатъчен прием с храната. Тази така наречена пернициозна анемия най-често е резултат от хронично възпаление на чревната лигавица с намалено производство на стомашна киселина.

Витамин B 12 се абсорбира в червата само в свързана форма с фактор на стомашния сок "вътрешен фактор (Castle)", който го предпазва от разрушаване от храносмилателния сок в стомаха. Тъй като черният дроб може да съхранява големи количества витамин B 12, може да отнеме 2-5 години, преди влошаването на абсорбцията в червата да засегне образуването на червени кръвни клетки. Както при дефицита на витамин В12, дефицитът на фолиева киселина, друг витамин В, води до нарушена еритропоеза в костния мозък.

Има две други причини за анемия. Един от тях е разрушаването на костния мозък (аплазия на костния мозък) чрез радиоактивно лъчение (например след авария в атомна електроцентрала) или в резултат на токсични реакции към лекарства (например цитостатици) (апластична анемия). Друга причина е намаляването на продължителността на живота на червените кръвни клетки в резултат на тяхното разрушаване или повишен разпад (хемолитична анемия). При тежка хемолитична анемия (например след неуспешно кръвопреливане), в допълнение към бледността, може да има промяна в цвета на кожата и лигавиците до жълтеникаво. Тази жълтеница (хемолитична жълтеница) се причинява от нарастващото разграждане на хемоглобина до билирубин (жълт жлъчен пигмент) в черния дроб. Последното води до повишаване нивото на билирубина в плазмата и неговото отлагане в тъканите.

Пример за анемия в резултат на наследствено нарушение на синтеза на хемоглобин, клинично проявяващо се като хемолитична, е сърповидноклетъчната анемия. При това заболяване, което практически се среща само при представители на черните популации, има молекулярно нарушение, което води до заместване на нормалния хемоглобин с друга форма на хемоглобин (HbS). В HbS аминокиселината валин е заменена с глутаминова киселина. Еритроцит, съдържащ такъв неправилен хемоглобин, в деоксигенирано състояние, приема формата на сърп. Сърповидните червени кръвни клетки са по-твърди и не преминават добре през капилярите.

Наследствено заболяване при хомозиготи (отношение на HbS в общия хемоглобин 70-99%) води до запушване на малки съдове и по този начин до трайно увреждане на органите. Хората, засегнати от това заболяване, обикновено достигат зрялост само с интензивно лечение (например частично заместване на кръвта, аналгетици, избягване на хипоксия (кислородно гладуване) и понякога трансплантация на костен мозък). В някои региони на тропическа Африка с висок процент на малария, 40% от населението са хетерозиготни носители на този ген (когато съдържанието на HbS е по-малко от 50%), те не показват такива симптоми. Промененият ген причинява резистентност към маларийна инфекция (селективно предимство).

Регулиране на производството на еритроцити

Образуването на червени кръвни клетки се регулира от бъбречния хормон еритропоетин. Тялото има проста, но много ефективна регулаторна система, за да поддържа съдържанието на кислород и следователно броя на червените кръвни клетки относително постоянни. Ако съдържанието на кислород в кръвта падне под определено ниво, например след голяма загуба на кръв или по време на престой на голяма надморска височина, образуването на еритропоетин непрекъснато се стимулира. В резултат на това се засилва образуването на червени кръвни клетки в костния мозък, което повишава способността на кръвта да пренася кислород. Когато недостигът на кислород се преодолее чрез увеличаване на броя на червените кръвни клетки, образуването на еритропоетин отново намалява. Пациентите, които се нуждаят от диализа (изкуствено пречистване на кръвта от метаболитни продукти), с нарушена бъбречна функция (например с хронична бъбречна недостатъчност), често изпитват ясен дефицит на еритропоетин и следователно почти винаги страдат от съпътстваща анемия.