Вентиляция и перфузия кровью легких

10.2.1. Вентиляция легких

Вентиляцией легких обозначают процесс обмена воздуха между легкими и атмосферой. Количественным показателем вентиляции легких служит ми­нутный объем дыхания, определяемый как количество воздуха, которое про­ходит (или вентилируется) через легкие в 1 мин. В покое у человека ми­нутный объем дыхания составляет 6—8 л/мин. Только часть воздуха, кото­рым вентилируются легкие, достигает альвеолярного пространства и непо­средственно участвует в газообмене с кровью. Эта часть вентиляции легких называется альвеолярной вентиляцией. В покое альвеолярная вентиляция равна в среднем 3,5—4,5 л/мин. Основная функция альвеолярной вентиля­ции заключается в поддержании необходимой для газообмена концентра­ции О₂ и СО₂ в воздухе альвеол.

Легкие состоят из воздухопроводящей (дыхательные пути) и респиратор­ной зон (альвеолы). Дыхательные пути, начиная от трахеи и до альвеол, де­лятся по типу дихотомии и образуют 23 генерации элементов дыхательного тракта (рис. 10.11). В воздухопроводящей или кондуктивной зонах легких (16 генераций) отсутствует газообмен между воздухом и кровью, поскольку в этих отделах дыхательные пути не имеют достаточной для этого процесса сосудистой сети, а стенки дыхательных путей, из-за их значительной тол­щины, препятствуют обмену газов через них. Этот отдел воздухоносных путей называется анатомическим мертвым пространством, объем которого составляет в среднем 175 мл. На рис. 10.12 показано, каким образом воз­дух, заполняющий анатомическое мертвое пространство в конце выдоха, смешивается с «полезным», т. е. атмосферным воздухом и вновь поступает в альвеолярное пространство легких.

Дыхательные бронхиолы 17—19-й генераций относят к переходной (транзиторной) зоне, в которой начинается газообмен в малочисленных альвеолах (2 % от общего числа альвеол). Альвеолярные ходы и альвеоляр­ные мешочки, непосредственно переходящие в альвеолы, образуют альвео­лярное пространство, в области которого происходит в легких газообмен О₂ и СО₂ с кровью. Однако у здоровых людей и, особенно, у пациентов с

Рис. 10.11. Схема дыхательных путей легких человека. Дыхательные пути от уровня трахеи (1-я генерация) до долевых бронхов (2—4-я генерации деления) поддерживают свой просвет благодаря хрящевым кольцам в их стенке. Дыхательные пути от сегмен­тарных бронхов (5—11-я генерации) до терминальных бронхиол (12—16-я генерации) стабилизируют свой про­свет с помощью тонуса гладких мышц их стенок. 1—16-я генерации дыхательных путей образуют возду­хопроводящую зону легких, в кото­рой не происходит газообмена. Рес­пираторная зона легких имеет длину порядка 5 мм и включает первичные дольки или ацинусы: дыхательные бронхиолы (17—19-я генерации) и альвеолярные протоки (20—22-я ге­нерации). Альвеолярные мешочки состоят из многочисленных альвеол (23-я генерация), альвеолярная мем­брана которых является идеальным местом для диффузии О₂ и СО₂.

заболеваниями легких часть альвеолярного пространства может вентилиро­ваться, но при этом не участвовать в газообмене, поскольку эти отделы легких не перфузируются кровью. Сумму объемов таких областей легких и анатомического мертвого пространства обозначают как физиологическое мертвое пространство. Увеличение физиологического мертвого простран­ства в легких приводит к недостаточному снабжению тканей организма кислородом и к увеличению содержания в крови углекислого газа, что на­рушает в ней газовый гомеостазис.

10.2.2. Перфузия легких кровью

Эффективность выполнения основной функции дыхательной системы за­висит от соответствия перфузии (кровотока) в регионах легких с их вен­тиляцией. Так, хороший кровоток будет недостаточным для газообмена в регионах легких, если они слабо вентилируются воздухом с низким со­держанием кислорода, при этом незначительный объем вентиляции лег­ких не позволит удалить из крови углекислый газ. Соответственно, при слабом кровотоке в регионах легких возрастает объем функционального мертвого пространства, и перфузия легких кровью будет недостаточной для транспорта в ней нормального количества газов. Наконец, перфузия кровью регионов легких с недостаточной вентиляцией этих же отделов называется шунтированием, и это состояние является неадекватным для нормального газообмена. При шунтировании венозная кровь в легких не обогащается кислородом, что снижает его содержание в крови организ­ма. В нормальных физиологических условиях фактор гравитации оказы­вает наиболее выраженный эффект на вентиляцию и перфузию регионов легких кровью.

10.2.3. Эффект гравитации на вентиляцию и перфузию легких кровью

Легкие окружены плевральным пространством, отрицательное давление в котором изменяется от “5 до —10 см водн. ст. в различные фазы дыхатель­ного цикла. Этот фактор взаимодействует с эффектом гравитации на жид­кие среды, прежде всего кровь, содержащуюся в артериальных и венозных сосудах тканей легких. В результате под действием силы тяжести на ткань легких величина внутриплеврального давления на уровне основания лег­ких у человека в положении стоя менее отрицательная относительно атмо­сферного, чем в области верхушек легкого. Поэтому альвеолы верхушек легких имеют большие размеры, а стенка их растянута и более напряжена, чем у альвеол нижних участков легких. Альвеолы на уровне основания лег­ких растянуты в незначительной степени и имеют значительно больше по­тенциальные возможности для растягивания и вентиляции, чем в области верхушек. Поэтому растянутые альвеолы верхушки легких вентилируются меньше, чем альвеолы основания (рис. 10.13). Эти различия в вентиляции отделов легких приводят к тому, что вдыхаемый воздух неравномерно рас­пределяется в отделах альвеолярного пространства. Особенности распреде­ления воздуха, вдыхаемого в легкие, дополняется разницей в величине кровотока на уровне верхушек и основания легких. Относительно положе­ния тела в пространстве кровоток в верхних и нижних отделах легкого раз­личается под влиянием фактора гравитации.

У человека в вертикальном положении тела величина легочного крово­тока на единицу объема ткани легкого линейно убывает в направлении

 

пространство

Рис. 10.13. Влияние внутриплеврального давления и фактора гравитации на разме­ры альвеол верхних и нижних отделов легких. Между верхушками и основанием легких имеется градиент внутриплеврального давления, возникающий под влияни­ем гравитации на массу жидких сред и ткань легких.

 

В результате размеры альвеол в верхушках легких больше, чем в основании (А). Альвеолы в нижних отделах легких имеют большие потенциальные возможности для увеличения в них вентиляции легких при вдохе, чем альвеолы в области верхних отделов легких (Б).

снизу вверх, и меньше всего снабжаются кровью верхушки легких. Соот­ветственно в положении тела человека на спине кровоток в нижних (дор­сальных) отделах легких становится выше, чем в верхних (вентральных). Это обусловлено тем, что артериальная кровь, поступающая в легкие из правого желудочка, проходит по сосудам легких из областей низкого внут­риплеврального давления в области тонкостенных капилляров, которые окружены альвеолами, содержащими воздух под давлением, близким к ат­мосферному. Поэтому в зависимости от соотношения давления в альвео­лах (Р_А), мелких артериях (Р_а) и мелких легочных венах (P_v) легкие разде­лены на функциональные зоны Веста (рис. 10.14).

В верхушках легких (зона 1) могут возникнуть области с давлением в ле­гочных капиллярах (особенно в фазу диастолы) ниже альвеолярного (Ра > Р_а > Pv)- Капилляры в таких зонах могут спадаться, и кровоток че­рез них становится невозможным. Такие участки легких вентилируются, но не участвуют в газообмене и формируют альвеолярное мертвое про­странство.

В средних отделах легких (зона 2) под действием гравитации давление в альвеолах, как правило, превышает венозное (Р_а > Р_А > P_v)- Поэтому вели­чину кровотока в зоне 2 по Весту определяет разность между артериаль­ным и альвеолярным давлениями. В зоне 2 практически не возникает аль­веолярное мертвое пространство.

В нижних отделах легких (зона 3) давление в легочных венах выше аль­веолярного (Р_а > P_v > Р_А) и величина кровотока, как и в обычных сосудах, определяется разницей между артериальным и венозным давлениями.

Величина зон Веста динамично изменяется в зависимости от положе­ния тела в пространстве или глубины дыхания. При выдохе на уровне функциональной остаточной емкости примерно ²/₃ объема легких может занимать зона 2. После глубокой экспирации (на уровне остаточного объе­ма) большая часть легких по соотношению перфузии кровью и вентиляции соответствует зоне 3 Веста. Относительная однонаправленность изменения градиента внутриплеврального давления и влияния гравитации на крово­ток в легких от верхних отделов легких к нижним теме не менее не сопря­жены в каждом отдельном регионе легких.

10.2.3. Коэффициент вентиляционно-перфузионных отношений в легких

Коэффициент представляет собой отношение величины вентиляции лег­ких (V) к величине их перфузии кровью (Q). При адекватности вентиляци­онно-перфузионных отношений (V/Q) величина коэффициента близка к 1. В обычных физиологических условиях в разных регионах легких, как пра­вило, коэффициент варьирует: 1<V/Q >1. Региональные отличия значения этого коэффициента обусловлены действием гравитации либо в случае по­явления в каком-либо регионе легких феномена шунтирования (рис. 10.15). Однако в целом 97—98 % от общего количества О₂ и СО₂, уча­ствующих в газообмене в легких, обменивается между альвеолярным про­странством и кровью легочных капилляров в условиях полного соответст­вия величины вентиляции и перфузии легких кровью (V/Q =1).

Газообмен в легких

Обмен газов между кровью и воздухом относится к основной функции легких. Воздух, поступающий в легкие при вдохе, нагревается и насыщает­ся водяными парами при движении в дыхательных путях и достигает аль­веолярного пространства, имея температуру 37 °C. Парциальное давление

 

Рис. 10.14. Модель, связывающая неравномерность распределения легочного кро­вотока при вертикальном расположении тела человека с величиной давления, дей­ствующего на капилляры.

 

В зоне 1 (верхушки легких) альвеолярное давление (Р_А) превышает давление в артериолах (Р_а) и кровоток ограничен. В средней зоне легких (зона 2), где Р_й > Р_А, кровоток больше, чем в зо­не 1. В основаниях легких (зона 3) кровоток усилен и определяется разностью давления в ар­териолах (Р_а) и венулах (P_v). В центре схемы легкого — легочные капилляры; вертикальные трубочки по сторонам легкого — манометры.

Альвеолярное пространство

Рис. 10.15. Соотношение вентиляции и перфузии кровью-легких.

При прекращении вентиляции в каком-либо регионе легких увеличивается их функциональ­ное мертвое пространство (а). При этом венозная кровь перфузирует этот отдел легких и, не обогащаясь кислородом, поступает в большой круг кровообращения. Нормальное вентиляци­онно-перфузионное отношение формируется, когда вентиляция регионов легких соответству­ет величине их перфузии кровью (б). При отсутствии кровотока в каком-либо регионе легких (в) вентиляция также не обеспечивает нормальное вентиляционно-перфузионное отношение. V — вентиляция легких, Q — кровоток в легких.

водяных паров в альвеолярном воздухе при этой температуре составляет 47 мм рт. ст. Поэтому согласно закону парциальных давлений Дальтона вдыхаемый воздух находится в разведенном водяными парами состоянии и парциальное давление кислорода в нем меньше, чем в атмосферном воз­духе.

Обмен кислорода и углекислого газа в легких происходит в результате разницы парциального давления этих газов в воздухе альвеолярного про­странства и их напряжения в крови легочных капилляров. Процесс движе­ния газа из области высокой концентрации в область с низкой его концен­трацией обусловлен диффузией. Кровь легочных капилляров отделена от воздуха, заполняющего альвеолы, альвеолярной мембраной, через которую газообмен происходит путем пассивной диффузии. Процесс перехода газов между альвеолярным пространством и кровью легких объясняется диффу­зионной теорией.

10.3.1. Состав альвеолярного воздуха

Газовый состав альвеолярного воздуха обусловлен альвеолярной вентиля­цией и скоростью диффузии О₂ и СО₂ через альвеолярную мембрану. В обычных условиях у человека количество О₂, поступающего в единицу времени в альвеолы из атмосферного воздуха, равно количеству О₂, диф­фундирующего из альвеол в кровь легочных капилляров. Равным обра­зом количество СО₂, поступающего в альвеолы из венозной крови, равно количеству СО₂, которое выводится из альвеол в атмосферу. Поэтому в норме парциальное давление О₂ и СО₂ в альвеолярном воздухе остается практически постоянным, что поддерживает процесс газообмена между альвеолярным воздухом и кровью капилляров легких. Газовый состав аль­веолярного воздуха отличается от атмосферного воздуха тем, что в нем

Таблица 10.1. Парциальное давление газов в воздушной среде легких

Газы	Атмосферный воздух, мм рт. ст. (%)	Альвеолярный воздух, мм рт. ст. (%)	Выдыхаемый воздух, мм рт. ст. (%)
N2	597,0 (78,62 %)	573,0 (75 %)	566,0 (74 %)
02	159,0 (20,84 %)	100,0 (13,5 %)	120,0 (16 %)
со2	0,3 (0,04 %)	40,0 (5,5 %)	27,0 (4 %)
Н2О	3,7 (0,5 %)	47,0 (6 %)	47,0 (6 %)
Итого...	760,0 (100,0 %)	760,0 (100,0 %)	760,0 (100,0 %)

 

меньше процентное содержание кислорода и выше процент углекислого газа. Состав альвеолярного воздуха отличается от выдыхаемого воздуха большим содержанием углекислого газа и меньшим содержанием кисло­рода (табл. 10.1).

10.3.2, Напряжение газов в крови капилляров легких

Диффузия газов через альвеолярную мембрану происходит между альвео­лярным воздухом и венозной, а также артериальной кровью легочных ка­пилляров. В табл. 10.2 приведены стандартные величины напряжения ды­хательных газов в артериальной и венозной крови легочных капилляров.

Градиенты парциального давления кислорода и углекислого газа обу­словливают процесс пассивной диффузии через альвеолярную мембрану кислорода из альвеол в венозную кровь (градиент 60 мм рт. ст.), а углеки­слого газа — из венозной крови в альвеолы (градиент 6 мм рт. ст.). Парци­альное давление азота по обе стороны альвеолярной мембраны остается постоянным, поскольку этот газ не потребляется и не продуцируется тка­нями организма. При этом сумма парциального давления всех газов, рас­творенных в тканях организма, меньше, чем величина атмосферного дав­ления, благодаря чему газы в тканях не находятся в газообразной форме. Если величина атмосферного давления будет меньше, чем парциальное давление газов в тканях и в крови, то газы начинают выделяться из крови в виде пузырьков, вызывая тяжелые нарушения в кровоснабжении тканей организма (кессонная болезнь).

10.3.3. Скорость диффузии О₂ и СО₂ в легких

Скорость диффузии (M/t) кислорода и углекислого газа через альвеоляр­ную мембрану количественно характеризуется законом диффузии Фика. Согласно этому закону газообмен (M/t) в легких прямо пропорционален градиенту (ДР) концентрации О₂ и СО₂ по обе стороны от альвеолярной мембраны, площади ее поверхности (S), коэффициентам (к) растворимо-

Таблица 10.2. Напряжение дыхательных газов в артериальной и венозной крови легоч­ных капилляров

Дыхательные газы	Артериальная кровь (мм рт. ст.)	Венозная кровь (мм рт. ст.)
Кислород
Углекислый газ
Азот
Вода

Альвеолярное Альвеолярная Просвет

 

Рис. 10.16. Диффузия газов через альвеолярную мембрану. Диффузия газов в легких осуществляется по градиентам концентрации О₂ и СО₂ между альвеолярным про­странством и кровью капилляров легких, которые разделены альвеолярной мембра­ной. При этом диффузия тем эффективнее, чем тоньше альвеолярная мембрана и области контакта альвеолоцитов и эндотелиоцитов. Поэтому альвеолярная мембра­на образована уплощенными частями альвеолоцитов I порядка (0,2 мкм) и эндоте­лиоцитов капилляров легких (0, 2 мкм), между которыми находится тонкая общая базальная мембрана (0,1 мкм) этих клеток. В состав мембраны входит также моно- молекулярный слой сурфактант а. Мембрана эритроцитов является препятствием для диффузии газов в легких.

сти О₂ и СО₂ в биологических средах альвеолярной мембраны и обратно пропорционален толщине альвеолярной мембраны (L), а также молекуляр­ной массе газов (М). Формула этой зависимости имеет следующий вид:

М ДР • S • к

* L • JM

Структура легких образует максимальное по величине поле для диффу­зии газов через альвеолярную стенку, которая имеет минимальную толщи­ну (рис. 10.16). Так, количество альвеол в одном легком человека прибли­зительно равно 300 млн. Суммарная площадь альвеолярной мембраны, че­рез которую происходит обмен газов между альвеолярным воздухом и ве­нозной кровью, имеет огромные размеры (порядка 100 м²), а толщина аль­веолярной мембраны составляет лишь — 0,3—2,0 мкм.

В обычных условиях диффузия газов через альвеолярную мембрану происходит в течение очень короткого отрезка времени (не более ³/₄ с), пока кровь проходит через капилляры легких. Даже при физической рабо­те, когда эритроциты проходят капилляры легкого в среднем за ^т/₄ с, ука­занные выше структурные особенности альвеолярной мембраны создают оптимальные условия для формирования равновесия парциальных давле­ний О₂ и СО₂ между альвеолярным воздухом и кровью капилляров легких (рис. 10.17). В уравнении Фика константы диффузии (к) пропорциональны растворимости газа в альвеолярной мембране. Углекислый газ имеет при­мерно в 20 раз большую растворимость в альвеолярной мембране, чем ки­слород. Поэтому, несмотря на существенное различие в градиентах парци­альных давлений О₂ и СО₂ по обе стороны от альвеолярной мембраны,

Альвеолярный газ

(РО₂ = 106 мм рт.ст.)

 

 

Рис. 10.17. Градиенты парциального давления дыхательных газов в смешанной ве­нозной крови легочной артерии, альвеолярном воздухе и артериальной крови. Рав­новесие парциальных давлений углекислого газа и кислорода между альвеолярным воздухом и кровью легочных капилляров достигается в течение короткого времени (¹/₄—³Л ^с) движения плазмы крови и эритроцитов в капиллярах легких.

диффузия этих газов совершается за очень короткий отрезок времени дви­жения эритроцитов крови через легочные капилляры.

Газообмен через альвеолярную мембрану количественно оценивается диффузионной способностью легких, которая измеряется количеством газа (мл), проходящего через эту мембрану за 1 мин при разнице давления газа по обе стороны мембраны в 1 мм рт. ст.

Наибольшее сопротивление диффузии О₂ в легких создают альвеоляр­ная мембрана и мембрана эритроцитов, в меньшей степени — плазма кро­ви в капиллярах. У взрослого человека в покое диффузионная способность легких О₂ равна 20—25 мл • мин"*¹ • мм рт. ст."¹. СО₂, как полярная молекула (О=С=О), диффундирует через указанные мембраны чрезвычайно быстро, благодаря высокой растворимости этого газа в альвеолярной мембране. Диффузионная способность легких СО₂ равна 400—450 мл • мин"¹ • мм рт. ст.^-1.

Транспорт газов кровью

Кровообращение выполняет одну из важнейших функций переноса кисло­рода от легких к тканям, а углекислого газа — от тканей к легким. Потреб­ление кислорода клетками тканей может изменяться в значительных пре­делах, например при переходе от состояния покоя к физической нагрузке и наоборот. В связи с этим кровь должна обладать большими резервами, необходимыми для увеличения ее способности переносить кислород от легких к тканям, а углекислый газ в обратном направлении.

10.4.1. Транспорт кислорода

При 37 °C растворимость О₂ в жидкости составляет 0,225 мл-л"¹-кПа"¹ (0,03 мл/л/мм рт. ст.). В условиях нормального парциального давления ки­слорода в альвеолярном воздухе, т. е. 13,3 кПа или 100 мм рт.ст., 1 л плаз­мы крови может переносить только 3 мл О₂, что недостаточно для жизне­деятельности организма в целом. В покое в организме человека за минуту потребляется примерно 250 мл кислорода. Чтобы тканям получить такое количество кислорода в физически растворенном состоянии, сердце долж­но перекачивать за минуту огромное количество крови. В эволюции живых существ проблема транспорта кислорода была более эффективно решена за счет обратимой химической реакции с гемоглобином эритроцитов. Ки­слород переносится кровью от легких к тканям организма молекулами ге­моглобина, которые содержатся в эритроцитах. Гемоглобин способен за­хватывать кислород из альвеолярного воздуха (соединение называется ок­сигемоглобином) и освобождать необходимое количество кислорода в тка­нях. Особенностью химической реакции кислорода с гемоглобином явля­ется то, что количество связанного кислорода ограничено количеством мо­лекул гемоглобина в эритроцитах крови. Молекула гемоглобина имеет 4 места связывания с кислородом, которые взаимодействуют таким обра­зом, что зависимость между парциальным давлением кислорода и количе­ством переносимого кислорода с кровью имеет S-образную форму, кото­рая носит название кривой насыщения или диссоциации оксигемоглобина (рис. 10.18). При парциальном давлении кислорода 10 мм рт. ст. насыще­ние гемоглобина кислородом составляет примерно 10 %, а при РО₂ 30 мм рт. ст. — 50—60 %. При дальнейшем увеличении парциального давления кислорода от 40 мм рт. ст. до 60 мм рт. ст. происходит уменьшение крутиз­ны кривой диссоциации оксигемоглобина и процент его насыщения ки-

 

Парциальное давление кислорода, мм рт. ст.

Рис. 10.18. Кривая диссоциации оксигемоглобина. Пределы колебания кривой при РСО₂ = 40 мм рт. ст. (артериальная кровь) и РСО₂ = 46 мм рт. ст. (венозная кровь) показывают изменение сродства гемоглобина к кислороду (эффект Ходена).

слородом возрастает в диапазоне от 70—75 до 90 % соответственно. Затем кривая диссоциации оксигемоглобина начинает занимать практически го­ризонтальное положение, поскольку увеличение парциального давления кислорода с 60 до 80 мм рт. ст. вызывает прирост насыщения гемоглобина кислородом на 6 %. В диапазоне от 80 до 100 мм рт. ст. процент образова­ния оксигемоглобина составляет порядка 2. В результате кривая диссоциа­ции оксигемоглобина переходит в горизонтальную линию и процент насы­щения гемоглобина кислородом достигает предела, т. е. 100. Насыщение гемоглобина кислородом под влиянием РО₂ характеризует своеобразный молекулярный «аппетит» этого соединения к кислороду.

Значительная крутизна кривой насыщения гемоглобина кислородом в диапазоне парциального давления от 20 до 40 мм рт. ст. способствует тому, что в ткани организма значительное количество кислорода может диффун­дировать из крови в условиях градиента его парциального давления между кровью и клетками тканей (не менее 20 мм рт. ст.). Незначительный про­цент насыщения гемоглобина кислородом в диапазоне его парциального давления от 80 до 100 мм рт. ст. способствует тому, что человек без риска снижения насыщения артериальной крови кислородом может перемещать­ся в диапазоне высот над уровнем моря до 2000 м.

Общие запасы кислорода в организме обусловлены его количеством, находящимся в связанном состоянии с ионами Fe²⁺ в составе органиче­ских молекул гемоглобина эритроцитов и миоглобина мышечных клеток.

Один грамм гемоглобина связывает 1,34 мл О₂. Поэтому в норме при концентрации гемоглобина 150 г/л каждые 100 мл крови могут переносить 20,0 мл О₂.

Количество О₂, которое может связаться с гемоглобином эритроцитов крови при насыщении 100 % его количества, называется кислородной емко­стью гемоглобина. Другим показателем дыхательной функции крови явля­ется содержание О₂ в крови (кислородная емкость крови), которое отража­ет его истинное количество, как связанного с гемоглобином, так и физиче­ски растворенного в плазме. Поскольку в норме артериальная кровь насы­щена кислородом на 97 %, то в 100 мл артериальной крови содержится примерно 19,4 мл О₂.

10.4.1.1. Изменение сродства гемоглобина к кислороду

Молекула гемоглобина может находиться в двух формах — напряженной и расслабленной. Расслабленная форма гемоглобина имеет свойство насыщать­ся кислородом в 70 раз быстрее, чем напряженная. Изменение фракций напряженной и расслабленной формы в общем количестве гемоглобина в крови обусловливает S-образный вид кривой диссоциации оксигемоглоби­на, а следовательно, так называемое сродство гемоглобина к кислороду. Если вероятность перехода от напряженной формы гемоглобина к расслаб­ленной больше, то возрастает сродство гемоглобина к кислороду, и наобо­рот. Вероятность образования указанных фракций гемоглобина изменяется в большую или меньшую сторону под влиянием нескольких факторов. Ос­новной фактор — это связывание кислорода с геминовой группой молеку­лы гемоглобина. При этом чем больше геминовых групп гемоглобина свя­зывают кислород в эритроцитах, тем более легким становится переход мо­лекулы гемоглобина к расслабленной форме и тем выше их сродство к ки­слороду. Поэтому при низком РО₂, что имеет место в метаболически ак­тивных тканях, сродство гемоглобина к кислороду ниже, а при высоком РО₂ — выше. Как только гемоглобин захватывает кислород, повышается его сродство к кислороду и молекула гемоглобина становится насыщенной при связывании с четырьмя молекулами кислорода.

Когда эритроциты, содержащие гемоглобин, достигают тканей, то ки­слород из эритроцитов диффундирует в клетки. В мышцах он поступает в своеобразного депо кислорода — в молекулы миоглобина, из которого ки­слород используется в биологическом окислении мышц.

Диффузия кислорода из гемоглобина эритроцитов в ткани обусловлена низким РО₂ в тканях — 35 мм рт. ст. Внутри клеток тканей напряжение ки­слорода, необходимое для поддержания нормального метаболизма, состав­ляет еще меньшую величину — не более 1 кПа. Поэтому кислород путем диффузии из капилляров достигает метаболически активных клеток. Неко­торые ткани приспособлены к низкому содержанию РО₂ в капиллярах кро­ви, что компенсируется высокой плотностью капилляров на единицу объе­ма тканей. Например, в скелетной и сердечной мышцах РО₂ в капиллярах может снизиться чрезвычайно быстро во время сокращения. В мышечных клетках содержится белок миоглобин, который имеет более высокое срод­ство к кислороду, чем гемоглобин. Миоглобин интенсивно насыщается кислородом и способствует его диффузии из крови в скелетную и сердеч­ную мышцы, где он обусловливает процессы биологического окисления. Эти ткани способны экстрагировать до 70 % кислорода из крови, проходя­щей через них, что обусловлено снижением сродства гемоглобина к кисло­роду под влиянием температуры тканей и pH.

Эффект pH и температуры на сродство гемоглобина к кислороду. Моле­кулы гемоглобина способны реагировать с ионами водорода, в результате этой реакции происходит снижение сродства гемоглобина к кислороду. При насыщении гемоглобина менее 100 % низкое pH понижает связыва­ние кислорода с гемоглобином — кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо по оси х. Это изменение свойства гемоглобина под влиянием ионов водорода называется эффектом Бора. Метаболически ак­тивные ткани продуцируют кислоты, такую как молочная, и СО₂. Если pH плазмы крови снижается от 7,4 в норме до 7,2, что имеет место при сокра­щении мыщц, то концентрация кислорода в ней будет возрастать вследст­вие эффекта Бора. Например, при постоянном pH 7,4 кровь отдавала бы порядка 45 % кислорода, т. е. насыщение гемоглобина кислородом снижа­лось до 55 %. Однако когда pH снижается до 7,2, кривая диссоциации сме­щается по оси х вправо. В результате насыщение гемоглобина кислородом падает до 40 %, т. е. кровь может отдавать в тканях до 60 % кислорода, что на 7₃ больше, чем при постоянном pH.

Метаболически активные ткани повышают продукцию тепла. Повыше­ние температуры тканей при физической работе изменяет соотношение фракций гемоглобина в эритроцитах и вызывает смещение кривой диссо­циации оксигемоглобина вправо вдоль оси х. В результате большее коли­чество кислорода будет освобождаться из гемоглобина эритроцитов и по­ступать в ткани.

Эффект 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) на сродство гемоглобина к ки­слороду. При некоторых физиологических состояниях, например при пони­жении РО₂ в крови ниже нормы (гипоксия) в результате пребывания чело­века на большой высоте над уровнем моря, снабжение тканей кислородом становится недостаточным. При гипоксии может понижаться сродство ге­моглобина к кислороду вследствие увеличения содержания в эритроцитах 2,3-ДФГ. В отличие от эффекта Бора, уменьшение сродства гемоглобина к кислороду под влиянием 2,3-ДФГ не является обратимым в капиллярах легких. Однако при движении крови через капилляры легких эффект 2,3-

ДФГ на снижение образования оксигемоглобина в эритроцитах (плоская часть кривой диссоциации оксигемоглобина) выражен в меньшей степени, чем отдача кислорода под влиянием 2,3-ДФГ в тканях (наклонная часть кривой), что обусловливает нормальное кислородное снабжение тканей.

10.4.2. Транспорт углекислого газа

СО₂ является продуктом метаболизма клеток тканей и поэтому переносит­ся кровью от тканей к легким. Углекислый газ выполняет жизненно важ­ную роль в поддержании во внутренних средах организма уровня pH меха­низмами кислотно-основного равновесия. Поэтому транспорт углекислого газа кровью тесно взаимосвязан с этими механизмами (см. глава 15).

В плазме крови небольшое количество СО₂ находится в растворенном состоянии; при РСО₂= 40 мм рт. ст. переносится 2,5 мл/100 мл крови СО₂, или 5 %. Количество растворенного в плазме углекислого газа в линейной зависимости возрастает от уровня РСО₂.

В плазме крови СО₂ реагирует с водой с образованием Н⁺ и НСО^. Уве­личение напряжения углекислого газа в плазме крови вызывает уменьше­ние величины ее pH. Напряжение СО₂ в плазме крови может быть измене­но функцией внешнего дыхания, а количество ионов водорода или pH — буферными системами крови и НСО7, например путем их выведения через почки с мочой. Величина pH плазмы крови зависит от соотношения кон­центрации растворенного в ней СО₂ и ионов бикарбоната. В виде бикарбо­ната плазмой крови, т. е. в химически связанном состоянии, переносится основное количество углекислого газа —порядка 45 мл/100 мл крови, или до 90 %. Эритроцитами в виде карбаминового соединения с белками гемо­глобина транспортируется примерно 2,5 мл/100 мл крови СО₂, или 5 %. Транспорт углекислого газа кровью от тканей к легким в указанных формах не связан с явлением насыщения, как при транспорте кислорода, т. е. чем больше образуется углекислого газа, тем большее его количество транспор­тируется от тканей к легким. Однако между парциальным давлением СО₂ в крови и количеством переносимого кровью углекислого газа имеется кри­волинейная зависимость: кривая диссоциации углекислого газа.

10.4.2.1. Роль эритроцитов в транспорте СО₂

В крови капилляров тканей организма напряжение СО₂ составляет 5,3 кПа (40 мм рт. ст.), а в самих тканях — 8,0—10,7 кПа (60—80 мм рт. ст.). В ре­зультате СО₂ диффундирует из тканей в плазму крови, а из нее — в эритро­циты по градиенту парциального давления СО₂. В эритроцитах СО₂ обра­зует с водой угольную кислоту, которая диссоциирует на Н⁺ и НСО^. (СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н⁺ + НСОр. Эта реакция протекает быстро, по­скольку СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ катализируется ферментом карбоангидразой мембраны эритроцитов, которая содержится в них в высокой концентра­ции (рис. 10.19). Эта реакция протекает по закону действия масс и в норме выражается в логарифмической форме, известной как уравнение Гендерсо- на—Гассельбаха (см. главу 15).

В эритроцитах диссоциация СО₂ продолжается постоянно по мере обра­зования продуктов этой реакции, поскольку молекулы гемоглобина дейст­вуют как буферное соединение, связывая положительно заряженные ионы водорода. В эритроцитах по мере освобождения кислорода из гемоглобина его молекулы будут связываться с ионами водорода (СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = = Н⁺ + НСО7), образуя соединение (НЬ-Н⁺). В целом это называется эф-

Альвеол, воздух

► СО₂

А. Процессы газообмена СО₂ между клетками тканей и плазмой крови. СО₂ поступает путем диффузии в плазму крови из тканей и дифференцирует внутрь эритроцитов. В эритроцитах СО₂ превращается при участии фермента карбоангидразы мембраны эритроцитов в НСО₃ и в виде этого иона вновь активно транспортируется в плазму крови, в которой в составе бикар­бонатов (NaHCO₃) переносится к капиллярам легких. Водородные ионы, образующиеся при реакции дегидратации Н₂СО₃, захватываются молекулами гемоглобина и также транспортиру­ются кровью от тканей к легким. При транспорте из эритроцитов НСО₃-ионное постоянство внутри эритроцитов поддерживается хлорным сдвигом. Кроме того, СО₂ в эритроцитах непо­средственно соединяется с Nh2 группами белков гемоглобина.

Б. Процессы газообмена СО₂ между плазмой крови и альвеолами легких. В капиллярах легких в эритроцитах под влиянием эффекта Бора происходит диссоциация карбаминовых соедине­ний и СО₂ диффундирует через мембрану эритроцитов и альвеолярную мембрану в просвет альвеол легких.

фектом Холдена, который приводит к сдвигу кривой диссоциации оксиге­моглобина вправо по оси х, что снижает сродство гемоглобина к кислоро­ду и способствует более интенсивному освобождению его из эритроцитов в ткани. При этом в составе соединения НЬ-Н⁺ транспортируется примерно 200 мл СО₂ в одном литре крови от тканей к легким.

Диссоциация СО₂ в эритроцитах может быть лимитирована только бу­ферной емкостью молекул гемоглобина. Образующиеся внутри эритроци­тов в результате диссоциации СО₂ ионы НСО^ с помощью специального белка-переносчика мембраны эритроцитов выводятся из эритроцитов в плазму, а на их место из плазмы крови закачиваются ионы СГ (феномен «хлорного» сдвига) (рис. 10.19). Основная роль реакции СО₂ внутри эрит­роцитов заключается в обмене ионами СГ и НСО7 между плазмой и внут­ренней средой эритроцитов. В результате этого обмена продукты диссо­циации углекислого газа Н⁺ и НСО^ будут транспортироваться внутри эритроцитов в виде соединения (НЬ-Н⁺), а плазмой крови — в виде бикар­бонатов.

Эритроциты участвуют в транспорте углекислого газа от тканей к лег­ким, поскольку СО₂ образует прямую комбинацию с — НН₂-группами бел­ковых субъединиц гемоглобина: СО₂ + НЬ НЬСО₂ или карбаминовое со­единение. Транспорт кровью СО₂ в виде карбаминового соединения и ио­нов водорода гемоглобином зависит от свойств молекул последнего; обе реакции обусловлены величиной парциального давления кислорода в плаз­ме крови на основе эффекта Холдена.