Клиническая значимость: точка Пастера и анаэробный метаболизм

Кислородный каскад

Концепция каскада О₂ объединяет области физиологии дыхания, рассмотренные в предыдущих главах. В экзаменационной обстановке он позволяет экзаменатору оценить ваши знания более чем по одной теме в рамках одного вопроса.

Что такое кислородный каскад?

Аэробный метаболизм - самый эффективный способ производства энергии в организме. Напряжение О₂ (PО₂) в атмосфере (21,2 кПа) и в митохондриях (<5 кПа). Каскад О₂ относится к ступенчатому снижению PО₂ по мере того, как О₂ переходит из окружающей среды в ткани (рис. 19.1).

Этапы кислородного каскада

Ступеньки каскада О₂ следующие:

- Атмосфера. P_B на уровне моря составляет 101,325 кПа, а FiО₂ сухого воздуха - 20,93%. Атмосферное PО₂ рассчитывается следующим образом:

PО₂ = PB * FiО₂ ⇒PО₂ = 101,325 * 20,93% = 21,2 кПа

- Трахея. К тому времени, когда воздух достигает грудины, он полностью насыщается водяным паром. Вода имеет давление насыщенного пара P_{SVP water} 6,3 кПа при 37°С. PО₂ увлажненного воздуха в трахеи рассчитывается следующим образом:

PО₂ = (P_B - P_SVPwater) * FiО₂

⇒PО₂ = (101,325 - 6,3) * 20,93% = 19,9 кПа

- Альвеола. P_AО₂ в основном зависит от FiО₂, P_B и V_A, как описано AGE (см. главу 18):

P_AО₂ = FiО₂ (P_B - P_SVPwater) - PaCО₂/R

- P_AО₂ может быть рассчитан с использованием типичных значений:

PaCО₂ = 5,3 кПа и R = 0,8:

P_AО₂ = 20,93% (101,325 − 6,3) − 5,3/0,8

⇒P_AO₂ = 13,3 кПа

- Артериальная кровь. Существует "ступенчатое" снижение PО₂ между альвеолой и системными артериями. Этот градиент A-a является результатом трёх факторов:

* Диффузия через альвеолярно-капиллярный барьер. В норме достаточно времени для диффузии О₂ через альвеолярно–капиллярный барьер, то есть для уравновешивания P_AО₂ и легочного капилляра PО₂ при 13,3 кПа. В этом случае перенос О₂ называется ограниченным по перфузии (см. главу 10). Однако в лёгких с утолщённым альвеолярно-капиллярным барьером или уменьшенной площадью альвеолярной поверхности О₂ может стать диффузионно ограниченным; лёгочный капилляр PО₂ тогда становится на ступень ниже, чем P_AО₂.

* Шунты. Обычно имеется небольшой анатомический шунт справа налево, возникающий из бронхиального кровообращения и фебезиальных вен (см. главу 14).

* Несоответствие V/Q. Любая область лёгкого с относительно большей перфузией, чем вентиляция, приводит к функциональному шунтированию справа налево, вызывая дальнейшее снижение PaО₂ (см. главу 15). Нормальная физиологическая фракция шунта (сумма анатомических и функциональных шунтов) составляет 2-5%, что соответствует падению PaО₂ до 13,0 кПа.

- Тканевые капилляры. По мере того как О₂ поглощается тканями, PО₂ постепенно падает от артериального конца к венозному концу капилляра. Однако не вся артериолярная кровь течёт через капилляры: прекапиллярные сфинктеры контролируют, сколько крови поступает в каждую капиллярную сеть. Оставшаяся кровь обходит капилляры и поступает непосредственно в венулы через артериовенозные анастомозы, которые у человека, скорее всего, представляют собой расширенные капиллярные русла скелетных мышц.

- Митохондрии. Митохондриальный PО₂ значительно ниже, чем в артериальной крови, и связан с метаболической активностью тканей. Например, при тренировке скелетных мышц использование О₂ высоко, и поэтому митохондриальный PО₂ очень низок. Поэтому между капиллярной кровью и митохондриями существует большой градиент парциального давления О₂, увеличивающий скорость диффузии О₂. Кроме того, метаболиты (например, H⁺ и CО₂) вызывают артериолярную вазодилатацию, увеличивая местный кровоток и, следовательно, доставку О₂.

Клиническая значимость: точка Пастера и анаэробный метаболизм

Если митохондриальный PО₂ падает ниже критической точки (между 0,15 и 0,3 кПа), то напряжение О₂ оказывается недостаточным для аэробного метаболизма. Затем анаэробный метаболизм становится доминирующим механизмом производства АТФ. Этот критический порог называется точкой Пастера.

Чтобы митохондриальный PО₂ был адекватным, уровень PО₂ в капиллярной крови должен быть достаточно высоким, чтобы О₂ легко диффундировал из крови в ткани. Хорошо насыщенная капиллярная кровь зависит от всех предшествующих стадий каскада О₂. Анаэробный метаболизм может возникнуть при нарушении любой из "ступеней" каскада. Например:

- Большая высота снижает атмосферный PО₂, начальную точку каскада. Все последующие ступени будут иметь более низкий уровень PО₂, чем на уровне моря.

- Гиповентиляция увеличивает PaCО₂, что, в свою очередь, уменьшает P_AО₂ (см. главу 18).

- Пневмония вызывает несоответствие V/Q, что приводит к снижению PaО₂.