Описано множество генетических вариантов молекул гемоглобина с неизме­ненным сродством к кислороду. Фетальиый гемоглобин (HbF), однако, является примечательным исключением.

Гемоглобин F имеет две гамма (у)-цепи, а не (3-цепи, характерные для НЬА. Кривая диссоциации оксигемоглобина для HbF сдвинута влево. Возможно, это про­исходит из-за того, что 2,3-ДФГ не способен связаться с у-цепями, что обеспечивает высокое сродство гемоглобина к О₂. Данное обстоятельство имеет существенное зна­чение для плода, когда Рас )₂ низкое и плацентарное поглощение О₂ возрастает за счет высокого сродства к О₂.

Доставка кислорода к тканям и его утилизация

До сих пор обсуждение касалось факторов, определяющих содержание кисло­рода, т. е. количество О₂, связанного с гемоглобином и растворенного в плазме. Для обеспечения обмена веществ в периферических тканях ключевой физиологической переменной является доставка кислорода: количество О₂, транспортируемое к тка­ням в единицу времени. Чтобы поддержать аэробный метаболизм и предотвратить образование молочной кислоты в анаэробном цикле, периферические ткани долж­ны постоянно снабжаться О₂. Обстоятельства, которые определяют адекватность О₂-снабжения, разнообразны и включают состояние покоя, физическую нагрузку, ги-перкатаболические состояния и инфекцию.

Системная доставка кислорода

Доставка кислорода к периферическим тканям зависит от количества О₂ в оп­ределенном объеме крбви и уровня кровотока. Хотя объем кровотока к отдельным органам различен, в периферических тканях он в целом равен минутному сердечно­му выбросу (МСВ). Системная доставка кислорода (D()₂) рассчитывается как:

Do₂ = МСВ (л/мин) х О₂ содержание (мл/л). [ 10-7]

Общее содержание О₂ равняется сумме О₂, связанного с гемоглобином, и О_2? растворенного в плазме. Следовательно, уравнение [10-7] может быть представлено

как:

Do_? = МСВ х ([(НЬ) х 1.34 х % насыщения] + [0.0031 х Рао₂]). [ 10-8]

Утилизация кислорода тканями и его артерио-венозмая разница

В условиях основного обмена взрослый человек потребляет около 250 мл О₂ в 1 мин. Однако скорости утилизации О₂ различными тканями значительно отлича­ются.

В зависимости от состояния организма (покой, нагрузка или заболевание) ме­няется фракционное рапределение сердечного выброса к органам. Более того, и эк-(гпракция кцслорода тканями различных органов неодинакова. Например, миокард получает лишь малую фракцию сердечного выброса, но извлекает почти весь дос­тавляемый О₂. Измерение содержания О, в венозной крови, покидающей миокард (н коронарном синусе), выявило большую артерио- венозную разницу кислорода.

Без помещения катетера непосредственно в вену, отходящую от того или иного < 'ргана, нельзя рассчитать органную артерио-венозную разницу О> и, следовательно,

катетера правых отделов сердца позволяет получать пробу крови из правого желу­дочка или легочной артерии и измерять содержание кислорода или насыщение сме­шанной венозной крови (гл. 12). Содержание кислорода в смешанной венозной крови представляет собой усредненную величину для венозной крови от всех органов — и с низким, и с высоким уровнями экстракции О₂.

Правило Фика

Существует тонкое сопряжение между артериальным содержанием О₂, сердеч­ным выбросом, тканевой утилизацией О₂ и содержанием О₂ в смешанной венозной крови. Некоторые заболевания, такие как респираторный дистресс-синдром взрос­лых (гл. 14) и сепсис, сопровождаются нарушением сопряжения между утилизаци­ей О₂ периферическими тканями и доставкой кислорода. Утилизация снижается, когда доставка падает ниже некоторого порога.

Отношение между этими переменными выражается правилом Фика, которое устанавливает, что потребление О₂ (объем в 1 мин) является произведением минут­ного сердечного выброса и артерио-венозной разницы О₂:

Vo. =Qx(Cao₂ -Cvo₂), [10-9]

где: СаО₂ — содержание О₂ в артериальной крови (мл О₂/л),

Cvo₂ — содержание О₂ в смешанной венозной крови (мл О₂/л), Q ~ минутный сердечный выброс (МСВ).

Анализ уравнения Фика показывает, что возросшая кислородная потребность при фиксированном минутном сердечном выбросе вызывает увеличение артерио-венозной разницы О₂. Напротив, снижение метаболических требований при фикси­рованном минутном сердечном выбросе влечет за собой уменьшение этой разницы. Отсюда содержание О₂ в смешанной венозной крови и, следовательно, ее насыщение кислородом и РО₂ зависят от экстракции кислорода тканями и доставки к ним О₂. Используя уравнение [10-9], рассчитаем артерио-венозную разницу кислорода для здорового человека с минутным сердечным выбросом 5 л и потреблением О₂ 250 мл/мин:

250 мл/мин = 5 л/минх (Сао₂- Cvo₂), [10-10]

(Сао₂ - Cvo₂) = 50 мл О₂/л = 5 мл/дл. [10-11]

Если содержание гемоглобина 150 г/л и насыщение артериальной крови кисло­родом нормально, то СаО₂ составит 200 мл/л. Решая уравнение [10-11] относитель-но CvO.,, получаем величину 150 мл/л. С помощью кривой диссоциации оксиге моглобина (для венозной крови) определяем соответствующее РО₂ смешанной ве нозной крови (PvO₂) — 40 мм рт. ст.

В клинической практике содержание О₂ в смешанной венозной крови измеря ют, катетеризируя правые отделы сердца. Содержание О₂ в артериальной крови он ределяют на основании анализа газов артериальной крови. Используя уравнена Фика, рассчитывают МСВ. Скорость потребления О₂ принимается равно) 250 мл/мин. Потребление О₂ может быть рассчитано по результатам анализа кон центрации О₂ в выдыхаемом воздухе. Катетеризация легочной артерии также ис пользуется в клинике для расчета МСВ методом термодилтоции (гл. 12).

Транспорт двуокиси углерода

[рчнячительное количество СО₂. Следовательно,

разделе рассматриваются транспорт СО₂, включая многочисленные формы СО₂ в крови, и кривая диссоциации СО₂.

Транспортные формы СО₂ крови

Двуокись углерода легко диффундирует. Ее способность к диффузии в 20 раз превышает таковую у кислорода. По мере образования в процессе клеточного мета­болизма СО₂ диффундирует в капилляры и транспортируется к легким в трех ос­новных формах: (1) в виде растворенной СО₂, (2) в виде аниона бикарбоната и (3) в виде карбаминовых соединений (рис. 10-4).

Растворенная СО₂

СО₂ очень хорошо растворяется в плазме. Количество растворенной в плазме СО₂ определяется произведением ее парциального давления и коэффициента ра­створимости (а = 0.3 мл/л крови/мм рт. ст.). Около 5 % общей двуокиси углерода в артериальной крови находится в форме растворенного газа.

Анион бикарбоната

Эта форма СО₂ является преобладающей (90 %) в артериальной крови. Бикар-бонатный анион является продуктом реакции СО₂ с водой с образованием Н₂С(>_{ и ее диссоциации на водород и ион бикарбоната:

СО₂ + Н₂О «~> Н₂СО₃о Н⁺ + НСО₃". [10-12]

Реакция между СО₂и Н₂О протекает медленно в плазме и очень быстро в эрит­роцитах, где присутствует внутриклеточный фермент карбоашидраза. Она облегча­ет реакцию между СО₂ и Н₂О с образованием Н₂СО_Л; вторая фаза уравнения [ 10 -121 протекает быстро без катализатора.

По мере накопления HCO_:i внутри эритроцита анион диффундирует через кле­точную мембрану в плазму. Мембрана эритроцита относительно непроницаема для ЬГ, как и вообще для катионов, поэтому ионы водорода остаются внутри клетки. Электрическая нейтральность клетки в процессе диффузии НСО₃ в плазму обеспе­чивается притоком ионов хлора из плазмы в эритроцит, что формирует так называ­емый хлорид ный сдвиг (рис. 10-4).

Часть FT, остающихся в эритроцитах, забуферивается, соединяясь с гемоглоби­ном. В периферических тканях, где концентрация СО₂ высока и значительные коли­чества Н^г накапливаются эритроцитами, связывание Н¹ облегчается деоксигенаци-ей гемоглобина. Восстановленный гемоглобин лучше связывается с протонами, чем оксигенированный. Таким образом, деоксигенация артериальной крови в перифе­рических тканях способствует связыванию H^f посредством образования восстанов­ленного гемоглобина. Это увеличение связывания СО₂ с гемоглобином известно как эффект Холдейна (рис. 10-5).

Карбаминовые соединения

Третьей формой транспорта СО₂являются карбаминовые соединения, образо­ванные в реакции СО₂ с концевыми аминогруппами белков крови. Основным бел­ком крови, связывающим СО_2> является гемоглобин (особенно глобимовая часть молекулы). Этот процесс описывается следующей реакцией:

Hb-NH₂ + СО ₂ <-> Hb-NH COOH <-> Hb-NHCOO + Н⁴ [10-13]

Реакция СО_;,с аминогруппами иротекаетбысфо. Как и вслучае бо.чге лп кого

160 _____

Рис. 10-4. С0₂-

транспорт в кро­ви, иллюстриру­ющий образова­ние НСО~ и кар-баминовых со­единений, хло-ридиый сдвиг и святил ванне Н ⁺ . При hoi-лощении О₂ и высвобожде­нии СО₂ и легоч­ных капиллярах реакции, пред­ставленные па схеме, протекают в обратном па-правлении

единений легче протекает с деоксигенированными формами гемоглобина. Карбами-новые соединения составляют около 5 % общего количества СО₂, транспортируемо­го артериальной кровью.

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

Кривая диссоциации СО₂-гемоглобин

Присутствие в крови всех трех форм СО₂ создает равновесие между растворен­ной СО₂ (РСО₂) и СО₂, химически связанной с другими веществами (рис. 10-5).

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

По мере того, как в периферических тканях происходит отщепление О₂ от гемо­глобина, он присоединяет СО₂все более активно. Отсюда, общее содержание СО₂в крови больше при любом уровне тканевого РСО₂. В этом можно убедиться, сравни­вая кривые диссоциации СО? для полностью деоксигенированной, полностью окси-генироианной и частично оксигенированной крови с РО₂, эквивалентным смешан­ной венозной крови (рис. 10-6).

о ~.,,..„„ч,т,1,^пг»1;и.1гп.т аптрпмя лмтй кпови с РаСО?40 мм рт. ст. содержание СО^

Рис. 10-5. Эффект Холдейна. Свя­зывание СО₂ с гемоглобином уве­личивается при деоксигепации ар­териальной крови. Содержание СО₂ выше при данном Рассь в де­оксигенированной крови

ферических тканях, кровь, прошедшая капилляры, насыщена кислородом на 75 %. При РСО₂ около 46 мм рт. ст. содержание СО₂ в смешанной венозной крови (т. е. крови, входящей в правый желудочек и представляющей смесь венозной крови от всех тканей тела) составляет приблизительно 530 мл/л (рис. 10-6, точка Б). Повы­шенное сродство деоксигенированной крови к СО₂ объясняет добавочные 20-30 мл СО₂/л сверх того, что могло бы быть поглощено без изменения насыщения оксиге­моглобина.

О₂-СО₂ диаграмма

Соотношения между связыванием и транспортом О₂ и СО₂ обобщает О₂-СО₂ диаграмма, представляющая собой график содержания О₂ и СО₂ в крови в зависи­мости от их парциальных давлений (рис. 10-7).

В качестве примера рассмотрим воздействие изменений в уровне РаСО₂ па со­держание О₂ при РаО₂ 40 мм рт. ст. При выраженной гипокапнии (РаСО₂10 мм рт. ст.) и при РаО₂в 40 мм рт. ст. содержание О₂ в крови составляет около 180 мл/л. При РаСО₂ 40 мм рт. ст. та же самая величина Ро₂ обеспечивает содержание О₂ только 150 мл/л (эффект Бора).

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