Фізіологія людини - Вільям Ф. Ґанонґ 2002

Дихання
Транспортування газів між легенями і тканинами
Транспортування кисню

Постачання кисню у тканини

Система організму з постачання у тканини охоплює легені і серцево-судинну систему. Ступінь постачання О₂ у певні тканини залежить від кількості О₂, що потрапляє в легені, адекватності газообміну в легенях, кровопостачання тканини і спроможності крові переносити О₂. Плин крові визначений ступенем звуження судинного русла у тканинах та серцевим викидом. Кількість О₂ у крові зумовлена кількістю розчиненого О₂, кількістю гемоглобіну в крові і спорідненістю гемоглобіну до О₂.

Рис. 35-1. Сумарні рівні РО2 і РО₂ У повітрі, легенях і тканинах графічно відображають факт, що О₂ і СО₂ дифундують донизу уздовж знижувальних ґрадієнтів парціального тиску (відтворено за дозволом з Kinney JM: Transport of carbon dioxide in blood Anesthesiology 1960,21:615).

Реакції гемоглобіну і кисню

Динаміка реакції гемоглобіну з О₂ перетворює його в особливу відповідну сполуку - оксигемоглобін, носій О₂. Гемоглобін (див. Розділ 27) є білком, що складається з чотирьох субодиниць - поліпептидних ланцюгів, кожний з яких приєднується до небілкової частини - гему. У нормі в дорослих більшість гемоглобіну містить два а- і два ß- ланцюги. Гем (див. рис. 27-17) - це комплекс, створений порфірином і одним атомом двовалентного заліза. Кожний з чотирьох атомів заліза може приєднати або віддати одну молекулу О₂. Залізо залишається у двовалентному стані, тому цю реакцію називають оксигенацією, а не окисненням. Записують реакцію гемоглобіну з О₂ так: Нb + O₂ ⇄ НbO₂. Утворену сполуку називають оксигемоглобін. Оскільки він містить чотири Hb-одиниці, то молекулу гемоглобіну можна також записувати як Нb₄; він справді реагує з чотирма молекулами O₂ для утворення Hb₄O₈:

Реакція є стрімкою, триває до 0,01 с. Деоксигенація (відновлення) Нb₄O₈ теж дуже швидка.

Четвертинна структура гемоглобіну визначає його спорідненість до O₂. У дезоксигемоглобіні глобінові одиниці щільно зв’язані у напружену (Н) конфігурацію, яка зменшує спорідненість молекули до O₂. Якщо першим приєднується O₂, то зв’язки, що утримують глобінові одиниці, вивільняються, утворюючи розслаблену (Р) конфігурацію, яка експонує більше сайтів для зв’язування. Остаточним наслідком є посилення спорідненості до O₂ у 500 разів. У тканинах ці реакції оборотні (змінюють напрям), унаслідок чого вивільнюється O₂. Відомо, що перехід від одного стану до іншого за час існування еритроцита відбувається близько 10⁸ разів.

Крива дисоціації оксигемоглобіну - нелінійне співвідношення у відсотках О₂-транспортувальної сили насичення гемоглобіну киснем до Р_О2 (рис. 35-2) - має S-подібну форму, що залежить від Н-Р-взаємозаміни. Комбінація першого гему в молекулі Нb з О₂ посилює спорідненість другого гему для О₂, а оксигенація другого посилює спорідненість третього і так далі, отже, спорідненість Нb для четвертої молекули О₂ у декілька разів більша, ніж для першої.

Якщо кров урівноважується на 100% О₂ (Р_О2 дорівнює 760 мм рт. ст.), то нормальний гемоглобін стає 100% насичений. У разі повного насичення кожний 1 г нормального гемоглобіну вміщує 1,39 мл О₂, хоча кров у нормі містить невелику кількість неактивних похідних гемоглобіну, і рівень, який вимірюють in vivo, є нижчий: традиційно він становить 1,34 мл О₂. У нормі концентрація гемоглобіну крові в середньому 15 г/дл (14 г/дл для жінок і 16 г/дл у чоловіків; див. Розділ 27). Отже, 1 дл крові містить 20,1 мл (1,34 мл X 15) О₂, зв’язаного з гемоглобіном за 100% насичення гемоглобіну. Кількість розчиненого О₂ є в лінійному співвідношенні до РО₂ (0,003 мл/дл крові/мм рт. ст.)

На закінченнях легеневих капілярів in vivo гемоглобін крові на 97,5% насичений О₂ (Р_О2 = 97 мм рт. ст.). Однак невелика частка венозної крові, що обходить легеневі капіляри (фізіологічний шунт), зумовлює лише 97% насиченості гемоглобіну крові у великому колі кровообігу. Тому артеріальна кров містить 19,8 мл О₂ на 1 дл: 0,29 мл у розчині і 19,5 мл, зв’язаного з гемоглобіном. За стану спокою у венозній крові гемоглобін на 75% насичений, і загальний вміст О₂ становить близько 15,2 мл/дл: 12 мл у розчині і 15,1 мл зв’язаного з гемоглобіном. Як бачимо, у спокої тканина вилучає 4,6 мл О₂ з кожного декалітра крові, що проходить через неї (табл. 35-1); 0,17 мл цієї загальної кількості належить О₂, що був у розчинений у крові, а решта - звільнена гемоглобіном. Отже, у стані спокою щохвилини 250 мл О₂ транспортується з крові у тканини.

Рис. 35-2. Крива дисоціації оксигемоглобіну при pH 7,40 і температурі 38°С.

Чинники, що впливають на спорідненість гемоглобіну до кисню

Три важливі чинники впливають на криву дисоціації гемоглобіну: pH, температура і концентрація 2,3-дифосфогліцерату (2,3-ДФГ). Підвищення температури або зменшення pH зміщує криву праворуч (рис. 35-3). Якщо крива зміщується у цьому напрямі, то підвищений Р_О2 потрібний, щоб гемоглобін зв’язувався з оптимальною кількістю О₂. Натомість зниження температури або збільшення pH зміщує криву ліворуч, і знижений Р_О2 необхідний для зв’язування отриманої кількості О₂. Зручним показником для таких зміщень є Р₅₀- РО₂, за якого гемоглобін насичується О₂ наполовину. Чим вищий Р₅₀, тим нижча спорідненість гемоглобіну до О₂.

Зменшення спорідненості О₂ до гемоглобіну, коли pH крові зменшується, називають ефектом Бора; воно тісно пов’язане з фактом, що деоксигенований гемоглобін (дезоксигемоглобін) зв’язує Н⁺ активніше, ніж оксигемоглобін. Показник pH у крові зменшуватиметься зі збільшенням вмісту в ній СО₂ (див. нижче), тому, коли зростатиме Р_СО2, крива зміщуватиметься праворуч, і зростатиме Р₅₀. Більшість ненасиченого гемоглобіну, що трапляється у тканинах, є вторинним для зниження Р_О2, однак додаткові 1-2% ненасичення зумовлюють зростання Р_СО2 і послідовне зміщення кривої дисоціації праворуч.

Еритроцити багаті на 2,3-ДФГ, що формується (рис. 35- 4) з 3-фосфогліцеральдегіду, який є продуктом гліколізу за шляхом Ембдена-Мейєргофа (див. Розділ 17). Це високообмінний аніон, який приєднується до ß-ланцюгів дезокси- гемоглобіну. Один моль дезоксигемоглобіну зв’язує 1 моль 2,3-ДФГ:

У цьому рівнянні збільшення концентрації 2,3-ДФГ зміщує реакцію праворуч, зумовлюючи вивільнення більшої кількості О₂. АТФ приєднується до дезоксигемоглобіну і поширюється менше; деякі органічні фосфати зв’язуються меншою мірою.

До чинників, які впливають на концентрацію 2,3-ДФГ в еритроцитах, належить pH. Оскільки ацидоз інгібує гліколіз в еритроцитах, то концентрація 2,3-ДФГ зменшується, якщо pH низький. Тиреоїдні гормони, гормон росту й андрогени збільшують концентрацію 2,3-ДФГ і Р₅₀.

Таблиця 35-1. Газовий склад крові

Рис. 35-3. Вплив температури та pH на криву дисоціації оксигемоглобіну. Осі координат такі, як на рис. 35-2 (відтворено за дозволом з Comroe JH et al: The Lung: Clinical Physiology and Pulmonary Function Tests, 2nd ed. Year Book, 1962).

Як зазначено, фізичне навантаження збільшує утворення 2,3-ДФГ через 60 хв, хоча у тренованих атлетів збільшення може не виникати. Підвищення Р₅₀ у разі фізичного навантаження настає тому, що температура підвищується в активних тканинах і СО₂, а метаболіти нагромаджуються, зменшуючи pH. Крім того, щораз більше О₂ виводиться з кожної одиниці крові, що протікає через активні тканини, бо Р_СО2 у тканинах знижується. Остаточно при низьких значеннях Р_О2 крива дисоціації гемоглобіну стає крутою, і значна кількість О₂ вивільняється на одиницю зниження Р_О2.

Рис. 35-4. Утворення і катаболізм 2,3-ДРГ.

Стрімке піднімання вгору зумовлює суттєве збільшення концентрації 2,3-ДФГ в еритроцитах з послідовним підвищенням Р₅₀ за наявності О₂ у тканинах. Збільшення 2,3-ДФГ, який має період напівжиття 6 год, є вторинним для збільшення pH крові (див. Розділ 37). Рівень 2,3-ДФГ знижується до норми внаслідок повернення до рівня моря.

Більша спорідненість фетального гемоглобіну (гемоглобіну F), на відміну гемоглобіну дорослих (гемоглобіну А), до О₂ полегшує надходження О₂ від матері до плоду (див. Розділ 27 і 32). Причиною такої збільшеної спорідненості є погане з’єднання з 2,3-ДФГ у-поліпептидних ланцюгів, які замінюють ß-ланцюги у фетальному гемоглобіні. Деякі аномальні гемоглобіни у дорослих мають низький рівень Р₅₀, і кінцева висока спорідненість гемоглобіну до О₂ зумовлює виражену тканинну гіпоксію, яка стимулює збільшене утворення еритроцитів, що спричинює поліцитемію (див. Розділ 24). Цікавим є міркування, що такі гемоглобіни не можуть зв’язувати 2,3-ДФГ.

Концентрація 2,3-ДФГ в еритроцитах збільшується в разі анемії та різноманітних хвороб, що супроводжуються хронічною гіпоксією. Це полегшує постачання О₂ до тканин у випадку підвищення Р_О2, коли О₂ вивільняється у периферійних капілярах. Зберігання крові у спеціальних банках зумовлює зниження рівня 2,3-ДФГ, і спорідненість такої крові для вивільнення О₂ у тканини зменшується. Це зниження, яке, очевидно, обмежує доцільність використання такої крові для переливання хворому з гіпоксією, є меншим, якщо кров зберігають у цитрат-фосфат-декстрозному розчині, а не у звичайному кислотно-цитрат-декстрозному.

Транспортування гемоглобіном оксиду азоту

Сайти двовалентного заліза, що зв’язують у гемоглобіні О₂, також приєднують оксид азоту (NO), однак є один додатковий NO-зв’язувальний сайт на ß-ланцюгах. Спорідненість цього сайту збільшується за допомогою О₂, тому гемоглобін зв’язує NO у легенях і вивільнює його в тканинах, зумовлюючи вазодилатацію (див. Розділ 31).

Отже, гемоглобін виконує чотири функції: сприяє транспортуванню О₂, полегшує транспортування СО₂, відіграє важливу роль як буфер (див. Розділ 39) і транспортує NO.

Інші аспекти хімії гемоглобіну описані у Розділі 27. Фетальний гемоглобін та трансплацентарний обмін О₂ розглянуто у Розділі 32.

Міоглобін

Міоглобін - це залізовмісний пігмент, який є у скелетних м’язах. Він подібний до гемоглобіну, однак зв’язує 1, а не 4 молі О₂. Його крива дисоціації - це прямокутна гіпербола, а не S-подібна крива. Оскільки вона розташована лівіше, ніж гемоглобінова (рис. 35-5), то міоглобін бере О₂ від гемоглобіну в крові, вивільнюючи О₂ тільки за низького рівня Р_О2, однак P_О2 у м’язах під час фізичного навантаження близький до нуля. Вміст міоглобіну найбільший у м’язах, що витримують скорочення. Скорочення м’язів перетискають судини, по яких тече кров, і міоглобін забезпечує О₂, коли кровоплин припинений. Є також докази, що міоглобін полегшує дифузію О₂ з крові у мітохондрії, де відбуваються реакції окиснення. Хоча у мишей з нокаутом гена, відповідального за синтез міоглобіну, простежується нормальна спроможність до фізичних навантажень. Отже, додаткові дослідження фізіологічної ролі міоглобіну потрібні.