Транспорт газов кровью

Практически весь О2 (около 20 об% - 20 мл О2 на 100 мл кро­ви) переносится кровью в виде химического соединения с гемогло­бином. В виде физического растворения транспортируется только 0,3 об%. Однако эта фаза весьма важна, так как О2 из капилляров к тканям и О2 из альвеол в кровь и в эритроциты проходит через плазму крови в виде физически растворенного газа.

А. Свойства гемоглобина и его соединения. Этот красный кровяной пигмент, содержащийся в эритроцитах как переносчик О2, обладает замечательным свойством присоединять О2, когда кровь находится в легком, и отдавать О2, когда кровь проходит по капиллярам всех органов и тканей организма. Гемоглобин являет­ся хромопротеидом, его молекулярный вес составляет 64500, он состоит из четырех одинаковых групп – гемов. Гем представляет собой протопорфирин, в центре которого расположен ион двухва­лентного железа, играющего ключевую роль в переносе О2. Кисло­род образует обратимую связь с гемом, причем валентность желе­за не изменяется. При этом восстановленный гемоглобин (НЬ) становится окисленным НbО2, точнее, Нb(О2)4. Каждый гем при­соединяет по одной молекуле кислорода, поэтому одна молекула гемоглобина связывает четыре молекулы О2. Содержание гемогло­бина в крови у мужчин 130-160 г/л, у женщин 120-140 г/л. Ко­личество О2, которое может быть связано в 100 мл крови, у мужчин составляет около 20 мл (20 об%) – кислородная емкость крови, у женщин она на 1-2 об% меньше, так как у них меньше Нb. После разрушения старых эритроцитов в норме и в результате патологических процессов прекращается и дыхательная функция гемоглобина, поскольку он частично «теряется» через почки, частично фагоцитиру­ется клетками мононуклеарной фагоцитирующей системы.

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истин­ному окислению. При этом железо из двухвалентного превраща­ется в трехвалентное. Окисленный гем носит название гематина (метгема), а вся полипептидная молекула в целом – метгемоглобина. В крови человека в норме метгемоглобин содержится в незначительных количествах, но при отравлениях некоторыми ядами, при действии некоторых лекарств, например, кодеина, фенацетина, его содержание увеличивается. Опасность таких состояний заключа­ется в том, что окисленный гемоглобин очень слабо диссоциирует (не отдает О2 тканям) и, естественно, не может присоединять до­полнительно молекулы О2, то есть он теряет свои свойства пере­носчика кислорода. Так же опасно соединение гемоглобина с угар­ным газом (СО) – карбоксигемоглобин, поскольку сродство гемоглобина к СО в 300 раз больше, чем к кислороду, и НbСО дис­социирует в 10000 раз медленнее, чем НbО2. Даже при крайне низ­ких парциальных давлениях угарного газа гемоглобин превращает­ся в карбоксигемоглобин: НЬ+СО = НbСО. В норме на долю НbСО приходится лишь 1 % общего количества гемоглобина крови, у ку­рильщиков – значительно больше: к вечеру оно достигает 20%. Если в воздухе содержится 0,1% СО, то около 80% гемоглобина переходит в карбоксигемоглобин и выключается из транспорта О2. Опасность образования большого количества НbСО подстерегает пассажиров на автомобильных дорогах. Известно много случаев со смертельным исходом при включении двигателя автомобиля в га­раже в холодное время года с целью обогрева. Первая помощь по­страдавшему заключается в немедленном прекращении его контак­та с угарным газом.

Б. Образование оксигемоглобина происходит в капиллярах легких очень быстро. Время полунасыщения гемоглобина кислоро­дом составляет всего лишь 0,01с (длительность пребывания крови в капиллярах легких в среднем 0,5с). Главным фактором, обеспе­чивающим образование оксигемоглобина, является высокое парци­альное давление О2 в альвеолах (100мм рт.ст.).

Имеется ряд вспомогательных факторов, способству­ющих оксигенации крови. 1) отщепление от карбогемоглобина СО2 и удаление его (эффект Вериго); 2) понижение температуры в лег­ких; 3) увеличение рН крови (эффект Бора). Следует также отме­тить, что с возрастом связывание О2 гемоглобином ухудшается.

В. Диссоциация оксигемоглобина происходит в капиллярах, когда кровь от легких приходит к тканям организма. При этом ге­моглобин не только отдает О2 тканям, но и присоединяет образо­вавшийся в тканях СО2. Главным фактором, обеспечивающим диссоциацию оксигемоглобина, является падение Ро2, который бы­стро потребляется тканями. В межклеточной жидкости Ро2 уменьшается до 5-20мм рт.ст., а в клетках падает до 1мм рт.ст. и меньше (когда Ро2 в клетке становится равным 0,1мм рт.ст., клетка погибает). Поскольку возникает большой градиент Ро2 (в пришедшей артери­альной крови он около 95мм рт.ст.), диссоциация оксигемоглоби­на идет быстро, и О2 переходит из капилляров в ткань. Длительность полудиссоциации равна 0,02с (время прохождения каждого эритроцита через капилляры большого круга около 2,5с), что дос­таточно для отщепления О2 (огромный запас времени).

Кроме главного фактора (градиента Ро2) имеется и ряд вспо­могательных факторов, способствующих диссоциации окси­гемоглобина в тканях. К ним относятся: 1) накопление СО2 в тканях; 2) закисление среды; 3) повышение температуры.

Таким образом, усиление метаболизма любой ткани ведет к улучшению диссоциации оксигемоглобина. Кроме того, диссоциа­ции оксигемоглобина способствует 2,3-дифосфоглицерат – про­межуточный продукт окисления глюкозы. При гипоксии его образуется больше, что улучша­ет диссоциацию оксигемоглобина и обеспечение тканей организма кислородом. Ускоряет диссоциацию оксигемоглобина также и АТФ, но в значительно меньшей степени, так как 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах содержится в 4-5 раз больше, чем АТФ.

Транспорт углекислого газа.

Транспорт углекислого газа, как и кислорода, осуществляется кровью в виде физического растворения и химической связи. Причем СО2, как и О2, переносится и плазмой, и эритроцитами (И.М.Сеченов, 1859). Однако соотношение фракций СО2, перено­симых плазмой и эритроцитами, существенно отличается от тако­вых для О2.

Следует отметить, что некоторое увеличение содержания СО2 в крови оказывает благоприятное влияние на организм: увеличива­ет кровоснабжение мозга и миокарда, стимулирует процессы био­синтеза и регенерацию поврежденных тканей. Увеличение содер­жания СО2 в крови стимулирует также сосудодвигательный и дыхательный центры.

Диссоциация соединений углекислого газа. В легких проис­ходят обратные процессы – выделение из организма СО2 (за сутки выделяется около 850г СО2). В первую очередь начинается выход в альвеолы физически растворенного СО2 из плазмы крови, посколь­ку парциальное давление Рсо2 в альвеолах (40мм рт.ст.) ниже, чем в венозной крови (46мм рт.ст.). Это ведет к уменьшению напряже­ния Рсо2 в крови. Причем, присоединение кислорода к гемоглобину ведет к уменьшению сродства углекислого газа к гемоглобину и расщеплению карбогемоглобина (эффект Холдена).

В процессе дыхания регулируется рН внутренней среды вслед­ствие удаления СО2 из организма, так как Н2СО3 диссоциирует на Н2О и СО2. При этом предотвращается закисление внутренней сре­ды организма постоянно образующейся Н2СО3.

РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ

Организм осуществляет тонкое регулирование напряжения О2 и СО2 в крови – их содержание остается относительно постоянным, несмотря на колебания количества доступного кислорода и потреб­ности в нем, которая во время интенсивной мышечной работы мо­жет увеличиваться в 20 раз. Частота и глубина дыхания регулиру­ются дыхательным центром, нейроны которого расположены в различных отделах ЦНС; главными из них являются продолгова­тый мозг и мост. Дыхательный центр по соответствующим нервам ритмично посылает к диафрагме и межреберным мышцам импуль­сы, которые вызывают дыхательные движения. В основе своей ритм дыхания является непроизвольным, но может изменяться в некоторых пределах высшими центрами головного мозга, что свидетель­ствует о возможности произвольного влияния на нижележащие отделы дыхательного центра.

Саморегуляция вдоха и выдоха

Локализация дыхательного центра. В продолговатом мозге находится главная часть дыхательного центра. Об этом свидетельствуют исследования П.Флуранса (1794-1867). Он обнаружил, что разрушение медиальной части продолговатого мозга в нижнем углу ромбовидной ямки ведет к полной остановке дыхания. Позже (1885) Н.А.Миславский уста­новил наличие двух структур, ответственных за вдох и выдох.

Мост играет важную роль в регуляции продолжительности фаз вдоха, выдоха и паузы между ними.

Мотонейроны спинного мозга получают импульсы от нейро­нов продолговатого мозга и посылают их к дыхательным мышцам по диафрагмальному и межреберным нервам. Центр диафрагмальных нервов находится в основном в 3-4-м шейных сегментах спин­ного мозга. Центры межреберных нервов, иннервирующих мускулатуру грудной клетки, локализуются в грудном отделе спинного мозга (4-10 сегменты), иннервация мышц живота осуществляется Тh4 - L3-сегментами.

В регуляции дыхания принимают участие также средний мозг, гипоталамус, лимбико-ретикулярный комплекс, кора мозга.

Дыхательные нейроны (нейроны, которые возбуждаются в различные фазы дыхательного цикла) обнаружены почти на всем протяжении продолговатого мозга. Однако в обеих половинах продолговатого мозга есть участки ретикулярной формации, где имеются основные скопления дыхательных нейронов. В правой и левой половинах продолговатого мозга имеется по два таких скопления – дорсальное и вентральное. Они локализуются вбли­зи задвижки, которая расположена у нижнего угла ромбо­видной ямки.

Нейронная организация автоматии дыхательного цен­тра. Под автоматией дыхательного центра понимают циркуляцию возбуждения в его нейронах, обеспечивающую саморегуляцию вдоха и выдоха. Взаимодействие нейронов дыхательного центра заключается в следующем. Ритмическая смена вдоха и выдоха (постоянное их чередование) обеспечивается циркуляцией возбуждения в дыхательных нейронах продолговатого мозга – глав­ной части дыхательного центра, а также взаимодействием импульсации нейронов продолговатого мозга с импульсацией дыхательных нейронов моста и рефлексогенных зон, главной из которых явля­ется легочная (механорецепторы). При этом эфферентные импуль­сы ритмично поступают по диафрагмальному и межреберным не­рвам к дыхательным мышцам, что ведет к их сокращению (вдох). Прекращение импульсации сопровождается расслаблением дыха­тельной мускулатуры (выдох).

Роль рефлексогенных зон в регуляции вдоха и выдоха. Роль блуждающих нервов в регуляции вдоха и выдоха доказали Геринг и Брейер в опыте с раздуванием легких воздухом в различные фазы дыхательного цикла. Оказалось, что раздувание легких воздухом тормозит вдох, после чего наступает выдох. Уменьшение объема легких (забор воздуха) тормозит выдох, ускоряет вдох. После перерезки блуждающих нервов раздувание легких не изменяет харак­тер дыхания – тормозной эффект отсутствует.

Значение проприорецепторов дыхательных мышц в регуля­ции дыхания является таким же, как и для всей скелетной муску­латуры. Причем главную роль играют проприорецепторы (мышеч­ные веретена и сухожильные рецепторы) межреберных мышц и мышц стенки живота, которые содержат большое количество этих рецепторов. Импульсация от проприорецепторов усиливает сокра­щение дыхательной мускулатуры и способствует смене вдоха на выдох.

Рецепторы верхних дыхательных путей – в основном холодовые, при своем возбуждении оказывают слабое тормозящее вли­яние на дыхание.

Раздражение обонятельных рецепторов пахучими веще­ствами в умеренной концентрации вызывает короткие вдохи - принюхивание. Сильное раздражение оболочек воздухоносных пу­тей (пыль, едкие пары, например аммиака, и инородные тела) вызывает возбуждение окончаний тройничного нерва – возникает чихание, возможна остановка дыхания. Раздражение рецепторов гортани и трахеи сопровождается кашлем. Чихание, кашель, смы­кание голосовых связок и сужение бронхов, препятствующие по­паданию инородных частиц в нижние дыхательные пути, – это за­щитные рефлексы. К этой же категории относится и так называемый рефлекс ныряльщиков – рефлекторное апноэ при действии воды на область нижних носовых ходов.

Сильное возбуждение тепловых или холодовых рецепторов кожи может привести к возбуждению дыхательного центра и уси­лению дыхания. Однако погружение человека в холодную воду тор­мозит выдох, и возникает затяжной вдох.

Повышение температуры тела при заболеваниях также сопровождается увеличением вентиляции легких.

Незначительное понижение температуры тела стимули­рует дыхание, а глубокая гипотермия угнетает дыхательный центр.

Нейрогуморальная регуляция интенсивности дыхания

В опытах Фредерика и Холдена установлено, что главным сти­мулятором дыхания является СО2. Позже было показано, что увеличение содержания СО2 в альвеолах на 0,2% ведет к увеличе­нию вентиляции легких на 100%. При снижении рН артериаль­ной крови по сравнению с нормальным уровнем (7,4) вентиляция легких увеличивается. В случае возрастания рН выше нормы вен­тиляция уменьшается, хотя и в меньшей степени. Увеличение со­держания СО2 в крови стимулирует дыхание как за счет снижения рН, так и непосредственным действием самого СО2.

Влияние СО2 и ионов Н+ на дыхание опосредованно, главным образом, их действием на особые структуры ствола мозга, облада­ющие хемочувствительностью (центральные хеморецепторы). Хеморецепторы, реагирующие на изменение газового состава кро­ви, обнаружены в стенках сосудов только в двух областях – в дуге аорты и синокаротидной области (вне сосудов).

Снижение напряжения О2 в артериальной крови (гипоксемия) ниже 50-60мм рт.ст. сопровождается увеличением вентиляции лег­ких уже через 3-5 с. В норме такого сильного падения напряжения О2 не встречается, однако артериальная гипоксия может возник­нуть при подъеме на высоту, при сердечно-легочной патологии. Сосудистые хеморецепторы (аортальные и синокаротидные) возбуждаются и при нормальном напряжении газов крови, их ак­тивность сильно возрастает при гипоксии и исчезает при дыхании чистым кислородом. Стимуляция дыхания при снижении напряжения О2 опосредована исключительно периферическими хеморецепторами. Аортальные и каротидные тельца возбуждаются (импульсация от них учащается) при повышении напряжения СО2 или при уменьшении рН. Однако влияние СО2 с хеморецепторов выражено меньше, нежели О2.

Весьма важным является тот факт, что гипоксемия стимулиру­ет дыхание значительно больше, если она сопровождается гиперкапнией, что наблюдается при физической работе: гипоксемия увеличивает реакцию на СО2. Однако при значительной гипоксемии вследствие снижения окислительного метаболизма уменьша­ется чувствительность центральных хеморецепторов. В этих усло­виях решающую роль в стимуляции дыхания играют сосудистые хеморецепторы, активность которых повышается, так как для них адекватным раздражителем является снижение напряжения кис­лорода в артериальной крови (аварийный механизм стимуляции ды­хания). Таким образом, сосудистые хеморецепторы преимуще­ственно реагируют на снижение в крови уровня кислорода, центральные хеморецепторы реагируют преимущественно на изменения в крови и спинномозговой жидкости рН и Рсо2.

Прессорецепторы каротидного синуса и дуги аорты так­же играют некоторую роль в регуляции дыхания. При повышении артериального давления увеличивается афферентная импульсация в синокаротидном и аортальном нервах, что ведет к некоторому угнетению дыхательного центра и ослаблению вентиляции легких. Напротив, при снижении кровяного давления и уменьшении аффе­рентной импульсации в ствол мозга от сосудистых прессорецепторов дыхание несколько усиливается.

Некоторые гормоны (адреналин, прогестерон при беременности) усиливают дыхание.