Кислород необходим для функционирования всех клеток. Гемоглобин, железосодержащий белок эритроцитов, используется, чтобы связывать кислород, доставлять его в ткани и затем высвобождать по потребности.
Каждая клетка человеческого организма для нормальной жизнедеятельности нуждается в постоянном снабжении энергией. В подавляющем большинстве клеток эта энергия получается в процессе окисления сахаров, прежде всего глюкозы. Фактически можно сказать, что организм сжигает сахара, так же как автомобиль сжигает горючее; этот процесс называется клеточным дыханием.
Глюкоза и кислород доставляются в ткани кровью. Когда два этих вещества вступают в химическую реакцию, они преобразуются в двуокись углерода (углекислый газ) и воду, которые переносятся кровью к специализированным органам (прежде всего легким и почкам) для выведения.
Эритроциты
В каждом кубическом миллиметре крови взрослого человека содержится около 5 млн эритроцитов (красных кровяных клеток).Эти клетки имеют только одну функцию: транспортируют по организму дыхательные газы (кислород и углекислый газ).
Эритроциты производятся в костном мозге. В процессе развития они утрачивают ядро (часть клетки, которая содержит ДНК) и другие системы, отвечающие за синтез белка. Эритроциты человека имеют форму двояковогнутой линзы, которая обеспечивает одновременно достаточно большой объем клетки, чтобы переносить необходимое количество кислорода, и достаточно большую поверхность, чтобы обеспечить высокую скорость газообмена.
Анемия и ее причины
У здорового человека около 40-45% объема крови составляют красные кровяные клетки (это соотношение известно как гематокрит). Если гематокрит падает ниже нормального уровня, развивается анемия. Поскольку средняя продолжительность жизни эритроцита составляет около 120 дней, причинами анемии могут стать, например, слишком быстрое разрушение или, наоборот, слишком медленное производство красных кровяных клеток.Так, при сильном кровотечении кишечник больного может оказаться не в состоянии усвоить достаточное количество железа, чтобы компенсировать потерю гемоглобина.
Еще одна причина снижения транспортной функции гемоглобина - генетические заболевания. Например, при серповидноклеточной анемии нарушается структура гемоглобина части эритроцитов. Патологические клетки хуже, чем нормальные, переносят кислород, легче разрушаются, а характерная серповидная форма затрудняет их прохождение через капилляры. Все эти факторы вместе приводят к развитию анемии.
Роль гемоглобина
Главная составляющая эритроцита, отвечающая за транспорт кислорода, - гемоглобин, сложный белок, разделенный на четыре субъединицы (глобины). Каждая из них состоит из большой полипептидной белковой молекулы и порфириновой группы, содержащей атом железа, -гема. Таким образом, каждая молекула гемоглобина способна обратимо связать четыре молекулы кислорода. Примерно 98% кислорода в крови находится в связанном состоянии. Остальные 2% растворены в плазме.Высвобождение кислорода из эритроцитов
Высвобождение кислорода из гемоглобина запускается нарастанием содержания в крови продукта обмена - двуокиси углерода. Потребность в кислороде зависит от уровня его потребления тканями.Кислород, связанный гемоглобином в легких, высвобождается в непосредственной близости от потребляющих его тканей.
В процессе клеточного дыхания производится большое количество углекислого газа, который диффундирует через клеточную мембрану и капиллярную стенку в плазму крови, а затем внутрь эритроцита. Нарастание концентрации двуокиси углерода внутри клетки запускает процесс высвобождения кислорода, который диффундирует в плазму, а затем в клетки ткани. Таким образом, кислород попадает именно туда, где он в данный момент необходим, а избыток двуокиси углерода уносится из тканей для выведения легкими. Только 23% образовавшегося в процессе обмена веществ углекислого газа переносится эритроцитами. Остальное транспортируется в форме ионов бикарбоната (70%) или растворенным в плазме (7%).
Фетальный гемоглобин
Поскольку концентрация кислорода в крови матери намного выше, чем в крови плода, кислород проходит через плаценту в кровеносную систему развивающегося ребенка в результате простого процесса диффузии. Фетальный гемоглобин (гемоглобин плода) структурно отличается от гемоглобина матери и намного активнее взаимодействует с кислородом. Кроме того, в миллилитре крови плода содержится на 50% больше молекул гемоглобина, чем у матери. Комбинация этих двух факторов гарантирует, что, несмотря на низкий уровень кислорода в крови плода, его ткани, тем не менее, получают достаточное снабжение для роста и развития.Регулирование высвобождения кислорода
После прохождения крови через легочные капилляры она практически полностью оксигенируется (насыщается кислородом). Содержание кислорода достигает 97% кислородной емкости -максимального количества газа, который может быть обратимо связан гемоглобином. Когда кровь через артериальную систему достигает вен, она все еще содержит 75% кислородной емкости. Таким образом, у человека в состоянии покоя в тканях высвобождается только около 25% переносимого кровью кислорода. Избыточная кислородная емкость нужна, чтобы обеспечить транспорт большого количества кислорода в случае необходимости, например, при физической нагрузке.Более того, зависимость между изменением уровня кислорода в тканях и скоростью его высвобождения из гемоглобина носит нелинейный характер (см. график). Поэтому даже небольшое снижение концентрации может вызвать значительный рост количества высвобождающегося кислорода. Вдобавок при физических нагрузках увеличивается кислотность крови и возрастает температура тела. Эти факторы вызывают изменение пространственной структуры гемоглобина, которое приводит к усилению связи с кислородом. Этот механизм позволяет в первую очередь снабжать кислородом те ткани, которые в нем больше всего нуждаются. Например, при беге наиболее нагруженные мышцы бедра получат больше всего кислорода.
Ваше сердце работает как насос, который подталкивает кровь к органам, тканям и клеткам тела. Кровь доставляет кислород и питательные вещества в каждую клетку и удаляет углекислый газ и отходы, производимые этими клетками. Она переносится из вашего сердца в остальную часть тела через сложную сеть артерий, артериол и капилляров, а возвращается через венулы и вены. Если все сосуды уложить в одну линию, то длина такого трубопровода составит около 100 000 километров, что позволит обернуть Землю более двух раз!
Как устроена эта система? Кровеносные сосуды группируются в артерии, капилляры и вены иаждая такая группа имеет свои задачи и цели.
Артерии и артериальная циркуляция
Артерии - это сосуды, которые несут кровь от сердца (исключение - коронарные артерии, снабжающие нашу сердечную мышцу богатой кислородом кровью.) Здоровые артерии крепкие, гибкие и эластичные.
Артерии разветвляются на более мелкие кровеносные сосуды, называемые артериолами. Артерии и артериолы имеют прочные, гибкие стенки, которые позволяют регулировать количество и скорость кровотока, поступающего в другие части тела.
В артерии кровь поступает из аорты. Когда сердце сжимается, оно посылает кровь в артерии под высоким давлением. Артерии состоят из толстых слоев мышц, которые позволяют им расширяться, чтобы выдержать такое давление и пропустить через себя кровь. Расширяясь и сокращаясь в ответ на поток крови из сердца, артерии сохраняют кровоток стабильным при переходе в более мелкие артерии.
Артерии уменьшаются и сужаются, становятся менее эластичными, но более мускулистыми. Эти дополнительные слои гладкой мускулатуры позволяют им поддерживать свой диаметр, даже когда артериальное давление колеблется, когда сердце расширяется и сжимается. Кроме того, когда артерии многократно делятся, давление внутри каждого отдельного кровеносного сосуда резко падает.
Меньшие артерии в конечном счете впадают в крошечные артериолы, которые соединяют артериальную систему с капиллярами. К этому моменту артериальное давление падает практически до нуля.
Капилляры и капиллярная циркуляция
Капилляры - это самые маленькие и тонкостенные кровеносные сосуды. Они создают сеть связей между артериями и венами. Их количество варьируется от 100 до 160 млрд.
Капиллярная циркуляция - еще одна часть нашей системы кровообращения, во время которой происходит обмен кислородом, питательными веществами и отходами (между кровью и частями тела). Таким образом, осуществляется основная работа сердечно-сосудистой системы - кислород доставляется в ткани и органы всего тела, а переработанные вещества в виде углекислого газа доставляются в лёгкие. Все эти процессы возможны благодаря тем самым тонким стенкам капилляров.
Вены и циркуляция крови в них
Капилляры сливаются в венулы, а те, в свою очередь, - в более крупные вены. Вены имеют самые тонкие слои мышц, которые позволяют им растягиваться и принимать больше крови. В итоге, вены содержат большую часть крови в организме, однако переносят её медленнее и при более низком давлении.
Поскольку кровяное давление в венах очень низкое, они не могут вернуть кровь в сердце без сторонней помощи. Для этого есть клапаны, похожие на те, что находятся в самом сердце. Они удерживают кровь, текущую обратно в правое предсердие. Кроме того, сокращение скелетных мышц создает массажное действие на проходящие между ними вены, что особенно важно для возвращения крови из вен в нижних конечностях. Процесс дыхания также помогает вливанию венозной крови в сердце.
Сердечный кровоток
Несмотря на то, что камеры сердца непрерывно накапливают кровь всего организма, сердце само нуждается в отдельном кровоснабжении. Поток крови через собственные кровеносные сосуды сердца известен как коронарная или сердечная циркуляция.
За пределами аортального клапана левая и правая коронарные артерии выходят из аорты, чтобы обеспечить богатую кислородом кровь миокарду или сердечной мышце. Обедненная кислородом кровь возвращается по сердечным венам через коронарный синус и полую вену в правое предсердие.
Большая часть кровотока через коронарные артерии и вены осуществляется, когда сердце расслабляется между ударами.
Из этого всего следует, что наше сердце работает как насос, который подталкивает кровь к органам, тканям и клеткам тела. Кровь доставляет кислород и питательные вещества в каждую клетку и удаляет углекислый газ и отходы, производимые этими клетками. Благодаря крови организм получает не только необходимое питание, но и возможность очищения.
Кровь транспортирует кислород и углекислый газ между легкими и другими тканями организма. Газы переносятся в различной форме: Растворенные в плазме, Химически связанные с гемоглобином, Превращенные в другие молекулы.
Изучить как кислород транспортируется кровью, Изучить как углекислый газ транспортируется кровью, Понять влияние различных факторов на транспорт газов. Что нужно знать: Определение парциального давления, Процессы внешнего и внутреннего дыхания, Определение буфера.
Как кислород диффундирует из альвеол: 98, 5 % кислорода связывается с гемоглобином, 1, 5 % кислорода растворяется в плазме.
Молекула гемоглобина может транспортировать 4 молекулы кислорода. Когда 4 молекулы кислорода связано с гемоглобином – это 100 % насыщение. Когда меньше кислорода связано с гемоглобином – это частичное насыщение. Кислород связывается с гемоглобином вследствие его высокого парциального давления в легких. Кооперативное связывание: аффинность гемоглобина к кислороду растет по мере его насыщения.
Насыщение гемоглобина определяется парциальным давлением кислорода. Кривая диссоциации оксигемоглобина имеет S-образную форму. Плато при высоком парциальном давлении кислорода. Крутой спуск при низком парциальном давлении кислорода.
Человек находится на уровне моря: р. О 2=100 мм рт ст – гнмоглобин насыщен на 98 % Человек на высокогорье: р. О 2=80 мм рт ст – гемоглобин насыщен на 95 % Даже когда уровень р. О 2 снижается на 20 мм рт ст почти нет разницы в насыщении гемоглобина кислородом. При снижении р. О 2, гемоглобин достаточно насыщается кислородом, вследствие высокой аффинности (связывающей способности) гемоглобина и кислорода.
При р. О 2=40 мм рт ст, гемоглобин имеет низкую аффинность к кислороду и насыщается только на 75 %. При сильных мышечных сокращениях уровень р. О 2 в работающей мышцы ниже, чем в покое. Активно сокращающиеся мышцы: Потребляют кислорода больше, Имеют сниженный р. О 2 = 20 мм рт ст. Гемоглобин при этом насыщен кислородом только на 35 %. Так как р. О 2 ниже, гемоглобин отдает больше кислорода такням.
Кроме р. О 2, насыщение гемоглобина зависит от других факторов: р. Н, температура, р. СО 2, дифосфоглицерата. При физических упражнениях: Снижается р. Н Повышается температура Повышается р. СО 2 Повышается концентрация дифосфоглицерата При физических упражнениях аффинность гемоглобина к кислороду снижается, освобождается больше кислорода в работающей мышце. Когда р. Н снижается, кривая сдвигается вправо (увеличивается отдача кислорода). Сходные изменения кривой диссоциации оксигемоглобина наблюдаются при: Повышается температура Повышается р. СО 2 Повышается концентрация дифосфоглицерата
При понижении температуры аффинность гемоглобина к кислороду повышается. Сходные изменения кривой диссоциации оксигемоглобина наблюдаются при: Повышении р. Н, Понижении р. СО 2, Понижении концентрации дифосфоглицерата.
СО 2 диффундирует из клеток тканей. 7 % растворяется в плазме. 93% диффундирует в эритроциты. Из них: 23 % связывается с гемоглобином, 70% превращается в бикарбонаты.
Из общего СО 2 23% связывается с глобином молекулы гемоглобина и формируется карбаминогемоглобин. Карбаминогемоглобин образуется в местах с высокой концентрацией СО 2.
Реакция образования карбаминогемоглобина обратима. В легких, где низкий р. СО 2, СО 2 диссоциирует от карбаминогемоглобина.
Из общего СО 2 крови 70 % превращается в бикарбонаты в эритроцитах. В местах с высоким р. СО 2, СО 2 связывается с Н 2 О с формированием угольной кислоты. Эта реакция катализируется карбангидразой. Угольная кислота диссоциирует на ионы Н и бикарбонатный ион. Ион Н+ связывается с гемоглобином. В обмен на ион бикарбоната, выходящий из эритроцита, в эритроцит входит ион CL-, чтобы поддержать электрическое равновесие. В плазме ион бикарбоната действует как буфер, контролируя р. Н плазмы
В легких СО 2 диффундирует из плазмы в альвеолы. Это снижение р. СО 2 плазмы вызывает инверсию химической реакции. Ион бикарбоната диффундирует обратно в эритроцит в обмен на ион CL-. Ион Н+ соединяется с бикарбонатным ионом, чтобы сформировать угольную кислоту. Угольная кислота распадается на СО 2 и Н 2 О. Эта обратная реакция также катализируется карбангидразой.
Когда гемоглобин насыщается кислородом, его аффинность к СО 2 падает. Насыщение гемоглобина кислородом усиливает выход СО 2. Это называется эффектом Холдейна.
Взаимодействие между связываением иона водорода и аффинность гемоглобина к кислороду называется эффектом Бора. При образовании ионов водорода, насыщение углекислым газом облегчает выход кислорода.
Кислород транспортируется двумя способами: Растворяется в плазме, В связи с гемоглобином в виде оксигемоглобина. Насыщение гемоглобина кислородом зависит от: р. О 2 р. Н Температуры р. СО 2 Уровня дифосфоглицерата Транспорт СО 2 происходит тремя способами: Растворенный в плазме В связи с гемоглобином в виде карбаминогемоглобина Превращенный в бикарбонат
Присоединение кислорода облегчает выход углекислого газа из карбаминогемоглобина. Это называется эффектом Холдейна. Насыщение крови углекислым газом и увеличение при этом уровня ионов водорода облегчает выход кислорода из гемоглобина. Влияние снижения р. Н на выход кислорода из гемоглобина известен как эффект Бора.
Связывание кислорода гемоглобином. Кислород, поступающий в кровь, сначала растворяется в плазме крови. При Ри0 100 мм рт. ст. в 100 мл плазмы растворяется всего 0,3 мл 02. Хотя растворенного кислорода и немного, но эта его форма играет важную промежуточную роль в газообмене. Такой кислород по градиенту концентрации проникает через мембрану эритроцита и сначала растворяется в его цитоплазме. Только после этого 02 вступает в соединение с Ре2+ гема и образует соединения, которые называют окси-гемоглобином (НЬ02). При этом валентность железа не изменяется. Оксигемоглобин - маломощная соединение, которое легко распадается в тканях. Прямую реакцию именуют оксигенацией, а обратный процесс, что происходит в тканях, - дезоксигенацією гемоглобина (рис. 83).
Каждая молекула гемоглобина способна присоединить четыре молекулы кислорода, что в пересчете на 1г гемоглобина означает 1,34 мл 02. Зная уровень гемоглобина крови, легко подсчитать кислородную емкость крови (КЕК):
КЕК = НЬ- 1,34.
Например: 15 o 1,34 = 20 (мл) кислорода содержится в 100 мл крови. Учитывая то, что те самые 100 мл крови содержат лишь 0,3 мл растворенного 02, можно сделать вывод, что основное количество кислорода, который транспортируется кровью, химически связан с гемоглобином.
Рис. 83.
Ассоциация и диссоциация оксигемоглобина
Интенсивность образования (ассоциации) оксигемоглобина обусловлена парциальным напряжением 02 в крови: чем выше уровень Р0 , тем больше образуется оксигемоглобина. Однако зависимость эта не прямо пропорциональная. Она имеет вид 8-образной кривой, определять которую удобнее за скоростью диссоциации оксигемоглобина (рис. 84). 8-образный характер ее определяется тем, что с увеличением количества молекул 02, которые присоединяются к каждой молекулы оксигемоглобина, этот процесс протекает активнее (автокаталіз). Так, если при отсутствии кислорода в крови (Р0 = 0) оксигемоглобина нет, а при Р0 = 10 мм рт. ст. 10 % гемоглобина переходит в оксигемоглобин, то при Р0 = 20 мм рт. ст. содержится уже около 30 % оксигемоглобина, а при Р0 = 40 мм рт. ст. - около 80 % оксигемоглобина, приР0 = 100 мм рт. ст. в крови будет содержаться около 100 % оксигемоглобина.
Необходимо уделить особое внимание двум участкам кривой: верхней, идущей почти параллельно оси ординат, и средний - резко падает вниз. Конфигурация первого участка свидетельствует о способности гемоглобина активно захватывать 02 в легких, а второй-легко отдавать его в тканях. Так, в процессе поглощения 02 кровью в легких уже при Р0а= 60 мм рт. ст. почти весь гемоглобин может присоединить кислород (более 90 % оксигемоглобина).
Рис. 84. в условиях нормы; 2 - за увеличения рН или температуры; С - за снижения рН или температуры; 4 - Р50О2
В смешанной венозной крови, полученной из правого предсердия, при Р0 в 40 мм рт. ст. содержание оксигемоглобина еще превышает 70 %. При КЕК в 20 мл1100 мл он составляет еще около 15 мл1100 мл крови создает резерв 02. Начиная со значения Р0 40 мм рт. ст., кривая круто опускается вниз. Вследствие даже незначительного уменьшения Р0 ниже 40 мм рт. ст., что происходит в тканях в случае более интенсивного их функционирования, скорость диссоциации оксигемоглобина резко увеличивается. Это обеспечивает значительное ускорение поступления кислорода к тканям из предыдущего объема крови. Например, при Рю, что равняется 20 мм рт. ст., оксигемоглобина остается лишь 30 %. Итак, ткани из каждых 100 мл крови получают уже не 5 мл кислорода, как в условиях нормы, а около 14 мл, то есть почти втрое больше.
Можно отметить, что благодаря такой особенности гемоглобина человек может жить высоко в горах, выполнять интенсивную мышечную работу и не всегда умирать от недостатка 02 при снижении уровня гемоглобина крови (анемии), затруднении газообмена через мембрану (например при пневмонии).
Изменение наклона кривой диссоциации оксигемоглобина.
Наклон кривой, т. е. скорость диссоциации оксигемоглобина в крови человека, не постоянен и в некоторых условиях может меняться. Скорость диссоциации оксигемоглобина обусловлено химическим сродством гемоглобина к 02 и некоторых внешних факторов, которые изменяют характер кривой. К таким факторам относятся температура, рН, Рго.
Форма кривой диссоциации оксигемоглобина в значительной степени зависит от концентрации в крови ионов Н+. При снижении рН кривая сдвигается вправо, что свидетельствует об уменьшении сродства гемоглобина с 02 и активации поступления его в ткани. Повышение рН увеличивает сродство и сдвигает кривую влево - возрастает поступление кислорода в кровь. Влияние рН на сродство гемоглобина с 02 называется эффектом Бора. Эффект Бора при многих состояниях в норме и патологии играет существенную роль в газотранспортной функции крови. Образование большого количества СО2 в тканях способствует увеличению отдачи 02 за счет снижения сродства гемоглобина с 02, а выделение СО2 в легких, уменьшая рН крови, наоборот, улучшает оксигенацию. СО2 также влияет на кривую диссоциации оксигемоглобина.
При снижении температуры отдача 02 окси-гемоглобином замедляется, а повышение температуры ускоряет этот процесс.
Показателем, характеризующим интенсивность применения кислорода тканями, является различие уровня оксигемоглобина крови, притекающей и оттекающей (артериовенозное различие по кислороду, АВР-02).
Таким образом, практическое отсутствие в организме запасов кислорода компенсируется возможностью резкого увеличения применения его из кровотока за счет повышения АВР-02. Интенсивное функционирование тканей, когда больше образуется СО2, Н+ и повышается температура, создает условия для увеличения доставки кислорода клеткам.
Отравления угарным газом.
Оксид углерода (СО) имеет большую (примерно в 350 раз) сродство с гемоглобином, чем кислород. Поэтому даже при очень малых его концентрациях в воздухе, а следовательно, и крови, образуются соединения карбоксигемоглобина (НЬСО). В связи с тем, что это соединения устойчивы, способность гемоглобина связывать кислород резко снижается. Обусловлено это тем, что СО связывается с молекулами железа в хэме, а при этом происходит сдвиг кривой диссоциации влево. В результате даже свободные молекулы гемоглобина хуже взаимодействуют с кислородом.
Диссоциация карбоксигемоглобина происходит очень медленно, поэтому в случае легкой степени отравления пострадавшего необходимо вынести на свежий воздух или давать кислород для дыхания.