Диффузия газов через аэрогематический барьер

 

В организме газообмен О₂ и СО₂ через альвеолярно-капиллярную мембрану происходит с помощью диффузии. Диффузия О₂и СО₂ через аэрогематический барьер зависит от следующих факторов: вентиляции дыхательных путей; смешивания и диффузии газов в альвеолярных протоках и альвеолах; смешивания и диффузии газов через аэрогематический барьер, мембрану эритроцитов и плазму альвеолярных капилляров; химической реакции газов с различными компонентами крови, и наконец от перфузии кровью легочных капилляров.

Диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану лег­ких осуществляется в два этапа. На первом этапе диффузионный перенос газов происходит по концентрационному градиенту через тонкий аэрогематический барьер, на втором — происходит связы­вание газов в крови легочных капилляров, объем которой составляет 80—150 мл, при толщине слоя крови в капиллярах всего 5—8 мкм и скорости кровотока около 0,1 мм*с^-1. После преодоления аэрогематического барьера газы диффундируют через плазму крови в эритроциты.

Значительным препятствием на пути диффузии О₂является мем­брана эритроцитов. Плазма крови практически не препятствует диффузии газов в отличие от альвеолярно-капиллярной мембраны и мембраны эритроцитов (рис. 8.6).

Общие закономерности процесса диффузии могут быть выражены в соответствии с законом Фика следующей формулой:

 

M/t=ΔP/XCKα;

где М — количество газа, t — время, M/t — скорость диффузии, ΔР — разница парциального давления газа в двух точках, X — расстояние между этими точками, С — поверхность газообмена, К — коэффициент диффузии, α;— коэффициент растворимости газа.

В легких ΔР является градиентом давлений газа в альвеолах и в крови легочных капилляров. Проницаемость альвеолярно-капиллярной мембраны прямо пропорциональна площади контакта между функционирующими альвеолами и капиллярами (С), коэффициен­там диффузии и растворимости (К и α;).

Анатомо-физиологическая структура легких создает исключи­тельно благоприятные условия для газообмена: дыхательная зона каждого легкого содержит около 300 млн. альвеол и приблизительно аналогичное число капилляров, имеет площадь 40—140 м², при толщине аэрогематического барьера всего 0,3—1,2 мкм.

Особенности диффузии газов через аэрогематический барьер ко­личественно характеризуются через диффузионную способность лег­ких. Диффузионную способность легких, например для Ог, можно определить по формуле:

 

DLo₂=Vo₂/(Pao₂-P α;o₂) мл•мин.

где DLo₂ — диффузионная способность легких, Vo₂ — количество потребляемого кислорода, РАо₂ и Рао₂ — парциальное давление и напряжение кислорода соответственно в альвеолярном воздухе и в артериальной крови.

Для Ог диффузионная способность легких — это объем газа, переносимого из альвеол в кровь в минуту при градиенте альвеолярно-капиллярного давления газа 1 мм рт.ст. Согласно закону Фика, диффузионная способность мембраны аэрогематического барь­ера обратно пропорциональна ее толщине и молекулярной массе газа и прямо пропорциональна площади мембраны и в особенности коэффициенту растворимости О₂ и СО₂в жидком слое альвеолярно-капиллярной мембраны.

 

Рис. 8.6. Аэрогематический барьер. 1 — сурфактант; 2 — эпителий альвеол; 3 — интерстициальное пространство; 4 — эндотелий капилляров; 5 — плазма крови; 6 — эритроцит.

 

Содержание газов в альвеолярном воздухе

 

Ранее (см. табл. 8.1) было указано парциальное давление газов в альвеолярной газовой смеси, которое поддерживается на достаточно постоянном уровне, несмотря на возможные изменения режима легочной вентиляции. Потребление кислорода (Vo₂) отражает ин­тенсивность клеточного метаболизма. В стационарных условиях величина. Vo₂ измеренная в выдыхаемом воздухе, в целом соответ­ствует клеточному Vqj. Конечным продуктом метаболизма является СО₂ (Vco₂). Отношение образующегося в результате окисления СО₂ к количеству потребляемого в организме О₂, т. е. Vco₂/Vo₂ назы­вается дыхательным коэффициентом.

В условиях покоя в организме за минуту потребляется в среднем 250 мл О₂ и выделяется около 230 мл СО₂.

Из всего О₂ вдыхаемого воздуха (21 % от всего объема) в кровь через аэрогематический барьер в легких поступает только ¹/₃. Нор­мальное парциальное давление газов в альвеолярном воздухе поддер­живается в том случае, если легочная вентиляция равна 25-кратной величине потребляемого О₂. Другим обязательным условием поддер­жания нормальной концентрации газов в альвеолярном воздухе явля­ется оптимальное отношение альвеолярной вентиляции к сердечному дебиту (Q): Va/Q, которое обычно соответствует 0,8—1,0. Для газо­обмена в легких подобное отношение является оптимальным. Различ­ные зоны легких не представляют собой идеальную модель для под­держания оптимального отношения Va/Q, поскольку альвеолы нерав­номерно вентилируются воздухом и перфузируются кровью.

Для поддержания определенного состава альвеолярного воздуха важна величина альвеолярной вентиляции и ее отношение к уровню метаболизма, т. е. количеству потребляемого О₂ и выделяемого СО₂. При любом переходном состоянии (например, начало работы и др.) необходимо время для становления оптимального состава альвео­лярного воздуха. Главное значение имеют оптимальные отношения альвеолярной вентиляции к кровотоку.

Состав альвеолярного воздуха измеряют во рту во вторую по­ловину фазы выдоха с помощью быстродействующих анализаторов. В физиологической практике используются масс-спектрометр, ко­торый позволяет определять количество любого дыхательного газа; инфракрасный анализатор СО₂ и анализатор О₂. Анализаторы не­прерывно регистрируют концентрацию газов в выдыхаемом воздухе.

 

8.5.3. Газообмен и транспорт О₂

Транспорт О₂ осуществляется в физически растворенном и хи­мически связанном виде. Физические процессы, т. е. растворение газа, не могут обеспечить запросы организма в О₂. Подсчитано, что физически растворенный О₂ может поддерживать нормальное по­требление О₂ в организме (250 мл*мин^-1), если минутный объем кровообращения составит примерно 83 л*мин^-1 в покое. Наиболее оптимальным является механизм транспорта О₂ в химически свя­занном виде.

Согласно закону Фика, газообмен О₂ между альвеолярным воздухом и кровью происходит благодаря наличию концентраци­онного градиента О₂ между этими средами. В альвеолах легких парциальное давление О₂ составляет 13,3 кПа, или 100 мм рт.ст., а в притекающей к легким венозной крови парциальное напряжение О₂ составляет примерно 5,3 кПа, или 40 мм рт.ст. Давление газов в воде или в тканях организма обозначают тер­мином «напряжение газов» и обозначают символами Ро₂, Рсo₂. Градиент О₂ на альвеолярно-капиллярной мембране, равный в среднем 60 мм рт.ст., является одним из важнейших, но не единственным, согласно закону Фика, факторов начальной стадии диффузии этого газа из альвеол в кровь.

Транспорт О₂ начинается в капиллярах легких после его хими­ческого связывания с гемоглобином.

Гемоглобин (Нb) способен избирательно связывать О₂ и образо­вывать оксигемоглобин (НbО₂) в зоне высокой концентрации О₂ в легких и освобождать молекулярный О₂ в области пониженного содержания О₂ в тканях. При этом свойства гемоглобина не изме­няются и он может выполнять свою функцию на протяжении дли­тельного времени.

Гемоглобин переносит О₂ от легких к тканям. Эта функция зависит от двух свойств гемоглобина: 1) способности изменяться от восстановленной формы, которая называется дезоксигемоглобином, до окисленной (Нb + О₂ à НbО₂) с высокой скоростью (полупериод 0,01 с и менее) при нормальном Рог в альвеолярном воздухе; 2) способности отдавать О₂ в тканях (НbО₂ à Нb + О₂) в зависимости от метаболических потребностей клеток организма.

Зависимость степени оксигенации гемоглобина от парциального давления Ог в альвеолярном воздухе графически представляется в виде кривой диссоциации оксигемоглобина, или сатурационной кри­вой (рис. 8.7). Плато кривой диссоциации характерно для насы­щенной О₂ (сатурированной) артериальной крови, а крутая нисхо­дящая часть кривой — венозной, или десатурированной, крови в тканях.

 

Рис. 8.7. Кривая диссоциация оксигемоглобина цельной крови. А — влияние изменения рН крови на сродство гемоглобина к O2; Б — влияние изменения температуры на сродство гемоглобина к О2. Кривые 1—6 соответствуют температуре 0, 10, 20, 30, 38 и 43 °С.

 

 

На сродство кислорода к гемоглобину влияют различные мета­болические факторы, что выражается в виде смещения кривой дис­социации влево или вправо. Сродство гемоглобина к кислороду регулируется важнейшими факторами метаболизма тканей: Ро₂ pH, температурой и внутриклеточной концентрацией 2,3-дифосфоглицерата. Величина рН и содержание СО₂ в любой части организма закономерно изменяют сродство гемоглобина к О₂: уменьшение рН крови вызывает сдвиг кривой диссоциации соответственно вправо (уменьшается сродство гемоглобина к О₂), а увеличение рН крови — сдвиг кривой диссоциации влево (повышается сродство гемоглобина к О₂) (см. рис. 8.7, А). Например, рН в эритроцитах на 0,2 единицы ниже, чем в плазме крови. В тканях вследствие повышенного со­держания СО₂ рН также меньше, чем в плазме крови. Влияние рН на кривую диссоциации оксигемоглобина называется «эффектом Бора».

Рост температуры уменьшает сродство гемоглобина к О₂. В ра­ботающих мышцах увеличение температуры способствует освобож­дению О₂. Уменьшение температуры тканей или содержания 2,3-дифосфоглицерата вызывает сдвиг влево кривой диссоциации окси­гемоглобина (см. рис. 8.7, Б).

Метаболические факторы являются основными регуляторами связывания О₂ с гемоглобином в капиллярах легких, когда уровень O_2, рН и СО₂ в крови повышает сродство гемоглобина к О₂ по ходу легочных капилляров. В условиях тканей организма эти же факторы метаболизма понижают сродство гемоглобина к О₂ и способствуют переходу оксигемоглобина в его восстановленную форму — дезоксигемоглобин. В результате О₂ по концентрацион­ному градиенту поступает из крови тканевых капилляров в ткани организма.

Оксид углерода (II) — СО, способен соединяться с атомом железа гемоглобина, изменяя его свойства и реакцию с О₂. Очень высокое сродство СО к Нb (в 200 раз выше, чем у О₂) блокируют один или более атомов железа в молекуле гема, изменяя сродство Нb к О₂.

Под кислородной емкостью крови понимают количество Ог, которое связывается кровью до полного насыщения гемоглобина. При содержании гемоглобина в крови 8,7 ммоль*л^-1 кислородная емкость крови составляет 0,19 мл О₂ в 1 мл крови (температура 0^oC и барометрическое давление 760 мм рт.ст., или 101,3 кПа). Величину кислородной емкости крови определяет количество гемо­глобина, 1 г которого связывает 1,36—1,34 мл О₂. Кровь человека содержит около 700—800 г гемоглобина и может связать таким образом почти 1 л О₂. Физически растворенного в 1 мл плазмы крови О₂ очень мало (около 0,003 мл), что не может обеспечить кислородный запрос тканей. Растворимость О₂ в плазме крови равна 0,225 мл*л^-1*кПа^-1.

Обмен О₂между кровью капилляров и клетками тканей также осуществляется путем диффузии. Концентрационный градиент О₂ между артериальной кровью (100 мм рт.ст., или 13,3 кПа) и тканями (около 40 мм рт.ст., или 5,3 кПа) равен в среднем 60 мм рт.ст. (8,0 кПа). Изменение градиента может быть обусловлено как содержанием О₂ в артериальной крови, так и коэффициентом утилизации О₂, который составляет в среднем для организма 30— 40%. Коэффициентом утилизации кислорода называется количе­ство О₂, отданного при прохождении крови через тканевые капил­ляры, отнесенное к кислородной емкости крови.

С другой стороны, известно, что при напряжении О₂ в артери­альной крови капилляров, равном 100 мм рт.ст. (13,3 кПа), на мембранах клеток, находящихся между капиллярами, эта величина не превышает 20 мм рт.ст. (2,7 кПа), а в митохондриях равна в среднем 0,5 мм рт.ст. (0,06 кПа).

8.5.4. Газообмен и транспорт СО₂

Поступление СО₂ в легких из крови в альвеолы обеспечивается из следующих источников: 1) из СО₂, растворенного в плазме крови (5—10%); 2) из гидрокарбонатов (80—90%); 3) из карбаминовых соединений эритроцитов (5—15%), которые способны диссоцииро­вать.

Для СО₂ коэффициент растворимости в мембранах аэрогематического барьера больше, чем для О₂, и составляет в среднем 0,231 ммоль*л^-1 кПа^-1 поэтому СО₂ диффундирует быстрее, чем O₂. Это положение является верным только для диффузии молекулярного СО₂. Большая часть СО₂ транспортируется в организме в связанном состоянии в виде гидрокарбонатов и карбаминовых соединений, что увеличивает время обмена СО₂, затрачиваемое на диссоциацию этих соединений.

В венозной крови, притекающей к капиллярам легких, напря­жение СО₂ составляет в среднем 46 мм рт.ст. (6,1 кПа), а в альвеолярном воздухе парциальное давление СО₂ равно в среднем 40 мм рт.ст. (5,3 кПа), что обеспечивает диффузию СО₂ из плазмы крови в альвеолы легких по концентрационному градиенту.

Эндотелий капилляров проницаем только для молекулярного СО₂ как полярной молекулы (О — С — О). Из крови в альвеолы диффундирует физически растворенный в плазме крови молеку­лярный СО₂. Кроме того, в альвеолы легких диффундирует СО₂, который высвобождается из карбаминовых соединений эритроцитов благодаря реакции окисления гемоглобина в капиллярах легкого, а также из гидрокарбонатов плазмы крови в результате их быстрой диссоциации с помощью фермента карбоангидразы, содержащейся в эритроцитах.

Молекулярный СО₂ проходит аэрогематический барьер, а затем поступает в альвеолы.

В норме через 1 с происходит выравнивание концентраций СО₂ на альвеолярно-капиллярной мембране, поэтому за половину времени капиллярного кровотока происходит полный обмен СО₂ через аэрогематический барьер. Реально равновесие наступает не­сколько медленнее. Это связано с тем, что перенос СО₂, так же как и О₂, ограничивается скоростью перфузии капилляров легких.

Диффузия СО₂ из тканей в кровь. Обмен СО₂ между клетками тканей с кровью тканевых капилляров осуществляется с помощью следующих реакций: 1) обмена С1^- и НСО₃^- через мембрану эрит­роцита; 2) образования угольной кислоты из гидрокарбонатов; 3) диссоциации угольной кислоты и гидрокарбонатов (рис. 8.8).

 

Рис. 8.8. Участие эритроцитов в обмене О2 и СО2 в тканях и в легких.

 

В ходе газообмена СО₂ между тканями и кровью содержание НСОз^- в эритроците повышается и они начинают диффундировать в кровь. Для поддержания электронейтральности в эритроциты нач­нут поступать из плазмы дополнительно ионы С1^- Наибольшее количество бикарбонатов плазмы крови образуется при участии карбоангидразы эритроцитов.

Карбаминовый комплекс СО₂ с гемоглобином образуется в ре­зультате реакции СО₂ с радикалом NH₂ глобина. Эта реакция про­текает без участия какого-либо фермента, т. е. она не нуждается в катализе. Реакция СО₂ с Нb приводит, во-первых, к высвобождению Н⁺; во-вторых, в ходе образования карбаминовых комплексов сни­жается сродство Нb к О₂. Эффект сходен с действием низкого рН. Как известно, в тканях низкое рН потенцирует высвобождение О₂ из оксигемоглобина при высокой концентрации СО₂ (эффект Бора). С другой стороны, связывание О₂ гемоглобином снижает сродство его аминогрупп к СО₂ (эффект Холдена).

Каждая реакция в настоящее время хорошо изучена. Например, полупериод обмена С1^-и НСО₃^- равен 0,11—0,16 с при 37 ^oС. В ус­ловиях in vitro образование молекулярного СО₂ из гидрокарбонатов происходит чрезвычайно медленно и диффузия этого газа занимает около 5 мин, тогда как в капиллярах легкого равновесие наступает через 1 с. Это определяется функцией фермента карбоангидразы угольной кислоты. В функции карбоангидразы выделяют следующие типы реакций:

СО₂+Н₂Оß> H₂СО₃ ß> H⁺+НСО₃^-

Процесс выведения СО₂ из крови в альвеолы легкого менее лимитирован, чем оксигенация крови. Это обусловлено тем, что молекулярный СО₂ легче проникает через биологические мембраны, чем О₂. По этой причине он легко проникает из тканей в кровь. К тому же карбоангидраза способствует образованию гидрокарбо­ната. Яды, которые ограничивают транспорт О₂ (такие как СО, метгемоглобинобразующие субстанции — нитриты, метиленовый си­ний, ферроцианиды и др.) не действуют на транспорт СО₂. Блокаторы карбоангидразы, например диакарб, которые используются нередко в клинической практике или для профилактики горной или высотной болезни, полностью никогда не нарушают образование молекуляр­ного СО₂. Наконец, ткани обладают большой буферной емкостью, но не защищены от дефицита О₂. По этой причине нарушение транспорта О₂ наступает в организме гораздо чаще и быстрее, чем нарушения газообмена СО₂. Тем не менее при некоторых заболе­ваниях высокое содержание СО₂ и ацидоз могут быть причиной смерти.

Измерение напряжения О₂ и СО₂ в артериальной или смешанной венозной крови производят полярографическими методами с исполь­зованием очень небольшого количества крови. Количество газов в крови измеряют после их полного извлечения из пробы крови, взятой для анализа.

Такие исследования выполняют с помощью манометрических приборов типа аппарата Ван-Слайка, или гемоалкариметра (необ­ходимо 0,5—2,0 мл крови) или на микроманометре Холандера (не­обходимо около 50 мкл крови).