Часть IV. Физиология систем внутренних органов

Кровь ежедневно переносит из легких в ткани около 600 л О2. В 100 мл крови при температуре тела растворяется лишь 0,3 мл кислорода. Кислород, растворяющийся в плазме крови капилляров малого круга кровообращения, диффундирует в эритроциты, сразу же связывается гемоглобином, образуя оксигемоглобин, в котором кислорода 190 мл/л. Скорость связывания кислорода велика: время полунасыщения гемоглобина кислородом — около 3 мс. В капиллярах альвеол с соответствующими вентиляцией и перфузией практически весь гемоглобин превращается в оксигемоглобин.

Физически растворенный в крови газ. Согласно закону Генри количество растворенного в крови O2 (любого газа) пропорционально pO2 (парциальному давлению любого газа) и коэффициенту растворимости конкретного газа. Физическая растворимость O2 в крови примерно в 20 раз меньше, чем растворимость СО2, но для обоих газов незначительна. В то же время физически растворенный в крови газ — необходимый этап транспорта любого газа (например, при перемещении O2 в эритроцит из полости альвеол).

Кислородная емкость крови — максимально возможное количество связанного с HbО2. Большая часть кислорода переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц. Таким образом, 1 моль гемоглобина может связать до 4 моль O2. Поскольку объем 1 моль идеального газа составляет 22,4 л, 64 500 г гемоглобина связывают 4 · 22,4 л O2, а 1 г гемоглобина — 1,39 мл O2. При анализе газового состава крови получают несколько меньшую величину (1,34–1,36 мл O2 на 1 г Нb). Это обусловлено тем, что небольшая часть гемоглобина находится в неактивном состоянии. Таким образом, ориентировочно можно считать, что in vivo 1 г Hb связывает 1,34 мл О2 (так называемое число Хюфнера).

Исходя из числа Хюфнера, можно, зная содержание гемоглобина, вычислить кислородную емкость крови:

[O2]max = (1,34 мл O2 на 1 г Hb) · (150 г Hb на 1 л крови) = 0,2 л O2 на 1 л крови.

Однако такое содержание кислорода в крови может достигаться лишь в том случае, если кровь контактирует с газовой смесью, насыщенной кислородом (pO2 >300 мм рт.ст.); при этом равновесие значительно сдвинуто вправо. В естественных условиях эта реакция протекает при меньшем значении парциального давления O2, поэтому гемоглобин оксигенируется не полностью.

По сравнению с миоглобином гемоглобин имеет значительно более низкое сродство к О2; полунасыщение гемоглобина О2 наступает при более высоком давлении О2 (около 26 мм рт.ст.). Кривая диссоциации (рис. 23.22, а) для гемоглобина имеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше О2 отдают протомеры, тем легче идет отщепление последующих молекул О2 (рис. 23.23).

Кооперативный эффект присоединения O2 к гемоглобину. Присоединение O2 к атому Fe2+ одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема, а за ним и остатка гистидина, связанного с ним. Это приводит к изменению конформации всех полипептидных цепей за счет их конформационной лабильности. Изменение конформации других цепей облегчает их взаимодействие со следующими молекулами О2. Четвертая молекула О2 присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая. В тканях каждая следующая молекула O2 отщепляется легче, чем предыдущая, также за счет кооперативных изменений конформации протомеров.

Биологический смысл формы кривой диссоциации оксигемоглобина. Конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина имеет важное значение с точки зрения переноса кислорода кровью. В капиллярах покоящихся мышц, где давление О2 составляет около 40 мм рт.ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в легкие. При физической работе давление О2 в капиллярах мышц падает до 10–20 мм рт.ст. Именно в этой области (от 10 до 40 мм рт.ст.) располагается «крутая часть» S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы протомеров.

В процессе поглощения кислорода в легких напряжение О2 в крови (pO2) приближается к таковому в альвеолах. У молодых людей парциальное напряжение кислорода в артериальной крови (paO2) составляет около 95 мм рт.ст. При таком напряжении насыщение гемоглобина кислородом равно примерно 97%. С возрастом (и в еще большей степени при заболеваниях легких) paО2 может значительно снижаться, однако, поскольку кривая диссоциации оксигемоглобина в правой ее части почти горизонтальна (см. рис. 23.22), насыщениекрови кислородом уменьшается ненамного. Так, даже при падении рО2 в артериальной крови до 60 мм рт.ст. (8,0 кПа) насыщение гемоглобина кислородом равно 90%. Таким образом, благодаря тому, что области высоких напряжений кислорода соответствует горизонтальный участок кривой диссоциации оксигемоглобина, предупреждается существенное снижение насыщения артериальной крови кислородом.

Рис. 23.22. Факторы, влияющие на кривую диссоциации оксигемоглобина: а — кривые диссоциации для миоглобина и гемоглобина в зависимости от парциального давления кислорода; б–д — влияние различных параметров крови на сродство гемоглобина к О2: б — влияние напряжения СО2; в — влияние температуры; г — влияние рН; д — влияние различных концентраций 2,3-бифосфоглицерата (БФГ)

Рис. 23.23. Изменение конформации протомера гемоглобина при соединении с O2