Транспорт углекислого газа

Г. Дж. Артурс*, М. Судхакар

*E-mail: gja@arthurs40.freeserve.co.uk ВВЕДЕНИЕ

Углекислый газ образуется в митохондриях в результате клеточного метаболизма.Количество С02 будет зависеть от скоростиметаболизма и относительного количествауглеводов, жиров и белков, претерпевающихрасщепление.

ТРАНСПОРТ СО2 КРОВЬЮ

Углекислый газ переносится из тканей клегким с кровью тремя способами:

в растворенном виде,

в виде угольной кислоты (вода — буфер),

в связанном с белками виде (в частности, с

гемоглобином).

Приблизительно 75% С02 транспортируется эритроцитами и 25% в плазме. Относительнонебольшое количество в плазме связано с отсутствием в ней карбоангидразы, таким образом, процесс ассоциации (соединения) С02с водой будет ограничен. Плазма не играетзначимой роли в буферных процессах, и связьС02 с ее белками незначительна.

Существуют различия между общим объемом С02, переносимым в каждой из форм, истепенью освобождения в легких, которая будет зависеть, таким образом, от типа транспорта. Например, в растворенном виде транспортируется лишь 5% С02 от общего количества,но приблизительно 10% из общего объема выдыхаемого С02 относится к этой форме. Всего10% С02 находится в связи с белком, в частности, с гемоглобином, что, однако, будет давать30% от выдыхаемого объема.

Растворенный углекислый газ

Углекислый газ в 20 раз лучше растворяется в воде, чем кислород, что соответствуетзакону генри, гласящему, что количество молекул газа в растворе пропорционально егопарциальному давлению на границе с жидкостью.

Содержание

Углекислый газ переносится с кровью изтканей в легкие тремя способами: 1) в растворенном виде, 2) ввиде угольной кислоты(вода выступает в ролибуфера) и 3) в связи сбелками, в частности,гемоглобином. При концентрации гемоглобина150 г/л, а РС02 в смешанной венозной крови 46мм рт. ст. и в артериальной — 40 мм рт. ст. литркрови содержит соответственно 520 и 480мл С02. Эффекты, связанные с образованиемС02 в тканях, включаютповышение плазменной концентрации ионов хлора, повышениесреднего корпускуляр-ного объема эритроцитов и снижение кислот-ности гемоглобина посравнению с его оксиге-нированной формой.

G. J. Arthurs

Consultant Anaesthetist Maelor Hospital Wrexham LL13 7TD, UK M. Sudhakar Prince Charles Hospital Merthyr Tydfil CF47 9DT, UK

Растворимость повышается по мере снижения температуры: при 37 °С растворимостьбудет составлять 0,5 мл/кПа в 100 мл крови.Парциальное давление С02 в артериальной исмешанной венозной крови составляет соответственно 40 мм рт. ст. (5,3 кПа) и 46 мм рт. ст.(6,1 кПа). Таким образом, артериальная кровьбудет содержать около 2,5 мл растворенногоС02 на 100 мл, а венозная крови — 3 мл на 100мл. При сердечном выбросе 5 л/мин осуществляется транспорт 150 мл растворенного С02к легким, из которого 25 мл (около 16%) будетудаляться с выдохом. В связи с высокой растворимостью и диффузионными способностями парциальные давления С02 в альвеолярномгазе и конечно-капиллярной крови легочногорусла будут практически одинаковыми. Дажепри выраженном легочном шунтировании,достигающем 50%, градиент между конечно-капиллярным и артериальным РС02 будет составлять около 3 мм рт. ст. (0,4 кПа).

Угольная кислота

Углекислый газ взаимодействует с водой собразованием угольной кислоты; эта реакцияускоряется ферментом карбоангидраза. Затемугольная кислота может свободно диссоциировать (уравнение 1):

со, + н,о«-

карбоангидраза

н2со3<< >Н" + нсо,

Карбоангидраза присутствует во многихорганах, включая глазное яблоко, почки и головной мозг.

н2со3 нсо,

J_ 20

со2 H2co,

Углекислый газ и вода свободно диффундируют вэритроциты и конвертируются в угольную кислоту, которая затем диссоциирует с образованием ионов водорода и бикарбоната. Ионы водорода не проходят черезклеточные мембраны, но диффузия CO2не ограничена.Подобная ситуация могла бы привести к нарастаниювнутриклеточной концентрации ионов водорода и би-карбоната, росту осмолярности и размера клетки, чтозакончилось бы ее разрывом. Однако мембрана эритроцита обеспечивает диффузию ионов бикарбоната вплазму в обмен на ионы хлора — феномен, известныйкак хлоридный сдвиг (равновесие Гиббса—Доннана(Gibbs—Donnan)или эффект Гамбургера(Hamburger)).Транспортный протеин клеточной мембраны эритроцитов, облегчающий хлоридный сдвиг, носит названиеBand3[Cl7HCO31.

Образование ионов водорода в эритроцитах моглобы также мешать превращениям и образованию ионовбикарбоната. Однако ионы водорода с легкостью связываются с восстановленным гемоглобином, который образуется после освобождения кислорода в тканях, посредством чего свободные ионы водорода удаляются израствора. Кислотность восстановленного гемоглобина(HbR или HbH) ниже, чем оксигенированного (HbO2),что также имеет отношение к эффекту Хэлдэйна(Haldane),который объясняет тот факт, что при данномуровне PCO2содержание углекислого газа в деоксигени-рованной крови выше, чем в оксигенированной.

В результате перемещения хлоридных ионов в эритроциты и буферного связывания ионов водорода восстановленным гемоглобином происходит небольшоеповышение внутриклеточной осмолярности. Это ведетк поступлению воды в эритроциты и набуханию клеток,что может быть измерено посредством оценки среднего корпускулярного объема (MCV). При прохожденииэритроцитов через капилляры легких эти измененияпретерпевают обратное развитие.

Связывание Co2гемоглобином и прочими белками

КРОВЬ

HCCV

.

Рисунок 1. Транспорт газов на уровне тканей. Выделен хлоридный сдвиг

н,о

Углекислый газ быстро присоединяется к нейтральной (не несущей электрического заряда) терминальнойаминогруппе (R-NH2) с образованием карбаминовыхсоединений (уравнение 3):

R-NH2+ CO2= RNH-CO2+ H+.

Для большинства белков в соединение с CO2вступает только терминальная аминогруппа. При взаимодействии с гемоглобином процесс образования карбоксиге-моглобина имеет отличия. Восстановленный гемоглобинявляется единственным белком, который может эффективно связывать ионы водорода при физиологическомзначении pH, что объясняется высоким содержанием вего составе аминокислоты гистидина, с имидазольнойгруппой которой связываются ионы H+. Около 30% CO2,покидающего организм с выдыхаемой газовой смесью,поступает в легкие в связанном с гемоглобином виде.

Количество С02, находящегося в крови в виде кар-баминовых соединений, невелико, но именно оно отвечает за треть градиента между содержанием С02 вартериальной и венозной крови. Эффект Хэлдэйна отражает различия в содержании С02 между оксигениро-ванным и восстановленным гемоглобином при постоянном значении РС02. Этот эффект отчасти обусловленспособностью гемоглобина связывать ионы водорода и вопределенной мере объясняется тем фактом, что восстановленный гемоглобин вступает в связь с С02 в 3,5 разаактивнее, чем его окисленная форма.

Сродство различных форм гемоглобина к С02, монооксиду углерода (СО) и кислороду варьирует. Углекислыйгаз легко вступает в связь с гемоглобином с образованием карбаминовой связи при более низком парциальномдавлении, чем кислород. Однако гемоглобин переноситменее четверти от общего количества С02 и практически 98% кислорода. Напротив, фетальный гемоглобин,образование которого связано с замещением в-цепей на¦у-цепи, способен связывать кислород при более низкомпарциальном давлении. Монооксид углерода проявляетболее высокий аффинитет к гемоглобину, чем кислород,и будет вытеснять его из связи с гемоглобином.

транспорт углекислого газа в тканях

Схема транспорта С02 в тканях показана на рисунке 1.

содержанию 38 гистидиновых остатков в каждом из четырех тетрамеров гемоглобина. Константа диссоциацииимидазольных групп зависит от состояния гема, входящего в состав каждого из тетрамеров. При повышениикислотности связь между гемоглобином и кислородомослабляется, при этом восстановление гемоглобина обеспечивает защелачивание имидазольной группы. Науровне тканей окисленные имидазольные группы ослабляют сродство к кислороду, тогда как ионы водороданейтрализуются гемоглобином, который начинает проявлять более щелочные свойства.

ТРАНСПОРТ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ЛЕГКИХ

Связывание кислорода с гемоглобином облегчаетсяпри защелачивании гистидиновых групп: аффинитетгема к кислороду повышается по мере освобожденияCO2(уравнение 4), что является одной из причин эффекта Бора(Bohr):

O2+ HbH+ + HCO3-= HbO2+ H2O + CO2.

Освобождение гемоглобина сдвигает равновесие реакции в пользу образования и выведения CO2.Концентрация HCO3-снижается по мере накопления иэлиминации CO2(рисунок 2).

КРИВЫЕ ДИССОЦИАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Кривая диссоциации углекислого газа устанавливает связь между PaCO2(в мм рт. ст. или кПа) и количеством углекислого газа, переносимого с кровью (мл) (рисунок 3).

Парциальное давление CO2в смешанной венознойкрови составляет ~46 мм рт. ст. (6,1 кПа), в артериальной крови ~40 мм рт. ст. (5,3 кПа). Общее содержаниеCO2в венозной и артериальной крови составляет соответственно 520 и 480 мл/л. Кривая диссоциации CO2характеризуется более линейной формой по сравнению скривой диссоциации оксигемоглобина (O2Hb).

Рисунок 4 иллюстрирует различия между содер-жанием в крови кислорода и углекислого газа по мере

РС02 (мм рт. ст.)

0 20 40 60 80

0 2 4 6 8 10 РС02 (кПа)

Ион Растворенный Карбамино- бикарбоната СО; протеины

Рисунок 3. Диаграмма транспорта С02 в цельной крови

изменения их парциального давления. Показанное соотношение подчеркивает, что содержание С02 повышается на протяжении всего периода роста его парциального давления. Кривая содержания кислорода растетболее круто, но только до того момента, когда происходит полное насыщение гемоглобина - после этой точкинаблюдается незначительный рост, связанный с незначительным повышением растворенного 02.

РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ АРТЕРИАЛЬНОЙ И ВЕНОЗНОЙ КРОВЬЮ

Различия между артериальной и венозной кровьюсуммированы на рисунке 5 и в таблице 1. Высокое содержание С02 в венозной капиллярной крови снижает аффинитет гемоглобина к кислороду, приводя к еговысвобождению в тканях.1 При этом происходит сдвигкривой диссоциации оксигемоглобина вправо (эффектБора), а деоксигенированный гемоглобин связываетбольшее количество С02 по сравнению с оксигениро-ванным (эффект Хэлдэйна). Высвобождение кислородав капиллярном русле приводит к усилению щелочныхсвойств молекулы гемоглобина (становится более сильным акцептором протонов). Таким образом, гемоглобинповышает количество С02, переносимого с венознойкровью (уравнение 4):

НЬ02 + со2 + Н20 = НЬН+ + нсо3- + о2.

Каждая молекула С02, поступающая в эритроцит,повышает внутриклеточное осмотическое давление посредством роста концентрации ионов НС03- или С1-.Как следствие, происходит увеличение объема эритроцитов, что объясняет более высокое значение гематокрита венозной крови, которое на 3% выше, чем артериальной. При сравнении с артериальной, венозную кровьтакже отличают более высокая концентрация НС03- исниженная концентрация хлоридов.

Таблица 1. Нормальные значения рН и транспорт углекислого газа в артериальной и венозной крови (1 ммоль = 22,32 мл) Показатель Артериальная кровь Смешанная венозная кровь Артериовенозная разность Цельная кровь рн 7,4 7,36 -0,033 РС02 (мм рт. ст. / кПа) 40 / 5,3 46 / 6,1 +6,0 / +0,8 Общее содержание С02 (ммоль/л / мл/л) 21,5 / 480 23,3 / 520 +1,8 / +40 Плазма ммоль/л мл/л ммоль/л мл/л ммоль/л мл/л Растворенный С02 1,2 25 1,4 30 +0,2 +5,0 Угольная кислота 0,0017 - 0,0020 - +0,0003 - Ион бикарбоната 24,4 - 26,2 - +1,8 - Карбамино-С02 незначительно незначительно незначительно Общее содержание 25,6 - 27,6 - +2,0 - Эритроцитарная фракция ммоль/л мл/л ммоль/л мл/л ммоль/л мл/л Растворенный С02 0,44 10 0,51 12 +0,07 +2 Ион бикарбоната 5,88 130 5,92 132 +0,04 +2 Карбамино-С02 1,10 25 1,7 38 +0,6 +13 Плазменная фракция ммоль/л мл/л ммоль/л мл/л ммоль/л мл/л Растворенный С02 0,66 15 0,76 18 +0,1 +3 Ион бикарбоната 13,42 300 14,41 320 +0,99 +20 Общее содержание в 1 л крови 21,5 480 23,3 520 +1,8 +40 1. значение pнэритроцитов

Полное восстановление гемоглобина ведет к повышению рН крови на 0,03. При снижении сатурации на25% рН повышается на 0,007 (при постоянном РС02).Если РС02 повышается на 6 мм рт. ст. (0,8 кПа), что соответствует артериовенозной разности, происходитснижение значения рН на 0,04. Конечный эффект этихизменений — падение рН на 0,033 (с 7,4 до 7,36).

изменения при прохождении через легкие

В легочных капиллярах эритроциты высвобождаютС02, что сопровождается повышением сродства гемоглобина к кислороду.

Оксигенированный гемоглобин связывает меньшееколичество ионов водорода, что ведет к «закислению»

Парциальное давление 02 / СО, (мм рт. ст.) Рисунок 4. Кривые диссоциации С02 и 02

молекулы, но снижение РС02 и сдвиг ионов хлорида ибикарбоната компенсируют эти изменения, «защелачи-вая» молекулу гемоглобина. Выведение воды уменьшаетсредний корпускулярный объем (МСУ), что сопровождается снижением гематокрита. Кривая диссоциацииоксигемоглобина сдвигается влево (эффект Бора). Вплазме артериальной крови концентрация ионов хлоравыше, а бикарбоната ниже, чем в венозной.

РОЛЬ углекислого газа в элиминации кислот

Каждую минуту из организма удаляется с дыханиемоколо 200 мл углекислого газа, что является эквивалент-ным выведению 12-13 молей ионов водорода за сутки.2В то же время рН мочи колеблется в интервале 4,5-8,0.Даже при рН = 4,0 с мочой может быть выведено не более10-4 моль/л ионов Н+. Таким образом, при образовании3 литров мочи за сутки этот путь вносит относительно

Артериальная Венозная

кровь кровь

Рисунок 5. Распределение углекислого газа в артериальнойи венозной крови

небольшой вклад в элиминацию ионов водорода. Тем неменее, с мочой могут быть удалены ионы фосфата и сульфата, которые не могут быть конвертированы в С02.

ЭФФЕКТЫ АПНОЭ

Общее содержание С02 в организме, включая ионыбикарбоната, составляет около 120 литров, что в 100 разпревышает содержание кислорода. При наступленииапноэ и полной задержке С02 темп нарастания РС02будет составлять 3-6 мм рт. ст./мин (0,4-0,8 кПа/мин).Произойдет быстрое выравнивание РС02 в альвеолярном газе и венозной крови: альвеолярное РС02 поднимется с 40 до 46 мм рт. ст., а Р02 за минуту снизится со105 мм рт. ст. до 40 мм рт. ст. Как следствие, у пациента быстро развивается гипоксемия. Если выполненапреоксигенация 100% кислородом, PO2в альвеолах будет оставаться на уровне 100 мм рт. ст. с поддержаниемсатурации на уровне 100% в течение нескольких минут.Каждую минуту из альвеолярного пространства будетпоглощаться около 250 мл O2 c одновременным стабильным повышением PaCO2. Спустя 5 минут в состоянииапноэ его значение будет приближаться к 75 мм рт. ст.(10 кПа), что будет сопровождаться соответствующимпадением pH.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

West JB. Respiratory Physiology, 7th Ed. Lippincott Williams &Wilkins,2004.

Ganong WF. Review of Medical Physiology, 21st Ed. Lange Medical Books,2003.

Nunn JF. Respiratory Physiology, 5th Ed. Butterworth Heinemann, 1999.