Глава 22

ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ И КИСЛОТНО–ЩЕЛОЧНОЕ РАВНОВЕСИЕ

Г. Тевс

22.1. Структура и свойства гемоглобина

Строение молекулы гемоглобина

Одна из важнейших функций крови состоит в переносе поглощаемого в легких кислорода к органам и тканям, а также в удалении образующегося в них диоксида углерода и переносе его в легкие. Ключевую роль во всех этих процессах играют эритроциты. Эти клетки содержат красный пигмент крови – гемоглобин, способный соединяться с кислородом в капиллярах легких и высвобождать его в капиллярах тканей. Кроме того, гемоглобин способен связывать некоторое количество диоксида углерода, образующегося в процессе клеточного метаболизма, и высвобождать его в легких. В связи с этим гемоглобин играет важнейшую роль в переносе дыхательных газов.

Гемоглобин относится к классу белков–хромопротеинов. Его молекула состоит из четырех полипептидных цепей, с каждой из которых нековалентно связана особая пигментная группа –гем. Молекулярная масса гемоглобина составляет около 64 500, а каждой из его субъединиц –16 000 [2, 7, 18].

Пигментные группы гемоглобина. В состав молекулы гемоглобина входят четыре одинаковые гемовые группы. Гем представляет собой протопорфирин, содержащий центрально расположенный ион двухвалентного железа. Молекула протопорфирина состоит из четырех пиррольных колец, связанных метиновыми мостиками, к кольцам присоединены боковые цепи характерного строения (рис. 22.1). Ключевую роль в активности гемоглобина играет ион железа, расположенный в центре молекулы протопорфирина. Соединение с этим ионом посредством двух координационных связей и двух связей, образовавшихся вследствие замещения водорода, превращает протопорфирин в гем. Структура гема целиком расположена в одной плоскости. В процессе переноса кислорода гемоглобином молекула O₂ обратимо связывается с гемом, при этом валентность железа не изменяется.

Присоединяя кислород, гемоглобин (НЬ) превращается в оксигемоглобин (НЬO₂). Чтобы подчеркнуть тот факт, что валентность железа при этом связывании не меняется, реакцию называют не окислением, а оксигенацией; обратный процесс называется дезоксигенацией. Когда хотят специально отметить, что гемоглобин не связан с кислородом, его называют дезоксигемоглобином.

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению. При этом железо становится из двухвалентного трехвалентным (рис. 22.2). Окисленный гем называется гематином (метгемом), а вся полипептидная молекула в целом–метгемоглобином. В крови человека метгемоглобин содержится в незначительных количествах, но при некоторых заболеваниях и отравлениях определенными ядами его содержание возрастает. Опасность таких состояний заключается в том, что окисленный гемоглобин не способен переносить кислород к тканям.

 

 

 

Рис. 22.1. Строение гема

 

 

 

Рис. 22.2. Соединения, образуемые гемом (железо двухвалентное) и окисленным гемом (железо трехвалентное). Протопорфириновые кольца лежат в одной плоскости (красные диски на рис. 22.3)

 

 

Белковый компонент гемоглобина. Большая часть молекулы гемоглобина, состоящей примерно из 10000 атомов, приходится на долю белкового компонента. Этот компонент состоит из четырех отдельных полипептидных цепей, в состав каждой из которых входит более 140 аминокислотных остатков. Путем химического анализа установлены аминокислотные последовательности полипептидных цепей гемоглобина. В последние годы при помощи рентгеноструктурного анализа было установлено пространственное расположение этих цепей [26, 27]. На рис. 22.3 изображена модель молекулы гемоглобина, созданная на основе результатов указанных исследований. Она состоит из двух симметричных «светлых» цепей, тесно переплетенных с двумя симметричными «темными» цепями. Вся молекула имеет приблизительно сферическую форму. Гемовые группы, изображенные в виде красных дисков, располагаются в нишах вблизи поверхности. В гемоглобине взрослого человека (НЬА) светлые

Рис. 22.3. Пространственная модель молекулы гемоглобина (по Перутцу [26, 27])

 

субъединицы, каждая из которых содержит 141 аминокислотный остаток, называются a–цепями, а темные субъединицы (по 146 аминокислотных остатков)–b–цепями. В составе фетального гемоглобина (HbF) вместо b–цепей имеются две так называемые g–цепи, отличающиеся по аминокислотной последовательности. Вскоре после рождения HbF заменяется на НЬА [2].

Поглощение света гемоглобином

Поглощение света и цвет гемоглобина. Цвет растворенного вещества, не испускающего световые лучи, зависит от его способности поглощать падающий свет в той или иной части спектра видимого света. Как правило, каждое вещество поглощает свет лишь в определенной области спектра, тогда как свет других длин волн проходит через это вещество почти беспрепятственно. Цвет раствора вещества определяется спектральным составом прошедшего через него света.

Красный цвет растворов гемоглобина (и, следовательно, крови) обусловлен тем, что это вещество относительно сильно поглощает коротковолновый свет, т. е. в синей области спектра, а большую часть длинноволнового (красного) света пропускает.

При исследовании света, прошедшего через раствор оксигенированного гемоглобина, с помощью спектроскопа можно обнаружить не только полосу поглощения в синей области спектра (полосу Соре), но также две характерные темные полосы (полосы поглощения) в желтой и желто–зеленой областях спектра с максимумами при длинах волн 577 и 541 нм [II].

Дезоксигемоглобин несколько интенсивнее, чем оксигемоглобин, поглощает длинноволновые лучи и менее интенсивно–коротковолновые. В связи с этим венозная кровь выглядит темнее и имеет красный цвет с синеватым оттенком. При спектроскопическом исследовании выявляется одна широкая полоса поглощения в желто–зеленой части спектра с максимумом при длине волны 555 нм.

Спектрофотометрия. Для количественного анализа абсорбционных свойств окрашенного раствора используют спектрофотометры. В этих приборах видимый свет разлагается в спектр при помощи призмы или дифракционной решетки, а затем свет очень узкой области длин волн (так называемый монохроматический свет) проходит через исследуемый раствор. Поглощение света зависит от длины волны и от свойств раствора. Для определения соотношения между интенсивностью падающего (I₀) и прошедшего (I) света используется фотоэлемент. Отношение I/I₀ называется пропусканием, а отношение (I₀ — I)/I₀ –поглощением. Полный спектр поглощения раствора получают путем последовательного измерения этих величин для разных длин волн.

 

 

Рис. 22.4. Спектры поглощения оксигемоглобина (НbO₂) и дезоксигемоглобина (Нb). По оси ординат слева–коэффициент поглощения, справа–экстинкция

 

Спектры поглощения. На рис. 22.4 изображены спектры поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Тем участкам спектра, в которых при спектроскопии обнаруживаются темные полосы, соответствуют максимумы на кривой поглощения. Для оксигемоглобина характерны два таких максимума, а для гемоглобина – один, занимающий положение между ними. Из рисунка видно, что эти максимумы приходятся на те же длины волн, что и полосы поглощения.

Точки пересечения обеих кривых поглощения, или так называемые изобестические точки, соответствуют длинам волн, при которых растворы равной концентрации Нb и НbO₂ пропускают свет в одинаковой степени. Если длина волны световых лучей соответствует изобестической точке, то поглощение их гемоглобином не зависит от степени его оксигенации. Монохроматический свет такой длины волны используют в тех случаях, когда необходимо определить концентрацию гемоглобина, не подвергая его химическим модификациям (см. ниже). Если же спектрофотометрию используют для измерения насыщения гемоглобина кислородом, то, напротив, выбирают свет с такой длиной волны, при которой разница между коэффициентами поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина максимальна, т. е. 600, 577, 470 нм и т. д. (см. рис. 22.4).

Закон Ламберта–Бэра. В качестве количественной характеристики поглощения света часто используют также экстинкцию (Е) (на рис. 22.4 отложена по правой оси ординат):

E=lg Iо/I,                (1)

где Iо–интенсивность падающего света, а I–интенсивность прошедшего света. Экстинкцию удобно использовать в связи с тем, что она прямо

пропорциональна концентрации растворенного вещества С:

E=lgIo/I= e× C ×d,            (2)

где d–толщина слоя раствора, а e– коэффициент экстинкции (величина, постоянная для каждого вещества). Линейная зависимость между экстинкцией, концентрацией и толщиной слоя раствора называется законом Ламберта–Бэра. Этот закон справедлив только для монохроматического света.

Содержание гемоглобина в крови; среднее содержание гемоглобина в эритроците

Нормальные показатели. Содержание гемоглобина в крови человека составляет в среднем 158 г/л (15,8 г/дл) у мужчин и 140 г/л (14 г/дл) у женщин. Как и практически любые биологические показатели, эта величина претерпевает определенные колебания даже у здоровых людей. Пределы колебаний определяют путем построения частотного распределения значений для большого числа людей (рис. 22.5).

С возрастом содержание гемоглобина в крови заметно меняется. В крови новорожденного оно составляет 200 г/л, причем возможны значительные индивидуальные колебания (рис. 22.5). В течение первого года жизни содержание гемоглобина снижается примерно до 115 г/л, а затем постепенно возрастает до уровня, характерного для взрослых.

Высокое содержание гемоглобина в крови наблюдается не только у плода, но также у лиц, длительное время живущих в условиях высокогорья. И в том и в другом случае повышение содержания гемоглобина необходимо для того, чтобы обеспечить нормальное снабжение тканей кислородом при пониженном парциальном давлении этого газа.

Уменьшение содержания гемоглобина по сравнению с нормальным уровнем называется анемией. Как правило, диагноз анемия ставят в том случае, если содержание гемоглобина меньше 130 г/л у мужчин и 120 г/л у женщин.

Измерение содержания гемоглобина. Для измерения содержания гемоглобина существует много методов, в том числе:

1) определение количества связанного O₂ (1 г НЬ может присоединить до 1,36 мл O₂);

2) анализ уровня железа в крови (содержание железа в гемоглобине составляет 0,34%);

3) колориметрия (сравнение цвета крови с цветом стандартного раствора);

4) измерение экстинкции (спектрофотометрия). При проведении рутинных определений уровня гемоглобина отдают предпочтение последнему методу, так как при

 

 

Рис. 22.5. Частотное распределение концентраций гемоглобина у взрослых мужчин (♂), взрослых женщин (♀) и новорожденных. По оси ординат–относительная частота встречаемости, по оси абсцисс–содержание гемоглобина; μ–среднее значение (медиана), ст–стандартное отклонение (величина, характеризующая разброс значений; соответствует расстоянию от медианы кривой нормального распределения до значения, соответствующего наиболее крутому участку этой кривой)

 

использовании первых двух способов необходима сложная аппаратура, а метод колориметрии неточен.

Спектрофотометрический анализ. Принцип метода состоит в определении содержания НЬ в крови по экстинкции монохроматического света. Поскольку растворенный гемоглобин нестабилен, а экстинкция зависит от степени оксигенации, его необходимо предварительно перевести в стабильную форму.

Спектрофотометрические измерения содержания гемоглобина производят следующим образом. Кровь набирают в капиллярную пипетку и затем смешивают с раствором, содержащим калий железосинеродистый (K₃[Fe(CN)₆]), цианистый калий (KCN) и бикарбонат натрия (NаНСО₃). Под действием этих веществ эритроциты разрушаются, и гемоглобин превращается в циан–метгемоглобин HbCN (содержащий трехвалентное железо), способный сохраняться в течение нескольких недель. При спектрофотометрии раствор цианметгемоглобина освещают монохроматическим светом с длиной волны 546 нм и определяют экстинкцию Е. Зная коэффициент экстинкции e и толщину слоя раствора d, можно, исходя из закона Ламберта–Бэра [уравнение (2)], определить концентрацию раствора С непосредственно по величине экстинкции Е. Чаще предпочитают, однако, предварительно откалибровать шкалу экстинкции при помощи стандартного раствора. В настоящее время цианметгемоглобиновый метод считается наиболее точным из общепринятых способов измерения содержания гемоглобина [32].

Среднее содержание гемоглобина в эритроците.

Важным диагностическим показателем, позволяющим оценить эритропоэз и провести дифференциальную диагностику различных форм анемии, служит среднее содержание гемоглобина в одном эритроците. (СГЭ) (по международной классификации–mean corpuscular hemoglobin, MCH). Эта величина отражает абсолютное количество гемоглобина, содержащееся в среднем в одном эритроците. Ее находят путем деления количества гемоглобина в определенном объеме крови на число эритроцитов в том же объеме.

Приведем пример расчета СГЭ. У здорового мужчины в 1 л крови содержится 158г Нbи 5,1 млн–10⁶ эритроцитов (1 л = 10⁶ мкл). СГЭ равно отношению этих величин:

СГЭ = 158 г/5 ,1·10¹²= 31 • 10^–12 г= 31 пг

 

Такая же величина СГЭ характерна и для здоровых женщин:

СГЭ = 140 г /4,6·10¹²= 31 • 10^–12 г= 31 пг

(Приведены данные для Центральной Европы; для популяции Северной Америки СГЭ = 29 пг (по Уинтробу).

Эритроциты с нормальным содержанием гемоглобина (26–36 пг) называют нормохромными. Если СГЭ патологически снижено, то эритроциты называют гипохромными, а если оно повышено–гиперхромными. Эти же термины употребляют и для обозначения различных форм анемии. Так, когда образование гемоглобина снижается в результате недостатка железа, содержание гемоглобина в расчете на эритроцит падает, и возникает гипохромная анемия. При других разновидностях анемии (например, пернициозной анемии) нарушается образование красных кровяных телец в костном мозгу, и в крови появляются деформированные эритроциты с высоким содержанием гемоглобина. В этом случае речь идет о гиперхромной анемии. После значительной кровопотери СГЭ сначала не изменяется (нормохромная анемия), а в последующем вследствие избыточной продукции эритроцитов содержание гемоглобина в них падает (гипохромная анемия).

Связь между различными параметрами эритроцитов.

При оценке состояния эритроцитов, производимой в диагностических целях, обычно измеряют три показателя–число эритроцитов Э (мкл), содержание гемоглобина в крови НЬ (г/л) и гематокрит (ГК). Исходя из этих трех показателей, можно вывести еще три величины – среднее содержание гемоглобина в эритроците (СГЭ), среднюю концентрацию гемоглобина в эритроците (КГЭ)

(по международной классификации–mean corpuscular hemoglobin concentration, MCHC) и средний объем эритроцитов (ОЭ). Взаимосвязь между всеми этими показателями видна из их названий. Приведем схему этой взаимосвязи:

Так, если Э = 5· 10⁶мкл^–1, [НЬ] = 150 г/л, ГК = 0,45, то остальные три показателя составляют: СГЭ = 30 пг, КГЭ=ЗЗЗг/л, а ОЭ=0,09–10^–6 мкл = 90 фл (фемтолитров) = 90 мкм³

 

22.2. Перенос кислорода кровью

Физическая растворимость газов

Парциальное давление (напряжение) газов в жидкости. Почти во всех жидкостях может содержаться некоторое количество физически растворенных газов. Содержание растворенного газа в жидкости зависит от его парциального давления. Если жидкость привести в состояние термодинамического равновесия с находящимся над ней газом (для этого необходимо, чтобы площадь соприкосновения и время контакта обеих фаз были достаточно велики), то в жидкости создается напряжение газа, равное его парциальному давлению в газовой фазе.

Содержание физически растворенных газов в крови. Содержание газа в жидкости в физически растворенном виде зависит от его напряжения Р,–и коэффициента растворимости Бунзена а, отражающего свойство растворимости. Коэффициент Бунзена соответствует объему газа (в миллилитрах), физически растворяющемуся в 1 мл жидкости при напряжении газа, равном 1 атм (1 атм = 760 мм рт. ст. = 101 кПа). Зависимость содержания физически растворенного газа в жидкости от его напряжения и коэффициента растворимости называется законом Генри–Дальтона:

[газ] = a/760 Pr  (3)

В знаменателе этого выражения стоит число 760, так как при определении а в качестве единиц

используют атмосферы, а напряжение газа Рr обычно выражают в миллиметрах ртутного столба.

Величина коэффициента Бунзена зависит от природы растворенного газа, свойств растворителя и температуры. В табл. 22.1 приведены некоторые значения этого коэффициента для растворов атмосферных газов в воде и крови. Используя закон Генри–Дальтона [уравнение (3)], можно вычислить содержание физически растворенного газа в жидкости, исходя из его напряжения и величины а. Так, в артериальной крови (при РO₂ = 95 мм рт. ст. и РCO₂ = 40 мм рт. ст.) содержание физически растворенного O₂ составляет 0,003 мл O₂ на 1 мл крови, а СO₂–0,026 мл СO₂, на 1 мл крови. Несмотря на то что напряжение СO₂ ниже, чем напряжение O₂, количество физически растворенного СO₂, в 9 раз больше. Это объясняется тем, что коэффициент растворимости для СO₂ в 20 раз больше, чем для O_2.

 

Таблица 22.1. Коэффициент растворимости Бунзена a (мл газа·мл растворителя ^–1· атм^–1) для O₂, СO₂ и N₂ в воде и в крови

 

	a°О2	aCO2	a N2
Вода, 20 °С	0,031	0,88	0,016
Вода, 37°С	0,024	0,57	0,012
Кровь, 37°С	0,024	0,49	0,012

 

Хотя содержание в крови O₂ и СO₂  в физически растворенной форме относительно невелико, эта их форма играет огромную роль в жизнедеятельности организма. Для того чтобы связаться с теми или иными веществами, дыхательные газы сначала должны быть доставлены к ним в физически растворенном виде. Таким образом, при диффузии в ткань или из нее каждая молекула O₂ или СO₂ в течение некоторого времени находится в растворенной форме.

Связывание кислорода гемоглобином

Кислородная емкость крови. Большая часть кислорода переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. Для того чтобы узнать, какое наибольшее количество O₂ может быть связано гемоглобином, следует иметь в виду, что молекула последнего состоит из четырех субъединиц (рис. 22.3). Следовательно, реакцию оксигенации можно записать следующим образом:

НЬ+4O₂ ↔НЬ(O₂)₄.          (4)

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 НЬ). Это обусловлено тем, что небольшая часть гемоглобина находится в неактивном состоянии [25]. Таким образом, ориентировочно можно считать, что in vivo 1г Hb связывает 1,34 мл О₂ (так называемое число Хюфнера).

В последнее время стало принятым выражать молярную концентрацию гемоглобина в пересчете на его мономер. В этом случае 1 моль Hb (= 16 100 г Hb) может связать до 1 моль O₂ (= 22,4 л O₂). Такой расчет дает в итоге ту же величину, что и расчет числа Хюфнера.

Исходя из числа Хюфнера, можно, зная содержание гемоглобина, вычислить кислородную емкость крови: [O₂]max = (1,34 мл O₂ на 1 г НЬ)·(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 (4) значительно сдвинуто вправо. В естественных условиях эта реакция протекает при меньшем значении парциального давления O₂, поэтому гемоглобин оксигенируется не полностью.

Кривая диссоциации оксигемоглобина. Реакция взаимодействия кислорода с гемоглобином (4) подчиняется закону действующих масс. Это означает, что соотношение между количествами гемоглобина и оксигемоглобина зависит от содержания физически растворенного O₂ в крови; последнее же, согласно закону Генри–Дальтона, пропорционально напряжению O₂. Процент оксигемоглобина от общего содержания гемоглобина называют кислородным насыщением (SO₂ ) гемоглобина:

 

SO₂=[НЬO₂]/ [Hb] + [НЬO₂]· 100%   (5)

Если гемоглобин полностью дезоксигенирован, то SO₂ =0%; если же весь гемоглобин превратился в оксигемоглобин, то SO₂ = 100%. В соответствии с законом действующих масс насыщение гемоглобина кислородом зависит от напряжения O₂. Графически эту зависимость отражает так называемая кривая диссоциации оксигемоглобина. Как видно из рис. 22.6, эта кривая имеет S–образную форму. Расположение кривой диссоциации оксигемоглобина зависит от ряда факторов (см. ниже). Наиболее простым показателем, характеризующим расположение этой кривой, служит так называемое напряжение полунасыщения РО₂, т.е. такое напряжение O₂, при котором насыщение гемоглобина кислородом составляет 50%. В норме (при рН 7,4 и t=37°C) Р₅₀ артериальной крови составляет около 26 мм рт. ст. (3,46 кПа) [9, 29].

Интерпретация кривой диссоциации оксигемоглобина.

Причины S–образной формы кривой диссоциации оксигемоглобина до конца не ясны. Если бы каждая молекула гемоглобина присоединяла только одну молекулу O₂, то

 

Рис. 22.6. Кривые диссоциации оксигемоглобина (Hb) и оксимиоглобина (Mb) при рН 7,4 и t 37 °С

 

кинетика этой реакции графически описывалась бы гиперболой [11]. Именно такая гиперболическая кривая диссоциации характерна, например, для реакции соединения кислорода с красным мышечным пигментом миоглобином (Mb), аналогичной реакции оксигенации гемоглобина [1]. Строение миоглобина сходно со структурой одной из четырех субъединиц гемоглобина, поэтому молекулярные массы этих двух веществ соотносятся как 1:4. Поскольку в состав миоглобина входит лишь одна пигментная группа, одна молекула миоглобина может присоединить только одну молекулу O₂:

Mb + O₂ ↔ МbO₂.               (6)

Гиперболическая кривая диссоциации для этой реакции приведена на рис. 22.6. Исходя из вполне правдоподобного предположения о том, что S–образная форма кривой диссоциации НbO₂ обусловлена связыванием одной молекулой гемоглобина четырех молекул O₂, Эдер выдвинул так называемую гипотезу промежуточных соединений. Согласно этой гипотезе, присоединение четырех молекул O₂ к гемоглобину происходит в несколько стадий, причем каждая из этих стадий влияет на равновесие следующей реакции. Таким образом, реакция соединения кислорода с гемоглобином описывается четырьмя константами равновесия, что и объясняет сигмоидную форму кривой диссоциации оксигемоглобина.

В то же время возможно и другое объяснение, согласно которому существуют две формы гемоглобина–оксигенированная и дезоксигенированная, переходящие одна в другую в результате конформационных перестроек. Если предположить, что параметры равновесия реакций оксигенации для этих двух форм гемоглобина различны, то с позиции данной гипотезы можно объяснить S–образную форму кривой диссоциации НbO₂ [11,14].

 

Биологический смысл формы кривой диссоциации оксигемоглобина. Конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина имеет важное значение с точки зрения переноса кислорода кровью. В процессе поглощения кислорода в легких напряжение O₂ в крови (PO₂) приближается к таковому в альвеолах. У молодых людей РO₂ артериальной крови составляет около 95 мм рт. ,ст. (12,6 кПа). Из рис. 22.6 видно, что при таком напряжении насыщение гемоглобина кислородом составляет примерно 97%. С возрастом (и в еще большей степени при заболеваниях легких) напряжение O₂ в артериальной крови может значительно снижаться, однако, поскольку кривая диссоциации оксигемоглобина в правой ее части почти горизонтальна, насыщение крови кислородом уменьшается ненамного. Так, даже при падении РO₂ 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.

Крутой наклон среднего участка кривой диссоциации оксигемоглобина свидетельствует об очень благоприятных условиях для отдачи кислорода тканям. При изменении локальной потребности в кислороде он должен высвобождаться в достаточном количестве в отсутствие значительных сдвигов PO₂ в артериальной крови. В состоянии покоя PO₂ в области венозного конца капилляра равно приблизительно 40 мм рт. ст. (5,3 кПа), что соответствует примерно 73% насыщения. Если в результате увеличения потребления кислорода его напряжение в венозной крови падает лишь на 5 мм рт. ст. (0,7 кПа), то насыщение гемоглобина кислородом снижается не менее чем на 7%; высвобождающийся при этом O₂ может быть сразу же использован для процессов метаболизма.

Содержание O₂ в артериальной и венозной крови.

Количество химически связанного кислорода в крови зависит от насыщения им гемоглобина (SO₂ ). Зная величину SO₂ , можно, исходя из числа Хюфнера, вычислить объемное содержание O₂ в крови (в л O₂ на 1л крови):

[O₂]= 1,34·[Hb]·SO₂·10^–5         (7)

где SO₂ выражено в процентах, a [Hb] – в граммах на литр. Подставляя в это уравнение количественные значения кислородного насыщения, можно вычислить, что в артериальной крови (SO₂ = 97%) содержание кислорода составляет около 0,20, а в венозной (SO₂ = 73%) оно равно 0,15. Таким образом, артериовенозная разница по концентрации кислорода (авРO₂ ) составляет 0,05 (табл. 22.2). Это означает, что в норме при прохождении крови через тканевые капилляры используется лишь 25% общей кислородной емкости. Разумеется, разные органы существенно различаются по степени извлечения кислорода (см. рис. 23.2), так что величины для венозной крови, приведенные в табл. 22.2, представляют собой средние значения показателей, варьирующих в широких пределах. При интенсивной физической нагрузке артериовенозная разница по кислороду может превышать 0,1.

Факторы, влияющие на кривую диссоциации оксигемоглобина

Форма кривой диссоциации НbО₂ обусловлена главным образом реакционноспособностью гемоглобина, однако сродство крови к кислороду может измениться под действием других факторов [2, 12, 14], как правило, приводящим к увеличению или уменьшению наклона кривой диссоциации без изменения ее S–образной формы. Такое влияние оказывают температура, рН, напряжение СO₂  и некоторые другие факторы, роль которых возрастает при патологических состояниях.

Влияние температуры. Равновесие реакции оксигенации гемоглобина (как и большинства химических реакций вообще) зависит от температуры. При понижении температуры наклон кривой диссоциации оксигемоглобина увеличивается, а при ее повышении – снижается (рис. 22.7, А). У теплокровных

 

Таблица 22.2. Параметры дыхательных газов и рН для артериальной и венозной крови у здоровых молодых людей в покое

	РO2		SO2%	[O2], л O2 /л крови	PCO2		[CO2], л CO2 /л крови	рН
	Мм рт.ст.	кПа			Мм рт.ст.	кПа
Артериальная кровь	95	12,6	97	0,20	40	5,3	0,48	7,40
Венозная кровь	40	5,3	73	0,15	46	6,1	0,52	7,37
Артериовенозная разница	0,05				0,04

 

               

Рис. 22.7. Влияние различных параметров крови на кривую диссоциации оксигемоглобина [9, 29]. А. Влияние температуры. Б. Влияние рН (эффект Бора). В. Влияние напряжения СO₂. Г. Влияние содержания 2,3–дифосфоглицерата (2,3–ДФГ) в эритроците. Красная кривая, соединяющая точки а (артериальная кровь) и в (венозная кровь), или так называемая эффективная кривая диссоциации оксигемоглобина, отражает фактический газообмен в состоянии покоя животных этот эффект проявляется только при гипотермии или лихорадочном состоянии.

 

Влияние рН и PСO₂. Форма кривой диссоциации оксигемоглобина в значительной степени зависит от содержания в крови ионов Н⁺ (эта зависимость приведена на рис. 22.7, Б, где в качестве показателя концентрации ионов Н⁺ указаны значения рН). При снижении рН, т. е. подкислении крови, сродство гемоглобина к кислороду уменьшается и угол наклона кривой диссоциации  оксигемоглобина уменьшается. На рис. 22.7, Б приведены значения рН плазмы, хотя для понимания механизмов влияния Н⁺ на диссоциацию оксигемоглобина важнее знать влияние на кривую диссоциации рН внутри эритроцитов. Однако этот параметр измерить трудно, поэтому обычно ограничиваются определением рН плазмы. Влияние рН на характер кривой диссоциации оксигемоглобина (см. рис. 22.7, Б) называют эффектом Бора. рН крови тесно связан с напряжением в ней СO₂ (рСO₂ ): чем выше РO₂ , тем ниже рН. На рис. 22.7, В приведено семейство кривых диссоциации оксигемоглобина при различных значениях РO₂ · Видно, что увеличение напряжения СO₂ в крови сопровождается снижением сродства гемоглобина к кислороду и
уменьшением угла наклона кривой диссоциации НbO₂. Эту зависимость называют также эффектом Бора, хотя при детальном количественном анализе было показано, что влияние СO₂ на форму кривой диссоциации оксигемоглобина нельзя объяснить только изменением рН. Очевидно, сам диоксид углерода оказывает на диссоциацию оксигемоглобина специфическое действие [14].

Биологический смысл эффекта Бора. Эффект Бора имеет определенное значение как для поглощения кислорода в легких, так и для его высвобождения в тканях (хотя значение этого эффекта не следует преувеличивать). Рассмотрим сначала процессы, происходящие в легких. Поглощение O₂ идет одновременно с выделением СO₂, поэтому по мере насыщения гемоглобина кислородом кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается влево. На рис. 22.7, В этим изменениям соответствует красная кривая, которую иногда называют эффективной кривой диссоциации НbO₂. По мере того как венозная кровь (точка в; pO₂ = 40 мм рт. ст., РCO₂ = 46 мм рт. ст.), насыщаясь кислородом, превращается в артериальную (точка а;PO₂ = 95 мм рт. ст., РCO₂ = 40 мм рт. ст.), сродство гемоглобина к кислороду постоянно увеличивается. В результате, хотя перенос кислорода осуществляется путем диффузии, скорость этой диффузии несколько возрастает. Таким образом, эффект Бора способствует связыванию кислорода в легких. Несколько большее значение эффект Бора имеет для переноса O₂ из капилляров в ткани. Поскольку одновременно с выходом кислорода из крови в нее поступает СO₂, кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо. Все эти процессы соответствуют сдвигу на эффективной кривой диссоциации от точки а до точки в (красная кривая на рис. 22.7, В). Снижение сродства гемоглобина к кислороду приводит к еще большему падению содержания оксигемоглобина, и в результате кислород поступает в ткани при относительно высоком рО₂ в капилляре. Таким образом, и в данном случае эффект Бора способствует обмену кислорода.

Влияние патологических факторов. При ряде патологических состояний наблюдаются изменения в процессах переноса кислорода кровью. Так, существуют заболевания (например, некоторые виды анемий), которые сопровождаются сдвигами кривой диссоциации оксигемоглобина вправо (реже влево). Причины таких сдвигов окончательно не ясны. Известно, что на форму и угол наклона кривой диссоциации оксигемоглобина оказывают выраженное влияние некоторые фосфорсодержащие органические соединения, концентрация которых в эритроцитах при патологии может изменяться. Наибольший эффект среди таких соединений оказывает 2,3–дифосфоглицерат–2,3–ДФГ (рис. 22.7, Г) [16. 22]. Сродство гемоглобина к кислороду зависит также от содержания в эритроцитах катионов. Необходимо отметить и влияние патологических сдвигов рН: при повышении рН (алкалозе) захват кислорода в легких благодаря эффекту Бора облегчается, но его отдача в тканях затрудняется, а при снижении рН (ацидозе) наблюдается обратная картина. Наконец, значительный сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина влево имеет место при отравлении СО.

Особенности кривой диссоциации оксигемоглобина у плода. В плаценте, как и в любом другом органе, газообмен осуществляется путем диффузии. В то же время особое внимание следует обратить на различие в сродстве крови матери и плода к кислороду. При анализе в одинаковых условиях наклон кривой диссоциации оксигемоглобина в крови плода несколько больше, чем в крови матери, однако in vivo эта разница почти целиком сводится на нет благодаря эффекту Бора (рН крови плода несколько ниже, чем рН материнской крови). В связи с этим разница в сродстве крови матери и плода к кислороду практически не отражается на газообмене в плаценте. Такая ситуация наиболее благоприятна для обмена газов, что становится очевидным, если учесть различия в концентрации гемоглобина в крови матери и плода [7, 21].

На рис. 22.8 приведены кривые диссоциации оксигемоглобина для крови матери и плода к

 

Рис. 22.8. Зависимость концентрации кислорода [O₂] в крови от его напряжения (PO₂) у матери и у плода к моменту рождения. В ходе плацентарного газообмена содержание O₂ в крови матери падает от а (в артериальной крови) до в (в венозной крови), а в крови плода возрастает от в' (в пупочной артерии), до а' (в пупочной вене)

 

моменту рождения. При их построении использованы средние значения рН в области плаценты. Поскольку содержание гемоглобина в крови матери и плода различно (120 и 180 г/л соответственно), по оси ординат отложено не насыщение гемоглобина кислородом, а объемное содержание O₂ в крови. Процессам дезоксигенации крови матери и оксигенации крови плода соответствует ход кривых в направлении стрелок между точками а и б (мать) и в' и а' (плод). Видно, что при одном и том же напряжении O₂ кровь плода связывает значительно больше кислорода, чем кровь матери. Так, при PO₂= 25 мм рт. ст. (3,3 кПа) содержание O₂ в крови матери составляет 0,08, а в крови плода–0,11.

Особую роль в плацентарном газообмене играет эффект Бора. В процессе диффузии газов сродство крови матери к кислороду в результате поступления СO₂ снижается, а сродство крови плода повышается (на рис. 22.8 это не показано). Благодаря такому двойственному влиянию эффекта Бора скорость обмена кислорода увеличивается.

Связывание гемоглобина с оксидом углерода

Оксид углерода (угарный газ, СО) обладает гораздо большим сродством к гемоглобину, чем кислород. Даже при крайне низких парциальных давлениях СО гемоглобин превращается в карбоксигемоглобин:

НЬ + СО ↔ НbСО.              (8)

Равновесие этой реакции значительно смещено вправо, поэтому кривая диссоциации карбоксигемоглобина имеет очень крутой наклон. Высокое сродство оксида углерода к гемоглобину обусловлено тем, что СО диссоциирует от Нb гораздо медленнее, чем O₂ [3]. Максимально эффективная концентрация для СO₂  составляет 30 ppm (частей на миллион), что соответствует FCO₂ 3·10^–5 (0,003 об.%). В артериальной крови человека, пребывающего достаточно долго в среде с таким содержанием СО, на долю НbСО приходится около 5% общего содержания гемоглобина. Парциальные давления СО и O₂, при которых содержание соответственно НbСО и НbO₂ составляет по 5%, соотносятся как 1 : 350. Иными словами, в данных пределах парциальных давлений сродство Нb к СО примерно в 350 раз выше, чем к O₂.

Токсичность оксида углерода обусловлена именно высоким сродством этого соединения к гемоглобину. СО представляет собой газ без цвета и запаха, образующийся при неполном сгорании органических веществ. Иногда он входит в состав бытового газа; кроме того, он выделяется при работе двигателей внутреннего сгорания. Даже при низких концентрациях СО вытесняет кислород из соединения с гемоглобином, при этом последний теряет способность к переносу O₂. В норме на долю НbСО приходится лишь 1 % общего количества гемоглобина в крови; у курильщиков же к вечеру она достигает 20%. Об опасности, которую угарный газ представляет для автомобилистов, говорит тот факт, что на дорогах с особенно интенсивным движением содержание СО в воздухе достигает 3·10^–4. При такой концентрации СО шахтерам положено надевать дыхательные аппараты.

Токсичность угарного газа обусловлена не только блокированием гемоглобина, но и другим эффектом. Когда часть гемоглобина превращается в НbСО, кривая диссоциации оксигемоглобина (для гемоглобина, еще не блокированного СО) сдвигается влево [3] и может в итоге приобретать форму гиперболы. В результате происходит еще большее снижение напряжения O₂ в тканевых капиллярах.

При тяжелом отравлении угарным газом, отличительным признаком которого служит вишнево–красная окраска крови, жизнь пострадавшего можно спасти путем немедленного применения искусственного дыхания, по возможности с чистым кислородом. При этом напряжение кислорода в крови увеличивается, и O₂ частично вытесняет СО из связи с гемоглобином. Рекомендуется также переливание большого количества крови, так как при этом в кровь пострадавшего поступает гемоглобин, способный переносить кислород.

 

22.3. Перенос СО₂ кровью

Формы транспорта СO₂

Диоксид углерода (СO₂, углекислый газ)–конечный продукт окислительного метаболизма в клетках – переносится с кровью к легким и удаляется через них во внешнюю среду. Подобно кислороду, диоксид углерода может переноситься как в физически растворенном виде, так и в составе химических соединений. Химическое связывание СO₂–более сложный процесс по сравнению со связыванием кислорода. Это обусловлено тем, что механизм, отвечающий за транспорт СO₂, должен одновременно обеспечивать поддержание постоянства кислотно–щелочного равновесия крови и тем самым внутренней среды организма в целом.

Связывание СO₂ [15]. Напряжение СO₂ в артериальной крови, поступающей в тканевые капилляры, составляет 40 мм рт. ст. (5,3 кПа). В клетках же, расположенных около этих капилляров, напряжение СO₂ значительно выше, так как углекислый газ постоянно образуется в процессе метаболизма. В связи с этим физически растворенный СO₂ диффундирует по градиенту напряжения из тканей в капилляры. Здесь некоторое количество углекислого газа остается в растворенном состоянии, но большая часть СO₂ претерпевает ряд химических превращений (рис. 22.9). Прежде всего происходит гидратация молекул СO₂ с образованием угольной кислоты, сразу же диссоциирующей на ион бикарбоната и протон:

СO₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ^– + НСОз^–  + H⁺  (9)

В плазме крови эта реакция протекает очень медленно; в эритроците же она ускорена примерно в 10 тыс. раз. Это связано с действием фермента карбоангидразы [6, 24]. Поскольку этот фермент присутствует только в эритроцитах, практически все молекулы СO₂, участвующие в реакции гидратации, должны сначала проникнуть в эритроциты.

 

 

Рис. 22.9. Химические реакции, происходящие и эритроцитах при газообмене в тканях (слева) и легких (справа)

Накопление в эритроците НСО₃^– приводит к тому, что между его внутренней средой и плазмой крови создается диффузионный градиент. Ионы НСО₃^–  могут двигаться по этому градиенту лишь в том случае, если при этом не нарушается равновесное распределение электрических зарядов. Поэтому одновременно с выходом каждого иона НСО₃^–  должен происходить либо выход из эритроцита одного катиона, либо вход одного аниона. Поскольку мембрана эритроцита практически непроницаема для катионов, но сравнительно легко пропускает небольшие анионы, в обмен на НСО₃^–  в эритроцит поступают ионы С1^–. Этот обменный процесс называют хлоридным сдвигом (сдвигом Хамбургера).

По мере поступления СO₂ в эритроците образуются не только ионы НСО₃^– ", но также ионы Н⁺. Однако это не приводит к значительным сдвигам рН внутри эритроцита, что обусловлено, в частности, особыми свойствами гемоглобина. Это вещество, будучи амфолитом, обладает значительной буферной емкостью. Кроме того, восстановленный гемоглобин обладает более слабыми кислотными свойствами, чем оксигемоглобин, поэтому он может присоединять дополнительное количество ионов Н⁺.

СO₂ может связываться также путем непосредственного присоединения к аминогруппам белкового компонента гемоглобина. При этом образуется остаток карбаминовой кислоты (карбамат):

Hb—NH₂ + СO₂ ↔ Hb—NHCOOH^– + Н⁺)

Гемоглобин, связанный с СO₂, называется карбамииогемоглобином (или упрощенно карбогемоглобином).

Все эти химические реакции и взаимосвязи между ними представлены на рис. 22.9. В левой части этого рисунка показаны процессы, происходящие в тканевых капиллярах при поступлении СO₂ в кровь. В правой части изображены реакции, протекающие при высвобождении СO₂ в легких; видно, что направление всех реакций здесь противоположное.

Роль разных форм СO₂ в газообмене. В крови, поступающей к тканям, напряжение СО; составляет 40 мм рт.ст. Проходя через них, кровь насыщается углекислым газом, и напряжение его в оттекающей из тканей крови достигает в среднем 46 мм рт.ст. При этом 1 л крови поглощает примерно 1,8 ммоль СO₂. Около 12% этого количества остается в физически растворенном виде или в форме недиссоциированной угольной кислоты (НbСO₂), 11% образует карбаминовое соединение с гемоглобином, 27% транспортируется в виде бикарбоната в эритроцитах, а остальное количество – около 50%–растворено в виде НСО₃^– в плазме. При прохождении крови через легкие СО; высвобождается из этих четырех форм в таком же соотношении.

Сатурационные кривые СO₂ (В оригинале эти кривые называются «кривые диссоциации СO₂», и это название достаточно часто встречается в литературе. В то же время оно неверно и затрудняет понимание процессов переноса СO₂ (особенно для студентов, которым в основном и предназначено настоящее пособие), так как СO₂ ни на что не диссоциирует. Поскольку же данные кривые отражают насыщение крови СO₂; при различных значениях его парциального давления, мы используем термин «сатурационные кривые» (saturatio–насыщение), предложенный нами в переводе книги Дж. Уэста «Физиология дыхания. Основы» (М.: Мир, 1988). Этот же термин можно использовать для описания кривых насыщения крови кислородом, когда по вертикальной оси отложено не насыщение кислородом гемоглобина, а объемное содержание O₂ в крови)

Зависимость содержания СO₂ от его напряжения.

Общее содержание диоксида углерода в крови складывается из концентраций физически растворенного СO₂ и форм химически связанного СO₂–угольной кислоты, карбамата и бикарбоната. Большая часть СO₂ присутствует внутри и вне эритроцитов в форме бикарбоната. При повышении РCO₂ содержание всех этих форм СO₂ увеличивается. Связь между концентрацией в крови и парциальным давлением СO₂ описывается сатурационной кривой, сходной с кривой диссоциации оксигемоглобина. На рис. 22.11 приведены такие кривые для оксигенированной и дезоксигенированной крови. Разница между этими двумя кривыми обусловлена тем, что оксигемоглобин обладает более выраженными кислотными свойствами, чем дезоксигемоглобин, и может поэтому удалять меньше ионов Н ⁺ из раствора за счет их присоединения. Соответственно, чем ниже содержание оксигемоглобина, тем выше степень диссоциации угольной кислоты–процесса, необходимого для непрерывного поглощения СO₂. Кроме того, дезоксигемоглобин более активно, чем оксигемоглобин, связывает СO₂ с образованием карбогемоглобина [6, 20]. Зависимость связывания СO₂ от степени оксигенации гемоглобина называют эффектом Христиансена–Дугласа–Холдейна или кратко эффектом Холдейна.

Существует принципиальная разница между сатурационными кривыми связывания СO₂ и кривыми диссоциации оксигемоглобина. Кривые диссоциации НbO₂ асимптотически приближаются к максимуму, а связывание СO₂ не достигает насыщения. По мере увеличения парциального давления СO₂ количество связанного СO₂ постоянно возрастает, так как образование бикарбоната в крови практически не лимитировано. Поэтому по оси ординат на графиках связывания СO₂ отложены не проценты насыщения, а единицы концентрации (мл СO₂/мл крови или ммоль/л).

Сатурационные кривые СO₂ (рис. 22.10) приложимы только к крови с нормальным кислотно–щелочным равновесием. В условиях метаболического алкалоза либо ацидоза они существенно сдвигаются (рис. 22.16).

Физиологическое значение эффекта Христиансена Дугласа–Холдейна. При рассмотрении процессов поступления СO₂ в кровь из тканей и его высвобождения в легких следует помнить о том, что эти процессы происходят одновременно с обменом O₂. Изменения в насыщении гемоглобина кислородом влияют на связывание СO₂ кровью и тем самым на его обмен.

К тканевым капиллярам обычно притекает полностью оксигенированная кровь (точка а на рис. 22.10). По мере того как кровь проходит через капилляры и кислород выходит из нее в ткани, способность крови поглощать СO₂ увеличивается. Таким образом, эффект Христиансена–Дугласа–Холдейна способствует поглощению СO₂ кровью в тканях.

В легких происходят обратные процессы.

 

Рис. 22.10. Кривые содержания СO₂ в оксигенированной и дезоксигенированной крови. Красная кривая («эффективная кривая связывания СO₂»), соединяющая точки а (артериальная кровь) и в (венозная кровь), отражает фактический газообмен

 

В результате того, что в кровь поступает кислород, ее сродство к углекислому газу снижается, и тем самым облегчается диффузия СO₂ в альвеолы. Происходящие при этом изменения соответствуют сдвигу от точки в до точки а на красной кривой (рис. 22.10). Эта кривая, отражающая процессы обмена СO₂ в легких и тканях, называется эффективной сатурационной кривой СO₂. Итак, мы убедились в том, что как при поступлении СO₂ в кровь из тканей, так и при выделении его в легких эффект Христиансена–Дугласа–Холдейна способствует диффузионному обмену этого газа.

 

22.4. Кислотно–щелочное равновесие крови, рН крови

 

Кислоты и основания. Согласно определению Бренстеда, кислотами называют такие вещества, которые в растворах отдают ионы водорода (доноры протонов), а основаниями – вещества, связывающие эти ионы (акцепторы протонов). Подобное определение оказалось особенно плодотворным в области биологических наук. Рассмотрим с этих позиций реакцию диссоциации

НА ↔ H⁺ + А^–.           (11)

При протекании этой реакции в прямом направлении (слева направо) НА представляет собой кислоту. Когда эта реакция в определенных условиях осуществляется в обратном направлении, анион А^– является по определению основанием (он связывает

ионы водорода). А^– в данном случае называют сопряженным основанием. Между реакциями диссоциации и ассоциации существует равновесие, подчиняющееся закону действующих масс. В случае сильных кислот, например НСl, равновесие в реакции (11) значительно смещено вправо. Если же НА представляет собой слабую кислоту, то диссоциация происходит не полностью. Степень ее зависит от константы равновесия (рис. 22.11).

Показатель рН. Кислотность или щелочность раствора зависит от содержания в нем свободных ионов водорода. Показателем этого содержания служит величина рН. По определению рН представляет собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов Н⁺:

pн=–lg[н⁺].             (12)

Таким образом, если рН 7 (нейтральная реакция среды), то концентрация ионов H⁺ [Н⁺] равна 10^–7 моль/л. При увеличении кислотности раствора его рН снижается.

Показатель рН был вначале предложен для технических целей, однако оказалось, что он имеет особое значение для живых объектов. Дело в том, что электрохимический потенциал ионов пропорционален не их концентрации, а логарифму этой концентрации. В связи с этим можно предполагать, что степень возбуждения рецепторов, участвующих в поддержании кислотно–щелочного равновесия в организме человека или животного, пропорциональна не концентрации ионов H⁺, а. величине рН.

 

Рис. 22.11. Зависимость степени диссоциации слабой кислоты от рН. рК'–отрицательный логарифм константы равновесия К'. Для получения подобных буферных кривых к раствору последовательно добавляют кратные количества Н⁺ или ОН^– и измеряют рН после каждой добавки

 

Измерение рН. рН раствора можно определить либо при помощи индикаторов, либо электрометрически. Большинство индикаторов представляет собой очень слабые кислоты или основания, диссоциирующие при определенных значениях рН и изменяющие при этом свой цвет. Для более точного и непрерывного измерения рН широко применяется электрометрическая регистрация (прибор рН–метр) с помощью стеклянного электрода. Такой электрод обычно имеет шарообразно расширенный конец из специального стекла, пропускающего ионы Н⁺. Внутри электрод заполнен буферным раствором. При погружении электрода в раствор по две стороны стеклянной мембраны создается разность потенциалов, величина которой в соответствии с уравнением Нернста зависит от рН исследуемого раствора. Эта разность потенциалов фиксируется с помощью неполяризующегося электрода. В настоящее время в рН–метрах используют простые в обращении датчики, в которых измерительный электрод и электрод сравнения заключены в единую оболочку. После усиления электрический сигнал подается на шкалу или электронное табло. Перед началом измерения прибор должен быть откалиброван при помощи стандартных буферных растворов.

Постоянство рН артериальной крови. рН артериальной крови человека (при 37° С) колеблется в пределах от 7,37 до 7,43, составляя в среднем 7.40. Необходимо уточнить, что эти значения характерны для плазмы крови (стеклянный электрод, погруженный в кровь, соприкасается именно с плазмой). В эритроците величину рН измерить трудно. Как было установлено, внутри эритроцита она составляет примерно 7,2–7,3, т. е. отличается от рН плазмы. Как правило, термин «рН крови» относится к рН плазмы.

Характерная для крови человека слабощелочная реакция поддерживается в очень узких пределах, несмотря на постоянно изменяющееся поступление в кровь кислых продуктов метаболизма. Такое постоянство чрезвычайно важно для правильного протекания обменных процессов в клетках, так как деятельность всех ферментов, участвующих в метаболизме, зависит от рН. При патологических сдвигах рН крови активность разных ферментов изменяется в разной степени, и в результате точное взаимодействие между реакциями обмена может нарушиться. В регуляции кислотно–щелочного равновесия (т. е. в поддержании постоянства рН крови) участвует несколько механизмов. К ним относятся буферные свойства крови, газообмен в легких и выделительная функция почек.

Буферные свойства крови

Общее понятие о буферных системах. Прежде всего необходимо вспомнить, что реакции диссоциации слабой кислоты НА на ионы водорода Н⁺ и сопряженное основание А^– подчиняются закону действующих масс. Кинетику таких реакций описывает уравнение

[H+] ·[А–]/[HA]= K’ (13)

 

где величины, приведенные в квадратных скобках,–молярные концентрации веществ, участвующих в реакции; К'–константа равновесия, или диссоциации (знак ' означает, что данная величина вычислена с учетом особых параметров раствора, например ионной силы). Если содержание ионов H⁺ повышается, то для сохранения равновесия в соответствии с законом действующих масс должна увеличиваться и концентрация недиссоциированной кислоты. Это означает, что степень диссоциации кислоты несколько уменьшается, и происходит связывание свободных ионов H⁺, добавленных в раствор. В результате рН изменяется меньше, чем следовало бы ожидать, исходя из количества добавленных ионов H⁺. Столь же незначительные сдвиги рН происходят и при снижении [H⁺]. Нивелировка влияния добавленных в раствор ионов Н⁺ или ОН⁺  называется буферным эффектом.

Для количественной оценки буферного эффекта можно прологарифмировать уравнение (13) и взять отрицательные логарифмы всех величин:

 

–lg[H⁺]= –IgK'–lg[НА]/ [А^–]'  (14)

 

рН = рК' + lg [НА]/[А^–]  (15)

Подобное уравнение для буферных систем, выведенное из закона действующих масс, называется уравнением Гендерсона Гассельбальха. Величина рК', так же как и К',–константа, характеризующая свойства системы (рК' = —IgK'). Уравнение (15) можно представить в следующем виде:

рН = рК' + lg a/1–a               (16)

 

где

 

a = [А^–]/ [НА]+[А^–]

Величина a, называемая степенью диссоциации, равна отношению концентрации сопряженного основания [А^–] к сумме концентраций кислоты и основания ([НА] + [А^–]). Кривая, представленная на рис. 22.11, отражает зависимость между степенью диссоциации a и рН буферного раствора. Из этой кривой видно, что степень диссоциации может изменяться лишь в ограниченных пределах рН, равных рК' + 2. Буферные свойства раствора проявляются лишь в этих пределах рН.

Показателем способности системы, состоящей из слабой кислоты и сопряженного основания, создавать буферный эффект служит буферная емкость–величина, равная соотношению между количеством ионов H⁺ или ОН^–, добавленных в раствор, и изменением рН. Буферная емкость наиболее высока в области крутого наклона буферной кривой и

максимальна при рН = рК' (рис. 20.11). Таким образом, буферная емкость раствора зависит от его концентрации и от разницы между рН и рК' этого раствора.

Бикарбонатный буфер. Из имеющихся в крови буферных систем рассмотрим прежде всего бикарбонатную систему. Она включает относительно слабую угольную кислоту, образующуюся при гидратации СO₂, и бикарбонат в качестве сопряженного основания:

СO₂ + Н₂О ↔ Н₂СОз ↔ H⁺ + НСО₃^–  (17)

Уравнение Гендерсона–Гассельбальха для суммарной реакции имеет следующий вид:

рН = рК' + lg [НСО₃^–]/[СО₂]    (18)

 

 

Величину [СO₂] можно заменить величиной напряжения СO₂ (PCO₂)

рН = рК' + lg [НСО₃^–]/0,03· PСО₂] (19)

Размерность коэффициента 0,03–это ммоль · л ^–1 х ммрт.ст.^–1, поэтому его можно использовать лишь тогда, когда [НСО₃^–] выражена в единицах ммоль/л, a PCO₂ –в мм рт.ст.

При ионной силе плазмы рК' составляет 6,1. Казалось бы, при таком различии между рК' и рН крови (7,4) емкость бикарбонатного буфера должна быть невелика. Однако на самом деле бикарбонатная система играет большую роль в создании общей буферной емкости крови, так как буферный эффект этой системы существенно увеличивается благодаря ее тесной связи с дыханием. Механизмы, направленные на поддержание напряжения СO₂ в артериальной крови (40 мм рт. ст.), способствуют созданию высокой концентрации НСО₃^– в плазме (24 ммоль/л). Иными словами, регулируя напряжение СO₂ в крови, дыхательная система обеспечивает высокое содержание компонентов буферной системы. Кроме того, органы дыхания вместе с бикарбонатным буфером образуют «открытую систему», в которой напряжение СO₂ (а следовательно, и рН крови) может регулироваться путем изменения вентиляции легких.

Фосфатный буфер. В фосфатной буферной системе, образованной неорганическими фосфатами крови, роль кислоты играет одноосновный фосфат Н₂РО₄ , а роль сопряженного основания – двухосновный фосфат НРО₄^2–. Величина рК' фосфатного буфера (6,8) сравнительно близка к рН крови, однако емкость данного буфера невелика по причине низкого содержания фосфата в крови.

Белковый буфер. Буферные свойства белков крови обусловлены способностью аминокислот ионизироваться. Концевые карбокси– и аминогруппы белковых цепей играют в этом отношении незначительную роль, так как таких групп мало и их рК' существенно отличаются от рН крови. Значительно больший вклад в создание буферной емкости белковой системы вносят боковые группы, способные ионизироваться, и особенно имидазольное кольцо гистидина.

К буферным белкам относятся как белки плазмы (в частности, альбумин), так и содержащийся в эритроцитах гемоглобин. На долю последнего приходится большая часть буферной емкости белковой системы, что связано как со значительной концентрацией гемоглобина, так и с относительно высоким содержанием в нем гистидина.

Особенно наглядно роль гемоглобина в создании буферной емкости крови можно показать, если сравнить сдвиги рН в плазме и цельной крови, вызываемые одинаковыми изменениями напряжения СO₂. Результаты такого сравнения удобно представить в виде графика зависимости рН от [НСО₃^–], на который нанесены кривые для постоянного напряжения СO₂, рассчитанные в соответствии с уравнением Гендерсона–Гассельбальха [уравнение (19)]. Измерив при разных значениях напряжения СO₂; рН и содержание НСO₃^- в плазме и в цельной крови, где происходит обмен ионов между плазмой и эритроцитами, строят так называемые равновесные кривые СO₂ для изолированной плазмы и цельной крови (рис. 22.12). Чем круче наклон кривой для цельной крови, тем больший вклад вносит в буферную емкость крови гемоглобин, и чем больше угол наклона кривой буферной емкости, тем меньше изменения рН при данном увеличении или уменьшении напряжения СO₂.

 

Рис. 22.12. Равновесные кривые СO₂ для изолированной плазмы и цельной крови. По оси ординат–содержание в плазме бикарбоната, по оси абсцисс–рН. Приведены также кривые для постоянного напряжения СO₂. Поскольку в цельной крови между плазмой и эритроцитами происходит обмен ионами, буферная емкость плазмы добавляется к буферной емкости гемоглобина и наклон соответствующей равновесной кривой становится круче

 

Рис. 22.13. Буферные кривые для недиффундирующих буферных систем эритроцита на основе гемоглобина (при незначительном участии АТР и 2,3–ДФГ) (по [19] с изменениями). По оси ординат–отношение содержания недиффундирующих буферных анионов Pi^- к содержанию гемоглобина; по оси абсцисс–рН внутри эритроцита. ИHbO₂ и ИHb изоэлектрические точки. Благодаря тому что буферная кривая для Нb смещена вправо относительно буферной кривой для НbO₂, при полной дезоксигенации гемоглобина 1 ммоль Нb может дополнительно связывать 0,45 ммоль H⁺ без изменения рН внутри эритроцита

 

Гемоглобин играет также важную роль в буферной емкости крови благодаря изменению его кислотных свойств при оксигенации и дезоксигенации. Эта зависимость выражена на рис. 22.13, где приведены буферные кривые (кривые титрования) для недиффундирующих буферных систем эритроцита на основе гемоглобина в оксигенированном и дезоксигенированном состояниях. Видно, что в физиологическом диапазоне рН оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Такая разница обусловлена главным образом влиянием кислорода, связанного с железом, на связывание Н⁺ соседними имидазольными группами гистидина. Благодаря этому влиянию гемоглобин, освобождая в тканях кислород, приобретает большую способность к связыванию ионов Н⁺ образующихся при одновременном поглощении СO₂. При поглощении кислорода кровью в легких происходят обратные процессы. Таким образом, обмен O₂ усиливает буферный эффект гемоглобина.

Буферные основания. Буферные свойства крови обусловлены суммарным эффектом всех анионных групп слабых кислот; важнейшими из них являются бикарбонат и анионные группы белков («протеинаты»). Все эти анионы, обладающие буферными эффектами, называют буферными основаниями (по международной номенклатуре –buffer bases, BB) [10].

На рис. 22.14 приведены концентрации различных ионов в плазме, эритроцитах и цельной крови человека (для артериальной крови). Высота столбиков пропорциональна концентрации ионов. Верхняя часть столбиков, относящихся к анионам, соответствует буферным основаниям (темно–красный цвет), а нижняя часть–всем анионам сильных кислот (кроме С1^–), не обладающих буферными свойствами, таким как S0₄^2– и органические анионы (обозначенные вместе Х^–). Из рисунка видно, что в плазме основную часть буферных оснований составляют ионы НСО₃^– , а в эритроцитах–протеинаты. В цельной крови более чем 1/3 всех анионов обладают буферным действием.

Концентрация буферных оснований в артериальной крови составляет примерно 48 ммоль/л. Очень важно, что эта величина не изменяется при сдвигах напряжения СO₂. Рассмотрим причины такого постоянства. Предположим, например, что напряжение СO₂ возрастает. При этом образуются равные количества H⁺ и НСО₃^– . Ионы Н⁺ почти полностью связываются протеинатами, переходящими при этом в недиссоциированную форму. В результате концентрация протеинатов снижается настолько, насколько увеличивается концентрация бикарбоната (рис. 22.15).

Рис. 22.14. Содержание ионов в плазме, эритроцитах и цельной крови. К буферным основаниям относятся анионы буферных систем (темно–красный столбик);фосфаты не изображены, так как их содержание очень низко. Х^– анионы всех сильных кислот, не обладающих буферными свойствами, за исключением CI^–; Kt⁺ –суммарная концентрация катионов

Рис. 22.15. Зависимость концентраций протеинатов и бикарбоната от РCO₂. Суммарное содержание двух буферных оснований остается постоянным (в норме–48 ммоль/л)

 

Подобные концентрационные сдвиги в буферных системах не взаимоуравновешиваются полностью, так как некоторые протоны остаются в свободной форме, изменяя тем самым рН. Так, если РCO₂ возрастает от 40 до 50 мм рт.ст., то рН внутри эритроцитов снижается на 0,06, а в плазме–на 0,1. Это означает, что концентрация ионов H⁺ увеличивается примерно на 10^–5 ммоль/л. Однако этот сдвиг очень мал и не влияет на характер графика, приведенного на рис. 22.15.

Поскольку суммарная концентрация буферных оснований крови не зависит от PCO₂ , по ней можно судить о сдвигах кислотно–щелочного равновесия, вызванных увеличением или уменьшением содержания нелетучих кислот в крови. Отклонение концентрации буферных оснований от нормального уровня (48 ммоль/л) называется избытком оснований (по международной номенклатуре–base excess, BE). Таким образом, в норме BE по определению равен нулю. При патологическом увеличении содержания буферных оснований BE становится положительным, а при снижении–отрицательным. В последнем случае можно использовать термин «дефицит оснований», так как выражение «отрицательный избыток оснований» с семантической точки зрения бессмысленно.

 

Механизмы регуляции рН

Вклад дыхательной системы. Одна из функций дыхательной системы состоит в удалении СO₂ –конечного продукта метаболизма, образующегося в больших количествах. В состоянии покоя организм выделяет 230 мл СO₂/мин, или около 15 тыс. ммоль в сутки. В то же время при удалении из крови «летучего» ангидрида угольной кислоты в ней исчезает примерно эквивалентное число ионов H⁺. Таким образом, дыхание играет чрезвычайно важную роль в поддержании кислотно–щелочного равновесия. Особое значение для компенсации сдвигов в кислотно–щелочном равновесии имеет регуляция дыхания. Так, если в результате нарушений обмена кислотность крови увеличивается, то повышение содержания H⁺ приводит к возрастанию легочной вентиляции (гипервентиляции), при этом молекулы СO₂, образующиеся в реакции НСО₃^–  + Н⁺→ Н₂СОз → Н₂О + СO₂, выводятся в большом количестве, и рН возвращается к нормальному уровню. Напротив, увеличение содержания оснований сопровождается гиповентиляцией; в результате напряжение СO₂ и концентрация ионов H⁺ возрастают, и сдвиг реакции крови в щелочную сторону частично или полностью компенсируется.

Роль почек. Кроме легких в регуляции кислотно–щелочного равновесия участвуют почки. Их функция состоит в удалении нелетучих кислот, главным образом серной кислоты. Почки должны удалять в сутки 40–60 ммолъ ионов Н⁺, накапливающихся за счет образования нелетучих кислот. Если содержание таких кислот возрастает, то при нормальном функционировании почек выделение H⁺ с мочой может значительно увеличиваться. В результате рН крови возвращается к нормальному уровню. Напротив, при повышении рН выведение почками H⁺ уменьшается, что также способствует поддержанию кислотно–щелочного равновесия.

Процесс выделения ионов H⁺ осуществляется в почечных канальцах при взаимодействии канальцевого фильтрата, клеток канальцев и капиллярной крови. В канальцевой моче большая часть ионов H⁺ связывается с НРО₄^– и NH₃, и лишь небольшое их количество выделяется с мочой в виде свободных протонов. Происходящие при этом химические превращения и обменные процессы приводят к обратному поступлению ионов НСО₃^– в кровь.

Ацидоз и алкалоз. При ряде патологических состояний в крови накапливаются такие большие количества кислот или оснований, что описанные выше регуляторные механизмы (буферные системы крови, дыхательная и выделительная системы) уже не могут поддерживать рН на постоянном уровне. В зависимости от того, в какую сторону изменяется реакция крови, различают два типа нарушений кислотно–щелочного равновесия. Понижение рН крови по сравнению с нормальным уровнем (рН < 7,37) называется ацидозом, а повышение (рН > 7,43) –алкалозом. Каждый из этих двух типов подразделяется еще на несколько разновидностей в зависимости от причины сдвига рН. Такие сдвиги могут наступать при изменениях вентиляции легких (поражения легких могут сопровождаться увеличением напряжения СО₂ в крови, а гипервентиляция приводит к снижению этого напряжения). Подобные состояния называют дыхательным (респираторным)

ацидозом или алкалозом. При нарушениях обмена веществ (например, при сахарном диабете) в крови могут накапливаться нелетучие кислоты; напротив, поступление в кровь оснований или потеря НСl (при рвоте) могут сопровождаться уменьшением содержания этих кислот. Такие состояния называют метаболическим ацидозом или алкалозом. Поскольку рН крови может изменяться также при поражениях почек, сдвиги кислотно–щелочного равновесия, обусловленные почечными или обменными нарушениями, объединяют под названием нереспираторный ацидоз или алкалоз.

Критерии первичных нарушений кислотно–щелочного равновесия. Признаками, позволяющими отличить респираторные нарушения кислотно–щелочного равновесия от нереспираторных, служат напряжение СО₂ (PCO₂) в крови и избыток оснований (BE). Для респираторных нарушений характерно повышение или понижение PCO₂ без предварительного изменения концентрации буферных оснований (BE = 0). Напротив, при нереспираторных нарушениях PCO₂ вначале не изменяется, тогда как BE сдвигается в ту или иную сторону. Если содержание нелетучих кислот в крови повышается (метаболический ацидоз), то эти кислоты связывают некоторое количество буферных оснований (наступает дефицит оснований); при понижении же содержания

 

Рис. 22.16. Сатурационные кривые СO₂ для различных значений избытка оснований (BE). Нереспираторные (метаболические) нарушения кислотно–щелочного равновесия приводят к сдвигу этих кривых и вследствие этого к существенным изменениям общего содержания СO₂ в крови. При нарушениях дыхания зависимость содержания СO₂ от его парциального давления описывается кривой для случая BE = О

 

этих кислот (метаболическом алкалозе) концентрация буферных оснований возрастает (положительный BE).

Нереспираторные нарушения оказывают заметное влияние на содержание СO₂ в крови, так как они связаны с изменениями [НСО₃^–]. Этот эффект хорошо иллюстрируют сатурационные кривые СO₂ для разных значений избытка оснований (BE) (рис. 22.16). В случае нереспираторного ацидоза (дефицит оснований) кривая сдвигается в сторону уменьшения содержания СO₂, а при нереспираторном алкалозе–в противоположную сторону. Напротив, при респираторном нарушении не происходит предварительного изменения формы или положения сатурационной кривой СO₂.

Отличительные признаки четырех типов нарушений кислотно–щелочного равновесия суммированы на рис. 22.17. По оси ординат отложен избыток оснований, а по оси абсцисс–рН. Приведены кривые для постоянных значений напряжения СO₂. Нормальные диапазоны рН, BE и РCO₂ ограничены красными линиями. Таким образом, области слева от белой вертикальной полосы соответствуют ацидозу, а справа –алкалозу. Красные полосы помечены в соответствии с типом респираторных и нереспираторных нарушений (типы указаны). Причину и тип нарушения кислотно–щелочного равновесия в конкретном случае можно определить, найдя точку, соответствующую значениям BE и рН. Так, если

 

Рис. 22.17. Схема первичных нарушений кислотно–щелочного равновесия и путей их компенсации. Красные линии ограничивают нормальные пределы BE, рН и PCO₂. Заштрихованная область соответствует нормальному кислотно–щелочному равновесию; стрелки с буквой а указывают первичные нарушения кислотно–щелочного равновесия; стрелки с буквой б–включение компенсаторных механизмов

 

(в артериальной крови) BE = 0 ммоль/л, а РCO₂  = 60 мм рт.ст., то это респираторный ацидоз; если же BE = –15 ммоль/л, а РCO₂ =40 мм рт.ст., то это указывает на метаболический (точнее, нереспираторный) ацидоз.

Компенсация первичных нарушений кислотно–щелочного равновесия. Во многих случаях первичные нарушения кислотно–щелочного равновесия могут быть более или менее быстро скомпенсированы, т. е. в ответ на изменения рН в ту или иную сторону включаются механизмы, восстанавливающие нормальное значение этого параметра (или хотя бы уменьшающие сдвиг). Все эти механизмы уже были нами рассмотрены:

1. Первичные нереспираторные нарушения кислотно–щелочного равновесия компенсируются за счет изменения вентиляции легких. В случае же, если они обусловлены метаболическими причинами, дополнительно включаются почечные механизмы компенсации.

2. Первичные респираторные нарушения компенсируются почечными механизмами, направленными на изменение выделения H⁺ или задержки НСО₃^– .

Все эти варианты проиллюстрированы на рис. 22.17. Рассмотрим прежде всего первичный нереспираторный ацидоз (стрелка 1а). По мере накопления в крови нелетучих кислот содержание буферных оснований снижается, и рН падает. Уменьшение рН приводит к гипервентиляции, вследствие чего напряжение СO₂ в крови уменьшается. Этот компенсаторный эффект отражен на схеме (стрелка 1б). Если в результате снижения РCO₂ рН крови возвращается к нормальному уровню, то можно говорить о полностью компенсированном нереспираторном ацидозе. Если же, несмотря на уменьшение РCO₂ , рН остается пониженным, то имеет место не полностью (частично)  компенсированный нереспираторный ацидоз. При нереспираторном алкалозе (стрелка 2а) увеличение содержания буферных оснований компенсируется за счет увеличения PCO₂, вызванного гиповентиляцией (стрелка 2б). Однако степень снижения вентиляции в этом случае лимитируется потребностью организма в кислороде, поэтому такая компенсация обычно бывает неполной. При первичном респираторном ацидозе (стрелка За), обусловленном, например, нарушениями функции легких, повышается напряжение СO₂  в крови. В ответ на это спустя определенный латентный период включается почечный механизм задержки оснований. В результате содержание буферных оснований в крови повышается, и рН возвращается к нормальному уровню (стрелка 36). Напротив, при первичном респираторном алкалозе (стрелка 4а), характеризующемся понижением РСO₂, восстановление нормальной величины рН происходит за счет компенсаторного снижения содержания буферных оснований (стрелка 4б).

 

Оценка кислотно–щелочного равновесия

Диагностические критерии. Оценка кислотно–щелочного равновесия имеет большое значение в клинической практике. Для такой оценки необходимо измерить ряд показателей, позволяющих выявить у больного ацидоз либо алкалоз и судить о том, является ли он респираторным или нереспираторным. Заключение о состоянии кислотно–щелочного равновесия позволяет выбрать правильное лечение [4, 5, 8, 10]. Необходимо измерить следующие показатели артериальной крови.

1. рН. По величине рН можно судить о том, является содержание ионов Н ⁺ в крови нормальным (рН 7,37–7,43) или сдвинуто в ту либо иную сторону. В то же время нормальное значение рН еще не позволяет с уверенностью говорить об отсутствии нарушения кислотно–щелочного равновесия, так как в этом случае нельзя исключить компенсированный ацидоз либо алкалоз.

2. РСO_2. Повышение или снижение напряжения СO₂ по сравнению с его нормальным уровнем (35–45 мм рт.ст.) служит признаком респираторного нарушения кислотно–щелочного равновесия.

3. Избыток оснований (BE). По величине BE можно сделать вывод о наличии нереспираторного нарушения кислотно–щелочного равновесия. Изменения этой величины (норма от —2,5 до +2,5 ммоль/л) непосредственно отражают снижение или увеличение содержания нелетучих кислот в крови.

4. Стандартный бикарбонат. В качестве показателя нереспираторного нарушения кислотно–щелочного равновесия иногда используют так называемый «стандартный бикарбонат». Эта величина соответствует содержанию бикарбоната в плазме крови, полностью насыщенной кислородом и уравновешенной с газовой смесью (РСO₂ = = 40 мм рт. ст.) при 37 °С. В норме «стандартный бикарбонат» равен 24 ммоль/л. Этот показатель не отражает буферный эффект белков, поэтому он сравнительно малоинформативен.

В табл. 22.3 приведена сводка первичных и вторичных изменений трех основных параметров, по совокупности которых можно сделать окончательное заключение о состоянии кислотно–щелочного равновесия.

Методы оценки кислотно–щелочного равновесия.

Общепризнанным методом оценки кислотно–щелочного равновесия служит методом Аструпа, при котором одновременно с показателями этого равновесия в крови определяют напряжение СO₂ [10]. Прежде всего две порции исследуемой крови приводят в равновесие с двумя газовыми смесями

 

Таблица 22.3. Изменения основных параметров кислотно–щелочного равновесия при его нарушениях. Двойные стрелки–направления первичных сдвигов; тонкие стрелки–направления вторичных компенсаторных сдвигов (↑– повышение; ↓–снижение)

 

	рН	BE	РСO2
Нереспираторный ацидоз	↓↓	↓↓	↓
Нереспираторный алкалоз	↑↑	↑↑	↑
Респираторный ацидоз	↓↓	↑	↑↑
Респираторный алкалоз	↑↑	↓	↓↓

 

известного состава, различающимися по парциальному давлению СO₂. Измеряют рН в каждой порции крови. При этом получают два набора значений рН и РСO₂ наносят их в виде двух точек на предварительно построенный график (рис. 22.18). Прямая, проходящая через две точки (А и Б), отражает состояние кислотно–щелочного равновесия крови. Затем измеряют рН артериальной крови

Рис. 22.18. Номограмма для определения напряжения СO₂ и оценки кислотно–щелочного равновесия по методу Аструпа [10]. Координаты точек А и Б определяют путем измерения рН крови, уравновешенной с газовыми смесями, значения РСO₂ в которых известны. На прямой, соединяющей две эти точки, находят точку В, соответствующую фактическому рН крови. По проекции точки В на ось ординат находят фактическое значение РСO₂. Для определения величины BE продолжают прямую АБ до пересечения со шкалой избытка оснований. Пример 1 (красная прямая): РСO₂ 44 мм рт. ст., рН 7,37, BE = 0 ммоль/л; диагноз–нормальное кислотно–щелочное равновесие. Пример 2 (черная прямая): РСO₂= 32 мм рт. ст., рН 7,28, BE = – 11 ммоль/л; диагноз–частично компенсированный нереспираторный ацидоз

 

больного и находят на полученной прямой точку, соответствующую измеренной величине рН (В). По проекции этой точки на ось ординат узнают фактическое напряжение СO₂ в крови. По точкам пересечения прямой с соответствующими осями определяют концентрацию буферных оснований и избыток оснований. Так, красная прямая на рис. 22.18 соответствует нормальному состоянию кислотно–щелочного равновесия, а черная–нереспираторному ацидозу (BE =–11 ммоль/л), частично компенсированному за счет снижения напряжения СO₂ (РCO₂  = 32 мм рт.ст.; точка В на черной кривой).

В последнее время появилась возможность непосредственно измерять напряжение СO₂ в небольшом объеме крови при помощи полярографических электродов. Поскольку, имея значения РCO₂ и рН, можно определить BE (третий показатель используемый при оценке кислотно–щелочного равновесия), при этом способе не требуется уравновешивать кровь с газовой смесью [28]. На рис. 22.19 приведены номограммы для определения BE по величинам рН и РCO₂. Порядок работы с этими номограммами состоит в следующем. На шкалах РCO₂ и рН находят точки,

 

Рис. 22.19. Номограмма для определения BE при непосредственном измерении РCО₂ и рН. По шкалам Рсо и рН находят точки, соответствующие измеренным значениям этих показателей. Через эти точки проводят прямую до пересечения с правой шкалой; в точке пересечения читают величину BE крови. Красные линии соответствуют пределам нормального кислотно–щелочного равновесия. Пример (черная прямая): РCО₂=32 мм рт. ст., рН 7,28; отсюда BE = –11 ммоль/л. Диагноз–частично компенсированный нереспираторный ацидоз [29]

 

соответствующие измеренным значениям этих показателей. Через эти точки проводят прямую линию и по точке ее пересечения со шкалой BE определяют избыток оснований. Так, в примере, приведенном на рис. 22.19, РCO₂ =32 ммрт.ст. и рН 7,28; отсюда BE =—11 ммоль/л. Следовательно, у больного имеет место частично компенсированный нереспираторный ацидоз (как в примере 2 на рис. 22.18).

 

22.5. Литература

Учебники и руководства

1. Antonini E., Brunori M. Hemoglobin and myoglobin in their reactions with ligands. Amsterdam. North Holland, 1971.

2. Baumann R., Barlels H., Bauer C. Blood oxygen transport. In: Fahri L. E., Tenney S. M. (eds.). Handbook of Physiology, Sect. 3: The Respiratory System, Vol. IV. Bethesda. Amer. Physiol. Soc., 1987.

3. Coburn R.F., Forman H.J. Carbon monoxide toxicity. In: Fahri L. E., Tenney S. M. (eds.). Handbook of Physiolofy, Sect. 3: The Respiratory System, Vol. IV. Bethesda. Amer Physiol. Soc., 1987.

4. Hills A. G. Acid–base balance: chemistry, physiology, pathophysiology. Baltimore. Wiiliams and Wilkens, 1973.

5. Kildberg P. Clinical acid–base physiology. Baltimore. Williams and Wilkens, 1968.

6. Klocke R.A. Carbon dioxide transport. In: Fahri L.E., Tenney S. M. (eds.). Handbook of Physiology, Sect. 3. The Respiratory System, Vol. IV. Bethesda. Amer. Physiol. Soc., 1987.

7. Lungo L. 0. Respiratory gas exchange in the placenta. In: Fahri L. E., Tenney S. M. (eds.). Handbook of Physiology, Sect. 3. The Respiratory System, Vol. IV. Betehesda, Amer Physiol. Soc., 1987,

8. Masoro E. J., Siegel P. D. Acid–base regulation. Its physiology and pathophysiology. Philadelphia–London–Toronto. Saunders, 1971.

9. Severinghaus J. W. Blood gas concentrations. In: Handbook of Physiology, Respiration II. Washington, Amer. Physiol. Soc., 1965.

10. Siggaard–Andersen 0. The acid–base status of the blood. Copenhagen. Munksgaard, 1974.

11. Weissbluth M. Hemoglobin: Cooperativity and electronic properties. Berlin–Heidelberg– New York. Springer, 1974.

12. Wood S. C., Lenfant C. Phylogeny of the gas–exchange system: red cell function. In: Fahri L. E., Tenney S. M. (eds.). Handbook of Physiology, Sect. 3. The Respiratory System, Vol. IV, Bethesda. Amer Physiol. Soc., 1987.

Оригинальные статьи и обзоры

13. Adair G.S. The hemoglobin system. VI. The oxygen dissociation curve of hemoglobin. J. Biol. Chem., 63, 529 (1925).

14. Bauer C. On the respiratory function of haemoglobin. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol., 70, 1 (1974).

15. Bauer C., Gros G., Bartels H. (eds.). Biophysics and physiology of carbon dioxide. Berlin–Heidelberg–New York. Springer, 1980.

16. Benesch R. E., Benesch R. Yu, C.I. The oxygenation of hemoglobin in the presence of 2,3–diphosphoglycerate. Effect of temperature, pH, ionic strenght and hemoglobin concentration. Biochemistry, 8, 2567 (1969).

17. Braunilzer G. The molecular weight of human haemoglobin. Bibl. heamat. (Basel), 18, 59 (1964).

18. Braunilzer G., Hilse К., RudloffV., Hilschman N. The hemoglobins. Adv. Protein. Chem., 19, 1 (1964).

19. Brodda К. Zur Theorie des Saure–Basen–Haushaltes von menschlichem Blut. Akadem. Wiss. Lit. Mainz; Wesbaden. Steiner, 1975.

20. Christiansen J., Douglas C.G., Haldane J.S. The absorption and dissociation of carbon dioxide by human blood. J. PhysioL, XLVIII, 244 (1914).

21. Fischer W.M., Vogel H.R., Thews G. O₂ and CO₂, exchange in the human placenta. In: Lubbers D.–W., LuftU.C., Thews G.. Witzler E. Oxygen transport in blood and tissue. Stuttgart. Thieme, 1968.

22. Kilmartin J. V., Rossi–Bernardi L. Interactions of hemoglobin with hydrogen ions, carbon dioxide, and organic phosphates. Physiol. Rev., 53, 836 (1973).

23. King E. J., Gilchrist M. Determination of haemoglobin by a cyanhaematin method. Lancet. II, 201 (1947).

24. Maren Т.Н. Carbonic anhydrase: Chemistry, physiology, and inhibition. Physiol. Rev., 47, 595 (1967).

25. Merlet–Benichou E., Sinet M., Blayo M. C., Gaudebout C. Oxyden–combining capacity in dog. In vitro and in vivo determination. Respir. Physiol., 21, 87 (1974).

26. Perutz M. F. The hemoglobin molecule. Proc. Roy. Soc., B, 173, 113 (1969).

27. Perutz M.F. Stereochemistry of cooperative effects in haemoglobin. Nature, 228, 726 (1970).

28. Thews G. Bin Nomogramm fur die O₂–Abhangigkeit des Saure–Basen–Status im menschlichen Blut. Pflugers Arch. ges. Physiol., 296, 212 (1967).

29. Thews G. (ed.). Nomogramme zum Saure–Basen–Status des Blutes und zum Atemgastransport. Berlin–Heidelberg–New York. Springer, 1971.