Физиология дыхания

Факторы, влияющие на кривую диссоциации оксигемоглобина

На процесс  присоединения кислорода к гемоглобину  влияют следующие факторы: концентрация ионов водорода, напряжение углекислого  газа, температура, концентрация 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ). Их суммарный эффект на взаимодействие гемоглобина с кислородом отражает величина P_w — значение напряжения кислорода, при котором гемоглобин насыщен на 50% (рис. 22-23). Изменение каждого из факторов способно смещать кривую диссоциации вправо (увеличение P_w) или влево (уменьшение рзо). Сдвиг вправо вызывает снижение сродства гемоглобина к кислороду, вытесняет кислород из связи с гемоглобином и увеличивает количество кислорода, доступного тканям; сдвиг влево дает обратный эффект В норме Р,₀ составляет 26,6 мм рт ст (3,4 кПа)

Увеличение  концентрации ионов водорода в крови  снижает связывание гемоглобина  с кислородом (эффект Бора) Форма кривой диссоциации оксигемоглобина такова, что этот эффект более выражен в венозной крови, чем в артериальной (рис 22-23); данный феномен облегчает освобождение кислорода в тканях, практически не сказываясь на потреблении кислорода (в отсутствие тяжелой гипоксии).

Влияние напряжения СО₂ на сродство гемоглобина к кислороду имеет важное физиологическое значение; вместе с тем оно вторично по отношению к увеличению концентрации ионов водорода, которая возрастает с увеличением РСО₂. Высокое содержание СО₂ в венозном сегменте капилляров, снижая сродство гемоглобина к кислороду, облегчает освобождение кислорода в тканях; наоборот, низкое содержание СО₂ в легочных капиллярах вновь увеличивает сродство гемоглобина к кислороду, облегчая поглощение кислорода из альвеол.

2,3-ДФГ, побочный  продукт гликотшза (шунт Rapoport-Luebering), накапливается при анаэробном метаболизме Хотя эффект 2,3-ДФГ на гемоглобин теоретически благоприятен для организма (уменьшается сродство гемоглобина к кислороду и облегчается освобождение О₂ в тканях.— Примеч. ред.), его физиологическое значение невелико 2,3-ДФГ, тем не менее, играет важную компенсаторную роль при хронической анемии и существенно влияет на транспортную функцию гемоглобина донорской крови при гемотрансфузиях (гл. 29).

Рис. 4. Кривая диссоциации оксигемоглобина у здорового взрослого человека.

Транспорт газов кровью

Транспорт кислорода

Транспорт кислорода  зависит как от дыхания, так и  от кровообращения (гл. 19). Общая доставка кислорода (DO₂; от англ, delivery — доставка) к тканям равна произведению содержания кислорода в артериальной крови и сердечного выброса:

DO₂ = СаО₂ х Q_t.

 

Заметим, что содержание кислорода в артериальной крови зависит как от Р_AО₂, так и от концентрации гемоглобина. Следовательно, недостаточная доставка кислорода может быть результатом низкого Р_AО₂ низкой концентрации гемоглобина или низкого сердечного выброса. В норме расчет доставки кислорода выглядит так:

 

DO₂ = 20 мл О₂/100 мл крови х 5000 мл/мин = 1000 мл О₂/мин.

 

Уравнение Фика выражает связь между потреблением О₂, артериовенозной разницей по кислороду и сердечным выбросом:

 

Потребление О₂ = VO₂ = Q, х (СаО₂ - CvO₂).

 

После преобразования получаем:

СаО₂ - CvO₂ = VO₂/Q_t

 

Следовательно, артериовенозную  разницу можно рассматривать  как меру адекватности доставки кислорода.

При нормальном потреблении  кислорода около 250 мл/мин и сердечном  выбросе 5000 мл/мин нормальная артериовенозная разница, согласно этому уравнению, составит 5 мл О₂/100 мл крови. Заметим, что при этом нормальный коэффициент экстракции О₂ [(СаО₂ - CvO₂)/CaO₂] составит 25 %, т. е. 5 мл/20 мл. Таким образом, в норме организм потребляет только 25 % кислорода, переносимого гемоглобином. Когда потребность в О₂ превосходит возможность его доставки, то коэффициент экстракции становится выше 25 %. Наоборот, если доставка О₂ превышает потребность, то коэффициент экстракции падает ниже 25 %.

Если доставка кислорода снижена умеренно, потребление кислорода не изменяется благодаря увеличению экстракции О₂ (насыщение гемоглобина кислородом в смешанной венозной крови снижается); в этом случае VO₂ не зависит от доставки. По мере дальнейшего снижения DO₂ достигается критическая точка, в которой VO₂ становится прямо пропорционально DO₂. Состояние, при котором потребление кислорода зависит от доставки, характеризуется прогрессирующим лактат-ацидозом (гл. 30), обусловленным клеточной гипоксией.

 

Кислородный резерв

 

Понятие кислородного резерва имеет большое значение в анестезиологии. Когда в результате апноэ прекращается поступление в организм кислорода, то в ходе клеточного метаболизма потребляется имеющийся кислородный резерв; после того как резерв исчерпан, развивается гипоксия и наступает смерть клеток. Теоретически нормальный кислородный резерв у взрослого человека составляет около 1500 мл. Он включает остатки кислорода в легких; кислород, находящийся в связи с гемоглобином и миоглобином; кислород, растворенный в жидкостях организма. К сожалению, высокое сродство гемоглобина к кислороду (сродство миоглобина к кислороду еще выше), а также незначительное количество кислорода, физически растворенного в тканях, представляют собой очень малый резерв. Следовательно, основным источником кислорода является дыхательная смесь, находящаяся в легких в объеме, соответствующем ФОЕ (исходный объем при апноэ). Необходимо отметить, что только около 80 % этого объема может быть использовано.

При наступлении  апноэ у больного, дышавшего перед этим атмосферным воздухом, в легких имеется примерно 480 мл кислорода (если FiO₂ = 0,21 и ФОЕ = 2300 мл, то объем кислорода составит FiO₂ х ФОЕ; 0,21 х 2300 мл = 480 мл). Метаболически активные ткани быстро используют этот резерв (предположительно со скоростью потребления кислорода); в течение 90 с развивается тяжелая гипоксемия. Возникновение гипоксемии можно отсрочить путем увеличения FiO₂ перед апноэ. После дыхания чистым кислородом легкие содержат 2300 мл кислорода, что задерживат развитие гипоксемии после апноэ на 4-5 мин. Данная концепция лежит в основе проведения преоксигена-ции перед индукцией анестезии (гл. 5).

 

 

 УГЛЕКИСЛЫЙ  ГАЗ

СО₂ транспортируется кровью в физически растворенном виде, в составе бикарбоната и в комплексе с белками в виде карбаминовых соединений (табл. 22-6). Сумма всех трех форм составляет общее содержание СО₂ в крови, которое стандартным образом измеряется при анализе электролитов.

 

Физически растворенный СО₂

 

СО₂ растворяется в крови лучше, чем кислород, коэффициент его растворимости 0,031 ммоль/л/ мм рт. ст. при 37 °С (0,067 мл/100 мл/мм рт. ст.)

Бикарбонат в водных растворах СО₂ медленно вступает в связь с водой, образуя бикарбонат:

Н₂О + СО₂ → Н⁺ + НСО₃^-.

 

В плазме в эту  реакцию вступает менее 1 % растворенного  СО₂, тогда как в эритроцитах и в эндотелиальных клетках имеется фермент карбоангидраза, который ее ускоряет. В результате бикарбонат представляет самую большую фракцию СО₂ в крови (табл. 22-6). Ацетазоламид, будучи ингибитором карбоангидразы, может нарушать доставку СО₂ от тканей к альвеолам.

В венозных сегментах  капилляров большого круга кровообращения СО₂ поступает в эритроциты, где трансфомируется в бикарбонат, который диффундирует из эритроцитов в плазму. Для поддержания электрического равновесия из плазмы в эритроциты перемещаются ионы С1^-. В легочных капиллярах происходит обратный процесс: ионы С1^- выходят из эритроцитов, а бикарбонат поступает в них для превращения в СО₂, который диффундирует в альвеолы. Перемещение ионов С1^- носит название хлоридного сдвига, или сдвига Гамбургера.

 

Карбаминовые  соединения

СО₂ может реагировать с аминогруппами белков согласно реакции:

 

R-NH₂ + СО₂ → RNH-CO₂ + Н⁺.

 

При физиологических  значениях рН только небольшое количество СО₂ переносится в этой форме, главным образом, в комплексе с гемоглобином (карбаминогемоглобин). Сродство дезоксигенированного гемоглобина (дезоксигемоглобина) к СО₂ в 3,5 раза выше, чем у оксигемоглобина. Увеличение сродства крови к СО₂ при ее деоксигенации часто называют эффектом Холдейна (табл. 22-6). В норме РСО₂ существенно не влияет на фракцию СО₂, которая транспортируется в виде карбаминогемоглобина.

 

Влияние гемоглобинового буфера на транспорт  СО₂

Эффект Холдейна отчасти обусловлен буферными свойствами гемоглобина (гл. 30). При нормальном рН гемоглобин может выполнять роль буфера за счет высокого содержания гистидина. Кроме того, кислотно-основные свойства гемоглобина зависят от степени его оксигенации:

 

Н⁺+HbО₂↔HbН⁺+O₂.

 

После высвобождения  кислорода в тканевых капиллярах молекула гемоглобина начинает вести себя подобно основанию; связывая ионы водорода, гемоглобин смещает равновесие СО₂-бикарбонат преимущественно в сторону образования бикарбоната:

 

СО₂ + Н₂О + HbО₂ → HbH⁺ + HCO₃+ О₂.

 

В результате дезоксигемоглобин  увеличивает количество СО₂, переносимого венозной кровью в форме бикарбоната. По мере того как СО₂ поступает из тканей и превращается в бикарбонат, общее содержание СО₂ в крови растет (табл. 22-6). В легких процесс имеет противоположное направление. Оксигенация гемоглобина усиливает его кислотные свойства, и высвобождение ионов водорода смещает равновесие преимущественно в сторону образования СО₂:

 

О₂ + НСО₃^- + HbН⁺ → СО₂ + Н₂О + HbО₂.

 

Концентрация  бикарбоната снижается по мере того, как образуется и элиминируется  СО₂, так что в легких падает общее содержание СО₂ в крови. Отметим, что имеется разница в содержании СО₂ в цельной крови (табл. 22-6) и плазме (табл. 22-7).

 

ТАБЛИЦА 2.  Содержание СО₂ в плазме (ммоль/л)

	Артериальная  кровь	Венозная кровь
Растворенный  СО2	1,2	1,4
Бикарбонат	24,4	26,2
Карбаминовые  соединения	Незначительное	Незначительное
Общее содержание СО2	25,6	27,6

 

 

 

 

Регуляция дыхания

 

Автоматизм  самостоятельного дыхания является результатом ритмической активности дыхательных центров в стволе головного мозга. Дыхательные центры управляют дыхательными мышцами, что позволяет поддерживать нормальное напряжение О₂ и СО₂ в организме. Базальная активность нервных центров модулируется сигналами из других областей головного мозга, произвольными и непроизвольными, а также центральными и периферическими рецепторами.

 

1. ДЫХАТЕЛЬНЫЕ  ЦЕНТРЫ

 

Основной дыхательный  ритм исходит из продолговатого мозга. Выделяют две группы медуллярных нейронов: дорсальную дыхательную группу, которая активизируется в основном при вдохе, и вентральную дыхательную группу, которая активизируется при выдохе. Хотя это и не установлено окончательно, происхождение основного ритма связано либо с собственной спонтанной электрической активностью дорсальной группы, либо с взаимосвязанной активностью дорсальной и вентральной групп. Тесная связь дорсальной дыхательной группы нейронов с солитарным трактом, возможно, объясняет рефлекторные изменения дыхания при стимуляции блуждающего и языкоглоточного нервов.

Две зоны варолиевого  моста воздействуют на дорсальный медуллярный  центр (центр вдоха). Нижний центр моста (апнейстический) — возбуждающий, верхний центр моста (пневмотаксический) — угнетающий. Дыхательные центры варолиева моста осуществляют тонкую регуляцию частоты и ритма дыхания.

 

2. ЦЕНТРАЛЬНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ

 

Наиболее важные из центральных рецепторов — хеморецепторы, которые реагируют на изменения концентрации ионов водорода. Считается, что центральные хеморецепторы располагаются на переднебоковой поверхности продолговатого мозга и воспринимают изменения концентрации ионов водорода ([Н⁺]) в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ). Этот механизм эффективно регулирует PaCO₂, потому что физически растворенный СО₂, в отличие от ионов бикарбоната, проникает через гематоэнцефалический барьер (гл. 25). Следовательно, на концентрацию ионов водорода в ЦСЖ влияют резкие изменения РаСО₂, но не концентрация ионов бикарбоната ([Н СО₂]) в артериальной крови:

 

СО₂+Н₂О↔ H⁺+HCO₃.

 

В течение нескольких дней [HCO₃^-] в ЦСЖ может сравняться с [HCO₃^-] в артериальной крови.

Увеличение  РаСО₂ приводит к росту концентрации ионов водорода в ЦСЖ, что активирует хеморецепторы. Опосредованная хеморецепторами стимуляция расположенных рядом медуллярных дыхательных центров увеличивает альвеолярную вентиляцию (рис. 22-25) и возвращает РаСО₂ к норме Наоборот, снижение концентрации ионов водорода в ЦСЖ, обусловленное падением РаСО₂, вызывает уменьшение альвеолярной вентиляции и компенсаторное возрастание РаСО₂. Зависимость между минутной вентиляцией и РаСО₂ практически линейна. Очень высокие уровни РаСО₂ приводят к депрессии дыхательного ответа (так называемому углекислотному наркозу). Величина РаСО₂, при которой вентиляция становится равной нулю, называется порогом апноэ. Если во время анестезии РаСО₂ падает ниже порога апноэ, самостоятельное дыхание прекращается. (У пациента в состоянии бодрствования порог апноэ не достигается, что обусловлено влияниями коры больших полушарий.) Активность центральных хеморецепторов, в отличие от таковой у периферических хеморецепторов, угнетается при гипоксии.