Горасио Дж. Адроге Мартин Дж. Тобин

Дыхательная недостаточность

Горасио Дж. Адроге Мартин Дж. Тобин

Москва «Медицина» 2003

Часть 1. Сущность дыхания

Основные концепции

ВВЕДЕНИЕ

1 Что такое дыхание? Перечислите главные процессы, прини­мающие участие в дыхании.

Дыхание включает ряд процессов, которые обеспечива­ют обмен кислорода и двуокиси углерода¹ между атмосфе­рой и тканями организма. Начальный этап дыхания — вен­тиляция легких — заключается в перемещении масс атмо­сферного воздуха в те участки легких, в которых происходит газообмен (т.е. альвеолы), и из них. Другие процессы дыха­ния включают доставку и распределение крови в легких, диффузию кислорода и двуокиси углерода через поверх­ность раздела между воздухом и кровью (альвеолярно-капиллярную мембрану), а также движение этих газов между легкими и периферическими тканями. Клеточное дыхание потребляет кислород и производит двуокись углерода, обес­печивая биосинтез АТФ, молекулы которого составляют энергетическую основу жизни.

2 Какова главная функция дыхательной системы?

□ Главная функция системы дыхания заключается в до­ставке воздуха из окружающей среды в альвеолы легких, что обеспечивает газообмен с кровью легочных капилляров. Этот процесс доставляет кислород и удаляет двуокись угле­рода, поддерживая оптимальное функционирование клеток во всех тканях и органах.

Каковы компоненты системы дыхания?

□ Систему дыхания составляют дыхательные пути и ле­гочные альвеолы, круг легочного кровообращения, различ­ные элементы стенок грудной клетки (в частности, диафраг­ма и межреберные мышцы), соответствующие центры нерв­ной системы — центральной и периферической, а также аф­ферентные и эфферентные пути. Дыхательную недостаточность могут вызвать нарушения любого компонента систе­мы дыхания.

¹ Здесь и далее этот термин применяется вместо более разговорного термина "углекислый газ" (примеч. переводчиков).

 

Каким образом дыхательная система выполняет свою задачу по поддержанию оптимальных уровней кислорода и двуокиси углерода в артериальной крови?

□ Дыхательная система поддерживает оптимальные уров­ни кислорода и двуокиси углерода в артериальной крови, изменяя вентиляцию легочных альвеол (т.е. альвеолярную вентиляцию) и кровоток в легочных капиллярах, тем самым сохраняя такое соотношение вентиляции и кровотока, ко­торое обеспечивает максимальный газообмен через стенки альвеол (т.е. отношение, приблизительно равное 1,0).

Что такое вентиляция легких? Сравните общую вентиляцию и альвеолярную вентиляцию легких.

□ Вентиляция легких — это процесс, посредством которо­го дыхательная система доставляет свежий воздух в дыха­тельные пути и легочные альвеолы. Общая вентиляция лег­ких (V_E) представляет собой полный объем вдыхаемого или выдыхаемого газа за определенный временной интервал, выраженный в числе литров в минуту. Альвеолярная венти­ляция (V_A) — это объем газа, который замещает альвеоляр­ный газ за определенный период, выраженный в числе литров в минуту. Общая вентиляция легких больше, чем альвеолярная, так как первая включает вентиляцию возду­хоносных путей (V_D), объем которых называют объемом мертвого пространства (V_D), области, в которой значимого газообмена не происходит.

Объясните, как происходит вдох.

Вдох — это поступление атмосферного воздуха в легкие. Для осуществления вдоха должен быть создан перепад дав­ления между входом в дыхательные пути (носовые ходы, полость рта) и альвеолами, потому что поток воздуха может быть направлен только из области с высоким давлением в область с низким давлением. Сокращение дыхательных мышц (например, диафрагмы, межреберных мышц, лест­ничных мышц) во время нормального вдоха вызывает уве­личение объема грудной полости. Соответственно вдох — это активный процесс, который потребляет энергию. Инспираторное расширение грудной полости направлено про­тив стремления легких сжаться вследствие свойственной им эластичной тяги и создает нормальные отрицательные внутриплевральное и альвеолярное давления, которые побужда­ют воздух поступать из атмосферы в альвеолы. Объем вхо­дящего в легкие газа зависит от нескольких факторов, вклю­чающих внутриплевральное давление, величину противо­действующих сил, обусловленных эластичной тягой легких и стенок грудной клетки, а также сопротивлением трения в дыхательных путях и тканях легких. Вдох может также осу­ществляться искусственно путем увеличения давления на вхо­де в дыхательные пути, как это делается в аппаратах искусст­венной вентиляции легких с положительным давлением.

Объясните, как происходит выдох.

□ Выдох — это выход воздуха (выдыхаемого газа) из лег­ких в атмосферу. Выдох обычно является пассивным про­цессом, выполняемым за счет энергии, которая накаплива­ется во время вдоха в растянутых эластичных структурах легких и стенок грудной клетки. В норме альвеолы в раз­личных участках легких растягиваются и опорожняются в одинаковой степени и синхронно. Однако у пациента с легочным заболеванием региональные различия сопротив­ления дыхательных путей и растяжимости (эластичности) легких могут привести к неоднородности наполнения и опорожнения, так что выдох в некоторых отделах легких может не завершиться к началу следующего вдоха. Эти участки характеризуются увеличением постоянной времени, которая составляет произведение сопротивления дыхатель­ных путей и растяжимости данного участка легких (R х С). Такая регионарная неравномерность, вероятно, происходит у больных при высокой частоте дыхания и может вызвать нарастающую задержку газа в легких.

 

МЕХАНИКА ДЫХАНИЯ

Объясните физические факторы, которые определяют сопро­тивление потоку воздуха.

□ Так как воздух ведет себя, как жидкость с низкой вяз­костью, сопротивление потоку воздуха определяется теми же факторами, которые управляют течением жидкости (на­пример, в системе кровообращения), следовательно, к по­току воздуха в дыхательной системе с некоторыми ограни­чениями может быть применен закон Пуазейля для лами­нарного потока в жестких трубках. Этот закон устанавли­вает, что перепад давления, требующийся, чтобы вызвать необходимый поток, обратно пропорционален четвертой степени радиуса трубки. Таким образом, этот радиус в наи­большей степени влияет на сопротивление потоку (напри­мер, бронхоспазм уменьшает радиус бронхиол, увеличивая сопротивление дыхательных путей, и поддержание данного потока воздуха потребует увеличения требуемого перепада давления).

Объясните применение закона Пуазейля к дыхательным путям при бронхоспазме, например в случае астматического статуса.

□ Значение закона Пуазейля в применении к дыхатель­ным путям можно продемонстрировать на следующем при­мере: если радиус бронхиол уменьшается наполовину, для обеспечения того же потока газа давление должно быть увеличено в 16 раз. Поэтому в результате значительного и генерализованного бронхоспазма работа дыхания, совер­шаемая дыхательными мышцами, может резко увеличиться.

10 Как вычисляется сопротивление дыхательных путей?

□ Для вычисления сопротивления дыхательных путей нужно знать перепад давления и величину потока (расход) воздуха. Сопротивление подсчитывается следующим обра­зом:

Полное сопро­тивление дыха­тельных путей

давление во рту — альвеолярное давление поток (скорость)

 

Дыхательная недостаточность

11 Что такое градиент транспульмонального давления? Каковы уровни плеврального и альвеолярного давления при нормаль­ном дыхании?

□ Градиент транспульмонального давления — это раз­ность давлений в плевральной полости и в альвеолах. Его

 

также называют восстанавливающим давлением, так как он представляет собой меру эластических сил в легких, которые вызывают их спадение. Во время нормального дыхания плевральное давление немного ниже атмосферного (напри­мер, —5 и —7,5 см вод. ст. соответственно во время выдоха и вдоха). Альвеолярное давление в конце выдоха приблизи­тельно нулевое (когда голосовые связки открыты и отсутст­вует поток, направленный в дыхательные пути или из них, величина давления во всей системе от альвеол до гортани идентична и равна атмосферному давлению, которое прини­мают за 0 см вод. ст.). Во время нормального вдоха альвео­лярное давление снижается приблизительно до —1 см вод. ст. Это небольшое отрицательное давление вводит в легкие примерно 0,5 л воздуха за 2 с вдоха. Во время выдоха происходит изменение альвеолярного давления, которое возрастает приблизительно до +1 см вод. ст., и градиент давлений между альвеолами и входом в дыхательные пути выводит из легких примерно 0,5 л воздуха за 2—3 с¹.

12 Как можно определить альвеолярную вентиляцию?

□ Считая, что во время дыхания воздухом окружающей среды парциальное давление двуокиси углерода (РСО2) практически равно нулю, эффективную альвеолярную вен­тиляцию можно рассчитать следующим образом:

V_A = V_E x P_ECO2/PaCO_2>

где РеСО₂ — парциальное давление двуокиси углерода в вы­дыхаемом газе. Анализ этого выражения показывает, что, если выдыхаемое и артериальное РСО₂ идентичны, их от­ношение равно единице и общая вентиляция легких равна альвеолярной. Напротив, если выдыхаемое РСО₂ приближа­ется к нулю, это отношение становится минимальным, и большая часть общей вентиляции легких будет задерживать­ся в мертвом пространстве, что вызовет задержку двуокиси углерода.

Величина альвеолярного давления определяется сопротивлением ды­хательных путей, а также величиной и направлением потока воздуха. (Здесь и далее — примеч. переводчиков.)

13 Каков нормальный уровень вентиляции легких, также назы­ваемый минутным объемом дыхания!

□ Нормальный уровень вентиляции легких¹, или нормальный минутный объем дыхания, равен приблизительно 6,5 л/мин. Он представляет собой полный объем свежего воздуха, посту­пающего в дыхательные пути каждую минуту и равен дыха­тельному объему (V_T), умноженному на частоту дыхания. Нормальное значение V-r составляет 380 мл, нормальная частота дыхания — 17 циклов в минуту. Считавшиеся в про­шлом нормальными значения V_T = 0,5 л и частоты дыхания 12/мин были определены с помощью спирометра при мед­ленном глубоком дыхании. Во время гипервентиляции V_T, как и частота дыхания, обычно увеличивается, например, до 2,0 л х 45/мин = 90 л/мин. Хотя V_T может достигать величины жизненной емкости легких, при физической на­грузке в ответ на увеличенную потребность в вентиляции V_T возрастает приблизительно до половины жизненной ем­кости.

14 Как измеряют вентиляцию легких?

□ У больных с введенной эндотрахеальной трубкой и без нее непосредственное измерение вентиляции легких произ­водится по-разному. У интубированных пациентов легко непосредственно измерить легочную вентиляцию, присо­единив спирометр или пневмотахометр к эндотрахеальной трубке. У не интубированных больных в критическом состо­янии такая процедура затруднительна, потому что эти боль­ные плохо переносят подключение любого устройства к дыхательным путям. Кроме того, применение загубника или носового зажима вызывает изменение характера вентиля­ции, сопровождающееся увеличением дыхательного объема и снижением частоты дыхания. Чтобы преодолеть эти труд­ности, был создан ряд устройств для косвенного измерения вентиляции. Эти приспособления описаны в соответствую­щем разделе.

¹ С приведенными ниже данными трудно согласиться. Минутная вен­тиляция легких и дыхательный объем в норме зависят от пола, возраста и антропометрических данных. Весьма приближенно они составляют: МОД для мужчин 85—130 мл/кг/мин, для женщин 70—115 мл/кг/мин; ДО для мужчин 7—8 мл/кг, для женщин 6—7 мл/кг.

 

2. Кислород

ЗНАЧЕНИЕ КИСЛОРОДА

15 Какова роль кислорода в жизнедеятельности клеток и всего интактного организма?

□ Кислород требуется для химических реакций, которые отвечают более чем за 95 % энергии, потребляемой живыми клетками и всем организмом. Соответственно из-за своей роли в биосинтезе АТФ кислород — необходимая субстан­ция для поддержания жизнедеятельности. Молекулы АТФ являются универсальным источником энергии, используе­мым для большинства клеточных функций всеми формами жизни.

16 Как используется большая часть поглощенного легкими кис­лорода?

□ Большая часть поглощенного легкими кислорода в про­цессе метаболизма превращается клетками в двуокись угле­рода. Существует прямая связь между потреблением кисло­рода и продукцией двуокиси углерода, которая выражается показателем дыхательного обмена (RE, процесса, происхо­дящего в легких) и дыхательным коэффициентом (RQ, зави­сящим от химических реакций, которые происходят в тка­нях).

Как удаляется из организма кислород, поглощенный легкими и потребленный тканями?

□ Кислород, поглощенный легкими и потребленный в процессе клеточного метаболизма, превращается главным образом или в двуокись углерода, или в воду. Атомы угле­рода, доставляемые с пищей (например, с углеводами, жи­рами), соединяются с кислородом, образуя двуокись угле­рода. Продукт метаболизма — вода — является результатом реакции доставленного с пищей водорода и поглощенного легкими кислорода (о функции "дыхательной цепочки" см. в разделах 18, 20—23).

Как проявляется действие кислорода на живой организм?

□ Кислород используется в преобладающем пути синтеза АТФ, называемом окислительное фосфорилирование (т.е. до­бавление "фосфорилирующей группы" к АДФ с образова­нием АТФ через поглощение кислорода). Действие кисло­рода проявляется следующим образом:

1) водород, генери­руемый при химических реакциях во всех живых клетках (например, метаболизм углеводов, жиров и протеинов), вре­менно накапливается в никотинамиде — адениндинуклеотиде (НАД) и флавин-аденин-динуклеотиде (ФАД) — двух главных компонентах "дыхательной цепочки";

2) "перенос­чики" водорода НАД и ФАД высвобождают водород, кото­рый реагирует с молекулярным кислородом, образуя в ка­честве конечного продукта Н₂О (так называемую метаболи­ческую воду);

3) транспорт протонов (ионов водорода) обес­печивает энергию, необходимую для фосфорилирования АДФ в АТФ, посредством хемоосмотического механизма (гипотеза Митчела). Таким образом, кислород действует как акцептор водорода (что облегчает окисление пищи и имею­щегося водорода), образуя воду. Такая роль кислорода обес­печивает генерацию АТФ, молекулы которого усиливают клеточный метаболизм (т.е. химические реакции внутри клеток).

19 Каков смысл аэробной и анаэробной энергии?

□ Анаэробной называют энергию, которая выделяется без одновременного потребления кислорода. Напротив, аэро­бная энергия выделяется при процессах, которые требуют одновременного потребления кислорода. Как отмечается в других разделах данной книги, большая часть синтеза АТФ происходит в результате использования кислорода в дыха­тельной цепочке, находящейся в митохондриях живых клеток.

20 Разъясните дальнейший транспорт водорода в дыхательной цепочке, образующейся в митохондриях живых клеток, к месту его конечного назначения.

□ Молекулы водорода состоят из протонов (т.е. ионов водорода) и электронов. Переносчики водорода НАД и ФАД получают молекулы водорода посредством химических реакций, в которых углеводы, жиры и белки расщепляются (процессами, которые в совокупности называются окисление субстратов). Далее, "загруженные" водородом его перенос­чики НАД и ФАД (т.е. НАДЯ и ФАДЯ₂) высвобождают водород, поддерживая тем самым транспорт электронов и протонов, которые по отдельности проходят через дыхатель­ную цепочку. Электроны при этом переносятся мобильны­ми молекулами (например, убиквинон, цитохром С), нахо­дящимися во внутренних мембранах митохондрий. Протоны высвобождаются в пространство, отделяющее внутренние мембраны (прилегающие к матрице) митохондрий от внеш­них мембран (прилегающих к цитозолю). В результате воз­никающее накопление протонов в межмембранном про­странстве создает градиент концентраций Н⁺, который через протонные каналы продвигает Н⁺ из этого простран­ства к матрице митохондрий. Так как протоны движутся через соответствующие каналы пассивно (снижая градиент концентраций), они поддерживают синтез АТФ, так что происходит фосфорилирование АДФ до АТФ (т.е. действует хемосмотический механизм по гипотезе Митчела). Внутри матрицы митохондрий электроны и протоны взаимодейст­вуют с кислородом, что приводит к образованию воды (на­пример, 2е- + 2Н⁺ + 1/2О₂ → Н₂О).

21 Назовите клинически значимые соединения, которые наруша­ют функцию клеточной дыхательной цепочки.

□ Клинически значимыми субстанциями, которые нару­шают функцию клеточной дыхательной цепочки и могут привести к смерти, являются окись углерода и цианид. Эти соединения блокируют последнюю ступень переноса элек­тронов по дыхательной цепочке, которая преобразует элек­троны комплекса IV в молекулярный кислород. Окись уг­лерода и цианид прерывают основной клеточный путь, от­ветственный за биосинтез АТФ, молекулы, которая является источником жизни.

22 Какие субстраты могут быть использованы для синтеза АТФ в отсутствие кислорода? Сравните синтез АТФ при использо­вании кислорода и без его использования.

□ В анаэробных условиях для синтеза АТФ могут быть использованы углеводы (например, глюкоза). Расщепление 1 моля глюкозы на 2 моля пировиноградной кислоты производит 3 моля АТФ, если начальным углеводом является гликоген, и 2 моля АТФ, когда начальным субстратом яв­ляется сама глюкоза. Относительно небольшая продукция АТФ во время анаэробного гликолиза контрастирует с 38 молями АТФ на каждый моль глюкозы, которые создаются в присутствии кислорода (полный цикл Кребса и дыхатель­ные цепочки).

23 Каково нормальное значение внутриклеточного напряжения кислорода (РО2) и каков его минимальный уровень, необхо­димый для поддержания метаболических процессов?

□ В среднем внутриклеточное РО₂ составляет приблизи­тельно 20 мм рт. ст. (в норме 5—40 мм рт. ст.). В то же время уровень, требуемый для внутриклеточного метаболизма, ра­вен всего 1—3 мм рт. ст. Таким образом, для безопасности доставки кислорода жизненно важным тканям существуют широкие пределы нормального состояния. Необходимо яс­но понимать, что РаО₂, требуемое для обеспечения внутри­клеточного РО₂, которое поддерживает нормальный кле­точный метаболизм, должно составить по крайней мере 55 мм рт. ст.

 

ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА

24 Каково нормальное потребление кислорода? Объясните поня­тие "коэффициент экстракции кислорода", а также потребления кислорода, доставки" и «независимого от доставки и независимого от доставки».

□ Потребление кислорода (VO₂) в норме составляет около 250 мл/мин. Его можно рассчитать по формуле Фика:

VO₂ = (СаО₂ - CvO₂) х Qt = = 5 мл О2/дл х 10 дл/л х 5 л/мин — = 250 мл О2/мин.

Потребление кислорода увеличивают лихорадка, адренергическая стимуляция, повышенная мышечная актив­ность и алкалоз. У здоровых людей в ткани поступает на­много больше кислорода (1000 мл/мин), чем ими потребля­ется (250 мл/мин). Это отношение (VO₂/DO₂) называется коэффициентом экстракции кислорода и позволяет определить многие факторы, воздействующие на оксигенацию тка­ней. В норме коэффициент экстракции кислорода равен 0,25, или 25 %. У пациентов с заболеваниями, которые на­рушают доставку кислорода, повышение экстракции кисло­рода вначале компенсирует снижение его доставки, в ре­зультате потребление кислорода остается нормальным. Од­нако когда достигается критически низкий уровень достав­ки кислорода, этот компенсаторный механизм становится недостаточным, и снижение транспорта кислорода вызывает пропорциональное уменьшение его потребления. Этот тип потребления кислорода, зависящий от доставки, контрасти­рует с нормальной ситуацией, при которой поглощение кис­лорода не зависит от его доставки. Раньше считалось, что пациенты с острым респираторным дистресс-синдромом (ОРДС) и другими критическими заболеваниями проявляют патологическую зависимость потребления кислорода от его транспорта, означающую, что поглощение кислорода прямо зависит от доставки этого газа. Исследования, на которых основывалась эта концепция, имеют серьезный изъян, и кон­цепция зависимости потребления кислорода от его доставки в патологических условиях более не считается правильной.

25 Какой фактор в основном определяет потребление кислорода?

□ Главным фактором, определяющим потребление кисло­рода, является скорость расхода энергии (т.е. скорость об­разования АДФ), а не количество доставляемого кислорода (за исключением условий крайней гипоксии). Пока внутри­клеточное РО₂ выше чем 1—3 мм рт.ст., скорость потреб­ления кислорода не зависит от доставки кислорода. Как отмечено ранее, РаО₂, требуемое для того, чтобы внутри­клеточное РО₂ обеспечивало оптимальный клеточный мета­болизм, по-видимому, должно быть не менее 55 мм рт. ст.

26 Как во время напряженной физической нагрузки увеличива­ется поглощение кислорода в легочных капиллярах, чтобы соответствовать возросшей потребности тканей?

□ Диффузная способность легких по отношению к кис­лороду во время напряженной физической нагрузки увели­чивается втрое вследствие повышения числа перфузируемых капилляров и улучшения отношения вентиляция/кровоток в верхних участках легких, что также сопровождается ростом сердечного выброса. Во время такой нагрузки снижение времени, в течение которого кровь остается в легочных капиллярах, менее чем до половины от нормального не уменьшает оксигенацию крови, потому что она достигается за 7з времени прохождения крови через легочные капилля­ры. Соответственно кровь всегда выходит из системы легоч­ного кровообращения почти полностью насыщенной кис­лородом, и поступление кислорода в артериальную кровь может более чем в 20 раз превысить нормальный уровень, наблюдаемый в покое (т.е. тройное увеличение способности легких диффундировать кислород умножается на семикрат­ное повышение сердечного выброса).

27 Что такое кислородная задолженность, которая следует за усиленной мышечной нагрузкой?

□ Кислородная задолженность относится к поглощению кис­лорода, превышающему уровень в покое (сопровождающему­ся гипервентиляцией), которое продолжается после оконча­ния напряженной мышечной работы и длится до 60 мин. Усиленное поглощение кислорода необходимо для: 1) сни­жения уровня лактата в мышцах и плазме посредством его преобразования в глюкозу в печени и почках (цикл Кори); 2) восстановления мышечных запасов АТФ и фосфокреатина; 3) возвращения к начальному уровню содержания кис­лорода, связанного с миоглобином и гемоглобином (НЬ) и первоначально присутствовавшего в дыхательном тракте.

28 Что является источником энергии во время мышечного на­пряжения? Что является в этих условиях конечным продуктом анаэробного гликолиза?

Q Источники энергии во время усиленной мышечной на­грузки включают: 1) запасы АТФ, накопленные в клетках мышц до начала нагрузки; 2) новый АТФ, полученный при разложении фосфокреатина (эта составляющая является наиболее важным запасом энергии в миоцитах); 3) анаэроб­ный гликолиз из запасов гликогена в клетках мышц; 4) окис­лительные реакции, которые регенерируют АТФ. Все эти процессы принимают участие в создании энергии, хотя их относительный вклад существенно различается. Первые два процесса могут поддерживать усиленную нагрузку только несколько секунд. Аналогично и окислительный метабо­лизм действует короткое время из-за быстрого снижения мы­шечного РО₂. Следовательно, главную роль в этих условиях играет анаэробный гликолиз, производящий на финальной стадии этого процесса молочную кислоту вместо пировиноградной. Пируват превращается в лактат из-за накопления сниженной формы динуклеотида никотинамидаденина (NADH) в результате анаэробных условий работы мышц.

29 Каков максимальный уровень кислорода, который может быть создан в периферических тканях хорошо тренированного бе­гуна-марафонца?

□ У хорошо тренированных бегунов-марафонцев доставка кислорода в периферические ткани может увеличиваться в 20 раз по сравнению с состоянием покоя. Такое увеличение обеспечивается повышением коэффициента экстракции (процент крови, которая освобождает кислород, проходя через капилляры тканей) от нормального уровня, составля­ющего 25 %, до максимального значения 75—85 % и увели­чением сердечного выброса. Поскольку последний может возрасти в 6—7 раз по сравнению с нормальной величиной, произведение увеличенного коэффициента экстракции и воз­росшего сердечного выброса (т.е. 3 x 7 = 21) объясняет при­мерно 20-кратное увеличение доставки кислорода в ткани.

30 Каков источник энергии в организме при остановке дыхания или тяжелой острой гипоксии?

□ Насыщенный кислородом гемоглобин, а также кисло­род, содержащийся в дыхательных путях, обеспечивают анаэ­робную энергию примерно на 2 мин после остановки дыха­ния. Анаэробный гликолиз, использующий глюкозу, которая выделяется при распаде гликогена, обеспечивает энергию еще примерно на 1 мин. Поэтому через 3 мин после острой остановки дыхания (или сопоставимых с ней условий ост­рой гипоксии) все источники энергии исчерпываются и повреждение клеток и смерть становятся неизбежными.

 

ТРАНСПОРТ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА

56 Опишите транспорт двуокиси углерода от клеток до окружаю­щей среды.

□ Непрерывный поток крови постоянно транспортирует двуокись углерода, образованную в тканях, к легким для заключительного выделения в атмосферный воздух. Боль­шая часть двуокиси углерода, поступающей в систему кро­вообращения, преобразуется в негазовую форму и транспор­тируется благодаря механизмам, которые в значительной степени зависят от некоторых свойств гемоглобина. Все же процесс диффузии — фундаментальная движущая сила, обеспечивающая непрерывный переход двуокиси углерода из тканей в кровь и из крови в альвеолы легких. Соответ­ственно, чтобы перемещать двуокись углерода через не­сколько мембран между местом ее продукции и альвеоляр­ным пространством, требуется нарастающий градиент дав­ления. Однако из-за интенсивности, с которой газообразная двуокись углерода преобразуется в кровотоке в другие мо­лекулярные формы, транспорт двуокиси углерода из тканей в легкие осуществляется с поразительно небольшим гради­ентом для РСО₂. Таким образом, воздействие самой про­дукции двуокиси углерода на уровень кислотности очень незначительно. Между тканями и легочными альвеолами градиент РСО₂ составляет только 6 мм рт.ст., когда среднее

РСО₂ в тканях и альвеолярное РСО₂ равны приблизительно 46 и 40 мм рт.ст. соответственно. Если бы транспорт дву­окиси углерода должен был бы осуществляться исключи­тельно как физически растворенная в плазме газовая форма СО₂, потребовался бы в 10 раз больший градиент парци­ального давления двуокиси углерода между тканями и легкими, чтобы гарантировать выделение ее суточной про­дукции.

57 Объясните подробнее транспорт двуокиси углерода в крови.

G Содержание двуокиси углерода в крови зависит от РСО₂. Такая зависимость, известная как кривая диссоциации двуокиси углерода, является в отличие от S-образной кривой диссоциации оксигемоглобина относительно линейной. Более высокое содержание в крови двуокиси углерода, когда РСО₂ увеличивается, обусловлено большим количеством СО₂ во всех различных формах этого газа в крови (свобод­ная двуокись углерода; двуокись углерода, химически свя­занная с водой, гемоглобином и белками плазмы). При нормальном артериальном РСО₂, равном 40 мм рт.ст., со­держание двуокиси углерода в крови составляет 48 мл/дл, в то время как при нормальном РСО₂ смешанной венозной крови, равном 45 мм рт.ст., содержание двуокиси углерода равно 52 мл/дл. Только 5 % содержания двуокиси углерода в смешанной венозной крови транспортируется в раство­ренном состоянии (например, 2,7 мл/дл составляет 5 % от 52 мл/дл).

58 Сравните диффузию кислорода и двуокиси углерода в тканях организма.

Q Двуокись углерода диффундирует приблизительно в 20 раз быстрее, чем кислород. Эта особенность объясняет на­много меньший градиент давления СО₂ по сравнению с кислородом в тканях и легких. В альвеолах легких СО₂ составляет приблизительно 100 мм рт.ст., а в смешанной венозной крови — примерно 40 мм рт.ст., таким образом, градиент РО₂ между альвеолярным газом и капиллярной кровью равен 60 мм рт.ст. Так как РСО₂ в смешанной венозной крови составляет 45 мм рт.ст., а альвеолярное РСО₂ равно 40 мм рт.ст. (величина, идентичная РСО₂ крови в последних ²/з длины легочных капилляров и артериаль­ному РСО₂), градиент РСО₂ составляет примерно одну десятую долю градиента РО₂ (т.е. 5 и 60 мм рт.ст. составляют соответственно градиенты РСО₂ и РО₂ между альвеолярным газом и капиллярной кровью).

59 Как происходит переход двуокиси углерода из капиллярной крови в легочные альвеолы?

□ Явления, которые приводят к перемещению двуокиси углерода из тканей в кровоток, в легочных капиллярах имеют обратную последовательность. Поскольку РСО₂ в альвеолах более низкое, чем в крови, выделение двуокиси углерода обеспечивается градиентом ее давления. Снижение РСО₂ в крови, омывающей легочные альвеолы, приводит к местной алкалемии, которая влияет на гемоглобин и другие небикарбонатные буферы крови таким образом, что эти субстанции высвобождают ионы водорода, которые титруют ионы бикарбоната внутри и вне эритроцитов, продуцируя угольную кислоту. Так как оксигенация гемоглобина пре­образует это вещество в более сильную кислоту, уменьшая величину рК' имидазольных групп гистидина, выход ионов водорода из гемоглобина еще больше увеличивается. Вновь образовавшаяся угольная кислота быстро дегидратируется угольной ангидразой эритроцитов, а также угольной ангидразой, находящейся на эндотелиальной поверхности альве­олярных капилляров. Также выделяется двуокись углерода, связанная с карбаминами. Очень высокая проницаемость альвеолярно-капиллярной мембраны для двуокиси углерода, приблизительно в 20 раз превышающая проницаемость для кислорода, обеспечивает быстро наступающее равновесие между кровью и альвеолярным газом, которое устанавлива­ется за часть времени прохождения эритроцитов по легоч­ным капиллярам.

60 Объясните значение кровеносной системы для выделения дву­окиси углерода.

□ В дополнение к рассмотренным выше механизмам транспорта двуокиси углерода в крови и легочной вентиля­ции элиминация двуокиси углерода требует также и адекват­ной функции кровеносной системы. Согласно принципу Фика, общее выделение двуокиси углерода является функ­цией сердечного выброса (Q, в л/мин) и разности содержания двуокиси углерода в венозной и артериальной крови, выражаемой как (Cv — Са) СО₂:

VCO₂ = Q х(Cv - Са) СО₂.

Как следует из этого уравнения, в присутствии постоянной разности венозно-артериального содержания двуокиси угле­рода увеличение сердечного выброса вызывает увеличение выделения двуокиси углерода; и наоборот, если сердечный выброс уменьшается, выделение СО₂ падает. Эта законо­мерность имеет очень важное значение для надлежащей интерпретации содержания газов в артериальной и венозной крови у пациентов с нарушенным кровообращением.

61 Объясните подробнее процесс транспорта двуокиси углерода в крови. Что такое эффект Холдейна?

□ Начало этого процесса составляет поступление двуоки­си углерода из тканей в плазму в форме СО₂, растворенной в воде. Очень малая часть метаболически произведенной двуокиси углерода транспортируется как физически раство­ренная СО₂; это количество равно физическому коэффи­циенту растворимости для двуокиси углерода (равному 0,0301 ммоль/л/мм рт.ст.), умноженному на величину пар­циального давления СО₂. Таким образом, при нормальном уровне РСО₂ в смешанной венозной крови, составляющей 45 мм рт.ст., концентрация растворенной двуокиси углерода в плазме равна 1,35 ммоль/л. Самая большая доля двуокиси углерода, поступающей в плазму, диффундирует в эритро­циты, где происходит ее преобразование в негазообразные формы. Гидратация двуокиси углерода в эритроцитах фор­мирует угольную кислоту под каталитическим влиянием угольной ангидразы эритроцитов. Угольная кислота затем ионизируется с последовательным образованием ионов би­карбоната и ионов водорода. Буферные свойства гемогло­бина, которые усиливаются в тканевых капиллярах из-за деоксигенации гемоглобина, нейтрализуют создающиеся ионы водорода; большинство образовавшихся ионов бикар­боната диффундирует из эритроцитов в плазму. При любом РСО₂ плохо оксигенированная кровь проявляет увеличен­ную по сравнению с хорошо оксигенированной кровью способность к транспортировке двуокиси углерода. Это яв­ление называют эффектом Холдейна (Haldane). Количество двуокиси углерода, переносимое цельной кровью in vitro, увеличивается по мере повышения РСО2, принимая форму прямой линии в физиологическом диапазоне РСО2, и точка насыщенности для двуокиси углерода не достигается. Этот тип кривой резко отличается от S-образной формы кривой диссоциации оксигемоглобина, определяющей содержание кислорода в цельной крови по величине РО₂, при которой кровь становится полностью насыщенной кислородом в верхней части физиологических значений РО2.

62 Насколько важен эффект Холдейна для транспорта и выведе­ния двуокиси углерода из тканей в атмосферный воздух?

□ Увеличение способности крови транспортировать дву­окись углерода при низком РО₂ и уменьшение этой способ­ности при высоком РО₂ (эффект Холдейна) очень важны для элиминации СО₂. Этот эффект удваивает количество двуокиси углерода, поглощаемое кровью в тканях, так же как и удваивает количество двуокиси углерода, высвобож­дающейся из крови в легких. Другими словами, если бы отсутствовало смещение кривой диссоциации двуокиси уг­лерода с изменением РО₂ (отсутствовал бы эффект Холдей­на), только 2 мл двуокиси углерода на 1 дл крови переходило бы из тканей в кровь и выводилось бы в легких в ответ на изменение РСО₂ приблизительно на 5 мм рт.ст., т.е. на разницу между PvCO₂ и РаСО₂ (в противоположность нор­мальной величине 4 мл двуокиси углерода на 1 дл крови). Эффект Холдейна количественно гораздо более важен для переноса двуокиси углерода, чем эффект Бора для обеспе­чения транспорта кислорода.

63 Насколько важно для транспорта двуокиси углерода присут­ствие угольной ангидразы в эритроцитах и легочных капилля­рах?

□ Угольная ангидраза ускоряет формирование и диссо­циацию угольной кислоты (Н₂СО₃ о СО₂ + Н₂О) примерно в 5000 раз. Следовательно, поглощение и освобождение двуокиси углерода кровью соответственно в периферичес­ких тканях и легких достигается за доли секунды вместо нескольких секунд и даже минут. Приблизительно 70 % двуокиси углерода, транспортируемой между тканями и лег­кими, находится под влиянием угольной ангидразы.

64 Что такое "хлоридное смещение" в эритроцитах? Объясните относительное значение каждого из трех механизмов, обеспе­чивающих транспорт двуокиси углерода, в общем процессе ее выделения.

□ Переход бикарбоната в плазму из эритроцитов изменил бы их электрическую нейтральность, которая восстанавли­вается диффузией ионов хлоридов в клетки, — явлением, известным под названием хлоридное смещение. Быстрый транспорт анионов — отличительная функция мембраны эритроцита, ко