Диффузия газов между альвеолярным воздухом и капиллярами легких

Обмен газов в легких определяется такими факторами как вентиляция легких, перфу­зия, т. е. интенсивность кровотока через легкие, и процесс диффузии.

Диффузия газов осуществляется через легочную мембрану — это многослойный «пирог», представленный пленкой сурфактанта, эпителием альвеолы, интерстицием (2 основные мемб­раны), эндотелием капилляра и слоем плазмы. Толщина этой мембраны около 1 мкм. При пато­логии, например, при отеке легких или при фиброзах легких, толщина мембраны может суще­ственно возрастать, что нарушает процесс диффузии газов. В цепом, у человека площадь легоч­ной мембраны, через которую осуществляется диффузия, в норме составляет 50—80 м². При резекции легких, при ателектазе, при пневмонии эта площадь значительно уменьшается, что снижает диффузионные процессы.

Процесс диффузии описывается первым законом диффузии Фнка: диффузионный поток, т. е. количество вещества, проходящего через площадь слоя А за единицу времени, — пря­мо пропорционален градиенту давления (Р,—Р₂) и площади А и обратно пропорционален толщине слоя (1).

где К — коэффициент диффузии (коэффициент Крога), или диффузионная проводимость, который зависит от природы газа. Для углекислого газа он в 20—25 раз выше, чем для кислорода. Закон Фнка показывает факторы, от которых зависит скорость диффузии. В кли­нической практике широко используется понятие «диффузионная способность легких» (ДСЛ): это отношение объема газа, продиффундировавшего через легочную мембрану за 1 минуту в расчете на 1 мм рт. ст. градиента давления. Для кислорода ДСЛ составляет около 25—30 мл кислорода на 1 мм рт. ст. в 1 мин, а для углекислого газа — около 600 мл на 1 мм рт. ст. в 1 минуту. Расчет ведется на основании замера объема поглощенного кисло­рода или выдохнутого углекислого газа (мл/мин) и градиента давления. Первый показатель можно получить, например, с помощью прибора «Спиролит» или «Метатест». Расчет гра­диента давления осуществляется с учетом градиента давления на протяжении всего легоч­ного капилляра. Например, для кислорода в альвеолярном воздухе рО₂ 100 мм рт. ст., в капилляре на начальном его конце — 40 мм рт. ст., на дистальном — почти 100 мм рт. ст., средний градиент равен примерно 10 мм рт. ст. Следовательно, если за минуту испытуе­мый поглотил 300 мл кислорода, то ДСЛ - 300: 10 - 30 мл кислорода на 1 мм рт. ст. в 1 минуту. Для углекислого газа средний градиент между альвеолярным воздухом и кровью равен 0,4—0,5 мм рт. ст. Если за 1 минуту выдыхается 250 мл СО₂> то ДСЛ для СО₂ составляет 250: 0,4 = 620 мл/мм рт. ст. в минуту.

Контакт крови с альвеолярным воздухом происходит за 0,3—0,7 с. За этот период вре­мени осуществляется полное выравнивание парциальных давлений (напряжений) газа. Учи­тывая, что процесс связывания кислорода гемоглобином протекает еще быстрее — за не­сколько милисекунд, — то процесс диффузии и насыщения крови кислородом и отдача уг­лекислого газа происходит в полном объеме за 0,3—0,7 с.

О процессах перфузии легких уже говорилось в разделе «Малый круг кровообраще­ния». Добавим лишь, что соотношение между объемом вентиляции и объемом перфузии является важным фактором газообмена. В легких, несмотря на существование альвеоляр-но-капиллярного рефлекса, регулирующего соотношение между вентилируемыми альвео­лами и процессом их перфузии, возникает ситуация, при которой имеет место не только анатомическое мертвое пространство, но и альвеолярное мертвое пространство, т. е. име­ются вентилируемые альвеолы, лишенные кровотока. Поэтому при расчете объема вентиля­ции легких учитывается объем физиологического мертвого пространства (суммы анатомичес­кого и альвеолярного мертвых пространств). В норме объем вентиляции легких (с вычетом

физиологического мертвого пространства) составляет примерно 0,8 от объема перфузии лег­ких (80%).

В положении «лежа» в силу гидростатического давления легкое равномерно снабжает­ся кровью: верхушки, средние области и основание получают примерно одно и то же коли­чество крови. В положении «сидя» верхушки легких снабжаются кровью хуже (примерно на 15% меньше, чем в положении «лежа»), а стоя — на 25% меньше. Таким образом, пер­фузия легких максимальна в положении «лежа». Поэтому при необходимости увеличить диффузию газов у человека его следует перевести в позу «лежа».

Отметим, что наиболее опасным состоянием для газообмена является отек легких: при этом газам приходится проходить через легочную мембрану, насыщенную водой. Извест­но, что СО₂ в жидкости диффундирует примерно в 13000 раз, а кислород — в 300000 раз медленнее, чем в газовой среде.

ТРАНСПОРТ КИСЛОРОДА КРОВЬЮ

Кислород находится в крови в двух состояниях. Часть (0,3 мл на 100 мл крови или 3 мл/л крови) — в виде физически растворенного газа, а остальная часть (почти 20 мл кислорода/ 100 мл крови или 200 мл/1 л крови) — в виде химически связанного состояния — в связи с гемоглобином. Фракция физически растворенного кислорода играет важную роль: весь кис­лород, который идет из альвеолярного воздуха в кровь или из крови в ткани, проходит ста­дию физического растворения. Только в таком виде кислород может диффундировать. Эту фракцию можно представить как узкую речку, по которой вода бежит с огромной скоро­стью. Растворимость газов в жидкостях подчиняется закону Генри— Дальтона: количество растворенного газа пропорционально парциальному напряжению газа. Коэффициент про­порциональности (коэффициент Бунзена) для кислорода равен 0,024 мл на 1 мл раствори­теля в расчете на 1 атм (760 мм рт. ст.). Вот почему фракция растворенного кислорода так мала. Однако ее можно увеличить. Это бывает необходимо при оперативных вмешательст­вах на «сухом» сердце — без использования аппарата искусственного кровообращения. Еще в 1887 году французский хирург Пеган провел 27 операций в атмосфере чистого кис­лорода, т. е. применил способ насыщения кровью кислорода за счет повышения парциаль­ного напряжения кислорода в крови. Действительно, когда мы дышим чистым кислородом, то парциальное давление в альвеолярном воздухе составляет 760 мм рт. ст. (вместо 100 мм рт. ст.), поэтому повышается почти в 7 раз растворимость кислорода: вместо 3 мл/л — 21 мл/л крови. В настоящее время найдено, что можно без большого ущерба для человека некоторое время ды­шать чистым кислородом под давлением в 3 атмосферы. В этом случае парциальное напряже­ние кислорода в альвеолярном воздухе достигает 3x760=2280 мм рт. ст., а количество рас­творенного кислорода в крови становится в 21 раз больше, чем обычно, т. е. около 65 мл/л. Учитывая, что количество химически связанного кислорода (см. ниже) в этом случае оста­ется таким же, что и при обычном воздухе, to суммарное содержание кислорода в 1 л крови будет равно (200+65)=265 мл. Так как у человека около 5 литров крови, то суммарная при­бавка достаточно ощутима (65x5=325 мл). Если оперативное вмешательство проводить при низкой температуре тела (25—28° С), то потребность в кислороде снижается и вместо 250 мл требуется 50 мл или даже меньше. Естественно, что в таких условиях у хирурга, опери­рующего на «сухом» сердце, появляется больше времени для выполнения оперативного вмешательства.

В настоящее время гипербарическая оксигенация (название процедуры, описанной выше) достаточно широко применяется во многих областях медицины.

Основная масса кислорода при обычном дыхании связана с гемоглобином. Гемоглобин представляет собой белок, состоящий из 4 субъединиц (в среднем с массой по 16000), каж­дая из которых содержит 1 гем. Гем — это протопорфирин, состоящий из 4 пиррольных колец, связанных между собой метановыми мостиками. В центре гема находится двухва­лентное железо.

Когда в среде парциальное напряжение кислорода достаточно велико (60 мм рт. ст. и выше), каждый гем присоединяет к себе по 1 молекуле кислорода- Таким образом, 1 моле­кула гемоглобина присоединяет к себе 4 молекулы кислорода. Бели считать, что 1 г-мол гемоглобина = 64500 г, а 1 г-мол кислорода — 32 г или 22,4 л, тона 1 грамм гемоглобина приходится (32 х 4): 64500 или (22400 мл х 4): 64500 = 1,39 мл кислорода. Эта величина впервые была вычислена Хюффнером и поэтому в научной литературе называется «числом Хюффнера». Однако часто используются и другие значения количества кислорода, присое­диняемого 1 г гемоглобина. Это обусловлено тем, что по-разному оценивается молекуляр­ная масса гемоглобина. В последние годы она принимается за 66800 (а не за 64500); в этом случае эта величина составляет 1,34 мл/г гемоглобина. В наших расчетах используется число 1,34.

Итак, если известно, что в 1 л крови содержится 140 г гемоглобина, то в 1 л такой крови максимально возможное содержание кислорода в химически связанной форме будет равно 140x1,34=187,6 мл.

Реально, однако, количество кислорода, связанного с гемоглобином, зависит от парци­ального напряжения кислорода в крови (или в тканях). Даже при 100 мм рт. ст. не весь гемоглобин, а только 97—98%, способен связывать кислород, т. е. находиться в форме ок-сигемоглобина. При уменьшении парциального напряжения кислорода в среде — количество гемоглобина, находящегося в форме оксигемоглобина, снижается. Например, при 10 мм рт. ст. лишь около 10% молекул гемоглобина находится в связи с кислородом.

КРИВАЯ ДИССОЦИАЦИИ ОКСИГЕМОГЛОБИНА

Процесс связывания кислорода гемоглобином, отражающий зависимость сродства ге­моглобина к кислороду от парциального напряжения кислорода в среде, являстся'важней-шей характеристикой процесса транспорта кислорода. Впервые эту зависимость теорети­чески рассмотрел Хюффнер. Он считал, что в соответствии с законом действующих масс зависимость должна иметь гиперболический вид. Однако первые же экспериментальные наблюдения, проведенные известным физиологом Бором, показали, что зависимость носит S-образный характер. Гемоглобин как уникальное соединение хорош тем, что там, где он должен захватывать кислород (легкие), там в условиях высокого парциального напряжения (100 мм рт. ст.) он захватывает кислород. Там, где гемоглобин должен отдать кислород (при давлении 40 мм рт. ст.) — он его отдает почти на 60—40% от исходного уровня. Это проис­ходит в тканевых капиллярах. Проходя по тканям, гемоглобин отдает не весь связанный кислород, а только часть его. Например, если кислородная емкость артериальной крови равна 200 мл/л, то венозной крови —160—140 мл/л. Это объясняется тем, что парциальное давление в венозной крови не снижается обычно меньше 40 мм рт. ст., поэтому до 60% гемоглобина находится в форме оксигемоглобина.

Существуют факторы, влияющие на сродство гемоглобина к кислороду. Благодаря этим факторам кислород лучше отдается в тканевых капиллярах и, наоборот, лучше присоединя­ется в капиллярах легких. К этим факторам относятся: температура, концентрация водо­родных ионов, парциальное напряжение углекислого газа и соединение, которое накапли­вается в эритроцитах— 2,3-дифосфоглицерат.

Было показано, что с повышением температуры снижается сродство гемоглобина к кис­лороду и кривая диссоциации оксигемоглобина (зависимость % оксигемоглобина от парци­ального напряжения кислорода в среде) сдвигается вправо. Например, при 20°С, при 40 мм рт. ст. с кислородом связано 70% гемоглобина, а при 37°С — 65%.

Аналогично было замечено, что при повышении концентраций водородных ионов, при повышении парциального напряжения углекислого газа в среде сродство гемоглобина к кислороду снижается. Это явление получило название «эффекта Бора». Все эти факторы имеют место в тканях и поэтому способствуют отдаче кислорода гемоглобином.

Еще в 1909 г. классик физиологии газообмена Джозеф Баркрофт и его сотрудники обна­ружили, что в растворах гемоглобин имеет большее сродство к кислороду, чем в эритроци-

тах, следовательно, что-то, содержащееся в эритроцитах, препятствует связыванию кисло­рода. И лишь в 1967 г. обнаружили это «что-то». Им оказался 2,3-дифосфоглицерат. Это соединение образуется в эритроците при расщеплении глюкозы.

Метаболит глюкозы 2,3-ДФГ снижает сродство гемоглобина к кислороду. У горцев, постоянно испытывающих кислородное голодание из-за низкого парциального давления кислорода, как вариант адаптации к кислородному голоданию вырабатывается механизм, позволяющий повысить отдачу кислорода тканям. Это происходит за счет повышенного образования 2,3-ДФГ в их эритроцитах.