Аномальные лиганды и аномальные формы гемоглобина

Окись углерода (СО), цианиды, азотная кислота и аммиак moitt связываться с гемоглобином в мес­тах соединения с кислородом. Они вытесняют кис­лород и смещают кривую диссоциации влево. Угарный газ отличается особенной активностью: его сродство к гемоглобину в 200-300раз выше, чем у кислорода. СО связывается с гемоглобином, обра­ зуя карбоксигемоглобин, что снижает кислородную емкость гемоглобина и нарушает освобождение кислорода в тканях.

При окислении железа тема до трехвалентной формы образуется метгемоглобин. В редких случаях нитраты, нитриты, сульфаниламиды и другие лекарственные средства могут вызывать сильную метгемоглобинемию. Метгемоглобин не­способен связывать кислород, до тех пор пока он не будет восстановлен с помощью фермента метгемо-глобинредуктазы; кроме того, метгемоглобин сме­щает кривую диссоциации оксигемоглобина влево. Метгемоглобинемия, как и отравление угарным га­ зом, снижает кислородную емкость крови и наруша­ ет высвобождение кислорода в тканях. Метилено-вый синий и аскорбиновая кислота способствуют восстановлению метгемоглобина в гемоглобин.

Аномальные формы гемоглобина возникают в ре­зультате изменений в составе белковых субъединиц. Каждый вариант имеет собственные характеристики связывания с кислородом. Наиболее распространен­ные аномальные формы гемоглобина включают фе-тальный гемоглобин, гемоглобин A₂, гемоглобин при серповидно-клеточной анемии (гл. 29).

Содержание кислорода в крови

Общее содержание кислорода в крови равно сумме физически растворенного и связанного с гемоглоби­ ном кислорода. Связывание кислорода с гемогло­бином никогда не достигает теоретического макси­мума, поэтому считают, что 1 г гемоглобина может связать приблизительно 1,31 мл кислорода. Содер­жание кислорода в крови (С, от англ, content — со­держание) выражается следующим уравнением:

Содержание кислорода (в 100 мл крови) = = [(0,003 мл О₂/ЮО мл крови/мм рт. ст.) х PO₂] + + (SO₂X HbX 1,31 мл/1 OO мл крови),

где Hb — концентрация гемоглобина (г/100 мл крови), a SO₂ — насыщение гемоглобина кислоро­дом (S, от англ, saturation — насыщенеие) при дан­ном PO₂.

Рис. 22-23. Сдвиги кривой диссоциации оксигемоглобина при изменениях рН, температуры тела и концентрации 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) в эритроцитах

Используя эту формулу и величину Hb, равную 15 г/100 мл, можно рассчитать содержание O₂ в ар­териальной pi смешанной венозной крови, а также артериовенозную разницу по кислороду (при SaO₂ - 97,5 % и SvO₂ = 75 %):

CaO₂-(O₁OOSx 100)+ (0,975 х 15 х 1,31)=

= 19,5 мл О₂/100 мл крови;

CvO₂-(0,003 х 40)+ (0,75 х 15 х 1,31) =

- 14,8 мл О₂/100 мл крови;

(CaO₂ - CvO₂) - 4,7 мл О₂/1OO мл крови.

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 - CaO₂ х Q_t.

Заметим, что содержание кислорода в артериаль­ной крови зависит как от РлО₂, так и от концентра­ции гемоглобина. Следовательно, недостаточная доставка кислорода может быть результатом низкого РлО₂, низкой концентрации гемоглобина или низкого сердечного выброса. В норме расчет до­ставки кислорода выглядит так:

DO₂ = 20 мл О₂/1OO мл крови х 5000 мл /мин =

= 1000 мл О₂/мин.

Уравнение Фика выражает связь между потребле­нием O₂, артериовенозной разницей по кислороду и сердечным выбросом:

Потребление O₂ = VO₂ = Q_t x (CaO₂ - CvO₂). После преобразования получаем:

CaO₂ - CvO₂ = VO₂XQt-

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 O₂/!OO мл крови. Заметим, что при этом нормальный коэффициент экстракции O₂ [(CaO₂ - CvO₂)/CaO₂] составит 25 %, т. е. 5 мл/20 мл. Таким образом, в норме ор­ганизм потребляет только 25 % кислорода, пере­носимого гемоглобином. Когда потребность в O₂ превосходит возможность его доставки, то коэф­фициент экстракции становится выше 25 %. На-

оборот, если доставка O₂ превышает потребность, то коэффициент экстракции падает ниже 25 %.

Если доставка кислорода снижена умеренно, потребление кислорода не изменяется благодаря увеличению экстракции O₂ (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 лак-тат-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 мио-глобина 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, нахо­ дящаяся 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 X ФОЕ; 0,21 X 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

CO₂ 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 CO₂ в крови, которое стандартным образом измеряется при анализе электролитов.

Физически растворенный CO₂

CO₂ растворяется в крови лучше, чем кислород, ко­эффициент его растворимости 0,031 ммоль/л/ мм рт. ст. при 37 ⁰C (0,067 мл/100 мл/мм рт. ст.)

Бикарбонат

В водных растворах CO₂ медленно вступает в связь с водой, образуя бикарбонат:

H₂O+ CO₂-H⁺+HCO₃".

В плазме в эту реакцию вступает менее 1 % раст­воренного CO₂, тогда как в эритроцитах и в эндо-телиальных клетках имеется фермент карбо- ангидраза, который ее ускоряет. В результате бикарбонат представляет самую большую фрак­ цию CO₂ в крови (табл. 22-6). Ацетазоламид, будучи ингибитором карбоангидразы, может нарушать до­ставку CO₂ от тканей к альвеолам.

В венозных сегментах капилляров большого круга кровообращения CO₂ поступает в эритроци­ты, где трансфомируется в бикарбонат, который диффундирует из эритроцитов в плазму. Для под­держания электрического равновесия из плазмы в эритроциты перемещаются ионы Cl". В легоч­ных капиллярах происходит обратный процесс: ионы Cl" выходят из эритроцитов, а бикарбонат поступает в них для превращения в CO₂, который диффундирует в альвеолы. Перемещение ионов

Cl" носит название хлоридного сдвига, или сдви­ га Гамбургера.

Карбаминовые соединения

CO₂ может реагировать с аминогруппами белков согласно реакции:

R-NH₂ + CO₂ — RNH-CO₂" + H⁺.

При физиологических значениях рН только не­большое количество CO₂ переносится в этой фор­ме, главным образом, в комплексе с гемоглобином (карбаминогемоглобин). Сродство дезоксигениро- ванного гемоглобина (дезоксигемоглобина) к CO₂ в 3,5 раза выше, чем у оксигемоглобина. Увеличе­ние сродства крови к CO₂ при ее деоксигенации часто называют эффектом Холдейна (табл. 22-6). В норме PCO₂ существенно не влияет на фракцию CO₂, которая транспортируется в виде карбами-ногемоглобина.

Влияние гемоглобинового буфера на транспорт CO₂

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:

H⁺+HbO₂-> HbH⁺+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:

CO₂ + H₂O + HbO₂ — HbH⁺+ HCO₃"+ O₂.

ТАБЛИЦА 22-6. Транспорт СО ₂ (из расчета на 1 л цельной крови)

Форма	Плазма	Эритроциты	Плазма + эритроциты	Доля (%)
Цельная смешанная венозная кровь
Растворенный CO2	0,76	0,51	1,27	5,5
Бикарбонат	14,41	5,92	20,33	87,2
Карбаминовые соединения	Незначительное	1,70	1,70	7,3
Общее содержание CO2 (ммоль/л)	15,17	8,13	23,30
Цельная артериальная кровь
Растворенный CO2	0,66	0,44	1,10	5,1
Бикарбонат	13,42	5,88	19,30	89,8
Карбаминовые соединения	Незначительное	1,10	1,10	5,1
Общее содержание CO2 (ммоль/л)	14,08	7,42	21,50

Если не указано иное, значения везде выражены в ммоль. (С разрешения. Из: Nunn J. R Applied Respiratory Physiology, 4th ed. Butterworths, 1993.)

В результате дезоксигемоглобин увеличивает ко­личество CO₂, переносимого венозной кровью в форме бикарбоната. По мере того как CO₂ посту­пает из тканей и превращается в бикарбонат, об­щее содержание CO₂ 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 CO₂:

O₂ + HCO₃" + HbH⁺-CO₂ + H₂O + HbO₂.

Концентрация бикарбоната снижается по мере того, как образуется и элиминируется CO₂, так что в легких падает общее содержание CO₂ в крови. Отметим, что имеется разница в содержании CO₂ в цельной крови (табл. 22-6) и плазме (табл. 22-7).

Кривая диссоциации CO₂

Кривую диссоциации CO₂ можно построить в виде графического отображения зависимости общего содержания CO₂ от PCO₂. Аналогично можно ко­личественно отобразить долю каждой из форм CO₂ (рис. 22-24).

Запасы CO₂

Запасы углекислого газа в организме велики (при­близительно 120 л у взрослого человека) и пред­ставлены главным образом в виде растворенного CO₂ и бикарбоната. Когда равновесие между выра­боткой и элиминаций углекислого газа нарушает­ся, то в течение 20-30 мин устанавливается новое равновесие (для кислорода такое уравновешива­ние происходит не позднее 4-5 мин). По скорости уравновешивания запасы CO₂ подразделяют на быстрые, средние и медленные. Емкости сред­них и медленных запасов больше, а это значит, что при резких изменениях вентиляции скорость уве­личения PaCO₂ меньше, чем скорость снижения.

Регуляция дыхания

Автоматизм самостоятельного дыхания является результатом ритмической активности дыхатель-

ных центров в стволе головного мозга. Дыхатель­ные центры управляют дыхательными мышцами, что позволяет поддерживать нормальное напряже­ние O₂ и CO₂ в организме. Базальная активность нервных центров модулируется сигналами из дру­гих областей головного мозга, произвольными и непроизвольными, а также центральными и пе­риферическими рецепторами.

!. 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 (пневмотаксичес-кий) — угнетающий. Дыхательные центры вароли- ева моста осуществляют тонкую регуляцию частоты и ритма дыхания.

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ

Наиболее важные из центральных рецепторов — хеморецепторы, которые реагируют на изменения концентрации ионов водорода. Считается, что цен­ тральные хеморецепторы располагаются на перед- небоковой поверхности продолговатого мозга и вос­принимают изменения концентрации ионов водорода ([H⁺]) в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ). Этот механизм эффективно регулирует PaCO₂, потому что физически растворенный CO₂, в отличие от ионов бикарбоната, проникает через гематоэнцефа-

ТАБЛИЦА 22-7. Содержание CO₂ в плазме (ммоль / л)

	Артериальная кровь	Венозная кровь
Растворенный CO2 Бикарбонат Карбаминовые соединения Общее содержание CO2	1,2 24,4 Незначительное 25,6	1,4 26,2 Незначительное 27,6

С разрешения. Из: Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 4 th ed. Butterworths, 1993.

лический барьер (гл. 25). Следовательно, на концент­рацию ионов водорода в ЦСЖ влияют резкие изме­нения PaCO₂, но не концентрация ионов бикарбона­та ([HCO₃^-]) в артериальной крови:

CO₂ + H₂O- H⁺ +HCO₃".

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

Увеличение PaCO₂ приводит к росту концент­рации ионов водорода в ЦСЖ, что активирует хе-морецепторы. Опосредованная хеморецепторами стимуляция расположенных рядом медуллярных дыхательных центров увеличивает альвеолярную вентиляцию (рис. 22-25) и возвращает PaCO₂ к норме. Наоборот, снижение концентрации ионов водорода в ЦСЖ, обусловленное падением

PaCO₂, вызывает уменьшение альвеолярной вен­тиляции и компенсаторное возрастание PaCO₂. Зависимость между минутной вентиляцией и PaCO₂ практически линейна. Очень высокие уровни PaCO₂ приводят к депрессии дыхательно­го ответа (так называемому углекислотному нар­козу). Величина PaCO₂, при которой вентиляция становится равной нулю, называется порогом ап­ ноэ. Если во время анестезии PaCO₂ 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.

Рис. 22-24. Кривая диссоциации CO₂ для цельной крови. (С разрешения. Из: Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 3rd ed. Butterworths, 1987.)

Рис. 22-25. Зависимость альвеолярной вентиляции от PaCO₂. (С разрешения. Из: Guyton A. С. Textbook of Medical Physiology, 7th ed. Saunders, 1986.)