ром, обеспечивающим диссоциацию оксигемоглобина, является большой градиент Р02 : в пришедшей артериальной крови Р02 составляет около 95 мм рт. ст., в межклеточной жидкости Р02 уменьшается примерно до 40 мм рт. ст., а в клетках тканей падает до 10—15 мм рт. ст. и меньше, в работающих мышцах приближается к 0 (когда Р02 в клетке становится равным 0,1 мм рт. ст., клетка погибает). Резкое падение Р02 в тканях связано с интенсивным потреблением его клетками для окислительных процессов. Диссоциация оксигемоглобина в тканях приводит к уменьшению содержания оксигемоглобина с 96 до 75 % и снижению Р02 до 40 мм рт. ст.
Каждые 100 мл артериальной крови, содержащие 18—20 мл 02 , отдают тканям в среднем около 4,5 мл 02 , т.е. 20—30 %. Эта часть 02 , поглощаемая тканями, называется коэффициентом утилизации кислорода. В миокарде, сером веществе мозга и печени коэффициент утилизации достигает 50—60 %.
Кроме главного фактора — градиента Р02 , имеется и ряд других факторов, влияющих на диссоциацию оксигемоглобина в тканях. К ним относятся РС02 в тканях, рН среды, темпера-
375
тура. Чем активнее работает орган, тем интенсивнее в нем протекают метаболические процессы, тем быстрее потребляется 02 и падает его напряжение в тканях, быстрее накапливается С02 , закисляется среда и повышается температура ткани — все это ускоряет диссоциацию оксигемоглобина. Все перечисленные факторы ведут к конформационным изменениям белковой части молекулы гемоглобина, в результате чего гемоглобин отдает 02 . Влияние РС02 на связь гемоглобина с 02 открыл отечественный ученый Б.Ф. Вериго в 1898 г. (эффект Вериго). Влияние рН на диссоциацию оксигемоглобина открыл датский физиолог Ч. Бор в 1904 г. (эффект Бора).
Диссоциации оксигемоглобина также способствует 2,3-ди- фосфоглицерат — промежуточный продукт, образующийся в эритроцитах при расщеплении глюкозы, особенно при гипоксии. Диссоциацию оксигемоглобина ускоряет АТФ.
При повышении РС02 и температуры, при снижении рН в тканях сродство гемоглобина к 02 понижается, процесс идет в сторону диссоциации оксигемоглобина, при этом график образования — диссоциации оксигемоглобина смещается вправо (см. рис. 9.4).
При снижении РС02 , понижении температуры и сдвиге рН в щелочную сторону сродство гемоглобина к 02 повышается, процесс идет в сторону образования оксигемоглобина, график образования — диссоциации оксигемоглобина смещается влево.
Транспорт углекислого газа. В артериальной крови содержится С02 50—52 об.%, а в венозной —55—58 об.%. В растворенном состоянии транспортируется всего 2,5—3 об.% С02 , в соединении с гемоглобином (карбгемоглобин) — 4—5 об.%, большая часть в виде солей угольной кислоты — 48—51 об.%. На рис. 9.5 представлены механизмы транспорта газов, в том числе С02 , кровью.
С02 образуется в клетках тканей в результате окислительных процессов. Его напряжение в тканях достигает порядка 60 мм рт. ст., в межклеточной жидкости — 46 мм рт. ст., а в поступающей к тканям артериальной крови — 40 мм рт. ст., поэтому С02 по градиенту напряжения из клеток поступает в межклеточную жидкость и через стенку капилляров в плазму крови, а затем в эритроциты.
С02 связывается с гемоглобином эритроцитов и образует карбгемоглобин (ННЬС02) путем непосредственного присоединения к аминогруппам белкового компонента гемоглобина. При этом образуется так называемая карбаминовая связь:
ННЬ + С02 = ННЬС02 (Hb-NH-COOH-карбгемоглобин, точнее карбаминогемоглобин).
Карбгемоглобин легко образуется при прохождении крови по капиллярам тканей и легко диссоциирует, когда кровь проходит по капиллярам легких.
376
Небольшое количество С0 |
2 (1—2 %) переносится белками |
|
плазмы крови также в виде карбаминовых соединений. |
||
Соединяясь с водой, С0 |
2 |
образует слабую угольную кис- |
лоту (Н2 0 + С0 2 = Н2 С03 ). |
В |
плазме эта реакция идет мед- |
ленно, а в эритроцитах под влиянием фермента карбоангидра- зы она ускоряется в 15 ООО раз. Угольная кислота сразу же диссоциирует на ионы Н+ и НСОз • Значительная часть ионов НСО3 выходит обратно в плазму.
377
Гемоглобин и белки плазмы, являясь слабыми кислотами, образуют соли с щелочными металлами: в плазме с натрием, в эритроцитах с калием. Эти соли находятся в диссоциированном состоянии. Так как угольная кислота обладает более сильными кислотными свойствами, чем белки крови, то при ее взаимодействии с солями белков белок-анион связывается с катионом Н+, образуя при этом недиссоциированную молекулу, а ион HCOJ образует с соответствующим катионом бикарбонат — в плазме бикарбонат натрия, а в эритроцитах бикарбонат калия. Эритроциты называют фабрикой бикарбонатов.
Оксигемоглобин, соединенный с ионом калия (КНЬ02), в тканях легко отдает 02 ; при этом он теряет ионы калия, которые связываются с бикарбонат-ионами, образуя бикарбонат калия. Гемоглобин принимает от угольной кислоты ионы водорода, превращаясь в гемоглобиновую кислоту (ННЬ):
КНЬ02 + Н2 С03 = ННЬ + КНСОз + о2 .
Основная масса HCOj , образующихся в эритроцитах, выходит в плазму, соединяется там с ионами натрия, образуя NaHC03 . Выход HCOJ из эритроцитов компенсируется поступлением туда ионов хлора, диффундирующих из плазмы. Ион НСО3 из эритроцита выходит по концентрационному градиенту, а ион хлора входит в эритроцит по электрическому градиенту. Ионы хлора соединяются с освобождающимися при диссоциации КНС03 ионами калия, образуя КС1.
В легких в первую очередь начинается выход в альвеолы из плазмы крови физически растворенного С02 по градиенту парциального давления: РС02 в венозной крови 46 мм рт. ст., а в альвеолах — 40 мм рт. ст.
Весь С02 , связанный с гемоглобином, также покидает организм с выдыхаемым воздухом в результате газообмена в легких. Из других химических соединений С02 освобождается в легких лишь частично. Бикарбонат натрия диссоциирует в плазме крови на НСО , и Na+. Бикарбонат-ион поступает в эритроцит и соединяется с ионом Н+, образуя Н2 СОь которая в свою очередь распадается на С02 и Н2 0. С02 удаляется легкими, а вода — почками. КС1 в эритроцитах диссоциирует, и ион СГ поступает в плазму, где соединяется с Na+, образуя NaCl.
9.4. Регуляция дыхания
Реализация различных видов приспособительной деятельности осуществляется с обязательным участием процессов дыхания. Регуляторные механизмы обеспечивают изменения внешнего дыхания в соответствии с метаболическими потребностями организма. Изменения дыхания происходят при
378
осуществлении рефлекторных актов глотания, кашля, чиханья. Выраженные перестройки дыхания создают возможность осуществления человеком коммуникативной функции — формирования речи, пения.
Координированные сокращения дыхательных мышц обеспечиваются ритмической активностью нейронов дыхательного центра. К дыхательным нейронам относят нервные клетки, импульсная активность которых меняется в соответствии с фазами дыхательного цикла (рис. 9.6). Различают инспираторные нейроны (разряжаются в фазу вдоха), экспираторные (активны во время выдоха) и целый ряд нейронных популяций, активность которых занимает часть определенной фазы дыхательного цикла (ранние, поздние) или включается в моменты перехода инснираторной фазы в экспираторную либо экспираторной в инспираторную.
В 1885 г. А.Н. Миславский установил, что отделение продолговатого мозга от спинного или разрушение медиальной части продолговатого мозга приводит к полной остановке дыхания. Следовательно, именно в продолговатом мозге находится основной центр, ответственный за процессы вдоха и выдоха. Дыхательные нейроны обнаружены практически на всем протяжении продолговатого мозга, однако имеются отдельные участки их скопления. Обнаружены дорсальная и вентральная дыхательные группы нейронов (или ядра). Дорсальная группа на 90 % состоит из инспираторных нейронов, поэтому условно эту группу называют центром вдоха. Аксоны инспираторных нейронов образуют синапсы с мотонейронами спинного мозга, а аксоны мотонейронов в свою очередь составляют диафрагмальный, наружные межреберные и межхрящевые нервы, иннервирующие соответствую-
379