Физические основы газообмена.

Дыхательные газы находятся в крови в двух состояниях:

1. Физического растворения – О₂ = 0,3 об%, СО₂ = 2,5 об%.

2. Химической связи.

Поэтому для анализа газообмена необходимо рассмотреть физические основы каждого процесса. Растворение газа в жидкости зависит от:

a) способности газа растворяться в жидкости, которая характеризуется α – коэффициентом удельной растворимости. α – это тот объём газа, который может раствориться в 1 мл жидкости при температуре 0 ⁰С и Р_атм=760 мм рт. ст.

b) физико-химических параметров жидкости (объём, концентрация, вязкость, напряжения газа, уже растворенного в жидкости).

Общее количество растворенного газа в жидкости вычисляется по формуле:

,

где q – общее количество газа, растворенного в жидкости, α − коэффициент удельной растворимости, V_жидк − объем жидкости, Р_газа – парциальное давление газа, Р_жидк – парциальное давление газа в жидкости

Таким образом, успех газообмена зависит от Р_газа над жидкостью. Мы рассматриваем газообмен между альвеолярным воздухом и кровью малого круга кровообращения, но в альвеолярном воздухе газы образуют смесь, и тогда растворение газов в крови зависит прямо пропорционально от парциального давления газа в смеси

, где а = С газа в смеси

А с учетом давления водяных паров в альвеолярном воздухе (47 мм рт. ст.), общее давление газов в атмосферном воздухе является частью Р_атм

мм рт. ст.,

тогда

Согласно процентного состава альвеолярного воздуха, можно рассчитать парциальное давление газов, входящих в его состав (в мм рт. ст.).

Газы	(а), %	Альвеолярный воздух, мм рт. ст.	Венозная кровь, мм рт. ст.	Артериальная кровь, мм рт. ст.	Ткани, мм рт. ст.
О2		102		100
СО2	5,5	40		40	46-60

Диффузный газообмен в лёгких происходит лишь в условиях разности парциального давления газа над жидкостью и напряжением его в жидкости, которое также выражается в мм рт. ст. (измеряется с помощью микротонометра Крога). При прохождении каждого эритроцита через легочные капилляры время, в течение которого возможна диффузия (время контакта) составляет всего 0,3 с. Однако этого времени достаточно, чтобы установилось динамическое газовое равновесие, т. е. напряжение О₂ в артериальной крови (100 мм рт. ст.) становится равным парциальному давлению О₂ в альвеолярном воздухе, что характерно и для СО₂.

Таким образом, ведущим фактором газообмена в лёгких является разность напряжения газа в венозной крови и парциального давления этого газа в альвеолярном воздухе. За время контакта этих двух сред происходит полная оксигенация венозной крови малого круга кровообращения и превращение её в артериальную. При этом СО₂ выходит из венозной крови в альвеолярный воздух и его напряжение в артериальной крови становится равным его напряжению в альвеолярном воздухе (40 мм рт. ст.). В большом круге кровообращения артериальная кровь, богатая О₂ (100 мм рт. ст.) соприкасается с тканями, отдает О₂ и забирает СО₂, превращаясь в венозную. Напряжение О₂ в тканях практически всегда равна 0 мм рт. ст, т.к. клеточное дыхание с использование О₂ в цитохромоксидазных системах происходит постоянно.

Диффузионная способность лёгких.

Вторым фактором, обеспечивающим газообмен в лёгких, является диффузионная способность лёгких – то количество газа (в мл), которое проходит через легочную мембрану при изменении градиента давления этого газа на 1 мм рт. ст. Для кислорода эта величина равна 25 мл О₂ на 1 мм рт. ст, для СО₂ – в 24 раза больше – 600 мл СО₂ на 1 мм рт. ст.

Таким образом, проницаемость легочной мембраны для газов определяет нормальный газообмен на уровне лёгких.

2. Транспорт газов кровью.

Дыхательные газы находятся в крови а двух состояниях: 1) физического растворения и 2) химической связи.

Кислород, поступивший в кровь, растворяется в ней и его содержание составляет 0,3 об% (в 100 мл крови растворено 0,3 мл О₂). Углекислый газ растворяется гораздо лучше и его концентрация в крови составляет 2,5 об%. И.М. Сеченов, впервые используя ртутный насос, выделил гораздо большее количество газов, таким образом, косвенно доказав, что О₂ и СО₂ находятся в крови ещё и в составе химической связи.

Большая часть О₂ (19 об%) транспортируется за счет его обратимого присоединения к молекуле гемоглобина. При этом образуется оксигемоглобин HbO₂ и его калийная соль КHbO₂. Способность крови транспортировать О₂ в составе HbO₂ характеризуется кислородной ёмкостью крови (КЁК). КЁК – это то количество О₂, которое связывается 100 мл крови при условии её полного насыщения.

1 г Hb присоединяет 1,34 мл О₂

в 100 мл крови содержится в среднем 14 г Hb

КЁК = 14 г × 1,34 = 19 мл О₂ в 100 мл крови (19 об%).

В норме КЁК артериальной крови составляет 19 об%, венозной – 12 об%.

В артериальной крови происходит реакция образования оксигемоглобина

Hb + О₂ → HbO₂

В венозной крови эта реакция имеет обратную направленность (диссоциация)

HbO₂ → Hb + О₂

Направленность процесса зависит от ряда факторов:

1) от напряжения О₂ (Ро₂) – это основной фактор, о чём свидетельствует кривая диссоциации HbO₂,

2) от напряжения СО₂ (Рсо₂),

3) от температуры,

4) от рН среды.

Кривая диссоциации оксигемоглобина крови человека впервые опубликована Barcroft в 1882 г. Она представляет собой графическую зависимость между Ро₂ в среде, в которой происходит насыщение крови О₂ и степенью насыщения крови О₂ (% оксигемоглобина).

В артериальной крови в норме % оксигемоглобина колеблется от 42 до 48 % (оксигенация крови). При увеличении Ро₂ в альвеолярном воздухе скорость образования HbO₂ возрастает и кривая приобретает вид горизонтальной прямой (область Ро₂ = 80-100 мм рт. ст.). При снижении Р_парц до 40-50 мм рт. ст. реакция идет в сторону диссоциации, т.е. распада HbO₂ до HbН и О₂, что имеет место в тканях. Повышение напряжения СО₂ до 80 мм рт. ст. резко снижает кислород-транспортную способность Hb, а при снижении до 5 мм рт. ст. скорость реакции оксигенации резко возрастает. В области же Рсо₂ = 40 мм рт. ст., т.е. альвеолярного воздуха, кривая диссоциации Hb соответствует норме.

При повышении температуры и концентрации ионов Н⁺ (т.е. снижении рН), т.е. – процессы, которые происходят в тканях, реакция сдвигается в сторону диссоциации оксигемоглобина: HbO₂ → Hb + О₂↑, с освобождением кислорода в тканях.

Выводы.

1. В лёгких Ро₂ высокое, а Рсо₂ низкое, температура понижена, рН среды – щелочная, поэтому реакция идёт в сторону образования HbO₂:

Hb + О₂ → HbO₂

2. В тканях Ро₂ снижается, Рсо₂ нарастает, температура повышается, рН среды – более кислая, поэтому реакция идёт в сторону диссоциации оксигемоглобина

HbO₂ → Hb + О₂

Транспорт СО₂ кровью.

Углекислый газ транспортируется кровью в следующих формах:

1) физического растворения (2,5 об%);

2) химической связи: NaHCO₃ – плазмой,

KHCO₃ и HHbCO₃ – эритроцитами.