Транспорт кислорода (физиология, патофизиология, функции и дисфункции системы крови)
Вступление:
Кислород необходим для выработки АТФ путем окислительного фосфорилирования и поэтому должен надежно доставляться ко всем метаболически активным клеткам организма.В условиях гипоксии может быстро произойти необратимое повреждение тканей. Гипоксия может быть результатом нарушения кислородоносности крови (например, анемия), нарушения разгрузки кислорода из гемоглобина в тканях-мишенях (например, токсичность угарного газа) или ограничения кровоснабжения. Кровь обычно насыщается кислородом после прохождения через легкие, которые имеют обширную площадь поверхности и тонкий эпителиальный слой, что обеспечивает быструю диффузию газов между кровью и окружающей средой. Насыщенная кислородом кровь возвращается в сердце и распределяется по всему телу через систему кровообращения.
Физиология транспорта кислорода
Подавляющее большинство кислорода, транспортируемого в кровь, связано с гемоглобином в красных кровяных клетках, в то время как небольшое количество переносится в кровь в виде прямого растворенного вещества. Разгрузка кислорода в тканях-мишенях регулируется рядом факторов, включая градиент концентрации кислорода, температуру, рН и концентрацию соединения 2,3-бисфосфоглицерата. Наиболее важными признаками эффективного транспорта кислорода являются концентрация гемоглобина и уровень насыщения кислородом, часто измеряемый клинически с помощью пульсоксиметрии. Нарушения способности переносить кислород или доставки кислорода должны быть быстро исправлены, чтобы предотвратить необратимое повреждение тканей.
Задействованные системы органов, обеспечивающие функцию транспорта кислорода:
Легкие - это органы дыхания, ответственные за обмен газами между кровотоком и атмосферой. Кровь, поступающая в легкие, обычно имеет PO2 40 мм рт.ст. При прохождении через альвеолярные и легочные капилляры кислород и углекислый газ уравновешиваются через гематоэнцефалический барьер, что приводит к удалению углекислого газа из крови и поглощению кислорода. Можно ожидать, что кровь, выходящая из легких, будет содержать PO2 примерно в 100 мг ртутного столба. Насыщенная кислородом кровь будет доставляться через сердечно-сосудистую систему к периферическим тканям, где кислород будет диффундировать по градиенту его концентрации и доставляться в клетки. Здесь он будет действовать как конечный акцептор электронов в процессе генерации аденозинтрифосфата (АТФ) путем окислительного фосфорилирования.
Многие органы обладают компенсаторными механизмами гипоксии, но наиболее значимым для обсуждения транспорта кислорода механизмом является выработка гормона эритропоэтина (ЭПО) перитубулярными фибробластами в коре почек. Эритропоэтин действует, чтобы стимулировать пролиферацию и дифференцировку эритроцитов в красном костном мозге-процесс, известный как эритропоэз. Эритропоэз приводит к увеличению количества эритроцитов (в просторечии называемых эритроцитами), что приводит к увеличению общего гемоглобина и, в конечном счете, к увеличению кислородоносной способности крови.
Механизм транспорта кислорода:
Гемоглобин (Hgb или Hb) является основным носителем кислорода в организме человека. Примерно 98% всего кислорода, транспортируемого в кровь, связывается с гемоглобином, в то время как только 2% растворяется непосредственно в плазме. Гемоглобин-это металлопротеин с четырьмя субъединицами, каждая из которых состоит из железосодержащей гем-группы, присоединенной к глобиновой полипептидной цепи. Одна молекула кислорода может связываться с атомом железа гем-группы, давая каждому гемоглобину возможность транспортировать четыре молекулы кислорода. Различные дефекты в синтезе или структуре эритроцитов, гемоглобина или глобиновой полипептидной цепи могут ухудшать способность крови переносить кислород, приводя к гипоксии.
Регуляция разгрузки кислорода в тканях-мишенях происходит в основном за счет концентрации 2,3-бисфосфоглицерата (2,3-БПГ) в эритроцитах. 2,3-БПГ предпочтительно связывается с дезоксигенированной формой гемоглобина и стабилизирует ее, что приводит к снижению сродства гемоглобина к кислороду и последующему увеличению доступности свободного кислорода для потребления метаболически активными тканями. Эта физиология позволяет организму поддерживать адекватную оксигенацию тканей в условиях пониженной PO2 или повышенной потребности в кислороде. Эти изменения часто выражаются в виде сдвигов кривой диссоциации кислорода, которая представляет собой процентное содержание гемоглобина, насыщенного кислородом при различных уровнях PO2. Факторы, способствующие правому сдвигу кривой диссоциации кислорода и способствующие разгрузке кислорода, коррелируют с нагрузкой. К ним относятся повышенная температура тела, снижение рН (из-за увеличения производства CO2) и увеличение 2,3-BPG.
Тестирование процесоов транспорта кислорода в крови:
Наиболее важным клиническим тестом при оценке эффективности транспорта кислорода является концентрация гемоглобина ; это связано с тем, что подавляющее большинство кислорода в крови связывается с гемоглобином, в то время как минимальное количество растворяется в плазме воды. Закон Генри диктует, что количество растворенного кислорода в воде плазмы равно PO2, умноженному на константу растворимости кислорода в крови, которая определяется как 0,003 мл / мм рт.ст. O2 / дл крови. Кроме того, эмпирически установлено, что кислородная пропускная способность гемоглобина составляет 1,34 мл O2 / г Hbg. Таким образом, когда известны концентрация гемоглобина, насыщение гемоглобина (SaO2) и PO2, мы можем рассчитать общую концентрацию кислорода в крови, используя следующее уравнение:
CaO2 = 1,34 * [Hgb] * (SaO2 / 100) + 0,003 * PaO2.
Насыщение гемоглобина может быть определено в клинических условиях с помощью пульсоксиметрии, которая измеряет различия в поглощении света на определенных длинах волн. Заметным ограничением этого метода является то, что оксигенированный гемоглобин неотличим от гемоглобина, связанного с окисью углерода. Таким образом, человек, подвергшийся воздействию высоких уровней окиси углерода, может иметь нормальное насыщение кислородом, о чем свидетельствует пульсоксиметрия, несмотря на более низкие уровни кислорода, связанного с гемоглобином.
Патофизиология траспортировки кислорода:
Стойкое снижение способности транспорта кислорода чаще всего является результатом анемии. Определение анемии - это снижение общего количества гемоглобина в крови (обычно менее 13,5 г / дл у мужчин и 12,5 г / дл у женщин), что приводит к снижению несущей способности к кислороду. Анемия может быть вызвана нарушениями, приводящими к нарушению выработки гемоглобина (например, дефицит железа, В12 или фолиевой кислоты), или ускоренным разрушением гемоглобина, часто являющимся результатом дефекта структуры гемоглобина.
Талассемии - это важный класс наследственных заболеваний, приводящих к нарушению выработки гемоглобина. Человек с талассемией имеет мутацию, которая ухудшает выработку глобиновой полипептидной цепи гемоглобина. Талассемии классифицируются в зависимости от количества генов, мутировавших или отсутствовавших, а также от того, кодируют ли они Альфа-глобиновую цепь или бета-глобиновую цепь. Хотя проявления и тяжесть талассемии существенно различаются, все они приводят к количественному дефекту продукции гемоглобина.
Серповидноклеточная анемия относится к числу наиболее заметных нарушений структуры гемоглобина. В то время как количество производимого гемоглобина может быть нормальным, однократная аминокислотная замена валина на глутаминовую кислоту приводит к структурному дефекту, который способствует полимеризации дезоксигенированного гемоглобина. Когда дезоксигемоглобин полимеризуется, он образует волокна, которые изменяют форму эритроцитов в процессе, известном как серповидность. В конечном счете, повторный стресс, вызванный серпом, повредит мембраны циркулирующих эритроцитов, что приведет к преждевременной гибели клеток. В то время как серповидноклеточная анемия может оставаться бессимптомной в течение значительного времени, тяжелая гипоксия может ускорить развитие серповидного криза, приводя к симптомам генерализованной боли, усталости, головной боли и желтухи.
Другие дефекты в транспортировке кислорода могут быть результатом действия токсинов окружающей среды, например, отравление угарным газом, также известное как карбоксигемоглобинемия. Сродство окиси углерода к гемоглобину в 210 раз больше, чем к кислороду. Связывание монооксида углерода с гемоглобином приводит к резкому левому сдвигу кривой диссоциации кислород-гемоглобин, что ухудшает разгрузочную способность молекул кислорода, связанных с другими субъединицами гема. Важно отметить, что в условиях карбоксигемоглобинемии патологию вызывает не снижение кислородсодержащей способности, а нарушение доставки связанного кислорода к тканям-мишеням.
Литература по физиологии транспорта кислорода
- Chaudhry R, Varacallo M. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Apr 21, 2019. Biochemistry, Glycolysis.
- Naifeh J, Varacallo M. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Dec 20, 2018. Biochemistry, Aerobic Glycolysis
- Amador C, Varacallo M. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Jan 20, 2019. Anatomy, Thorax, Bronchial.
- Sharma S, Hashmi MF, Rawat D. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Sep 13, 2019. Partial Pressure Of Oxygen (PO2). Функция транспорта кислорода
- Jelkmann W. Regulation of erythropoietin production. J. Physiol. (Lond.). 2011 Mar 15;589(Pt 6):1251-8.
- Kaufman DP, Dhamoon AS. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Apr 25, 2019. Physiology, Oxyhemoglobin Dissociation Curve.
- Marengo-Rowe AJ. Structure-function relations of human hemoglobins. Физиология транспорта кислорода. Proc (Bayl Univ Med Cent). 2006 Jul;19(3):239-45.
- Rizvi A, Macedo P, Babawale L, Tighe HC, Hughes JMB, Jackson JE, Shovlin CL. Hemoglobin Is a Vital Determinant of Arterial Oxygen Content in Hypoxemic Patients with Pulmonary Arteriovenous Malformations. Ann Am Thorac Soc. 2017 Jun;14(6):903-911.
- Torp KD, Simon LV. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Apr 28, 2019. Pulse Oximetry. Функции транспорта кислорода в крови.
- Forget BG, Bunn HF. Classification of the disorders of hemoglobin. Cold Spring Harb Perspect Med. 2013 Feb 01;3(2):a011684.
^Наверх