Таким образом, степень оксигенации крови может быть охарактеризована двумя показателями: напряжением кислорода (РаO2) и насыщением крови кислородом (SO2 или НВО2).
Снижение этих показателей в артериальной крови (венозная кровь для исследования газового состава непригодна) называется артериальной гипоксемией. Умеренная гипоксемия характеризуется прежде всего снижением РаO2, величина SO2 (НВO2) более устойчива.
5.2. Двуокись углерода (углекислый газ)
Двуокись углерода – это конечный продукт обменно-окислительных процессов в клетках и тканях организма – переносится кровью к легким и удаляется через них во внешнюю среду (99,5 % СО2 покидает организм через легкие и только незначительная часть выделяется почками).
Двуокись углерода может переноситься как в физически растворенном виде, так и в составе обратимых химических соединений. Химические реакции связывания СО2 сложнее и многообразнее, чем реакции присоединения кислорода. Это обусловлено тем, что механизмы, отвечающие за перенос углекислого газа, должны обеспечивать и постоянство кислотноосновного состояния крови.
Двуокись углерода находится в крови в следующих формах:
• в связи с аминогруппами гемоглобина – 15 %;
• в виде угольной кислоты (Н2СО3) – незначительное количество;
• в растворенном виде в плазме – 5 %;
• в растворенном виде в плазме – 5 %;
• в виде бикарбонат-ионов (НСО3), обеспечивающих постоянство активной реакции крови (рН), – более 80 %.
В нормальных условиях в артериальной крови напряжение СО2 (РаСО2) – 40 мм рт. ст. (с колебаниями от 35 до 45 мм рт. ст.). Повышение РаСО2 называется артериальной гиперкапнией, а снижение – артериальной гипокапнией.
Нарушения газового состава крови выявляются при большинстве заболеваний легких. По показателям газового состава артериальной крови можно судить о функции легких в целом.
Идеальным объектом изучения газового состава крови является артериальная кровь, которая получена пункцией локтевой или бедренной артерии. Газовый состав венозной крови не может быть использован как показатель функции аппарата внешнего дыхания, так как содержание в ней О2 и СО2 зависит еще и от уровня обмена веществ и скорости кровотока в тканях.
Забор крови и ее доставка к аппарату должны осуществляться без доступа воздуха (в шприце, закрытом капилляре, сосуде под вазелиновым маслом). Шприц и иглу для пункции необходимо промыть гепарином.
Необходимость получения крови из артерии исключает возможность повторных исследований на протяжении короткого периода времени, поэтому широкое распространение получило исследование малых порций капиллярной крови, полученных из кончика пальца или мочки уха.
Еще Холденом было показано, что если держать руку человека в течение 20 мин в водяной бане с температурой воды 38 °C, то в этих условиях газовый состав крови из подкожной вены руки станет идентичным газовому составу артериальной крови. Еще более близок к артериальной газовый состав капиллярной крови.
Используемая в настоящее время измерительная аппаратура предусматривает исследование минимальных порций крови (0,1 мл), которые можно получить из кончика разогретого пальца или мочки уха, предварительно добившись того, чтобы кровоток в ней был максимален (растирание).
Для определения газового состава крови могут быть использованы различные методы.
В настоящее время наиболее широко распространенным и доступным способом изучения оксигенации крови являются оксиметрические методы. Они основаны на различии оптических свойств (спектров поглощения) гемоглобина и оксигемоглобина.
Алый цвет артериальной крови обусловлен тем, что оксигемоглобин достаточно интенсивно поглощает коротковолновые лучи, соответствующие синей части спектра, но пропускает большую часть длинноволновых («красных») лучей. Дезоксигемоглобин более интенсивно поглощает длинноволновые лучи и менее интенсивно – коротковолновые. В связи с этим венозная кровь выглядит темнее и имеет красный цвет с синеватым оттенком.
Чтобы определить насыщение крови кислородом (SO2 или НЬO2), используют спектрофотометры – приборы, в которых свет при помощи призмы или дифракционной решетки разлагается в спектр. Затем из спектра выделяется узкая полоса лучей с определенной длиной волны (монохроматический свет) и пропускается через исследуемый раствор (порцию крови).
Поглощение света зависит от оптических свойств крови. Для определения соотношения между интенсивностью падающего и прошедшего через раствор света используется фотоэлемент.
Напряжение кислорода и углекислого газа крови можно измерить с помощью специальных электродов.
Для определения напряжения кислорода применяется полярографический метод. Он предусматривает использование двух электродов: измеряющего, изготовленного из благородных (не окисляющихся) металлов (платины или золота), и референтного. Электроды отделены от крови мембраной, проницаемой для газов, и включены в замкнутую цепь, где создается небольшое напряжение. Молекулы кислорода, диффундирующие через мембрану, восстанавливаются на поверхности измеряющего электрода.
В результате возникает электрический ток, величина которого пропорциональна напряжению О2 в крови.
Электрод для определения напряжения углекислого газа представляет собой рН-метр, в котором измеряющий и референтный электроды окружены раствором бикарбонатного буфера и отделены от крови тонкой мембраной, проницаемой для газов и непроницаемой для ионов НСО3-.
Углекислый газ диффундирует из крови через мембрану, вследствие чего меняется рН бикарбонатного буфера. Чем выше напряжение углекислого газа крови, тем большее количество молекул СО2 проникает через мембрану. Изменения рН электролитного раствора регистрируются амперметром.
6. Кислотно-основное состояние крови
Активная реакция крови – это очень важная гомеостатическая константа организма, которая обеспечивает течение окислительновосстановительных процессов и деятельность ферментов, интенсивность, а также направление всех видов обмена.
Кислотность или щелочность раствора зависит от содержания в нем свободных ионов водорода [H+]. Количественно активная реакция крови характеризуется водородным показателем – рН (power hydrogen – «сила водорода»).
Водородный показатель – отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов, то есть рН = – lg [H+].
Символ рН и шкалу рН (от 0 до 14) ввел в 1908 г. Серенсен. Если рН равно 7,0 (нейтральная реакция среды), то содержание ионов Н+ равно 107 моль/л. Кислая реакция раствора имеет рН от 0 до 7; щелочная – от 7 до 14. Кислота рассматривается как донор ионов водорода, основание – как их акцептор, то есть вещество, которое может связывать ионы водорода.
Постоянство кислотно-основного состояния (КОС) поддерживается с помощью как физикохимических (буферных систем), так и физиологических механизмамов компенсации (легкие, почки, печень, другие органы).
Буферными системами называют растворы, обладающие свойствами достаточно стойко сохранять постоянство концентрации водородных ионов как при добавлении кислот или щелочей, так и при разведении.
Буферная система – это смесь слабой кислоты с солью данной кислоты, образованной сильным основанием.
Примером может служить сопряженная кислотно-основная пара карбонатной буферной системы: Н2СО3 и №НСO3.
В крови существует несколько буферных систем:
1) бикарбонатная (смесь Н2СО3 и НСО3-);
2) система «гемоглобин – оксигемоглобин» (оксигемоглобин имеет свойства слабой кислоты, а дезоксигемоглобин – слабого основания);
3) белковая (то есть обусловленная способностью белков ионизироваться);
4) фосфатная система («дифосфат – монофосфат»).
Самой мощной является бикарбонатная буферная система – она включает 53 % всей буферной емкости крови, а остальные системы составляют соответственно 35, 7 и 5 %.
Особое значение гемоглобинового буфера заключается в том, что кислотность гемоглобина зависит от его оксигенации, то есть газообмен кислорода потенцирует буферный эффект системы.
Очень высокую буферную емкость плазмы крови можно проиллюстрировать на следующем примере. Если 1 мл децинормальной соляной кислоты добавить к 1 л нейтрального физиологического раствора, который не является буфером, то его рН упадет с 7 до 2. Если такое же количество соляной кислоты добавить к 1 л плазмы, то рН снизится всего с 7,4 до 7,2.
Роль почек в поддержания постоянства кислотно-основного состояния заключается в связывании или выведении ионов водорода и возвращении в кровь ионов натрия и бикарбоната.
Механизмы регуляции КОС почками тесно связаны с водно-солевым обменом. Метаболическая почечная компенсация развивается гораздо медленнее дыхательной компенсации – в течение 6-12 ч.
Постоянство кислотно-основного состояния поддерживается также деятельностью печени. Большинство органических кислот в печени окисляется, а промежуточные и конечные продукты либо не имеют кислого характера, либо представляют собой летучие кислоты (углекислота), быстро удаляющиеся легкими. Молочная кислота в печени преобразуется в гликоген (животный крахмал). Большое значение имеет способность печени удалять неорганические кислоты вместе с желчью.
