Нормальная физиология (стоматологический факультет)

История развития представлений о дыхании знает периоды, когда обмен газов в легких объяснялся активной секреторной деятельностью так называемых газовых желез – секреторная теория газообмена, предложенная C. Bohr в 1909. В том же году она была опровергнута А.Krogh. В настоящее время общепринятой является диффузионная теория, согласно которой обмен газов в легких происходит по физическим законам диффузии. За сутки диффундирует около 500 л кислорода и 430 л углекислого газа. Количественные закономерности этого процесса выражаются первым законом диффузии Фика, сформулированным им для диффузии через клеточные мембраны в 1885 г:


где М – количество газа,
t – время,
M/ t – объёмная скорость диффузии, равная 15-30 мл/мин в покое, 60-70 мл/мин при нагрузке,
Δ P – разница парциального давления газа в двух точках,
х – расстояние между этими точками,
S – площадь газообмена,
К – коэффициент диффузии,
α – коэффициент растворимости газа.

Следовательно, скорость диффузии прямо пропорциональна ΔP – силе, обеспечивающей направленное движение молекул газа, и обратно пропорциональна x/SKα – величине сопротивления диффузии.
Применительно к условиям газообмена в легких ΔP есть разница между парциальным давлением газа в альвеолярной газовой смеси и его напряжением в крови легочных капилляров.
Парциальным давлением (ПД) называется то давление, которое оказывал бы данный газ, если бы он один занимал весь объем смеси газов. По закону Дальтона оно пропорционально процентному содержанию газа в смеси и общему давлению смеси. ПД не зависит от природы газа. Состав альвеолярной газовой смеси отличается от состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха тем, что в нем меньше всего кислорода и больше углекислого газа (табл.11).

Таблица 11. Состав сухого воздуха (в %)


Содержание О₂ и СО₂ в альвеолярной смеси газов колеблется в зависимости от фаз дыхательного цикла, но в узких пределах, благодаря наличию функциональной остаточной емкости, выравнивающей эти колебания.
Для расчета ПД газов в альвеолярной газовой смеси следует учесть, что она насыщена водяными парами. ПД последних не зависит от других факторов (величины атмосферного давления, влажности вдыхаемого воздуха и др.) и является постоянной величиной, равной при температуре тела 47 мм рт. ст. Поэтому на долю ПД газов приходится 760-47=713 мм рт. ст. Зная, что в альвеолярной смеси газов содержится, в среднем, 14% О₂ и 5,5% СО₂, можно рассчитать ПД этих газов в ней:
Напряжением газа в жидкости называется сила, с которой молекулы растворенного газа стремятся выйти в газовую среду. Напряжение газов измеряют микротонометром Крога. Его подключают между центральным и периферическим концами артерии или вены. Кровь из сосуда поступает в ампулу, где находится пузырек воздуха, а затем обратно в сосуд. После установления динамического газового равновесия между пузырьком и кровью, что определяется путем периодических измерений объема пузырька, последний извлекают и определяют в нем содержание газов. Работа современных газоанализаторов основана на масс-спектрометрии, а также на измерении степени поглощения исследуемым газом инфракрасного излучения, формируемого с помощью нити накала и определенного светофильтра.
Напряжение О₂ и СО₂ в артериальной и венозной крови в легких и ПД этих газов в альвеолярной газовой смеси представлены в таблице 12.

В состоянии равновесия напряжение газа в жидкости равно ПД газа над жидкостью. Если ПД газа выше его напряжения, то газ будет растворяться, если ниже – выходить из раствора в газовую среду.
Следовательно, О₂ будет диффундировать из альвеолярной смеси газов в кровь, а СО₂ из крови в альвеолярную газовую смесь. При этом ΔР для О₂ 60 мм рт ст., а для СО₂ всего лишь 6 мм рт. ст. Переход СО₂ в альвеолярную смесь газов при небольшом ΔР объясняется высокой растворимостью этого газа. Начальная скорость диффузии газов (в венозной части капилляра) по мере протекания крови по капилляру уменьшается, т.к. снижается ΔР. Поэтому в формуле Фика ΔР – это среднее значение альвеолярно-капиллярного градиента. Эта величина не одинакова во всех альвеолах в связи с их различной вентиляцией и кровоснабжением.
Препятствие на пути движения газов через легочную мембрану принято определять как сопротивление диффузии, или мембранное сопротивление. Обычно это препятствие характеризуют величиной, обратной сопротивлению диффузии, – проницаемостью легочной мембраны (ПЛМ).

Это означает, что ПЛМ прямо пропорциональна площади диффузии (S), коэффициентам диффузии (К) и растворимости (α), отражающим взаимоотношение между физико-химическими свойствами газов и легочной мембраны как среды, в которой они должны раствориться, прежде чем попасть в кровь; и обратно пропорциональна толщине этой мембраны (х). Таким образом, ПЛМ зависит от анатомического строения, физико-химических свойств мембраны и функционального состояния ее структур.
К – коэффициент диффузии – определяет количество газа (в мл), которое способно диффундировать на расстояние 1 см через 1см² поверхности при разнице давления в 1 мм рт. ст. при определенной температуре. С повышением температуры К возрастает больше для газов с меньшим молекулярным весом. К зависит от природы газа (К = α / Мr , где α – коэффициент растворимости, Мr – молекулярная масса газа). К для СО₂ в 20-25 раз больше, чем для О₂.
S – площадь диффузии – площадь контакта между функционирующими альвеолами и капиллярами. В одном легком человека насчитывается в среднем 400 млн альвеол, диаметр каждой из них 150-300 мкм. Большая часть наружной поверхности альвеол соприкасается с капиллярами малого круга кровообращения, суммарная площадь этих контактов велика: во время выдоха около 90 м², во время вдоха она увеличивается до 130 м². S представляет собой отношение объема альвеолярной вентиляции (VА) к кровотоку в легких или перфузии капилляров альвеол (Q).


В конце вдоха это соотношение близко к 0,8, поскольку в 1 мин альвеолы получают 4 л воздуха и 5 л крови.
Отдельные участки легких вентилируются и перфузируются не одинаково. Модель взаимоотношений между этими процессами представлена на рис.32.


Альвеолы без кровотока и с V_A/Q < 1увеличивают объем мертвого пространства. Сумма анатомического и альвеолярного мертвого пространств составляет физиологическое мертвое пространство.
V_A/Q различно в разных участках легких, что связано с действием силы земного притяжения. Альвеолы, расположенные в области верхушек лёгких, растянуты больше, поэтому при вдохе они расправляются на меньшую величину – в 3,4 раза, т.е. вентилируются менее эффективно, чем в области оснований. Но и перфузируются они менее интенсивно, причем в 18,4 раза. В результате в области верхушек легких V_A несколько преобладает над Q, поэтому V_A/Q = 3,3. Следовательно, напряжение кислорода в артериальной крови, оттекающей от верхушек, выше среднего. В нижних отделах лёгких V_A/Q < 1 (0,63), поэтому напряжение О₂ в оттекающей крови ниже среднего. Альвеолы, расположенные у корней лёгких, вентилируются меньше, чем периферические.
Соответствие кровотока в легких их вентиляции достигается регуляторными механизмами, ограничивающими перфузию через недостаточно вентилируемые участки.
α – коэффициент растворимости – количество газа, способное раствориться в 1 мл жидкости при давлении газа над жидкостью 760 мм рт. ст. при t = 0⁰ С. Зависит от:
1) природы газа;
2) состава жидкости;
3) объема и давления газа над жидкостью – прямо пропорционально;
4) температуры жидкости – обратно пропорционально.
Растворимость СО₂ в мембранах аэрогематического барьера значительно больше, чем О₂.
х – толщина аэрогематического барьера, равная приблизительно 0,3 – 1,2 мкм. Барьер состоит из альвеолярного эпителия, покрытого секретом его клеток, и капиллярного эндотелия. Каждый слой расположен на собственной базальной мембране, между которыми находится узкое пространство, заполненное аморфным гомогенным веществом, эластическими и ретикулярными волокнами и клетками соединительной ткани.
ПЛМ для газа выражают величиной диффузионной способности лёгких (ДСЛ), или коэффициентом диффузии Крога. Это количество газа, проникающего через легочную мембрану за 1 мин на 1 мм рт. ст. градиента давления. В норме ДСЛ для О₂ 25 мл/мин × мм рт. ст., для СО₂ - в 24 раза больше вследствие его высокой растворимости в легочной мембране.
ДСЛ заметно уменьшается с возрастом. Половые её различия полностью сглаживаются при отнесении ДСЛ к объёму лёгких. Имеет значение положение тела: в положении лежа ДСЛ на 15-20% больше, чем в положении сидя, что объясняется изменением кровоснабжения лёгких.
Следовательно, газообмен в легких осуществляется путем диффузии газов (О₂ из альвеолярной смеси газов в кровь, СО₂ из крови в альвеолярную газовую смесь) и происходит в постоянных условиях. В результате этого процесса венозная кровь насыщается О₂ и отдает СО₂, превращаясь в артериальную. Однако существует альвеоло-артериальная разница напряжения газов, в возникновении которой имеют значение:
1) сниженное отношение вентиляции к кровотоку в отдельных альвеолах;
2) наличие веноартериальных шунтов;
3) примешивание к артериальной крови венозной из малых сердечных вен Тебезия, открывающихся в левый желудочек, и из бронхиальных вен (через бронхиальную циркуляцию проходит 2% крови, поступающей в левое предсердие).
Таким образом, эффективность газообмена в легких определяют 4 фактора:
1) альвеолярная вентиляция;
2) перфузия легких;
3) ДСЛ;
4) равномерность этих показателей в различных отделах легких.
Следующий этап дыхания – транспорт О₂ и СО₂ к тканям.

Согласно современным представлениям, этот процесс осуществляется соответствующей функциональной системой. Она представляет собой результат взаимодействия газообмена в легких (дыхательный компонент системы транспорта газов), дыхательной функции крови (гемический компонент) и деятельности кардиоваскулярного аппарата. Полезным приспособительным результатом системы транспорта газов являются капиллярно-тканевой градиент напряжений О₂ и СО₂, обеспечивающий диффузию этих газов, и площадь диффузии.
Газы транспортируются кровью в физически растворенном и химически связанном состояниях. Для определения содержания газов в крови их извлекают аппаратом Сеченова, принцип работы которого состоит в создании вакуума с помощью ртутного насоса, либо аппаратом Баркрофта, работа которого основана на вытеснении газов химическими веществами (О₂ – железосинеродистым калием, СО₂ – виннокаменной кислотой). Применяют также аппарат Ван-Слайка, в работе которого сочетаются оба указанных принципа.
Общее количество газов в артериальной и венозной крови представлено в таблице 13.


Содержание физически растворённого газа в жидкости описывается законом Генри-Дальтона.


где Р_r - напряжение газа в жидкости,
α- коэффициент растворимости Бунзена.

В знаменателе стоит 760, т.к. при определении α в качестве единиц давления используют атмосферы, а Р_r выражают в мм рт.ст.
В артериальной крови содержание физически растворенного О₂ составляет 0,3 об.%, а СО₂ – 2,6 об.%, в венозной – 0,11 и 2,9 об.% соответственно. Несмотря на то, что напряжение О₂ в артериальной крови 96 мм рт. ст., а напряжение СО₂ 43 мм рт. ст., содержание физически растворённого СО₂ выше. Это объясняется большей растворимостью этого газа.
Следовательно, лишь небольшая часть О₂ и СО₂ находится в крови в физически растворённом виде. Но это состояние играет огромную физиологическую роль, так как во-первых, именно эта форма является функционально активной, т.е. способной диффундировать к тем или иным веществам для последующего связывания, а во-вторых, от содержания в крови физически растворенного газа зависит скорость реакций его химического связывания, которые подчиняются закону действующих масс.
Рассмотрим эти реакции.

97% О₂, транспортирующегося от легких к тканям, химически связано с гемоглобином.
Молекула гемоглобина состоит из 4 субъединиц, поэтому реакция оксигенации протекает следующим образом: Hb + 4О₂ = Hb(О₂)₄. Молекула О₂ обратимо связывается с гемом гемоглобина. Каждый грамм гемоглобина может связать 1,34 мл О₂ (число Хюфнера) (1,39 мл, если гемоглобин химически чистый). Следовательно, при содержании гемоглобина в 1 л крови 140 г в этом объеме будет находиться (без учета физически растворённого О₂) 1,34×140 = 190 мл О₂, т.е. 19 об.%. Количество О₂, которое вообще способна связать кровь, называется кислородной ёмкостью крови (в среднем 20 об.%). Реализуется полностью, если кровь контактирует с газовой смесью с высоким содержанием О₂ (РО₂ > 300 мм рт. ст.). В естественных условиях гемоглобин оксигенирован только на 97%.
Насыщением (saturation) гемоглобина кислородом называется процентное отношение HbО₂ к общему содержанию гемоглобина.


Реакция оксигенации гемоглобина, как указывалось, подчиняется закону действующих масс. Это означает, что отношение между гемоглобином и HbО₂ зависит от содержания физически растворенного О₂ в крови, которое, в свою очередь, в соответствии с законом Генри-Дальтона, пропорционально напряжению О₂. Графически эту зависимость отражает кривая диссоциации оксигемоглобина (КДО).
Еще в 1904 г. С.Bohr установил, что характер реакции гемоглобина с О₂ описывается S-образной кривой. Известны следующие причины особой конфигурации кривой.
В 1921 г. G.Adair предположил, что соединение гемоглобина с О₂ происходит в 4 этапа, из которых самый медленный – первый (гипотеза «промежуточных соединений»). Поэтому S-образная форма кривой обусловлена кооперативным взаимодействием полипептидных цепей.
Возможны и другие объяснения, согласно которым существуют 2 состояния гемоглобина, переходящие друг в друга при изменении содержания кислорода в результате либо конформационных перестроек, либо присоединения или отщепления низкомолекулярных веществ. Параметры равновесия реакций оксигенации для этих двух форм гемоглобина различны, что и объясняет S-образную форму кривой.
На кривой выделяют 3 участка: от 0 до 10 мм рт. ст. – прямо пропорциональная зависимость, от 10 до 60 – насыщение очень быстрое, от 60 до 90 – насыщение почти не изменяется. В артериальной крови (напряжение О₂ 96 мм рт. ст.) гемоглобин насыщен кислородом на 97%, в венозной крови (напряжение О2 40 мм рт. ст.) – на 75%.
В настоящее время принято оценивать положение КДО не по наклону кривой, а по расположению на ней двух точек. Первая соответствует 50%-ому насыщению гемоглобина кислородом. Это Р₅₀ – напряжение полунасыщения (точка разрядки по Крогу). В норме при рН = 7,4 и t = 37^оС Р₅₀ артериальной крови 26 мм рт. ст. (3,46 кПа). Оно выше у женщин, чем у мужчин. Напряжение разрядки достаточно высоко, что обеспечивает эффективный градиент напряжения О₂ между капиллярами и тканями, где напряжение О₂ не более 10-15 мм рт.ст. Вторая точка – Р₉₅ – точка зарядки – соответствует 95%-ому насыщению гемоглобина кислородом. В норме Р₉₅ артериальной крови 70 мм рт. ст.

Значение S-образной формы кривой.
1. Крутой наклон среднего участка, соответствующий напряжениям О₂ в тканях, благоприятствует отдаче О₂ в них.
2. Пологая часть, соответствующая высоким напряжениям О₂, обеспечивает стабильность тканевого напряжения О₂ в условиях, когда напряжение О₂ артериальной крови может уменьшаться: при подъеме в горы или на самолете, при заболеваниях легких, с возрастом. Даже когда парциальное давление О₂ в альвеолярной смеси газов снижается до 60 мм рт. ст., гемоглобин в артериальной крови все еще насыщен О₂ на 89%, что только на 8% ниже нормальной 97% сатурации.
3. С другой стороны, когда парциальное давление О₂ в альвеолярной газовой смеси увеличивается до 500 мм рт. ст. (при вдыхании воздуха под повышенным давлением, например, на глубине моря или в компрессионных камерах), насыщение гемоглобина кислородом также изменяется мало – максимум на 3%.
Следовательно, при варьировании парциального давления О₂ в альвеолах от 60 до 500 мм рт. ст. его напряжение в тканях изменяется только на несколько мм рт. ст. Таким образом, гемоглобин буферирует сдвиги тканевого напряжения О₂.
КДО может занимать различное положение, характеризующееся смещением ее средней части вправо или влево. Смещение влево сопровождается снижением Р₅₀ и повышением сродства гемоглобина к О2 (СГК), а вправо – увеличением Р₅₀ и уменьшением СГК.

Факторы, влияющие на СГК.
По механизму действия их делят на 2 группы (Л.И.Иржак (1975)): прямого влияния и косвенного. Через эти факторы эритроциты получают информацию о состоянии кислородного режима других клеток.
Прямое влияние оказывают химические вещества, которые могут взаимодействовать с гемоглобином и изменять конформацию его молекулы. Это лиганды (О₂, Н⁺, СО₂, органические и неорганические ионы).
Косвенное действие оказывают физические факторы (pH, температура), которые изменяют условия взаимодействия гемоглобина с лигандами.
Рассмотрим первую группу факторов.
I. В 1907 C.Bohr, A.Krogh установили зависимость положения КДО от содержания СО₂ в крови. Сначала «эффект Бора» связывали только с СО₂. Однако затем J.Barcroft (1909) показал, что подобная связь существует и при воздействии других кислот. В настоящее время эффект Бора рассматривают как влияние рН среды на взаимодействие гемоглобина с различными лигандами.
При снижении рН (увеличении [Н⁺]) СГК падает. Поэтому КДО смещается вправо. Уменьшение оксигенации гемоглобина при снижении рН – эффект Рута.
Описанные явления объясняются тем, что при изменении рН происходит сдвиг константы диссоциации, степени ионизации и конформации групп, связанных с О₂ в тетрамере гемоглобина. В результате этого меняется СГК. Различают респираторный и метаболический компоненты эффекта Бора.
Метаболический – связан с изменением рН под влиянием кислых или щелочных продуктов обмена веществ.
Респираторный – связан с влиянием СО₂ на КДО. Образующийся при тканевом метаболизме СО₂ диффундирует внутрь эритроцитов, где под влиянием карбоангидразы образуется Н₂СО₃. Появляющиеся при ее диссоциации (Н₂СО₃ → Н⁺ + НСО₃^-) протоны приводят к снижению рН. Это рН-зависимый эффект СО₂. Кроме того, СО₂ образует карбаминовые связи с концевыми группами α и β цепей гемоглобина, способствуя таким образом стабилизации дезоксиформы гемоглобина. Это рН-независимый эффект СО₂.
На выраженность эффекта Бора влияют: 1) органические фосфаты – при повышении содержания 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) падает коэффициент Бора, который определяют как Δ log Р₅₀ / Δ log рН; 2) температура; 3) насыщение крови О₂; 4) электролиты; 5) свойства Hb; 6) пол - коэффициент Бора меньше у мужчин, чем у женщин.
Таким образом, эффект Бора – это результат сложного взаимодействия рН, СО₂, 2,3-ДФГ и других указанных факторов.
Биологический смысл эффекта Бора состоит в том, что он способствует поглощению О₂ в легких и отдаче его в тканях.
В лёгких – поглощение О₂ идет одновременно с выделением СО₂, поэтому по мере насыщения гемоглобина кислородом КДО сдвигается влево, т.е. СГК возрастает. В результате скорость диффузии О₂ из альвеол в кровь несколько увеличивается.
В тканях – одновременно с выходом О₂ в эритроциты поступает СО₂, поэтому КДО смещается вправо. Это приводит к снижению СГК и благоприятствует отдаче О₂ тканям.
II. В 1967 г. была описана специфическая роль органических фосфатов в эритроцитах. 2,3-ДФГ, значительно уступая АТФ в энергетической ценности, играет огромную роль в регуляции транспорта О₂. Во-первых, он является аллостерическим модулятором – взаимодействует с β-цепями восстановленного гемоглобина благодаря соответствию зарядов некоторых аминокислотных остатков последнего распределению зарядов в органическом фосфате. После образования связи с β-цепью 2,3-ДФГ закрывает вход в центральный канал молекулы, что уменьшает СГК. Во-вторых, 2,3-ДФГ изменяет внутриклеточный рН.

На реакцию 2,3-ДФГ и гемоглобина влияют:
1) соотношение Hb/HbО₂ – чем оно выше, тем больше связывается 2,3-ДФГ;
2) рН –ж снижение рН увеличивает сродство гемоглобина к 2,3-ДФГ;
3) рСО₂ – уменьшение рСО₂ повышает сродство гемоглобина к 2,3-ДФГ;
4) температура – ее возрастание препятствует присоединению 2,3-ДФГ к гемоглобину;
5) анионы – могут конкурировать с 2,3-ДФГ за одни и те же центры связывания.
В эритроцитах имеется автономная система регуляции образования 2,3-ДФГ, работающая по принципу обратной связи. С изменением содержания 2,3-ДФГ в эритроцитах связана зависимость СГК от их возраста - молодые эритроциты имеют меньшее СГК, по мере старения оно возрастает, поскольку уровень 2,3-ДФГ уменьшается.
Роль 2,3-ДФГ в качестве регулятора положения КДО заключается не только во влияниии на СГК. Он служит посредником других влияний (рН, рСО₂, температуры, ионного состава) на кислородтранспортную функцию крови.
III. Органические и неорганические соли – при увеличении их концентрации КДО сдвигается вправо, поскольку от солевого состава среды зависит конформация макромолекулы гемоглобина.
К косвенным факторам, как уже отмечалось, относят рН, влияние которого на СГК рассмотрено выше, и температуру. Уменьшение температуры увеличивает интенсивность образования HbО₂, т.е. при прочих равных условиях смещает КДО влево. Повышение температуры, напротив, снижает СГК, и КДО смещается вправо.
Температурный коэффициент, представляющий собой отношение Δ log рО₂ / Δ log t, зависит от рН, содержания 2,3-ДФГ, насыщения крови кислородом. Он различен у мужчин и женщин. Колеблется от 0,018 до 0,024.

Химические реакции связывания СО₂ несколько сложнее, чем О₂. Это обусловлено тем, что механизмы, отвечающие за транспорт СО₂, должны одновременно обеспечивать поддержание кислотно-щелочного равновесия крови и, тем самым, внутренней cреды организма.
I. Прежде всего происходит гидратация молекул СО₂ с образованием Н₂СО₃


В плазме эта реакция протекает очень медленно. В эритроцитах она ускоряется в 20 тысяч раз, что связано с действием карбоангидразы – фермента, расположенного только внутри клеток. Его существование предполагал еще И.М.Сеченов, но открыт он был в 1932 г. Мелдрумом и Рэфтоном.
Следующая реакция в цепи химических превращений СО₂ заключается в диссоциации слабой кислоты Н₂СО₃ на бикарбонат-ионы и протоны


Накопление НСО₃^- в эритроцитах приводит к тому, что между их внутренней средой и плазмой крови создается градиент концентрации этого иона. НСО₃^- могут передвигаться по этому градиенту лишь в том случае, если при этом не будет нарушаться равновесное распределение электрических зарядов. Т.е., одновременно с выходом НСО₃^- должен происходить либо выход из эритроцитов одного катиона, либо вход одного аниона. Поскольку мембрана эритроцитов практически непроницаема для катионов, но проницаема для небольших анионов, взамен НСО₃^- в эритроциты поступает Cl^-. Этот обменный процесс называется хлоридным сдвигом Хамбургера. Накопление анионов внутри эритроцитов приводит к повышению осмотического давления, что вызывает поступление в них воды. В результате этого объем эритроцитов в венозной крови больше, чем в артериальной. Поэтому эритроциты занимают 40% объема артериальной крови и 40,4% - венозной. Образующиеся при реакции диссоциации Н₂СО₃ протоны рН не изменяют, поскольку гемоглобин, будучи амфолитом, обладает значительной буферной емкостью. Кроме того, восстановленный гемоглобин является более слабой кислотой, чем оксигемоглобин, поэтому может присоединять дополнительное количество Н⁺.


II. Второй способ связывания СО₂ – непосредственное его присоединение к аминогруппам белкового компонента гемоглобина за счет образования карбаминовой связи.


Соединение гемоглобина с СО₂ называют карбаминогемоглобином.
В 1892 г. Вериго было установлено, что емкость для СО₂ крови, содержащей восстановленный гемоглобин, значительно выше, чем в условиях полной оксигенации гемоглобина. Это явление, затем подробно изученное Холденом (1914), обусловлено тем, что, во-первых, оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем восстановленный гемоглобин, и, следовательно, когда реакция происходит между КНbO₂ и Н₂СО₃, равновесие наступает при образовании меньшего объема КНСО₃, чем в случае, когда реакция течет между КНb и Н₂СО₃. Во-вторых, оксигенация гемоглобина ведет к снижению образования карбаминогемоглобина, поскольку уменьшает количество свободных NH₂ групп глобина, способных связывать СО₂. Следовательно, степень оксигенации гемоглобина влияет на способность крови связывать СО₂. Это явление получило название эффекта Вериго-Холдена.
Соотношение между фракциями СО₂ в крови. Каждый миллилитр крови, протекая через ткани, захватывает примерно 2 мМоль СО₂. 10% этого количества остается в физически растворенном виде, 10% образует карбаминовую связь с гемоглобином, 35% транспортируется в виде бикарбонатов калия в эритроцитах, а остальные 45% – в виде бикарбонатов натрия в плазме. При прохождении крови через легкие СО₂ выделяется из этих фракций точно в таком же соотношении.
Таким образом, дыхательная функция крови является важной составной частью функциональной системы транспорта газов и необходима для следующего этапа дыхания – газообмена между кровью и тканями.


Этот процесс происходит путём диффузии и подчиняется её законам.

Обмен О₂.
Молекулы О₂ диффундируют в сторону более низких величин напряжения этого газа: из капилляров (рО₂ = 96 мм рт. ст.) в межклеточную жидкость (рО₂ = 20-40 мм рт. ст.), затем в клетки.
Наименьшее напряжение О₂ в клетках наблюдается в местах его потребления – митохондриях, где он используется для биологического окисления. Уровень дыхания в митохондриях остается постоянным, пока экстрамитохондриальное напряжение кислорода не упадет ниже 5 мм рт. ст. Кроме этого, О₂, поступивший в клетки скелетных мышц и миокарда, связывается с миоглобином. Величина потребления О₂ различна в разных тканях и связана с их активностью.
В результате отдачи О₂ тканям его количество в крови постепенно уменьшается. Поэтому скорость этого процесса больше в артериальном конце капилляра, чем в венозном. Зная число Хюфнера (1,34) и степень насыщения гемоглобина кислородом (SО₂) в артериальном и венозном концах капилляра, можно рассчитать объемное содержание О₂ в крови:


где SO₂ выражается в %,
[Hb ] в г/л.

В артериальной крови (S_O2 = 97%) содержание химически связанного О₂ около 0,20 л на л крови; в венозной (S_O2 = 75%) – 0,15 л на л крови. Следовательно, артерио-венозная разница по О₂ равна 0,05. Это означает, что при прохождении крови через тканевые капилляры используется лишь 25% кислородной емкости. При интенсивной нагрузке артерио-венозная разница по О₂ может превышать 0,1.
Количество потребленного О₂ в процентах от его содержания в артериальной крови называют коэффициентом утилизации кислорода (КУК). В норме он равен 25%, после физической нагрузки может достигать 75-85%. В локальных участках тканей, где ток крови чрезвычайно медленный или очень высока скорость метаболизма, КУК может возрастать до 100%, т.е. из крови будет поглощаться весь кислород.
Факторы, влияющие на величину КУК:
1. Количество функционирующих капилляров, их геометрия, скорость кровотока.
2. рН, температура и другие факторы, влияющие на диссоциацию HbO₂.

Обмен СО₂.
Наибольшее напряжение СО₂ (до 60 мм рт. ст.) отмечается в клетках в результате образования этого газа в митохондриях. В тканевой жидкости напряжение СО₂ изменчиво, около 46 мм рт. ст. В артериальной крови напряжение этого газа составляет 40 мм рт. ст. По градиенту напряжений СО₂ диффундирует из клеток в кровеносные капилляры и транспортируется кровью к легким.

Таким образом, адекватное поступление О₂ в ткани и удаление из них СО₂ происходит в результате взаимодействия крови, дыхательной и сердечно-сосудистой систем.