Дыхательная функция крови. Кислотно-основное состояние организма

1.

2.

Гемоглобины
–
белки
эритроцитов,
выполняющие две основные функции:
• Перенос О2 из легких к периферическим
тканям
• Способствует
транспорту
СО2
из
периферических тканей в альвеолы
легких.
Гемоглобины – гетеротетрамеры, состоящие их двух пар разных мономеров (2х2).
• Для самого распростроненного НbА
тетрамер αβ1+αβ2.
• Протомер – глобула их 8 спиралей.
• Каждый протомер связывает 1 гем.
α-глобин
кодируется
двумя
почти
идентичными генами на хромосоме 16, βглобин – геном на хромосоме 11.
В составе гемоглобинов могут быть
представлены различные типы
полипептидных цепей: α ("альфа"), β
("бета"), γ ("гамма"), δ ("дельта"), ξ ("кси").

3.

• Гем
(железосодержащая часть) соединяется с белковой субъединицей через
остаток гистидина координационной связью железа, а также через гидрофобные
связи пиррольных колец и гидрофобных аминокислот.
• Гем располагается как бы в гидрофобном «кармане» своей цепи.

4.

Существует несколько нормальных вариантов гемоглобина:
• Говер 1 – примитивный гемоглобин, содержит 2ζ- и 2ε-цепи, первый гемоглобин
эмбриона.
• Говер 2 (HbР) – примитивный гемоглобин, содержит 2ξ- и 2ε-цепи, образуется на
7-12 неделях гестации.
• Портланд I и II – «минорные» эмбриональные гемоглобины (2ζ- и 2γ, 2ζ- и 2β).
• HbF – фетальный гемоглобин, содержит 2α- и 2γ-цепи, появляется после 12 недель
внутриутробного развития и является основным после с 3-го по 8-й месяц гемтации.
• HbA – основной гемоглобин взрослых, составляет >95% в популяции, содержит 2αи 2β-цепи.
• HbA2 – «минорный» гемоглобин взрослых, доля составляет <4% в популяции,
содержит 2α- и 2δ-цепи
• HbO2 – оксигемоглобин, образуется при связывании кислорода в легких, в
легочныхвенах его 94-98% от всего количества гемоглобина
• HbCO2 – карбогемоглобин, образуется при связывании углекислого газа в тканях, в
венозной крови составляет 15-20% от всего количества гемоглобина.

5.

– наследственные анемии, обусловленные нарушением синтеза какойлибо цепи гемоглобина
Обозначение
Типы
цепей
Патология
HbS
2α и 2βS
Серповидно-клеточная анемия. Замена в 6-м положении β-цепи
глутамата на валин.
HbС
2α и 2βС
Замена в 6-м положении β-цепи глутамата на лизин. Склонность к
гемолизу
HbЕ
2α и 2βЕ
Замена в 26-м положении β-цепи глутамата на валин. Склонность к
гемолитической анемии, риск β-талассемии.
HbJ
2αJ и 2β
Замена аланина в 120 положении α-цепи на глутамат.
HbD
2α и 2βD
Повышенный риск α-талассемии.
HbН
4β
Тетрамер β-цепей, α-талассемия.
Hb
Бартс
4γ
Тетрамер γ-цепей, α-талассемия. Обладает крайне высокой
связывающей способностью кислорода, вследствие чего не отдает
кислород тканям.

6.

- форма гемоглобина, включающая Fe3+ вместо Fe2+.
Образуется под действием нитритов и нитратов, лекарственных препаратов
(сульфаниламидов), при недостаточности аскорбиновой кислоты. Не способен
связывать кислород. Для восстановления ионов железа в клинике используют
аскорбиновую кислоту и метиленовую синь.
- образуется при связывании гемоглобина с СО
(угарный газ) во вдыхаемом воздухе. Сродство СО к гемоглобину примерно в 200
раз выше, чем у кислорода. Карбоксигемоглобин не способен переносить кислород
к тканям организма. отравление СО может привести к летальному исходу.
– гемоглобин, который неферментно
связался с глюкозой. Его концентрация нарастает при хронической гипергликемии
и является хорошим скрининговым показателем патологического повышения
уровня глюкозы крови за последние 3 – 4 месяца длительный период времени. В
норме составляет < 5,7% общего гемоглобина, > 6,5% - сахарный диабет.

7.

протомеров гемоглобина реализуется как взаимовлияние
субъединиц друг на друга.
При присоединении первой молекулы кислорода к железу (за счет 6-й координационной связи) атом
железа втягивается в плоскость гема, кислород остается вне плоскости. Это вызывает перемещение
участка белковой цепи и изменение конформации первого протомера. Такой измененный протомер
влияет на другие субъединицы и облегчает связывание кислорода со второй субъединицей. Это меняет
конформацию второй субъединицы, облегчая присоединение последующих молекул кислорода и
изменение других протомеров. Четвертая молекула О2 присоединяется в 300 раз легче, чем первая.

8.

Кооперативность работы протомеров можно наблюдать и на кривой диссоциации. Кривая диссоциация
показывает насколько гемоглобин насыщен кислородом при определенном значении парциального
давления крови.
– изменение сродства гемоглобина к
кислороду при локальном изменении рН.
Происходит это в тканях с высоким уровнем
метаболизма.
Высокая
концентрация
СО2
превышает локальную концентрацию протонов,
понижая сродство гемоглобина к кислороду.
Кислород легче высвобождается в тканях.
При снижении рН (закислении среды) сродство
НЬ к О2 снижается и кривая смещается вправо.
При
повышении
рН
(защелачивании)
увеличивается сродство НЬ к О2 и кривая
смещается влево.

9.

При снижении температуры отдача О2 оксигемоглобином снижается (сродство повышается,
кривая смещается влево), а при ее увеличении ускоряется этот процесс (сродство снижается,
кривая смещается вправо).
2,3-Дифосфоглицерат образуется в эритроцитах из 1,3-дифосфоглицерата, промежуточного
метаболита гликолиза. При снижении концентрации кислорода в эритроцитах повышается
содержание 2,3-ДФГ. Он располагается в центральной полости тетрамера дезоксигемоглобина
и связывается с β-цепями. Функция 2,3-ДФГ заключается в снижении сродства гемоглобина к
кислороду. Это имеет особенное значение при подъеме на высоту, при нехватке кислорода. В
этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в легких не нарушается, так как
концентрация его относительно высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача
кислорода возрастает в 2 раза.

10.

Каждую минуту от тканей к легким переносится
примерно 180 мл СО2.
• Часть СО2 переносится в физически растворенном
виде (12 – 15 мл), что составляет до 7% общего СО2.
• 3 – 10 % СО2 транспортируется в виде
карбогемоглобина.
• Большая часть СО2 (80%) транспортируется в
крови в виде бикарбонат-аниона НСО3- при
участии гемоглобина эритроцитов.
Оксигемоглобин по сравнению с Н2СО3 более сильная кислота и она связана с ионом К+ (КНbО2).
В периферической капиллярах большого круга кровообращения гемоглобин эритроцитов отдает
кислород тканям КHbО2 → О2 + КHb,
его способность связывать Н+ при этом увеличивается. Одновременно в эритроцит поступает СО2.
Под влиянием карбоангидразы СО2 взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты
Н2СО3. Возникший за счет Н2СО3 избыток протонов связывается с гемоглобином, отдавшим
кислород, а накапливающиеся анионы НСО3- выходят из эритроцита в плазму:
КHb + Н2СО3 → К+ + НСО3- + НHb

11.

В легочных капиллярах в эритроцитах происходит
вытеснение Н2СО3 из КНСО3 оксигемоглобином:
НHbО2 + К+ + НСО3- → Н2СО3 + КHbО2
Образующийся
Н2СО3
при
участии
карбоангидразы быстро расщепляется на СО2 и
Н2О.
Низкое рСО2 в просвете альвеолы способствует
диффузии СО2 из эритроцита в легкие.
По мере снижения в эритроцитах концентрации
бикарбоната из плазмы крови в них поступают
новые порции НСО3-, а в плазму входит
эквивалентное
количество
ионов
Сl-.
Концентрация Nа2СО3 в плазме капилляров
легких быстро падает, но одновременно в них
повышается концентрация NаСl, а в эритроцитах
свободный гемоглобин превращается в КНbО2

12.

ГИПОКСИЯ
ЭКЗОГЕННАЯ
ГИПООКСЕМИЧЕСКАЯ
ЭНДОГЕННАЯ
РЕСПИРАТОРНАЯ
ЦИРКУЛЯТОРНАЯ
ГЕМИЧЕСКАЯ
ТКАНЕВАЯ
СМЕШАННАЯ

13.

Гем является простетической группой гемоглобина,
миоглобина, цитохромов, каталазы, пероксидазы.
Он синтезируется во всех клетках тела, но наиболее активно
синтез идет в печени и костном мозге.
Субстратами синтеза гема являются
В матриксе митохондрий из глицина и
сукцинил-КоА под действием пиридоксальзависимого
фермента
образуется 5аминолевулиновая
кислота,
которая
поступает
в
цитоплазму.
В
цитоплазме
фермент
катализирует реакцию
конденсации двух молекул 5-аминолевулиновой кислоты с
образованием
. Далее из четырех
молекул порфобилиногена последовательно образуются
промежуточные
метаболиты
,
последний из которых поступает в митохондрии и
превращается
в
.
Фермент
завершает образование гема, присоединяя
Fe2+ к протопорфирину IX

14.

Распад гема происходит в эндоплазматическом ретикулуме клеток эндотелиальной системы селезенки, костного мозга и печени при участии ферментов гемоксигеназной системы. В результате ряда превращений образуется непрямой (не дающий прямую реакцию с диазореактивом, так как связан с белком альбумином) – неконъюгированный билирубин. Билирубин
плохо растворим в воде и транспортируется кро-вью в печень в комплексе с
альбумином. Билирубин поступает в гепатоциты с помощью белков-переносчиков лигандина и протеина Z. В печени билирубин конъюгирует с глюкуроновой кислотой под действием ферментов эндоплазматического ретикулума УДФ-глюкуронилтрансферазы I, катализирующей образование
билирубинмоноглюкуронида и УДФ-глюкуронилтрансферазы II, образующей билиру-биндиглюкуронид. В результате реакций конъюгации образуется прямой или конъюгированный, билирубин. По механизму активного транспорта прямой билирубин в составе желчи поступает в двенадцатиперстную кишку. В кишечнике ферментами микрофлоры он гидролизуется с образованием билирубина и глюкуроновой кислоты.Билирубин в
результате нескольких реакций восстановления превращается в бесцветные
тетрапирролы - уробилиногены. В результате окисления они превращаются в уробилин, который выводится из организма, являясь пигментом
кала уробилином (стеркобилином) (200-300 мг/сут). Небольшая часть
уробилиногенов всасывается в кишечнике, с кровью воротной вены транспортируется в печень, оттуда поступает в кровь, затем в почки и, окисляясь
в пигмент желтого цвета уробилин, удаляется с мочой(3-4 мг/ сут).

15.

Кислотно-основное равновесие обеспечивается работой физиологических и физико-химических
процессов, составляющих функционально единую систему стабилизации концентрации ионов Н+.
Нормальные величины концентрации ионов Н+ около 40 нмоль/л, что в 106 раз меньше, чем
концентрация многих других веществ (глюкоза, липиды, минеральные вещества). Совместимые с
жизнью колебания концентрации ионов Н+ располагаются в пределах 16-160 нмоль/л.
рН – это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода.
рН = - lg [ H+ ]
[ Н+ ] = [ ОН- ] = 10-7 – среда нейтральная – рН = 7
[ Н+ ] > 10-7 – среда кислая – рН < 7
[ Н+ ] < 10-7 – среда щелочная – рН > 7
рН внутренних сред организма (крови, лимфы, ликвора, желудочного сока, мочи) оказывает воздействие
на жизнедеятельность клеток, тканей, органов и организма в целом. Значение рН внутренних сред
характеризуется значительным постоянством и устойчивостью.

16.

• оптимальную функциональную активность белков плазмы крови и
межклеточного пространства (ферменты, транспортные белки)
• Поддержание осмолярности биологических жидкостей
• растворимость неорганических и органических молекул
• неспецифическую защиту кожного эпителия
• отрицательный заряд наружной поверхности мембраны эритроцитов
• оптимальной активности ферментов мембран, цитоплазмы и
внутриклеточных органелл,
• формирования электро-химического градиента мембраны митохондрий на
должном уровне и достаточную наработку АТФ в клетке
Различные заболевания также сопровождаются изменением рН
биологических жидкостей. Знание этих закономерностей позволяет
прогнозирование нарушения КОС в организме и применять соответствующие
методы коррекции.

17.

18.

Постоянство рН в организме обеспечивается беспрерывной работой буферных систем.
Буферными
системами (буферами) называют растворы, обладающие свойством
достаточно стойко сохранять постоянство концентрации ионов водорода при добавлении
кислот, щелочей и/или при разведении.
Кислотные – состоят из слабой кислоты и
соли этой кислоты, образованной сильным
основанием.
Гидрокарбонатный
буфер:
Н2СО3
NaHCO3
Основные – состоят из слабого основания
и соли этого основа-ния, образованной
сильной кислотой.
Аммиачный буфер:
NH4OH
NH4Cl
Солевые – состоят из гидро-фосфата и
дигидрофосфата Na или К.
Фосфатный буфер:
NaH2PO4
Na2HPO4

19.

Сыворотка крови
7,35 – 7,45
Спинно-мозговая жидкость
7,35 – 7,45
Слюна
6,35 – 6,85
Желудочный сок
0,9 – 1,3
Моча
4,8 – 7,5
Слезная жидкость
7,2 – 7,4
Желчь в пузыре
5,4 – 6,9

20.

21.

В плазме:
В эритроцитах:
Na+ вне клетки
К+ внутри клетки
H2CO3
NaHCO3
гидрокарбонатный
Н2СО3
КНСО3
NaH2PO4
NA2HPO4
фосфатный
КН2РО4
К2НРО4
Pt – COOH
Pt - COONa
белковый
Органические кислоты
Na+ - соль
не характерен
Органические кислоты
К+ - соль
ННb
КНb
гемоглобиновый
ННbО2 оксигемоглобиновый
КНbО2

22.

Действует как в эритроцитах, так и во всех внеклеточных жидкостях. Это наиболее легко регулируемая
внеклеточная буферная система организма и потому наиболее значимаемая.
Состоит из слабой угольной кислоты Н2СО3 (образуется при взаимодействии СО2 с водой под действием
фермента карбоангидразы) и натриевой или калиевой соли, образованной этой кислотой и сильным
основанием.
H2CO3
NaHCO3-
или
H2CO3
КHCO3-
СО2 образуется в тканях в результате ферментного окисления углеводов, липидов, белков.
Соотношение гидрогенкарбонат-ионов и угольной кислоты в крови в норме 20:1.
Избыток гидрогенкарбонат-ионов обеспечивает так называемый щелочной резерв крови 25 – 30 ммоль/л
химически связанного углекислого газа.
Благодаря работе бикарбонатного буфера концентрация водородных ионов понижается
по двум причинам:
угольная кислота является очень слабой кислотой и плохо диссоциирует
в крови легких благодаря присутствию в эритроцитах фермента карбоангидразы, угольная кислота
быстро расщепляется с образованием CO2, удаляемого с выдыхаемым воздухом:
Н2СО3 ↔ Н2О + СО2↑

23.

Фосфатная буферная система составляет около 1-2% от всей буферной
емкости крови и
до 50% буферной емкости мочи. Она образована дигидрофосфатом
(NaH2PO4) и гидрофосфатом (Na2HPO4) натрия. Первое соединение
слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, второе обладает
щелочными свойствами. В норме отношение HРO42– к H2РO4– равно
4 : 1.
Основное значение фосфатный буфер имеет для регуляции pH
интерстициальной жидкости и мочи. В моче роль его состоит в
сбережении бикарбоната натрия за счет дополнительного иона
водорода (по сравнению с NaHCO3) в составе выводимого NaH2PO4:
Na2HPO4 + Н2СО3 ↔ NaH2PO4 + NaНСО3
Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания
дигидрофосфата, т.к. бикарбонат натрия в почечных канальцах
реабсорбируется.

24.

При добавлении кислоты (+Н+)
При добавлении основания (+ОН-)
NH3+-CH2-COOН
Идет присоединение протона к
отрицательно заряженной группе и
нейтрализация кислоты
NH2-CH2-COO- + Н2О
Идет присоединение ОН- к
положительно заряженной группе с
выделением воды
Белковая буферная система в плазме тесно взаимодействует с гидрокарбонатной БС и противодействует изменению
рН при возрастании СО2 в крови.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

В почках активно протекают три процесса,
связанных с ликвидацией кислых эквивалентов:
1. Реабсорбция бикарбонатных ионов HCO3–.
2. Ацидогенез – удаление ионов Н+ с
титруемыми кислотами (в основном в составе
дигидрофосфатов NaH2PO4).
3. Аммониегенез – удаление ионов Н+ в составе
ионов аммония NH4+.
В проксимальных канальцах ионы Na+
мигрируют в цитозоль эпителиальных клеток в
силу концентрационного градиента, который
создается на базолатеральной мембране при
работе фермента Na+/К+-АТФазы. В обмен на
ионы Na+ эпителиоциты канальцев активно
секретируют в канальцевую жидкость ионы
водорода.

31.

В процессе ацидогенеза в сутки с мочой выделяется 10-30 ммоль кислот, называемых
титруемыми кислотами. Фосфаты, являясь одной из этих кислот, играют роль буферной
системы в моче. Роль ее состоит экскреции кислых эквивалентов без потерь бикарбонат-ионов
за счет дополнительного иона водорода в составе выводимого NaH2PO4 (по сравнению с
NaHCO3): Na2HPO4 + Н2СО3 ↔ NaH2PO4 + NaНСО3
После того как бикарбонат натрия в почечных
канальцах реабсорбируется, кислотность мочи
зависит только от связывания ионов Н+ с
HPO42– и содержания дигидрофосфата.
Хотя в крови соотношение HРO42– : H2РO4–
равно 4 : 1, в клубочковом фильтрате оно
меняется на 1 : 9. Происходит это из-за того, что
менее заряженный H2РO4– лучше фильтруется
в клубочках. Связывание ионов Н+ ионами
HРO42– на протяжении всего канальца приводит
к увеличению количества H2РO4–. В
дистальных канальцах соотношение может
достигать 1 : 50

32.

Наиболее активно идет в дистальных канальцах и собирательных трубочках. В этих сегментах секреция
ионов Н+ происходит с участием Н+/Nа+-АТФазы апикальной мембране эпителиоцита. Ионы HCO3–
первичной мочи и секретируемые ионы Н+ образуют угольную кислоту Н2СО3. Карбоангидраза
катализирует распад угольной кислоты на СО2 и воду. В результате возникает градиент концентрации
углекислого газа между просветом канальцев и цитозолем и СО2 диффундирует в клетки.
Внутриклеточная карбоангидраза использует пришедший СО2 и образует угольную кислоту, которая
диссоциирует на ионы. НСО3– транспортируются в кровь, ионы Н+ – секретируются в мочу в обмен на
ионы Na+. Таким образом, объем реабсорбции НСО3– полностью соответствует секреции ионов Н+.
Глутамин и глутаминовая кислота, попадая в клетки
канальцев,
быстро
дезаминируются
ферментами
глутаминаза и глутаматдегидрогеназа с образованием
аммиака. Являясь гидрофобным соединением, аммиак
диффундирует в просвет канальца и акцептирует ионы Н+
с образованием аммонийного иона. Далее аммонийный
катион способен взаимодействовать с анионами Cl–,
SO42–, с органическими кислотами (лактат и другие) с
образованием аммонийных солей.

33.

Причины:
1. Повышенное поступление кислых продуктов или недостаточность их удаления.
2. Изменение количества иона НСО3– в сторону увеличения или снижения.
3. Изменение концентрации компонентов буферных систем
Смещение КОС крови в сторону повышения концентрации ионов водорода (снижение рН до
7,0) и уменьшения резервной щелочности ― ацидоз. Смещение КОС крови в сторону
понижения концентрации ионов водорода (повышение рН до 7,8) и увеличения резервной
щелочности крови ―алкалоз.

34.

1. Повышение содержания кислот в крови
• Кетоацидоз (при сахарном диабете, недостатке
углеводов в пище при достаточном потреблении
белков и жиров, при отравлении алкоголем)
• Лактоацидоз (при сепсисе, кровотечении, отеке
легких, сердечной недостаточности, при шоке,
повышении вязкости крови при остром
панкреатите, сахарном диабете, лейкемии,
хроническом алкоголизме).
2. Потеря бикарбонатов
• С кишечным, панкреатическим и билиарным
секретами
при
диареях
и
фистулах
кишечника
и
желчного
пузыря,
дренировании поджелудочной железы.
3. Недостаточное выведение ионов Н+ почками
(при ХПН или поражении канальцев).
Причинами являются нарушение вентиляции
легких, сопровождающиеся гиповентиляцией:
• Повреждения или заболевания легких
(пневмония, фиброз, отек легких)
• Все случаи механической асфиксии
• Повреждения или заболевания дыхательных
мышц (нехватка калия, боли после операции,
травмы, накопление жировых отложений)
• Угнетение дыхательного центра (опиаты,
барбитураты), неправильный режим ИВЛ
• Бронхиальная астма, эмфизема, бронхит.
При недостаточной вентиляции легких рСО2
способен достичь 140-150 мм рт.ст.

35.

1. Эндогенный синтез и повышенная
секреция в кровь ионов НСО3–:
• обкладочными клетками желудка при
неукротимой рвоте, фистуле желудка,
кишечной непроходимости и тд.
1. Возбуждение дыхательного центра.
• изолированный ацидоз церебральной
жидкости, который является остаточным
явлением после компенсированного
ацидоза крови.
• субарахноидальное кровотечение, при
этом происходит стимуляция
дыхательного центра продуктами
гемолиза
• при циррозе печени и сепсисе происходит
стимуляция дыхательного центра
токсинами и циркулирующими
метаболитами.
2. Лихорадочные состояния.
3. Неправильный режим искусственной
вентиляции легких.