Механизмы переноса углекислого газа с участием гемоглобина

ГБОУ ВПО.

 

<<Красноярский государственный медицинский

Университет им. Проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого>>

Министерства здравоохранения  и социального развития

Российской федерации.

 

 

Кафедра биологической  химии с курсом медицинской, фармацевтической и токсикологической химии.

 

Зав.Кафедрой:Салмина Алла Борисовна

Преподаватель:Буйко Ольга Васильевна

 

Реферат по химии.

 

По  теме: Механизмы переноса кислорода и углекислого газа с участием гемоглобина.

 

 

 

 

 

Выполнил: Студент 122-ой группы,

Факультета ФМО,

Специальности “Лечебное дело”

Арзамазов Леонид Александрович

 

Проверил(а):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        2012

 

Содержание:

 

• Основные понятия по теме “Механизмы переноса кислорода и углекислого газа с участием гемоглобина” (стр.3)

 

Основные механизмы  переноса (стр.4-8)

 

• Механизм переноса  кислорода путем диффузии кислорода и углекислого газа через аэрогематический барьер. (стр.4)
• Механизм транспорта кислорода кровью.(стр.5)
• Механизм транспорта углекислого газа кровью. (стр.6)
• Механизм транспорта газов в тканях.(стр.7-8)
• Регуляция дыхания. (стр.8-12)
• Заключение

 

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Основные понятия:   

Кровь- внутренняя среда организма, образованная жидкой соединительной тканью. Состоит из плазмы и форменных элементов: клеток лейкоцитов и постклеточных структур (эритроцитов и тромбоцитов). Циркулирует по системе сосудов под действием силы ритмически сокращающегося сердца и не сообщается непосредственно с другими тканями тела ввиду наличия гистогематических барьеров. В среднем, массовая доля крови к общей массе тела человека составляет 6,5-7%.

 

Плазма(крови)- жидкая часть крови, в которой взвешены форменные элементы — вторая часть крови. Процентное содержание плазмы в крови составляет 52—61 %. Макроскопически представляет собой однородную несколько мутную (иногда почти прозрачную) желтоватую жидкость, собирающуюся в верхней части сосуда с кровью после осаждения форменных элементов. Гистологически плазма является межклеточным веществом жидкой ткани крови.

 

Гемоглобин - сложный железосодержащий белок кровосодержащих животных, способный обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани. У позвоночных животных содержится в эритроцитах.

 

Эритроцит- также известные под  названием кра́сные кровяны́е тельца́, — клетки крови человека, позвоночных животных и некоторых беспозвоночных главной функцией которых, является перенос кислорода.

 

Диффузия - процесс взаимного проникновения  молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному  выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму

 
Активный транспорт- перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный А.т.) или через слой клеток (трансцеллюлярный А.т.), протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ.

 

Кислород(О2)– Химический элемент  главной подгруппы VI группы, с атомным номером 8, при нормальных условиях — газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O₂). Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.

 

Углекислый газ(СО2)- бесцветный газ (в нормальных условиях), без запаха, со слегка кисловатым вкусом.

 

Сурфактант(легочный) - смесь поверхностно-активных веществ, находящаяся на границе воздух-жидкость в лёгочных альвеолах, то есть выстилающая альвеолы изнутри. Препятствует спадению (слипанию) альвеол за счёт снижения поверхностного натяжения жидкости. Сурфактант секретируется специальной разновидностью альвеолоцитов II типа.

 

Аэрогематический барьер(аэро — воздух + гема - кровь)- барьер между кровью и воздухом (в альвеолах)

 

Альвеола (лат. alveolus — ячейка, углубление, пузырёк)- концевая часть дыхательного аппарата в лёгком, имеющая форму пузырька, открытого в просвет альвеолярного хода. Альвеолы участвуют в акте дыхания, осуществляя газообмен с лёгочными капиллярами.

  Капилляр- (от лат. capillaris — волосяной)тонкие сосуды в организме человека и        других животных. Средний их диаметр составляет 5-10 мкм.

 

 

                      Механизм переноса  кислорода путем диффузии кислорода и углекислого газа через аэрогематический барьер

 

 

          Схема аэрогематического барьера -

 

 

Перенос О₂ из альвеолярного газа в кровь и СО₂ из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии. Ее движущей силой служат разности (градиенты) парциальных давлений (напряжений) О₂ и СО₂ по обе стороны аэрогематического барьера, образованного альвеолокапиллярной мембраной. Никакого механизма активного транспорта газов здесь нет.

Кислород и углекислый газ диффундируют в растворенном состоянии: все воздухоносные пути увлажнены слоем слизи. Важное значение для облегчения диффузии О₂ имеет сурфактантная выстилка альвеол, так как кислород растворяется в фосфолипидах, входящих в состав сурфактантов, гораздо лучше, чем в воде.

В ходе диффузии через аэрогематический барьер молекулы растворенного газа должны преодолеть: слой сурфактанта, альвеолярный эпителий, две основные мембраны, эндотелий кровеносного капилляра. Ввиду того что в транспорте дыхательных газов существенную роль играют эритроциты, к этому списку добавляются слой плазмы и мембрана эритроцита.

Диффузионная способность  легких для кислорода очень велика. Это обусловлено огромным числом (сотни миллионов) альвеол и большой  их газообменной поверхностью (у человека она составляет около 100 м²), а также малой толщиной (порядка 1 мкм) альвео-локапиллярной мембраны. Диффузионная способность легких у человека равна примерно 25 мл О₂/мин в расчете на 1 мм рт. ст. градиента парциальных давлений кислорода. При учете того, что градиент Ро₂ между притекающей к легким венозной кровью и альвеолярным газом обычно превышает 50 мм рт. ст., этого оказывается вполне достаточно, чтобы за время прохождения через легочный капилляр (около 0,8 с) напряжение кислорода в ней успело уравновеситься с альвеолярным – Ро₂. Несколько более низкое (на 3-6 мм рт. ст.) артериальное –Ро₂ по сравнению с альвеолярным объясняется проникновением венозной крови в артериальную через невентилируемые альвеолы, а также артериовенозные шунты. Лишь при ускорении легочного кровотока, например при тяжелой мышечной работе, когда время прохождения крови через капилляры альвеол может сокращаться до 0,3 с, наблюдается недонасыщение крови кислородом в легких, что, однако, возмещается увеличением минутного объема крови.

     Что касается диффузии СО₂ из венозной крови в альвеолы, то даже сравнительно небольшого градиента Рсо₂ (6-10 мм рт. ст.) здесь оказывается вполне достаточно, так как растворимость углекислого газа в 20-25 раз больше, чем у кислорода. Поэтому после прохождения крови через легочные капилляры –Рсо₂ в ней оказывается почти равным альвеолярному — обычно около 40 мм рт. ст.

 

 

          

            Механизм транспорта кислорода кровью.

                                                                    

 

                          Схема регуляции транспорта О2.

 

 

 

 

Лишь небольшая часть  О₂ (около 2%), переносимого кровью, растворена в плазме. Основная его часть транспортируется в форме непрочного соединения с гемоглобином, который у позвоночных содержится в эритроцитах. В молекулы этого дыхательного пигмента входят видоспецифичный белок — глобин, и одинаково построенная у всех животных простетическая группа — гем, содержащая двухвалентное железо.

Присоединение кислорода  к гемоглобину (оксигенация гемоглобина) происходит без изменения валентности железа, т. е. без переноса электронов, характеризующего истинное окисление. Тем не менее гемоглобин, связанный с кислородом, принято называть окисленным (правильнее — оксигемоглобин), а отдавший кислород — восстановленным (правильнее — дезоксигемоглобин).

1 г гемоглобина может  связать 1,36 мл газообразного О₂ (при нормальном атмосферном давлении). Учитывая, к примеру, что в крови человека содержится примерно 150 г/л гемоглобина, 100 мл крови могут переносить около 21 мл О₂.-Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигенация гемоглобина (иначе говоря, процент, на который используется кислородная емкость крови) зависит от парциального давления О₂ в среде, с которой контактирует кровь. Такая зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина. Сложная S-образная форма этой кривой объясняется кооперативным эффектом четырех полипептидных цепей гемоглобина, кислородсвязывающие свойства (сродство к О₂) которых различны.

Благодаря такой особенности венозная кровь, проходя легочные капилляры (альвеолярное Ро₂ приходится на верхнюю часть кривой), оксигенируется почти полностью, а артериальная кровь в капиллярах тканей (где Ро₂ соответствует крутой части кривой) эффективно отдает _О2. Отдаче кислорода способствуетсодержащийся в эритроцитах 2,3-дифосфоглицерат, синтез которого усиливается при гипоксии и интенсификации окислительного процесса в тканях.

Кривая диссоциации  оксигемоглобина сдвигается вправо при повышении температуры и  при увеличении концентрации водородных ионов в среде, которая, в свою очередь, зависит от Рсо₂ (эффект Вериго-Бора). Поэтому создаются условия для более полной отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях, особенно там, где выше интенсивность метаболизма, например в работающих мышцах. Однако и в венозной крови большая или меньшая часть (от 40 до 70%) гемоглобина остается в оксигенированной форме. Так, у человека каждые 100 мл крови отдают тканям 5—6 мл О₂ (так называемая артерио-венозная разница по кислорду) и, естественно, на ту же величину обогащаются кислородом в легких.

Сродство гемоглобина  к кислороду измеряется величиной  парциального давления кислорода, при  которой гемоглобин насыщается на 50% (Р₅₀); У человека оно составляет в норме 26,5 мм рт. ст. для артериальной крови. Параметр р₅₀ отражает способность дыхательного пигмента связывать кислород. Этот параметр выше для гемоглобина животных, обитающих в бедной кислородом среде, а также для так называемого фетального гемоглобина, который содержится в крови плода, получающего кислород из крови матери через плацентарный барьер.

                              

         Механизм транспорта углекислого газа кровью.

Хотя СО₂ растворяется в жидкости гораздо лучше, чем СО₂, только 3-6% общего количества продуцируемого тканями СО₂ переносится плазмой крови в физически растворенном состоянии. Остальная часть вступает в химические связи.

Поступая в тканевые капилляры, СО₂ гидратируется, образуя нестойкую угольную кислоту:

         СО₂ + Н₂0 = Н₂СО₃ à Н⁺ + НСО₃^-

Направление этой обратимой реакции зависит от Рсо₂ в среде. Она резко ускоряется под действием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах, куда СО₂ быстро диффундирует из плазмы.

Около 4/5 углекислого  газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО₂^-. Связыванию СО₂ способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства) гемоглобина в момент отдачи им кислорода — дезоксигенирование (эффект Холдейна). При этом гемоглобин высвобождает связанный с ним ион калия, с которым, в свою очередь, реагирует угольная кислота:

                                        К⁺ + НbО₂ + Н⁺ + НСО_з^- àННЬ + КНСО_з + О₂

Часть ионов НСО_з диффундирует в плазму, связывая там ионы натрия, в эритроцит же поступают в порядке сохранения ионного равновесия ионы хлора.

Кроме того, также за счет уменьшения протонного сродства дезоксигениро-ванный гемоглобин легче образует карбаминовые соединения, связывая при этом еще около 15% переносимого кровью СО₂.

В легочных капиллярах происходит высвобождение части СО₂, который диффундирует в альвеолярный газ. Этому способствует более низкое, чем в плазме, альвеолярное Рсо₂, а также усиление кислотных свойств гемоглобина при его оксигенации. В ходе дегидратации угольной кислоты в эритроцитах (эта реакция тоже резко ускоряется карбоангидразой) оксигемоглобин вытесняет ионы калия из гидрокарбоната. Ионы НСО_з^- поступают из плазмы в эритроцит,а ионы С1^-— в обратном направлении. Таким путем каждые 100 мл крови отдают в легких 4—5 мл СО₂ — то же количество, какое кровь получает в тканях (артерио-венозная разница по СО₂).

Гемоглобин (в силу амфотерных свойств) и гидрокарбонат являются важными буферными системами крови. Гидрокарбонатная система играет особую роль благодаря тому, что в ее состав входит летучая угольная кислота. Так, при поступлении в кровь кислых продуктов метаболизма гидрокарбонат как соль слабой (угольной) кислоты отдает свой анион, а избыток углекислого газа выводится легкими, что способствует нормализации рН крови. Поэтому гиповентиляция легких сопровождается наряду с гиперкапнией увеличением концентрации водородных ионов в крови — дыхательным (респираторным) ацидозом, а гипервентиляция наряду с гипокапнией — сдвигом активной реакции крови в щелочную сторону — дыхательным алкалозом.