Транспорт газов - Биофизика сложных систем. Биофизика дыхания

Важнейший механизм газообмена - это диффузия, при которой молекулы перемещаются из области их высокого скопления в область низкого содержания без затраты энергии (пассивный транспорт).

Атмосферный воздух содержит в основном азот (79%), кислород (21%), следы СО 2 и прочих газов. В воздухе также содержится водяной пар. На уровне моря, водяной пар составляет 47 мм рт. ст. Для простоты, физиологи и врачи, как правило, предполагают, что комнатный воздух сухой. Тогда несложно вычислить, парциальное давление кислорода равно 160 мм рт. ст. Концентрация углекислого газа в комнатном воздухе достаточно низкая (0,04%), поэтому будем считать парциальное давление равным 0.

Для улучшения доставки и транспортировки O 2 и СО 2 из тканей, развились специализированные механизмы (оксигемоглобин и бикарбонатный транспорт CO 2).

Кислород плохо растворим в воде, и поэтому требует носителя, гемоглобина (Hb), для транспортировки в крови. Кровь обычно содержит около 15 г Hb на 100 мл. Каждая молекула гемоглобина (М=68кДа) содержит 4 гема, а поэтому может транспортировать 4 молекулы кислорода. Заметим, что при взаимодействии с кислородом гемоглобин, превращаясь в оксигемоглобин, не окисляется, а оксигенируется - присоединяет кислород без изменения валентности железа(Fe І+) в геме. Обычно Hb почти полностью насыщен (96%). Не весь O2, связанный с Hb высвобождается в тканях. В состоянии покоя лишь около 25% О2 выпущено в кровь. Это обеспечивает большую движущую силу для диффузии и большой запас O2, который может быть использован в случае необходимости. Диоксид углерода является продуктом окислительного метаболизма. В отличие от O2, CO2 очень хорошо растворим в воде и

Не нуждается в носителе для транспортировки в крови. Большинство молекул (60%) диоксида углерода в крови транспортируется как бикарбонат (HCO3). Превращение СО2 в бикарбонат катализируется ферментом карбоангидразы, расположенным внутри красных кровяных клеток.

CO2 + H2O = H2CO3 = (HCO3)- + H+ (6)

Около 10% от общего объема СО2 в крови транспортируется в виде растворенного СО2. Остальные 30% СО2 в сочетании с Hb образуют карбоксигемоглобин.

По мере повышения давления в тканях растворяется все большая масса газов. Для оценки временного фактора в процессах насыщения и рассыщения живых тканей проанализируем кинетику свободной диффузии газов. Скорость диффузии определяется законом Фика (формула 3). Период полунасыщения (и полурассыщения) многих тканей организма исчисляется часами. В состоянии перенасыщения свободная энергия газа больше, чем при насыщении. Поэтому оно термодинамически неустойчиво, и газы образуют в тканях и крови пузырьки. Достигнув достаточно больших размеров, они могут закупорить мелкие кровеносные сосуды и вызвать газовую эмболию.

Рассмотрим, как кислород переносится с помощью гемоглобина в ткани (рис.4). Давление кислорода в легких 100 мм рт. ст., а в венозной крови, поступающей к легким 40 мм рт. ст. Кислород при большом градиенте переходит в кровь. В итоге, гемоглобин насыщается кислородом до наступления равновесия (давления 100 мм рт. ст.). Когда мы говорим о переходе кислорода к тканям, тут мы наблюдаем обратный эффект. Парциальное давление кислорода в артериальной крови равно 100 мм рт. ст., в то время в тканях - 40 мм рт. ст. Опять же из-за большого градиента кислород покидает кровь и идет к тканям. Это происходит до наступления равновесия, пока давление кислорода в крови не станет равным 40 мм рт. ст. Но несмотря на это, после насыщения тканей гемоглобин достаточно заполнен кислородом, так как даже при 40 мм рт. ст. он еще содержит определенное количество кислорода.

Рисунок 4

Похожие статьи




Транспорт газов - Биофизика сложных систем. Биофизика дыхания

Предыдущая | Следующая