Газова обмяна в организма. Обмяна и транспорт на кислород и въглероден диоксид

1. Газова обмяна и газов транспорт.

Газовата обмяна в дихателната система отговаря за дифузията на О2 и СО2 в белите дробове и в тъканите. О2 се пренася от алвеоларния газ в белодробната капилярна кръв и накрая се освобождава в тъканите, където навлиза чрез дифузия от системната капилярна кръв в клетките. СО2 се освобождава от тъканите във венозната кръв и се пренася към белодробната капилярна кръв и към алвеоларния газ за издишване.

Въздухът е газова смес, съдържаща газовете азот, кислород и въглероден диоксид. Всеки газ в сместа упражнява парциално (частично) налягане, което е пропорционално на концентрацията на газа в газовата смес.

Сумата от парциалните налягания на всички газове от газовата смес е равна на общото барометрично налягане на газовата смес.

Обмяната на газовете в белите дробове става между алвеоларния въздух и кръвта в белодробните капиляри. Когато газ и течност са в контакт, без да си взаимодействат химически, газовите молекули проникват в течността. Това явление се нарича физично разтваряне (абсорбция). Абсорбцията на газа в течността продължава, докато се установи равновесие между броя на газовите молекули, които влизат в течността и броя на газовите молекули, които излизат от нея за единица време. Абсорбцията е правопропорционална на налягането на газа в газовата смес и е специфична за всеки газ.

Например при равни други условия абсорбцията на СО2 в кръвната плазма е 20 пъти по-голяма от абсорбцията на О2. Концентрацията на абсорбирания газ в течността се  представя като обемен процент – ml газ/100 ml кръв (милилитри газ разтворени в 100 ml кръв).

Пренасянето на газа през клетъчните мембрани или през капилярните стени се осъществява чрез проста дифузия. Скоростта на пренасянето чрез дифузия нараства при по-голяма разлика в парциалното налягане на газа от двете страни на преградата и при по-голяма площ на преградата, през която се извършва дифузията и намалява при нарастване на дебелината на преградата, през която се извършва дифузията. Скоростта на пренасянето зависи от молекулното тегло, температурата и разтворимостта на газа.

Газът в алвеолите се представя като парциално налягане. В кръвта газът може да бъде физически разтворен, свързан с протеини или химически модифициран.

Всички газове в кръвта (О2, СО2, N) се транспортират в разтворено състояние. Разтворените газове могат да се представят като парциално налягане.

О2 и СО (въглероден монооксид) се транспортират и свързани с хемоглобина. СО2 се свързва с хемоглобина и с плазмените протеини.

СО2 претърпява и химическо превръщане. СО2 се превръща в НСО3- в еритроцитите чрез действието на ензима карбоанхидраза. Повечето от СО2 в кръвта се транспортира като НСО3-.

2. Газова обмяна в белите дробове.

В белите дробове О2 преминава от алвеоларния въздух към кръвта, а СО2 – от кръвта към алвеоларния въздух. Алвеоларният въздух съдържа по-малко О2 и повече СО2 от атмосферния въздух. Причината за това е, че всяко дихателно движение обменя само частично алвеоларния въздух. При дихателен обем 500 ml, 140 ml остават в мъртвото пространство и само 360 ml достигат до алвеолите, където се смесват с остатъчния обем (ОО) и експираторния резервен обем (ЕРО). рО2 в алвеолите е 100 mmHg, а рО2 в системната венозна кръв е 40 mmHg. Градиентът на рО2, който е движещата сила за дифузията на О2 от алвеоларния въздух в белодробните капиляри е 60 mmHg (100 mmHg – 40 mmHg).

рСО2 в системната венозна кръв е 45 mmHg, а рСО2 в алвеолите е 40 mmHg – градиентът на рСО2, който осъществява дифузията е малък: само 5 mmHg (45 mmHg – 40 mmHg). Кръвта, която се влива от белодробните вени в лявото предсърдие има същия газов състав като този в алвеоларния въздух. Алвеоло-капилярна преграда е тънка и дифузията през нея се извършва бързо – газовете са липоидоразтворими и преминават лесно през мембраните. Голяма част от О2 , който навлиза в плазмата преминава в еритроцитите, свързва се с хемоглобина и се образува оксихемоглобин (HbO2). СО2 се абсорбира с голяма скорост и затова дифундира бързо, въпреки малката разлика в неговото парциално налягане в кръвта и в алвеоларния въздух.

3. Газова обмяна в тъканите.

В тъканите се осъществява дифузия на О2 от кръвта към интерстициалната течност и оттам към клетките и дифузия на СО2 в обратната посока. Клетките използват О2 за окислителните си процеси. В различните органи интензивността на окислителните процеси е различна, но средната стойност на рО2 в тъканите е 30 – 40 mmHg. В кръвта на големите венозни съдове и на белодробния ствол рО2 е около 40 mmHg. Когато рО2 в плазмата на тъканните капиляри се намали, поради преминаването на О2 към интерстициалната течност, HbO2 започва да освобождава О2. Отдаването на О2 се подпомага от навлизането на СО2 и Н+ от клетките към кръвта. рСО2 в тъканите е около 45 mmHg, но може да има и по-висока стойност. Дифузията на СО2 и тук протича бързо, въпреки малката разлика в рСО2 (5 mmHg) между интерстициалната течност (рСО2 = 45 mmHg) и кръвта идваща към тъканите (рСО2 = 40 mmHg). Във венозния край на капилярите рСО2 става 45 mmHg.

Обмяна и транспорт на кислорода.

Кислородът се транспортира в две форми в кръвта – разтворен и свързан към Hb.

1) Разтвореният О2 е само 2% от тоталното съдържание на О2 в кръвта. Нормално концентрацията на разтворения О2 е много малка и разтвореният О2 е недостатъчен да посрещне нуждите на тъканите от О2. Необходим е допълнителен механизъм, който да транспортира големи количества О2 в кръвта – това е кислородът, който е свързан с хемоглобина (Hb).

2) 98% от тоталното съдържание на О2 в кръвта е обратимо свързано с хемоглобина в еритроцитите под форма на оксихемоглобин.

Обмяна и транспорт на въглероден диоксид (СО2).

СО2 се образува в тъканите и навлиза в плазмата на кръвта. СО2 се транспортира в кръвта в три форми.

1) Като разтворен СО2 – 10% от тоталното съдържание на СО2 в кръвта.

2) Като карбаминохемоглобин (СО2 свързан с хемоглобина) – 20% от тоталното съдържание на СО2. В тъканите, където рСО2 е по-високо се образува карбаминохемоглобин, а в белите дробове, където то е по-ниско, карбаминохемоглобинът се разгражда и СО2 се извежда в алвеолите.

3) Като хидрогенкарбонатен анион (HCO3-), който е химически модифицирана форма на СО2 – 70% от тоталния СО2. Реакцията, която произвежда HCO3- от СО2 включва комбинация на СО2 и Н2О до формиране на въглеродна киселина – Н2СО3. Тази реакция се катализира от ензима карбоанхидраза. Н2СО3 дисоциира на Н+ и HCO3-. Двете реакции са обратими.

В тъканите СО2 от аеробния метаболизъм се добавя към системната капилярна кръв, превръща се в HCO3- и главно под тази форма се транспортира към белите дробове, където HCO3- се трансформира в отново в СО2 и се издишва.