生理學(xué)/氧的運(yùn)輸
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血液中的O2以溶解的和結(jié)合的兩種形式存在。溶解的量極少，僅占血液總O2含量的約1.5%，結(jié)合的占 98.5%左右。O2的結(jié)合形式是氧合血紅蛋白（HbO2）。血紅蛋白（hemoglobin,Hb）是紅細(xì)胞內(nèi)的色蛋白，它的分子結(jié)構(gòu)特征使之成為極好的運(yùn)O2工具。Hb還參與CO2的運(yùn)輸，所以在血液氣體運(yùn)輸方面Hb占極為重要的地位。
目錄 |
（一）Hb分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
每1Hb分子由1個(gè)珠蛋白和4個(gè)血紅素（又稱(chēng)亞鐵原卟啉）組成（圖5-12）。每個(gè)血紅素又由4個(gè)吡咯基組成一個(gè)環(huán)，中心為一鐵原子。每個(gè)珠蛋白有4條多肽鏈，每條多肽鏈與1個(gè)血紅至少連接構(gòu)成Hb的單體或亞單位。Hb是由4個(gè)單體構(gòu)成的四聚體。不同Hb分子的珠蛋白的多肽鏈的組成不同。成年人Hb（HbA）的多肽鏈?zhǔn)?條α鏈和2條β鏈，為α2β2結(jié)構(gòu)。胎兒Hb（HbF）是2條α鏈和2條γ鏈，為α2γ2結(jié)構(gòu)。出生后不久HbF即為HbFA所取代。多肽鏈中氨基酸的排列順序已經(jīng)清楚。每條α鏈含141個(gè)氨基酸殘基，每條β鏈含146個(gè)氨在酸殘基。血紅素的Fe2+均連接在多肽鏈的組氨基酸殘基上，這個(gè)組氨酸殘基若被其它氨基酸取代，或其鄰近的氨基酸有所改變，都會(huì)影響Hb的功能?？梢?jiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)。
Hb的4個(gè)單位之間和亞單位內(nèi)部由鹽鍵連接。Hb與O2的結(jié)合或解離將影響鹽鍵的形成或斷裂，使Hb四級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)型發(fā)生改變，Hb與O2的親和力也隨之而變，這是Hb氧離曲線呈S形和波爾效應(yīng)的基礎(chǔ)（見(jiàn)下文）。
圖5-12 血紅蛋白組成示意圖
（二）Hb與O2結(jié)合的特征
血液中的O2主要以氧合Hb（HbO2）形式運(yùn)輸。O2與Hb的結(jié)合有以下一些重要特征：
1．反應(yīng)快、可逆、不需酶的催化、受PO2的影響。當(dāng)血液流經(jīng)PO2高的肺部時(shí)，Hb與 O2結(jié)合，形成HbO2；當(dāng)血液流經(jīng)PO2低的組織時(shí)，HbO2迅速解離，釋放O2，成為脫氧Hb：
2．Fe2+與O2結(jié)合后仍是二價(jià)鐵，所以該反應(yīng)是氧合（oxygenation），不是氧化（oxidation）。
3．1分子Hb可以結(jié)合4分子O2。Hb分子量是64000-67000道爾頓（d），所以1gHb可以結(jié)合1.34-1.39mlO2，視Hb純度而異。100ml血液中，Hb所能結(jié)合的最大O2量稱(chēng)為Hb的氧容量。此值受Hb濃度的影響；而實(shí)際結(jié)合的O2量稱(chēng)為Hb的氧含量，其值可受PO2的影響。Hb氧含量和氧容量的百分比為Hb氧飽和度。例如，Hb濃度在15g/100ml血液時(shí)，Hb的氧容量=15×1.34=Hb 20.1ml/100ml血液，如Hb的氧含量是20.1ml，則Hb氧飽和度是100%。如果Hb氧含量實(shí)際是15ml，則Hb氧飽和度=15/20×100%=75%。通常情況下，溶解的O2極少，故可忽略不計(jì)，因此，Hb氧容量，Hb氧含量和Hb氧飽和度可分別視為血氧容量（osygen capacity）、血氧含量（oxygen content）和血氧飽和度（oxygen saturatino）。HbO2呈鮮紅色，去氧Hb呈紫藍(lán)色，當(dāng)體表表淺毛細(xì)血管床血液中去氧Hb 含量達(dá)5g/100ml血液以上時(shí)，皮膚、粘膜呈淺藍(lán)色，稱(chēng)為紫紺。
4．Hb與O2的結(jié)合或解離曲線呈S形，與Hb的變構(gòu)效應(yīng)有關(guān)。當(dāng)前認(rèn)為Hb有兩種構(gòu)型：去氧Hb為緊密型（tense form,T型），氧合Hb為疏松型（relaxed form,R型）。當(dāng)O2與Hb的Fe2+結(jié)合后，鹽鍵逐步斷裂，Hb 分子逐步由T型變?yōu)镽型，對(duì)O2的親和力逐步增加，R型的O2親和力為T(mén)型的數(shù)百倍。也就是說(shuō)，Hb 的4個(gè)亞單位無(wú)論在結(jié)合O2或釋放O2時(shí)，彼此間有協(xié)同效應(yīng)，即1個(gè)亞單位與O2結(jié)合后，由于變構(gòu)效應(yīng)的結(jié)果，其它亞單位更易與O2結(jié)合；反之，當(dāng)HbO2的1個(gè)亞單位釋出O2后，其它亞單位更易釋放O2。因此，Hb氧離曲線呈S形。
（三）氧離曲線
氧離曲線（oxygen dissociation curve）或氧合血紅蛋白解離曲線是表示PO2與Hb 氧結(jié)合量或Hb氧飽和度關(guān)系的曲線（圖5-13）。該曲線既表示不同PO2時(shí)，O2與Hb 的結(jié)合情況。上面已經(jīng)提到的曲線呈S形，是Hb變構(gòu)效應(yīng)所致。同時(shí)曲線的S形還有重要的生理意義，下面分析氧離曲線各段的特點(diǎn)及其功能意義。
圖5-13 氧離曲線
（實(shí)線，在Ph7.4,PCO2 40mmHg,溫度37℃時(shí)測(cè)定的）
同時(shí)示溶解的O2和在Hb濃度為15g/100ml血液時(shí)的總血O2含量（1mmHg=0.133kPa）
1．氧離曲線的上段 相當(dāng)于PO27.98-13.3kPa(60-100mmHg)，即PO2較高的水平，可以認(rèn)為是Hb與O2結(jié)合的部分。這段曲線較平坦，表明PO2的變化對(duì)Hb氧飽和度影響不大。例如PO2為13.3kPa(100mmHg)時(shí)（相當(dāng)于動(dòng)脈血PO2），Hb氧飽和度為97.4%，血O2含量約為19.4ml%；如將吸入氣PO2提高到19.95kPa(150mmHg)，Hb氧飽和度為100%，只增加了2.6% ,這就解釋了為何VA/Q不匹配時(shí)，肺泡通氣量的增加幾乎無(wú)助于O2的攝取；反之，如使PO2下降到9.31kPa(70mmHg)，Hb氧飽和度為94%，也不過(guò)只降低了3.4%。因此，即使吸入氣或肺泡氣PO2有所下降，如在高原、高空或某些呼吸系統(tǒng)疾病時(shí)，但只要PO2不低于7.98kPa(60mmHg)，Hb氧飽和度仍能保持在90%以上，血液仍可攜帶足夠量的O2，不致發(fā)生明顯的低血氧癥。
2．氧離曲線的中段 該段曲線較陡，相當(dāng)于PO25.32-7.98kPa(40-60mmHg)，是HbO2釋放O2的部分。PO25.32kPa(40mmHg)，相當(dāng)于混合靜脈血的PO2，此時(shí)Hb氧飽和度約為75%，血O2含量約14.4ml%，也即是每100ml血液流過(guò)組織時(shí)釋放了5mlO2。血液流經(jīng)組織液時(shí)釋放出的O2容積所占動(dòng)脈血O2含量的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為O2的利用系數(shù)，安靜時(shí)為25%左右。以心輸出量5L計(jì)算，安靜狀態(tài)下人體每分耗O2量約為250ml。
3．氧離曲線的下段 相當(dāng)于PO22-5,32kPa(15-40mmHg)，也是H bO2與O2解離的部分，是曲線坡度最陡的一段，意即PO2稍降，HbO2就可大大下降。在組織活動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，PO2可降至2kPa(15mmHg)，HbO2進(jìn)一步解離，Hb氧飽和度降至更低的水平，血氧含量?jī)H約4.4ml%，這樣每100ml血液能供給組織15mlO2，O2的利用系數(shù)提高到75%，是安靜時(shí)的3倍?？梢?jiàn)該段曲線代表O2貯備。
（四）影響氧離曲線的因素
Hb與O2的結(jié)合和解離可受多種因素影響，使氧離曲線的位置偏移，亦即使Hb對(duì)O2的親和力發(fā)生變化。通常用P50表示Hb對(duì)O2的親和力。P50是使Hb氧飽和度達(dá)50%時(shí)的PO2，正常為3.52 kPa(26.5mmHg)。P50增大，表明Hb對(duì)O2的親和力降低，需更高的PO2才能達(dá)到50%的Hb氧飽和度，曲線右移；P50降低，指示Hb對(duì)O2的親和力增加，達(dá)50%Hb氧飽和度所需的PO2降低，曲線左移。影響Hb與O2親和力或P50的因素有血液的Ph、PCO2、溫度和有機(jī)磷化物（圖5-14）。
1.Hb與PCO2的影響pH降低或升PCO2升高，Hb對(duì)O2的親和力降低，P50增大，曲線右移； pH升高或PCO2降低，Hb對(duì)O2的親和力增加，P50降低，曲線左移。酸度對(duì)Hb氧親和力的這種影響稱(chēng)為波爾效應(yīng)（Bohr effect）。波爾效應(yīng)的機(jī)制，與 pH改變時(shí)h b構(gòu)型變化有關(guān)。酸度增加時(shí)，H+與Hb多肽鏈某些氨基酸殘基的基團(tuán)結(jié)合，促進(jìn)鹽鍵形成，促使Hb分子構(gòu)型變?yōu)門(mén)型，從而降低了對(duì)O2的親和力，曲線右移；酸度降低時(shí)，則促使鹽鍵斷裂放出H+，Hb變?yōu)镽型，對(duì)O2的親和力增加，曲線左移。PCO2的影響，一方面是通過(guò)PCO2改變時(shí)，pH也改變間接效應(yīng)，一方面也通過(guò)CO2與Hb結(jié)合而直接影響Hb與O2的親和力，不過(guò)后一效應(yīng)極小。
波爾效應(yīng)有重要的生理意義，它既可促進(jìn)肺毛細(xì)血管的氧合，又有利于組織毛細(xì)血管血液釋放O2。當(dāng)血液流經(jīng)肺時(shí)，CO2從血液向肺泡擴(kuò)散，血液PCO2下降，［H+］也降低，均使Hb對(duì)O2的親和力增加，曲線左移，在任一PO2下Hb氧飽和度均增加，血液運(yùn)O2量增加。當(dāng)血液流經(jīng)組織時(shí)，CO2從組織擴(kuò)散進(jìn)入血液，血液PCO2和［H+］升高，Hb對(duì)O2的親和力降低，曲線右移，促使HbO2解離向組織釋放更多的O2。
圖5-14 影響氧離曲線位置的主要因素（1mmHg=0.133kPa）
2．溫度的影響 溫度升高，氧離曲線右移，促使O2釋放；溫度降低，曲線左移，不利于O2的釋放。臨床低溫麻醉手術(shù)時(shí)應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。溫度對(duì)氧離曲線的影響，可能與溫度影響了H+活度有關(guān)。溫度升高H+活度增加，降低了Hb對(duì)O2的親和力。當(dāng)組織代謝活躍是局部組織溫度升高，CO2和酸性代謝產(chǎn)物增加，都有利于Hb02解離，活動(dòng)組織可獲得更多的O2以適應(yīng)其代謝的需要。
3．2，3-二磷酸甘油酸 紅細(xì)胞中含有很多有機(jī)磷化物，特別是2，3-二磷酸甘油酸（2.3-diphospoglyceric acid,2,3-DPG），在調(diào)節(jié)Hb和O2的親和力中起重要作用。2,3-DPG濃度升高，Hb對(duì)O2親和力降低，氧離曲線右移：2,3-DPG濃度升降低，Hb對(duì)O2的親和力增加，曲線左移。其機(jī)制可能是2,3-DPG與Hbβ鏈形成鹽鍵，促使Hb變成T型的緣故。此外，2,3-DPG可以提高［H+］，由波爾效應(yīng)來(lái)影響Hb對(duì)O2的親和力。
2,3-DPG是紅細(xì)胞無(wú)氧糖酵解的產(chǎn)物。高山缺O(jiān)2，糖酵解加強(qiáng)，紅細(xì)胞 2,3-DPG增加，氧離曲線右移，有利于O2的釋放，曾認(rèn)為這可能是能低O2適應(yīng)的重要機(jī)制?？墒牵@時(shí)肺泡PO2也降低，紅細(xì)胞內(nèi)過(guò)多的2,3-DPG也妨礙了Hb與O2的結(jié)合。所以缺O(jiān)2時(shí)，2,3-DPG使氧離曲線右移是否有利，是值得懷疑的。
4．Hb自身性質(zhì)的影響除上述因素外，Hb與O2的結(jié)合還為其自身性質(zhì)所影響。Hb的Fe2+氧化成Fe3+，失去運(yùn)O2能力。胎兒Hb和O2的親和力大，有助于胎兒血液流經(jīng)胎盤(pán)時(shí)從母體攝取O2。異常Hb 也降低運(yùn)O2功能。CO與Hb結(jié)合，占據(jù)了O2的結(jié)合位點(diǎn)，HbO2下降。CO與Hb的親和力是O2的250倍，這意味著極低的PCO，CO就可以從HbO2中取代O2，阻斷其結(jié)合位點(diǎn)。此外，CO還有一極為有害的效應(yīng)，即當(dāng)CO與Hb分子中某個(gè)血紅素結(jié)合后，將增加其余3個(gè)血紅素對(duì)O2的親和力，使氧離曲線左移，妨礙O2的解離。所以CO中毒既妨礙Hb與O2的結(jié)合，又妨礙O2的解離，危害極大。
總之，血液Hb的運(yùn)O2量可受多種因素影響：包括PO2、Hb本身的性質(zhì)和含量、pH、PCO2、溫度、2,3-DPG和CO等，pH降低，PCO2升高，溫度升高，2,3-DPG增高，氧離曲線右移；pH升高，PCO2、溫度、2,3-DPG降低和CO中毒，曲線左移。
 氧和二氧化碳在血液中存在的形式 | 二氧化碳的運(yùn)輸  |
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