生理學(xué):第三節(jié)　氣體在血液中的運輸

從肺泡擴散入血液的O₂必須通過血液循環(huán)運送到各組織，從組織散入血液的CO₂的也必須由血液循環(huán)運送到肺泡。下述O₂和CO₂在血液中運輸?shù)臋C制。

一、氧和二氧化碳在血液中存在的形式

O₂和CO₂的都以兩種形式存在于血液：物理溶解的和化學(xué)結(jié)合的。

氣體在溶液中溶解的量與分壓和溶解度成正比，和溫度成反比。溫度38℃時，1個大氣壓（760Hg,101.08kPa)的 O₂和 CO₂和在100ml血液中溶解的量分別是2.36ml和48ml。按此計算，靜脈血 PCO₂和為6.12kPa(46mmHg)，則每100ml血液含溶解的CO₂為（48×6.12)/101.08=2.9ml；動脈血PO₂為13.3kPa(100mmHg),每100ml血液含溶解的O₂為（2.36×13.3)/101.08=0.31ml�？墒�，血液中實際的O₂和O₂為CO₂含量比這數(shù)字大得多（表5-4)，以溶解形式存在的O₂、CO₂比例極少，顯然單靠溶解形式來運輸O₂、CO₂不能適應(yīng)機體代謝的需要。例如，安靜狀態(tài)下人體耗O₂量約為250ml/min，如只靠物理溶解的O₂來提供，則需大大提高心輸出量或提高肺泡內(nèi)的PO₂，這對機體極其不利，所幸在進化過程中形成了O₂、CO₂為極為有效地化學(xué)結(jié)合的運輸形式，大大減輕了對心臟和呼吸器官的苛求。

表5-4血液O₂和CO₂的含量（ml/100ml 血液)

雖然溶解形式的O₂、CO₂很少，但也很重要。因為在肺或組織進行氣體交換時，進入血液的O₂、CO₂都是先溶解，提高分壓，再出現(xiàn)化學(xué)結(jié)合；O₂、CO₂從血液釋放時，也是溶解的先逸出，分壓下降，結(jié)合的再分離出現(xiàn)補充所失去的溶解的氣體。溶解的和化學(xué)結(jié)合的兩者之間處于動態(tài)平衡。

二、氧的運輸

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O₂工具。Hb還參與CO₂的運輸，所以在血液氣體運輸方面Hb占極為重要的地位。

（一)Hb分子結(jié)構(gòu)簡介

每1Hb分子由1個珠蛋白和4個血紅素（又稱亞鐵原卟啉)組成（圖5-12)。每個血紅素又由4個吡咯基組成一個環(huán)，中心為一鐵原子。每個珠蛋白有4條多肽鏈，每條多肽鏈與1個血紅至少連接構(gòu)成Hb的單體或亞單位。Hb是由4個單體構(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)的多肽鏈是2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個氨基酸殘基，每條β鏈含146個氨在酸殘基。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，都會影響Hb的功能�？梢姷鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)。

Hb的4個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。當血液流經(jīng)PO₂高的肺部時，Hb與 O₂結(jié)合，形成HbO₂；當血液流經(jīng)PO₂低的組織時，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量稱為Hb的氧容量。此值受Hb濃度的影響；而實際結(jié)合的O₂量稱為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，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，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呈紫藍色，當體表表淺毛細血管床血液中去氧Hb 含量達5g/100ml血液以上時，皮膚、粘膜呈淺藍色，稱為紫紺。

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)。當前認為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O₂的親和力逐步增加，R型的O₂親和力為T型的數(shù)百倍。也就是說，Hb 的4個亞單位無論在結(jié)合O₂或釋放O₂時，彼此間有協(xié)同效應(yīng)，即1個亞單位與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HbO₂的1個亞單位釋出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，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及其功能意義。

圖5-13 氧離曲線

（實線，在Ph7.4,PCO₂ 40mmHg,溫度37℃時測定的)

同時示溶解的O₂和在Hb濃度為15g/100ml血液時的總血O₂含量（1mmHg=0.133kPa)

1．氧離曲線的上段 相當于PO₂7.98-13.3kPa(60-100mmHg)，即PO₂較高的水平，可以認為是Hb與O₂結(jié)合的部分。這段曲線較平坦，表明PO₂的變化對Hb氧飽和度影響不大。例如PO₂為13.3kPa(100mmHg)時（相當于動脈血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V_A/Q不匹配時，肺泡通氣量的增加幾乎無助于O₂的攝��；反之，如使PO₂下降到9.31kPa(70mmHg)，Hb氧飽和度為94%，也不過只降低了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，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，相當于PO₂5.32-7.98kPa(40-60mmHg)，是HbO₂釋放O₂的部分。PO₂5.32kPa(40mmHg)，相當于混合靜脈血的PO₂，此時Hb氧飽和度約為75%，血O₂含量約14.4ml%，也即是每100ml血液流過組織時釋放了5mlO₂。血液流經(jīng)組織液時釋放出的O₂容積所占動脈血bhskgw.cn/shiti/O₂含量的百分數(shù)稱為O₂的利用系數(shù)，安靜時為25%左右。以心輸出量5L計算，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。在組織活動加強時，PO₂可降至2kPa(15mmHg)，HbO₂進一步解離，Hb氧飽和度降至更低的水平，血氧含量僅約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%，是安靜時的3倍�？梢娫摱吻�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O₂的親和力發(fā)生變化。通常用P₅₀表示Hb對O₂的親和力。P₅₀是使Hb氧飽和度達50%時的PO₂，正常為3.52 kPa(26.5mmHg)。P₅₀增大，表明Hb對O₂的親和力降低，需更高的PO₂才能達到50%的Hb氧飽和度，曲線右移；P₅₀降低，指示Hb對O₂的親和力增加，達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、溫度和有機磷化物（圖5-14)。

1.Hb與PCO₂的影響pH降低或升PCO₂升高，Hb對O₂的親和力降低，P₅₀增大，曲線右移； pH升高或PCO₂降低，Hb對O₂的親和力增加，P₅₀降低，曲線左移。酸度對Hb氧親和力的這種影響稱為波爾效應(yīng)（Bohr effect)。波爾效應(yīng)的機制，與 pH改變時h b構(gòu)型變化有關(guān)。酸度增加時，H⁺與Hb多肽鏈某些氨基酸殘基的基團結(jié)合，促進鹽鍵形成，促使Hb分子構(gòu)型變?yōu)門型，從而降低了對O₂的親和力，曲線右移；酸度降低時，則促使鹽鍵斷裂放出H⁺，Hb變?yōu)镽型，對O₂的親和力增加，曲線左移。PCO₂的影響，一方面是通過PCO₂改變時，pH也改變間接效應(yīng)，一方面也通過CO₂與Hb結(jié)合而直接影響Hb與O₂的親和力，不過后一效應(yīng)極小。

波爾效應(yīng)有重要的生理意義，它既可促進肺毛細血管的氧合，又有利于組織毛細血管血液釋放O₂。當血液流經(jīng)肺時，CO₂從血液向肺泡擴散，血液PCO₂下降，[H⁺]也降低，均使Hb對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O₂量增加。當血液流經(jīng)組織時，CO₂從組織擴散進入血液，血液PCO₂和[H⁺]升高，Hb對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)時應(yīng)考慮到這一點。溫度對氧離曲線的影響，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O₂的親和力。當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 紅細胞中含有很多有機磷化物，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O₂親和力降低，氧離曲線右移：2,3-DPG濃度升降低，Hb對O₂的親和力增加，曲線左移。其機制可能是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)來影響Hb對O₂的親和力。

2,3-DPG是紅細胞無氧糖酵解的產(chǎn)物。高山缺O(jiān)₂，糖酵解加強，紅細胞 2,3-DPG增加，氧離曲線右移，有利于O₂的釋放，曾認為這可能是能低O₂適應(yīng)的重要機制�？墒�，這時肺泡PO₂也降低，紅細胞內(nèi)過多的2,3-DPG也妨礙了Hb與O₂的結(jié)合。所以缺O(jiān)₂時，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)胎盤時從母體攝取O₂。異常Hb 也降低運O₂功能。CO與Hb結(jié)合，占據(jù)了O₂的結(jié)合位點，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。此外，CO還有一極為有害的效應(yīng)，即當CO與Hb分子中某個血紅素結(jié)合后，將增加其余3個血紅素對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。

三、二氧化碳的運輸

（一)CO2的運輸

血液中CO₂也 以溶解和化學(xué)結(jié)合的兩種形式運輸�；瘜W(xué)結(jié)合的CO₂主要是碳酸氫鹽和氨基甲酸血紅蛋白。表5-5示血液中各種形式CO₂的含量（ml/100ml 血液)、運輸量（%)和釋出量（%)。溶解的CO₂約占總運輸量的5%，結(jié)合的占95%（碳酸氫鹽形式的占88%，氨基甲酸血紅蛋白形式占7%)。

從組織擴散入血CO₂首先溶解于血漿，一小部分溶解的CO₂緩慢地和水結(jié)合生成碳酸，碳酸又解離成碳酸氫根和氫離子，H⁺被血漿緩沖系統(tǒng)緩沖，pH無明顯變化。溶解的CO₂也與血漿蛋白的游離氨基反應(yīng)，生成打官司基甲酸血漿蛋白，但形成的量極少，而且動靜脈中的含量相同，表明它對CO₂的運輸不起作用。

在血漿中溶解的CO₂絕大部分擴散進入紅細胞內(nèi)，在紅細胞內(nèi)主要以下述結(jié)合形式存在：

表5-5 血液中各種形式CO₂的含量（ml/100ml血液)、運輸量（%)和釋出量（%)

運輸量（%)是指各種形式的CO₂含量/CO₂總含量×100%

釋放量（%)是指各種形式的CO₂在肺釋放量/CO₂總釋放量×100%

1．碳酸氫鹽 從組織擴散進入血液的大部分CO₂，在紅細胞內(nèi)與水反應(yīng)生成碳酸，碳酸又解離成碳酸氫根和氫離子，反應(yīng)極為迅速，可逆（圖5-15)。這是因為紅細胞內(nèi)含有較高濃度的碳酸酐酶，在其催化下，使反應(yīng)加速5000倍，不到1s即達平衡。在此反應(yīng)過程中紅細胞內(nèi)碳酸氫根濃度不斷增加，碳酸氫根便順濃度梯度紅細胞膜擴散進入血漿。紅細胞負離子的減少應(yīng)伴有同等數(shù)量的正離子的向外擴散，才能維持電平衡�？墒羌t細胞膜不允許正離子自由通過，小的負離子可以通過，于是，氯離子便由血漿擴散進入紅細胞，這一現(xiàn)象稱為氯離子轉(zhuǎn)移（chloride shift)。在紅細胞膜上有特異的HCO₃^—CI^-載體，運載這兩類離子跨膜交換。這樣，碳酸氫根便不會在紅細胞內(nèi)堆積，有利于反應(yīng)向右進行和CO₂的運輸。在紅細胞內(nèi)，碳酸氫根與K⁺結(jié)合，在血漿中則與Na⁺結(jié)合成碳酸氫鹽。上述反應(yīng)中產(chǎn)生的H⁺，大部分和Hb結(jié)合，Hb 是強有力的緩沖劑。

圖5-15 CO₂在血液中的運輸示意圖

在肺部，反應(yīng)向相反方向（左)進行。因為肺泡氣PCO₂比靜脈血的低，血漿中溶解的CO₂首先擴散入肺泡，紅細胞內(nèi)的HCO₃+H⁺生成H²CO₃，碳酸酐酶又催化H²CO₃分解成CO₂和H²O，CO₂又從紅細胞擴散入血漿，而血漿中的HCO₃便進入紅細胞以補充消耗的HCO₃，CI^-則出紅細胞。這樣以HCO₃形式運輸?shù)腃O₂，在肺部又轉(zhuǎn)變成CO₂釋出。

2．氨基甲酸血紅蛋白 一部分CO₂與Hb的氨基結(jié)合生成氨基甲酸血紅蛋白（carbaminohemoglobin)，這一反應(yīng)無需酶的催化、迅速、可逆，主要調(diào)節(jié)因素是氧合作用。

HbO₂與CO₂結(jié)合形成HbNHCOOH的能力比去氧Hb的小。在組織里，解離釋出O₂，部分HbO₂變成去氧Hb，與CO₂結(jié)合生成HbNHCOOH。此外，去氧Hb 酸性較HbO₂弱，去氧Hb和H⁺結(jié)合，也促進反應(yīng)向右側(cè)進行，并緩沖了pH的變化。在肺的HbO₂生成增多，促使HHbNHCOOH解離釋放CO₂和H⁺，反應(yīng)向左進行。氧合作用的調(diào)節(jié)有重要意義，從表5-5可以看出，雖然以氨基甲酸血紅蛋白形式運輸?shù)腃O₂僅占總運輸量的7%，但在肺排出的CO₂中卻有17.5%是從氨基甲酸血紅蛋白釋放出來的。

（二)CO2解離曲線

CO₂解離曲線（carbon dioxide dissociation curve)是表示血液中CO₂含量與PCO₂關(guān)系的曲線（圖5-16)。與氧離曲線不同，血液CO₂含量隨PCO₂上升而增加，幾乎成線性關(guān)系而不是s 形，而且沒有飽和點。因此，CO₂解離曲線的縱坐標不用飽和度而用濃度來表示。

圖5-16的A點是靜脈血PO₂5.32kPa(40mmHg)，PCO₂6kPa(45mmHg)時的CO₂含量，約為52ml%；B點是動脈血PO₂13.3kPa(100mmHg)，PCO₂5.32kPa(40mmHg)時的CO₂含量，約為48ml%，血液流經(jīng)肺時通常釋出CO₂4ml/100ml血液。

圖5-16 CO₂解離曲線

A：靜脈血 B：動脈血（1mmHg=0.133kPa)

（三)氧與Hb的CO2運輸?shù)挠绊?/h3>

O₂與Hb結(jié)合將促使CO₂釋放，這一效應(yīng)稱作何爾登效應(yīng)（ Haldane effect)。從圖5-16可以看出，在相同PCO_{2bhskgw.cn/kuaiji/}下，動脈血（HbO₂)攜帶的CO₂比靜脈血少。這主要是因為HbO₂酸性較強，而脫氧Hb酸性較弱的緣故。所以脫氧Hb易和CO₂結(jié)合生成 HbNHCOOh ，也易于和H⁺結(jié)合，使H₂CO₂解離過程中產(chǎn)生的 H⁺被及時移去，有利于反應(yīng)向右進行，提高了血液運輸CO₂的量。于是，在組織中，由于HbO₂釋出O₂而成去氧Hb，經(jīng)何爾登效應(yīng)促使血液攝取并結(jié)合CO₂；在肺，則因Hb與 O₂結(jié)合，促使CO₂釋放�？梢奜₂和CO₂的運輸不是孤立進行的，而是相互影響的。CO₂通過波爾效效影響O₂的結(jié)合和釋放，O₂又通過何爾登效應(yīng)影響CO₂的結(jié)合和釋放。兩者都與Hb的理化特性有關(guān)