生理學/氧的運輸

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生理學

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血液中的O₂以溶解的和結合的兩種形式存在。溶解的量極少，僅占血液總O₂含量的約1.5%，結合的占 98.5%左右。O₂的結合形式是氧合血紅蛋白（HbO₂）。血紅蛋白（hemoglobin,Hb）是紅細胞內的色蛋白，它的分子結構特徵使之成為極好的運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。

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，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個血紅至少連接構成Hb的單體或亞單位。Hb是由4個單體構成的四聚體。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結構。胎兒Hb（HbF）是2條α鏈和2條γ鏈，為α₂γ₂結構。出生後不久HbF即為HbFA所取代。多肽鏈中胺基酸的排列順序已經清楚。每條α鏈含141個胺基酸殘基，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胺基酸殘基上，這個組氨酸殘基若被其它胺基酸取代，或其鄰近的胺基酸有所改變，都會影響Hb的功能。可見蛋白質結構和功能密切相關。

Hb的4個單位之間和亞單位內部由鹽鍵連接。Hb與O₂的結合或解離將影響鹽鍵的形成或斷裂，使Hb四級結構的構型發生改變，Hb與O₂的親和力也隨之而變，這是Hb氧離曲線呈S形和波爾效應的基礎（見下文）。

血紅蛋白組成示意圖

圖5-12 血紅蛋白組成示意圖

（二）Hb與O2結合的特徵

血液中的O₂主要以氧合Hb（HbO₂）形式運輸。O₂與Hb的結合有以下一些重要特徵：

1．反應快、可逆、不需酶的催化、受PO₂的影響。當血液流經PO₂高的肺部時，Hb與 O₂結合，形成HbO₂；當血液流經PO₂低的組織時，HbO₂迅速解離，釋放O₂，成為脫氧Hb：

2．Fe²⁺與O₂結合後仍是二價鐵，所以該反應是氧合（oxygenation），不是氧化（oxidation）。

3．1分子Hb可以結合4分子O₂。Hb分子量是64000-67000道爾頓（d），所以1gHb可以結合1.34-1.39mlO₂，視Hb純度而異。100ml血液中，Hb所能結合的最大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的結合或解離曲線呈S形，與Hb的變構效應有關。當前認為Hb有兩種構型：去氧Hb為緊密型（tense form,T型），氧合Hb為疏鬆型（relaxed form,R型）。當O₂與Hb的Fe²⁺結合後，鹽鍵逐步斷裂，Hb 分子逐步由T型變為R型，對O₂的親和力逐步增加，R型的O₂親和力為T型的數百倍。也就是說，Hb 的4個亞單位無論在結合O₂或釋放O₂時，彼此間有協同效應，即1個亞單位與O₂結合後，由於變構效應的結果，其它亞單位更易與O₂結合；反之，當HbO₂的1個亞單位釋出O₂後，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 氧結合量或Hb氧飽和度關係的曲線（圖5-13）。該曲線既表示不同PO₂時，O₂與Hb 的結合情況。上面已經提到的曲線呈S形，是Hb變構效應所致。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。

氧離曲線

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於PO₂7.98-13.3kPa(60-100mmHg)，即PO₂較高的水平，可以認為是Hb與O₂結合的部分。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（相當於動脈血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於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疾病時，但只要PO₂不低於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，不致發生明顯的低血氧症。

2．氧離曲線的中段該段曲線較陡，相當於PO₂5.32-7.98kPa(40-60mmHg)，是HbO₂釋放O₂的部分。PO₂5.32kPa(40mmHg)，相當於混合靜脈血的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。血液流經組織液時釋放出的O₂容積所佔動脈血O₂含量的百分數稱為O₂的利用係數，安靜時為25%左右。以心輸出量5L計算，安靜狀態下人體每分耗O₂量約為250ml。

3．氧離曲線的下段相當於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的利用係數提高到75%，是安靜時的3倍。可見該段曲線代表O₂貯備。

（四）影響氧離曲線的因素

Hb與O₂的結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（Bohr effect）。波爾效應的機制，與 pH改變時h b構型變化有關。酸度增加時，H⁺與Hb多肽鏈某些胺基酸殘基的基團結合，促進鹽鍵形成，促使Hb分子構型變為T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變為R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，一方面也通過CO₂與Hb結合而直接影響Hb與O₂的親和力，不過後一效應極小。

波爾效應有重要的生理意義，它既可促進肺毛細血管的氧合，又有利於組織毛細血管血液釋放O₂。當血液流經肺時，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。

影響氧離曲線位置的主要因素

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，不利於O₂的釋放。臨床低溫麻醉手術時應考慮到這一點。溫度對氧離曲線的影響，可能與溫度影響了H⁺活度有關。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和酸性代謝產物增加，都有利於Hb0₂解離，活動組織可獲得更多的O₂以適應其代謝的需要。

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），在調節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⁺］，由波爾效應來影響Hb對O₂的親和力。

2,3-DPG是紅細胞無氧糖酵解的產物。高山缺O₂，糖酵解加強，紅細胞 2,3-DPG增加，氧離曲線右移，有利於O₂的釋放，曾認為這可能是能低O₂適應的重要機制。可是，這時肺泡PO₂也降低，紅細胞內過多的2,3-DPG也妨礙了Hb與O₂的結合。所以缺O₂時，2,3-DPG使氧離曲線右移是否有利，是值得懷疑的。

4．Hb自身性質的影響除上述因素外，Hb與O₂的結合還為其自身性質所影響。Hb的Fe²⁺氧化成Fe³⁺，失去運O₂能力。胎兒Hb和O₂的親和力大，有助於胎兒血液流經胎盤時從母體攝取O₂。異常Hb 也降低運O₂功能。CO與Hb結合，佔據了O₂的結合位點，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，阻斷其結合位點。此外，CO還有一極為有害的效應，即當CO與Hb分子中某個血紅素結合後，將增加其餘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的結合，又妨礙O₂的解離，危害極大。