Транспорт кислорода: кривая диссоциации оксигемоглобина

Гемоглобин переносит примерно 98% всего кислорода крови, и его готовность связывать или отдавать $O_2$ описывает кривая диссоциации оксигемоглобина. Её необычная S-образная форма объясняет, почему в лёгких кровь насыщается почти полностью, а в работающих тканях легко расстаётся с кислородом. Ниже разберём, как читать эту кривую, что сдвигает её вправо и влево и зачем нужен показатель p50. Если нужно решить конкретную задачу по насыщению или сдвигу кривой, соберите условие в форме ниже.

Что переносит кислород в крови

Кислород транспортируется двумя путями. Основная доля (около 98,5%) химически связана с гемоглобином в эритроцитах в виде оксигемоглобина $HbO_2$. Малая доля (около 1,5%) растворена в плазме физически. Именно растворённая фракция создаёт парциальное давление кислорода $pO_2$, а оно, в свою очередь, управляет связыванием с гемоглобином.

Одна молекула гемоглобина содержит четыре гемовые группы с атомом двухвалентного железа и связывает до четырёх молекул $O_2$. Кислородная ёмкость крови при полном насыщении составляет около 200 мл $O_2$ на литр крови (примерно 1,34 мл $O_2$ на грамм гемоглобина, это число называют константой Гюфнера). Сатурация $SO_2$ показывает, какая доля связывающих мест занята: $SO_2 = \frac{HbO_2}{Hb + HbO_2} \times 100\%$.

Важно различать содержание кислорода и сатурацию. Содержание это абсолютное количество $O_2$ в литре крови, оно зависит и от сатурации, и от концентрации гемоглобина. Сатурация это относительная доля занятых мест, она может быть высокой даже при низком содержании, если гемоглобина мало. Поэтому при анемии сатурация нормальна, а доставленного кислорода всё равно не хватает.

Почему кривая S-образная

Зависимость сатурации от $pO_2$ не линейна, а имеет сигмоидную форму. Причина в кооперативном связывании: присоединение первой молекулы $O_2$ меняет конформацию гемоглобина и облегчает присоединение следующих. Гемоглобин переходит из напряжённого T-состояния (низкое сродство) в расслабленное R-состояние (высокое сродство).

Биологический смысл такой формы двойной. В верхней пологой части (при высоком $pO_2$, как в альвеолах около 100 мм рт. ст.) сатурация остаётся высокой даже при заметном падении давления, поэтому насыщение в лёгких устойчиво. Даже если альвеолярное давление снизится до 80 мм рт. ст., сатурация почти не упадёт. В крутой средней части (при $pO_2$ около 20-40 мм рт. ст., как в тканях) небольшое снижение давления резко увеличивает отдачу $O_2$. Такое поведение нельзя получить от гемоглобина без кооперативности, например от миоглобина, у которого кривая гиперболическая и который поэтому удобен как депо кислорода в мышце, но не как переносчик.

Показатель p50 и сродство к кислороду

p50 это парциальное давление кислорода, при котором гемоглобин насыщен на 50%. У взрослого человека в норме p50 составляет около 26-27 мм рт. ст. Этот показатель удобно использовать как меру сродства гемоглобина к $O_2$:

• если p50 растёт, кривая сдвигается вправо, сродство падает, кислород отдаётся легче;
• если p50 падает, кривая сдвигается влево, сродство растёт, кислород удерживается прочнее.

Количественно сигмоиду часто аппроксимируют уравнением Хилла: $SO_2 = \frac{(pO_2)^n}{(p50)^n + (pO_2)^n}$, где коэффициент Хилла $n$ для гемоглобина равен примерно 2,7 и отражает кооперативность. При $n = 1$ кривая стала бы гиперболической, как у миоглобина. Подставив p50 = 26 мм рт. ст. и $n = 2,7$, при тканевом $pO_2 = 40$ мм рт. ст. получим сатурацию около 75%, что хорошо согласуется с реальными значениями венозной крови. Уравнение Хилла удобно для оценок, но при крайних значениях $pO_2$ отклоняется от настоящей кривой, поэтому для точных расчётов используют табличные модели.

Эффект Бора: что сдвигает кривую вправо

Положение кривой не фиксировано. Эффект Бора описывает сдвиг кривой вправо при росте $CO_2$ и снижении pH. В метаболически активной ткани накапливается углекислый газ, среда закисляется, и гемоглобин охотнее отдаёт кислород именно там, где он нужен.

Рассчитать для своей задачи

Кривую сдвигают вправо (сродство падает, отдача растёт):

• повышение $pCO_2$;
• снижение pH (ацидоз, накопление лактата);
• повышение температуры;
• рост концентрации 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ, или 2,3-БФГ) в эритроцитах.

Влево (сродство растёт, отдача затрудняется) кривую сдвигают противоположные факторы: снижение $pCO_2$, рост pH (алкалоз), снижение температуры и падение 2,3-ДФГ. Влево же сдвинута кривая фетального гемоглобина HbF, что помогает плоду отбирать кислород у материнской крови.

Загрузка в лёгких и отдача в тканях

Полный цикл транспорта удобно проследить по двум точкам кривой. В альвеолах $pO_2$ около 100 мм рт. ст., сатурация близка к 97-98%, гемоглобин загружается. По дороге к тканям локальные условия (высокий $CO_2$, низкий pH, тепло работающей мышцы) смещают кривую вправо, и при тканевом $pO_2$ около 40 мм рт. ст. сатурация падает до 70-75%. Разница насыщений и есть доля кислорода, отданная тканям. Этот же баланс между доставкой и потреблением описывает артериовенозная разница по кислороду, а сам кислород попадает в кровь через диффузию газов через альвеолокапиллярную мембрану.

Рассчитать для своей задачи

При нагрузке тканевый запрос растёт, и сдвиг кривой вправо усиливает отдачу без изменения насыщения в лёгких. Это элегантный механизм адаптации: сама форма кривой остаётся сигмоидной, меняется лишь её положение. В покое из доставленного кислорода ткань извлекает примерно четверть, при тяжёлой работе мышцы коэффициент извлечения может вырасти в несколько раз именно за счёт сдвига кривой и падения тканевого $pO_2$. Точку отсчёта здесь задаёт кислородный запрос организма, под который и подстраивается отдача.

Что нарушает транспорт кислорода

Транспорт страдает не только при сдвигах кривой. Угарный газ $CO$ связывается с гемоглобином примерно в 200-250 раз прочнее кислорода, образуя карбоксигемоглобин, и одновременно сдвигает кривую для оставшихся мест влево, ухудшая отдачу. Получается двойной удар: часть мест выключена, а оставшийся кислород удерживается слишком крепко. При анемии форма кривой и сатурация нормальны, но снижена кислородная ёмкость, потому что мало самого гемоглобина. Метгемоглобинемия переводит железо гема в трёхвалентную форму, неспособную связывать $O_2$, и тоже смещает кривую для рабочих субъединиц влево. Во всех этих случаях пульсоксиметрия может вводить в заблуждение, поэтому диагноз ставят по совокупности данных, включая газовый состав крови и ко-оксиметрию.

Отдельный случай это фетальный гемоглобин HbF. Его кривая сдвинута влево (p50 около 19-20 мм рт. ст.), сродство выше, потому что HbF слабее связывает 2,3-ДФГ. Благодаря этому плод отбирает кислород у материнской крови через плаценту, где парциальные давления невелики.

Частые ошибки

• Путают сатурацию $SO_2$ и парциальное давление $pO_2$. Это разные величины: давление управляет связыванием, а сатурация показывает результат.
• Считают, что сдвиг вправо это всегда плохо. В работающей ткани сдвиг вправо полезен, он усиливает отдачу кислорода.
• Забывают про 2,3-ДФГ. Этот метаболит эритроцита заметно влияет на p50, особенно при хронической гипоксии и при хранении донорской крови.
• Принимают кривую миоглобина за кривую гемоглобина. У миоглобина она гиперболическая, без кооперативности и без эффекта Бора.
• Доверяют пульсоксиметру при отравлении угарным газом: прибор не отличает карбоксигемоглобин от оксигемоглобина и завышает показатель.

FAQ

Чем отличается сдвиг кривой вправо от сдвига влево? Сдвиг вправо означает рост p50 и снижение сродства гемоглобина к кислороду, отдача в тканях облегчается. Сдвиг влево означает падение p50 и рост сродства, кислород связывается прочнее, но отдаётся хуже. Вправо кривую двигают $CO_2$, кислота, тепло и 2,3-ДФГ, влево противоположные факторы.

Зачем нужен показатель p50? p50 это давление полунасыщения, удобная числовая мера сродства. По его изменению сразу видно направление сдвига кривой: рост p50 означает сдвиг вправо, падение p50 сдвиг влево. В норме у взрослого он около 26-27 мм рт. ст.

Почему форма кривой именно сигмоидная, а не прямая? Из-за кооперативного связывания четырёх гемовых групп: первая молекула $O_2$ облегчает присоединение последующих. Сигмоида обеспечивает устойчивое насыщение в лёгких и резкую отдачу в тканях, чего линейная или гиперболическая зависимость дать не может.

Коротко

Кислород переносится преимущественно гемоглобином, и его связывание описывает S-образная кривая диссоциации оксигемоглобина. Сигмоидная форма возникает из кооперативного связывания и обеспечивает полное насыщение в лёгких при крутой отдаче в тканях. Положение кривой задаёт показатель p50, а сдвигают её $CO_2$, pH, температура и 2,3-ДФГ через эффект Бора, подстраивая отдачу кислорода под метаболические нужды.