Дыхательная система

Транспорт газов кровью

Как гемоглобин переносит кислород, а углекислый газ едет к лёгким.

Что такое транспорт газов

В альвеолах кислород переходит из воздуха в кровь, а углекислый газ — из крови в воздух. Но это только начало и конец пути: от лёгких до каждой клетки тела ещё нужно добраться. Расстояние это огромное — от грудной клетки до кончиков пальцев ног. Значит, газы должны на чём-то «поехать».

Транспорт газов кровью — это то, как кровь переносит кислород от лёгких к тканям, а углекислый газ — от тканей к лёгким. Кровь здесь работает как служба доставки: она забирает груз в одном месте, везёт по всему организму и отдаёт там, где он нужен. То, как именно она это делает, — одна из самых красивых «инженерных» находок тела, потому что для двух газов природа придумала два совсем разных способа перевозки.

🚚

Почему нельзя просто «растворить» газы в крови. Кислород очень плохо растворяется в воде, а кровь — почти вода. Если бы он ехал только в растворённом виде, его запаса хватило бы на считаные секунды жизни. Поэтому для кислорода нужен перевозчик — особый белок. Углекислого газа образуется много, и его тоже нельзя просто «свалить в раствор» — его превращают в удобную транспортную форму. Итак, у каждого газа — свой способ перевозки, и о каждом разберём отдельно.

Гемоглобин — переносчик кислорода

Главный «грузовик» для кислорода — белок гемоглобин. Его название соединяет греческое haima («кровь») и латинское globus («шар»): буквально «кровяной шарик». Гемоглобин находится внутри эритроцитов — красных клеток крови, и именно ему кровь обязана своим цветом.

Гемоглобин устроен так, чтобы хватать кислород. Разберём его строение по слоям:

Четыре части. Каждая молекула гемоглобина состоит из четырёх складчатых белковых «блоков» — субъединиц. Именно поэтому одна молекула гемоглобина может переносить сразу до четырёх молекул кислорода: у неё четыре «места».
Гем. В каждом блоке спрятана маленькая небелковая группа — гем, а в центре гема сидит атом железа. Именно к этому железу и прикрепляется кислород. Железо — причина красного цвета крови: оно поглощает часть света, и кровь кажется красной.
Упаковка. Гемоглобин не плавает по крови свободно, а упакован в эритроциты — упрощённо говоря, чтобы не терять белок и не «забивать» почки. И сам гемоглобин, и эритроциты разобраны подробнее в разделе Кровь.

Когда кислород присоединяется к гемоглобину, образуется оксигемоглобин («окси» — кислород). Именно в такой форме переносится около 98% кислорода крови. Оставшиеся примерно 2% просто растворены в плазме — жидкой части крови — и этой доли на жизнь, как уже говорилось, не хватило бы.

Как гемоглобин берёт и отдаёт кислород

Самое интересное — в том, когда гемоглобин хватает кислород, а когда отдаёт. Управляется это просто: кислорода много — гемоглобин его присоединяет, кислорода мало — отпускает. В лёгких кислорода много, поэтому гемоглобин загружается. В тканях, где клетки расходуют кислород, его становится мало — и гемоглобин отдаёт груз именно там, где он нужнее всего.

Но есть у этого механизма две тонкости, из-за которых он работает особенно эффективно:

Сотрудничество

Четыре блока гемоглобина работают как слаженная команда. Когда к первому из них присоединяется кислород, остальные «оживляются» и хватают кислород охотнее. Это называют кооперативным связыванием. Благодаря ему гемоглобин в лёгких загружается почти целиком — как вагон, заполняющийся до отказа.

Эффект Бора

Работающие ткани выделяют много углекислого газа, отчего кровь становится чуть кислее и теплее. Эти условия словно дают сигнал: «здесь большая нагрузка, отпускай кислород активнее». Гемоглобин откликается — отдаёт кислород легче там, где тело работает сильнее. Этот механизм называют эффектом Бора.

Вместе эти свойства делают гемоглобин идеальным перевозчиком: он жадно забирает кислород там, где его много (лёгкие), и охотно отдаёт там, где его мало и где организм работает (трудищиеся мышцы, активный мозг). Гемоглобин получается «умным» — он не просто таскает груз, а распределяет его по потребности.

Насколько полно гемоглобин «загружен» кислородом, описывают понятием насыщение (сатурация). В артериальной крови, идущей от лёгких, гемоглобин насыщен примерно на 95–100%. А в венозной крови, вернувшейся от тканей, насыщение падает — до 70–75% и ниже. Разница и есть тот кислород, который кровь «развезла» по телу. Кстати, запас есть всегда: даже в самом «разряженном» состоянии полного опустошения не происходит — в этом и смысл «упаковки с верхом», чтобы пройти трудный участок без провала.

📉

Почему кривая загрузки не прямая. Если изобразить, как насыщение гемоглобина зависит от количества кислорода, получится не прямая линия, а особая S-образная кривая — кривая диссоциации гемоглобина («диссоциация» — «разъединение»). Её левый край, где кислорода мало, идёт круто: маленькое изменение давления сильно меняет насыщение — поэтому в тканях кислород легко «отдаётся». А правый край, где кислорода много, — пологий: в лёгких насыщение почти не меняется, как ты ни старайся вдохнуть глубже. Такая форма — результат того самого сотрудничества четырёх блоков.

Транспорт углекислого газа: три пути

Кислороду нужен лишь один «грузовик» — гемоглобин. А вот с углекислым газом иначе: его в крови довольно много и только «на гемоглобине» увезти всё не получится. Поэтому кровь использует сразу три способа, разделив между ними всю нагрузку.

Транспорт углекислого газа: три пути

1. Как бикарбонат (~70%)

Основная часть — около 70% — едет в виде бикарбоната, растворённого в плазме. Это не сам газ, а его превращённая, «растворимая» форма, которую удобно перевозить. Как именно это происходит, разберём ниже.

2. На гемоглобине (~23%)

Примерно четверть углекислого газа прикрепляется к тому же гемоглобину — но не к железу, где сидит кислород, а к его белковой части. Получается карбгемоглобин (от латинского «карбо» — «угольный»).

3. Растворённым в плазме (~7%)

Самый малый путь — лишь около 7% — углекислый газ едет просто растворённым в плазме, как есть, без превращений. Именно эта доля позволяет газу быстро проходить барьер в лёгких и уходить с выдохом.

Не путать три похожих названия

Термины легко перепутать, а за ними — разные вещества. Оксигемоглобин — кислород сидит на железе гема (нормальная перевозка O₂). Карбгемоглобин — углекислый газ сидит на белковой части (нормальная перевозка CO₂). А карбоксигемоглобин — это уже угарный газ CO на железе: он захватывает «место» кислорода и блокирует перевозку. О нём — в разделе о нарушениях.

Три способа работают одновременно, и вместе они уносят весь образовавшийся углекислый газ — его нельзя «тормозить» в организме ни на минуту.

Бикарбонат и фермент карбоангидраза

Разберём главный путь — тот, которым едет около 70% углекислого газа. Он основан на простом химическом превращении:

Углекислый газ, соединяясь с водой, превращается в угольную кислоту, а та, будучи нестойкой, тут же распадается на ион водорода и бикарбонат. Бикарбонат — это и есть удобная растворимая форма для перевозки: он хорошо держится в плазме и не мешает крови.

Проблема в том, что сама по себе эта реакция идёт медленно — а кровь не может ждать. На выручку приходит фермент карбоангидраза («карбо» — угольный, «гидраза» — от воды): он ускоряет превращение в тысячи раз. Находится он внутри эритроцитов, поэтому именно они — место, где «газ превращается в бикарбонат». Готовый бикарбонат выходит из эритроцита в плазму и плывёт к лёгким. Там всё разворачивается обратно: бикарбонат снова становится углекислым газом, и тот выходит в выдох. Обратное превращение делает тот же фермент — только в лёгких реакция бежит в другую сторону.

⚖️

Бикарбонат — не только «транспорт», но и «буфер». Бикарбонат помогает крови держать постоянную кислотность. Кислотность измеряют показателем pH: чем он ниже, тем среда кислее. Кровь должна оставаться чуть щелочной, и бикарбонат — одна из главных систем, которая гасит колебания, не даёт кислотности «уйти вниз». Поэтому лёгкие, выводящие углекислый газ, и почки, выводящие кислоты, работают сообща: вместе они удерживают pH крови в узких границах. Об этом — в разделе Выделительная система.

Два газа связаны друг с другом

Транспорт кислорода и углекислого газа не независимы — они помогают друг другу. Всё дело в том, что работающая ткань выделяет углекислый газ, отчего кровь на этом участке становится «теплее и кислее». А такая среда, как мы уже знаем из эффекта Бора, заставляет гемоглобин активнее отдавать кислород. Получается изящный согласованный механизм: именно там, где образуется больше углекислого газа (а значит, клетки работают, тратят энергию), кровь и отдаёт больше кислорода. Один газ словно «просит» другого поделиться.

Работает и обратная связь. В лёгких, где гемоглобин отдаёт углекислый газ и загружается кислородом, он легче «выпускает» и углекислотную часть. Этот взаимный отклик — эффект Холдейна — делает газообмен в обоих направлениях гораздо эффективнее, чем если бы газы возились по отдельности.

Что происходит при нарушениях

Сбои в транспорте газов удобно разложить по тому, на каком звене пострадала «доставка»: сам перевозчик, его исправность или условия перевозки.

Малокровие (анемия)

Анемия («ан» — без, «гем» — кровь) — состояние, при котором в крови мало гемоглобина или мало эритроцитов. Перевозчиков не хватает, поэтому даже при полноценном дыхании тканям достаётся меньше кислорода: появляются слабость, бледность, одышка при нагрузке. Частая причина — нехватка железа, из которого и состоит «крючок» гема.

Отравление угарным газом

Угарный газ (CO, оксид углерода, продукт неполного горения) захватывает те самые «места» на гемоглобине, где должен сидеть кислород, — причём держится в сотни раз цепче. Гемоглобин оказывается занят и не может возить кислород, хотя вдох и вентиляция сохранны. Это опасное состояние, требующее срочной помощи.

Сдвиги «кривой» из-за среды

Поскольку захват и отдача кислорода зависят от кислотности и температуры, изменения этих условий сдвигают всю «настройку» гемоглобина. Так, самые разные состояния — от лихорадки до нарушений обмена — меняют то, насколько охотно кровь отдаёт или держит кислород.

Нехватка кислорода в тканях

Гипоксия («гипо» — ниже, «оксиген» — кислород) — итог любой из этих проблем: тканям не хватает кислорода. Проявиться она может на любом этапе — при плохом дыхании, нарушении транспорта или слабом кровотоке. Об этом — в разделе о механизмах, но здесь важно понять: транспорт газов — отдельное звено, и его сбой с дыханием ничего общего может не иметь.

Как и в других темах раздела, симптомы — бледность, слабость, одышка — неспецифичны: одно и то же состояние может возникать по разным причинам. Разобраться, на каком именно этапе нарушилась доставка кислорода, может только врач; эта статья объясняет механизмы, но не заменяет консультацию специалиста.

Связи с другими системами

Альвеолы и газообмен: транспорт начинается там, где газы впервые переходят в кровь. Как устроен сам переход — в статье Альвеолы и газообмен.
Сердечно-сосудистая система: переносит газы сама кровь, а движет её сердце и сосуды. Без кровотока ни гемоглобин, ни бикарбонат никуда не поедут. Подробнее — в разделах Кровь и Сердечно-сосудистая система.
Регуляция дыхания: именно углекислый газ — главный сигнал, который заставляет нас дышать, и он же — «груз», который кровь постоянно вывозит. Как эти две стороны связаны — в статье Регуляция дыхания.
Обмен веществ и энергия: кислород нужен клеткам для получения энергии, а углекислый газ — его «отход». Транспорт кровью связывает клеточное дыхание с внешним. Подробнее — в разделе Обмен веществ и энергия.
Выделительная система: бикарбонат и лёгкие вместе с почками удерживают кислотность крови в узких границах. Подробнее — в разделе Выделительная система.
Костный мозг и железо: эритроциты и гемоглобин постоянно обновляются, а для этого нужны железо и работа кроветворной ткани. Подробнее — в разделе Кровь.

Транспорт газов кровью — это «последняя миля» дыхания: путь от лёгких до каждой клетки. Кислород едет на гемоглобине, который жадно забирает его в лёгких и отдаёт именно там, где тело работает, — а помогает этому эффект Бора. Углекислый газ, напротив, устроен хитрее: он едет сразу тремя способами, а большую часть его кровь перевозит в виде бикарбоната. Оба газа влияют друг на друга — так доставка становится точнее и эффективнее. Понимание транспорта газов — ключ к темам о крови, анемии, регуляции дыхания и о том, как тело снабжает энергией каждую свою клетку.

← Вернуться к «Дыхательная система»