Диффузия кислорода в тканях

В тканях кровь отдает кислород и поглощает углекислоту. Газообмен в капиллярах тканей большого круга, так же как и в легочных капилля­рах, обусловлен диффузией вследствие разности парциальных напряже­нии газов в крови и в тканях.

Клетки весьма энергично потребляют кислород, поэтому его парциаль­ное напряжение в протоплазме клеток очень низко, а при усилении их активности может быть равно нулю. В тканевой жидкости напряжение кислорода колеблется между 20 и 40 мм. Вследствие этого кислород непре­рывно поступает из артериальной крови, приносимой к капиллярам большого круга кровообращения (здесь напряжение кислорода равно 100 мм рт. ст.), в тканевую жидкость. В результате в оттекающей от тка­ней венозной крови напряжение кислорода значительно ниже, чем в арте­риальной, составляя 40 мм [28].

Кровь, проходя по капиллярам большого круга, отдает не весь свой кислород. Артериальная кровь содержит около 20 об. % кислорода, венозная же кровь — примерно 12 об. % кислорода. Таким образом, из 20 об. % кислорода ткани получают 8 об. %, т. е. 40% всего кислорода, содержащегося в крови.

То количество кислорода в процентах от общего содержания его в артериальной крови, которое получают ткани, носит название коэффи­циента утилизации кислорода. Его вычисляют путем определения разно­сти содержания кислорода в артериальной и венозной крови. Эту разность целят на содержание кислорода в артериальной крови и умножают на 100 [28].

Коэффициент утилизации кислорода меняется в зависимости от ряда физиологических условий. В покое организма он равен 30—40%. При тяжелой мышечной работе содержание кислорода в оттекающей от мышц венозной крови уменьшается до 8—10 об. % и, следовательно, утилизация кислорода повышается до 50—60%.

Более быстрый переход кислорода в ткани обеспечивается раскрытием нефункционировавших капилляров в работающей ткани. Повышению коэффициента утилизации способствует также усиленное образованно ки­слот — молочной и угольной, что понижает сродство гемоглобина к кисло­роду и обеспечивает более быструю диффузию кислорода из крови. Haконец, увеличению утилизации кислорода содействуют повышение темпера­туры работающих мышц и усиление ферментативных и энергетических процессов, протекающих в клетках. Таким образом, доставка кислорода к тканям регулируется в соответствии с интенсивностью окислительных процессов [15].

Транспорт O₂ из крови в те участки ткани, где он используется, происходит путем простой диффузии. Поскольку кислород используется главным образом в митохондриях, расстояния, на которые происходит диффузия в тканях, представляются большими по сравнению с обменом в легких. В мышечной ткани присутствие миоглобина, как полагают, облегчает диффузию O₂. Для вычисления тканевого Po₂ созданы теоретически модели, которые предусматривают факторы, влияющие на поступление и потребление O₂, а именно расстояние между капиллярами, кроваток в капиллярах и тканевой метаболизм. Самое низкое Po₂ установлено в венозном конце и на полпути между капиллярами, если принять, что кровоток в капиллярах одинаковый и что они параллельны.

Поскольку каждый орган имеет свои характерные морфологические и функциональные особенности, можно полагать, что это определяет особый характер утилизации им кислорода. Несомненный интерес представляет вопрос о том, являются ли окислительные процессы в тканях первичными или вторичными, иначе говоря, в какой мере каждый орган или каждая ткань являются автономными в потреблении кислорода, обусловленном специфической функцией данного органа. Многочисленными исследованиями доказано, что ткань извлекает кислород в меру своих потребностей, оставляя избыток его в крови. Доставка кислорода, превышающая потребность в нем тканей в норме, не превышает его потребления. Судить о потреблении тканями кислорода в физиологических условиях можно по величине дыхательного коэффициента. Однако для патофизиологического анализа знание этих величин крайне недостаточно. Для более точной характеристики кислородного бюджета органа необходим учет важнейших факторов, определяющих утилизацию кислорода: коэффициента диффузии, величины капиллярного орошения и мощности внутриклеточной окислительно-восстановительной системы [30].

Первые представления о диффузии кислорода в ткани были получены на основании исследований Крога. Он пользовался тонкими плоскими мышцами лягушки в качестве мембран. По одну сторону такой мембраны помещалась насыщенная кислородом кровь, по другую — восстановленная. Кислород, продиффундировавший через мышцу, определялся газоаналитическим путем. Количество кислорода, прошедшее через площадь 1 см2 в 1 минуту при разности парциальных давлений кислорода в 1 атм., Крог назвал константой диффузии. В дальнейшем все исследования по утилизации кислорода изолированными тканями проводились на основе измерений скорости диффузии. Варбург, Мейергоф, Гилл учитывали ее скорость при градиенте 1 атм. на 1 см, а не на 1 мю. Сложность определения константы диффузии при изучении даже in vitro заключается в необходимости учета толщины слоя дышащей ткани. Гилл показал, что скорость диффузии в разных слоях ткани различна. Наибольшая скорость диффузии будет в поверхностном слое, снижаясь по направлению в глубину. Парнасом было показано, что для данного размера мышц можно подобрать такое парциальное давление кислорода, при котором происходит оптимальная утилизация его органом.
Всякое повышение парциального давления кислорода сверх этой величины не сопровождается увеличением потребления, в то время как понижение его ведет к снижению утилизации кислорода [7].

В физиологических условиях утилизация кислорода мышцей находится в тесной зависимости от ее работы, которая ведет к усилению дыхания. Максимальный (рассчитанный на радиус волокна) коэффициент диффузии кислорода (DO₂) в скелетных мышечных волокнах в условиях их относительного покоя у различных позвоночных (хариуса, крысы, тюленя, курицы) равняется (9-18).10-7 см²/с, будучи на порядок ниже, чем DO₂ в воде (24·10^-6 см²/с при 37°С). Причем размер волокна, его кислородный запрос и концентрация миоглобина не оказывали существенное влияние на этот показатель [15].

Использование полученной величины DO₂ в численных экспериментах (Лябах, Шошенко, 1991) показало, что при высоком кислородном запросе в волокне может развиваться гипоксия, несмотря на достаточный кровоток - возникает фуккциональное шунтирование кровотока. Поэтому волокно с высоким O₂-запросом имеет, как правило, меньший диаметр и большую васкуляризацию. Оба фактора уменьшают расстояние для диффузии O₂ внутри волокна.

Однако измерения DO₂ в мышечных волокнах во время их онтогентического роста (1991, 1995) выявили четкую зависимость DO₂ от диаметра волокна: чем тоньше волокно, тем ниже в нем DO₂: у куриных эмбрионов по сравнению со зрелыми курами волокна в 9 раз тоньше, а DO₂ в 44 раза меньше. Если считать, что основным препятствием для кислорода служит клеточная мембрана, то расчетный DO₂, возможно, и не меняется в онтогенезе, но тогда величина его многократно ниже.

В экспериментах на изолированной скелетной мышце зрелых крыс удалось показать (2000), что DO₂ в волокне может меняться в связи с изменением его кислородной потребности. Так, при увеличении скорости дыхания волокна в 1,9 раза DO₂ в нем растет, примерно, на 30%. В дальнейшем оказалось, что любое повреждение структуры органа создает кратковременную фазу увеличения клеточного дыхания. Даже спирты и уретан, которые повреждают окислительно-восстановительную систему клетки, в начале своего действия усиливают дыхание [15].

Следующим важным фактором диффузии кислорода является объем жидкости, через который он диффундирует. Впервые Бателли и Штерн, а затем Сцент-Гиорги указали на необходимость учета эффекта разбавления при изучении дыхания измельченной ткани. Интенсивность дыхания неповрежденных органов, по-видимому, не зависит от эффекта разбавления, однако в патологических условиях (отечные ткали) этот фактор с несомненностью может оказывать влияние на диффузию кислорода.

Таким образом, изучение изолированных тканей позволяет прийти к заключению, что нормальная утилизация кислорода тканями обусловлена коэффициентом диффузии, который в первую очередь зависит от парциального давления кислорода, целости клеточной структуры ткани и от фактора разбавления. Ткани извлекают кислород из капиллярной крови при постоянном потреблении имеющегося кислорода. Так как утилизация кислорода клеткой пропорциональна скорости диффузии, то совершенно понятно, что в условиях усиленной работы и особенно при патологии коэффициент диффузии будет подвержен ряду изменений. В патологических условиях на скорость диффузии могут оказывать влияние нарушения проницаемости капиллярной мембраны и загрузка тканевой жидкости белковым субстратом, который сразу понизит скорость проникновения кислорода (Эппингер). В нормальных условиях незначительные нарушения быстро восстанавливаются при удалении накопившихся веществ лимфатической системой. В большинстве случаев при патологии имеет место одновременное замыкание лимфатической системы, что еще больше понижает скорость диффузии кислорода. Нельзя не отметить, что роль повышения проницаемости капилляров в патологии часто переоценивается. Даже при шоке и острой инфекции не было получено повышения проницаемости капилляров для белка (Стэд и Уэрен) [30].

Скорость диффузии теснейшим образом связана не только с процессами утилизации в тканях, но и с оксигенацией и восстановлением гемоглобина. Как известно, скорость этих реакций очень велика, однако восстановление протекает во много раз медленнее, чем оксигенация, что само по себе является адаптационным механизмом, обеспечивающим нормальное снабжение органов кислородом. Длительность этих процессов в организме зависит главным образом от скорости диффузии, а так как время диффузии обратно пропорционально различию в интра- и экстракапиллярном давлении, то последнее становится важной величиной в определении скорости диффузии кислорода. Непосредственное измерение интра- и экстракапиллярного давления кислорода представляет большие трудности и некоторое приближенное представление о нем можно получить, отложив точку артерии и точку вены на кривой диссоциации.

Тогда утилизация кислорода каждым органом характеризуется соответствующим отрезком кривой.

По данным, полученным на здоровых собаках, утилизация кислорода для мозга, учитываемая по отрезку кривой диссоциации оксигемоглобина, соответствует разности парциальных давлений между 86 и 56 мм, для мышцы — между 86 и 52 мм. По данным Даля, Кендаля, Эмерсона, утилизация кислорода тканью почки может быть охарактеризована таким же отрезком кривой, который свойствен для мозга [30].

В печени утилизация тканью кислорода определяется по участку кривой диссоциации оксигемоглобина, соответствующему меньшим значениям парциального давления кислорода. Для мозга допустимо предположение, что специфическая функция его обеспечивается утилизацией кислорода при более высоком парциальном давлении.

Если жизнь в клетках организма может продолжаться при необычно низком парциальном давлении кислорода, по крайней мере в течение нескольких часов, то в клетках мозга нервная функция, теснейшим образом связанная с сохранением постоянного и адекватного давления кислорода, чрезвычайно быстро угасает. По наблюдениям Баркрофта, жизнь тканей мозга, отграниченных от циркуляции крови, продолжалась в течение 36 часов, но нервная функция их прекратилась через несколько секунд.

Следовательно, нервная ткань исключительно чувствительна к внезапному падению парциального давления кислорода.

Таким образом, в условиях патологии для учета степени утилизации кислорода в организме исключительно важная роль принадлежит скорости диффузии, величине разности значений парциального давления кислорода в артерии и вене и ее проекции на соответствующем участке кривой диссоциации оксигемоглобина.

Для удовлетворения большой потребности органов и тканей в кислороде организм располагает рядом приспособлений.

1. Возможно увеличение общего кровотока при сохранении высокого внутрикапиллярного давления кислорода. Этот путь очень эффективен, но нерентабелен, так как увеличение кровотока связано с усиленной работой сердца.
2. Увеличение доставки кислорода может достигаться усиленным извлечением его тканями. Это может быть осуществлено следующим образом: либо увеличением различия между интра- и экстракапиллярным давлением кислорода (парциальное давление крови и ткани) при сохранении высокого внутрикапиллярного давления кислорода, либо отклонением кривой диссоциации оксигемоглобина вправо при сохранении нормального внутрикапиллярного давления без перемещения на кривой точек артерии и вены, что является более эффективным способом доставки тканями кислорода.
3. Наконец, имеется возможность увеличения артерио-венозного различия в содержании кислорода при снижении внутрикапиллярного давления, что является крайне неэффективным в смысле адекватного потребления тканями кислорода.
В условиях патологии все эти механизмы используются одновременно, но размер их участия и значимость неодинаковы [30].