气体在血液中的运输

二、气体在血液中的运输

机体经肺部气体交换获得的O2，必须通过血液循环运输到各个部位才能被代谢利用，组织细胞产生的CO2则运输到肺部被排出。O2和CO2在血液中的运输是以物理溶解和化学结合两种形式来完成的。

（一）氧的运输

正常情况下，在血液中运输的O2，98．5%是同红细胞中的血红蛋白（hemoglobin，Hb）结合成氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）的形式，1．5%的是以物理溶解的形式存在。

1．Hb的结构特征　Hb是O2在血液运输过程中的载体，是由血红素和珠蛋白质组成的结合蛋白。珠蛋白分子是由4条多肽链构成的四聚体（正常成人为两条α链和两条β链），α链每条有141个氨基酸残基，血红素附在第87位的组氨酸残基上，β链每条有146个氨基酸残基，血红素附在第92位的组氨酸残基上。血红素是亚铁离子和原卟啉Ⅸ的络合物，每个血红素基团中心有一个Fe2＋与多肽链上的两个组氨酸相连，其中一个组氨酸与Fe2＋连接比较松散，可允许O2分子进入而形成HbO2。Hb与O2呈可逆性的结合，一个Hb分子可结合4分子O2。

Hb的4条多肽链在结合O2或释放O2时，彼此间有正协同效应（positive cooperativity），即一条多肽链与O2结合或解离后，另三条更易与O2结合或更易释放O2。这是因为一条链与O2结合或解离后，其空间构型的改变会引起另外三条多肽链的构型改变，进而影响Hb与O2的结合能力（亦称Hb之变构效应），这也是下述Hb氧离解曲线呈S形的原因。

2．HbO2的生成和解离　在肺部，以HbO2的生成为主，解离处于次要地位。因为肺泡内的氧分压（PO2）高，为13．6kPa，肺毛细血管动脉端混合静脉血中的PO2低，为5．33kPa，O2从肺泡扩散入血，首先溶解于血浆，随即逸出，使血中PO2升高，O2扩散入红细胞，与Hb结合成HbO2，HbO2呈鲜红色。由于O2入红细胞后迅速与Hb发生结合，红细胞内游离的O2增加很少。

O2经体循环运输至组织处时，HbO2的解离成为矛盾的主要方面。组织液中PO2低，为4．0kPa，毛细血管动脉端血中的PO2为13．3kPa，溶解于血浆中的O2首先扩散入组织液，使血中PO2降低，部分HbO2随即解离成Hb和O2，解离出的O2跨红细胞膜后溶解于血浆，再扩散入细胞间液供细胞代谢利用。去氧Hb呈蓝紫色。当血中去氧Hb含量大于5g／100ml时，皮肤和黏膜呈蓝色，称为发绀，意味机体缺氧。

HbO2的生成和解离可简化为下式：

可见，决定HbO2生成和解离的因素是血液和组织液中的PO2。在足够的血PO2（20．0kPa）下，全部Hb都成为HbO2，叫做氧饱和。在氧饱和时，每克Hb能结合1．34ml　O2，健康人的Hb为15g／100ml血液，故100ml血液中的Hb结合的O2约为20．1ml。100ml血液中，Hb结合的最大氧量为Hb氧容量（oxygen capacity）；100ml血液中，Hb实际结合的O2量为Hb氧含量（oxygen content）；Hb氧含量与Hb氧容量之百分比，称为Hb氧饱和度（oxygen saturation）。

在100ml动脉血中溶解的O2量仅为0．3ml，安静状态下成人的心输出量约为5L／min，以溶解形式运输的O2约有15ml／min，全身组织每分钟需耗O2约为250ml，因此，O2在血液中的运输主要以HbO2的形式进行。由于溶解的O2极少，可忽略不计，因此上述Hb氧容量、Hb氧含量和Hb氧饱和度可分别视为血氧容量、血氧含量和血氧饱和度。

尽管在血浆中以溶解形式运输的O2量极少（占总量的1．5%），但溶解形式却是O2与Hb生成HbO2和HbO2解离出的O2能供给细胞利用的前提条件。O2的溶解和化学结合之间是相辅相成的，二者保持动态平衡。

3．HbO2的生成和解离同PO2间的关系及意义　HbO2的生成和解离同PO2间的关系，可用氧解离曲线（oxygen dissociation curve）予以阐明。氧解离曲线是反映血氧饱和度和PO2间关系的曲线。由于Hb的变构效应，该曲线呈“S”形（图5－2）。根据其特征，可分析体内不同部位的PO2所致的以下效应。

（1）在肺部Hb同O2结合成HbO2：肺泡内PO2为13．6kPa，肺毛细血管混合静脉血中PO2为5．33kPa，O2由肺泡扩散入血液，血中PO2从5．33kPa上升至13．3kPa的过程中，O2不断同Hb生成HbO2，Hb氧饱和度从75%升高到97%或以上。

另外，从曲线的上段分析不同肺泡内PO2对Hb氧饱和度的影响，可见只要肺泡内的PO2介于8．0～13．3kPa，PO2降低对HbO2的生成量影响很小，这就为机体在不同的PO2下能摄入足够的O2量提供了较大的安全系数。例如，生活在高海拔地区的人，吸入气中PO2低，肺泡和动脉血中的PO2有所降低，但只要在8．0～13．3kPa范围内，HbO2的生成量就不会有明显的减少。同样，患有呼吸系统疾病的患者，即使动脉血PO2下降到8．0kPa，血氧饱和度仍能达到90%，每100ml动脉血中仍有约18ml的O2，有利的方面是组织不易出现缺O2，不利的方面是掩盖了疾病所致的早期缺O2，以至于病情进一步发展或突然恶化时，血PO2下降很少就转入氧离解曲线的陡直部分，动脉血氧饱和度急转直下，使患者出现严重的缺O2。

（2）动脉血流经组织时HbO2的解离：从曲线的下段可见（8．0～2．0kPa），随着PO2降低，血氧饱和度大幅度降低，HbO2解离出大量的O2供组织利用。安静状态下，体循环毛细血管静脉端血中的PO2平均降低到5．33kPa左右（不同组织细胞因代谢状态不同，PO2可在6．66～4．0kPa范围变化），血氧饱和度为75%，血氧含量为15ml%，即每100ml血液通过组织时释放的O2约5ml。当组织活动加强时（如骨骼肌运动），对O2的利用加速，组织液中的PO2可降至2．0kPa或更低，此时可促使HbO2进一步解离，每100ml血液供给组织的O2量可达15ml，以满足其活动增强的需要。

4．影响氧合血红蛋白生成和解离的因素　除PO2是HbO2生成和解离的决定因素外，影响HbO2的生成和解离的因素还有血中H＋和CO2的浓度、温度和红细胞内2，3－二磷酸甘油酸（2，3－diphosphoglyceric acid，2，3－DPG）含量的变化。

（1）H＋和CO2：在相同的PO2下，血液中酸度和CO2增加，均可使HbO2的解离加速；反之，则使HbO2的量增加。H＋和CO2对HbO2解离的影响称为波尔效应（Bohr effect）。当血红素中的Fe2＋与O2结合时，珠蛋白肽链分子构型发生变化，同时伴有H＋的释放。当H＋增加时（CO2的主要作用是诱发红细胞内H＋增加），将妨碍这种构型发生变化，降低Hb与O2的亲和力，使HbO2易于解离。在运动时，组织液中CO2浓度高，CO2扩散入血使PCO2升高，氧离解曲线右移，这一影响有利于活动组织从血中获得更多的O2，也有利于肺泡毛细血管内的红细胞中的Hb与O2结合。

（2）温度：组织代谢增强时产热增多，温度升高，H＋的活度（activity）增高以加强波尔效应，使HbO2易于解离；温度降低，Hb对O2的亲和力增加，不利于O2的释放。临床上对一些高热患者采用低温疗法期间，除脑、心等生命器官外，其他组织代谢活动显著降低，耗O2量减少，HbO2解离减少；脑、心的代谢活动增强，耗O2增多，PO2降低，HbO2解离出更多的O2以供其利用。

（3）2，3－DPG：是红细胞自身内部调节O2与Hb结合能力的因素。血PO2降低（缺O2）时，红细胞内无氧酵解增强，2，3－DPG增多，促进HbO2的解离。库存血的红细胞内2，3－DPG降低，Hb与O2的亲和力增加，HbO2不易解离，故临床上给患者输入大量的库存血，可能导致组织缺O2。(https://www.daowen.com)

一氧化碳（CO）同Hb的结合位点与O2相同，亲和力为O2的250倍。肺泡内PCO为0．0052kPa即可使Hb氧饱和度下降50%。空气中PCO高于0．0052kPa可导致患者中毒死亡。此时，通过吸入高压纯氧以极大地提高PO2，促使O2同Hb结合以将结合在Hb上的CO置换下来呼出体外。

从上可见，O2是以可逆的化学形式与Hb结合，HbO2是血液运输O2的主要形式，其解离则达到了血液运输O2供组织细胞代谢利用的目的。决定HbO2生成和解离的因素是血PO2。血PO2在8．0kPa以上时，血氧饱和度增加得很缓慢，HbO2的生成量并无明显增多；血PO2一旦低于8．0kPa，则HbO2的解离加速以释出较多的O2。在血PO2相同的情况下，血中的H＋和CO2浓度、温度、红细胞内2，3－DPG含量降低时，均增加Hb和O2的亲和力，HbO2不易解离；在组织活动增强，耗能耗氧增多，产热增加使温度升高、酸性代谢产物和CO2的生成量增多时，均促进HbO2的解离，进而保证了O2的供给与代谢需要之间的平衡。

（二）二氧化碳的运输

二氧化碳（carbon dioxide，CO2）是糖、脂肪和蛋白质氧化分解的终产物，生成于机体的组织细胞中，经血液运输进入肺泡后被排出体外。

1．CO2的生成　体内CO2的生成并不是物质中的碳原子与氧直接化合的结果，而是来源于有机酸的脱羧。成人在不同的功能状态下，每分钟产生的CO2量为200～400ml。

2．CO2的生理作用　体内CO2的生理作用主要有：①参与体内的合成代谢，如脂肪酸的合成；②通过水合作用生成碳酸（CO2＋H2O→H2CO3）以维持酸碱平衡。血浆中最重要的缓冲系统是NaHCO3／H2CO3，只要二者的比值保持在20∶1，血浆pH可维持在7．35～7．45。在肺部疾患或呼吸中枢抑制等情况下，由于呼吸功能障碍，体内产生的CO2不能排出，使血中二氧化碳分压（PCO2）原发性增高，产生呼吸性酸中毒。过度换气（如麻醉过程中对患者施行人工呼吸时过度通气）使CO2呼出过多，导致血中PCO2降低，则引起呼吸性的碱中毒；③体液中正常的CO2浓度，参与维持心血管交感中枢的兴奋性；④维持和调整呼吸中枢的兴奋性，CO2是生理状态下保持呼吸中枢兴奋性的有效刺激物。

3．CO2在血液中的运输　由于空气中只含有0．03%～0．04%的CO2，故血液和肺泡气中的CO2主要是由体内细胞代谢产生的。正常情况下，不同组织细胞间液中的PCO2可在6．0～6．66kPa范围变化，在动脉血中为5．33kPa，静脉血中为6．13kPa，肺泡气中为5．33kPa。在组织细胞处，CO2扩散入血，使血中的PCO2由5．33kPa升高为6．13kPa。

血中PCO2是指溶解于血浆的CO2分子从血浆中逸出的力。溶解于血浆中的CO2，有极少量与血浆蛋白的自由氨基反应，生成氨基甲酸血浆蛋白，在动、静脉血中，氨基甲酸血浆蛋白的含量基本相同，故对CO2的运输几乎不发挥作用；有部分与水结合生成H2CO3，H2CO3又解离成HCO3－和H＋，H＋被血浆缓冲系统缓冲。由于血浆中缺乏碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA），故CO2与水的反应和H2CO3的解离进行得都很缓慢，因此，CO2在血浆中与水结合的量很少，约为血液运输CO2量的5%。

溶解在血浆中的CO2，绝大部分扩散入红细胞，溶解于红细胞胞浆中的量甚微，可忽略不计，故CO2主要以化学结合的形式进行运输。在组织细胞处，进入血液的CO2主要是以两种化学结合的形式存在，一种是碳酸氢盐，约占血液运输CO2总量的88%，另一种是氨基甲酸血红蛋白，约占总量的7%。

（1）碳酸氢盐形式：溶解在红细胞胞浆中的CO2与水结合生成H2CO3，后者又解离出H＋和HCO3－。红细胞中有高浓度的CA，它既能迅速催化H2CO3的生成，又能催化H2CO3的分解。由于在组织中的PCO2比血中的高，CA主要催化H2CO3的生成。伴随H2CO3的生成，HCO3－在红细胞内增多，与血浆之间形成浓度差而离开红细胞。正常情况下，红细胞膜适于负离子如HCO－和Cl－通透，但对正离子如Na＋和K＋相对不通透。当HCO－向外扩散时，

33并不伴有正离子的转移，红细胞内正电荷相对过多，Cl－向细胞内转移，称为氯转移（chloride shift）。Cl－的转移可使红细胞中生成的HCO3－不断地向血浆扩散，组织中的CO2亦不断入血并进入红细胞，继续进行上述变化，从而使血浆运输CO2的能力大为提高。在红细胞内的HCO－与K＋结合、在血浆中则与Na＋结合成碳酸氢盐。以HCO－形式运输的CO，在血浆332中占2／3，红细胞内占1／3。

（2）氨基甲酸血红蛋白形式：CO2能直接与Hb中珠蛋白的自由氨基结合，这个反应很迅速、可逆、无需酶的参加。在组织毛细血管内，HbO2解离O2转为Hb，由于Hb的酸性较HbO2弱，易于与CO2直接结合形成氨基甲酸血红蛋白。

（肺泡）HbNH2O2＋H＋＋CO2HHbNHCOOH＋O2（外周组织）

CO2以化学结合形式运输有一个共同点，即每结合一分子CO2，同时产生一个H＋，如下2式所示。

产生的H＋若不及时清除，则不但改变血液的pH，且H＋积聚将反应很快地达平衡，妨碍CO2的继续结合。然而，在血液通过组织时，由于组织中PO2低、pH较低而PCO2较高，使一部分HbO2释放O2，释放O2后的Hb分子构象发生改变，结合H＋的能力增强，Hb及时地与H＋结合，使HCO－3和HbNHCOO－能继续形成，这样既保证了CO2的运输能顺利进行，又使得血液的pH不发生任何变动。

4．CO2在肺部排出　CO2自组织处入血并由此运输至肺。在肺动脉端毛细血管内混合静脉血的PCO2较肺泡内的高，CO2从血液扩散入肺泡被呼出。随着溶解于血浆中的CO2扩散入肺，血中PCO2降低，同Hb结合的CO2迅速解离入血浆。同时，由于肺泡内PO2高，O2扩散入血同Hb结合成HbO2。HbO2酸性高而促使CO2的释放，这一效应称为何尔登效应（Haldane effect）。在外周组织，HbO2解离的效应是促进CO2在血液中的运输和随后在肺泡的释放。HbO2解离出的H＋同HCO－3生成H2CO3。由于此时肺动脉端毛细血管血中的PCO2高于肺泡中的PCO2，CA主要催化H2CO3分解成H2O和CO2。CO2从红细胞扩散入血浆，然后入肺泡被呼出。血浆中的HCO－3进入红细胞以补充消耗了的HCO－3，Cl－同时出红细胞，这样以氨基甲酸血红蛋白和HCO－3形式运输的CO2，在肺部被排出体外。值得一提的是，以氨基甲酸血红蛋白运输的CO2量虽仅占7%，由于其反应迅速，在肺中释放的CO2占总量的17．5%，故是一种很有效的运输形式。以碳酸氢盐形式运输量为88%，在肺中释放量占75%，说明其中的一部分并未释放出来。

综上所述，CO2是体内组织细胞氧化代谢的终产物之一，由血液运输到肺被排出体外。CO2在血液中以物理溶解和化学结合的方式进行运输，以化学结合的方式进行运输不仅增加了运输的量，更重要的是由于Hb的缓冲作用，保持了血液pH的相对稳定，因而也有助于保持整体的酸碱平衡。由于CO2在体内的生理作用，故在动脉血中始终保持着一定的浓度。CO2在体内的作用主要是影响呼吸活动。在不同的功能状态下，动脉血中的PCO2可在一定范围内变动，由此影响肺的通气量，使CO2的生成量和排出量之间处于动态平衡。

在呼吸系统疾患和呼吸中枢受到抑制，或血液及循环功能发生障碍时，体内CO2的生成量可能多于排出量，CO2在体液中积聚，体液的酸碱平衡被打破，必然影响体内代谢活动的正常进行。