生理学 · 呼吸
第三节 气体在血液中的运输
血液是运输O2和CO2的媒介。经肺换气摄取的O2通过血液循环运输到机体各器官和组织，供细胞利用；细胞代谢产生的CO2经组织换气进入血液循环，运输到肺排出体外。
O2和CO2均以物理溶解和化学结合两种形式进行运输。根据Henry定律，气体在溶液中溶解的量与其分压和溶解度成正比，与温度成反比。温度为38℃时，1个大气压下，O2和CO2在100ml血液中溶解的量分别为2.36ml和48ml。按此计算，动脉血PO2为100mmHg，每100ml血液含溶解的O2 0.31ml；静脉血PCO2为46mmHg，每100ml血液含溶解的CO2 2.9ml。安静时，正常成年人心输出量约5L/min，因此，物理溶解于动脉血液中的O2流量仅约15ml/min，物理溶解于静脉血液中的CO2流量约为145ml/min。然而，即使在安静状态下，机体耗氧量约250ml/min，CO2生成量约200ml/min；运动时机体的耗氧量和CO2生成量将成倍增加。显然，单靠物理溶解的形式来运输O2和CO2是远不能适应机体的代谢需要。实际上，机体在进化过程中形成了非常有效的O2和CO2的化学结合运输形式。由表5-3可见，血液中的O2和CO2主要以化学结合的形式存在，而物理溶解形式所占比例极小；化学结合可使血液对O2的运输量增加65～140倍，对CO2的运输量增加近20倍。
虽然血液中以物理溶解形式存在的O2和CO2很少，但很重要，起着“桥梁”作用。在肺换气或组织换气时，进入血液的O2和CO2都是先溶解在血浆中，提高其分压，再发生化学结合；O2和CO2从血液释放时，也是溶解的先逸出，降低各自的分压，化学结合的O2或CO2再解离出来，溶解到血浆中。物理溶解和化学结合两者之间处于动态平衡。下面主要讨论O2和CO2的化学结合形式的运输。
一、氧的运输
血液中所含的O2仅约1.5％以物理溶解的形式运输，其余98.5％则以化学结合的形式运输。红细胞内的血红蛋白（hemoglobin，Hb）是有效的运O2工具，也参与CO2的运输。
（一）Hb的分子结构
Hb分子由1个珠蛋白和4个血红素（又称亚铁原卟啉）组成（图5-14）。每个血红素又由4个吡咯基组成一个环，其中心为一个Fe2+。珠蛋白有4条多肽链，每条多肽链与1个血红素相连接，构成Hb的单体或亚单位。Hb是由4个单体构成的四聚体。不同Hb分子珠蛋白多肽链的组成有所不同。成年人的Hb（HbA）由2条α链和2条β链组成，为α2β2结构。胎儿的Hb（HbF）由2条α链和2条γ链组成，为α2γ2结构。每条α链含141个氨基酸残基，每条β链或γ链含146个氨基酸残基，HbF的γ链与HbA的β链的区别在于其中有37个氨基酸残基不一样。出生后不久，HbF即为HbA所取代。血红素基团中心的Fe2+可与O2结合，使Hb成为氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO2），没有结合O2的Hb称为去氧血红蛋白（deoxyhemoglobin，通常简写为Hb，因此Hb既可以是血红蛋白的一般称谓，也可以是指去氧血红蛋白）。
Hb的4个亚单位之间和亚单位内部由盐键连接。Hb与O2的结合或解离将影响盐键的形成或断裂，使Hb发生变构效应，并使之与O2的亲和力也随之而发生变化，这是Hb氧解离曲线呈S形和波尔效应（Bohr effect）的基础（见下文）。
（二）Hb与O2结合的特征
1、迅速而可逆：Hb与O2的结合反应快，不到0.01秒，可逆，解离也很快。结合和解离不需酶的催化，但可受PO2的影响。当血液流经PO2高的肺部时，Hb与O2结合，形成HbO2；当血液流经PO2低的组织时，HbO2迅速解离，释出O2，成为Hb，可用下式表示
2、是氧合而非氧化：Fe2+与O2结合后仍是二价铁，因此，二者结合的反应是氧合（oxygenation），而不是氧化（oxidation），结合O2的Hb称为氧合Hb，而不是氧化Hb；未结合O2的Hb相应称为去氧Hb，而不是还原Hb。
3、Hb与O2结合的量：1分子Hb可结合4分子O2，成年人Hb的分子量为64458，因此在100％O2饱和状态下，1gHb可结合的最大O2量为1.39ml。由于正常时红细胞含有少量不能结合O2的高铁Hb，所以1gHb实际结合的O2量低于1.39ml，通常按1.34ml计算。在100ml血液中，Hb所能结合的最大O2量称为Hb氧容量（oxygen capacity of Hb），而Hb实际结合的O2量称为Hb氧含量（oxygen content of Hb）。Hb氧含量与氧容量的百分比称Hb氧饱和度（oxygen saturation of Hb）。例如，每100ml血液中Hb浓度为15g时，Hb的氧容量为20.1ml/100ml（血液），如果Hb的氧含量是20.1ml（如动脉血液），则Hb氧饱和度为100％；如果Hb氧含量是15ml（如静脉血液），则Hb氧饱和度约75％。通常情况下，血浆中溶解的O2极少，可忽略不计，因此，Hb氧容量、Hb氧含量和Hb氧饱和度可分别视为血氧容量（oxygen capacity of blood）、血氧含量（oxygen content of blood）和血氧饱和度（oxygen saturation of blood）。HbO2呈鲜红色，Hb呈紫蓝色。当血液中Hb含量达5g/100ml（血液）以上时，皮肤、黏膜呈暗紫色，这种现象称为发绀（cyanosis）。出现发绀常表示机体缺氧，但也有例外。例如，红细胞增多时（如高原性红细胞增多症），Hb含量可达5g/100ml（血液）以上，机体可出现发绀但并不一定缺氧；相反，严重贫血或CO中毒时，机体有缺氧但并不出现发绀。
4、氧解离曲线呈S形：氧解离曲线（见下述）呈S形（sigmoid shape）与Hb的变构效应有关。Hb有两种构型：Hb为紧密型（tense form，T型），HbO2为疏松型（relaxed form，R型），二者相互转换，据测算，在红细胞一生中，Hb要发生108次这样的构型转换。当O2与的Fe2+结合后，盐键逐步断裂，其分子构型逐渐由T型变为R型，对O2的亲和力逐渐增加；反之，当HbO2释放O2时，Hb分子逐渐由R型变为T型，对O2的亲和力逐渐降低。R型Hb对O2的亲和力为T型的500倍。无论在结合O2还是释放O2的过程中，Hb的4个亚单位彼此之间有协同效应，即1个亚单位与O2结合后，由于变构效应，其他亚单位更易与O2结合；反之，当HbO2的1个亚单位释出O2后，其他亚单位更易释放O2。因此，氧解离曲线呈S形。
（三）氧解离曲线
氧解离曲线（oxygen dissociation curve）是表示血液PO2与Hb氧饱和度关系的曲线（图5-15），也称为氧合血红蛋白解离曲线（oxyhemoglobin dissociation curve）。该曲线既表示在不同PO2下O2与Hb的解离情况，也反映在不同PO2时O2与Hb的结合情况。根据氧解离曲线的S形变化趋势和功能意义，可人为将曲线分为三段。
1、氧解离曲线的上段：氧解离曲线的上段（右段）相当于PO2在60～100mmHg之间时的Hb氧饱和度，可认为它是反映Hb与O2结合的部分。其特点是比较平坦，表明在此范围内PO2对Hb氧饱和度或血液氧含量影响不大。例如，PO2为100mmHg时（相当于动脉血PO2时），Hb氧饱和度为97.4％，血氧含量约为19.4ml/100ml（血液）。如果将吸入气的PO2提高到150mmHg，即提高了50%，而Hb氧饱和度最多为100％，只增加了2.6％，物理溶解的O2量也只增加大约0.5ml/100ml（血液），此时血氧含量约为20.0ml/100ml （血液），增加不到1ml。这就是为何VA/Q不匹配时肺泡通气量的增加几乎无助于O2的摄取的道理。反之，当PO2从100mmHg下降到70mmHg时，Hb氧饱和度为94％，也仅降低3.4％，血氧含量下降并不多。即使在高原、高空或在某些肺通气或肺换气功能障碍性疾病患者，吸入气或肺泡气PO2有所下降，只要动脉血PO2不低于60mmHg，Hb氧饱和度仍能维持在90％以上，血液仍可携带足够量的O2，不致引起明显的低氧血症。
2、氧解离曲线的中段：氧解离曲线的中段相当于PO2在40～60mmHg之间时的Hb氧饱和度，是反映HbO2释放O2的部分，其特点是曲线较陡。PO2为40mmHg时，相当于混合静脉血的PO2，Hb氧饱和度约75％，血氧含量约14.4ml/100ml（血液），即每100ml血液流经组织时释放5mlO2。血液流经组织时释放出的O2容积占动脉血氧含量的百分数称为氧利用系数（utilization coefficient of oxygen）。安静时，心输出量约5L，每分钟耗氧量约为250ml，因此O2的利用系数为25％左右。因此，这段曲线可以反映安静状态下机体的供氧情况。
3、氧解离曲线的下段：氧解离曲线的下段（左段）相当于PO2在15～40mmHg之间时的Hb氧饱和度，也是反映HbO2与O2解离的部分，其特点是最为陡直。在组织活动加强（如运动）时，组织中的PO2可降至15mmHg，HbO2进一步解离，Hb氧饱和度降至更低水平，血氧含量仅约4.4ml/100ml（血液）。这样，每100ml血液能供给组织15mlO2（包括曲线中段部分的释O2在内），O2的利用系数可提高到75％，是安静时的3倍。可见，这段曲线可反映血液供O2的储备能力。
（四）影响O2运输的因素
O2的运输障碍可导致机体缺氧。许多因素均可影响O2的运输，即影响Hb与O2的结合或解离。氧解离曲线的位置发生偏移则意味着Hb对O2的亲和力发生了变化。通常用P50来表示Hb对O2的亲和力。P50是使Hb氧饱和度达50％时的PO2，正常约为26.5mmHg（图5-16）。P50增大时氧解离曲线右移，表示Hb对O2的亲和力降低，需更高的PO2才能使Hb氧饱和度达到50％；P50降低时氧解离曲线左移，则表示Hb对O2的亲和力增加，达50％Hb氧饱和度所需要的PO2降低。pH、PCO2、温度、有机磷化合物、CO、Hb的质和量等因素均可影响血液对O2的运输。
1、血液pH和PCO2的影响：pH降低或PCO2升高时，Hb对O2的亲和力降低，P50增大，曲线右移；而pH升高或PCO2降低时，则Hb对O2的亲和力增加，P50降低，曲线左移（见图5-16）。血液酸度和PCO2对Hb与O2的亲和力的这种影响称为波尔效应（Bohr effect）。波尔效应主要与pH改变时Hb的构象发生变化有关。酸度增加时，H+与Hb多肽链某些氨基酸残基结合，促进盐键形成，使Hb分子向T型转变，对O2的亲和力降低；而酸度降低时，则促使盐键断裂并释放出H+，使Hb向R型转变，对O2的亲和力增加。当PCO2发生改变时，可通过pH的改变产生间接效应；同时，CO2可与Hb结合而直接降低Hb与O2的亲和力，不过这种作用很小。
波尔效应具有重要的生理意义，它既可促进肺毛细血管血液摄取O2，又有利于组织毛细血管血液释放O2。当血液流经肺部时，CO2从血液向肺泡扩散，血液PCO2随之下降，H+浓度也降低，二者均使Hb对O2的亲和力增大，促进对O2的结合，使血氧含量增加。当血液流经组织时，CO2从组织向血液净扩散，血液PCO2和H+浓度随之升高，Hb对O2的亲和力降低，促进HbO2解离，从而为组织提供O2。
2、温度的影响：温度升高时，Hb对O2的亲和力降低，P50增大，氧解离曲线右移，促进O2的释放；而温度降低时，曲线左移，不利于O2的释放而有利于结合（见图5-16）。温度对氧解离曲线的影响可能与温度变化会影响H+的活度有关。温度升高时，H+的活度增加，可降低Hb对O2的亲和力；反之，则增加其亲和力。
体温升高或运动时，组织温度升高，且CO2和酸性代谢产物也增加，这些因素都有利于HbO2解离，使组织获得更多O2，以适应细胞代谢增加的需要。临床上进行低温麻醉手术是因为低温有利于降低组织的耗氧量。然而，当组织温度降至20℃时，即使PO2为40mmHg，Hb氧饱和度仍能维持在90％以上，此时可因HbO2对O2的释放减少而导致组织缺氧，而血液却因氧含量较高而呈红色，因此容易疏忽组织缺氧的情况。
3、红细胞内2,3-二磷酸甘油酸：红细胞内含有丰富的磷酸盐，如2,3-二磷酸甘油酸（2,3-diphosphoglycerate 或 2,3-biphosphoglycetate，2,3-DPG）、ATP等，其中2,3-DPG在调节Hb与O2的亲和力中具有重要作用。2,3-DPG浓度升高时，Hb对O2的亲和力降低，P50增大，氧解离曲线右移；反之，曲线左移（见图5-16）。这种作用可能是由于2,3-DPG与Hb的β链形成盐键，促使Hb向T型转变的缘故。此外，红细胞膜对2,3-DPG的通透性较低，当红细胞内2,3-DPG生成增多时，还可提高细胞内H+浓度，进而通过波尔效应降低Hb对O2的亲和力。
2,3-DPG是红细胞无氧糖酵解的产物。在慢性缺氧、贫血、高山低氧等情况下，糖酵解加强，红细胞内2,3-DPG增加，氧解离曲线右移，有利于HbO2释放较多的O2，改善组织的缺氧状态；但也会降低Hb在肺部对O2的结合。在血库中用抗凝剂枸橼酸-葡萄糖液保存三周后的血液，糖酵解停止，红细胞内2,3-DPG浓度降低，使Hb与O2的亲和力增加，O2不容易解离而影响对组织供氧。如果用枸橼酸盐-磷酸盐-葡萄糖液作抗凝剂，则这种影响要小些。因此，临床上在给患者输入大量经过长时间储存的血液时，医护人员应考虑到这种血液对组织释放O2较少的影响。
4．CO：CO可与Hb结合形成一氧化碳血红蛋白（carbon monoxide hemoglobin 或 carboxyhemoglobin，HbCO），占据Hb分子中O2的结合位点，严重影响血液对O2的运输能力（图5-17）。CO与Hb的亲和力约为O2的250倍，这意味着在极低的PCO下，CO即可从HbO2中取代O2。肺泡PCO为0.4mmHg（肺泡PO2 100mmHg的1/250）时，CO即可与O2等量竞争，使Hb与O2的结合量减半；肺泡PCO为0.6mmHg（空气中CO浓度低于1/1000）即可致人死亡。另一方面，当CO与Hb分子中一个血红素结合后，将增加其余3个血红素对O2的亲和力，使氧解离曲线左移，妨碍O2的解离，所以CO中毒既可妨碍Hb与O2的结合，又能妨碍Hb与O2的解离，危害极大。
Hb与CO结合后呈樱桃色，因而CO中毒时，机体虽有严重缺氧却不出现发绀，在临床实际工作中必须高度关注。此外，CO中毒时，血液PO2可能是正常的，因而机体虽然缺氧，但不会刺激呼吸运动而增加肺通气，相反却可能抑制呼吸中枢（见本章第四节），减少肺通气，进一步加重缺氧。因此，在给CO中毒患者吸O2时，常同时加入5%CO2，以刺激呼吸运动。
5、其他因素：Hb与O2的结合还受其自身性质和含量的影响。如果Hb分子中的Fe2+被氧化成Fe3+，Hb便失去运O2能力。胎儿Hb与O2的亲和力较高，有助于胎儿血液流经胎盘时从母体摄取O2。异常Hb的运O2功能则较低；Hb含量减少（如贫血）也会降低血液对O2的运输能力。
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