第四节　气体在血液中的运输

对于需要掌握机械通气技术的护士来说，了解O₂和CO₂在血液中的运输方式有助于理解肺泡血管通气和混合血流的机制，评估患者的氧合情况和通气情况。在临床实践中，氧合和通气往往是相关的，因为正常呼吸是通过O₂和CO₂在血液中的交换实现的。患者的氧合情况和通气情况可以相互影响。在机械通气中，我们会关注患者的氧合状态和通气状态，并通过适当的通气参数和氧浓度来调整和维持患者的呼吸功能。因此，我们有必要认识清楚O₂和CO₂在血液中的存在形式，以及O₂和CO₂在血液中的运输方式。

一、氧和二氧化碳存在血液中的存在形式

O₂和CO₂都以物理溶解和化学结合两种形式存在于血液中。当我们呼吸时，肺部经肺换气摄取O₂并将通过血液循环被运输到机体各组织和器官中，供细胞利用。同时，细胞代谢产生的CO₂则经组织换气进入血液后，也经血液循环被运输到肺部，最终被排出体外。因此，O₂和CO₂的运输是以血液为媒介的。根据亨利定律（Henry’s law），气体在溶液中溶解的量与分压和溶解度成正比，与温度成反比。在1个大气压下，温度为38℃时，O₂和CO₂在100ml血液中溶解的量分别为2.36ml和48ml。依此计算，动脉血PO₂为13.33kPa（100mmHg），每100ml血液含溶解的O₂ 0.31ml；静脉血PCO₂为6.13kPa（46mmHg），每100ml血液含溶解的CO₂ 2.9ml。一般成年人在静息状态下，心脏每分钟将大约5L血液送到全身。因此，通过物理溶解形式运输的动脉血中O₂流量仅约为15ml/min，而通过物理溶解形式运输的静脉血中CO₂流量约为145ml/min。然而，机体在安静状态下的耗氧量约为250ml/min，CO₂生成量约为200ml/min。显然，仅依靠物理溶解形式来运输O₂和CO₂是无法适应机体的代谢需要。

实际上，机体在进化过程中发展出了一种非常有效的方式来运输O₂和CO₂，即化学结合。因此，血液中的O₂和CO₂主要以化学结合的形式存在，而通过物理溶解形式的O₂和CO₂所占比例极小；化学结合可使血液对O₂的运输量增加约65~140倍，对CO₂的运输量增加近20倍。

虽然血液中单纯以物理溶解形式溶解的O₂和CO₂很少，但很重要，因为必须先有物理溶解才能发生化学结合。在肺换气或组织换气时，进入血液的O₂和CO₂都是先在血浆中物理溶解，提高各自的分压，再出现化学结合；当从血液释放时，也是通过物理溶解形式的O₂和CO₂先逸出，使各自的分压下降，然后化学结合的O₂和CO₂再分离出来，并溶解到血浆中，这个过程使得气体在血液中的物理溶解和化学结合两者间处于动态平衡。

二、氧的运输

血液中O₂以物理溶解形式存在的量仅占血液总氧含量的1.5%左右，而剩余的98.5%以化学结合的方式存在。O₂在血液中主要以血红蛋白（hemoglobin，Hb）结合的形式存在，形成氧合血红蛋白（HbO₂）分子。Hb是红细胞内的一种色蛋白，其分子结构特征使之成为有效的携氧工具。除运输O₂外，Hb也参与CO₂的运输。

（一）血红蛋白分子结构

每一个Hb分子由1个珠蛋白和4个血红素（又称亚铁原卟啉）组成。每个血红素由4个吡咯基组成一个环，中心为一个铁原子（Fe2+）。每个珠蛋白有4条多肽链，每条多肽链与1个血红素相连接，构成Hb分子的单体或亚单位。Hb分子是由4个单体构成的四聚体。不同Hb分子的珠蛋白的多肽链的组成不同。成年人的血红蛋白（HbA）由2条α链和2条β链组成，为α₂β₂结构（图1-4-1）。

胎儿血红蛋白（HbF）由2条α链和2条γ链组成，为α₂γ₂结构。出生后不久，胎儿血红蛋白即被成年人的血红蛋白取代。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（胎儿血红蛋白的γ链与成年人的血红蛋白的β链的区别在于其中有37个氨基酸残基不一样）。血红素基团中心的Fe2+可与氧分子结合而使Hb转化为氧合血红蛋白。

Hb分子的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四级结构的构型发生改变，Hb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。

（二）Hb与O₂结合的特征

Hb与O₂结合主要有4个特征，见表1-4-1。

（三）氧解离曲线

氧解离曲线（oxygen dissociation curve）或氧合血红蛋白解离曲线是表示血液中PO₂与SO₂关系的曲线（图1-4-2）。该曲线既表示在PO₂不同时O₂与Hb的解离情况，也反映在PO₂不同时O₂与Hb的结合情况。依据氧解离曲线的S形变化趋势和功能意义，可将曲线分为三段，见表1-4-2。

（四）影响氧解离曲线的因素

O₂与Hb的结合或解离可受多种因素影响，使氧解离曲线的位置发生偏移，亦即使Hb对O₂的亲和力发生变化。通常用P₅₀来表示Hb对O₂的亲和力。P₅₀是使SO₂达50%时的PO₂，正常为3.53kPa（26.5mmHg）。P₅₀增大，表示Hb对O₂的亲和力降低，需更高的PO₂才能使SO₂达到50%，曲线发生右移；P₅₀降低，则表示Hb对O₂的亲和力增加，SO₂达50%所需PO₂降低，曲线发生左移。影响Hb与O₂亲和力或P₅₀的因素有血液的pH、PCO₂、温度和有机磷化合物、CO、Hb的质和量等。

1.pH和PCO₂的影响

当pH降低或PCO₂升高时，Hb对O₂的亲和力降低，P₅₀增大，氧解离曲线右移；而pH升高或PCO₂降低时，Hb对O₂的亲和力增加，P₅₀降低，氧解离曲线左移。血液酸度和PCO₂对Hb氧亲和力的这种影响称为波尔效应（bohr effect）。波尔效应的发生主要与pH改变时Hb的构象发生改变有关。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，从而降低Hb对O₂的亲和力；而酸度降低时，则促使盐键断裂放出H+，使Hb向R型转变，对O₂的亲和力增加。此外，Hb与O₂的结合也受PCO₂的影响，当PCO₂改变时，可通过pH的改变产生间接效应；此外，CO₂与Hb结合，也会直接影响Hb对O₂的亲和力，不过这种效应的作用很小。

波尔效应有重要的生理意义，既可促进肺毛细血管血液的氧合，又有利于组织毛细血管血液释放O₂。当血液流经肺时，CO₂从血液向肺泡扩散，血液中的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O₂与Hb的结合，血氧含量增加。当血液流经组织时，CO₂从组织扩散进入血液，血液中PCO₂和H+浓度随之升高，Hb对O₂的亲和力降低，促进氧合血红蛋白解离，为组织提供O₂。

2.温度的影响

当温度升高时，氧解离曲线右移，促进O₂的释放。相反，当温度降低时，曲线左移，不利于O₂的释放。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，可增加其亲和力。

在组织代谢活动增强（如体育运动）时，局部组织温度升高，CO₂和酸性代谢产物增加，都有利于氧合血红蛋白解离，因此组织可获得更多O₂，以适应代谢增加的需要。

在进行低温麻醉手术时，低温环境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5.33kPa（40mmHg），SO₂仍能维持在90%以上，血液因氧含量较高而呈红色，实际上氧合血红蛋白对O₂的释放减少了，医生容易忽视组织仍然会出现缺氧的情况。

3.红细胞内2，3-二磷酸甘油酸

红细胞中含有丰富的磷酸盐，如2，3-二磷酸甘油酸（2，3-DPG）、ATP等，其中2，3-DPG在调节Hb对O₂的亲和力中具有重要作用。其机制可能是由于2，3-DPG与Hb的β链形成盐键，促使Hb向T型转变的缘故。

当2，3-DPG浓度升高时，Hb对O₂的亲和力降低，Hb更容易释放氧气，氧解离曲线右移（反之，曲线左移）。这一现象在慢性缺氧、贫血、高山低氧等情况下尤为明显，因为这些情况下红细胞内2，3-DPG生成增多，有利于释放更多的O₂，从而改善组织的缺氧状态。

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，还可提高细胞内氢离子（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。在血库中，用抗凝药枸橼酸-葡萄糖液保存了3周后的血液后，由于糖酵解停止，红细胞内2，3-DPG浓度下降，导致Hb对O₂的亲和力增加，O₂不容易解离，从而影响对组织供氧。

因此，在临床实践中，当向患者输入大量经过长时间储存的血液时，应考虑到这种血液在组织中释放的O₂量较少。如果用枸橼酸盐-磷酸盐-葡萄糖液作抗凝药，这种影响将会有所减小。

4.一氧化碳的影响

一氧化碳（carbon monoxide，CO）是无色、无味、无刺激的气体。当大量吸入时，CO可与血液中的Hb结合形成一氧化碳血红蛋白（HbCO），占据Hb分子中O₂的结合位点，影响血液对O₂的运输。CO与Hb的亲和力约等于O₂的250倍，这表示在极低的PCO下，CO可从氧合血红蛋白中取代O₂；同时，当CO与Hb分子中一个血红素结合后，可增加其余血红素对O₂的亲和力，导致氧解离曲线左移，Hb与O₂的解离受到阻碍。Hb与CO结合后呈樱桃色，所以CO中毒时，机体虽严重缺氧，但不出现发绀。

另外，CO中毒时，血液中PO₂可能是正常的，机体虽然处于缺氧状态，但不会对呼吸运动产生刺激而增加肺通气，反而可能抑制呼吸中枢，减少通气，加重缺氧。因此，给CO中毒的患者吸氧时，常同时加入5% CO₂，刺激呼吸运动。目前，当需要高压氧治疗CO中毒时，高压氧舱内超过了一个绝对大气压，该治疗手段主要通过大幅提高PO₂，增加O₂在血液中的溶解度和含量，并促使CO解离，从而解除PO₂正常患者的缺氧状态。

5.其他因素

O₂与Hb的结合还受Hb自身性质的影响。如Hb分子中的Fe2+氧化成Fe3+，Hb便失去运输O₂的能力。胎儿血红蛋白（HbF）对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。Hb异常患者的O₂运输能力则较低。

三、二氧化碳的运输

（一）二氧化碳的运输形式

血液中通过物理溶解的CO₂约占CO₂总运输量的5%，通过化学结合的CO₂约占95%。化学结合的形式主要是碳酸氢盐和氨基甲酰血红蛋白，前者约占CO₂总运输量的88%，而后者约占7%。

1.碳酸氢盐

在血浆或红细胞中，溶解的CO₂与H₂O反应生成H₂CO₃，后者再解离成（碳酸氢根）和H+（氢离子），如下式：

该反应是可逆的，其反应的方向取决于PCO₂的高低。在组织中，反应向右进行，而在肺部向左进行，并且都需要碳酸酐酶（carbonic anhydrase）。

在组织中，经过组织换气扩散入血的CO₂先溶于血浆，其中小部分CO₂经过上述反应生成和H+主要与血浆中的Na+结合，以NaHCO₃的形式运输CO₂，H+被血浆缓冲系统缓冲，血液pH无明显变化。因为血浆中缺乏碳酸酐酶，所以这一反应过程较为缓慢，需要数分钟才能达到平衡。而溶解于血浆中的CO₂绝大部分扩散进入红细胞，因红细胞内含有碳酸酐酶的浓度较高，在其催化下，CO₂与H₂O结合的反应极为迅速，其反应速率可增加5 000倍，不到1s即可达到平衡。在红细胞内，H₂CO₃再解离为和H+，H+主要与Hb结合而被缓冲，同时释放O₂，H+与Hb结合不仅可以促进更多的CO₂转变为，有助于CO₂的运输，还能促进更多的O₂释放，有利于组织供氧；小部分与K+结合，结合成KHCO₃，运输CO₂，而细胞内大部分顺浓度梯度通过红细胞膜，扩散至血浆。红细胞内负离子因此而减少。因为红细胞膜不允许正离子自由通过，而允许小的负离子通过，所以Cl-便由血浆扩散进入红细胞，这一现象称为Cl转移（chloride shift）。在红细胞膜上有特异的转运体，转运这两种离子进行跨膜交换。这样便不会在红细胞内堆积，有利于上述反应的进行和CO₂的运输。随着CO₂的进入，红细胞内的渗透压由于或Cl-的增多而升高，因此，H₂O进入红细胞以保持其渗透压平衡，并使静脉血的红细胞轻度“肿胀”。同时，因为动脉血中的一部分液体经淋巴而不是经静脉回流，所以静脉血的血细胞比容比动脉血的约大3%。

在肺部，上述反应向相反方向进行。因为肺泡气PCO₂比静脉血PCO₂低，所以血浆中溶解的CO₂首先扩散入肺泡，而血液中的NaHCO₃则不断产生CO₂，溶解于血浆中。红细胞内KHCO₃解离出的与H+生成H₂CO₃，经碳酸酐酶加速分解为CO₂和H₂O，CO₂从红细胞扩散入血浆，而血液中的便进入红细胞以补充被消耗的，Cl-则扩散出红细胞。这样，以NaHCO₃和KHCO₃形式运输的CO₂便在肺部被释放出来。

由上述可见，碳酸酐酶在CO₂的运输中具有非常重要的意义，因此，在使用碳酸酐酶抑制药（如乙酰唑胺）时，应注意可能会影响CO₂的运输。有研究表明，乙酰唑胺可使组织中PCO₂由正常的6.13kPa（46mmHg）升高至10.67kPa（80mmHg）。

2.氨基甲酰血红蛋白

进入红细胞的一部分CO₂与Hb的氨基结合，生成氨基甲酰血红蛋白（HbCO₂），这一反应无须酶的催化，而且迅速、可逆。调节这一反应的主要因素是氧合作用。氧合血红蛋白与CO₂结合形成氨基甲酰血红蛋白的能力比Hb小。在组织，部分氧合血红蛋白解离释出O₂，变成去氧血红蛋白，与CO₂结合成氨基甲酰血红蛋白。此外，Hb的酸性比氧合血红蛋白弱，易与H+结合，缓冲pH的变化。在肺部，氧合血红蛋白生成增多，促使氨基甲酰血红蛋白解离，释放CO₂和H+。氧合作用的调节具有重要意义，虽以氨基甲酰血红蛋白形式运输的CO₂仅占CO₂总运输量的7%左右，但在肺部排出的CO₂中却有17.5%是从氨基甲酰血红蛋白释出的，表明这种运输形式的高效性（图1-4-3）。

（二）二氧化碳解离曲线

二氧化碳解离曲线（carbon dioxide dissociation curve）是表示血液中CO₂含量与PCO₂关系的曲线（图1-4-4）。血液中CO₂的含量随PCO₂的升高而增加。与氧解离曲线不同，二氧化碳解离曲线接近线性而不呈S形，且无饱和点，故二氧化碳解离曲线的纵坐标不用饱和度而用浓度表示。

（三）O₂与Hb的结合对CO₂运输的影响

O₂与Hb结合可促使CO₂释放，而去氧血红蛋白则容易与CO₂结合，这一现象称为何尔登效应（Haldane effect）。从图1-4-4中可见，在相同的PCO₂下，氧合血红蛋白多的动脉血所携带的CO₂比静脉血少。因为氧合血红蛋白酸性较强，而Hb酸性较弱，所以Hb容易与CO₂结合，生成氨基甲酰血红蛋白，也容易与H+结合，使H₂CO₃解离过程中产生的H+可被及时中和，有利于血液运输CO₂。

因此，在组织中，氧合血红蛋白释出O₂而转化为Hb，通过何尔登效应促使血液摄取并结合CO₂；反之，在肺部，则因O₂与Hb结合，何尔登效应表现为促进CO₂释放。可见，O₂和CO₂的运输不是孤立进行的，而是相互影响的。CO₂通过波尔效应影响O₂的运输，O₂又通过何尔登效应影响CO₂的运输。

（朱　颖）