Газообмен между кровью и тканями

Газообмен в тканях подчиняется тем же закономерностям, что и газообмен в легких (диффузия газов идет по направлению градиентов их напряжения, ее скорость зависит от напряжения газов, площади кровеносных капилляров, толщины диффузионного слоя и свойств газов).

Газообмен кислорода

Напряжение кислорода в тканевых структурах зависит от степени удаления этой структуры от кровеносных капилляров. В наиболее удаленных от капилляра участках ткани (в так называемом мертвом углу) оно может быть 0-1 мм рт.ст., а в начальном участке капилляра около 90 мм рт.ст. Таким образом, градиент напряжения кислорода между кровью и клетками ткани может достигать 90 мм рт.ст. В венозном конце капилляра рO2 снижается до 40 мм рт.ст., и прилежащие к этому участку клетки имеют худшие условия доставки кислорода. Межкапиллярное расстояние в сердечной мышце составляет около 25 мкм, в коре большого мозга — 40 мкм, в скелетных мышцах — 80 мкм. Для нормального течения окислительных процессов в клетках достаточно напряжения кислорода, равного 1 мм рт.ст.

Понижение напряжения кислорода в тканях или нарушение его использования для тканевого дыхания называют гипоксией. Гипоксия может быть результатом нарушения вентиляции легких или недостаточности кровообращения, нарушения диффузии газов в тканях, а также недостаточной активности биохимических ферментных систем в клетках.

Газообмен углекислого газа

Градиент напряжения углекислого газа между притекающей кровью и клетками, окружающими капилляр ткани, может достигать 40 мм рт.ст. (40 мм рт.ст. в артериальной крови и до 60—80 мм рт.ст. в глубоких слоях клеток). Эта сила обеспечивает выход углекислого газа в капиллярную кровь, напряжение углекислого газа в ней повышается до 46 мм рт.ст., а содержание углекислого газа до 56-58 об. %. Около четверти углекислого газа, выходящего из ткани в кровь, связывается с гемоглобином, остальная часть благодаря ферменту карбоангидразе соединяется с водой и образует угольную кислоту, которая быстро нейтрализуется путем присоединения ионов Na+ и К+ и в виде бикарбонатов транспортируется к легким. Поскольку ткани (особенно жировая и костная) содержат большое количество растворенного и связанного углекислого газа, они могут выполнять роль буфера, захватывая углекислый газ при гиперкапнии и отдавая при гипокапнии.

Тканевое дыхание

Под тканевым дыханием понимают ряд окислительно-восстановительных процессов и реакций, протекающих с участием кислорода. Окисление — это отдача электронов; восстановление, напротив, присоединение электронов; кислород в таких реакциях выполняет роль акцептора электронов, окислителя. В ниже приведенной реакции взаимодействия водорода с кислородом водород окисляется, а кислород восстанавливается. Присоединение четырех электронов к молекуле O2 завершается образованием воды и является основной реакцией потребления O2 в клетках аэробных организмов:

.

Как видно из уравнения, реакция сопровождается высвобождением значительного количества энергии и знакома каждому человеку из уроков химии в школе (реакция гремучего газа). Однако взрыва в клетке не происходит, потому что атомы водорода являются частью органических субстратов (это не молекулярный водород) и присоединяются к кислороду не сразу, а постепенно через ряд промежуточных переносчиков. Эти вещества формируют цепь переноса набор дыхательных ферментов, упорядоченно расположенных и формирующих полиферментные комплексы. Энергия при таком переносе аккумулируется в форме градиента концентрации ионов водорода. Процессы тканевого дыхания катализируются ферментами класса оксидоредуктаз, расположенными на внутренней мембране митохондрий. На этих мембранах происходит и завершающая реакция — образование воды.

В системе переноса ионов водорода и электронов в митохондриях участвуют четыре разных полиферментных комплекса. Роль переносчиков в них выполняют относительно небольшие органические молекулы:

• производные ниацина (витамина РР) — НАД+ и НАДФ+;

• производные витамина В2 — ФАД и ФМН;

• хорошо растворимый в липидах мембран убихинон (кофермент Q) и группа гемсодержащих белков (цитохромов Ь, с, а, аз).

В системе переноса электронов важна роль железа, которое включается в состав ферментов в структуре гема (в цитохромах) или в составе комплекса FeS.

Завершающим этапом работы дыхательной цепи является реакция, катализируемая ферментом цитохромоксидазой, которая через свой кофермент аз передает электроны непосредственно кислороду и последний взаимодействует с протонами с образованием воды. Молекула кислорода принимает четыре электрона и формирует две молекулы воды.

Во время переноса электронов комплексы дыхательной цепи (1, 3 и 4-й) перекачивают протоны из матрикса в межмембранное пространство и на внутренней мембране возникает градиент протонов (градиент электрохимического потенциала). Этот градиент используется особым комплексом Ферментов (называемым АТФ-синтетазой) для синтеза АТФ. Для синтетаза и переноса одной молекулы АТФ из митохондрии в цитоплазму используется энергия движения четырех протонов по электрохимическому градиенту через внутреннюю мембрану митохондрии. Поскольку в процессе образования двух молекул воды в межмембранное пространство митохондрии переносится 20 протонов, то их энергии хватает на синтез пяти молекул АТФ (20:4=5). Возможно функционирование и укороченного варианта дыхательной цепи, когда переносится только 12 протонов и синтезируется только три молекулы АТФ.

Такой механизм синтеза АТФ за счет энергии градиента электрохимического потенциала получил название окислительного фосфорилирования и составляет основу получения АТФ в аэробных условиях. Образованная таким путем АТф является основным источником энергии для протекания жизненных процессов у высокоорганизованных живых существ.

Сопряжение между переносом электронов и синтезом АТФ может нарушаться в присутствии некоторых химических соединений или при возникновении условий, повышающих проницаемость внутренней мембраны митохондрий для протонов. В этом случае протоны переходят в матрикс, минуя АТФ-синтетазу, синтез АТФ замедляется. Энергия переноса элетронов высвобождается в форме тепла, а клетки испытывают энергетический голод. Такие события получили название разобщение окислительного фосфорилирования, а вещества, которые его вызывают — разобщители. Например, сильнодействующим разобщителем является 2,4-динитрофенол. В митохондриях бурой жировой ткани роль разобщителя выполняет специальный белок — термогенин. Митохондрии, содержащие термогенин, являются хорошими источниками тепла и помогают приспосабливаться к низким температурам.

Известно большое количество ингибиторов переноса электронов по дыхательной цепи. Они являются сильнодействующими ядами (цианистый водород и его производные). Их действие вызывает прекращение переноса электронов и, следовательно, прекращение дыхания и смерть.

Молекула кислорода может присоединять от одного до четырех электронов. В зависимости от количества принятых электронов возникают разные производные кислорода. Присоединение четырех электронов к молекуле кислорода завершается образованием воды. Присоединение иного числа электронов к молекуле кислорода приводит в образованию так называемых активных форм кислорода: супероксидного анион-радикала (один электрон), пероксидного радикала (два электрона) и гидроксильного радикала (три электрона). Эти формы кислорода обладают высокой реакционной способностью, и образование их в значительных количествах может оказывать повреждающий эффект на клетку. Это свойство кислорода, в частности, используют макрофаги, генерируя активные формы кислорода для разрушения фагоцитируемых ими микроорганизмов.

В пероксисомах оксидоредуктазы также переносят водород на кислород, однако при этом реакция ведет к образованию пероксида водорода (пероксидного радикала кислорода):

Образуются активные формы кислорода и в мембранах эндоплазматической сети. Обычно количество формирующихся активных форм кислорода находится под контролем специальных антиоксидантных систем. Различают ферментную и неферментную антиоксидантные системы. К ферментам, разрушающим активные формы кислорода, относятся супероксид-дисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и др. Неферментативно ограничивают действие радикалов кислорода витамины Е, С и А, мочевая кислота и другие соединения.

Еще одной формой потребления кислорода клетками являются процессы гидроксилирования, при которых кислород присоединяется к молекуле, формируя в ней гидроксильную группу. Эти реакции широко используются для борьбы с гидрофобными молекулами, оказывающими неблагоприятное воздействие (ксенобиотики) на клетки. Их гидрокислирование позволяет в последующем присоединить гидрофильные молекулы (глюкуроновую кислоту, сульфат) и, повысив растворимость, вывести их из организма почками.