03_ppml_2006_3_golec..

Polski Przegląd Medycyny Lotniczej nr 3 tom 12, lipiec-wrzesień 2006 rok
PRACE POGL¥DOWE
Lucjan GOLEC
DYSOCJACJA HEMOGLOBINY KRWI
Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej, Warszawa
Zakład Fizjologii Lotniczej
STRESZCZENIE: W pracy przedstawiono poglądy na dysocjację hemoglobiny krwi uwzględniając specyficzne aspekty fizjologii i medycyny lotniczej. Zwrócono szczególną uwagę na pobór tlenu i oddawanie dwutlenku
węgla w warunkach obniżonego ciśnienia parcjalnego tlenu w otaczającej
atmosferze, to jest w warunkach hipoksji hipoksyjnej, występującej najczęściej (w awaryjnych warunkach) w lotnictwie. Określono krzywą wiązania
tlenu przez krew w zależności od pH, temperatury, prężności dwutlenku
węgla oraz wzrostu lub spadku 2,3-DPG (2,3-difosfoglicerynian). Przedstawiono również zależności krzywej wiązania tlenu i dwutlenku węgla w różnych warunkach otaczającego środowiska.
SŁOWA KLUCZOWE: dysocjacja hemoglobiny, krzywa wiązania CO2,
efekt Bohra, efekt Haldane’a.
Wiadomo, że tlen przenoszony jest z płuc do tkanek za pośrednictwem hemoglobiny znajdującej się w krwinkach czerwonych. W pęcherzykach płucnych hemoglobina łączy się z tlenem i oddaje go w tkankach. Zaopatrzenie ustroju w tlen
jest niezbędnym warunkiem do jego przeżycia i prawidłowego działania, dlatego
obserwujemy istnienie olbrzymiej ilości reakcji adaptacyjnych wzajemnie się warunkujących, mających na celu jedno, tj. zaopatrzenie ustroju w tlen, przede wszystkim zaś kory mózgowej [1,2,3]. Główną formę obrony ustroju przed niedoborem
tlenu stanowią odruchy z chemoreceptorów tętniczych, które są bardzo wrażliwymi czujnikami ciśnienia parcjalnego tlenu. Pobudzenie tych receptorów powoduje
pobudzenie układu współczulnego, odruchową hiperwentylację, zwiększa się pojemność minutowa serca i w zależności od potrzeb następują, niejako lawinowo,
kolejne reakcje adaptacyjne, łącznie ze zmianami w dysocjacji hemoglobiny [1,4,5].
W podręcznikach zmiany krzywej dysocjacji hemoglobiny opisywane są zwykle
w aspekcie chorób płuc, serca i wielu innych, wpływających na zaopatrzenie ustroju
w tlen [6,7,8,9,10]. Mniej jest spostrzeżeń dotyczących zmian w warunkach obniżonego ciśnienia parcjalnego tlenu w otaczającej atmosferze, zwłaszcza u osób
zdrowych [11,12,13,14].
Adres do korespondencji: doc. dr hab. n. med. Lucjan Golec, Zakład Fizjologii Lotniczej WIML,
01-755 Warszawa, ul. Krasińskiego 54, e-mail: [email protected].
249
L. Golec – Dysocjacja hemoglobiny krwi
Pilot, uznany za zdrowego i odbywający lot może znaleźć się w sytuacji awaryjnej (np. rozszczelnienie kabiny samolotu), gdzie ciśnienie parcjalne tlenu w otaczającej atmosferze jest niskie. Występuje zjawisko znane w medycynie lotniczej jako
hipoksja hipoksyjna, która na wysokościach do około 2000 m n.p.m. występuje
w strefie uznanej za obojętną (w znaczeniu pełnej zdolności pilota do wykonywania
dalszego lotu). Należy jednak dodać, że wysokość około 1500 m n.p.m. określa się
jako próg pobudliwości – wystąpienie wyraźnych reakcji kompensacyjnych ustroju.
Obszar między 2.000–4.000 m n.p.m. uznano za strefę pełnej kompensacji. Ponieważ jednak istnieje duża zmienność indywidualnej tolerancji hipoksji hipoksyjnej
w medycynie lotniczej, na wysokości około 3500 m n.p.m. wyróżnia się wystąpienie
progu zaburzeń [3,12,16]. Wykonywanie manewrów samolotem i wpływ zwiększonej grawitacji na pilota nasila zmiany saturacji hemoglobiny tlenem niezależnie od
hipoksji hipoksyjnej [17,18]. Poznanie zmian krzywej dysocjacji hemoglobiny w tych
warunkach jest dla lekarza lotniczego niezbędne, stąd przedstawione niżej poglądowe opracowanie ma ułatwić przyswojenie wiedzy dotyczącej tego problemu.
W ciśnieniu atmosferycznym wynoszącym 760 mm Hg (1013 hPa),(tzw. atmosfera standardowa), ciśnienie parcjalne tlenu wynosi 159,5 mm Hg (216,8 hPa)
co stanowi około 21% powietrza atmosferycznego. W powietrzu pęcherzykowym
zawartość tlenu jest mniejsza, co wynika ze wzoru:
760 = 570 + 47 + 40 + 103
gdzie:
- 570 mm Hg – ciśnienie parcjalne azotu,
- 47 mm Hg – ciśnienie parcjalne pary wodnej w płucach (para nasycona),
- 40 mm Hg – ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla w płucach (w spoczynku),
- 103 mm Hg, to wielkość ciśnienia parcjalnego tlenu, przy której zachowany
jest prawidłowy pobór tlenu i wydalanie dwutlenku węgla.
Przedział, przy którym zachowana jest prawidłowa wymiana, wynosi według różnych autorów 102–110 mm Hg [4,18]. Ciśnienie tlenu w pęcherzykach płucnych wynoszące około 103 mm Hg daje wysycenie hemoglobiny krwi tlenem około 94–97%
i stanowi normę przyjętą dla zdrowego człowieka w warunkach spoczynku. Wysycenie tlenem krwi żylnej wynosi zatem około 73–75%. Różnica między wysyceniem tlenem krwi tętniczej i krwi żylnej jest miarą wykorzystania tlenu przez tkanki. Należy
w tym miejscu dodać, że palenie papierosów (również bierne) powoduje blokadę części hemoglobiny tlenkiem węgla i wysycenie hemoglobiny krwi tlenem mieści się wtedy w dolnych granicach podanych wielkości procentowych.
W powietrzu wydychanym zawartość tlenu wynosi przeciętnie 116 mm Hg (około
15,3%). Na wysycenie hemoglobiny ustrój zużywa około 5–6% tlenu. Łączenie się
hemoglobiny (Hb) krwi z tlenem (asocjacja) i oddawanie tlenu do tkanek (dysocjacja) zachodzi na drodze dyfuzji wywołanej różnicą ciśnienia dyfundującego gazu.
Przy pełnym wysyceniu 1 mol Hb wiąże 4 mole tlenu. A więc 1 g Hb może przetransportować 1,38 ml O2. Prawidłowe stężenie hemoglobiny w ustroju wynosi około
150 g/l krwi. Tej przeciętnej zawartości hemoglobiny odpowiada maksymalna zawartość tlenu we krwi wynosząca 0,207 l/l, lub 9,24 mmol/l krwi. Jest to tak zwana
pojemność tlenowa [4,13]. Zawartość tlenu we krwi jest jednoznaczna z zawarto250
Polski Przegląd Medycyny Lotniczej nr 3 tom 12, lipiec-wrzesień 2006 rok
ścią tlenu związanego z hemoglobiną, gdyż rozpuszczonego fizycznie w ustroju tlenu jest niewiele (20 razy mniej niż CO2 przy tym samym ciśnieniu parcjalnym (patrz
ryc. 1). Utlenowana część całej hemoglobiny określana jest jako wysycenie tlenem
(saturacja). Można je wyliczyć ze stosunku rzeczywistego stężenia tlenu do pojemności tlenu i wynosi ono ok. 0,97 [13]. Należy dodać, że obok hemoglobiny będącej
transporterem tlenu z płuc do wszystkich tkanek ustroju rozróżniamy:
- mioglobinę, będącą przede wszystkim magazynem tlenu, z którego komórki
mięśni oraz mięśnia sercowego korzystają w tlenowych procesach energetycznych [4],
- neuroglobinę, substancję zwiększającą dostępność tlenu do tkanki mózgowej.
Stwierdzono, że im więcej neuroglobiny wytwarza konkretny rejon mózgu,
tym mniej jest on narażony na uszkodzenie związane z niedotlenieniem [20,21].
Procent saturacji hemoglobiny, przy różnych ciśnieniach parcjalnych tlenu
obrazuje krzywa dysocjacji hemoglobiny.
Ryc. 1. Krzywa wiązania tlenu we krwi.
(zależność od zawartości hemoglobiny we krwi) (wg 13)
Fig. 1. Oxygen binding curve (depending on blood hemoglobin; (13).
Jeżeli zawartość hemoglobiny we krwi jest podwyższona lub obniżona (na ryc. 1
żółta lub fioletowa krzywa), wówczas krzywa wiązania tlenu, jak również pojemność tlenowa przesuwa się w górę lub w dół. Natomiast przesunięcie w lewo lub
w przesunięcie w prawo zależy od stężenia jonów wodorowych, obniżenia lub wzro251
L. Golec – Dysocjacja hemoglobiny krwi
stu pCO2, zmiany temperatury i zawartości w krwinkach czerwonych 2,3-dwufosfoglicerynianu (2,3-DPG).
Główną funkcją hemoglobiny, jak już zaznaczono, jest transport tlenu z płuc
do tkanek i odprowadzanie dwutlenku węgla powstałego w wyniku procesów spalania. Hemoglobina erytrocytów jest białkiem, w skład którego wchodzi globina
i cztery jednostki hemu. W regulacji powinowactwa hemoglobiny do tlenu, które
jest zmienne i zależne od ciśnienia parcjalnego tlenu, najważniejszą rolę odgrywa
syntetyzowany w erytrocytach 2,3–DPG oraz ATP. Oba te związki tj. 2,3 DPG
i ATP mogą się przyłączać odwracalnie do hemoglobiny, co zmniejsza jej powinowactwo do tlenu. Reakcje te mają ważne znaczenie fizjologiczne i powinny być
brane pod uwagę w medycynie lotniczej, gdyż stężenie tych związków w krwince
czerwonej zmienia się w zależności od aktualnego ciśnienia parcjalnego tlenu panującego w tkankach. W lotnictwie, gdzie najczęściej występuje hipoksja hipoksyjna lub hipoksja krążeniowa (zastoinowa), ciśnienie parcjalne tlenu w tkankach
zależy od ciśnienia tlenu w otaczającej atmosferze [4,14,19].
Ryc. 2. Zależność krzywej wiązania tlenu od: pH, CO2, 2,3-DPG i temperatury (wg 13).
Fig. 2. Dependence of the oxygen binding curve on pH, pCO2, 2,3-GP, and temperature (13).
252
Polski Przegląd Medycyny Lotniczej nr 3 tom 12, lipiec-wrzesień 2006 rok
Przyczynami przesunięcia w lewo są obniżone pCO2 i podwyższone pH (także
niezależnie od ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla), obniżenie temperatury i zawartości w erytrocytach 2,3-DPG. Wzrost pH w naczyniach włosowatych płuc
powoduje, że tlen może być przyłączany w większym stopniu. Jest to tak zwany
efekt Bohra [4]. Przyczynami przesunięcia w prawo jest spadek pH oraz wzrost
temperatury, dwutlenku węgla i 2,3-DPG. Przesunięcie w prawo oznacza, że przy
tym samym ciśnieniu parcjalnym tlenu w otaczającym środowisku mniej tlenu jest
wiązane z hemoglobiną krwi. Stosunkowo niska wartość pH i stosunkowo wysokie ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla w tkankach obwodowych powoduje w nich
wzmożone odłączanie tlenu przez hemoglobinę. Przemiana oksyhemoglobiny
w tkankach obwodowych w hemoglobinę sprzyja wiązaniu CO2. Jest to tak zwany
efekt Haldane’a [13].
Istotnym końcowym produktem przemiany materii jest dwutlenek węgla. Powstając w komórkach ustroju ulega fizycznemu rozpuszczeniu (mniejsza część –
około 6%) i dyfunduje do naczyń włosowatych. Większa część jest wiązana chemicznie. Powstaje HCO3Ż. Decydującą rolę w tworzeniu HCO3Ż z dwutlenku węgla odgrywa anhydraza węglanowa (enzym w cytoplazmie erytrocytów) znacznie
przyspieszając tę reakcję. Powstaje również połączenie karbamidowe z hemoglobiną. Dwutlenek węgla jest wiązany z grupą anionową końca azotowego (N-terminal) łańcuchów polipeptydowych globiny i białek osocza. Najwięcej karbaminohemoglobiny tworzy się we krwi żylnej odpływającej z tkanek [4,14]. Na rycinie 3
przedstawiono krzywą dysocjacji dwutlenku węgla.
Ryc. 3. Krzywa wiązania CO2 we krwi (wg 13).
Fig. 3. Blood carbon dioxide binding curve (13).
253
L. Golec – Dysocjacja hemoglobiny krwi
Wykresem wiązania fizycznie rozpuszczonego dwutlenku węgla jest prosta zielona linia. Stężenie chemicznie związanego dwutlenku węgla wzrasta nieliniowo
i daje zgiętą krzywą wiązania. Przebieg krzywej wiązania dwutlenku węgla we krwi
zależy od wysycenia hemoglobiny krwi tlenem. Krew wysycona przez tlen wiąże
mniej dwutlenku węgla (ryc. 3 – linie czerwona i fioletowa). Jest to zjawisko korzystne. Krew nie jest całkowicie pozbawiona tlenu (przeciętne wysycenie około
70%) i dla tej sytuacji przedstawiona jest na rycinie 3 linia kreskowana. Punkt A –
wysycenie tlenem – 97%. Punkt V – wysycenie tlenem krwi żylnej. Linia łącząca
punkty i nazywana jest fizjologiczną krzywą wiązania CO2.
Dla lekarza lotniczego niezbędna jest również wiedza o trzech poziomach wysycenia hemoglobiny krwi tlenem [3]:
- 94–97% – stopień wysycenia w warunkach normobarii i normooksji,
- 80–83% – stopień wysycenia na wysokości 4000 m n.p.m. (ciśnienie otaczające 462 mmHg – 616 hPa, ciśnienie parcjalne tlenu w pęcherzykach płucnych 50 mmHg). Zgodnie z Regulaminem Lotów 2000, do tej wysokości
wolno wykonywać loty bez dodatkowego korzystania z tlenu. Takie wysycenie hemoglobiny krwi tlenem występuje w czasie lotu, na wysokości 12000
m n.p.m. przy oddychaniu tlenem pod ciśnieniem powietrza otaczającego
(145 mm Hg – 193 hPa).
- 60–62% – stopień wysycenia w warunkach lotu na wysokości 8000 m n.p.m.
bez korzystania z dodatkowego zaopatrzenia w tlen (granica śmierci).
Piśmiennictwo
1. Ernsting J., King O.(red.): Aviation Medicine. New York. 1995.
2. Huang S.Y., Tawney K.W., Bender P.R., Groves B.M., McCullough R.E., Micco A.J., Cymerman A., Greene E.R.: Internal carotid flow velocity with exercise before and after acclimatization to 4,300 m. J. Appl. Physiol. 1991, 71(4),
1469-1476.
3. Golec L.: Niedotlenienie wysokościowe. WIML, PTMS, Warszawa 1998.
4. Traczyk Wł., Trzebski A.(red.): Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej. PZWL, Warszawa 2001.
5. Golec L.: „Zysk wysokości”, „Hipoksyczny paradoks”. Pol. Przegl. Med. Lotn.
2001. 7, 217-222.
6. Fauci A.S., Braunwald E., Isselbacher K.J., Wilson J.D., Martin J.B., Kasper
D.L., Hauser S.L., Longo D.L.: Interna Harrisona. PZWL, Warszawa 2001.
7. Kokot E.: Gospodarka wodno-elektrolitowa i kwasowo-zasadowa w stanach
fizjologii i patologii. PZWL, Warszawa 2000.
8. Tatoń J., Czech A.(red.): Diabetologia. PZWL, Warszawa 2001.
9. Insalco G.S., Salvigo A., Lantranchi B.P., Petruna V.: Cardiovascular and ventilatory response to isocapnic hypoxia. Appl. Physiol. 1996, 80(5), 1724-1727.
10. Zinchuk V.V., PronkoT.P., Lis M.A.: Blood oxygen transport and endothelial
254
Polski Przegląd Medycyny Lotniczej nr 3 tom 12, lipiec-wrzesień 2006 rok
dysfunction in patients with arterial hypertension. Clin. Physiol. Functional
Imag. 2004, 24(4), 205-211.
11. Houston Ch.S.: Choroba wysokogórska. Scientific American. (wyd. polskie)
1992, 19, 40-43.
12. Roy Lhart.: Fundamentals of Aerospace Medicine. Williams and Wilkins
Comp., New York 1996.
13. Silbernagel S., Despopoulos A.: Atlas fizjologii. PZWL, Warszawa 1994.
14. Huicho L., Pawson I.G., Leon-Velarde F., Rivera-Chira M., Pacheco A., Silva
J.: Oxygen saturation and heart rate in healthy school children and adolescents living at high altitude. Am. J. Hum. Biol. 2001, 13(6), 761-770.
15. Golec L.: Klasyfikacja niedotlenienia. Pol. Przegl. Med. Lotn. 1999, 5(4), 371378.
16. Przybylowski T., Ashirbaev A., Le Roux J., Zielinski J.: Effect of 2000 m descent simulated in a hyperbaric chamber on arterial blood oxygen saturation
and sleep quality in workers of a gold mine situated at an altitude of 38004200 m above sea level. Pneumol. Alergol. Pol. 2003, 71(7-8), 314-319.
17. Sun J.S., Tong W.G., Chen M.R., Xiao Z.W.: Measurement of cerebral blood
oxygen saturation with near infrared spectroscopy and its application in hypergravity. Space Med. Med. Eng. 2003, 16(5), 371-373.
18. Wojtkowiak M.: Trening w wirówce przeciążeniowej jako forma przygotowania pilotów do lotów na samolotach wysokomanewrowych. Pol. Przegl. Med.
Lotn. 1995, 2(3), 261-273.
19. Ganong W.F.: Fizjologia. Podstawy fizjologii lekarskiej. PZWL, Warszawa 1996.
20. Pesce A., Dewilde S., Bardini M., Moens L., Ascenzi P., Burmester T., Bolognesi M.: Human brain neuroglobin structure reveals a distinct mode of controlling oxygen affinity. Structure 2003, 11(9), 1087-1095.
21. Laufs T.L., Wystub S., Reuss S., Burmester T., Saaler-Reinhardt S., Hankeln
T.: Neuron-specific expression of neuroglobin in mammals. Neurosci. Letters. 2004, 362 (2), 83-86.
Nadesłano: 15.05.2006 r.
Zaakceptowano do publikacji: 24.07.2006 r.
255
L. Golec – Dysocjacja hemoglobiny krwi
Lucjan GOLEC
BLOOD HEMOGLOBIN DISSOCIATION
Military Institute of Aviation Medicine, Warsaw
Aviation Physiology Department
SUMMARY: Blood hemoglobin dissociation related to specific aspects of
both aviation physiology and medicine is presented. A special attention is
being turned to oxygen intake and carbon dioxide accumulation at the
decreased pO2, i.e. hypoxic hypoxia, seen most frequently in the aircrew
(during accidents). A curve of oxygen binding by the blood in dependence
of pH, temperature, pCO2, and an increase or decrease in 2.3-DPG (2,3diglycerophosphate) is presented. A relationship between oxygen and carbon dioxide binding curve under different environmental conditions is also
presented.
KEY WORDS: hemoglobin dissociation, carbon dioxide binding curve,
Bohr effect, Haldane effect.
256