第二十四章 氧气和二氧化碳的运输：修订间差异
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<nowiki>• 图24.2 根据菲克定律（Fick's law），气体通过组织薄片的扩散速率\dot{(V_{gas})}与组织表面积(A)、特定气体的扩散常数(D)以及组织两侧的气体分压差(P_{\mathrm{\Delta\tau}_{1}}-P_{\mathrm{\Delta\tau}_{2}})成正比，与组织厚度(T)成反比。 </nowiki> $$ \begin{array}{c}<nowiki>{{\mathrm{公式24.2}}</nowiki>}\ <nowiki>{{\dot{\mathrm{V}}</nowiki><nowiki>_{\mathrm{CO}}=\mathrm{D}_{\mathrm{L}}\mathrm{CO}(P1-P2),\mathrm{或}}}\ </nowiki><nowiki>{{\mathrm{D}_{\mathrm{L}}</nowiki><nowiki>\mathrm{Co}=\displaystyle\frac{\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{CO}}}{(P1-P2)},~\mathrm{且由于~\mathrm{P}_2~实}}}\ </nowiki><nowiki>{{\mathrm{D}_{\mathrm{L}}</nowiki><nowiki>\mathrm{co}=\displaystyle\frac{\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{CO}}}{(P1)}}}\end{array} $$ 际上为零，其中\mathrm{D}_{\mathrm</nowiki><nowiki>{{L}}</nowiki>}\mathrm{co}=肺对一氧化碳的扩散容量（diffusion capacity）。 <nowiki>\mathrm{D_{L}}\mathrm{co}的评估已成为肺泡-毛细血管膜扩散屏障的经典测量指标。它在某些阻塞性肺疾病（如肺气肿）的鉴别诊断中具有重要价值。尽管暴露于高浓度一氧化碳可能有毒，但在气体扩散测试中总CO暴露量可忽略不计。 </nowiki> 临床视角 一名间质性肺纤维化患者（限制性肺疾病）从残气量到肺总量吸入单次含0.3% CO的气体。屏气10秒后呼气。弃去死腔的呼出气体后，收集呼气末期的代表性肺泡气体样本。平均肺泡CO压力为0.1\mathrm{~mm}\ H_{9}，且已摄取0.25 mL CO。该患者的CO扩散容量为： $$ <nowiki>\mathsf{D}_{\mathsf{L}}=\frac{\dot{\mathsf{V}}\mathsf{C}\mathsf{O}}{\mathsf{P}\mathsf{A}\mathsf{C}\mathsf{O}}</nowiki> $$ <nowiki>\mathsf{D}_{\mathsf{L}}\mathsf{c o}的正常范围为20-30 mL/分钟/mm Hg。间质性肺纤维化患者最初会出现肺泡炎症反应，随后在间质空间形成瘢痕。炎症和瘢痕替代肺泡并减少气体扩散的有效表面积，导致\mathsf{D}_{\mathsf{L}}\mathsf{c o}降低。这是某些类型限制性肺疾病的典型特征。 </nowiki> 肺内氧气与二氧化碳交换受灌注限制 不同气体具有不同的溶解度系数。不溶于血液的气体（即麻醉性气体如氧化亚氮和乙醚）不会与血液中的蛋白质发生化学结合，并能快速在肺泡气体与血液之间达到平衡。这种平衡发生的时间（0.75至1.0秒）短于红细胞在毛细血管床停留的时间（毛细血管转运时间）。不溶性气体在肺泡气体与血液之间的扩散被认为是灌注限制（perfusion limited）的，因为离开毛细血管的血液中气体分压已与肺泡气体达到平衡，其扩散仅受肺泡灌注血量的限制。相反，一氧化碳（CO）等扩散限制（diffusion limited）的气体在肺泡-毛细血管膜中溶解度低，但由于其对血红蛋白（\mathrm{Hgb}）的高亲和力，在血液中具有高溶解度。这些特性导致红细胞转运时间内CO无法在肺泡气体与血液之间达到平衡。 CO对Hgb的高亲和力使得血液能摄取大量CO，而其分压几乎不升高。与Hgb化学结合的气体不会在血液中产生分压。与CO类似，CO2和O2在肺泡-毛细血管膜中的溶解度相对较低，但由于能与\mathrm{Hgb}结合，在血液中具有高溶解度。然而，它们的平衡速率足够快，可在红细胞毛细血管转运时间内完成完全平衡。O2和CO2的平衡通常发生在0.25秒内。因此，O2和O2的转运通常属于灌注限制。扩散限制性气体（如CO）的分压在毛细血管停留期间不会与肺泡压达到平衡（图24.3）。虽然CO2在血液中的扩散速率高于O2，但其膜-血溶解度比较低，因此在血液中达到平衡所需时间大致相同。 • 图24.3 氧化亚氮（\mathsf{N}_{2}\mathsf{O}）、一氧化碳（CO）和氧气（{\sf O}_{2}）在血液中的摄取与其分压及红细胞毛细血管转运时间的关系。对于灌注限制性气体（\mathsf{N}_{2}\mathsf{O}和O2），其分压在离开毛细血管前已与肺泡压达到平衡。相反，扩散限制性气体CO的分压不会与肺泡压达到平衡。在极少数情况下，O2的摄取可能转为扩散限制。 若红细胞在毛细血管床停留时间短于0.25秒，则O2和CO2可能发生扩散限制。这种情况偶见于剧烈运动中的优秀运动员，以及在高海拔运动的健康受试者。 氧气运输 氧气在血液中以两种形式运输：溶解于血浆的O2以及与血红蛋白（Hgb）结合的O2。溶解形式在临床动脉血气样本中通过'''动脉血氧分压（Pao₂）'''进行测量。正常情况下，血液中仅有极少比例的O2以溶解形式存在，其对氧气运输的贡献几乎可忽略不计。但在严重低氧血症时，溶解氧可能成为重要因素。氧气与红细胞内的血红蛋白结合形成'''氧合血红蛋白（oxyhemoglobin）'''是主要的氧气运输机制。未结合氧气的血红蛋白称为'''脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin）'''或还原型血红蛋白。血红蛋白的结合能力使血液的携氧效率提高了约65倍。 血红蛋白 '''血红蛋白（Hgb）'''是氧气的主要运输分子。血红蛋白分子由两部分组成：四个含铁的非蛋白'''血红素（heme）'''<nowiki>基团（每个血红素含有一个处于还原态的二价铁离子\mathrm{Fe^{++}}，此为氧气结合位点）和由四条多肽链构成的</nowiki>'''珠蛋白（globin）'''部分。正常成年人含两条α链和两条β链（HgbA），而6月龄以下婴儿主要含有'''胎儿血红蛋白（HgbF）'''（由两条α链和两条γ链构成）。HgbF的结构差异使其对氧气的亲和力更高，有助于氧气通过胎盘运输。此外，HgbF不受糖酵解产物'''2,3-二磷酸甘油酸（2,3-DPG）'''的抑制，从而进一步增强了氧气摄取能力。 氧气与血红蛋白的结合会改变血红蛋白吸收光线的能力。这种光学效应使得氧合的动脉血（鲜红色）与脱氧的静脉血（暗红偏蓝色）呈现颜色差异。氧气与血红蛋白的结合和解离过程仅需毫秒级时间，这适应了红细胞在毛细血管中仅停留0.75秒的快速运输需求。每个红细胞约含2.8亿个血红蛋白分子，形成了高效的氧气运输机制。'''肌红蛋白（myoglobin）'''是横纹肌中一种结构与功能类似血红蛋白的蛋白质，仅含单个亚基，其功能是协助氧气从血液向肌细胞转移并储存氧气，这在缺氧条件下尤为重要。 <nowiki>血红蛋白异常可由氨基酸序列突变（如镰状细胞病）或珠蛋白多肽链空间构象改变引起，导致功能异常。一氧化碳（CO）、亚硝酸盐（一氧化氮）及氰化物等化合物可将血红素中的铁离子从还原态二价铁（\mathrm{Fe^{++}}）氧化为三价铁（\mathrm{Fe^{+++}}），从而降低血红蛋白的携氧能力。 </nowiki><nowiki> 氧合血红蛋白解离曲线 在肺泡中，血浆中大部分O2迅速扩散进入红细胞并与\mathrm{Hgb}（血红蛋白）发生化学结合。这一过程是可逆的，因此血红蛋白能通过被动扩散快速向组织释放O2（此时血红蛋白中的O2浓度降低）。氧合血红蛋白解离曲线展示了血液中\mathrm{PO}_{2}（氧分压）与血红蛋白结合的O2分子数量之间的关系（图24.4）。曲线的S形特征表明血红蛋白饱和度对\mathrm{PO}_{2}的依赖性，尤其在低于60\mathrm{mmHg}的分压范围内更为显著。 氧合血红蛋白解离曲线平坦部分（>60 mmHg）的临床意义在于：在较宽的分压范围（100–60 mmHg）内，即使\mathrm{PO}_{2}下降，血红蛋白饱和度仍能维持在90%至100%，这对正常氧运输和递送已足够。曲线陡峭部分（<60 mmHg）的临床意义则表现为：仅需微小的\mathrm{PO}_{2}变化即可促使血红蛋白释放大量O2，这有利于氧气向组织的释放和扩散。曲线上血红蛋白氧饱和度为50%对应的点称为P_{50}（P₅₀），正常成人该值为27\mathrm{mmHg}。 影响氧合血红蛋白解离曲线移动的生理因素 在多种临床情况下，氧合血红蛋白解离曲线可发生右移或左移（图24.5）。当血红蛋白对O2的亲和力降低时，曲线右移；当亲和力增加时，曲线左移。右移时P_{50}增大，左移时P_{50}减小。 • 图24.5 导致氧合血红蛋白解离曲线右移（血红蛋白对O2亲和力降低）或左移（亲和力增加）的因素。2,3{-}DPG：2,3-二磷酸甘油酸；PCO_{2}：二氧化碳分压。 IN THE CLINIC氢离子浓度与二氧化碳 在称为镰刀型细胞贫血症（sickle cell disease）的遗传性纯合状态中，患病个体的血红蛋白（Hgb）分子β（\upbeta）链上存在氨基酸替换（谷氨酸被缬氨酸取代）。这种突变产生镰刀型血红蛋白（HgbS），当未与氧气结合时（脱氧血红蛋白或脱饱和Hgb），可转变为刚性胶状物质，使红细胞正常的双凹圆盘形扭曲为新月形或镰刀状。这种从球形到镰刀形的形态变化会增加红细胞形成血栓或凝块的倾向，从而阻塞小血管并引发被称为急性镰刀型细胞危象（acute sickle cell episode）的临床症状。 危象症状因阻塞部位而异（例如脑部阻塞导致中风，肺部阻塞导致肺梗死），通常伴随剧烈疼痛。脾脏是常见的阻塞/梗死部位，后续组织损伤会削弱患者的免疫功能，使其易受反复感染。纯合型患者的寿命会缩短；然而杂合型个体对疟疾具有抗性。因此，在疟疾流行地区，携带杂合等位基因的个体具有生存优势，这或许解释了为何镰刀型细胞突变能通过进化保留。胎儿血红蛋白（HgbF）对O2的亲和力更高，可为镰刀型细胞贫血症患者提供保护优势——当O2从Hgb释放到组织时，红细胞脱饱和程度较低，因此更不易变形为镰刀状。该疾病在非裔美国人群体中最为常见，但也见于西班牙裔、土耳其裔、亚裔等其他族群。 当血红蛋白对O2的亲和力降低时，会促进O2解离。这导致在特定氧分压（\mathrm{Po}_{2}）下Hgb与O2的结合减少，从而使\mathrm{P}_{50}升高。当Hgb对O2的亲和力增加时，氧解离曲线左移，导致\mathrm{P}_{50}降低。此时O2的解离与向组织输送受到抑制。若氧分压处于正常范围（80-100 mmHg）内，解离曲线的右移或左移几乎不产生影响。然而当氧分压低于60 mmHg（曲线陡峭部分）时，氧合血红蛋白解离曲线的移动会显著影响O2运输。 氧合血红蛋白解离曲线的偏移 血液氢离子浓度\mathrm{(pH)}的变化会引起氧合血红蛋白解离曲线（oxyhemoglobin dissociation curve）的偏移。当组织产生的CO2增加并释放入血液时，会生成氢离子\left(\mathrm{H^{+}}\right)并降低\mathrm{pH}值。这会使解离曲线右移，通过促进\mathrm{Hgb}释放O2扩散至代谢活跃的组织中，从而产生有益效应。解离曲线右移是由于\mathrm{pH}降低以及CO2对Hgb的直接作用。相反，当血液流经肺部时，CO2被呼出导致\mathrm{pH}升高，进而使氧合血红蛋白解离曲线左移。这种CO2对Hgb与O2亲和力的影响称为波尔效应（Bohr effect），它能增强肺部对O2的摄取和组织对O2的输送。 体温升高（如运动时）会使氧合血红蛋白解离曲线右移，从而向需要更多O2的组织释放更多氧气以满足代谢需求的增加。在寒冷环境下，体温下降（尤其是肢体末端如嘴唇、手指、脚趾和耳部）会使O2解离曲线左移（Hgb亲和力升高）。此时虽然\mathrm{Pao}_{2}可能正常，但这些末梢部位的O2释放会受到阻碍。 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-Diphosphoglycerate） 成熟红细胞不含线粒体，因此依赖无氧糖酵解（anaerobic glycolysis）。糖酵解过程中红细胞内会生成大量代谢中间产物2,3-DPG，随着2,3-DPG水平升高，Hgb对O2的亲和力降低，导致氧合血红蛋白解离曲线右移。虽然2,3-DPG和O2在Hgb分子上的结合位点不同，但2,3-DPG的结合会产生变构效应（allosteric effect）抑制O2的结合。导致2,3-DPG升高的条件包括缺氧、Hgb减少和\mathrm{pH}升高。库存血样中2,3-DPG水平会降低，这可能对输血受体造成问题，因为Hgb对O2的亲和力增强会阻碍O2向组织的释放。 胎儿血红蛋白（Fetal Hemoglobin, HgbF） 如前所述，HgbF对O2的亲和力高于成人Hgb，因此其氧合血红蛋白解离曲线左移。 一氧化碳（Carbon Monoxide） CO与血红蛋白（Hgb）分子的血红素基团结合，结合位点与O2相同，形成碳氧血红蛋白（HgbCO）。通过比较氧合血红蛋白和解离曲线与碳氧血红蛋白解离曲线，可以揭示CO与O2结合Hgb能力的主要差异。CO对Hgb的亲和力比O2对Hgb的亲和力高约200倍（图24.6）。因此，少量CO即可显著影响O2与Hgb的结合。在CO存在时，Hgb对O2的亲和力会增强。这导致解离曲线左移，进一步阻碍O2向组织的释放和输送。当血液的Pco接近1.0\mathrm{mmHg}时，所有Hgb结合位点均被CO占据，Hgb无法与O2结合。这种情况与生命活动不兼容，是CO中毒致死的原因。健康个体的HgbCO约占据Hgb结合位点的1%至2%；然而，在吸烟者和居住在高密度城市交通区域的人群中，Hgb结合位点的占据率可上升至10%。超过5%至7%的水平被视为危险。 CO的潜在来源包括建筑物燃烧产生的烟雾、通风不良的室内供暖系统暴露、在通风不良环境中使用燃气或木炭烧烤架，以及在密闭空间使用汽油动力发动机（包括汽车发动机）。高CO水平个体的治疗包括使其脱离CO源，随后给予高浓度O2以置换Hgb上的CO。通过使用气压舱将环境压力提升至大气压以上，可显著增加O2张力，从而促进CO从Hgb解离。 • 图24.6 氧合血红蛋白与碳氧血红蛋白解离曲线清晰展示了与O2相比，一氧化碳（CO）对Hgb的增强亲和力。 另一种气体——一氧化氮（nitric oxide）对Hgb具有极高亲和力（比O2高200,000倍），并在O2的相同结合位点不可逆地与Hgb结合。内皮细胞合成的一氧化氮具有强效血管舒张特性，因此临床上将其作为吸入剂用于治疗肺动脉高压患者以降低肺动脉压。尽管一氧化氮中毒不常见，但临床医生需注意长期使用一氧化氮治疗的风险。一氧化氮可氧化血红素基团中的铁分子，使其从还原态亚铁（\mathrm{Fe^{++}}）转变为氧化态高铁（\mathrm{Fe^{+++}}），从而将血红蛋白转化为高铁血红蛋白（methemoglobin），降低其释放氧气的能力。高铁血红蛋白血症可通过CO血氧测定法或动脉血气分析检测。 氧饱和度、氧含量与氧输送（Oxygen Saturation, Content, and Delivery） 每个血红蛋白（Hgb）分子最多可结合四个O2分子，每克Hgb最多可结合1.34~\mathrm{mL}的O2。术语氧饱和度（\mathrm{SO}_{2}）表示与Hgb结合的O2量占其最大结合能力（100%氧容量）的比例。当达到100%氧容量时，Hgb分子的血红素基团完全被O2饱和；而在75%氧容量时，四个血红素基团中有三个被占据。每个血红素基团与O2的结合会增加Hgb分子对其他O2的亲和力。血液中的氧含量（oxygen content）包括与Hgb结合的O2和溶解的O2之和。当CO2、CO浓度升高或存在贫血时，氧含量会降低（图24.7）。 氧气从肺部向组织的输送取决于多个因素，包括心输出量、血液Hgb含量以及肺部的氧合能力。并非血液携带的所有O2都会在组织水平被释放。组织实际从血液中提取的O2量为动脉氧含量与静脉氧含量之差乘以心输出量。正常情况下，Hgb离开组织时仍保持75%的O2饱和度，仅有约25%的O2被组织实际利用。低温、骨骼肌松弛和心输出量增加会降低O2提取率；反之，心输出量减少、贫血、高温和运动会提高O2提取率。 • 图24.7 三种条件下氧含量曲线的比较显示了碳氧血红蛋白（HgbCO）如何显著降低氧运输系统效能。50% HgbCO表示循环Hgb中有一半与一氧化碳（CO）结合。50%血红蛋白和50% HgbCO曲线显示动脉血中氧含量同样降低，但CO会显著降低静脉血氧分压。图中标出了恒定心输出量下的动脉（a）和混合静脉（V）点。 组织缺氧（tissue hypoxia）是指细胞可用O2不足以维持充分的有氧代谢的状态。此时无氧代谢被激活，导致乳酸和\mathrm{H^{+}}水平升高，进而形成乳酸。最终可能导致血液\mathrm{pH}显著下降。严重缺氧时，由于O2缺乏和脱氧血红蛋白水平升高，四肢、脚趾和指尖可能呈现蓝灰色（发绀，cyanotic）。组织缺氧主要有四种类型（低氧性缺氧、循环性缺氧、贫血性缺氧、组织毒性缺氧），详见第23章讨论。 红细胞生成 (Erythropoiesis)组织氧合作用 组织氧合作用取决于血红蛋白（Hgb）浓度，因此与循环系统中可用的红细胞数量有关。骨髓中的红细胞生成（erythropoiesis）由促红细胞生成素（erythropoietin）调控，这种激素由肾脏皮质间质细胞合成。虽然正常情况下Hgb水平非常稳定，但氧输送减少、Hgb浓度降低以及动脉血氧分压（Pao₂）下降均可刺激促红细胞生成素的分泌，从而增加红细胞生成。慢性肾脏疾病会损伤皮质间质细胞，抑制其合成促红细胞生成素的能力，导致贫血并伴随Hgb降低。使用依泊汀α（epoetin alfa）或达依泊汀α（darbepoetin alfa）进行促红细胞生成素替代治疗可有效促进红细胞生成。 二氧化碳运输葡萄糖代谢与二氧化碳生成 健康状态下，二氧化碳以约200 mL/min的速率生成，通常每100个进入毛细血管床的氧分子（O₂）会对应呼出80个二氧化碳分子（CO₂）。呼出CO₂与O₂摄取量的比值称为呼吸交换比（respiratory exchange ratio），正常情况下为0.8（80个CO₂分子对应100个O₂分子）。该比值在组织与血液之间的交换中类似，此时称为呼吸商（respiratory quotient）。 相较于O₂，人体对CO₂具有更强的储存能力，因此Pao₂对通气量变化的敏感性远高于动脉二氧化碳分压（Paco₂）。虽然Pao₂受肺泡通气量外的多种因素影响，但动脉Paco₂仅取决于肺泡通气量和CO₂生成量。肺泡通气量与Paco₂呈负相关。 碳酸氢盐与二氧化碳运输 在血液中，CO₂主要通过三种形式运输：在红细胞中以碳酸氢盐（HCO₃⁻）为主，其次为溶解态CO₂和氨基甲酰蛋白复合物（即CO₂与血浆蛋白及Hgb结合；图24.8）。当CO₂通过组织扩散进入血浆后，会迅速溶解。CO₂与H₂O反应生成碳酸（H₂CO₃）是红细胞内生成HCO₃⁻的主要机制，因为H₂CO₃可解离为H⁺和HCO₃⁻： 公式24.3 $$ CO2+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightleftharpoons\mathrm{H}_{2}\mathrm{CO}_{3}\rightleftharpoons\mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-} $$ 该反应通常进行得相当缓慢；然而，在红细胞内由碳酸酐酶（carbonic anhydrase）催化加速。{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}通过氯离子转移（chloride shift）过程扩散出红细胞，与\mathrm{Cl^{-}}进行交换，帮助细胞维持渗透平衡。该化学反应（见图24.8）是可逆的：当更多CO2从组织进入血液时，反应会向右进行生成更多{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}；当CO2在肺部被呼出时，反应会向左进行以减少{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}水平。游离的\mathrm{H^{+}}通过与\mathrm{Hgb}结合，在红细胞内被快速缓冲。\mathrm{H^{+}}的缓冲对于维持反应向合成{\mathrm{HCO}}_{3}方向进行至关重要；高浓度的游离\mathrm{H^{+}}（低pH）会使反应向左移动。 氢离子浓度与酸碱平衡的调节 \mathrm{H^{+}}浓度\mathrm{(pH)}对细胞内许多代谢过程具有显著影响，调节\mathrm{pH}是维持正常稳态的关键。临床上通过测量血液\mathrm{pH}来评估\mathrm{H^{+}}浓度。成年人正常\mathrm{pH}范围为7.35至7.45，由肺、肾脏和化学缓冲系统共同维持。在呼吸系统中，CO2转化为\mathrm{HCO}_{3}^{-}的过程（如下所示）是缓冲和调节\mathrm{H^{+}}浓度\mathrm{(pH)}的主要机制： • 图24.8 血液中CO2的运输机制。CO2从组织细胞运输到肺部的主要形式是碳酸氢根阴离子(H C O_{3}{}^{-})。H_{2}C O_{3}，碳酸；HgbO，氧合血红蛋白；N a H C O_{3}，碳酸氢钠；RBC，红细胞。 公式24.4 $$ CO2+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightleftharpoons\mathrm{H}_{2}\mathrm{CO}_{3}\rightleftharpoons\mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-} $$ $$ \mathrm{H^{+}+H g b\rightleftharpoons H\times H g b} $$ </nowiki><nowiki>当{\mathrm{PAco}}_{2}变化时，{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}、{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{CO}}_{3}以及\mathrm{Paco}_{2}的浓度也会相应改变。</nowiki><nowiki> Henderson-Hasselbalch方程用于计算CO2和{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}的变化如何影响\mathrm{pH}： 公式24.5 $$ </nowiki><nowiki>\mathrm{pH}=\mathrm{pK^{\prime}}+{\frac{\log{[\mathrm{HCO}_{3}^{-}]}}{\alpha\mathrm{Pco}_{2}}}</nowiki><nowiki> $$ 二氧化碳解离曲线 与 O2 不同，血液中 CO2 的解离曲线呈线性且与 \mathrm{Pco}_{2} 直接相关（图 24.9）。血红蛋白（Hgb）与 O2 的饱和程度对 CO2 解离曲线有显著影响。尽管 O2 和 CO2 结合于 Hgb 的不同位点，但脱氧 Hgb 对 CO2 的亲和力高于氧合 Hgb。因此，脱氧血液（静脉血）比氧合动脉血能更自由地摄取并运输更多 CO2。脱氧 Hgb 更容易形成氨基甲酸化合物，也更容易结合 {\mathrm{HCO}}_{3}^{-} 形成过程中释放的游离 \mathrm{H^{+}}。氧合血红蛋白饱和度变化对 CO2 含量与 \mathrm{Pco}_{2} 关系的影响称为霍尔丹效应（Haldane effect），当 O2 从肺泡转运至红细胞时，该效应在肺部发生逆转。这种效应表现为静脉血的 CO2 解离曲线相较于动脉血左移。 </nowiki><nowiki>其中 \upalpha= 溶解度（37°C 时为 0.03），\mathrm{pK^{\prime}} 为 6.1。因此：</nowiki> 公式 24.6 $$ <nowiki>\mathrm{pH}=6.1+\frac{\log{[\mathrm{HCO}_{3}^{-}]}}{0.03\times\mathrm{Pco}_{2}}</nowiki><nowiki> $$ 在这些方程中，CO2 的量由 \mathrm{Pco}_{2} 及其在溶液中的溶解度 (\upalpha) 决定。对于 37°C 的血浆，\upalpha 值为 0.03。此外，\mathrm{pK^{\prime}} 是该反应总解离常数的负对数，37°C 血浆中的对数值为 6.1。 由运动或焦虑引起的急性过度通气会降低 \mathrm{Pco}_{2}，从而导致 \mathrm{pH} 升高（呼吸性碱中毒，见公式 24.6）。反之，若因呼吸抑制剂过量导致的通气不足引起 \mathrm{Pco}_{2} 升高，则 \mathrm{pH} 降低（呼吸性酸中毒）。酸碱失衡也可由代谢紊乱引起，例如代谢性酸中毒（如乳酸酸中毒、酮症酸中毒和肾衰竭）和代谢性碱中毒（如低钾血症、低氯血症、呕吐、含碳酸氢盐抗酸剂的使用、醛固酮增多症，以及罕见的大剂量类固醇给药）。 • 图 24.9 动静脉血中 CO2 的平衡曲线。在任一给定 \mathsf{P c o}_{2} 下，静脉血比动脉血能运输更多 CO2。与 \mathsf{H g b O}_{2} 平衡曲线相比，CO2 曲线在 \mathsf{P c o}_{2} 20 至 80 mmHg 之间基本呈直线。长虚线代表动脉平衡曲线；短虚线代表静脉平衡曲线。 关键点</nowiki> | <nowiki>• 图24.2 根据菲克定律（Fick's law），气体通过组织薄片的扩散速率\dot{(V_{gas})}与组织表面积(A)、特定气体的扩散常数(D)以及组织两侧的气体分压差(P_{\mathrm{\Delta\tau}_{1}}-P_{\mathrm{\Delta\tau}_{2}})成正比，与组织厚度(T)成反比。 </nowiki> $$ \begin{array}{c}<nowiki>{{\mathrm{公式24.2}}</nowiki>}\ <nowiki>{{\dot{\mathrm{V}}</nowiki><nowiki>_{\mathrm{CO}}=\mathrm{D}_{\mathrm{L}}\mathrm{CO}(P1-P2),\mathrm{或}}}\ </nowiki><nowiki>{{\mathrm{D}_{\mathrm{L}}</nowiki><nowiki>\mathrm{Co}=\displaystyle\frac{\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{CO}}}{(P1-P2)},~\mathrm{且由于~\mathrm{P}_2~实}}}\ </nowiki><nowiki>{{\mathrm{D}_{\mathrm{L}}</nowiki><nowiki>\mathrm{co}=\displaystyle\frac{\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{CO}}}{(P1)}}}\end{array} $$ 际上为零，其中\mathrm{D}_{\mathrm</nowiki><nowiki>{{L}}</nowiki>}\mathrm{co}=肺对一氧化碳的扩散容量（diffusion capacity）。 <nowiki>\mathrm{D_{L}}\mathrm{co}的评估已成为肺泡-毛细血管膜扩散屏障的经典测量指标。它在某些阻塞性肺疾病（如肺气肿）的鉴别诊断中具有重要价值。尽管暴露于高浓度一氧化碳可能有毒，但在气体扩散测试中总CO暴露量可忽略不计。 </nowiki> 临床视角 一名间质性肺纤维化患者（限制性肺疾病）从残气量到肺总量吸入单次含0.3% CO的气体。屏气10秒后呼气。弃去死腔的呼出气体后，收集呼气末期的代表性肺泡气体样本。平均肺泡CO压力为0.1\mathrm{~mm}\ H_{9}，且已摄取0.25 mL CO。该患者的CO扩散容量为： $$ <nowiki>\mathsf{D}_{\mathsf{L}}=\frac{\dot{\mathsf{V}}\mathsf{C}\mathsf{O}}{\mathsf{P}\mathsf{A}\mathsf{C}\mathsf{O}}</nowiki> $$ <nowiki>\mathsf{D}_{\mathsf{L}}\mathsf{c o}的正常范围为20-30 mL/分钟/mm Hg。间质性肺纤维化患者最初会出现肺泡炎症反应，随后在间质空间形成瘢痕。炎症和瘢痕替代肺泡并减少气体扩散的有效表面积，导致\mathsf{D}_{\mathsf{L}}\mathsf{c o}降低。这是某些类型限制性肺疾病的典型特征。 </nowiki> 肺内氧气与二氧化碳交换受灌注限制 不同气体具有不同的溶解度系数。不溶于血液的气体（即麻醉性气体如氧化亚氮和乙醚）不会与血液中的蛋白质发生化学结合，并能快速在肺泡气体与血液之间达到平衡。这种平衡发生的时间（0.75至1.0秒）短于红细胞在毛细血管床停留的时间（毛细血管转运时间）。不溶性气体在肺泡气体与血液之间的扩散被认为是灌注限制（perfusion limited）的，因为离开毛细血管的血液中气体分压已与肺泡气体达到平衡，其扩散仅受肺泡灌注血量的限制。相反，一氧化碳（CO）等扩散限制（diffusion limited）的气体在肺泡-毛细血管膜中溶解度低，但由于其对血红蛋白（\mathrm{Hgb}）的高亲和力，在血液中具有高溶解度。这些特性导致红细胞转运时间内CO无法在肺泡气体与血液之间达到平衡。 CO对Hgb的高亲和力使得血液能摄取大量CO，而其分压几乎不升高。与Hgb化学结合的气体不会在血液中产生分压。与CO类似，CO2和O2在肺泡-毛细血管膜中的溶解度相对较低，但由于能与\mathrm{Hgb}结合，在血液中具有高溶解度。然而，它们的平衡速率足够快，可在红细胞毛细血管转运时间内完成完全平衡。O2和CO2的平衡通常发生在0.25秒内。因此，O2和O2的转运通常属于灌注限制。扩散限制性气体（如CO）的分压在毛细血管停留期间不会与肺泡压达到平衡（图24.3）。虽然CO2在血液中的扩散速率高于O2，但其膜-血溶解度比较低，因此在血液中达到平衡所需时间大致相同。 • 图24.3 氧化亚氮（\mathsf{N}_{2}\mathsf{O}）、一氧化碳（CO）和氧气（{\sf O}_{2}）在血液中的摄取与其分压及红细胞毛细血管转运时间的关系。对于灌注限制性气体（\mathsf{N}_{2}\mathsf{O}和O2），其分压在离开毛细血管前已与肺泡压达到平衡。相反，扩散限制性气体CO的分压不会与肺泡压达到平衡。在极少数情况下，O2的摄取可能转为扩散限制。 若红细胞在毛细血管床停留时间短于0.25秒，则O2和CO2可能发生扩散限制。这种情况偶见于剧烈运动中的优秀运动员，以及在高海拔运动的健康受试者。 氧气运输 氧气在血液中以两种形式运输：溶解于血浆的O2以及与血红蛋白（Hgb）结合的O2。溶解形式在临床动脉血气样本中通过'''动脉血氧分压（Pao₂）'''进行测量。正常情况下，血液中仅有极少比例的O2以溶解形式存在，其对氧气运输的贡献几乎可忽略不计。但在严重低氧血症时，溶解氧可能成为重要因素。氧气与红细胞内的血红蛋白结合形成'''氧合血红蛋白（oxyhemoglobin）'''是主要的氧气运输机制。未结合氧气的血红蛋白称为'''脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin）'''或还原型血红蛋白。血红蛋白的结合能力使血液的携氧效率提高了约65倍。 血红蛋白 '''血红蛋白（Hgb）'''是氧气的主要运输分子。血红蛋白分子由两部分组成：四个含铁的非蛋白'''血红素（heme）'''<nowiki>基团（每个血红素含有一个处于还原态的二价铁离子\mathrm{Fe^{++}}，此为氧气结合位点）和由四条多肽链构成的</nowiki>'''珠蛋白（globin）'''部分。正常成年人含两条α链和两条β链（HgbA），而6月龄以下婴儿主要含有'''胎儿血红蛋白（HgbF）'''（由两条α链和两条γ链构成）。HgbF的结构差异使其对氧气的亲和力更高，有助于氧气通过胎盘运输。此外，HgbF不受糖酵解产物'''2,3-二磷酸甘油酸（2,3-DPG）'''的抑制，从而进一步增强了氧气摄取能力。 氧气与血红蛋白的结合会改变血红蛋白吸收光线的能力。这种光学效应使得氧合的动脉血（鲜红色）与脱氧的静脉血（暗红偏蓝色）呈现颜色差异。氧气与血红蛋白的结合和解离过程仅需毫秒级时间，这适应了红细胞在毛细血管中仅停留0.75秒的快速运输需求。每个红细胞约含2.8亿个血红蛋白分子，形成了高效的氧气运输机制。'''肌红蛋白（myoglobin）'''是横纹肌中一种结构与功能类似血红蛋白的蛋白质，仅含单个亚基，其功能是协助氧气从血液向肌细胞转移并储存氧气，这在缺氧条件下尤为重要。 <nowiki>血红蛋白异常可由氨基酸序列突变（如镰状细胞病）或珠蛋白多肽链空间构象改变引起，导致功能异常。一氧化碳（CO）、亚硝酸盐（一氧化氮）及氰化物等化合物可将血红素中的铁离子从还原态二价铁（\mathrm{Fe^{++}}）氧化为三价铁（\mathrm{Fe^{+++}}），从而降低血红蛋白的携氧能力。 </nowiki><nowiki> 氧合血红蛋白解离曲线 在肺泡中，血浆中大部分O2迅速扩散进入红细胞并与\mathrm{Hgb}（血红蛋白）发生化学结合。这一过程是可逆的，因此血红蛋白能通过被动扩散快速向组织释放O2（此时血红蛋白中的O2浓度降低）。氧合血红蛋白解离曲线展示了血液中\mathrm{PO}_{2}（氧分压）与血红蛋白结合的O2分子数量之间的关系（图24.4）。曲线的S形特征表明血红蛋白饱和度对\mathrm{PO}_{2}的依赖性，尤其在低于60\mathrm{mmHg}的分压范围内更为显著。 氧合血红蛋白解离曲线平坦部分（>60 mmHg）的临床意义在于：在较宽的分压范围（100–60 mmHg）内，即使\mathrm{PO}_{2}下降，血红蛋白饱和度仍能维持在90%至100%，这对正常氧运输和递送已足够。曲线陡峭部分（<60 mmHg）的临床意义则表现为：仅需微小的\mathrm{PO}_{2}变化即可促使血红蛋白释放大量O2，这有利于氧气向组织的释放和扩散。曲线上血红蛋白氧饱和度为50%对应的点称为P_{50}（P₅₀），正常成人该值为27\mathrm{mmHg}。 影响氧合血红蛋白解离曲线移动的生理因素 在多种临床情况下，氧合血红蛋白解离曲线可发生右移或左移（图24.5）。当血红蛋白对O2的亲和力降低时，曲线右移；当亲和力增加时，曲线左移。右移时P_{50}增大，左移时P_{50}减小。 • 图24.5 导致氧合血红蛋白解离曲线右移（血红蛋白对O2亲和力降低）或左移（亲和力增加）的因素。2,3{-}DPG：2,3-二磷酸甘油酸；PCO_{2}：二氧化碳分压。 IN THE CLINIC氢离子浓度与二氧化碳 在称为镰刀型细胞贫血症（sickle cell disease）的遗传性纯合状态中，患病个体的血红蛋白（Hgb）分子β（\upbeta）链上存在氨基酸替换（谷氨酸被缬氨酸取代）。这种突变产生镰刀型血红蛋白（HgbS），当未与氧气结合时（脱氧血红蛋白或脱饱和Hgb），可转变为刚性胶状物质，使红细胞正常的双凹圆盘形扭曲为新月形或镰刀状。这种从球形到镰刀形的形态变化会增加红细胞形成血栓或凝块的倾向，从而阻塞小血管并引发被称为急性镰刀型细胞危象（acute sickle cell episode）的临床症状。 危象症状因阻塞部位而异（例如脑部阻塞导致中风，肺部阻塞导致肺梗死），通常伴随剧烈疼痛。脾脏是常见的阻塞/梗死部位，后续组织损伤会削弱患者的免疫功能，使其易受反复感染。纯合型患者的寿命会缩短；然而杂合型个体对疟疾具有抗性。因此，在疟疾流行地区，携带杂合等位基因的个体具有生存优势，这或许解释了为何镰刀型细胞突变能通过进化保留。胎儿血红蛋白（HgbF）对O2的亲和力更高，可为镰刀型细胞贫血症患者提供保护优势——当O2从Hgb释放到组织时，红细胞脱饱和程度较低，因此更不易变形为镰刀状。该疾病在非裔美国人群体中最为常见，但也见于西班牙裔、土耳其裔、亚裔等其他族群。 当血红蛋白对O2的亲和力降低时，会促进O2解离。这导致在特定氧分压（\mathrm{Po}_{2}）下Hgb与O2的结合减少，从而使\mathrm{P}_{50}升高。当Hgb对O2的亲和力增加时，氧解离曲线左移，导致\mathrm{P}_{50}降低。此时O2的解离与向组织输送受到抑制。若氧分压处于正常范围（80-100 mmHg）内，解离曲线的右移或左移几乎不产生影响。然而当氧分压低于60 mmHg（曲线陡峭部分）时，氧合血红蛋白解离曲线的移动会显著影响O2运输。 氧合血红蛋白解离曲线的偏移 血液氢离子浓度\mathrm{(pH)}的变化会引起氧合血红蛋白解离曲线（oxyhemoglobin dissociation curve）的偏移。当组织产生的CO2增加并释放入血液时，会生成氢离子\left(\mathrm{H^{+}}\right)并降低\mathrm{pH}值。这会使解离曲线右移，通过促进\mathrm{Hgb}释放O2扩散至代谢活跃的组织中，从而产生有益效应。解离曲线右移是由于\mathrm{pH}降低以及CO2对Hgb的直接作用。相反，当血液流经肺部时，CO2被呼出导致\mathrm{pH}升高，进而使氧合血红蛋白解离曲线左移。这种CO2对Hgb与O2亲和力的影响称为波尔效应（Bohr effect），它能增强肺部对O2的摄取和组织对O2的输送。 体温升高（如运动时）会使氧合血红蛋白解离曲线右移，从而向需要更多O2的组织释放更多氧气以满足代谢需求的增加。在寒冷环境下，体温下降（尤其是肢体末端如嘴唇、手指、脚趾和耳部）会使O2解离曲线左移（Hgb亲和力升高）。此时虽然\mathrm{Pao}_{2}可能正常，但这些末梢部位的O2释放会受到阻碍。 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-Diphosphoglycerate） 成熟红细胞不含线粒体，因此依赖无氧糖酵解（anaerobic glycolysis）。糖酵解过程中红细胞内会生成大量代谢中间产物2,3-DPG，随着2,3-DPG水平升高，Hgb对O2的亲和力降低，导致氧合血红蛋白解离曲线右移。虽然2,3-DPG和O2在Hgb分子上的结合位点不同，但2,3-DPG的结合会产生变构效应（allosteric effect）抑制O2的结合。导致2,3-DPG升高的条件包括缺氧、Hgb减少和\mathrm{pH}升高。库存血样中2,3-DPG水平会降低，这可能对输血受体造成问题，因为Hgb对O2的亲和力增强会阻碍O2向组织的释放。 胎儿血红蛋白（Fetal Hemoglobin, HgbF） 如前所述，HgbF对O2的亲和力高于成人Hgb，因此其氧合血红蛋白解离曲线左移。 一氧化碳（Carbon Monoxide） CO与血红蛋白（Hgb）分子的血红素基团结合，结合位点与O2相同，形成碳氧血红蛋白（HgbCO）。通过比较氧合血红蛋白和解离曲线与碳氧血红蛋白解离曲线，可以揭示CO与O2结合Hgb能力的主要差异。CO对Hgb的亲和力比O2对Hgb的亲和力高约200倍（图24.6）。因此，少量CO即可显著影响O2与Hgb的结合。在CO存在时，Hgb对O2的亲和力会增强。这导致解离曲线左移，进一步阻碍O2向组织的释放和输送。当血液的Pco接近1.0\mathrm{mmHg}时，所有Hgb结合位点均被CO占据，Hgb无法与O2结合。这种情况与生命活动不兼容，是CO中毒致死的原因。健康个体的HgbCO约占据Hgb结合位点的1%至2%；然而，在吸烟者和居住在高密度城市交通区域的人群中，Hgb结合位点的占据率可上升至10%。超过5%至7%的水平被视为危险。 CO的潜在来源包括建筑物燃烧产生的烟雾、通风不良的室内供暖系统暴露、在通风不良环境中使用燃气或木炭烧烤架，以及在密闭空间使用汽油动力发动机（包括汽车发动机）。高CO水平个体的治疗包括使其脱离CO源，随后给予高浓度O2以置换Hgb上的CO。通过使用气压舱将环境压力提升至大气压以上，可显著增加O2张力，从而促进CO从Hgb解离。 • 图24.6 氧合血红蛋白与碳氧血红蛋白解离曲线清晰展示了与O2相比，一氧化碳（CO）对Hgb的增强亲和力。 另一种气体——一氧化氮（nitric oxide）对Hgb具有极高亲和力（比O2高200,000倍），并在O2的相同结合位点不可逆地与Hgb结合。内皮细胞合成的一氧化氮具有强效血管舒张特性，因此临床上将其作为吸入剂用于治疗肺动脉高压患者以降低肺动脉压。尽管一氧化氮中毒不常见，但临床医生需注意长期使用一氧化氮治疗的风险。一氧化氮可氧化血红素基团中的铁分子，使其从还原态亚铁（\mathrm{Fe^{++}}）转变为氧化态高铁（\mathrm{Fe^{+++}}），从而将血红蛋白转化为高铁血红蛋白（methemoglobin），降低其释放氧气的能力。高铁血红蛋白血症可通过CO血氧测定法或动脉血气分析检测。 氧饱和度、氧含量与氧输送（Oxygen Saturation, Content, and Delivery） 每个血红蛋白（Hgb）分子最多可结合四个O2分子，每克Hgb最多可结合1.34~\mathrm{mL}的O2。术语氧饱和度（\mathrm{SO}_{2}）表示与Hgb结合的O2量占其最大结合能力（100%氧容量）的比例。当达到100%氧容量时，Hgb分子的血红素基团完全被O2饱和；而在75%氧容量时，四个血红素基团中有三个被占据。每个血红素基团与O2的结合会增加Hgb分子对其他O2的亲和力。血液中的氧含量（oxygen content）包括与Hgb结合的O2和溶解的O2之和。当CO2、CO浓度升高或存在贫血时，氧含量会降低（图24.7）。 氧气从肺部向组织的输送取决于多个因素，包括心输出量、血液Hgb含量以及肺部的氧合能力。并非血液携带的所有O2都会在组织水平被释放。组织实际从血液中提取的O2量为动脉氧含量与静脉氧含量之差乘以心输出量。正常情况下，Hgb离开组织时仍保持75%的O2饱和度，仅有约25%的O2被组织实际利用。低温、骨骼肌松弛和心输出量增加会降低O2提取率；反之，心输出量减少、贫血、高温和运动会提高O2提取率。 • 图24.7 三种条件下氧含量曲线的比较显示了碳氧血红蛋白（HgbCO）如何显著降低氧运输系统效能。50% HgbCO表示循环Hgb中有一半与一氧化碳（CO）结合。50%血红蛋白和50% HgbCO曲线显示动脉血中氧含量同样降低，但CO会显著降低静脉血氧分压。图中标出了恒定心输出量下的动脉（a）和混合静脉（V）点。 组织缺氧（tissue hypoxia）是指细胞可用O2不足以维持充分的有氧代谢的状态。此时无氧代谢被激活，导致乳酸和\mathrm{H^{+}}水平升高，进而形成乳酸。最终可能导致血液\mathrm{pH}显著下降。严重缺氧时，由于O2缺乏和脱氧血红蛋白水平升高，四肢、脚趾和指尖可能呈现蓝灰色（发绀，cyanotic）。组织缺氧主要有四种类型（低氧性缺氧、循环性缺氧、贫血性缺氧、组织毒性缺氧），详见第23章讨论。 红细胞生成 (Erythropoiesis)组织氧合作用 组织氧合作用取决于血红蛋白（Hgb）浓度，因此与循环系统中可用的红细胞数量有关。骨髓中的红细胞生成（erythropoiesis）由促红细胞生成素（erythropoietin）调控，这种激素由肾脏皮质间质细胞合成。虽然正常情况下Hgb水平非常稳定，但氧输送减少、Hgb浓度降低以及动脉血氧分压（Pao₂）下降均可刺激促红细胞生成素的分泌，从而增加红细胞生成。慢性肾脏疾病会损伤皮质间质细胞，抑制其合成促红细胞生成素的能力，导致贫血并伴随Hgb降低。使用依泊汀α（epoetin alfa）或达依泊汀α（darbepoetin alfa）进行促红细胞生成素替代治疗可有效促进红细胞生成。 二氧化碳运输葡萄糖代谢与二氧化碳生成 健康状态下，二氧化碳以约200 mL/min的速率生成，通常每100个进入毛细血管床的氧分子（O₂）会对应呼出80个二氧化碳分子（CO₂）。呼出CO₂与O₂摄取量的比值称为呼吸交换比（respiratory exchange ratio），正常情况下为0.8（80个CO₂分子对应100个O₂分子）。该比值在组织与血液之间的交换中类似，此时称为呼吸商（respiratory quotient）。 相较于O₂，人体对CO₂具有更强的储存能力，因此Pao₂对通气量变化的敏感性远高于动脉二氧化碳分压（Paco₂）。虽然Pao₂受肺泡通气量外的多种因素影响，但动脉Paco₂仅取决于肺泡通气量和CO₂生成量。肺泡通气量与Paco₂呈负相关。 碳酸氢盐与二氧化碳运输 在血液中，CO₂主要通过三种形式运输：在红细胞中以碳酸氢盐（HCO₃⁻）为主，其次为溶解态CO₂和氨基甲酰蛋白复合物（即CO₂与血浆蛋白及Hgb结合；图24.8）。当CO₂通过组织扩散进入血浆后，会迅速溶解。CO₂与H₂O反应生成碳酸（H₂CO₃）是红细胞内生成HCO₃⁻的主要机制，因为H₂CO₃可解离为H⁺和HCO₃⁻： 公式24.3 $$ CO2+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightleftharpoons\mathrm{H}_{2}\mathrm{CO}_{3}\rightleftharpoons\mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-} $$ 该反应通常进行得相当缓慢；然而，在红细胞内由碳酸酐酶（carbonic anhydrase）催化加速。{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}通过氯离子转移（chloride shift）过程扩散出红细胞，与\mathrm{Cl^{-}}进行交换，帮助细胞维持渗透平衡。该化学反应（见图24.8）是可逆的：当更多CO2从组织进入血液时，反应会向右进行生成更多{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}；当CO2在肺部被呼出时，反应会向左进行以减少{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}水平。游离的\mathrm{H^{+}}通过与\mathrm{Hgb}结合，在红细胞内被快速缓冲。\mathrm{H^{+}}的缓冲对于维持反应向合成{\mathrm{HCO}}_{3}方向进行至关重要；高浓度的游离\mathrm{H^{+}}（低pH）会使反应向左移动。 氢离子浓度与酸碱平衡的调节 \mathrm{H^{+}}浓度\mathrm{(pH)}对细胞内许多代谢过程具有显著影响，调节\mathrm{pH}是维持正常稳态的关键。临床上通过测量血液\mathrm{pH}来评估\mathrm{H^{+}}浓度。成年人正常\mathrm{pH}范围为7.35至7.45，由肺、肾脏和化学缓冲系统共同维持。在呼吸系统中，CO2转化为\mathrm{HCO}_{3}^{-}的过程（如下所示）是缓冲和调节\mathrm{H^{+}}浓度\mathrm{(pH)}的主要机制： • 图24.8 血液中CO2的运输机制。CO2从组织细胞运输到肺部的主要形式是碳酸氢根阴离子(H C O_{3}{}^{-})。H_{2}C O_{3}，碳酸；HgbO，氧合血红蛋白；N a H C O_{3}，碳酸氢钠；RBC，红细胞。 公式24.4 $$ CO2+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightleftharpoons\mathrm{H}_{2}\mathrm{CO}_{3}\rightleftharpoons\mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-} $$ $$ \mathrm{H^{+}+H g b\rightleftharpoons H\times H g b} $$ </nowiki><nowiki>当{\mathrm{PAco}}_{2}变化时，{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}、{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{CO}}_{3}以及\mathrm{Paco}_{2}的浓度也会相应改变。</nowiki><nowiki> Henderson-Hasselbalch方程用于计算CO2和{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}的变化如何影响\mathrm{pH}： 公式24.5 $$ </nowiki><nowiki>\mathrm{pH}=\mathrm{pK^{\prime}}+{\frac{\log{[\mathrm{HCO}_{3}^{-}]}}{\alpha\mathrm{Pco}_{2}}}</nowiki><nowiki> $$ 二氧化碳解离曲线 与 O2 不同，血液中 CO2 的解离曲线呈线性且与 \mathrm{Pco}_{2} 直接相关（图 24.9）。血红蛋白（Hgb）与 O2 的饱和程度对 CO2 解离曲线有显著影响。尽管 O2 和 CO2 结合于 Hgb 的不同位点，但脱氧 Hgb 对 CO2 的亲和力高于氧合 Hgb。因此，脱氧血液（静脉血）比氧合动脉血能更自由地摄取并运输更多 CO2。脱氧 Hgb 更容易形成氨基甲酸化合物，也更容易结合 {\mathrm{HCO}}_{3}^{-} 形成过程中释放的游离 \mathrm{H^{+}}。氧合血红蛋白饱和度变化对 CO2 含量与 \mathrm{Pco}_{2} 关系的影响称为霍尔丹效应（Haldane effect），当 O2 从肺泡转运至红细胞时，该效应在肺部发生逆转。这种效应表现为静脉血的 CO2 解离曲线相较于动脉血左移。 </nowiki><nowiki>其中 \upalpha= 溶解度（37°C 时为 0.03），\mathrm{pK^{\prime}} 为 6.1。因此：</nowiki> 公式 24.6 $$ <nowiki>\mathrm{pH}=6.1+\frac{\log{[\mathrm{HCO}_{3}^{-}]}}{0.03\times\mathrm{Pco}_{2}}</nowiki><nowiki> $$ 在这些方程中，CO2 的量由 \mathrm{Pco}_{2} 及其在溶液中的溶解度 (\upalpha) 决定。对于 37°C 的血浆，\upalpha 值为 0.03。此外，\mathrm{pK^{\prime}} 是该反应总解离常数的负对数，37°C 血浆中的对数值为 6.1。 由运动或焦虑引起的急性过度通气会降低 \mathrm{Pco}_{2}，从而导致 \mathrm{pH} 升高（呼吸性碱中毒，见公式 24.6）。反之，若因呼吸抑制剂过量导致的通气不足引起 \mathrm{Pco}_{2} 升高，则 \mathrm{pH} 降低（呼吸性酸中毒）。酸碱失衡也可由代谢紊乱引起，例如代谢性酸中毒（如乳酸酸中毒、酮症酸中毒和肾衰竭）和代谢性碱中毒（如低钾血症、低氯血症、呕吐、含碳酸氢盐抗酸剂的使用、醛固酮增多症，以及罕见的大剂量类固醇给药）。 • 图 24.9 动静脉血中 CO2 的平衡曲线。在任一给定 \mathsf{P c o}_{2} 下，静脉血比动脉血能运输更多 CO2。与 \mathsf{H g b O}_{2} 平衡曲线相比，CO2 曲线在 \mathsf{P c o}_{2} 20 至 80 mmHg 之间基本呈直线。长虚线代表动脉平衡曲线；短虚线代表静脉平衡曲线。 关键点</nowiki> | ||
#空气-血液平衡速率快的气体（一氧化二氮、乙醚、氦气）为灌注限制型。空气-血液平衡速率慢的气体（CO）为扩散限制型。正常情况下，O2 和 CO2 的交换是灌注限制型，但在疾病晚期可转为扩散限制型。 | #空气-血液平衡速率快的气体（一氧化二氮、乙醚、氦气）为灌注限制型。空气-血液平衡速率慢的气体（CO）为扩散限制型。正常情况下，O2 和 CO2 的交换是灌注限制型，但在疾病晚期可转为扩散限制型。 | ||
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2025年8月23日 (六) 17:13的版本
24 氧气和二氧化碳的运输 学习目标 完成本章学习后，学生应能回答以下问题：
- 基本气体扩散原理是什么？它们如何影响氧气（O₂）的吸收与呼出以及二氧化碳（CO₂）的排出？
- 血液中氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）的化学运输机制是什么？
- 氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）的解离曲线有何差异？这些差异如何促进组织氧气（O₂）的输送和二氧化碳（CO₂）的清除？
- 灌注限制（perfusion limitation）与扩散限制（diffusion limitation）有何区别？为什么氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）的扩散被认为是灌注限制的，而一氧化碳（CO）被认为是扩散限制的？
- 氧合血红蛋白解离曲线左移或右移的含义是什么？
- 氧合血红蛋白与碳氧血红蛋白的解离曲线有何不同？这些差异的临床意义是什么？
- 氯离子转移（chloride shift）和霍尔丹效应（Haldane effect）对二氧化碳（CO₂）运输的影响有何区别？
呼吸系统与循环系统协同工作，将氧气（O₂）从肺部运输至组织以维持正常细胞活动，并将二氧化碳（CO₂）从组织运输至肺部呼出（图24.1）。为了增强这些气体在肺与组织之间的摄取和运输，进化出了专门的机制（如O₂与血红蛋白的结合以及CO₂通过HCO₃⁻的运输），使O₂的摄取和CO₂的呼出能够同时进行。要理解这些气体的运输机制，需考虑气体扩散特性、气体运输及气体输送机制。
气体扩散
气体在整个呼吸系统中的运动主要通过扩散实现。呼吸系统和循环系统具有以下独特的解剖和生理特征以促进气体扩散：（1）气体交换的表面积大（从肺泡到肺毛细血管床，以及终末器官毛细血管床到组织）且扩散距离短；（2）显著的分压梯度差异；（3）气体具有有利的扩散特性。氧气（O₂）从肺部到组织的运输以及二氧化碳（CO₂）的逆向运输均依赖于基本的气体扩散定律。
肺部从高到低分压的气体扩散
气体扩散过程是被动的，其原理在气态或液态介质中具有相似性。气体通过液体的扩散速率由格雷厄姆定律（Graham's law）描述，该定律指出扩散速率与气体的溶解系数（solubility coefficient）成正比，与其分子量的平方根成反比。通过计算氧气（O2）和二氧化碳（CO2）的扩散特性可知，CO2的扩散速率约为O2的20倍。氧气从肺进入血液、从血液进入组织的扩散速率，以及二氧化碳的逆向扩散速率，均可通过菲克气体扩散定律（Fick's law）进行预测（图24.2）。菲克定律指出，气体通过可通透膜的扩散量(\dot{V})与气体的扩散系数（diffusion coefficient，D）、膜表面积（A）以及跨膜压力梯度(P1-P2)成正比，与膜厚度（T）成反比。 表面积（A）×扩散系数（D）与膜厚度（T）的比值（即\mathrm{A}{\cdot}\mathrm{D}/\mathrm{T}）表示气体从肺泡到血液的导率（conductance）。肺的扩散能力（diffusing capacity of the lung，\mathrm{D}_{\mathrm{L}}）即为整个肺的导率(\mathrm{A}{\bullet}\mathrm{D}/\mathrm{T})。因此，根据菲克方程，\mathrm{D}_{\mathrm{{L}}}可计算如下：
方程 24.1 Vgas = A·D·（P1-P2）/T
其中\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{gas}}表示气体扩散量。 菲克扩散定律本可用于评估肺内O2的扩散特性，但毛细血管中的氧分压无法直接测量。这一限制可通过使用一氧化碳（CO）替代O2来克服。由于CO在毛细血管膜中的溶解度低，其跨毛细血管的平衡速率较慢，因此毛细血管血液中的CO分压始终接近0。相反，CO在血液中的溶解度较高。因此，CO扩散的唯一限制因素是肺泡-毛细血管膜，这使得CO成为计算\mathrm{D}_{\mathrm{{L}}}的理想气体。对于CO而言，毛细血管分压（方程24.1中的\mathrm{P_{2}}）实际为0，因此可通过一氧化碳的扩散量(\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{CO}})和肺泡内平均CO分压(\mathrm{P_{1}})来测量\mathrm{D}_{\mathrm{{L}}}，即：
• 图24.1 动脉血与静脉血中的氧气和二氧化碳运输。动脉血中的氧气通过动脉毛细血管转移至组织。图示为1升血液中O2和CO2的流动速率。
• 图24.2 根据菲克定律（Fick's law），气体通过组织薄片的扩散速率\dot{(V_{gas})}与组织表面积(A)、特定气体的扩散常数(D)以及组织两侧的气体分压差(P_{\mathrm{\Delta\tau}_{1}}-P_{\mathrm{\Delta\tau}_{2}})成正比，与组织厚度(T)成反比。 $$ \begin{array}{c}{{\mathrm{公式24.2}}}\ {{\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{CO}}=\mathrm{D}_{\mathrm{L}}\mathrm{CO}(P1-P2),\mathrm{或}}}\ {{\mathrm{D}_{\mathrm{L}}\mathrm{Co}=\displaystyle\frac{\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{CO}}}{(P1-P2)},~\mathrm{且由于~\mathrm{P}_2~实}}}\ {{\mathrm{D}_{\mathrm{L}}\mathrm{co}=\displaystyle\frac{\dot{\mathrm{V}}_{\mathrm{CO}}}{(P1)}}}\end{array} $$ 际上为零，其中\mathrm{D}_{\mathrm{{L}}}\mathrm{co}=肺对一氧化碳的扩散容量（diffusion capacity）。 \mathrm{D_{L}}\mathrm{co}的评估已成为肺泡-毛细血管膜扩散屏障的经典测量指标。它在某些阻塞性肺疾病（如肺气肿）的鉴别诊断中具有重要价值。尽管暴露于高浓度一氧化碳可能有毒，但在气体扩散测试中总CO暴露量可忽略不计。 临床视角 一名间质性肺纤维化患者（限制性肺疾病）从残气量到肺总量吸入单次含0.3% CO的气体。屏气10秒后呼气。弃去死腔的呼出气体后，收集呼气末期的代表性肺泡气体样本。平均肺泡CO压力为0.1\mathrm{~mm}\ H_{9}，且已摄取0.25 mL CO。该患者的CO扩散容量为： $$ \mathsf{D}_{\mathsf{L}}=\frac{\dot{\mathsf{V}}\mathsf{C}\mathsf{O}}{\mathsf{P}\mathsf{A}\mathsf{C}\mathsf{O}} $$ \mathsf{D}_{\mathsf{L}}\mathsf{c o}的正常范围为20-30 mL/分钟/mm Hg。间质性肺纤维化患者最初会出现肺泡炎症反应，随后在间质空间形成瘢痕。炎症和瘢痕替代肺泡并减少气体扩散的有效表面积，导致\mathsf{D}_{\mathsf{L}}\mathsf{c o}降低。这是某些类型限制性肺疾病的典型特征。 肺内氧气与二氧化碳交换受灌注限制 不同气体具有不同的溶解度系数。不溶于血液的气体（即麻醉性气体如氧化亚氮和乙醚）不会与血液中的蛋白质发生化学结合，并能快速在肺泡气体与血液之间达到平衡。这种平衡发生的时间（0.75至1.0秒）短于红细胞在毛细血管床停留的时间（毛细血管转运时间）。不溶性气体在肺泡气体与血液之间的扩散被认为是灌注限制（perfusion limited）的，因为离开毛细血管的血液中气体分压已与肺泡气体达到平衡，其扩散仅受肺泡灌注血量的限制。相反，一氧化碳（CO）等扩散限制（diffusion limited）的气体在肺泡-毛细血管膜中溶解度低，但由于其对血红蛋白（\mathrm{Hgb}）的高亲和力，在血液中具有高溶解度。这些特性导致红细胞转运时间内CO无法在肺泡气体与血液之间达到平衡。 CO对Hgb的高亲和力使得血液能摄取大量CO，而其分压几乎不升高。与Hgb化学结合的气体不会在血液中产生分压。与CO类似，CO2和O2在肺泡-毛细血管膜中的溶解度相对较低，但由于能与\mathrm{Hgb}结合，在血液中具有高溶解度。然而，它们的平衡速率足够快，可在红细胞毛细血管转运时间内完成完全平衡。O2和CO2的平衡通常发生在0.25秒内。因此，O2和O2的转运通常属于灌注限制。扩散限制性气体（如CO）的分压在毛细血管停留期间不会与肺泡压达到平衡（图24.3）。虽然CO2在血液中的扩散速率高于O2，但其膜-血溶解度比较低，因此在血液中达到平衡所需时间大致相同。 • 图24.3 氧化亚氮（\mathsf{N}_{2}\mathsf{O}）、一氧化碳（CO）和氧气（{\sf O}_{2}）在血液中的摄取与其分压及红细胞毛细血管转运时间的关系。对于灌注限制性气体（\mathsf{N}_{2}\mathsf{O}和O2），其分压在离开毛细血管前已与肺泡压达到平衡。相反，扩散限制性气体CO的分压不会与肺泡压达到平衡。在极少数情况下，O2的摄取可能转为扩散限制。 若红细胞在毛细血管床停留时间短于0.25秒，则O2和CO2可能发生扩散限制。这种情况偶见于剧烈运动中的优秀运动员，以及在高海拔运动的健康受试者。 氧气运输 氧气在血液中以两种形式运输：溶解于血浆的O2以及与血红蛋白（Hgb）结合的O2。溶解形式在临床动脉血气样本中通过动脉血氧分压（Pao₂）进行测量。正常情况下，血液中仅有极少比例的O2以溶解形式存在，其对氧气运输的贡献几乎可忽略不计。但在严重低氧血症时，溶解氧可能成为重要因素。氧气与红细胞内的血红蛋白结合形成氧合血红蛋白（oxyhemoglobin）是主要的氧气运输机制。未结合氧气的血红蛋白称为脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin）或还原型血红蛋白。血红蛋白的结合能力使血液的携氧效率提高了约65倍。 血红蛋白 血红蛋白（Hgb）是氧气的主要运输分子。血红蛋白分子由两部分组成：四个含铁的非蛋白血红素（heme）基团（每个血红素含有一个处于还原态的二价铁离子\mathrm{Fe^{++}}，此为氧气结合位点）和由四条多肽链构成的珠蛋白（globin）部分。正常成年人含两条α链和两条β链（HgbA），而6月龄以下婴儿主要含有胎儿血红蛋白（HgbF）（由两条α链和两条γ链构成）。HgbF的结构差异使其对氧气的亲和力更高，有助于氧气通过胎盘运输。此外，HgbF不受糖酵解产物2,3-二磷酸甘油酸（2,3-DPG）的抑制，从而进一步增强了氧气摄取能力。 氧气与血红蛋白的结合会改变血红蛋白吸收光线的能力。这种光学效应使得氧合的动脉血（鲜红色）与脱氧的静脉血（暗红偏蓝色）呈现颜色差异。氧气与血红蛋白的结合和解离过程仅需毫秒级时间，这适应了红细胞在毛细血管中仅停留0.75秒的快速运输需求。每个红细胞约含2.8亿个血红蛋白分子，形成了高效的氧气运输机制。肌红蛋白（myoglobin）是横纹肌中一种结构与功能类似血红蛋白的蛋白质，仅含单个亚基，其功能是协助氧气从血液向肌细胞转移并储存氧气，这在缺氧条件下尤为重要。 血红蛋白异常可由氨基酸序列突变（如镰状细胞病）或珠蛋白多肽链空间构象改变引起，导致功能异常。一氧化碳（CO）、亚硝酸盐（一氧化氮）及氰化物等化合物可将血红素中的铁离子从还原态二价铁（\mathrm{Fe^{++}}）氧化为三价铁（\mathrm{Fe^{+++}}），从而降低血红蛋白的携氧能力。 氧合血红蛋白解离曲线 在肺泡中，血浆中大部分O2迅速扩散进入红细胞并与\mathrm{Hgb}（血红蛋白）发生化学结合。这一过程是可逆的，因此血红蛋白能通过被动扩散快速向组织释放O2（此时血红蛋白中的O2浓度降低）。氧合血红蛋白解离曲线展示了血液中\mathrm{PO}_{2}（氧分压）与血红蛋白结合的O2分子数量之间的关系（图24.4）。曲线的S形特征表明血红蛋白饱和度对\mathrm{PO}_{2}的依赖性，尤其在低于60\mathrm{mmHg}的分压范围内更为显著。 氧合血红蛋白解离曲线平坦部分（>60 mmHg）的临床意义在于：在较宽的分压范围（100–60 mmHg）内，即使\mathrm{PO}_{2}下降，血红蛋白饱和度仍能维持在90%至100%，这对正常氧运输和递送已足够。曲线陡峭部分（<60 mmHg）的临床意义则表现为：仅需微小的\mathrm{PO}_{2}变化即可促使血红蛋白释放大量O2，这有利于氧气向组织的释放和扩散。曲线上血红蛋白氧饱和度为50%对应的点称为P_{50}（P₅₀），正常成人该值为27\mathrm{mmHg}。 影响氧合血红蛋白解离曲线移动的生理因素 在多种临床情况下，氧合血红蛋白解离曲线可发生右移或左移（图24.5）。当血红蛋白对O2的亲和力降低时，曲线右移；当亲和力增加时，曲线左移。右移时P_{50}增大，左移时P_{50}减小。 • 图24.5 导致氧合血红蛋白解离曲线右移（血红蛋白对O2亲和力降低）或左移（亲和力增加）的因素。2,3{-}DPG：2,3-二磷酸甘油酸；PCO_{2}：二氧化碳分压。 IN THE CLINIC氢离子浓度与二氧化碳 在称为镰刀型细胞贫血症（sickle cell disease）的遗传性纯合状态中，患病个体的血红蛋白（Hgb）分子β（\upbeta）链上存在氨基酸替换（谷氨酸被缬氨酸取代）。这种突变产生镰刀型血红蛋白（HgbS），当未与氧气结合时（脱氧血红蛋白或脱饱和Hgb），可转变为刚性胶状物质，使红细胞正常的双凹圆盘形扭曲为新月形或镰刀状。这种从球形到镰刀形的形态变化会增加红细胞形成血栓或凝块的倾向，从而阻塞小血管并引发被称为急性镰刀型细胞危象（acute sickle cell episode）的临床症状。 危象症状因阻塞部位而异（例如脑部阻塞导致中风，肺部阻塞导致肺梗死），通常伴随剧烈疼痛。脾脏是常见的阻塞/梗死部位，后续组织损伤会削弱患者的免疫功能，使其易受反复感染。纯合型患者的寿命会缩短；然而杂合型个体对疟疾具有抗性。因此，在疟疾流行地区，携带杂合等位基因的个体具有生存优势，这或许解释了为何镰刀型细胞突变能通过进化保留。胎儿血红蛋白（HgbF）对O2的亲和力更高，可为镰刀型细胞贫血症患者提供保护优势——当O2从Hgb释放到组织时，红细胞脱饱和程度较低，因此更不易变形为镰刀状。该疾病在非裔美国人群体中最为常见，但也见于西班牙裔、土耳其裔、亚裔等其他族群。 当血红蛋白对O2的亲和力降低时，会促进O2解离。这导致在特定氧分压（\mathrm{Po}_{2}）下Hgb与O2的结合减少，从而使\mathrm{P}_{50}升高。当Hgb对O2的亲和力增加时，氧解离曲线左移，导致\mathrm{P}_{50}降低。此时O2的解离与向组织输送受到抑制。若氧分压处于正常范围（80-100 mmHg）内，解离曲线的右移或左移几乎不产生影响。然而当氧分压低于60 mmHg（曲线陡峭部分）时，氧合血红蛋白解离曲线的移动会显著影响O2运输。 氧合血红蛋白解离曲线的偏移 血液氢离子浓度\mathrm{(pH)}的变化会引起氧合血红蛋白解离曲线（oxyhemoglobin dissociation curve）的偏移。当组织产生的CO2增加并释放入血液时，会生成氢离子\left(\mathrm{H^{+}}\right)并降低\mathrm{pH}值。这会使解离曲线右移，通过促进\mathrm{Hgb}释放O2扩散至代谢活跃的组织中，从而产生有益效应。解离曲线右移是由于\mathrm{pH}降低以及CO2对Hgb的直接作用。相反，当血液流经肺部时，CO2被呼出导致\mathrm{pH}升高，进而使氧合血红蛋白解离曲线左移。这种CO2对Hgb与O2亲和力的影响称为波尔效应（Bohr effect），它能增强肺部对O2的摄取和组织对O2的输送。 体温升高（如运动时）会使氧合血红蛋白解离曲线右移，从而向需要更多O2的组织释放更多氧气以满足代谢需求的增加。在寒冷环境下，体温下降（尤其是肢体末端如嘴唇、手指、脚趾和耳部）会使O2解离曲线左移（Hgb亲和力升高）。此时虽然\mathrm{Pao}_{2}可能正常，但这些末梢部位的O2释放会受到阻碍。 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-Diphosphoglycerate） 成熟红细胞不含线粒体，因此依赖无氧糖酵解（anaerobic glycolysis）。糖酵解过程中红细胞内会生成大量代谢中间产物2,3-DPG，随着2,3-DPG水平升高，Hgb对O2的亲和力降低，导致氧合血红蛋白解离曲线右移。虽然2,3-DPG和O2在Hgb分子上的结合位点不同，但2,3-DPG的结合会产生变构效应（allosteric effect）抑制O2的结合。导致2,3-DPG升高的条件包括缺氧、Hgb减少和\mathrm{pH}升高。库存血样中2,3-DPG水平会降低，这可能对输血受体造成问题，因为Hgb对O2的亲和力增强会阻碍O2向组织的释放。 胎儿血红蛋白（Fetal Hemoglobin, HgbF） 如前所述，HgbF对O2的亲和力高于成人Hgb，因此其氧合血红蛋白解离曲线左移。 一氧化碳（Carbon Monoxide） CO与血红蛋白（Hgb）分子的血红素基团结合，结合位点与O2相同，形成碳氧血红蛋白（HgbCO）。通过比较氧合血红蛋白和解离曲线与碳氧血红蛋白解离曲线，可以揭示CO与O2结合Hgb能力的主要差异。CO对Hgb的亲和力比O2对Hgb的亲和力高约200倍（图24.6）。因此，少量CO即可显著影响O2与Hgb的结合。在CO存在时，Hgb对O2的亲和力会增强。这导致解离曲线左移，进一步阻碍O2向组织的释放和输送。当血液的Pco接近1.0\mathrm{mmHg}时，所有Hgb结合位点均被CO占据，Hgb无法与O2结合。这种情况与生命活动不兼容，是CO中毒致死的原因。健康个体的HgbCO约占据Hgb结合位点的1%至2%；然而，在吸烟者和居住在高密度城市交通区域的人群中，Hgb结合位点的占据率可上升至10%。超过5%至7%的水平被视为危险。 CO的潜在来源包括建筑物燃烧产生的烟雾、通风不良的室内供暖系统暴露、在通风不良环境中使用燃气或木炭烧烤架，以及在密闭空间使用汽油动力发动机（包括汽车发动机）。高CO水平个体的治疗包括使其脱离CO源，随后给予高浓度O2以置换Hgb上的CO。通过使用气压舱将环境压力提升至大气压以上，可显著增加O2张力，从而促进CO从Hgb解离。 • 图24.6 氧合血红蛋白与碳氧血红蛋白解离曲线清晰展示了与O2相比，一氧化碳（CO）对Hgb的增强亲和力。 另一种气体——一氧化氮（nitric oxide）对Hgb具有极高亲和力（比O2高200,000倍），并在O2的相同结合位点不可逆地与Hgb结合。内皮细胞合成的一氧化氮具有强效血管舒张特性，因此临床上将其作为吸入剂用于治疗肺动脉高压患者以降低肺动脉压。尽管一氧化氮中毒不常见，但临床医生需注意长期使用一氧化氮治疗的风险。一氧化氮可氧化血红素基团中的铁分子，使其从还原态亚铁（\mathrm{Fe^{++}}）转变为氧化态高铁（\mathrm{Fe^{+++}}），从而将血红蛋白转化为高铁血红蛋白（methemoglobin），降低其释放氧气的能力。高铁血红蛋白血症可通过CO血氧测定法或动脉血气分析检测。 氧饱和度、氧含量与氧输送（Oxygen Saturation, Content, and Delivery） 每个血红蛋白（Hgb）分子最多可结合四个O2分子，每克Hgb最多可结合1.34~\mathrm{mL}的O2。术语氧饱和度（\mathrm{SO}_{2}）表示与Hgb结合的O2量占其最大结合能力（100%氧容量）的比例。当达到100%氧容量时，Hgb分子的血红素基团完全被O2饱和；而在75%氧容量时，四个血红素基团中有三个被占据。每个血红素基团与O2的结合会增加Hgb分子对其他O2的亲和力。血液中的氧含量（oxygen content）包括与Hgb结合的O2和溶解的O2之和。当CO2、CO浓度升高或存在贫血时，氧含量会降低（图24.7）。 氧气从肺部向组织的输送取决于多个因素，包括心输出量、血液Hgb含量以及肺部的氧合能力。并非血液携带的所有O2都会在组织水平被释放。组织实际从血液中提取的O2量为动脉氧含量与静脉氧含量之差乘以心输出量。正常情况下，Hgb离开组织时仍保持75%的O2饱和度，仅有约25%的O2被组织实际利用。低温、骨骼肌松弛和心输出量增加会降低O2提取率；反之，心输出量减少、贫血、高温和运动会提高O2提取率。 • 图24.7 三种条件下氧含量曲线的比较显示了碳氧血红蛋白（HgbCO）如何显著降低氧运输系统效能。50% HgbCO表示循环Hgb中有一半与一氧化碳（CO）结合。50%血红蛋白和50% HgbCO曲线显示动脉血中氧含量同样降低，但CO会显著降低静脉血氧分压。图中标出了恒定心输出量下的动脉（a）和混合静脉（V）点。 组织缺氧（tissue hypoxia）是指细胞可用O2不足以维持充分的有氧代谢的状态。此时无氧代谢被激活，导致乳酸和\mathrm{H^{+}}水平升高，进而形成乳酸。最终可能导致血液\mathrm{pH}显著下降。严重缺氧时，由于O2缺乏和脱氧血红蛋白水平升高，四肢、脚趾和指尖可能呈现蓝灰色（发绀，cyanotic）。组织缺氧主要有四种类型（低氧性缺氧、循环性缺氧、贫血性缺氧、组织毒性缺氧），详见第23章讨论。 红细胞生成 (Erythropoiesis)组织氧合作用 组织氧合作用取决于血红蛋白（Hgb）浓度，因此与循环系统中可用的红细胞数量有关。骨髓中的红细胞生成（erythropoiesis）由促红细胞生成素（erythropoietin）调控，这种激素由肾脏皮质间质细胞合成。虽然正常情况下Hgb水平非常稳定，但氧输送减少、Hgb浓度降低以及动脉血氧分压（Pao₂）下降均可刺激促红细胞生成素的分泌，从而增加红细胞生成。慢性肾脏疾病会损伤皮质间质细胞，抑制其合成促红细胞生成素的能力，导致贫血并伴随Hgb降低。使用依泊汀α（epoetin alfa）或达依泊汀α（darbepoetin alfa）进行促红细胞生成素替代治疗可有效促进红细胞生成。 二氧化碳运输葡萄糖代谢与二氧化碳生成 健康状态下，二氧化碳以约200 mL/min的速率生成，通常每100个进入毛细血管床的氧分子（O₂）会对应呼出80个二氧化碳分子（CO₂）。呼出CO₂与O₂摄取量的比值称为呼吸交换比（respiratory exchange ratio），正常情况下为0.8（80个CO₂分子对应100个O₂分子）。该比值在组织与血液之间的交换中类似，此时称为呼吸商（respiratory quotient）。 相较于O₂，人体对CO₂具有更强的储存能力，因此Pao₂对通气量变化的敏感性远高于动脉二氧化碳分压（Paco₂）。虽然Pao₂受肺泡通气量外的多种因素影响，但动脉Paco₂仅取决于肺泡通气量和CO₂生成量。肺泡通气量与Paco₂呈负相关。 碳酸氢盐与二氧化碳运输 在血液中，CO₂主要通过三种形式运输：在红细胞中以碳酸氢盐（HCO₃⁻）为主，其次为溶解态CO₂和氨基甲酰蛋白复合物（即CO₂与血浆蛋白及Hgb结合；图24.8）。当CO₂通过组织扩散进入血浆后，会迅速溶解。CO₂与H₂O反应生成碳酸（H₂CO₃）是红细胞内生成HCO₃⁻的主要机制，因为H₂CO₃可解离为H⁺和HCO₃⁻： 公式24.3 $$ CO2+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightleftharpoons\mathrm{H}_{2}\mathrm{CO}_{3}\rightleftharpoons\mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-} $$ 该反应通常进行得相当缓慢；然而，在红细胞内由碳酸酐酶（carbonic anhydrase）催化加速。{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}通过氯离子转移（chloride shift）过程扩散出红细胞，与\mathrm{Cl^{-}}进行交换，帮助细胞维持渗透平衡。该化学反应（见图24.8）是可逆的：当更多CO2从组织进入血液时，反应会向右进行生成更多{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}；当CO2在肺部被呼出时，反应会向左进行以减少{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}水平。游离的\mathrm{H^{+}}通过与\mathrm{Hgb}结合，在红细胞内被快速缓冲。\mathrm{H^{+}}的缓冲对于维持反应向合成{\mathrm{HCO}}_{3}方向进行至关重要；高浓度的游离\mathrm{H^{+}}（低pH）会使反应向左移动。 氢离子浓度与酸碱平衡的调节 \mathrm{H^{+}}浓度\mathrm{(pH)}对细胞内许多代谢过程具有显著影响，调节\mathrm{pH}是维持正常稳态的关键。临床上通过测量血液\mathrm{pH}来评估\mathrm{H^{+}}浓度。成年人正常\mathrm{pH}范围为7.35至7.45，由肺、肾脏和化学缓冲系统共同维持。在呼吸系统中，CO2转化为\mathrm{HCO}_{3}^{-}的过程（如下所示）是缓冲和调节\mathrm{H^{+}}浓度\mathrm{(pH)}的主要机制： • 图24.8 血液中CO2的运输机制。CO2从组织细胞运输到肺部的主要形式是碳酸氢根阴离子(H C O_{3}{}^{-})。H_{2}C O_{3}，碳酸；HgbO，氧合血红蛋白；N a H C O_{3}，碳酸氢钠；RBC，红细胞。 公式24.4 $$ CO2+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightleftharpoons\mathrm{H}_{2}\mathrm{CO}_{3}\rightleftharpoons\mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-} $$ $$ \mathrm{H^{+}+H g b\rightleftharpoons H\times H g b} $$ 当{\mathrm{PAco}}_{2}变化时，{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}、{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{CO}}_{3}以及\mathrm{Paco}_{2}的浓度也会相应改变。 Henderson-Hasselbalch方程用于计算CO2和{\mathrm{HCO}}_{3}^{-}的变化如何影响\mathrm{pH}： 公式24.5 $$ \mathrm{pH}=\mathrm{pK^{\prime}}+{\frac{\log{[\mathrm{HCO}_{3}^{-}]}}{\alpha\mathrm{Pco}_{2}}} $$ 二氧化碳解离曲线 与 O2 不同，血液中 CO2 的解离曲线呈线性且与 \mathrm{Pco}_{2} 直接相关（图 24.9）。血红蛋白（Hgb）与 O2 的饱和程度对 CO2 解离曲线有显著影响。尽管 O2 和 CO2 结合于 Hgb 的不同位点，但脱氧 Hgb 对 CO2 的亲和力高于氧合 Hgb。因此，脱氧血液（静脉血）比氧合动脉血能更自由地摄取并运输更多 CO2。脱氧 Hgb 更容易形成氨基甲酸化合物，也更容易结合 {\mathrm{HCO}}_{3}^{-} 形成过程中释放的游离 \mathrm{H^{+}}。氧合血红蛋白饱和度变化对 CO2 含量与 \mathrm{Pco}_{2} 关系的影响称为霍尔丹效应（Haldane effect），当 O2 从肺泡转运至红细胞时，该效应在肺部发生逆转。这种效应表现为静脉血的 CO2 解离曲线相较于动脉血左移。 其中 \upalpha= 溶解度（37°C 时为 0.03），\mathrm{pK^{\prime}} 为 6.1。因此： 公式 24.6 $$ \mathrm{pH}=6.1+\frac{\log{[\mathrm{HCO}_{3}^{-}]}}{0.03\times\mathrm{Pco}_{2}} $$ 在这些方程中，CO2 的量由 \mathrm{Pco}_{2} 及其在溶液中的溶解度 (\upalpha) 决定。对于 37°C 的血浆，\upalpha 值为 0.03。此外，\mathrm{pK^{\prime}} 是该反应总解离常数的负对数，37°C 血浆中的对数值为 6.1。 由运动或焦虑引起的急性过度通气会降低 \mathrm{Pco}_{2}，从而导致 \mathrm{pH} 升高（呼吸性碱中毒，见公式 24.6）。反之，若因呼吸抑制剂过量导致的通气不足引起 \mathrm{Pco}_{2} 升高，则 \mathrm{pH} 降低（呼吸性酸中毒）。酸碱失衡也可由代谢紊乱引起，例如代谢性酸中毒（如乳酸酸中毒、酮症酸中毒和肾衰竭）和代谢性碱中毒（如低钾血症、低氯血症、呕吐、含碳酸氢盐抗酸剂的使用、醛固酮增多症，以及罕见的大剂量类固醇给药）。 • 图 24.9 动静脉血中 CO2 的平衡曲线。在任一给定 \mathsf{P c o}_{2} 下，静脉血比动脉血能运输更多 CO2。与 \mathsf{H g b O}_{2} 平衡曲线相比，CO2 曲线在 \mathsf{P c o}_{2} 20 至 80 mmHg 之间基本呈直线。长虚线代表动脉平衡曲线；短虚线代表静脉平衡曲线。 关键点
- 空气-血液平衡速率快的气体（一氧化二氮、乙醚、氦气）为灌注限制型。空气-血液平衡速率慢的气体（CO）为扩散限制型。正常情况下，O2 和 CO2 的交换是灌注限制型，但在疾病晚期可转为扩散限制型。