第2章氧和二氧化碳的转运

TheICUBook第二章氧和二氧化碳的转运呼吸是一个燃烧过程，速度非常慢，否则完全跟木炭一样。--AntoineLavoisier有氧代谢过程是燃烧营养物质燃料来释放能量。这个过程消耗氧气并释放二氧化碳。循环系统的作用是输送氧气和营养物质燃料到身体组织，然后清除产生的二氧化碳。循环系统运输氧气和二氧化碳的双重作用被称为血液的呼吸功能。本章描述这种呼吸功能是如何进行的。氧气的运输将肺部的氧气运输到代谢组织，可以使用四个临床参数描述：（a）血液中的氧气浓度，（b）动脉血氧气的传递速率，（c）从毛细血管血液进入组织的氧摄取率，（d）从毛细血管血液进入组织的氧分数。这四个氧气输送参数以及派生每个参数的方程见表2.1。彻底了解这些参数是管理危重患者必不可少的。血液中的氧（O2）含量氧气不容易溶解在水中（1），且由于血浆是93%的水，因此需要一个专门结合氧（气）的分子（血红蛋白）来促进血液的氧合。血液中的氧（O2）也被称为O2含量，O2含量是O2的总供量，它与血红蛋白结合并且溶解在血浆中。表2.1氧气和二氧化碳的运输参数参数符号方程动脉O2含量CaO21.34×Hb×SaO2静脉O2含量CvO21.34×Hb×SvO2O2递送DO2Q×CaO2O2摄取VO2Q×(CaO2-CvO2)O2提取率O2ERVO2/DO2CO2消除VCO2Q×(CvCO2-CaCO2)呼吸商RQVCO2/CO2缩写：Hb=血液中的血红蛋白浓度；SaO2和SvO2=分别指动脉和混合静脉血中血红蛋白的氧饱和度（含氧血红蛋白占总血红蛋白的比例）；Q=心脏输出；CaCO2=动脉血中CO2含量；CvCO2=混合静脉血中CO2含量。与O2结合的血红蛋白（氧合血红蛋白）与O2结合的血红蛋白（HbO2）浓度由公式2.1（2）中的变量决定。HbO2=1.34×Hb×SO2（2.1）Hb是血液中的血红蛋白浓度（通常以g/dL表示，即g/100mL）；1.34是血红蛋白的氧结合能力（以每g血红蛋白多少mLO2表示）；SO2是血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的比例（SO2=HbO2/总Hb），也称作血红蛋白的氧饱和度。HbO2与Hb浓度的单位（g/dL）相同。公式2.1表示：当血红蛋白与O2完全饱和时（即当SO2=1时），每g血红蛋白通常结合1.34mL的氧气。通常1g血红蛋白能结合1.39mL的氧气，但一小部分循环血红蛋白（3%到5%）以高铁血红蛋白和碳氧血红蛋白的形式存在，因为这些形式的Hb结合O2的能力降低，因此1.34mL/g这一较低值被认为更能TheICUBook代表总血红蛋白池的O2结合能力（3）。笔记：O2=氧（气）；Hb=血红蛋白溶解的O2血浆中溶解的O2浓度取决于氧在水（血浆）中的溶解度和血液中的氧分压（PO2）。O2在水中的溶解度是随温度变化的（溶解度随温度的降低略有增加）。在正常体温（37℃）和PO2为1mmHg时，0.03mL的O2能溶解在1升的水中（4）。表现为溶解系数为0.03mL/L/mmHg（或0.003mL/100mL/mmHg）。溶解O2的浓度（单位mL/dL）（体温正常）可由公式2.2描述。溶解的O2=0.003×PO2(2.2)这个公式显示血浆中氧的溶解度有限。例如，如果PO2是100mmHg，1L的血液将只包含3mL溶解的O2。表2.2动脉和静脉血中氧的正常水平※参数动脉血静脉血PO290mmHg40mmHgHb的O2饱和度0.980.73与O2结合的Hb197mL/L147mL/L溶解的O22.7mL/L1.2mL/L总O2含量200mL/L148mL/L血容量†1.25L3.75LO2的容积250mL555mL带※值是在体温37℃和血红蛋白15g/dL（150g/L）时测得。带†的值是在总血容量（=L）的基础上估计的，动脉血容量=0.25×总血容量，静脉血容量=0.75×总血容量。缩写：Hb：血红蛋白；PO2：O2分压。动脉O2含量/动脉含O2量（CaO2）动脉血的O2浓度（CaO2）可通过公式2.1和2.2的结合，使用动脉血的SO2和PO2来定义（SaO2和PaO2）。CaO2=（1.34×Hb×SaO2）+（0.003×PaO2）（2.3）结合的O2、溶解的O2和总O2在动脉血中的正常浓度见表2.2。每L动脉血中大约有200mL的氧，只有1.5%（3mL）溶解在血浆中。一个平均体型的成人在休息时的耗氧量为250mL/min，这意味着，如果我们被迫单靠血浆中溶解的O2，那必须要有89L/min的心脏输出来维持有氧代谢。这强调了血红蛋白在运输氧气中的重要性。静脉O2含量/静脉含O2量（CvO2）静脉血中的O2浓度（CvO2）可以与CaO2一样以相同的方式计算，使用静脉血的血氧饱和度（O2饱和度）和氧分压计算（SvO2和PvO2）。CvO2=（1.34×Hb×SvO2）+（0.003×PvO2）（2.4）SvO2和PvO2的最佳测量方法是通过取自肺动脉的集合或“混合静脉”的血TheICUBook样本来测量（使用肺动脉导管，见第9章）。如表2.2所示，SvO2的正常值是73%（0.73），PvO2的正常值是40mmHg，CvO2的正常值约为15mL/dL（150mL/L）简化的O2含量公式血浆中溶解的O2浓度是如此小，它通常会从O2含量公式中被消除。因此可认为血液的O2含量与相当于与Hb结合的O2（见方程2.1）。O2含量≈1.34×Hb×SO2（2.5）贫血与低氧血症医生经常使用动脉氧分压（PaO2）作为血液中含有多少氧的指征。然而，如公式2.5所示，血红蛋白浓度是血液中氧含量的主要决定因素。图2.1显示了血红蛋白和PaO2对血液中氧水平影响的比较。此图显示血红蛋白浓度和PaO2对动脉血氧含量比例变化的影响。血红蛋白减少50%（从15到7.5g/dL）相当于CaO2减少50%（从200到101mL/L），而PaO2降低50%（从90到45mmHg）仅引起CaO2降低18%（从200到163mL/L）。此图表明，贫血对血液氧合作用的影响比低氧血症要大的多。它也应作为一个提醒，以避免使用PaO2来评估动脉的氧合作用。PaO2应该被用来评估肺部的气体交换效率（见第19章）。血液中O2的缺乏循环血液中总的O2容量可通过血液中血容量的产物和O2的浓度来计算。定卖血和静脉血中O2量的估计见表2.2。动脉和静脉血中结合的O2容量为微薄的805mL。这一容量是多么的有限，试想一个平均体型的成人在休息时全身的O2含量是250mL/min。这意味着，血液中的O2容量只能维持机体3到4min的有氧代谢。因此，如果一个患者停止呼吸，你只有宝贵的几分钟时间在其血液中氧储存完全耗尽前开始给他行辅助呼吸操作。血液中数量有限的O2也可通过葡萄糖的氧化代谢来表示，葡萄糖的有氧代谢公式为：C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O。这个公式表明，完整的1mol葡萄糖氧化利用6mol的氧气。为了确定血液中的O2是否足够维持血液中葡萄糖的代谢，有必要将血液中的葡萄糖和氧气的量用mmol这一单位来表示。（这里显示的值基于90mg/dL或90/180=0.5mmol/dL的血糖水平，5L的血容量，805mL或805/22.2=36.3mmol的总血液O2）：血液中总的葡萄糖…………………….25mmol血液中总的O2…………………………36.3mmol葡萄糖代谢需要的O2…………………150mmol这表明血液中的O2只有总量的20%到25%为血液中葡萄糖的完全氧化代谢所需。图2.1图表显示血红蛋白浓度（Hb）和动脉氧分压（PaO2）的等量降低（50%）对动脉血中氧浓度的影响。为什么O2这么少？一个显而易见的问题是为什么一个需要氧气维持生存的机体被设计为在氧气有限的环境中进行新陈代谢？答案可能与氧气的潜在毒性有关。众所周知，氧正常低氧血症贫血TheICUBook气通过产生有毒的代谢产物能造成致命的细胞损伤（超氧化物自由基，过氧化氢和羟自由基），因此，在细胞附近限制氧气浓度，可能是保护细胞避免氧诱导细胞损伤的机制。氧诱导的损伤（氧化性损伤）在临床疾病中的作用是非常激动人心和活跃的研究领域，本章结尾的参考书目包括一本教科书（生物学和医学领域中的自由基），这是关于这一学科的最好的单一信息资源。丰富的血红蛋白与血液中氧容量小相反，循环血红蛋白的总量似乎过多。如果正常血清Hb是15g/dL（150g/L）且正常血容量是5L(70mL/kg)，那么循环的血红蛋白的总量时750g（0.75kg）或1.65磅。为了证明血液中血红蛋白池的规模庞大，图2.2中的插图比较了血红蛋白与正常体重的心脏的重量。心脏的重量只有300g，因此，循环的血红蛋白池的重量是心脏的2.5倍！这意味着，每60秒，心脏必须在循环系统中推动超过自身两倍以上重量的移动。所有的血红蛋白都是必要的吗？稍后所示，当从全身毛细血管的氧提取达到最大时，静脉血中40%到50%的血红蛋白仍与氧饱和。这意味着，几乎有一半的循环血红蛋白不是用来支持有氧代谢。那这多余的血红蛋白用来做什么呢?运送二氧化碳，见本章节后面所述。图2.2平衡标尺显示循环血红蛋白与正常体重的心脏相比时多余的重量。氧输送/氧递送（DO2）进入肺部血流的氧气通过心输出量进入重要的器官。这种情况发生的速度被称为氧输送（DO2）。DO2描述了每分钟到达全身毛细血管的氧气量（mL）。它相当于动脉血氧含量（CaO2，单位mL/L）和心输出量（Q，单位L/min）的产物（2,5,6,7）。DO2=Q×CaO2×10(2.6)（乘以10是用来转换CaO2的单位，从mL/dL到mL/L，因此，DO2的单位为mL/min。）如果将CaO2分解成其组成部分（1.34×Hb×SaO2），公式2.6可以改写为：DO2=Q×1.34×Hb×SaO2×10(2.7)当用肺动脉导管来测量心输出量（见第9章），DO2可用公式2.7计算。成人休息时的正常DO2为900-1100mL/min，或500-600mL/min/m2，校正身材时（见表2.3）。表2.3氧气和二氧化碳运输参数的正常范围参数绝对范围调整身材的范围※心输出量5-6L/min2.4-4.0L/min/m2O2递送900-1100mL/min520-600mL/min/m2O2摄取200-270mL/min110-160mL/min/m2O2提取率0.20-0.30CO2消除160-220mL/min90-130mL/min/m2呼吸商0.75-0.85校正身材后的值※通过绝对值除以患者的体表面积（单位m2）计算。TheICUBook氧摄取/摄氧量（VO2）当血液达到全身毛细血管，氧从血红蛋白中分离出来，并进入组织。这一现象发生的速度称为氧摄取（VO2）。氧摄取描述没分钟离开毛细血管，进入组织的氧气的体积（单位mL）。由于氧气不能在组织中储存，因此，VO2也是衡量组织耗氧量的一个指标。VO2（mL/min）可通过心输出量（Q）和动静脉血氧含量差（CaO2-CvO2）来计算。VO2=Q×（CaO2-CvO2）×10(2.8)（乘以10与解释DO2时的原因一样。）这种派生VO2的方法被称为烦Fick氏法，因为公式2.8是Fick方程的一个变化（心输出量是派生的变量：Q=VO2/CaO2-CvO2）（8）。因为CaO2和CvO2的公式相同（1.34×Hb×10），公式2.8可重新描述为：VO2=Q×1.34×Hb×（SaO2-SvO2）(2.9)这个公式表示VO2使用的是在临床实践中可以测量的变量。在这个公式中决定VO2的因素见图2.3所示。健康成人在休息时VO2的正常范围是200-300mL/min，或110-160mL/min/m2，当校正身材时（见表2.3）。图2.3决定氧从微循环中摄取（VO2）的因素的示意图。SaO2和SvO2=动脉血和静脉血中血红蛋白的氧饱和度；PO2=氧分压；Hb=一个血红蛋白分子。Fick（菲克）和全身的VO2改良的菲克公式中的VO2不等于全身的VO2，因为它不包括肺部的O2消耗量（8,9,10）。通常情况