氧的运输
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血液中的O 2 以溶解的和结合的两种形式存在。溶解的量极少，仅占血液总O 2 含量的约1.5%，结合的占 98.5%左右。O 2 的结合形式是氧合血红蛋白（HbO 2 ）。血红蛋白（hemoglobin,Hb）是红细胞内的色蛋白，它的分子结构特征使之成为极好的运O 2 工具。Hb还参与CO 2 的运输，所以在血液气体运输方面Hb占极为重要的地位。
（一）Hb分子结构简介
每1Hb分子由1个珠蛋白和4个血红素（又称亚铁原卟啉）组成（图5-12）。每个血红素又由4个吡咯基组成一个环，中心为一铁原子。每个珠蛋白有4条多肽链，每条多肽链与1个血红至少连接构成Hb的单体或亚单位。Hb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Hb（HbA）的多肽链是2条α链和2条β链，为α 2 β 2 结构。胎儿Hb（HbF）是2条α链和2条γ链，为α 2 γ 2 结构。出生后不久HbF即为HbFA所取代。多肽链中氨基酸的排列顺序已经清楚。每条α链含141个氨基酸残基，每条β链含146个氨在酸残基。血红素的Fe2+均连接在多肽链的组氨基酸残基上，这个组氨酸残基若被其它氨基酸取代，或其邻近的氨基酸有所改变，都会影响Hb的功能。可见蛋白质结构和功能密切相关。
Hb的4个单位之间和亚单位内部由盐键连接。Hb与O 2 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O 2 的亲和力也随之而变，这是Hb氧离曲线呈S形和波尔效应的基础（见下文）。
图5-12 血红蛋白组成示意图
（二）Hb与O 2 结合的特征
血液中的O 2 主要以氧合Hb（HbO 2 ）形式运输。O 2 与Hb的结合有以下一些重要特征：
1．反应快、可逆、不需酶的催化、受PO 2 的影响。当血液流经PO 2 高的肺部时，Hb与 O 2 结合，形成HbO 2 ；当血液流经PO 2 低的组织时，HbO 2 迅速解离，释放O 2 ，成为去氧Hb：
2．Fe 2+ 与O 2 结合后仍是二价铁，所以该反应是氧合（oxygenation），不是氧化（oxidation）。
3．1分子Hb可以结合4分子O 2 。Hb分子量是64000-67000道尔顿（d），所以1gHb可以结合1.34-1.39mlO 2 ，视Hb纯度而异。100ml血液中，Hb所能结合的最大O 2 量称为Hb的氧容量。此值受Hb浓度的影响；而实际结合的O 2 量称为Hb的氧含量，其值可受PO 2 的影响。Hb氧含量和氧容量的百分比为Hb氧饱和度。例如，Hb浓度在15g/100ml血液时，Hb的氧容量=15×1.34=Hb 20.1ml/100ml血液，如Hb的氧含量是20.1ml，则Hb氧饱和度是100%。如果Hb氧含量实际是15ml，则Hb氧饱和度=15/20×100%=75%。通常情况下，溶解的O 2 极少，故可忽略不计，因此，Hb氧容量，Hb氧含量和Hb氧饱和度可分别视为血氧容量（osygen capacity）、血氧含量（oxygen content）和血氧饱和度（oxygen saturatino）。HbO 2 呈鲜红色，去氧Hb呈紫蓝色，当体表表浅毛细血管床血液中去氧Hb 含量达5g/100ml血液以上时，皮肤、粘膜呈浅蓝色，称为紫绀。
4．Hb与O 2 的结合或解离曲线呈S形，与Hb的变构效应有关。当前认为Hb有两种构型：去氧Hb为紧密型（tense form,T型），氧合Hb为疏松型（relaxed form,R型）。当O 2 与Hb的Fe 2+ 结合后，盐键逐步断裂，Hb 分子逐步由T型变为R型，对O 2 的亲和力逐步增加，R型的O 2 亲和力为T型的数百倍。也就是说，Hb 的4个亚单位无论在结合O 2 或释放O 2 时，彼此间有协同效应，即1个亚单位与O 2 结合后，由于变构效应的结果，其它亚单位更易与O 2 结合；反之，当HbO 2 的1个亚单位释出O 2 后，其它亚单位更易释放O 2 。因此，Hb氧离曲线呈S形。
（三）氧离曲线
氧离曲线（oxygen dissociation curve）或氧合血红蛋白解离曲线是表示PO 2 与Hb 氧结合量或Hb氧饱和度关系的曲线（图5-13）。该曲线既表示不同PO 2 时，O 2 与Hb 的结合情况。上面已经提到的曲线呈S形，是Hb变构效应所致。同时曲线的S形还有重要的生理意义，下面分析氧离曲线各段的特点及其功能意义。
图5-13 氧离曲线
（实线，在Ph7.4,PCO 2 40mmHg,温度37℃时测定的）
同时示溶解的O 2 和在Hb浓度为15g/100ml血液时的总血O 2 含量（1mmHg=0.133kPa）
1．氧离曲线的上段 相当于PO 2 7.98-13.3kPa(60-100mmHg)，即PO 2 较高的水平，可以认为是Hb与O 2 结合的部分。这段曲线较平坦，表明PO 2 的变化对Hb氧饱和度影响不大。例如PO 2 为13.3kPa(100mmHg)时（相当于动脉血PO 2 ），Hb氧饱和度为97.4%，血O 2 含量约为19.4ml%；如将吸入气PO 2 提高到19.95kPa(150mmHg)，Hb氧饱和度为100%，只增加了2.6% ,这就解释了为何V A /Q不匹配时，肺泡通气量的增加几乎无助于O 2 的摄取；反之，如使PO 2 下降到9.31kPa(70mmHg)，Hb氧饱和度为94%，也不过只降低了3.4%。因此，即使吸入气或肺泡气PO 2 有所下降，如在高原、高空或某些呼吸系统疾病时，但只要PO 2 不低于7.98kPa(60mmHg)，Hb氧饱和度仍能保持在90%以上，血液仍可携带足够量的O 2 ，不致发生明显的低血氧症。
2．氧离曲线的中段 该段曲线较陡，相当于PO 2 5.32-7.98kPa(40-60mmHg)，是HbO 2 释放O 2 的部分。PO 2 5.32kPa(40mmHg)，相当于混合静脉血的PO 2 ，此时Hb氧饱和度约为75%，血O 2 含量约14.4ml%，也即是每100ml血液流过组织时释放了5mlO 2 。血液流经组织液时释放出的O 2 容积所占动脉血O 2 含量的百分数称为O 2 的利用系数，安静时为25%左右。以心输出量5L计算，安静状态下人体每分耗O 2 量约为250ml。
3．氧离曲线的下段 相当于PO 2 2-5,32kPa(15-40mmHg)，也是H bO 2 与O 2 解离的部分，是曲线坡度最陡的一段，意即PO 2 稍降，HbO 2 就可大大下降。在组织活动加强时，PO 2 可降至2kPa(15mmHg)，HbO 2 进一步解离，Hb氧饱和度降至更低的水平，血氧含量仅约4.4ml%，这样每100ml血液能供给组织15mlO 2 ，O 2 的利用系数提高到75%，是安静时的3倍。可见该段曲线代表O 2 贮备。
（四）影响氧离曲线的因素
Hb与O 2 的结合和解离可受多种因素影响，使氧离曲线的位置偏移，亦即使Hb对O 2 的亲和力发生变化。通常用P 50 表示Hb对O 2 的亲和力。P 50 是使Hb氧饱和度达50%时的PO 2 ，正常为3.52 kPa(26.5mmHg)。P 50 增大，表明Hb对O 2 的亲和力降低，需更高的PO 2 才能达到50%的Hb氧饱和度，曲线右移；P 50 降低，指示Hb对O 2 的亲和力增加，达50%Hb氧饱和度所需的PO 2 降低，曲线左移。影响Hb与O 2 亲和力或P 50 的因素有血液的Ph、PCO 2 、温度和有机磷化物（图5-14）。
1.Hb与PCO 2 的影响pH降低或升PCO 2 升高，Hb对O 2 的亲和力降低，P 50 增大，曲线右移； pH升高或PCO 2 降低，Hb对O 2 的亲和力增加，P 50 降低，曲线左移。酸度对Hb氧亲和力的这种影响称为波尔效应（Bohr effect）。波尔效应的机制，与 pH改变时h b构型变化有关。酸度增加时，H + 与Hb多肽链某些氨基酸残基的基团结合，促进盐键形成，促使Hb分子构型变为T型，从而降低了对O 2 的亲和力，曲线右移；酸度降低时，则促使盐键断裂放出H + ，Hb变为R型，对O 2 的亲和力增加，曲线左移。PCO 2 的影响，一方面是通过PCO 2 改变时，pH也改变间接效应，一方面也通过CO 2 与Hb结合而直接影响Hb与O 2 的亲和力，不过后一效应极小。
波尔效应有重要的生理意义，它既可促进肺毛细血管的氧合，又有利于组织毛细血管血液释放O 2 。当血液流经肺时，CO 2 从血液向肺泡扩散，血液PCO 2 下降，[H + ]也降低，均使Hb对O 2 的亲和力增加，曲线左移，在任一PO 2 下Hb氧饱和度均增加，血液运O 2 量增加。当血液流经组织时，CO 2 从组织扩散进入血液，血液PCO 2 和[H + ]升高，Hb对O 2 的亲和力降低，曲线右移，促使HbO 2 解离向组织释放更多的O 2 。
图5-14 影响氧离曲线位置的主要因素（1mmHg=0.133kPa）
2．温度的影响 温度升高，氧离曲线右移，促使O 2 释放；温度降低，曲线左移，不利于O 2 的释放。临床低温麻醉手术时应考虑到这一点。温度对氧离曲线的影响，可能与温度影响了H + 活度有关。温度升高H + 活度增加，降低了Hb对O 2 的亲和力。当组织代谢活跃是局部组织温度升高，CO 2 和酸性代谢产物增加，都有利于Hb0 2 解离，活动组织可获得更多的O 2 以适应其代谢的需要。
3．2，3-二磷酸甘油酸 红细胞中含有很多有机磷化物，特别是2，3-二磷酸甘油酸（2.3-diphospoglyceric acid,2,3-DPG），在调节Hb和O 2 的亲和力中起重要作用。2,3-DPG浓度升高，Hb对O 2 亲和力降低，氧离曲线右移：2,3-DPG浓度升降低，Hb对O 2 的亲和力增加，曲线左移。其机制可能是2,3-DPG与Hbβ链形成盐键，促使Hb变成T型的缘故。此外，2,3-DPG可以提高[H + ]，由波尔效应来影响Hb对O 2 的亲和力。
2,3-DPG是红细胞无氧糖酵解的产物。高山缺O 2 ，糖酵解加强，红细胞 2,3-DPG增加，氧离曲线右移，有利于O 2 的释放，曾认为这可能是能低O 2 适应的重要机制。可是，这时肺泡PO 2 也降低，红细胞内过多的2,3-DPG也妨碍了Hb与O 2 的结合。所以缺O 2 时，2,3-DPG使氧离曲线右移是否有利，是值得怀疑的。
4．Hb自身性质的影响 除上述因素外，Hb与O 2 的结合还为其自身性质所影响。Hb的Fe 2+ 氧化成Fe 3+ ，失去运O 2 能力。胎儿Hb和O 2 的亲和力大，有助于胎儿血液流经胎盘时从母体摄取O 2 。异常Hb 也降低运O 2 功能。CO与Hb结合，占据了O 2 的结合位点，HbO 2 下降。CO与Hb的亲和力是O 2 的250倍，这意味着极低的PCO，CO就可以从HbO 2 中取代O 2 ，阻断其结合位点。此外，CO还有一极为有害的效应，即当CO与Hb分子中某个血红素结合后，将增加其余3个血红素对O 2 的亲和力，使氧离曲线左移，妨碍O 2 的解离。所以CO中毒既妨碍Hb与O 2 的结合，又妨碍O 2 的解离，危害极大。
总之，血液Hb的运O 2 量可受多种因素影响：包括PO 2 、Hb本身的性质和含量、pH、PCO 2 、温度、2,3-DPG和CO等，pH降低，PCO 2 升高，温度升高，2,3-DPG增高，氧离曲线右移；pH升高，PCO 2 、温度、2,3-DPG降低和CO中毒，曲线左移。
