Физико-химические свойства крови

Цвет крови определяется наличием гемоглобина. Артериальная кровь характеризуется ярко-красной окраской, что зависит от содержания в ней гемоглобина, насыщенного кислородом (оксигемоглобина). Венозная кровь имеет темно-красную с синеватым оттенком окраску, что объясняется наличием в ней не только оксигемоглобина, но и восстановленного гемоглобина, на долю которого приходится приблизительно 1/3 от общего его содержания. Чем более активен орган, и чем больше гемоглобин отдал кислорода тканям, тем более темной выглядит венозная кровь.

Относительная плотность крови зависит от содержания эритроцитов и насыщения их гемоглобином. Она колеблется в пределах от 1,052 до 1,062. У женщин относительная плотность крови несколько ниже, чем у мужчин. Относительная плотность плазмы крови, в основном, определяется концентрацией белков и составляет 1,029 – 1,032.

Вязкость крови определяется по отношению к вязкости воды и соответствует 4,5 – 5,0. Следовательно, кровь человека в 4,5 – 5 раз более вязкая, чем вода. Вязкость крови зависит, главным образом, от содержания эритроцитов и в гораздо меньшей степени от белков плазмы. В то же время вязкость венозной крови несколько больше, чем артериальной, что связано с поступлением в эритроциты углекислоты, благодаря чему незначительно увеличивается их размер. Вязкость крови возрастает при опорожнении депо крови, содержащей большее число эритроцитов.

Вязкость плазмы не превышает 1,8–2,2. Больше всего на вязкость плазмы влияет белок фибриноген. Так, вязкость плазмы по сравнению с вязкостью сыворотки, в которой фибриноген отсутствует, приблизительно на 20% выше. При обильном белковом питании вязкость плазмы, а, следовательно, и крови может повышаться. Увеличение вязкости крови является неблагоприятным прогностическим признаком для людей, больных атеросклерозом и предрасположенных к таким заболеваниям, как ишемическая болезнь сердца (стенокардия, инфаркт миокарда), облитерирующий эндартериит, инсульты (кровоизлияние в мозг или образование тромбов в сосудах головного мозга).

Осмотическое давление крови. Осмотическим давлением принято называть силу, которая заставляет растворитель (для крови это вода) переходить через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного в более концентрированный раствор. Осмотическое давление крови вычисляют криоскопическим методом с помощью определения депрессии (точки замерзания), которая для крови составляет 0,54°-0,58°. Депрессия молярного раствора (раствор, в котором растворена 1 грамм-молекула вещества в литре воды) соответствует 1,86°. Общая молекулярная концентрация в плазме и эритроцитах равна приблизительно 0,3 грамм-молекулы на литр. Подставив значения в уравнение Клапейрона (Р = cRT, где Р – осмотическое давление, с – молекулярная концентрация, R – газовая постоянная, равная 0,082 литр-атмосферы, и Т – абсолютная температура), легко рассчитать, что осмотическое давление для крови при температуре 37°С составляет 7,6 атмосферы (0,3х0,082х310=7,6). У здорового человека осмотическое давление колеблется в пределах от 7,3 до 7,6 атмосфер.

Осмотическое давление крови зависит в основном от растворенных в ней низкомолекулярных соединений, главным образом солей. Около 95% от общего осмотического давления приходится на долю неорганических электролитов, из них 60% – на долю NaCl. Осмотическое давление в крови, лимфе, тканевой жидкости, тканях приблизительно одинаково и отличается завидным постоянством. Даже если в кровь поступает значительное количество воды или соли, то и в этих случаях осмотическое давление не претерпевает существенных изменений. При избыточном поступлении воды в кровь она быстро выводится почками, а также переходит в ткани и клетки, что восстанавливает исходную величину осмотического давления. Если же в кровь поступает повышенная концентрация соли, то в сосудистое русло переходит вода из тканевой жидкости, а почки начинают усиленно выводить соли. На осмотическое давление в небольших пределах могут оказать влияние продукты переваривания белков, жиров и углеводов, всасывающиеся в кровь и лимфу, а также низкомолекулярные продукты клеточного метаболизма.

Поддержание постоянства осмотического давления играет чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности клеток. Их существование в условиях резкого колебания осмотического давления стало бы невозможным из-за обезвоживания тканей (при увеличении осмотического давления) или в результате разбухания от избытка воды (при снижении осмотического давления).

Онкотическоедавление является частью осмотического и зависит от содержания крупномолекулярных соединений (белков) в растворе. Хотя концентрация белков в плазме довольно велика, общее количество молекул из-за их большой молекулярной массы относительно мало, благодаря чему онкотическое давление не превышает 25-30 мм рт. столба. Онкотическое давление в большей степени зависит от альбуминов (на их долю приходится до 80% онкотического давления), что связано с их относительно малой молекулярной массой и большим количеством молекул в плазме.

Онкотическое давление играет важную роль в регуляции водного обмена. Чем больше его величина, тем больше воды удерживается в сосудистом русле и тем меньше ее переходит в ткани, и наоборот. Онкотическое давление не только влияет на образование тканевой жидкости и лимфы, но и регулирует процессы образования мочи, а также всасывание воды в кишечнике.

Если концентрация белка в плазме снижается, что наблюдается при белковом голодании, а также при тяжелых поражениях почек, то наступают отеки, так как вода перестает удерживаться в сосудистом русле и переходит в ткани.

Температура крови во многом зависит от интенсивности обмена того органа, от которого она оттекает. Чем интенсивнее осуществляется обмен веществ в органе, тем выше температура оттекающей от него крови. Следовательно, в одном и том же органе температура венозной крови всегда больше, чем артериальной. Это правило, однако, не распространяется на поверхностные вены кожи, соприкасающиеся с атмосферным воздухом и принимающие непосредственное участие в теплообмене. У теплокровных (гомойотермных) животных и человека температура крови в состоянии покоя в различных сосудах колеблется от 37° до 40°. Так, кровь, оттекающая от печени по венам, может иметь температуру 39,7°. Резко повышается температура крови при интенсивной мышечной работе.

При движении крови не только происходит некоторое выравнивание температуры в различных сосудах, но и создаются условия для отдачи или сохранения тепла в организме. В жаркую погоду через кожные сосуды протекает больше крови, что способствует отдаче тепла. В холодную погоду сосуды кожи суживаются, кровь вытесняется в сосуды брюшной полости, что приводит к сбережению тепла.

Концентрация водородных ионов и регуляция pH крови. Известно, что реакция крови определяется концентрацией водородных ионов. H+-ион представляет собой атом водорода, несущий положительный заряд. Степень же кислотности любой среды зависит от количества H+-ионов, находящихся в растворе. С другой стороны, степень щелочности раствора определяется концентрацией гидроксильных (OH^-) ионов, несущих отрицательный заряд. Чистая дистиллированная вода при нормальных условиях рассматривается как нейтральная потому, что в ней содержится одинаковое количество Н⁺- и ОН^--ионов.

В десяти миллионах литров чистой воды при температуре 22° С находится 1,0 грамм ионов водорода, или 1/10⁷, что соответствует 10^-7.

В настоящее время кислотность растворов принято выражать как отрицательный логарифм абсолютного количества водородных ионов, содержащихся в единице объема жидкости, для чего пользуются общепринятым обозначением pH. Следовательно, pH нейтральной дистиллированной воды равняется 7. Если pH меньше 7, то в растворе будут превалировать H+-ионы над OH^--ионами, и тогда среда будет кислой, если же pH больше 7, то среда окажется щелочной, ибо в ней будут преобладать OH^--ионы над H+-ионами.

В норме pH крови в среднем соответствует 7,36,±0,03 т.е. реакция носит слабоосновной характер. pH крови отличается удивительным постоянством. Его колебания крайне незначительны. Так, в условиях покоя pH артериальной крови соответствует 7,4, а венозной – 7,34. В клетках и тканях pH достигает 7,2 и даже 7,0, что зависит от образования в них в процессе обмена веществ кислых продуктов метаболизма. При различных физиологических состояниях pH крови может изменяться как в кислую (до 7,3), так и в щелочную (до 7,5) сторону. Более значительные отклонения pH сопровождаются для организма тяжелейшими последствиями. Так при pH крови 6,95 наступает потеря сознания, и если эти сдвиги в кратчайший срок не ликвидируются, то неминуема смерть. Если же концентрация H+ уменьшается, и pH становится равным 7,7, то наступают тяжелейшие судороги (тетания), что также может привести к смерти.

В процессе обмена веществ ткани выделяют в тканевую жидкость, а, следовательно, и в кровь, кислые продукты обмена, что должно приводить к сдвигу pH в кислую сторону. В результате интенсивной мышечной деятельности в кровь человека может поступать в течение нескольких минут до 90 г молочной кислоты. Если такое количество молочной кислоты было бы прибавлено к такому же количеству дистиллированной воды, то концентрация водородных ионов возросла бы в ней в 40000 раз. Реакция же крови при этих условиях практически не изменяется, что объясняется наличием буферных систем крови. Кроме того, в организме постоянство pH сохраняется за счет работы почек и легких, удаляющих из крови CO2, избыток кислот и щелочей.

Постоянство pH крови поддерживается буферными системами: гемоглобиновой, карбонатной, фосфатной и белками плазмы.

Самой мощной является буферная система гемоглобина. На ее долю приходится 75% буферной емкости крови. Эта система включает восстановленный гемоглобин (HHb) и калиевую соль восстановленного гемоглобина (KHb). Буферные свойства системы обусловлены тем, что KHb, будучи солью слабой кислоты, отдает ион K+ и присоединяет при этом ион H+, образуя слабодиссоциированную кислоту: H+ + KHb = K+ + HHb.

pH крови, подтекающей к тканям, благодаря восстановленному гемоглобину, способному связывать CO2 и H+-ионы, остается постоянной. В этих условиях HHb выполняет функции щелочи. В легких же гемоглобин ведет себя как кислота (оксигемоглобин, HHbO2, является более сильной кислотой, чем углекислота), что предотвращает защелачивание крови.

Карбонатная буферная система (H2CO3/NaHCO3) по своей мощности занимает второе место. Ее функции осуществляются следующим образом: NaHCO3 диссоциирует на Na+ и HCO3^-. Если в кровь поступает кислота более сильная, чем угольная, то происходит обмен ионами Na+ с образованием слабодиссоциированной и легко растворимой угольной кислоты, что предотвращает повышение концентрации H+ в крови. Увеличение же содержания угольной кислоты приводит к ее распаду (это происходит под влиянием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах) на воду и углекислый газ. Последний же поступает в легкие и выделяется наружу. Если же в кровь проникает щелочь, то она реагирует с угольной кислотой, образуя бикарбонат натрия (NaHCO3) и воду, что опять-таки препятствует сдвигу pH в щелочную сторону.

Фосфатная буферная система образована дигидрофосфатом натрия (NaH2PO4) и гидрофосфатом натрия (Na2HPO4). Первое из них ведет себя как слабая кислота, второе – как соль слабой кислоты. Если в кровь попадает более сильная кислота, то она реагирует с Na2HPO4, образуя нейтральную соль и увеличивая количество малодиссоциируемого NaH₂PO4^-:

Na₂HPO4 + Н₂СО₃ = NaНСО₃ + NaH2PO4.

Избыточное количество дигидрофосфата натрия при этом будет удаляться с мочой, благодаря чему соотношение NaH2PO4 и Na2HPO4 не изменится.

Если же в кровь ввести сильное основание, то оно будет взаимодействовать с дигидрофосфатом натрия, образуя слабоосновной гидрофосфат натрия. При этом рН крови изменится крайне незначительно. В данной ситуации избыток гидрофосфата натрия выделится с мочой.

Белки плазмы крови играют роль буфера, ибо обладают амфотерными свойствами, благодаря чему в кислой среде ведут себя как основания, а в основной – как кислоты.

Буферные системы имеются и в тканях, где они сохраняют рН на относительно постоянном уровне. Главными буферами тканей являются клеточные белки и фосфаты. В процессе метаболизма кислых продуктов образуется больше, чем основных. Вот почему опасность сдвига рН в кислую сторону более велика. Благодаря этому в процессе эволюции буферные системы крови и тканей приобрели большую устойчивость к действию кислот, чем оснований. Так, для сдвига рН плазмы в щелочную сторону требуется прибавить к ней в 40-70 раз больше NaOH, чем к дистиллированной воде. Для сдвига же рН в кислую сторону необходимо добавить к плазме в 300-350 раз больше НСl, чем к воде. Основные соли слабых кислот, содержащихся в крови, образуют так называемый щелочной резерв крови. Его величина определяется по тому количеству углекислоты, которое может быть связано 100 мл крови при напряжении CO2, равном 40 мм рт. ст.

Постоянное соотношение между кислотными и щелочными эквивалентами позволяет говорить о кислотно-щелочном равновесии крови.

Важная роль в поддержании постоянства рН отводится нервной регуляции. При этом преимущественно раздражаются хеморецепторы сосудистых рефлексогенных зон, импульсы от которых поступают в продолговатый мозг и другие отделы ЦНС, что рефлекторно включает в реакцию периферические органы – почки, легкие, потовые железы, желудочно-кишечный тракт, деятельность которых направляется на восстановление исходной величины рН. Установлено, что при сдвиге рН в кислую сторону почки усиленно выделяют с мочой анион Н₂РО₄^-. При сдвигах рН крови в щелочную сторону увеличивается выделение почками анионов НРО₂^- и НСО₃^-. Потовые железы человека способны выводить избыток молочной кислоты, а легкие – СО₂.

При различных патологических состояниях может наблюдаться сдвиг pH как в кислую, так и в щелочную сторону. Первый из них носит название ацидоза, второй – алкалоза. Более резкие изменения pH происходят при наличии патологического очага непосредственно в тканях.

Суспензионная устойчивость крови (скорость оседания эритроцитов – СОЭ). С физико-химической точки зрения кровь представляет собой суспензию, или взвесь, ибо форменные элементы крови находятся в плазме во взвешенном состоянии. Под суспензией, или взвесью, понимается жидкость, содержащая равномерно распределенные частички другого вещества. Взвесь эритроцитов в плазме поддерживается гидрофильной природой их поверхности, а также тем, что они (как и другие форменные элементы) несут отрицательный заряд, благодаря чему отталкиваются друг от друга. Если отрицательный заряд форменных элементов уменьшается, что может быть связано с адсорбцией положительно заряженных белков или катионов, то создаются благоприятные условия для склеивания эритроцитов между собой. Особенно резко склеивание эритроцитов наблюдается при увеличении в плазме концентрации фибриногена, гаптоглобина, церулоплазмина, a- и b-липопротеинов, а также иммуноглобулинов, концентрация которых может возрастать при беременности, воспалительных, инфекционных и онкологических заболеваниях. При этом названные белки, адсорбируясь на эритроцитах, образуют между ними мостики, благодаря чему возникают так называемые монетные столбики (агрегаты). Чистая сила агрегации является разностью между силой в образовавшихся мостиках, силой электростатического отталкивания отрицательно заряженных эритроцитов и сдвиговой силой, вызывающей распад агрегатов. Не исключено, что сцепление молекул белков на поверхности эритроцитов происходит за счет слабых водородных связей и дисперсных сил Ван-дер-Ваальса.

Сопротивление «монентных столбиков» трению меньше, чем суммарное сопротивление составляющих их элементов, так как при образовании агрегатов снижается отношение поверхности к объему, благодаря чему они быстрее оседают.

"Монетные столбики", образуясь в кровотоке, могут застревать в капиллярах и тем самым препятствовать нормальному кровоснабжению клеток, тканей и органов.

Если кровь поместить в пробирку, предварительно добавив в нее вещества, препятствующие свертыванию, то через некоторое время можно будет увидеть, что она разделяется на два слоя: верхний состоит из плазмы, а нижний представляет собой форменные элементы, главным образом эритроциты. Исходя из этих свойств, Ферреус предложил изучать суспензионную устойчивость эритроцитов, определяя скорость их оседания в крови, свертываемость которой устраняется предварительным добавлением лимоннокислого натрия. Эта реакция в настоящее время получила наименование «скорость оседания эритроцитов» (СОЭ).

Определение СОЭ ведется с помощью капилляра Панченкова, на котором нанесены миллиметровые деления. Капилляр ставится в штатив на 1 час и затем определяется величина слоя плазмы над поверхностью осевших эритроцитов.

Нормальная СОЭ обусловлена нормальной протеинограммой плазмы. Величина СОЭ зависит от возраста и пола. У мужчин она равна 6-12 мм/час, у взрослых женщин – 8-15 мм/час, у стариков обоего пола до 15-20 мм/час. Наибольший вклад в увеличение СОЭ вносит белок фибриноген; при увеличении его концентрации более 3 г/литр СОЭ повышается. Уменьшение величины СОЭ часто наблюдается при увеличении уровня альбуминов. При возрастании гематокритного числа (полицитемия) СОЭ снижается. При уменьшении гематокритного числа (анемия) СОЭ всегда увеличивается.

СОЭ резко увеличивается во время беременности, когда содержание фибриногена в плазме значительно возрастает. Повышение СОЭ наблюдается при наличии воспалительных, инфекционных и онкологических заболеваний, при ожогах, отморожениях, а также при резком уменьшении числа эритроцитов в крови. Уменьшение СОЭ ниже 3 мм/час является неблагоприятным признаком, ибо свидетельствует об увеличении вязкости крови.

Величина СОЭ зависит в большей степени от свойств плазмы, нежели эритроцитов. Так, если поместить эритроциты мужчины с нормальной СОЭ в плазму беременной женщины, то они начнут оседать с такой же скоростью, как и у женщин при беременности.