Transport av syre och koldioxid

Syre transporteras huvudsakligen bundet till hemoglobin, medan koldioxid framför allt förs som bikarbonat efter snabb omvandling i erytrocyten. Oxihemoglobinets dissociationskurva samt Bohr- och Haldane-effekterna kopplar samman alveolärt gasutbyte med metabolism, vävnadsperfusion och syra–basbalans.

Översikt: konvektion, diffusion och partialtryck

Transporten av syre från omgivningsluft till mitokondrie består av flera seriekopplade steg. Alveolär ventilation för in syrgas till alveolerna och avlägsnar koldioxid. O₂ diffunderar därefter över alveol–kapillärbarriären till lungkapillärens blod, transporteras konvektivt med cirkulationen och diffunderar från systemkapillär till interstitium och cell. I mitokondrien fungerar O₂ som terminal elektronacceptor i elektrontransportkedjan. Metaboliskt bildad CO₂ rör sig i motsatt riktning: från mitokondrie och cytosol till vävnadskapillär, vidare med venöst blod till lungan och slutligen genom alveolär ventilation till omgivningen.

Diffusion drivs av skillnader i partialtryck, inte av skillnader i totalt gasinnehåll. Partialtrycket anger den fysikaliskt lösta gasens kemiska potential och bestämmer därför riktningen för nettodiffusionen. Hemoglobinbundet O₂ bidrar inte direkt till PO₂, och CO₂ som omvandlats till bikarbonat bidrar inte direkt till PCO₂. När löst O₂ lämnar plasma för att diffundera till vävnad frigör hemoglobin dock nytt O₂, vilket återställer jämvikten mellan löst och bundet syre. På motsvarande sätt kan bikarbonat återbilda löst CO₂ när PCO₂ sjunker i lungkapillären.

Partialtryck, koncentration och totalt innehåll måste därför hållas isär. PaO₂ kan vara normalt trots lågt arteriellt syrgasinnehåll, exempelvis vid anemi, medan en liten förändring i PaO₂ på dissociationskurvans platå kan ha liten effekt på hemoglobinmättnaden. För CO₂ kan skillnaden mellan venöst och arteriellt PCO₂ vara endast omkring 6 mmHg, trots att betydande mängder CO₂ transporteras, eftersom blodet lagrar gasen som bikarbonat och karbaminoföreningar.

Gasöverföring i lunga och vävnad

Enligt Ficks lag är diffusionshastigheten proportionell mot utbytesytan, gasens diffusionskoefficient och partialtrycksgradienten, men omvänt proportionell mot barriärens tjocklek:

[ \dot V_{\text{gas}} \propto \frac{A \times D \times \Delta P}{T} ]

Stor alveolär yta och en mycket tunn alveol–kapillärbarriär möjliggör snabbt gasutbyte. Emfysem minskar ytan, medan lungödem och interstitiell fibros ökar diffusionsavståndet. Diffusionskoefficienten beror bland annat på gasens löslighet och molekylmassa. CO₂ är betydligt mer lösligt i biologiska vätskor än O₂ och diffunderar därför ungefär 20 gånger lättare genom vävnad och membran. Uttalad diffusionsstörning ger följaktligen vanligen hypoxemi innan den ger hyperkapni.

I vila är alveolärt PO₂ typiskt omkring 100 mmHg och alveolärt PCO₂ omkring 40 mmHg. Blandvenöst blod anländer till lungkapillären med PO₂ cirka 40 mmHg och PCO₂ cirka 46 mmHg. Dessa gradienter driver O₂ från alveol till blod och CO₂ i motsatt riktning. I systemvävnad är intracellulärt och mitokondriellt PO₂ lägre än i artärblodet, medan lokalt PCO₂ är högre till följd av metabolismen.

O₂-utbytet är normalt perfusionsbegränsat: kapillärblodets PO₂ hinner jämviktas med alveolärt PO₂ tidigt under passagen, varefter ytterligare upptag kräver att nytt deoxygenerat blod tillförs. Vid fibros, lungödem, låg inspirerad syrgashalt eller mycket hög hjärtminutvolym kan upptaget bli mer diffusionsbegränsat. Den pulmonella kapillära transittiden är i vila omkring 0,75 sekunder och förkortas under arbete; den normala diffusionsreserven gör ändå att jämvikt vanligen uppnås.

Den alveol–arteriella syrgasgradienten, A–a-gradienten, är skillnaden mellan beräknat alveolärt PO₂ och uppmätt PaO₂. Alveolärt PO₂ kan uppskattas med alveolära gasekvationen, där inspirerat PO₂, PaCO₂ och respiratorisk kvot ingår. En ökad A–a-gradient talar för V/Q-störning, höger–vänstershunt eller diffusionshinder. Vid ren alveolär hypoventilation sjunker däremot både alveolärt och arteriellt PO₂, utan att gradienten nödvändigtvis blir påtagligt förhöjd.

Hemoglobinets struktur och kooperativa syrebindning

Vuxet hemoglobin är en tetramer. Den dominerande formen, HbA, består av två α- och två β-globinkedjor. Varje kedja innehåller en hemgrupp med en central järnjon i ferroform, Fe²⁺. En O₂-molekyl binds reversibelt till varje hemjärn, vilket ger högst fyra O₂ per hemoglobinmolekyl. Oxidation av Fe²⁺ till Fe³⁺ bildar methemoglobin, vars järn inte kan binda O₂ normalt.

Deoxyhemoglobin föreligger huvudsakligen i en låg-affin T-konformation, medan oxygenering stabiliserar den hög-affina R-konformationen. Bindning av den första O₂-molekylen förändrar relationerna mellan globinkedjorna och gör följande bindningsställen mer benägna att binda O₂. Denna positiva kooperativitet skapar den sigmoidala dissociationskurvan. Hill-koefficienten är ett empiriskt mått på kooperativiteten; för hemoglobin ligger den omkring 2,7–3 under fysiologiska förhållanden, vilket är lägre än antalet fyra bindningsställen eftersom kooperativiteten inte är absolut.

Affinitet anger hur lätt hemoglobin binder O₂ vid ett visst PO₂. Kapacitet anger hur mycket O₂ som totalt kan bindas och bestäms främst av mängden funktionellt hemoglobin. En affinitetsförändring flyttar dissociationskurvan, medan anemi huvudsakligen sänker kapaciteten utan att i sig behöva ändra PaO₂ eller SaO₂.

HbF består av två α- och två γ-kedjor och binder 2,3-bisfosfoglycerat svagare än HbA. Därför har HbF högre O₂-affinitet, vilket underlättar överföring av syre från moderns till fostrets blod. Strukturella hemoglobinvarianter kan påverka affinitet, stabilitet, löslighet eller erytrocytöverlevnad. Dyshemoglobiner som karboxihemoglobin och methemoglobin minskar mängden funktionella O₂-bindningsställen och kan samtidigt hämma O₂-avgivningen från kvarvarande normala bindningsställen.

Oxihemoglobinets dissociationskurva

Dissociationskurvan beskriver relationen mellan PO₂ och hemoglobinets O₂-saturation. Vid högt PO₂ dominerar R-konformationen och kurvan är flack. Vid lägre PO₂ övergår hemoglobin lättare till T-konformation och små PO₂-förändringar ger större förändringar i saturation. Kurvans sigmoida form är således en direkt följd av kooperativ bindning.

Platån över ungefär 60 mmHg ger säkerhetsmarginal för lungupptaget. En måttlig minskning av alveolärt och arteriellt PO₂ påverkar då saturationen relativt lite. När PaO₂ sjunker under cirka 60 mmHg hamnar blodet på kurvans branta del, där ytterligare tryckfall snabbt ger desaturation. Detta förklarar varför en patient kan försämras snabbt när hypoxemin passerar denna nivå.

I vävnaderna är den branta delen gynnsam. När lokalt PO₂ sjunker till följd av ökad metabolism frigörs en oproportionerligt stor mängd O₂ från hemoglobin. Blandvenöst PO₂ omkring 40 mmHg och saturation omkring 75 % innebär i vila att cirka en fjärdedel av det arteriellt tillgängliga syret har extraherats.

Saturation är inte liktydigt med syrgasinnehåll. En patient med Hb 60 g/L och SaO₂ 98 % har nästan full mättnad av de tillgängliga bindningsställena men mindre än hälften så mycket hemoglobinbundet O₂ som en person med Hb 150 g/L. Omvänt kan polycytemi ge högt O₂-innehåll trots en något reducerad saturation.

Förskjutningar av dissociationskurvan

En högerförskjutning innebär lägre O₂-affinitet och högre P50: vid ett givet PO₂ är saturationen lägre och O₂ avges lättare perifert. En vänsterförskjutning innebär högre affinitet och lägre P50. Effekterna ska bedömas i sitt sammanhang, eftersom hög affinitet kan gynna alveolärt upptag men försvåra vävnadsavgivning.

Bohr-effekten innebär att ökad H⁺-koncentration och CO₂-bindning stabiliserar T-konformationen. I metabolt aktiv vävnad bildas både CO₂ och syror, vilket sänker hemoglobinets O₂-affinitet och förstärker avgivningen där behovet är störst. I lungan avlägsnas CO₂, pH stiger lokalt och affiniteten ökar, vilket gynnar O₂-upptag.

2,3-BPG bildas i erytrocyternas glykolys och binder i den centrala fickan hos deoxyhemoglobin. Bindningen stabiliserar T-formen. Koncentrationen ökar bland annat vid längre tids hypoxemi, anemi och höghöjdsacklimatisering. Temperaturökning försvagar O₂-bindningen och bidrar tillsammans med acidos och hyperkapni till ökad O₂-avgivning i arbetande muskulatur eller febril vävnad.

Feber och acidos högerförskjuter kurvan, medan hypotermi och alkalos vänsterförskjuter den. Vid nedkylning kan uppmätt saturation vara hög trots försämrad perifer O₂-avgivning. Lagrat erytrocytkoncentrat får med tiden lägre 2,3-BPG, vilket övergående kan öka affiniteten efter transfusion. Vid anemi kan ökat 2,3-BPG underlätta extraktion, men kompensationen återställer inte den förlorade kapaciteten. Kolmonoxid ger både färre tillgängliga hemgrupper och vänsterförskjutning av de kvarvarande bindningsställena; kombinationen är särskilt skadlig för vävnadsoxygeneringen.

Syrgasens former i blodet och beräkning av innehåll

Arteriellt syrgasinnehåll, CaO₂, utgörs av hemoglobinbundet och fysikaliskt löst O₂:

[ CaO_2 = 1{,}34 \times Hb \times SaO_2 + 0{,}003 \times PaO_2 ]

Hb ska anges i g/dL, SaO₂ som andel och PaO₂ i mmHg. Resultatet blir mL O₂/dL blod. Faktorn 1,34 mL O₂/g Hb är den kliniskt använda Hüfnerkonstanten och tar hänsyn till att allt uppmätt hemoglobin inte är fullt funktionellt. Löslighetskoefficienten 0,003 anger hur mycket O₂ som löses per dL plasma och mmHg.

Vid Hb 150 g/L, det vill säga 15 g/dL, SaO₂ 0,98 och PaO₂ 100 mmHg blir:

[ CaO_2 = 1{,}34 \times 15 \times 0{,}98 + 0{,}003 \times 100 ]

[ CaO_2 \approx 19{,}7 + 0{,}3 = 20{,}0\ \text{mL/dL} ]

Det motsvarar cirka 200 mL O₂/L blod. Ungefär 98–99 % är hemoglobinbundet och endast omkring 1–2 % fysikaliskt löst.

Vid Hb 75 g/L, men oförändrade PaO₂ och SaO₂, blir den hemoglobinbundna delen ungefär halverad. Pulsoximetri kan ändå visa 98 % och artärblodgasen PaO₂ 100 mmHg. Patienten kan således ha uttalat reducerad O₂-transportkapacitet utan hypoxemi i strikt partialtrycksmässig mening. Kliniska konsekvenser beror även på hjärtminutvolym, regional perfusion och vävnadernas extraktionsförmåga.

Högdos syrgas ökar främst hemoglobinmättnaden tills denna närmar sig 100 %. Därefter ökar bara den lösta komponenten linjärt med PaO₂. Vid normobar syrgasbehandling är denna ökning vanligen liten jämfört med hemoglobinets bidrag, även om den kan få betydelse vid mycket höga PO₂.

Syrgasleverans, extraktion och venös återkomst

Systemisk syrgasleverans, DO₂, är produkten av hjärtminutvolym och arteriellt syrgasinnehåll:

[ DO_2 = CO \times CaO_2 ]

Med hjärtminutvolym 5 L/min och CaO₂ 200 mL/L blir DO₂ cirka 1 000 mL O₂/min. Kroppens viloförbrukning, VO₂, är ungefär 250 mL/min hos en vuxen. Skillnaden återvänder i blandvenöst blod, där CvO₂ typiskt är omkring 150 mL/L.

Enligt Ficks princip gäller:

[ VO_2 = CO \times (CaO_2-CvO_2) ]

O₂-extraktionskvoten är (VO_2/DO_2) och är i vila omkring 25 %. Vid sänkt DO₂ kan kroppen initialt kompensera med ökad hjärtminutvolym, omfördelning av blodflödet och större extraktion. Blandvenös saturation sjunker då. Under en kritisk leveransnivå kan extraktionen inte längre ökas tillräckligt; VO₂ blir leveransberoende och anaerob metabolism, laktatstegring och organdysfunktion kan följa. Den kritiska nivån varierar med sjukdomstillstånd, temperatur, metabolism och regional mikrocirkulation.

SvO₂ mäts i arteria pulmonalis och representerar blandningen av venöst återflöde från hela kroppen. ScvO₂ från central venkateter speglar främst blod från övre kroppshalvan och är inte identisk med SvO₂. Lågt värde kan bero på låg hjärtminutvolym, anemi, hypoxemi eller ökad O₂-förbrukning. Ett normalt eller högt värde utesluter inte vävnadshypoxi: vid sepsis, mikrocirkulatorisk shuntning eller mitokondriell dysfunktion kan extraktionen vara nedsatt.

Tolkningen måste kombineras med Hb, SaO₂, laktat, perfusionstecken, diures och cirkulatorisk bedömning. En enstaka venös saturation beskriver global balans och kan missa uttalad regional ischemi, exempelvis i tarm eller extremitet.

Koldioxidproduktion och transportformer

CO₂ bildas huvudsakligen vid oxidativ metabolism, särskilt vid pyruvatdehydrogenasreaktionen och citronsyracykeln. Respiratorisk kvot, (RQ=VCO_2/VO_2), beror på substrat: kolhydratoxidation ger högre kvot än fettförbränning. Vid blandad kost används ofta ett värde omkring 0,8 vid fysiologiska beräkningar. Under kraftigt arbete kan buffring av laktatgenererade vätejoner dessutom öka CO₂-eliminationen i förhållande till den aeroba produktionen.

CO₂ transporteras i tre överlappande former:

Procentandelarna varierar mellan arteriellt och venöst blod samt mellan källor och beräkningssätt. Vissa beräkningar hänför en större andel till karbaminoföreningar. Det centrala är att bikarbonat dominerar och att endast den lösta fraktionen direkt bestämmer PCO₂.

Transporten kan inte bedömas enbart från att PCO₂ ökar från ungefär 40 mmHg arteriellt till cirka 46 mmHg blandvenöst. Den metaboliskt tillförda mängden avspeglas i ökningen av totalt CO₂-innehåll, där merparten har omvandlats kemiskt. Blodets buffertar och hemoglobinets oxygeneringsgrad gör därför att stora mängder CO₂ kan föras med en relativt liten partialtrycksgradient.

Bikarbonatbildning, karbonanhydras och kloridskift

I vävnadskapillären diffunderar metabolt producerat CO₂ genom plasma och erytrocytmembran. Inne i erytrocyten katalyserar karbonanhydras snabbt hydreringen:

[ CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 ]

Kolsyra dissocierar därefter:

[ H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^- ]

Utan karbonanhydras skulle reaktionen vara för långsam för den korta kapillära transittiden.

Det bildade H⁺ buffras framför allt av deoxyhemoglobin. Detta begränsar pH-fallet och driver fortsatt bikarbonatbildning. HCO₃⁻ lämnar erytrocyten genom anjonbytaren AE1, även kallad band 3, i utbyte mot Cl⁻. Detta elektroneutrala kloridskift eller Hamburgerfenomen gör att huvuddelen av det bildade bikarbonatet kan transporteras i plasma utan att laddningsskillnader byggs upp över cellmembranet.

I lungkapillären sker processen omvänt. Oxygenering av hemoglobin frigör H⁺, HCO₃⁻ återförs till erytrocyten i utbyte mot Cl⁻ och reagerar med H⁺ till H₂CO₃. Karbonanhydras katalyserar dehydreringen till CO₂ och H₂O. CO₂ diffunderar därefter till alveolen och ventileras ut.

Klorid- och bikarbonatförflyttningen påverkar erytrocytens osmotiska förhållanden. Venösa erytrocyter tar upp mer klorid och vatten och har därför något större volym än arteriella erytrocyter. Samma reversibla reaktionssystem är centralt för syra–basbalansen: ventilationen reglerar CO₂-komponenten snabbt, medan njurarna reglerar bikarbonatmängden över längre tid. Hämmare av karbonanhydras, exempelvis acetazolamid, minskar renal bikarbonatreabsorption och påverkar därigenom både syra–basstatus och ventilatorisk stimulering.

Karbaminobindning samt Bohr- och Haldane-effekterna

CO₂ kan reagera reversibelt med de N-terminala aminogrupperna på globinkedjorna och bilda karbamat. Detta sker på en annan plats än O₂-bindningen, som är lokaliserad till hemjärnet. Reaktionen frigör H⁺ och bidrar därför både till CO₂-transport och till den lokala acidifieringen.

Deoxyhemoglobin binder CO₂ och H⁺ bättre än oxyhemoglobin. När O₂ avges i vävnaden ökar således hemoglobinets förmåga att ta upp metabolt CO₂ och buffra protoner. När hemoglobin oxygeneras i lungan minskar denna förmåga, så att H⁺ och CO₂ frigörs och bikarbonat omvandlas tillbaka till gasformigt CO₂.

Bohr- och Haldane-effekterna beskriver olika, men kopplade, riktningar:

• Bohr-effekten: ökat CO₂ och H⁺ minskar hemoglobinets O₂-affinitet och främjar O₂-avgivning i vävnad.
• Haldane-effekten: oxygenering av hemoglobin minskar blodets förmåga att bära CO₂ och H⁺ och främjar CO₂-avgivning i lungan.

Haldane-effekten innebär också att venös desaturation ökar blodets CO₂-kapacitet. Kliniskt bidrar detta till att PaCO₂ kan stiga när svårt KOL-sjuka patienter ges syrgas. Oxygeneringen av hemoglobin frigör då CO₂ till den lösta fasen. Därtill kan syrgas minska hypoxisk pulmonell vasokonstriktion och försämra V/Q-matchningen. En eventuell minskning av hypoxisk andningsstimulering är inte den enda och ofta inte den viktigaste mekanismen. Syrgas ska därför titreras och blodgas följas, men inte undanhållas vid livshotande hypoxemi.

Koldioxidens dissociationskurva och ventilatorisk koppling

Koldioxidens dissociationskurva relaterar PCO₂ till blodets totala CO₂-innehåll. Inom fysiologiskt PCO₂-område är sambandet mer linjärt än O₂-dissociationskurvan. Det beror på att CO₂ transporteras både löst och i kemiskt omvandlade former utan motsvarande uttalade saturation av ett enda transportsystem.

Kurvan ligger högre för deoxygenerat än för oxygenerat blod. Vid samma PCO₂ kan deoxygenerat blod bära mer totalt CO₂, eftersom deoxyhemoglobin binder mer karbamat och buffrar mer H⁺. Skillnaden är ett uttryck för Haldane-effekten och bidrar till CO₂-upptag i vävnad och avgivning i lunga.

PaCO₂ bestäms av förhållandet mellan kroppens CO₂-produktion och alveolär ventilation:

[ PaCO_2 \propto \frac{\dot VCO_2}{\dot V_A} ]

Vid konstant metabolism leder fördubblad effektiv alveolär ventilation principiellt till halverat PaCO₂. Normal PaCO₂ är cirka 35–45 mmHg. Hypoventilation höjer PaCO₂ och orsakar respiratorisk acidos, medan hyperventilation sänker PaCO₂ och ger respiratorisk alkalos.

Ökat dead space innebär att en större del av minutventilationen inte deltar i gasutbyte. För att hålla PaCO₂ konstant måste total ventilation då öka. PaCO₂ kan också stiga vid ökad metabolism om ventilationen inte ökar proportionellt, exempelvis vid feber, kramper eller kraftigt muskelarbete. Rebreathing av utandad gas höjer inspirerat PCO₂ och minskar möjligheten att eliminera metabolt CO₂.

Mätning, tolkning och kliniska felkällor

Artärblodgas mäter PaO₂, PaCO₂ och pH direkt med elektroder. Bikarbonat är vanligen beräknat från pH och PaCO₂ med Henderson–Hasselbalchs relation, medan totalt CO₂ i laboratoriekemi mäts med annan metodik och domineras av bikarbonat. Artärprovet är nödvändigt för tillförlitlig bedömning av oxygenation och för beräkning av A–a-gradient.

Standardpulsoximetri använder vanligen två våglängder och kan inte säkert skilja oxyhemoglobin från alla dyshemoglobiner. Vid kolmonoxidförgiftning kan SpO₂ därför vara falskt betryggande, samtidigt som PaO₂ är normalt eftersom löst O₂ inte behöver vara påverkat. Co-oximetri krävs för att mäta karboxihemoglobin. Methemoglobinemi kan ge cyanos och pulsoximetrivärden som tenderar mot ett intermediärt område trots varierande verklig oxygenation.

Venöst pH och PCO₂ kan i många situationer användas för screening och trendbedömning, men venöst PO₂ återspeglar vävnadsextraktion och kan inte användas som ersättning för PaO₂. Vid chock kan den arteriovenösa skillnaden dessutom öka, vilket försämrar överensstämmelsen mellan arteriella och venösa värden.

Preanalytiska fel kan ge kliniskt betydande avvikelser. Luftbubblor driver provets gastryck mot omgivningsluftens: PaO₂ kan stiga eller sjunka beroende på utgångsvärdet, medan PCO₂ vanligen sjunker. Fördröjd analys tillåter fortsatt cellmetabolism med O₂-konsumtion, CO₂-produktion och pH-sänkning. Otillräcklig blandning kan ge fel Hb- eller hematokritrelaterad bedömning, medan kvarvarande flytande heparin kan späda provet.

Uttalad leukocytos eller trombocytos kan orsaka pseudohypoxemi genom snabb O₂-konsumtion i provröret. Snabb analys är då särskilt viktig. Diskrepans mellan låg PaO₂ och relativt god pulsoximetri bör väcka misstanke om provhanteringsproblem, men kan även kräva förnyad arteriell provtagning.

Kliniska data måste alltid integreras. Anemi ger lågt CaO₂ trots normal PaO₂ och SaO₂. CO-förgiftning och methemoglobinemi kräver co-oximetri. Shunt svarar sämre på tillförd syrgas än ren V/Q-störning, eftersom en del blod aldrig exponeras för ventilerade alveoler. Perifer hypoperfusion kan göra pulsoximetrisignalen opålitlig och samtidigt ge vävnadshypoxi trots acceptabel central oxygenation. Ingen enskild mätning beskriver hela kedjan från alveol till mitokondrie.

Källor

• Carbon dioxide
• Koldioxid
• Category:Carbon dioxide
• Carbon dioxide
• Bild: File:Alveolar wall.jpg — Cruithne9, CC BY-SA 4.0