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第一节 氧代谢的生理学
机体组织细胞生存有赖于持续的氧供（DO 2），氧耗（VO 2）则是代谢需求的反映，在心肺和血液系统功能相互配合下，达到合适的氧供需平衡，才能维持良好的组织氧合和生命功能，这一过程由呼吸、循环和血液系统共同完成，从大气到肺泡、血液和组织细胞的氧分压呈逐渐下降趋势，称氧阶梯。
一、氧和二氧化碳在肺、血液和组织中的压力变化
压力阶差是气体弥散的动力，肺泡内氧分压高于肺毛细血管，氧由肺泡进入肺毛细血管，毛细血管内的氧分压高于组织，氧可以弥散进入周围细胞。氧在细胞内代谢产生二氧化碳，通过压力阶差进入毛细血管，通过肺泡排出体外。
肺泡内的PaO 2是104mmHg，进入肺毛细血管的静脉血PaO 2是40mmHg，最初的氧分压差为64mmHg，血液PaO 2迅速升高接近104mmHg。98%进入左心房的血液是经过肺毛细血管氧合的血液，PaO 2在104mmHg仅2%的血液是由主动脉直接进入支气管循环供应肺组织自身代谢后回流的静脉血。这部分血液即生理分流，造成左心室血氧分压下降至95mmHg。当动脉血进入周围组织毛细血管，其氧分压95mmHg，组织液氧分压为40mmHg，氧迅速向组织液弥散，通过毛细血管后血PaO 2降至40mmHg。氧最终用于细胞代谢，细胞内PaO 2低于组织液和毛细血管血液，由于氧由毛细血管到达组织细胞的弥散距离不等，正常细胞内PaO 2从5mmHg到40mmHg不等，平均为23mmHg（图2-1）。由于满足细胞生化反应所需的PaO 2差仅为1～3mmHg，所以细胞内23mmHg的PaO 2有很大的安全保障。
细胞产生的二氧化碳顺二氧化碳压力梯度进入毛细血管之后再进入肺泡排出，与氧转运的方向相反。但是二氧化碳的弥散速度是氧的20倍。所以驱动二氧化碳弥散的二氧化碳压力阶差较氧压力阶差低。动脉血PCO 2为40mmHg，细胞内PCO 2大约 46mmHg，组织液 PCO 2约为 45mmHg，毛细血管静脉端PCO 2约45mmHg，进入肺泡毛细血管动脉端PCO 2为45mmHg，在血液通过肺泡毛细血管长度的1/3时，PCO 2已降至40mmHg，与肺泡PCO 2相等。
图2-1 氧从空气到细胞输送的阶梯图
二、氧在血液中的转运
97%的氧是以与血红蛋白（Hb）结合的形式存在，溶解的氧仅占3%。氧与血红蛋白可逆性结合，氧离曲线反映了不同PaO 2下O 2与Hb的结合及分离情况。如图2-2，氧离曲线的上段，相当于PaO 2 60～100mmHg，即PaO 2较高的水平，可以认为是Hb与O 2结合的部位。这段曲线较平坦，表明PaO 2的变化对Hb氧饱和度影响不大。只要PaO 2不低于60mmHg，Hb氧饱和度仍能保持在90%以上。氧离曲线的中段，相当于PaO 2 40～60mmHg，是HbO 2释放O 2的部分。该段曲线较陡。PaO 2 40mmHg，相当于混合静脉血的PaO 2，此时Hb氧饱和度约为75%，血氧含量约14.4ml%，即每100ml血液流过组织时释放了5ml O 2。血液流经组织时释放出的氧容积相当动脉血氧含量的百分数称为氧的利用系数，组织在毛细血管从动脉血中摄取氧的百分比称为氧摄取率（oxygen extraction ratio，O 2ER），可用公式：O 2ER=VO 2/DO 2。正常值为22%～32%。O 2ER=CaO 2-CvO 2/CaO 2×100。DO 2减少时，机体通过增加O 2ER而维持VO 2恒定，O 2ER最高可超过70%。氧离曲线的下段，是最陡的一段。在组织活动加强时，PaO 2可降至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15ml O 2，O 2的利用系数提高到75%，是安静时的3倍，此段代表O 2的储备。
Hb与O 2的结合和解离受多种因素影响，使氧离曲线的位置偏移，即使Hb对O 2的亲和力发生变化。通常用P50表示对O 2的亲和力。P50增大，表明Hb对O 2的亲和力下降，曲线右移；反之，P50降低，曲线左移。在CPB中有许多因素可以影响氧离曲线的倾斜度及曲线的位移，包括pH、PCO 2、温度、2，3-DPG等，这些值的变化影响氧的输送。
图2-2 氧饱和度在不同PaO 2下的变化情况
三、氧在细胞中的代谢
细胞内呼吸酶系统在PaO 2高于1mmHg时即可触发，氧供不是这种生化反应的限速环节，最重要的限速因素是细胞内ADP浓度。不同细胞内ADP浓度下细胞内PaO 2和氧利用率不同。当细胞内PaO 2高于1mmHg时，细胞氧利用率是固定的。当ADP浓度变化时，氧利用率与其成正比相应变化。
组织细胞与毛细血管的距离很少超过50μm，氧可以快速由毛细血管弥散入细胞供应细胞代谢所需。偶尔细胞与毛细血管距离较远，氧弥散至此的量极少，细胞内PaO 2低于1mmHg，在这种条件下，细胞氧利用受弥散限制，而非ADP浓度。但除非为病理状态，否则这种情况几乎不会发生。
组织中每分钟的氧供量取决于单位体积血液的氧含量和每分钟组织的灌注流量，如果灌注流量为零，则氧供量为零。当组织灌注流量下降时，组织细胞内的PaO 2有可能下降到1mmHg以下，在这种情况下，组织氧利用受灌注流量的限制，无论细胞氧利用是受弥散限制还是灌注流量限制，都不会持续太长时间，因为很快细胞氧供就会低于维持生存的水平。
氧的转运正常状况下PaO 2为95mmHg，100ml水中溶解的氧含量是0.29ml。当PaO 2在组织毛细血管中降至40mmHg时，还有0.12ml溶解状态的氧，也就是说，有0.17ml溶解状态的氧进入组织，与100ml血液血红蛋白释放5ml的氧比较，所占比例很少。当患者吸入高浓度氧时，溶解状态的氧转运量大大增加，甚至发生氧中毒，可能发生癫痫甚至死亡。