АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ СИСТЕМЫ КРОВИ ЖИВОТНЫХ

Основные функции крови

Для всех организмов, кроме самых мелких и сравнительно просто организованных с низким уровнем метаболизма, для перемещения газов внутри организма одной диффузии недостаточно. Им нужна какая-то механическая транспортная система, обеспечивающая перенос газов и питательных веществ специальной циркулирующей по этой системе жидкостью. Почти все крупные животные, кроме тех, у которых потребность в кислороде очень мала, имеют распределительную систему, основанную на механическом круговороте внутри организма некоторой жидкости — крови. Насекомые не используют кровь для транспорта газов; у них для этой цели служат наполненные газом трубочки (трахеи и их разветвления). И все же насекомые имеют кровь, которая перегоняется по телу и обеспечивает доставку к тканям питательных веществ, поскольку их необходимо транспортировать с большей скоростью, чем это может обеспечить одна лишь диффузия.

Главной функцией крови является транспортная, предопределяющая ряд других:

ü транспорт питательных веществ от пищеварительного тракта к тканям, а также к органам-депо (жировой ткани, печени) и от них

ü транспорт метаболитов (например, молочной кислоты от мышц к печени), который делает возможной метаболическую специализацию тканей

ü транспорт веществ, подлежащих экскреции, из тканей к выделительным органам, из органов, где они образуются (например, мочевина — в печени), к почкам

ü транспорт газов (кислорода и двуокиси углерода) между дыхательными органами и тканями; запасание кислорода

ü транспорт гормонов от эндокринных структур к клеткм-мишеням

ü транспорт клеток, не выполняющих дыхательной функции (например, лейкоцитов у позвоночных); кровь насекомых не имеет отношения к дыханию, но она переносит кровяные клетки многих типов

ü п еренос тепла из глубоколежащих органов к поверхности для его рассеяния (что существенно для крупных животных с высокой интенсивностью обмена веществ и относительно крупным туловищем, затрудняющим непосредственную передачу тепла от глубоких структур тела к поверхностным)

ü передача силы (например, для локомоции у дождевых червей; для разрыва кутикулы при линьке у ракообразных; для движения таких органов, как пенис, сифон двустворчатых моллюсков и т. п.; для разгибания ног у пауков; для ультрафильтрации в капиллярах почек)

ü свертывание (способность к свертыванию, присущая многим жидкостям, играющим роль крови или гемолимфы, служит для предотвращения потери крови)

ü поддержание гомеостаза внутренней среды организма (т.е. поддержание «внутренней среды», подходящей для клеток в отношении рН, ионного состава, питательных веществ и т.д.).

Большую часть этих функций могла бы выполнять почти любая водная среда. Например, никакие особые свойства не нужны для переноса метаболитов или продуктов, подлежащих экскреции. Исключение составляют газообмен и свертывание, которые связаны с чрезвычайно сложными химическими особенностями крови.

Механизм транспорта кислорода кровью у животных различных систематических групп

Роль дыхательных пигментов в транспорте кислорода кровью

Возможны два основных способа транспорта кислорода кровью:

ü в физически растворенном состоянии (непосредственно в транспортной жидкости, циркулирующей по сосудистой системе)

ü в химически связанном со специальными дыхательными пигментами виде.

При этом в состоянии физического растворения может переноситься очень малое количество кислорода (например, в крови млекопитающих концентрация кислорода в растворенном состоянии составляет около 0,2 мл на 100 мл крови) и поэтому такой способ доставки кислорода к тканям характерен лишь для очень мелких низкоорганизованных животных с низким уровнем метаболизма и соответственно низкой потребностью тканей в кислороде. У большинства же животных (в том числе, многих беспозвоночных, таких как ракообразные, паукообразные, моллюски и т.д.) для более эффективной доставки к тканям кислорода служат специальные дыхательные пигменты, находящиеся в свободном состоянии в плазме крови или в специальных клетках крови и способные обратимо химически связывать большие количества кислорода. Так, гемоглобин эритроцитов крови млекопитащих при максимальном насыщении обратимо связывает около 20 мл О₂ на 100 мл крови, что в 100 раз больше количества физически растворенного в плазме крови кислорода. Таким образом, растворенный кислород имеет ничтожное значение по сравнению с кислородом, присоединенным к гемоглобину.

Вещества, которые служат переносчиками кислорода в крови, — это белки, содержащие металл (обычно железо или медь). Они, как правило, окрашены, и поэтому их часто называют дыхательными пигментами. Самые распространенные из них следующие:

ü гемоцианин – медьсодержащий белок, находящийся в свободно состоянии в плазме транспортирующей жидкости (мол. масса – 300 000- 9 000 000), типичен для моллюсков (хитоны, головоногие, переднежаберные и легочные брюхоногие, но не пластинчатожаберные), членистоногих (крабы, омары), паукообразных (Limulus, Euscorpius)

ü гемоэритрин – железосодержащий белок непорфириновой структуры, всегда находится внутри клеток (мол. масса – 108 000), типичен для сипункулид (все исследованные виды), полихет (Magelona), п риапулид (Halicryptus, Priapulus), п леченогих (Lingula)

ü хлорокруорин – железосодержащий белок (мол. масса – 2 750 000), находящийся в растворе (плазме транспортирующей жидкости), типичен для четырех семейств полихет (Sabellidae, Serpulidae, Chlorhaemidae, Amphateridae). Одна лишь простетическая группа этого белка имеется у морских звезд (Luidia, Astro pecten).

ü гемоглобин – железосодержащий белок порфиринового типа, находится в растворе или внутри клеток; наиболее широко распространенный пигмент (мол. масса – 17 000 – 3 000 000), типичен для позвоночных (почти всех, за исключением лептоцефалид (личинки угрей) и некоторых антарктических рыб (Chaenichthys)), и глокожих (голотурии), моллюсков (Planorbis, Tivela), ч ленистоногих (насекомые (Chironomus, Gastrophilus)), ракообразных (Daphnia, Artemia), к ольчатых червей (Lumbricus, Tubifex, Arenicola, Spirorbis (у некоторых видов имеется гемоглобин, у некоторых — хлорокруорин, другие не имеют в крови пигментов), Serpula (и гемоглобин, и хлорокруорин)), нематод (Ascaris), п лоских червей (паразитические сосальщики), простейших (Paramecium, Tetrahymena), р астений (дрожжи, Neurospora, корневые клубеньки бобовых растений (клевера, люцерны)).

Дыхательные пигменты могут находится в растворенном состоянии в плазме транспортирующей жидкости, или – заключены в специальные клетки (например, у позвоночных, тогда плазма крови не содержит растворенного пигмента). В тех случаях, когда пигменты заключены в клетки, их молекулярные массы относительно невелики —от 20000 до 120000; если же пигменты растворены в плазме, их молекулярные веса намного больше — от 400000 до нескольких миллионов. Единственное исключение составляет гемоглобин комара Chironomus.

Крупные молекулы дыхательных пигментов, растворенных в плазме, — это на самом деле агрегаты молекул меньших размеров. Такие агрегаты увеличивают общее количество пигмента, не увеличивая числа белковых частиц, находящихся в растворе в плазме крови. При очень большом числе растворенных частиц возросло бы коллоидно-осмотическое давление плазмы, что в свою очередь повлияло бы на многие другие физиологические процессы, такие, как прохождение жидкости через стенки капилляров и ультрафильтрация (первичный процесс при образовании мочи в почках).

Упаковка дыхательных пигментов (в частности, гемоглобина) в специальные клетки (эритроциты), а не свободное нахождение его в растворенном состоянии в плазме крови дает несколько преимуществ. Первое возможное преимущество – уменьшение вязкости и коллоидно-осмотического давления плазмы. Так, плазма млекопитающих содержит около 7% белков, а красные кровяные тельца, или эритроциты, содержат около 35% гемоглобина. Если бы весь гемоглобин эритроцитов был растворен в крови, а не находился внутри клеток, общая концентрация белков была бы около 20%, т. е. в 3 раза выше типичной концентрации белков в плазме млекопитающих. Приводились аргументы в пользу того, что раствор с 20% белков будет очень вязким, сиропообразным — намного более вязким, чем кровь. Однако если сначала измерить вязкость какой-то пробы крови, а затем разрушить эритроциты с помощью ультразвука, чтобы освободить гемоглобин, то получившийся раствор гемоглобина будет иметь вдвое меньшую вязкость, чем кровь, в которой гемоглобин был заключен внутри клеток (рис.). Тем не менее это не полный ответ, поскольку вязкие свойства крови очень сложны и могут зависеть не только от концентрации белков в ней.

Второе важное преимущество, которое дает внутриклеточная локализация гемоглобина – это нахождение этого дыхательного пигмента в особой химической среде, создаваемой цитоплазмой эритроцита. Такая среда может по некоторым признакам существенно отличаться от плазмы крови и обеспечивать более эффективное связывание гемоглобином кислорода. На реакцию кислорода с гемоглобином, наряду с неорганическими ионами, сильно влияют и некоторые органические соединения, особенно органические фосфаты, и гемоглобин, локализованный внутри клеток, может быть обеспечен специфической, хорошо подобранной средой, отличной от плазмы.

Рис. Влияние содержания гемоглобина на вязкость крови. (Schmidt-Nielsen, Taylor, 1968). На графике представлены отношения вязкости крови к вязкости чистой воды (принятой за 1). I — вязкость крови козы с интактными эритроцитами. II — относительная вязкость гемолизированной крови. III — вязкость плазмы тех же проб крови. Сравнение точек А, В и С показывает, что у раствора гемоглобина вязкость примерно вдвое меньше, чем у интактной крови с тем же общим содержанием гемоглобина.

Характеристика эритроцитов крови животных различных систематических групп

Ультрамикроскопическое строение, размеры, и форма эритроцитов у животных не только различных систематических групп, но иногда и у близкородственных – весьма варьируют. Так, эритроциты млекопитающих — круглые, слегка вогнутые с обеих сторон диски. Но в то же время у всех представителей семейства верблюжьих эти клетки имеют овальную (а не дисковидную) форму. Диаметр эритроцитов специфичен для каждого вида; у млекопитающих он варьирует в пределах от 5 до 10 мкм. Определенной связи между величиной эритроцитов и размерами тела животного не существует: из млекопитающих самые мелкие эритроциты обнаружены у одного некрупного азиатского оленя, а у мыши и слона они примерно одинаковых размеров.

Эритроциты млекопитающих лишены ядер, хотя эти клетки живут около 100 дней и выполняют сложные метаболические функции. Эритроциты всех других позвоночных — птиц, рептилий, амфибий и рыб — содержат ядро и почти все имеют овальную форму. Часто они бывают очень крупными: например, у саламандр объем эритроцита в 100-200 раз больше, чем у млекопитающих.

Имеет ли какое-нибудь значение наличие или отсутствие ядер в эритроцитах, не установлено. Не ясно также, играет ли какую-то функциональную роль величина эритроцитов. Единственные позвоночные, у которых нет гемоглобина и эритроцитов,— это личинки угрей (лептоцефалиды) и некоторые антарктические рыбы семейства Chaenichthyidae.

Кривые диссоциации оксигемоглобина у животных различных систематических групп и их зависимость от некоторых физико-химических факторов

Наиболее важное свойство гемоглобина – это его способность обратимо связывать кислород:

Hb + O₂ HbO₂

При больших концентрациях кислорода гемоглобин (НЬ) соединяется с кислородом, образуя оксигемоглобин (НbO₂), и реакция идет в правую сторону. При низких концентрациях кислород отделяется, и реакция идет в левую сторону. Если концентрация О₂ снижается до нуля, гемоглобин отдает весь связанный им кислород. Каждый атом железа в молекуле гемоглобина связывает одну молекулу кислорода, и когда при высокой концентрации (или высоком давлении) все имеющиеся места связывания заняты, гемоглобин становится полностью насыщенным и не может больше принимать кислород. При каждой данной концентрации кислорода существует определенное количественное соотношение (равновесие) между гемоглобином и оксигемоглобином. Если построить график зависимости количества оксигемоглобина от концентрации кислорода, получиться кривая кислородной диссоциации, которая описывает, каким образом эта реакция зависит от концентрации или парциального давления О₂.

На рис. приведена кривая диссоциации оксигемоглобина голубя. Она показывает, что кровь голубя полностью насыщается кислородом (100% НbО₂) при парциальных давлениях О₂ в альвеолярном воздухе 80-100 мм рт. ст. (10-13 кПа) и выше. При дальнейшем повышении давления кислорода гемоглобин больше не будет его связывать (т.е. достигается полное насыщение гемоглобина кислородом). При меньшем давлении О₂ гемоглобин будет его отдавать, и при РО₂ —30 мм рт. ст. (4 кПа) половина пигмента будет находиться в форме оксигемоглобина, а другая половина — в форме гемоглобина. Такое характеристическое давление кислорода называют давлением полунасыщения (Р₅₀). Если давление О₂ снижать дальше, все больше кислорода будет отделяться, пока при нулевом давлении О₂ весь гемоглобин не будет полностью деоксигенирован.

Рис. Кривые кислородной диссоциации для крови голубя. (Lutz at al., 1973.)

I — кривая, полученная при нормальных для организма птицы условиях: температура 41°С, РСО₂ 35 мм рт. ст., рН 7,5; II — кривая, полученная после сдвига рН с 7,5 до 7,2 без изменения РCO₂

У других животных кривые кислородной диссоциации гемоглобина по форме сходны с кривой голубя, но не идентичны ей. Кровь некоторых животных имеет более высокое сродство к кислороду (т.е. не так легко его отдает), и кривые диссоциации у них сдвинуты влево. Кровь других животных отдает кислород легче (ее сродство к кислороду меньше), и кривые диссоциации сдвинуты вправо.

Наряду с различным сродством гемоглобина к кислороду, на связывание кислорода и тем самым на кривую диссоциации оксигемоглобина влияют и другие параметры (рН, ионная среда, органические фосфаты, температура). Эти различия имеют большое функциональное значение.

Влияние температуры на связывание гемоглобином кислорода. Повышение температуры ослабляет связь между гемоглобином и кислородом, и эта связь легче разрывается. Поэтому при высоких температурах гемоглобин легче отдает кислород, и кривая диссоциации сдвигается вправо. С точки зрения физиологии это существенно, так как повышение температуры обычно вызвано увеличением интенсивности обмена веществ в ткани (а значит, и ее потребности в кислороде). Поэтому более легкая отдача О₂ гемоглобином при повышенной температуре выгодна для организма. Это может иметь некоторое значение даже для теплокровных животных — например, в случаях лихорадки или при физической нагрузке, когда потребление кислорода возрастает.

Влияние СО₂ и рН на связывание гемоглобином кислорода. Существенное влияние на кривую диссоциации оказывает рН плазмы крови. Увеличение количества СО₂ или других кислых продуктов метаболизма снижает рН плазмы, и это ведет к сдвигу кривой диссоциации вправо (рис.). Такой сдвиг означает, что повышенная концентрация СО₂ приводит к повышенной отдаче кислорода при любом заданном его парциальном напряжении (давлении). Это явление известно как эффект Бора. В капиллярах тканей, где двуокись углерода поступает в кровь, гемоглобин отдает больше кислорода, чем это было бы при отсутствии влияния СО₂ на его связывание. Следовательно, чем выше уровень метаболизма в тканях и соотвественно чем больше СО₂ и других кислых продуктов там образуется, тем больше кислорода отдает кровь (из-за понижения сродства гемоглобина к кислороду). Таким образом, можно сказать, что эффект Бора облегчает доставку тканям дополнительного количества кислорода.

Эффект Бора не одинаково выражен у разных млекопитающих. За меру эффекта Бора можно принять сдвиг Р₅₀ при изменении рН на единицу. Выраженность эффекта Бора зависит от размеров тела: в частности, сдвиг Р₅₀ у мыши больше, чем у слона (рис.). Иными словами, гемоглобин мыши более чувствителен к закислению среды, чем гемоглобин слона. Отмеченная более высокая чувствительность гемоглобина к закислению у мелких животных важна для лучшей доставки кислорода к тканям мелких животных, у которых удельная интенсивность обмена выше, чем у более крупных животных и в связи с этим удельная потребность тканей в кислороде также выше (Schmidt-Nielsen, 1972).

Рис. Связь между величиной эффекта Бора для гемоглобина и размерами тела. (Riggs, 1960). Гемоглобин мелких животных обнаруживает больший сдвиг Бора (т.е. более чувствителен к кислым продуктам метаболизма), чем гемоглобин крупных животных, и, следовательно, при данном РО2 отдает больше кислорода

Влияние кислых продуктов метаболизма на кривую диссоциации гемоглобина у некоторых рыб выражено намного сильнее, чем у млекопитающих. Этот более сильный эффект называют эффектом Рута (рис.). Его самое важное следствие касается функции крови при секреции кислорода в плавательный пузырь. Для эффекта Рута характерно то, что при низком рН кровь не насыщается кислородом полностью ни при каком давлении О₂. Это объясняется тем, что кровь у рыб содержит гемоглобин двух разных типов: высокочувствительный к кислоте и нечувствительный к кислоте. В присутствии высокой концентрации СО₂ первый совсем не связывает кислород, тогда как второй дает обычную кривую диссоциации, характерную для этого вида гемоглобина. Зачем рыбам два различных гемоглобина? Легко понять значение молекул Нb, чувствительных к кислоте, но для чего нужна другая разновидность, которая к кислоте нечувствительна? Какая в этом необходимость? Дело, очевидно, в том, что у рыбы, когда она в критической ситуации развивает при плавании максимальные усилия, образуются большие количества молочной кислоты. Если бы в присутствии этой кислоты весь гемоглобин терял способность связывать кислород, рыба погибла бы от асфиксии. Однако наличие другого, нечувствительного к кислоте гемоглобина предотвращает эту беду.

Рис. Кривые кислородной диссоциации для крови рыбы Opsanus при 15°С (Root et al., 1939). I — кривая для цельной крови в отсутствие СО₂; II— кривая для цельной крови при давлении СО₂ 25 мм рт. ст. (3,3 кПа).

Влияние органических фосфатов на связывание гемоглобином кислорода. Перенос газов эритроцитами тесно связан с метаболизмом самих эритроцитов. Эритроциты млекопитающих не имеют ядра, и в течение многих лет их рассматривали как нечто мало отличающееся от инертного мешка, набитого гемоглобином. Однако в эритроците имеет место активный углеводный обмен, который не только существен для жизнеспособности клетки, но и оказывает глубокое влияние на ее функцию при транспорте кислорода. Эритроцитам свойственно также высокое содержание аденозинтрифосфата (АТФ) и еще более высокий уровень 2,3-дифосфоглицерата (ДФГ). Присутствие этих органических фосфатов существенно влияет на сродство гемоглобина к кислороду и помогает объяснить, почему раствор чистого гемоглобина проявляет гораздо большее сродство к кислороду, чем цельная кровь (т.е., когда гемоглобин находится в специальной среде, создаваемой цитоплазмой эритроцитов).

В частности, кривая диссоциации для Нb в растворе сдвинута далеко влево по отношению к кривой диссоциации оксигемоглобина цельной крови (раствор гемоглобина характеризуется гораздо более высоким сродством к кислороду, чем гемоглобин эритроцитов). Если к раствору гемоглобина добавить органические фосфаты, в особенности ДФГ, его сродство к кислороду сильно снижается и становится близким к уровню интактных клеток. Это снижение можно объяснить тем, что к гемоглобину присоединяется ДФГ, который изменяет его сродство к О₂.

Открытие влияния ДФГ на способность гемоглобина присоединять кислород объясняет многие наблюдения, которые раньше казались совсем непонятными. Оно также объясняет, почему при исследовании цельной крови можно наблюдать ряд особенностей кривой диссоциации, которые не выявляются при изучении гемоглобина в растворе. Так, например, у высокогорных жителей уровень ДФГ в эритроцитах выше, чем у людей, живущих на уровне моря. Вследствие этого на больших высотах кривая диссоциации О₂ сдвинута вправо (сродство гемоглобина к кислороду понижено, что обуславливает лучшую отдачу кислорода тканям). Этот сдвиг был хорошо известен, но механизм его оставался неясным до тех пор, пока не было установлено, что уровень ДФГ возрастает в ответ на гипоксию.

Влияние ДФГ и других фосфатов на сродство гемоглобина к кислороду позволило объяснить давно известный факт, что при хранении консервированной крови сродство ее к кислороду со временем увеличивается. Оно также помогает понять, почему очищенные, освобожденные от ДФГ гемоглобины плода и взрослого человека обнаруживают одинаковое сродство к кислороду, хотя, у крови плода сродство к кислороду выше. Кроме того, теперь можно объяснить сдвиг вправо кривых диссоциации в период беременности, хотя беременная самка (в отличие от плода) все время имеет один и тот же гемоглобин (НbА, проявляющий более низкое сродство к кислороду, чем фетальный гемоглобин плода). Дело в том, что в период беременности в эритроцитах матери возрастает содержание ДФГ, что обуславливает понижение сродства гемоглобина к кислороду и соотвественно лучшую его отдачу крови плода, в эритроцитах которого присутствует фетальный гемоглобин, проявляющий более высокое сродство к кислороду чем антильный гемоглобин матери.

Особенности кривой диссоциации оксигемоглобина у плодов животных разных систематических групп

У многих млекопитающих, включая человека, кривые диссоциации для крови плода сдвинуты влево относительно кривых для материнской крови (рис.). Это указывает в пользу более высокого сродства гемоглобина к кислороду в крови плода по сравнению с таковым в крови матери. Более высокое сродство гемоглобина плода к кислороду выработалось в процессе эволюции в связи со способом, при помощи которого плод получает кислород из крови матери: кровь плода насыщается кислородом не из альвеолярного воздуха, а из крови матери, в которой парциальное напряжение кислорода ниже, чем в альвеолярном воздухе. Более высокое, по сравнению с материнской кровью, сродство к кислороду крови плода позволяет ей лучше насыщаться О₂. При одном и том же напряжении кислорода кровь плода будет содержать больше этого газа (иметь более высокий процент насыщения), чем материнская кровь. Это облегчает извлечение кислорода кровью плода в плаценте.

Рис. Кривые кислородной диссоциации для крови беременной козы и плода (Ваrсroft, 1935). Более высокое сродство к кислороду у крови плода способствует лучшему насыщению ее О₂ в плаценте. Пунктиром показаны пределы, в которых лежат кривые для небеременных взрослых коз.

Различие кривых диссоциации оксигемоглобина для крови плода и матери обусловлено двумя обстоятельствами:

1) гемоглобин плода (фетальный гемоглобин) несколько отличается от материнского гемоглобина (антильного гемоглобина) более высоким сродством к кислороду

2) эритроциты плода содержат меньше органических фосфатов (в том числе ДФГ), чем эритроциты матери, что также повышает сродство гемоглобина плода к кислороду.

Несмотря на более высокое сродство гемоглобина плода к кислороду, обуславливающее меньшую отдачу кислорода тканям, у плода не возникает гипоксии, поскольку потребность тканей в кислороде несколько ниже, чем в постэмбриональный период, в связи с более низким уровнем обменных процессов в них.

После рождения фетальный гемоглобин постепенно исчезает и замещается гемоглобином взрослого типа.

Смещение кривых диссоциации влево, означающее, более высокое сродство гемоглобина к кислороду, позволяющее крови активнее поглощать кислород, обнаружено также у куриных эмбрионов и у головастиков лягушки. Гемоглобин головастиков проявляет более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин взрослых лягушек, и, что особенно интересно, он нечувствителен к закислению крови и тканей, тогда как гемоглобин взрослых особей обнаруживает выраженный эффект Бора и очень чувствителен к кислым продуктам метаболизма (рис.). Если учесть особенности мест обитания головастиков, становятся понятными преимущества такой особенности гемоглобина головастиков. Ведь они нередко живут в застойных водоемах с низким содержанием кислорода, а иногда и с высоким содержанием СО₂ в воде. Таким образом, высокое сродство к кислороду здесь очень выгодно, поскольку низкая концентрация О₂ и высокая концентрация СО₂ очень часто сопутствуют друг другу, сильно выраженный эффект Бора был бы нежелателен, так как он уменьшал бы сродство крови к кислороду как раз тогда, когда высокое сродство к кислороду крайне необходимо.

Рис. Кривая кислородной диссоциации для крови головастика лежит левее, чем у взрослой лягушки (т.е. кровь головастика имеет большее сродство к О₂). Кроме того, кровь головастика почти нечувствительна к кислым продуктам, тогда как у крови взрослой лягушки сдвиг Бора хорошо выражен. (Riggs, 1951).

Особенности кривой диссоциации оксигемоглобина у животных, живущих на больших высотах

Низкое атмосферное давление на большой высоте означает, что и парциальное давление кислорода в атмосферном и соответственно альвеолярном воздухе здесь меньше, чем на уровне моря. Соотвественно у животных, постоянно живущих на больших высотах должны развиться определенные адаптационные реакции, позволяющие им противодействовать развитию гипоксии в тканях при постоянном вдыхании разреженного атмосферного воздуха. Эти адаптации затрагивают и физиологическую систему крови.

Так, у животных, которые постоянно живут в условиях относительного дефицита О₂, в кривых диссоциации оксигемоглобина проявляются соответствующие адаптации. Например, у ламы кривая диссоциации оксигемоглобина располагается влево от обычной для млекопитающих области (рис.), что свидетельствует в пользу более высокого сродства ее гемоглобина к кислороду.

Рис. Кривые кислородной диссоциации для крови ламы и викуньи располагаются слева от кривых для других млекопитающих (заштрихованная область). Большее сродство к кислороду у крови этих животных способствует поглощению О2 при низких давлениях, характерных для больших высот. (Hall et al., 1936).

Лама живет в высокогорной зоне южноамериканских Анд, часто выше 5000 м, и большое сродство ее гемоглобина к кислороду позволяет ее крови поглощать этот газ при низких парциальных давлениях кислорода. Такая адаптация к высоте у ламы и других высокогорных животных — врожденное свойство. В пользу этого свидетельствует тот факт, что у лам, перевезенных в зоопарк, находящийся на уровне моря, кривые кислородной диссоциации указывают на такое же высокое сродство гемоглобина к О₂, как и в условиях гор (т.е. сродство гемоглобина к кислороду не снижается после перехода ламы к жизни на уровне моря).

В случае, когда человек, адаптированный к жизни на уровне моря, поднимается на большую высоту, он постепенно все больше приспосабливается к низкому давлению кислорода: он акклиматизируется к высоте, и его работоспособность, как физическая, так и умственная, улучшается. Однако эта адаптация не связана с существенным повышением сродства крови к кислороду (хотя в литературе имеются сведения относительно возможно увеличения содержания в эритроцитах человека в условиях гор фетального гемоглобина, несколько повышающего сродство крови к кислороду). Вместе с тем, кривые диссоциации оксигемоглобина человека на уровне тканей по мере привыкания к высоте даже слегка сдвигаются вправо (т.е. сродство гемоглобина к кислорода несколько понижается, что облегчает отдачу кислорода тканям). Это результат других, более сложных, чем у высокогорных животных, физиологических адаптаций, отчасти обусловленных накоплением в тканях недоокисленных продуктов метаболизма, а отчасти – повышением содержания в эритроцитах ДФГ, понижающих сродство гемоглобина к кислороду на уровне тканей и позволяющих эффективнее отдавать кислород тканям.

Смещение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо (из-за увеличения уровня ДФГ), происходящее у человека на большой высоте, — это сдвиг, прямо противоположный изменению в крови ламы и других естественных обитателей больших высот. Возможно, это трудно согласовать, но следует учитывать, что в организме сродство гемоглобина к кислороду имеет большое значение в двух местах:

1) в легких, где гемоглобин поглощает кислород (здесь высокое сродство к кислороду (сдвиг влево кривой диссоциации оксигемоглобина) усиливает поглощение О₂),

2) в периферических тканях, где гемоглобин отдает кислород. У человека и других завезенных с равнины жителей гор сродство гемоглобина к кислороду понижено из-за накопления в тканях большего, чем в норме количества недоокисленных продуктов метаболизма, и повышения содержания в эритроцитах ДФГ, понижающих сродство гемоглобина к кислороду (т.е. на уровне периферических тканей кривая диссоциации оксигемоглобина сдвинута вправо, что позволяет эффективнее отдавать кислород тканям).

По-видимому, сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина влево у ламы, обусловленный повышением сродства гемоглобина к кислороду, — это адаптация, предназначенная главным образом для лучшего насыщения кислорода кровью на уровне легких при низких давлениях кислорода на большой высоте.

Сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо у человека, свидетельствующий в пользу понижения сродства гемоглобина к кислороду, в аналогичных условиях служит для лучшей отдачи кислорода периферическим тканям.

Таким образом, любую кривую диссоциации можно рассматривать как результат компромисса между желательным высоким сродством гемоглобина к кислороду в легких и столь же желательным низким его сродством к кислороду в тканях, позволяющим лучше отдавать им кислород.

В эритроцитах разных млекопитающих содержание ДФГ различно, и гемоглобин не одинаково чувствителен к уровню ДФГ. Так, у человека, лошади, собаки, кролика, морской свинки и крысы уровень ДФГ в эритроцитах высок, а гемоглобин, будучи очищен от ДФГ, имеет большое сродство к кислороду. Напротив, у овцы, козы, коровы и кошки концентрация ДФГ низка, а гемоглобин лишь слабо взаимодействует с ДФГ (Вunn, 1971). Эти различия пока трудно объяснить. Они не связаны явным образом ни с филогенетическими отношениями, ни с какими-либо характерными различиями в биологии тех и других видов.

Особенности кривой диссоциации оксигемоглобина у ныряющих животных

Ныряющие млекопитающие (например, киты, тюлени, дельфины), дышащие обычным атмосферным воздухом с помощью легких, несмотря на то, что они часть времени должны проводить под водой в условиях временно возникающего дефицита кислорода, характеризуются такими же кривыми диссоциации оксигемоглобина, как и обычные живущие на равнине не ныряющие млекопитающие. Вместе с тем, при первичном рассмотрении может показаться, что таким млекопитающим, периодически испытывающим относительную нехватку кислорода, было бы выгодно иметь кровь с высоким сродством к О₂.

Однако это не так: сродство гемоглобина крови ныряющих млекопитающих к кислороду не повышено (оно такое же, как у других наземных млекопитающих). Имея кровь с более высоким, чем обычно, сродством к кислороду, ныряющие млекопитающие не получили бы от этого особых преимуществ. Связано это с тем, что тюлени дышат обычным атмосферным воздухом, и насыщение крови кислородом в легких происходит у них примерно в таких же условиях, как и у других млекопитающих, и для этого процесса не требуется какого-то особенно высокого сродства к кислороду. Во время ныряния повышенное сродство к кислороду не способствовало бы переходу О₂ из крови в ткани (прежде всего в центральной нервной системе и в сердечной мышце), а, напротив, даже затрудняло бы отдачу кислорода жизненно важным органам. В связи с этим кривые диссоциации оксигемоглобина у ныряющих животных обычно мало отличаются от соответствующих кривых для близких к ним неныряющих видов.

Зависимость кривых диссоциации оксигемоглобина и соотвественно сродства гемоглобина к кислороду от размеров тела животных

Кривые диссоциации оксигемоглобина и соответственно сродство гемоглобина к кислороду, определяющее эффективность его отдачи тканям, во многом зависят от линейных размеров животных, обуславливающих интенсивность метаболизма, а значит, и потребность периферических тканей в кислороде.

Так, у крупных животных кривые диссоциации оксигемоглобина сдвинуты влево, что свидетельствует о более высоком сродстве их гемоглобина к кислороду, а у мелких — вправо, что, напротив, отражает более низкое сродство их гемоглобина к кислороду, позволяющее более эффективно отдавать кислород периферическим тканям (рис.).

Рис. Кривые кислородной диссоциации оксигемоглобина крови млекопитающих разных размеров (Schmidt-Nielsen, 1972). У мелких млекопитающих сродство гемоглобина к кислороду ниже. Это помогает лучшей отдаче О₂ тканям и поддержанию высокой интенсивности метаболизма, характерной для мелких животных.

Как уже было отмечено ранее, реакции связывания и отдачи кислорода гемоглобином играют важную роль в двух местах:

ü в легких, где кислород поглощается,

ü и в тканях, где кровь отдает кислород.

Как видно из рис., при нормальном для млекопитающих давлении О₂ в легких, которое близко к 100 мм рт. ст. (13 кПа, что достигается при вдыхании атмосферного воздуха на равнине), кровь всех представителей этого класса насыщена кислородом на 100%. Таким образом, в легких млекопитающих, живущих на равнине, кровь полностью насыщается кислородом, и в этом отношении большой разницы между видами нет.

Вместе с тем эффективность отдачи кислорда тканям у представителей разных видов млекопитающих имеет свои особенности. В частности, у мелких млекопитающих, характеризующихся более высоким метаболизмом по сравнению с крупными, кровь легче отдает кислород, так как она имеет меньшее сродство к нему.

Обычно кровь отдает в тканях не весь свой кислород: приблизительно в среднем по организму отдается около половины кислорода (при этом экстракция кислорода из крови жизненно важными органами может достигать 90% и более). Отдача кровью примерно половины содержащегося в ней кислорода соответствует состоянию полунасыщения гемоглобина (50% оксигемоглобина и 50% гемоглобина) — точке, с помощью которой удобно характеризовать положение кривой диссоциации оксигемоглобина. Соответствующее давление О₂, которое можно рассматривать как среднее давление при отдаче кислорода тканям, для крови слона равно примерно 22,5 мм рт. ст. (3,0 кПа), для крови человека – 28 мм рт. ст. (3,7 кПа), а для крови такого мелкого животного, как мышь, – около 45 мм рт. ст. (6 кПа).

Такие различия в давлении при отдаче кислорода кровью можно объяснить различными метаболическими потребностями в кислороде. У мелких животных потребление О₂ на 1 г веса тела больше, чем у крупных. Например, у лошади весом 700 кг потребление кислорода на 1 г ткани составляет 1,7 мкл·г^-1·мин^-1, а у 20-граммовой мыши — 28 мкл·г^-1·мин^-1, т.е. среднее потребление кислорода одним граммом ткани у мыши примерно в 16 раз больше, чем у лошади. Отсюда следует, что у мыши ткани должны снабжаться кислородом в 16 раз интенсивнее, чем у лошади, что может быть достигнуто только при 16-кратном различии в диффузионных градиентах от капилляров к клеткам. Это схематически показано на рис. Каждый капилляр снабжает кислородом окружающую ткань, и расстояние, на которое кислород должен диффундировать, определяется расстоянием между соседними капиллярами: середина этого расстояния — самая далекая точка, до которой кислород должен дойти. У лошади и у мыши величина эритроцитов примерно одинакова, а потому и капилляры у них сходны по своим размерам, и это упрощает анализ. Создать же у мыши в 16 раз больший диффузионный градиент по кислороду можно, варьируя две переменные:

ü во-первых, можно сократить пути диффузии, уменьшив расстояния между капиллярами (т.е. увеличив плотность капилляров в тканях),

ü и, во-вторых, можно увеличить давление кислорода в месте его отдачи (сдвинуть кривую диссоциации оксигемоглобина вправо, что обеспечит понижение сродства гемоглобина к кислороду и соотвественно переход большего количества кислорода в ткани, а следовательно, повышение парциального напряжения кислорода в межклеточных пространствах вокруг капилляров).

У мелких животных проблема более высокой потребности тканей в кислороде, по сравнению с крупными, решается 2-мя путями: как увеличением плотности капилляров, так и понижением сродства гемоглобина к кислороду на уровне тканей. Так, у мелких животных плотность капилляров больше. Например, у мыши на 1 мм² поперечного сечения мышцы может приходиться около 2000 капилляров, а у лошади — менее 1000 (Schmidt-Nielsen, Pennycuik, 1961). Кроме того, у мелких животных кривые диссоциации оксигемоглобина сдвинуты вправо, что обеспечивает лучшую отдачу кислорода тканям. Так, из рис. видно, что в крови мыши давление О₂ при его отдаче (Р₅₀) примерно в 2,5 раза выше, чем у лошади.

Рис. Вокруг каждого капилляра можно выделить приблизительно цилиндрическую область, в которой ткань получает кислород путем диффузии из этого капилляра. Крутизна диффузионных градиентов зависит от радиуса тканевого цилиндра (Я), радиуса капилляра (r) и разности парциальных давлений О2 в крови и в ткани.

Таким образом, более высокая интенсивность метаболизма и соответственно увеличение градиента для диффузии кислорода от капилляров к тканевым клеткам у мелких животных достигаются путем сокращения диффузионного пути (т.е. увеличения плотности капилляров в тканях) в сочетании с повышенным давлением кислорода при его отдаче (т.е. понижением сродства гемоглобина к кислороду на уровне тканей, обуславливающим переход большего количества кислорода в межклеточные пространства, окружающие капилляры).

Дыхательная функция крови у рыб

Влияние двигательной активности на кривые диссоциации оксигемоглобина у рыб. Кривые диссоциации для гемоглобина различных рыб свидетельствуют о широком диапазоне величин сродства к кислороду и о характерных особенностях, связанных со степенью активности данного вида (Hall, McCutcheon, 1938). Так, у макрели — очень активной рыбы, которая обычно плавает в насыщенной кислородом воде, — кривая диссоциации оксигемоглобина сдвинута вправо по сравнению с другими рыбами (т.е. сродство гемоглобина к кислороду понижено, что обеспечивает лучшую его отдачу тканям). Низкое сродство гемоглобина к кислороду облегчает его отдачу тканям, но при этом в хорошо аэрированной воде артериальная кровь даже при низком сродстве гемоглобина к кислороду, характерном для макрели, будет полностью насыщена кислородом.

У медленно плавающей низкоактивной рыбы (вялой придонной рыбы) иглобрюх, для которого характерен невысокий уровень метаболизма, кривая диссоциации оксигемоглобина очень сильно смещена влево (Randall, 1970). Отмеченная особенность гемоглобина иглобрюха уменьшает отдачу кислорода тканям, но при этом из-за невысокого метаболизма это не приводит к развитию гипоксии в тканях. В тоже время высокое сродство гемоглобина к кислороду у иглобрюха позволяет его крови хорошо насыщаться кислородом на уровне легких, ведь эта рыба часто живет в не столь хорошо аэрированной воде, но благодаря особенностям своего гемоглобина она очень устойчива к недостатку кислорода.

Таким образом, гемоглобин иглобрюха обладает чрезвычайно высоким сродством к кислороду, и это соответствует как среде, в которой рыба обычно живет, так и относительно низкой интенсивности ее метаболизма. Причем здесь, по-видимому, более важны требования, предъявляемые к механизму насыщения крови кислородом, чем к механизму его отдачи в тканях.

Влияние температуры среды на кривые диссоциации оксигемоглобина у рыб. Поскольку рыбы, особенно пресноводные, подвергаются воздействию значительных сезонных изменений температуры, может показаться, что зависимость сродства крови к кислороду от температуры для них невыгодна. В то же время исследование изменения сродства гемоглобина к кислороду по мере адаптации к высоким и низким температурам окружающей воды выявило определенные изменения в сродстве крови рыб к кислороду при температурной адаптации.

Так, у американского сомика Ictalurus nebulosus кривая диссоциации оксигемоглобина зависит от температуры акклимации (рис.). Кровь рыбы, акклимированной к теплу, обнаруживает большее сродство к кислороду (что обуславливает лучшее ее насыщением кислородом на уровне легких, но при этом меньшую отдачу тканям), чем кровь рыбы, акклимированной к холоду (что делает возможным лучшую отдачу кислорода тканям), если их исследовать при одной и той же температуре. А теперь сравним кривые, полученные при тех температурах, к которым рыбы акклимировались (две средние кривые из четырех). У рыбы, адаптировавшейся к 9°С, кривая диссоциации кислорода (снятая при 9°С) сдвинута влево от кривой для рыбы, приспособившейся к 24°С (снятой при 24°С). Акклимация приводит к сближению кривых, но у тепловодной рыбы, у которой интенсивность метаболизма выше, кривая все же остается сдвинутой вправо по отношению к кривой для рыбы, акклимированной к холоду, что позволяет более эффективно отдавать кислород на уровне тканей и согласуется с более высокими потребностями тканей в кислороде в связи с более высокой двигательной активностью рыбы при более высокой температуре и соотвественно с более высоким уровнем ее метаболизма.

Рис. Кривые кислородной диссоциации для сомиков, акклимированных к холоду и к теплу, снятые при температурах 9 и 24°С; рН 7,8 (Crigg, 1969).

Различия в свойствах крови и их сезонные изменения зависят от особенностей эритроцитов, а не гемоглобина. Если взять рыб, адаптировавшихся к теплу и к холоду, и исследовать их гемоглобины в растворе, измеримого различия в сродстве к кислороду не обнаружится.

Кривые диссоциации дыхательных пигментов беспозвоночных

У беспозвоночных имеется ряд различных дыхательных пигментов. У многих из них сродство к кислороду очень велико, и в обычной системе координат кривые диссоциации будут сдвинуты далеко влево по сравнению с таковыми для гемоглобина позвоночных. Например, у гемоглобина двустворчатого моллюска Phacoides Р₅₀ для кислорода составляет около 0,2 мм рт. ст. (27 Па) (Read, 1962). Гемоглобин личинки Chironomus тоже обладает чрезвычайно высоким сродством к кислороду. На его кривую диссоциации влияют как температура, так и рН, и в области температур от 5 до 24°С P₅₀ изменяется у него от 0,1 до 0,6 мм рт. ст. (от 13 до 80 Па). Для млекопитающих это были бы исключительно низкие величины. Личинки хирономид обычно живут в среде, где временами бывают очень низкие концентрации кислорода, и их гемоглобины, по-видимому, играют важную роль в первую очередь, тогда, когда кислорода недостаточно (они обеспечивают более эффективное насыщение крови кислородом, чем гемоглобины позвоночных). Это предположение подтверждается и тем фактом, что у беспозвоночных, у которых имеется гемоглобин, его концентрация часто сильно возрастает при содержании животных в бедной кислородом воде. Так обстоит дело у дафний, артемии, личинок Chironomus и многих других.

Гемоэритрин химически отличается от гемоглобина тем, что не содержит порфириновой группы. Он найден только у нескольких морских форм (сипункулид (все исследованные виды), полихет (Magelona), п риапулид (Halicryptus, Priapulus), п леченогих (Lingula)). У этого дыхательного пигмента обнаружена интересная корреляция между сродством к кислороду и естественными экологическими условиями.

Так, у двух представителей сипункулид — Dendrostomum и Siphonosoma— гемоэритрин имеется как в крови, так и в целомической жидкости. При этом у Dendrostomum щупальца вокруг рта обильно снабжаются кровью; животное выставляет их над поверхностью песка, в котором оно живет, и они служат ему органом дыхания. У Dendrostomum целомическая жидкость имеет большее сродство к кислороду, чем кровь (рис.). Это означает, что кислород, поглощенный кровью в дыхательном органе, легко передается пигменту целомической жидкости.

Рис. Кривые кислородной диссоциации для гемоэритрина из крови и целомической жидкости сипункулиды Dendrostomum zostericolum (Manwell, 1960).

У Siphonosoma, не имеющего специального дыхательного органа, кровь и целомическая жидкость сильно не различаются, причем сродство к кислороду даже чуть выше у крови, чем у целомической жидкости. Это соответствует образу жизни: ротовые щупальца Siphonosoma использует не для дыхания, а для питания; животное находится в норе глубоко под поверхностью ила и поглощает кислород всей поверхностью тела. В связи с этим его кровь и целомическая жидкость имеют почти одинаково высокое сродство к кислороду.

Сходное соотношение между сродством двух различных пигментов к кислороду обнаружено у боконервного моллюска Cryptochiton. Кровь этого животного содержит гемоцианин, а мышцы языка — миоглобин. Кровь имеет относительно низкое сродство к кислороду, а миоглобин — высокое (рис.). Это совершенно аналогично тому, что характерно для позвоночных. Благодаря отмеченному соотношению сродства гемоцианина и миоглобина к кислороду у Cryptochiton кислород передается от гемоцианина крови миоглобину мышц, у которого сродство к кислороду намного больше и кривая диссоциации смещена далеко влево — Р₅₀ около 0,5 мм рт. ст. (0,07 кПа).

Рис. Кривые кислородной диссоциации для гемоцианина (из крови) и миоглобина (из мышц радулы) боконервного моллюска Cryptochiton. (Manwell, 1958).

Облегченная диффузия кислорода в растворах гемоглобина и миоглобина и ее физиологическое значение

Механизм облегченной диффузии кислорода через растворы, содержащие гемоглобин и миоглобин. Гемоглобин, переносимый кровью, неизмеримо облегчает доставку кислорода тканям. Однако гемоглобин (а точнее, его аналог миоглобин) встречается не только в крови, но и в различных тканях. Так, у высших животных он встречается главным образом в мышцах. Такой миоглобин, проявляющий более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин, насыщается кислородом от гемоглобина, обеспечивает депонирование кислорода в мышечных волокнах и его отдачу волокнам в случае временного снижения парциального напряжения кислорода в них (вплоть до нуля) при максимальном сокращении и связанном с этим временным ослаблением кровообращения в мышце. При этом в связи с почти нулевым парциальным напряжением кислорода в мышечных волокнах при максимальном их сокращении, создаются благоприятные условия диссоциации оксимиоглобина, несмотря на его более высокое сродство к кислороду, чем у гемоглобина. Таким образом, оксигенированный миоглобин может функционировать как кратковременный резерв кислорода.

Однако сокращение мышц вряд ли может регулярно полностью прерывать движение крови; напротив, кровоток в напряженно работающих мышцах обычно сильно возрастает. В связи с этим в мышцах редко создаются условия резкого падения (вплоть до нуля) парциального напряжения кислорода, тем не менее оксимиоглобин, проявляющий очень высокое сродство к кислороду, все равно способен диссоциировать и отдавать кислород мышечным волокнам. Связано это с тем, что миоглобин, также как и гемоглобин, способны сильно ускорять диффузию кислорода при низких парциальных его напряжениях в жидкостях, где они растворены (гемоглобин в плазме крови, а миоглобин – в цитоплазме мышечных волокон).

Когда выяснилось, что миоглобин сильно ускоряет диффузию кислорода, это позволило по-иному интерпретировать присутствие его в мышцах, а также частое его присутствие у животных, обитающих в местах, где хотя бы временами резко снижается напряжение кислорода. Такие животные, подобно мышечным волокнам, тоже пользуются преимуществами ускоренной, или облегченной, диффузии кислорода.

Облегчение диффузии кислорода связано со способностью гемоглобина и миоглобина обратимо связывать кислород. Доказательством этому служит тот факт, что гемоглобин, превращенный в метгемоглобин (путем окисления двухвалентного железа в трехвалентное), уже не может связывать кислород, и поэтому раствор метгемоглобина не ускоряет диффузию этого газа.

Один из важных аспектов облегченной диффузии — то, что диффузия ускоряется только в том случае, если давление кислорода на конечном участке диффузионного пути близко к нулю. Действительно, максимальное ускорение наблюдается тогда, когда степень насыщения «верхнего» и «нижнего» слоев гемоглобина соответствует самому крутому участку кривой диссоциации.

При усиленной работе мышц как раз и возникают такие условия, когда парциальное напряжение кислорода на конечном участке диффузионного пути (в цитоплазме мышечных волокон и особенно в митохондриях) близко к нулю, что обеспечивает облегченную диффузию кислорода внутри мышечных волокон, опосредуемую миоглобином.

Вместе с тем другие пигменты (например, гемоцианины) в отличие от гемоглобина и миоглобина не облегчают диффузию кислорода, что очевидно связано с большей величиной молекул гемоцианина (несколько миллионов дальтон), которая сильно уменьшает их подвижность в растворе. Хотя точный механизм облегчения диффузии О₂ еще не вполне понят, можно думать, что некоторую роль здесь играет обычное тепловое движение молекул гемоглобина и миоглобина в растворе. Если это движение замедлить (например, добавив желатину), облегчение уменьшается.

Миоглобин, молекулярный вес которого (17 000) меньше, чем у гемоглобина (68 000), еще больше облегчает диффузию кислорода (грубо говоря, эффекты этих двух пигментов обратно пропорциональны квадратным корням из их молекулярных масс). Это указывает на то, что различие связано с тепловым движением молекул в растворе.

Таким образом главными факторами, влияющими на облегченную диффузию кислорода в растворах гемоглобина и миоглобина, являются следующие:

1) результирующая диффузия кислорода ускоряется, когда давление на выходе низко;

2) общий перенос кислорода складывается из эффекта простой диффузии и добавочного эффекта, обусловленного присутствием дыхательного пигмента (гемоглобина и особенно миоглобина из-за его меньшей молекулярной массы и в связи с этим большей подвижности);

3) облегчение диффузии кислорода возрастает с увеличением концентрации гемоглобина и миоглобина;

4) скорость переноса кислорода дыхательными пигментами обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярной массы пигмента, так что сравнительно небольшие молекулы миоглобина создают большее облегчение, чем гемоглобина.

Физиологическое значение облегчения диффузии кислорода дыхательными пигментами в растворах. У позвоночных гемоглобин содержится в высокой концентрации главным образом в эритроцитах и в меньшем количестве — в красных мышцах. Вместе с тем, несмотря на высокое содержание гемоглобина в эритроцитах, сомнительно, чтобы облегченная диффузия кислорода играла в них существенную роль, так как для этого эффекта нужно, чтобы давление кислорода на конце диффузионного пути приближалось к нулю. Эритроциты, в которых пути диффузии очень коротки, разве только в редких случаях оказываются в среде со столь низким напряжением О₂, чтобы мог реализоваться эффект облегченной диффузии кислорода (если не говорить о крови в капиллярах напряженно работающих мышц).

Между тем, миоглобин скелетных мышечных волокон, в отличие от гемоглобина эритроцитов, способен существенно облегчать диффузию кислорода. Связано это с тем, что в работающей мышце на некотором расстоянии от капилляра напряжение кислорода легко может приблизиться к нулю. Это создает идеальные условия для облегченной диффузии, так как напряжение О₂ в капилляре лежит где-то между артериальным и венозным уровнями, а в ткани (на конце диффузионного пути) почти равно нулю. Ускорение диффузии в несколько раз, наблюдавшееся в лабораторных экспериментах, действительно в существенной мере улучшало бы снабжение мышц кислородом. Эксперименты на грудной мышце голубя подтвердили, что миоглобин может транспортировать значительную долю кислорода, потребляемого мышцей (Wittenberg et al., 1975).

Несмотря на несущественную роль гемоглобина в облегчении диффузии кислорода в эритроцитах позвоночных, он может успешно выполнять такую роль в тканях беспозвоночных животных. В частности, облегчение диффузии кислорода гемоглобином может быть выражено у беспозвоночных, обитающих в условиях дефицита кислорода в окружающей среде. Установлено, что беспозвоночные, обладающие гемоглобином, часто живут в местах, где хотя бы временами напряжение кислорода бывает низким. Когда кислорода мало, напряжение его в тканях сильно снижается, и облегчение диффузии может играть очень важную роль для экстракции такими беспозвоночными кислорода из окружающей среды с весьма низким его содержанием. В таких случаях гемоглобин имеет особое значение, и многие животные приспосабливаются к длительным периодам нехватки кислорода путем увеличения количества гемоглобина в организме. Можно думать, что главная функция гемоглобина у этих животных — облегчение диффузии кислорода.

Действительно, многие нематоды, паразитирующие в кишечнике у овец, дышат более интенсивно, чем это, согласно расчетам, могло бы быть при максимальной скорости входной диффузии кислорода без эффекта облегчения (Rogers, 1949). Однако в клетках этих животных очень много гемоглобина, и он мог бы ускорять диффузию кислорода при тех очень низких парциальных давлениях О₂, которые имеют место в кишечнике хозяина.

Относительно роли гемоглобина у растений выдвигалось немало гипотез, но теперь она достаточно ясна. Накапливающие азот растения, такие, как клевер и соя, имеют на своих корнях небольшие клубеньки, в которых содержатся бактерии, использующие атмосферный азот для синтеза азотсодержащих соединений (фиксация азота). Эти клубеньки содержат гемоглобин, называемый леггемоглобином, который необходим для связывания азота. Он имеет чрезвычайно высокое сродство к О₂ (Р₅₀ = 0,04 мм рт. ст., или 0,005 кПа), и поток связанного леггемоглобином кислорода превышает поток растворенного кислорода в 10000-100000 раз. Доставляемый кислород поддерживает образование аденозинтрифосфата (АТФ), который расходуется в сложном восстановительном процессе, приводящем к фиксации азота (Wittenberg, 1977).

Эволюционные аспекты формирования и закрепления гемоглобина и его модификаций в животном мире, а также закрепления за гемоглобином функции транспорта кислорода кровью

Весьма любопытно, что имеющий столь сложное строение гемоглобин распространен так широко в животном и даже растительном мире и при этом встречается у совершенно разных систематических групп организмов. В добавление к тому, что он имеется почти у всех позвоночных, гемоглобин тут и там встречается и в ряде других типов, включая простейших, а также у растений и бактерий. Часто его находят только у одного или нескольких представителей какой-либо обширной группы; иногда он имеется у паразита, но отсутствует у родственных свободноживущих форм и т.д. Когда была установлена роль гемоглобина в ускорении диффузии кислорода, особенности его распространения сделались более понятными.

Структурную основу гема — небелковой части молекулы гемоглобина — составляет порфириновое ядро, которое имеется у всех растений и животных в молекулах клеточных ферментов, принадлежащих к системе цитохромов. Относительно небольшие биохимические перестройки могут превратить эту исходную структуру в пигмент типа гемоглобина, обратимо связывающий кислород. Вместе с тем, для того, чтобы такие мутации прочно закрепились, они должны давать какое-то эволюционное преимущество, которое способствовало бы их сохранению.

Самое очевидное и ближайшее преимущество — то, что гемоглобин и миоглобин улучшает доставку кислорода, облегчая его диффузию в тканях. После того как система синтеза гемоглобина сформировалась, дальнейшее улучшение транспорта кислорода может быть достигнуто путем добавления конвекционного транспорта (т.е. крови и циркуляторной системы, приводящей кровь в движение).

Формирование полной циркуляторной системы — это сложное изменение, которое потребовало бы не только относительно небольших химических модификаций порфирина, но и сложных морфологических и физиологических изменений во всем организме. Такие радикальные изменения, конечно, возможны, но вряд ли они могут осуществиться в один или несколько этапов. Напротив, появление гемоглобина в любой ткани сразу же обеспечивает организму выгоду, связанную с облегченной диффузией, и обусловливает селективное преимущество для закрепления нового признака.

Следующим шагом могло быть создание условий для включения гемоглобина в уже существующую кровеносную систему и тем самым — для дальнейшего улучшения доставки кислорода путем конвекции.

Из этой гипотетической последовательности событий вытекает, что:

ü разрозненные случаи появления гемоглобина в растительном и животном мире объясняются повсеместным присутствием железопорфириновых соединений,

ü облегченная диффузия кислорода через растворы с гемоглобином дает первый толчок для сохранения биохимического механизма синтеза гемоглобина в клетках

ü добавление гемоглобина к уже существовавшей конвекционной системе (циркуляторной системе) логически становится следующим шагом в эволюционной истории.

Механизм транспорта углекислого газа кровью у животных различных систематических групп

По мере того как кровь проходит через ткани и отдает кислород, она попутно насыщается СО₂. При прохождении крови через легкие происходит обратный процесс: она частично отдает СО₂ альвеолярному воздуху и насыщается кислородом.

Подходящая к легким венозная кровь млекопитающего содержит примерно 580 см³ связанной и свободной СО₂ на 1 л (т.е. 58 об% СО₂) при напряжении СО₂ около 46 мм рт. ст. (6,1 кПа). Когда кровь покидает легкие, она содержит около 500 см³ СО₂ на 1 л при напряжении СО₂ около 40 мм рт. ст. (т.е. каждый литр венозной крови отдает альвеолярному воздуху всего лишь 80 см³ СО₂). Таким образом, кровь отдает лишь малую долю содержащейся в ней двуокиси углерода.

Чтобы понять, как осуществляется транспорт двуокиси углерода, следует лучше ознакомиться с ее свойствами и поведением в растворе.

Общее количество двуокиси углерода, переносимое кровью, намного больше того, которое было бы растворено в воде при том же напряжении СО₂, что и в крови. Это связано с тем, что большая часть двуокиси углерода переносится не в виде свободного растворенного СО₂ (содержание свободного физически растворенного в плазме крови СО₂ составляет 2,5 об%), а в форме других химических соединений (55,5 об% СО₂ в венозной крови). Из таких соединений наиболее важны два:

1) ионы бикарбоната (их содержание в венозной крови составляют около 51 об%)

2) соединение СО₂ с гемоглобином (карбаминогмоглобин или карбгемоглобин, его содержание в венозной крови составляет около 4,5 об%; двуокись углерода присоединяется к концевым аминогруппам белковой молекулы, а не к месту связывания кислорода).

Когда двуокись углерода растворяется в воде, она соединяется с водой и образует угольную кислоту (процесс происходит преимущественно в цитоплазме эритроцитов в связи с наличием там фермента карбоангидразы, ускоряющей процесс образования угольной кислоты в 20 000 раз).

Образующаяся угольная кислота проявляет более сильные кислые свойства, чем дезоксигемоглобин, в связи с чем обменивается ионами Н⁺ с кальевой солью дезоксигемоглобина, в результате чего образуется бикарбонат калия и восстановленный дезоксигемоглобин. Кроме того, ион водорода, высвобождающийся при диссоциации угольной кислоты, может связываться и другими буферными системами крови (фосфатами и белками). Вместе с тем, главным белком, связывающим избыток ионов водорода, является гемоглобин, содержащийся в крови в наибольшем количестве, и в связи с этим играющий главную роль в буферном действии. Белкам же плазмы принадлежит вторая по значению роль в этом отношении.

В целом, при рН 7,4 количественное отношение угольной кислоты к бикарбонат-ионам равно 1:20, т.е. на каждую часть СО₂, присутствующую в виде кислоты, приходится в 20 раз больше СО₂, присутствующей в виде бикарбонат-ионов.

В результате нейтрализации ионов водорода, высвобождающихся при диссоциации угольной кислоты, буферными системами крови СО₂ оказывает лишь умеренное влияние на ее рН. Например, артериальная кровь может иметь в норме рН 7,45, а венозная — 7,42. Таким образом, различие в рН, создающееся за счет поглощения кровью двуокиси углерода из тканей, не превышает 0,03.

Кривая диссоциации для углекислого газа

Количество углекислого газа, поглощаемое кровью, зависит от его парциального напряжения в тканях. В связи с этим для крови можно построить кривую диссоциации СО₂, аналогичную кривой кислородной диссоциации. Для этого откладывают по оси ординат общее количество углекислого газа в крови, а по оси абсцисс — парциальное напряжение СО₂ в тканях.

Дата добавления: 2015-11-02 | Просмотры: 2898 | Нарушение авторских прав