АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

V.1. Гемоглобин и его участие в транспорте кислорода

Основная функция гемоглобина - транспорт кислорода, которую онвыполняет очень эффективно. Гемоглобин артериальной крови насыщен кислородом приблизительно на 96%, гемоглобин венозной крови - на 64% (White А. et al, 1981).

Уменьшение степени насыщения на 32 % соответствует количеству О₂, потребляемому тканями. Принимая, что 100 мл крови содержат 15,0 г гемоглобина и что каждый грамм гемоглобина может связать 1,34 мл О₂ (число Хюфнера) находим, что:

0,96 х 1,34 х 15 = 19,2 мл О₂ -

транспортируется 100 мл артериальной крови (19,2 объемных %);

0,64 х 1,34 х 15 = 12,8 мл О₂ -

транспортируется 100 мл венозной крови (12,8 объемных %);

19,2 - 12,8 = 6,4 мл О₂ (6,4% объемных %)

или

0,32 х 1,34 х 15 = 6,4 мл О₂ (6,4 % объемных %)

отдается тканям каждыми 100 мл артериальной крови, протекающими через капилляры.

Поскольку минутный объем крови (МОК) равен 5 литрам, в сутках 1440 минут, определяем, что в течение суток общий объем перекачиваемой сердцем крови составит:

5 х 1440 = 7200 литров

А так как один литр артериальной крови способен транспортировать 19,2 объемных % кислорода, из которых 6,4 объемных процента потребляются тканями, находим:

7200 х 19,2

^{-----------------------} = 1382 литра - количество кислорода, транспортируемое

100 за сутки артериальной кровью

7200 х 6,4

^{-----------------------} = 461 литр - количество кислорода, потребляемое тканями

100 за сутки из артериальной крови

В целом, за сутки кровь переносит от легких к тканям около 1400 л кислорода, из которых 450-600 л потребляются тканями. Причем, практически весь перенос кислорода обеспечивается гемоглобином, т.к. кислород плохо растворим в водных растворах. Ограниченная растворимость кислорода позволяет транспортировать его в растворенном состоянии в количестве, составляющем всего 0,3 мл О₂ / 100 мл крови (White А. еt al, 1981) при РаО₂ равном 12,7 кПа (95 мм рт ст). Это соотношение вытекает из закона Генри-Дальтона, в соответствии с которым «количество растворенного в жидкости газа пропорционально его напряжению». Важно отметить, что несмотря на малое количество растворенного кислорода, именно эта его фракция обусловливает РаО₂.

Гемоглобин растворен в водном цитозоле эритроцитов в очень высокой концентрации, порядка 34%. Его синтез осуществляется в процессе созревания ретикулоцитов и перехода их в эритроциты. Гемоглобин состоит из белка - глобина и простетической группы - гема. Гем представляет собой соединение, в молекулу которого входят атом двухвалентного железа и 4 замещенных пиррольных кольца, связанных между собой метиновыми группами (- СН =). Скелетом молекулы гема служит порфирин. Fe²⁺ имеет в геме координационное число, равное 6, т.е. 6 пар электронов. Четыре из этих пар связаны с атомами азота, одна пара с белком (глобином) через гистидин. Оставшаяся пара электронов используется для образования донорско-акцепторной координационной связи (ковалентной химической связи) с кислородом (рис. 12).

Функциональные свойства гемоглобина, обусловленные его уникальной структурой, специфически соответствуют задачам обеспечения дыхательной функции. Каждая из четырех полипептидных цепей глобина содержит по одной молекуле гема. А поскольку атом железа в геме может обратимо связывать одну молекулу О₂ понятно, что одна молекула полностью оксигенированного гемоглобина (НbО₂) содержит четыре молекулы кислорода. Гемоглобин, отдавший кислород тканям, называется свободным (неоксигенированным) гемоглобином.

Рис. 12. Координационные связи железа в молекуле гема

(по A. Ленинджеру, 1985)

В процессе присоединения и отдачи кислорода железо в молекуле гемоглобина свою валентность не меняет, т.е. при присоединении кислорода или при его отдаче железо не окисляется и не восстанавливается. Следовательно, в этих случаях речь идет об оксигенированном (оксигемоглобин) и неоксигенированном (свободном) гемоглобине, но не об окисленном и восстановленном гемоглобине.

Окисленный гемоглобин - это метгемоглобин (MetHb), содержащий Fe³⁺. Он не способен присоединять кислород, однако Fe³⁺ в MetHb может взаимодействовать со многими анионами, например, при щелочном рН с ОН^- и при кислом рН - с Cl^-. В небольшом количестве, составляющем 0, 5% от всего гемоглобина, метгемоглобин образуется ежесуточно в условиях in vivo (White A. et al, 1981).

Кроме кислорода к атому железа в молекуле гемоглобина могут присоединяться и другие вещества (лиганды): Н₂О; СО; СN. Их сродство, проявляемое к атому железа, неодинаково. Оно наиболее выражено у цианидов, затем у окиси углерода, затем у кислорода и наименее выражено у воды.

Степень насыщения гемоглобина кислородом зависит от парциального давления кислорода (РО₂). Это давление в легких (100 мм рт.столба) достаточно, чтобы практически полностью оксигенировать весь гемоглобин в эритроцитах. Уникальной особенностью связывания гемоглобином О₂ является кооперативное взаимодействие между гемсвязывающими участками, получившее название гем-гем - взаимодействие. И хотя прямых физических контактов между четырьмя группами гема нет, кооперативность связывания О₂ проявляется в том, что по мере протекания оксигенирования гемоглобина облегчается связывание последующих молекул кислорода. При физиологических условиях сродство к О₂ у гемоглобина и у полностью оксигенированного гемоглобина отличается в 500 раз (A. White et al, 1981); это показывает, что после присоединения первых молекул О₂ сродство частично насыщенного гемоглобина к кислороду увеличивается. Данное положение характеризуется сигмовидной формой кривой диссоциации HbO₂ (рис. 5).Такая формауказывает на то, что связывание О₂ одной из гемовых групп гемоглобина влияет на константы диссоциации других гемовых групп этой же молекулы. Сигмовидный характер кривой диссоциации НbО₂ имеет большое физиологическое значение. Как видно из рис. 5 парциальное давление О₂ существенно влияет на насыщение гемоглобина в пределах от 20 до 60 мм рт. ст., когда показатель насыщения кислородом характеризуется наиболее крутым подъемом отрезка кривой. При больших значениях РО₂ кривая насыщения приобретает пологий характер, увеличиваясь в диапазоне 60-90 мм рт. ст. всего на 7%.

Связывание гемоглобином кислорода зависит не только от РО₂. Этот процесс тонко регулируется рядом соединений, подобно тому как это имеет место при действии на аллостерический фермент. Таким регуляторным действием обладают 2,3 - дифосфоглицерат, диоксид углерода (СО₂) и ионы Н⁺.

Главной фракцией фосфатов в эритроцитах является 2,3 – дифосфоглицерат (ДФГ); его внутриклеточная концентрация составляет приблизительно 4-5 - ммоль, т.е. сопоставима с концентрацией гемоглобина. Дифосфоглицерат (ДФГ) связывается с тетрамерным гемоглобином при нейтральном рН, образуя комплекс с соотношением компонентов 1: 1. Связывание с гемоглобином ДФГ обусловлено наличием в молекуле последнего отрицательно заряженных групп (рис. 13):

С

Н С О Р О^-

Н С Н

О

^-О Р О

О^-

Рис. 13. Структура молекулы ДФГ (по А. Ленинджеру, 1985).

Жирным выделены группы, взаимодействующие с β-цепями

Местом связывания служит центральная полость или канал в молекуле гемоглобина, выстланный многочисленными положительно заряженными R-группами β-цепей. В итоге образуется поперечная связь между двумя β-субъединицами. При связывании гемоглобина кислородом ДФГ вытесняется из этого канала.

Главным результатом образования комплекса ДФГ-гемоглобин является снижение сродства гемоглобина к кислороду:

НbO₂ + ДФГ Нb • ДФГ + О₂

Регулирующее влияние ДФГ на сродство гемоглобина к кислороду в эритроцитах зависит от величины парциального давления кислорода в легких. Чем ниже это давление (при подъеме на высоту), тем выше концентрация ДФГ в эритроцитах, тем легче будет освобождаться кислород от связи с гемоглобином в тканях.

Таким образом, при фиксированной концентрации оксигенированного гемоглобина, увеличение концентрации ДФГ повышает диссоциацию НbO₂. При увеличении же РО₂ и росте концентрации НbО₂ будет усиливаться диссоциация комплекса Нb ДФГ.

Повышенное сродство крови плода к кислороду не является следствием различий сродства фетального (НbF) и постнатального (НbA) гемоглобинов к О₂, поскольку кривые диссоциации изолированных НbАО₂ и НbFO₂ существенно не отличаются. Этот феномен повышенного сродства к кислороду крови плода является результатом менее эффективного связывания ДФГ фетальным гемоглобином, поскольку на ДФГ - связывающем участке НbF незаряженный Sery γ 143 заменяет His β 143.

В крови, консервированной в некоторых средах (цитрат-декстрозной) концентрация ДФГ снижается (в течение 10 дней с 4,5 до 0,5 мМ). Гемоглобин такой крови приобретает очень высокое сродство к кислороду, в связи с чем увеличивается риск развития гипоксии, обусловленной снижением отдачи им кислорода. Тем более, что восстановление содержания ДФГ самими эритроцитами происходит медленно (за 24 часа – до половины нормальной концентрации). Исправление ситуации путем добавления экзогенного ДФГ не эффективно, поскольку высокий отрицательный заряд его молекулы не позволяет ей проникать через мембрану эритроцитов. В связи с этим используются вещества, добавление которых к консервированной крови обеспечивает поддержание нормальной концентрации ДФГ (Волкова Н.П., 2005).

Способность гемоглобина взаимодействовать с СО₂ и ионами Н⁺ определяется не наличием атома Fe²⁺ в гемах, а другими участками его молекулы, с которыми происходит связывание этих соединений. В частности, ионы водорода присоединяются к R - группам остатков гистидина в α и β - цепях глобина:

R CH COOH (общая формула аминокислоты)

NH₂

R - группа, с которой связывается

ион водорода.

Что касается диоксида углерода, то он присоединяется к концевой α-аминогруппе каждой из четырех полипептидных цепей с образованием карбаминогемоглобина:

O O

R CH C + CO₂ R CH C

OH OH

NH₂ NHCOO^- + H⁺

карбаминоконцевой остаток

(карбаминогемоглобин)

Важно подчеркнуть, что процессы связывания с гемоглобином О₂, Н⁺ - ионов и СО₂ (как и ДФГ) взаимозависимы. Эту взаимозависимость иногда называют кооперативным эффектом гемоглобина, который заключается в том, что изменение концентрации одного из этих веществ влияет на связывание гемоглобина с другими. В частности, связывание с гемоглобином СО₂ и ионов водорода снижает его способность связывать кислород и наоборот: связывание с гемоглобином кислорода снижает его способность связывать СО₂ и ионы Н⁺. Поэтому в периферических тканях с относительно низким значением рН и высокой концентрацией СО₂ сродство Нb к кислороду падает по мере связывания СО₂ и ионов водорода. И наоборот, в легочных капиллярах выделение СО₂ и сопутствующее ему повышение рН крови приводят к увеличению сродства гемоглобина к кислороду. Это влияние величины рН и концентрации СО₂ на связывание и освобождение кислорода гемоглобином называется эффектом Бора (в честь датского физиолога Христиана Бора, впервые открывшего его).

В основе данного эффекта лежит изменение четвертичной структуры (т.е. упаковки субьединиц молекулы белка) гемоглобина при его оксигенации. В результате молекула оксигенированного гемоглобина приобретает несколько более компактную структуру по сравнению с неоксигенированным. Вследствие этого аминокислотные остатки в α и β - цепях, связывающие ионы водорода, перемещаются из относительно гидрофильного окружения в более гидрофобное, что облегчает отщепление ионов водорода от протонированных групп. Иначе говоря, протонированные группы при оксигенации гемоглобина приобретают свойства более сильных кислот (как донаторов ионов водорода). Т.е. НbО₂ более сильная кислота (в 70 раз - Войнов В.А., 1992), чем ННb. Можно сказать и так, что оксигенированный гемоглобин (НbO₂) плохо присоединяет протоны, но зато легко их отдает. А неоксигенированный гемоглобин наоборот - плохо отдает протоны, но зато легко их присоединяет (ННb).

В легочной ткани вследствие уменьшения РСО₂ и превращения гемоглобина в НbО₂ освобождается также СО₂, находящийся в виде карбаминогемоглобина._.

Повышение или снижение сродства Hb к кислороду проявляется изменением кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 14).

Рис. 14. Кривая диссоциации оксигемоглобина. Влияние рН (по A. Ленинджеру, 1985)

Эти изменения обозначаются понятием «сдвиг вправо» и «сдвиг влево». При сдвиге вправо, как это следует из рисунка, при снижении рН (рН = 7,2), 50% насыщение Hb кислородом, которое в норме происходит при значениях РаО₂ ≈ 26,6 мм рт. ст, будет осуществляться уже при больших значениях РаО₂, приближающихся к 40 мм рт. ст. Это означает, что сродство Hb к кислороду понизилось. Соответственно, при сдвиге влево (рН = 7,6) 50% насыщение Hb кислородом происходит при меньших, чем при нормальном рН значениях РаО₂. Это означает, что сродство Hb к кислороду оказалось повышенным. Помимо кислотно-основного состояния на характер кривой диссоциации оксигемоглобина влияют и другие факторы (табл. 3).

Таблица 3.

Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 1115 | Нарушение авторских прав