Где оксигемоглобин распадается на гемоглобин

© Автор: З. Нелли Владимировна, врач лабораторной диагностики НИИ трансфузиологии и медицинских биотехнологий, специально для СосудИнфо.ру (об авторах)

Красный пигмент крови человека, сложный железосодержащий белок (хромопротеин, состоящий из глобина и четырех гемов с двухвалентным железом в центре каждого) – гемоглобин (Hb), соединяясь с молекулярным кислородом (O2) в легких, образует оксигенированную форму – оксигемоглобин (HHbO2). Оксигемоглобин, приобретая уникальные свойства и обеспечивая дыхание, как одно из элементарных проявлений жизни, продолжает саму жизнь организма. Например, достаточно ввести окись углерода вместо кислорода или нарушить потребление О2 клетками при попадании цианидов (солей синильной кислоты), которые ингибируют ферментные системы тканевого дыхания, как тут же наступает гибель организма.

Дыхание, на первый взгляд, кажется совсем простым процессом. Между тем, оно основано на взаимодействии многих компонентов, составляющих гигантскую молекулу красного пигмента крови – хромопротеина гемоглобина, который, в свою очередь, отличается многообразием производных, где из их числа несомненный интерес вызывает оксигемоглобин. Итак, оксигемоглобин образуется в легких путем соединения сложного железосодержащего белка гемоглобина с кислородом, поступающим с вдыхаемым воздухом.

Образование и распад оксигемоглобина

В спокойном состоянии тканям человеческого тела достаточно около 0,2 л кислорода в одну минуту, но все меняется при физической нагрузке и чем она интенсивнее, тем больше необходимого для дыхания газа запрашивают ткани. Для удовлетворения их нужд потребность в кислороде может увеличиваться в 10 – 15 раз и составлять до 2, а то и 3 литров О2 в одну минуту. Однако газообразный кислород в данном количестве никак не сможет пробраться в ткани, поскольку он почти не растворим и в воде, и в плазме, то есть, этот элемент в ткани должен доставить какой-то белок, способный соединиться с ним и решить задачу транспорта.

Кровь, как биологическая среда, реализует свои функциональные обязанности по обеспечению дыхания за счет присутствия в ней сложного содержащего железо протеина – гемоглобина, физиологическая роль которого, как транспортного средства кислорода, базируется на способности Hb связывать и отдавать О2 в корреляции с концентрацией (парциальным давлением – P) данного газа в крови. Образование оксигемоглобина осуществляется в паренхиме легких, куда кислород прибывает при дыхании из воздуха окружающей среды.

Процесс образования HHbO2 происходит в доли секунды (0,01 с), поскольку кровь в легких задерживается всего-то на полсекунды. Схематично и коротко образование оксигемоглобина можно представить в следующем виде:

• Попадая в капиллярные сосуды легких, кровь обогащается кислородом, то есть, красный кровяной пигмент к своим 4 гемам присоединяет кислород – идет реакция окисления (оксигенации);
• Кислород связывается с гемами хромопротеина при помощи координационных связей феррума (железо – Fe) и, не изменяя в данном случае валентности последнего (в геме валентность железа всегда – II), переводит его (Hb) в несколько иное состояние;
• Гем железосодержащего протеина представляет собой активный центр, с его помощью хромопротеин в результате вышеуказанной реакции переходит в непрочный комплекс – оксигенированный гемоглобин (HHbO2), который, находясь в красных кровяных тельцах – эритроцитах, с током крови доставляется к клеткам тканей, чтобы через распад оксигемоглобина и выделения в процессе диссоциации кислорода, обеспечить их дыхание.

Таким образом, результатом реакции оксигенации становится образование оксигемоглобина, подкисление биологической жидкости, снижение ее щелочного резерва, то есть, ее умения связывать углекислоту (СО2), которое, разумеется, на тот момент снижается.

Железосодержащий протеин, насытившись в легочной паренхиме кислородом и приобретя оксигенированную форму, уносит О2 к тканям, в капиллярных сосудах которых его концентрация в крови резко понижена. Там происходит распад оксигемоглобина (диссоциация), кислород уходит на тканевое дыхание, гемоглобин забирает отработанный углекислый газ, превращаясь в другую физиологическую модель – карбогемоглобин (HHbCO2), и в этом качестве отправляется в главный орган дыхания, чтобы обменять CO2 на очередную порцию необходимого организму газа.

Кривая образования и распада (диссоциации) оксигемоглобина

Агентом, гарантирующим быстрое насыщение железосодержащего белка кислородом (образование оксигемоглобина), выступает высокое напряжение (парциальное давление) О2 в легочных альвеолах (порядка 100 мм рт. ст.).

Корреляцию между степенью насыщения красного кровяного пигмента кислородом и парциальным давлением O2 (PO2) выражают в виде S-образной кривой (сигмоиды), которую называют кривой диссоциации оксигемоглобина.

Свойственная красному кровяному пигменту S-образная (сигмоида) кривая диссоциации оксигемоглобина свидетельствует о том, что контактирование первой молекулы О2 с одним из гемов Hb открывает путь присоединению других  молекул элемента остальными тремя гемами. Кривой насыщения железосодержащего белка кислородом принадлежит немалая физиологическая значимость – S-образная конфигурация позволяет крови обогатиться данным газом при изменениях концентрации кислорода в биологической жидкости в довольно обширных интервалах. К примеру, не следует ожидать таких особенных расстройств дыхательной функции крови, как выраженное кислородное голодание (гипоксия), при подъеме на высоту до 3,5 км над уровнем моря или во время перелета на самолете. Хотя PO2 во вдыхаемом воздухе сильно понизится, концентрация кислорода в крови будет находиться на достаточно высоком уровне, чтобы обеспечить насыщение Hb данным газом. На это указывает и отлогий график формирования и распада оксигемоглобина на верхнем его отрезке (верхний отрезок кривой свидетельствует о течении процесса насыщения О2 красного пигмента крови в легочной паренхиме и находится в пределах 75 – 98%).

Кривая диссоциации оксигемоглобина может быть разделена на 4 отрезка, каждому их которых соответствует определенный период образования оксигемоглобина (зависимость скорости насыщения хромопротеина кислородом от парциального давления газа в крови):

• 0 – 10 мм рт. ст. – гемоглобин не спешит насыщаться;
• 10 – 40 мм рт. ст. – оксигенация резко ускоряется (стремительный подъем кривой), доходя до 75%;
• 40 – 60 мм рт. ст. – оксигенация заметно замедляется, потихоньку добираясь до 90%;
• Значения PO2 пересекают отметку 60 мм рт. ст. – насыщение идет слабо (линия лениво ползет вверх). Однако кривая медленно продолжает стремиться к отметке 100%, но, так и не достигнув ее, останавливается на уровне 96 – 98%. Кстати, и такие показатели насыщения Hb кислородом отмечаются только у молодых и здоровых людей (PO2 артериальной крови ≈ 95 мм рт. ст., легочных капилляров – ≈ 100 мм рт. ст.). С возрастом дыхательные способности крови снижаются.

Несовпадение парциального давления кислорода артериальной крови и смеси газов в альвеолах легких трактуется:

1. Некоторыми разногласиями между интенсивностью тока крови и вентилированием разных отделов главного органа дыхания – легких;
2. Притоком незначительного объема крови из бронхиальных вен в венозные сосуды легких (шунтирование), где, как известно, течет артериальная кровь;
3. Прибытием доли крови из коронарных вен в левый желудочек сердца посредством тебезиевых вен (вены Тебезия-Вьессена), в которых проходимость возможна в обоих направлениях.

Между тем, причины, вследствие которых кривая образования и диссоциации оксигемоглобина приобрела сигмоидную форму, пока остаются не до конца выясненными.

Смещение кривой диссоциации оксигемоглобина

Но кривая диссоциации оксигемоглобина, о которой идет речь выше, справедлива, если в организме все нормально. В других ситуациях график может сдвигаться в ту или иную сторону.

В числовом выражении сродство гемоглобина к кислороду обозначается величиной P50 – напряжение полунасыщения красного пигмента крови кислородом или иными словами: парциальное напряжение О2, при котором 50% Hb пребывает в форме оксигемоглобина (оптимальные условия: рН – 7,4, tº – 37ºC). Нормальные значения этого показателя в артериальной крови приближаются к величине 34,67 гПа (26 мм рт. ст.). Смещение графика вправо указывает на то, что способность красного кровяного пигмента соединяться с кислородом снижается, что, естественно, увеличивает значения P50. И, наоборот – смещение кривой влево говорит об увеличении сродства этого хромопротеина к кислороду (↓P50.).

Ходу сигмоиды помогают некоторые факторы, повышающие обогащение крови кислородом и таким образом участвующие в тканевом дыхании, поэтому названные вспомогательными:

• Повышение водородного показателя (pH) крови (эффект Бора), поскольку способность гемоглобина присоединять кислород связана с водородным показателем (pH) данной биологической среды (гемоглобин представляет одну из четырех буферных систем и влияет на регуляцию кислотно-основного баланса, поддерживая pH на нужном уровне: 7,36 – 7,4). Следовательно, чем выше водородный показатель, тем активнее ведет себя гемоглобин в отношении кислорода и наоборот – снижение pH отнимает возможности хромопротеина присоединять кислород, например: ↓pH до 7,2 заставит график отклоняться вправо (≈ на 15%), ↑pH до 7,6 передвинет кривую диссоциации оксигемоглобина влево (≈ на 15%);
• Отделение углекислого газа от карбогемоглобина в легких и выход СО2 с выдыхаемым воздухом (эффект Бора-Вериго) на фоне повышения водородного показателя создает условия для жадного насыщения гемоглобина кислородом (образование оксигемоглобина в легких);
• Возрастание уровня значимого для обмена фосфата – 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ), содержание которого в крови меняется в зависимости от условий протекания обменных процессов;
• Снижение температуры в легких (в тканях она выше, нежели в легких) и чем ниже упадет tº, тем больше способностей присоединять кислород появляется у железосодержащего белка (при повышении температуры идет обратный эффект).

Уровень красного пигмента в крови, а также его способность присоединять кислород (кривая диссоциации оксигемоглобина) в некоторой степени подвержены возрастным колебаниям. Так, у младенцев, только-только известившим мир о своем появлении первым криком, количество гемоглобина заметно выше, что объясняется присутствием фетального гемоглобина, который, как известно, обладает повышенным сродством к кислороду. Красный пигмент крови стариков, напротив, постепенно снижает способности связывать кислород.

В заключение хочется заметить, что гемоглобин не только имеет сродство к кислороду и довольно легко соединяется с углекислым газом. Кроме физиологических соединений красного кровяного пигмента при определенных условиях возникают связи с другими газами, в частности – с угарным газом (CO) и оксидом азота (NO), причем соединение происходит также непринужденно

Высокое сродство Hb к угарному газу влечет образование карбоксигемоглобина (HHbCO), который препятствует соединению хромопротеина с кислородом, а в результате этого ткани остаются без O2. К чему это может привести – всем известно: при отравлении угарным газом высок риск смертельного исхода, если вовремя не помочь человеку.

При отравлении оксидом азота или парами нитробензола гемоглобин переходит в метгемоглобин (HHbOH) с изменением валентности железа (II → III). Метгемоглобин также не позволяет кислороду соединиться с гемоглобином, в итоге – наступает кислородное голодание тканей, создается угроза жизни организма.

Видео: о транспорте кислорода и углекислого газа гемоглобином

Рекомендации читателям СосудИнфо дают профессиональные медики с высшим образованием и опытом профильной работы.

На ваш вопрос в форму ниже ответит один из ведущих авторов сайта.

В данный момент на вопросы отвечает: А. Олеся Валерьевна, к.м.н., преподаватель медицинского вуза

Поблагодарить специалиста за помощь или поддержать проект СосудИнфо можно произвольным платежом по ссылке.

ГЕМОГЛОБИН

ГЕМОГЛОБИН (от греч. haima — кровь и лат. globus — шар) — дыхательный пигмент (красящее вещество) крови.

Гемоглобин — сложное белковое соединение, обладающее способностью образовывать непрочные, легко распадающиеся соединения с кислородом и некоторыми другими газами.

Гемоглобин обеспечивает перенос кислорода из легких к тканям организма и участвует в переносе углекислоты из тканей в легкие.

Гемоглобин человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных находится в красных кровяных тельцах — эритроцитах и придает им красный цвет.

Содержание гемоглобина в эритроцитах характеризуется так называемым цветным показателем, колеблющимся в норме от 0,7 до 1,0 и получаемым делением количества гемоглобина на удвоенное число сотен тысяч красных кровяных телец.

Таким образом, при 85% гемоглобине и 5 ООО ООО эритроцитов
цветной показатель будет равен 85/50×2 = 0,85.

В легких, где содержание кислорода высокое, происходит присоединение его к гемоглобину с образованием оксигемоглобина; последний имеет свойство легко отдавать кислород: кровь, насыщенная кислородом, имеет характерный для оксигемоглобина ярко-алый цвет (артериальная кровь).

При прохождении ее по сосудистым капиллярам, где напряжение кислорода более низкое, происходит распад оксигемоглобина на гемоглобин и кислород и поглощение кислорода тканями.

Кровь при этом приобретает темный цвет (венозной кровь).

Около 20% углекислоты, которая выделяется тканями, соединяется с гемоглобином и образует карбогемоглобин, распадающийся в легких с выделением углекислоты.

Гемоглобин легко связывается также с угарным газом (окисью углерода), образуя стойкое соединение — карбоксигемоглобин (распадается в 300 раз медленнее, чем оксигемоглобин); гемоглобин при этом теряет способность присоединять кислород, вследствие чего нарушается процесс дыхания.

Количество гемоглобина в крови человека — величина довольно постоянная; однако при некоторых заболеваниях она может изменяться.

Возрастные изменения содержания гемоглобина в крови мужчин и женщин.

Пониженное содержание гемоглобина в крови (см. Анемия) наблюдается при недостаточном содержании в пище витаминов, ряда минеральных солей или является одним из симптомов болезней крови, а также сопровождает некоторые заболевания (злокачественные опухоли) и кровопотери.

Поэтому определение количества гемоглобина в крови широко используется в медиинской практике с диагностическими целями.

Измерение количества гемоглобина производится с помощью особого прибора — гемометра.

Применение его основано на сравнении интенсивности окраски цельной или специально обработанной крови с окраской стандарта (раствор или цветное стекло).

Количество гемоглобина выражается в грамм-процентах (количество граммов гемоглобина в 100 мл крови) или в условных процентах (100% соответствуют 16,7 г гемоглобина в 100 мл крови).

Нормально у взрослого мужчины содержится 13-16 грамм-процентов гемоглобина (80-95% по Сали), у женщины — на 2% меньше.

После разрушения эритроцитов гемоглобин превращается в печени в желчные пигменты (билирубин и биливердин), выделяющиеся с желчью.

Лекция № 9.

Тема «ОБМЕН ХРОМОПРОТЕИДОВ».

План изложения:

1.Хромопротеины. Гемоглобин и миоглобин. Строение, функции, биологическое значение для организма, отличия.

2.Оксигенирование гемоглобина и миоглобина.

3.Синтез гема.

4.Распад гемоглобина в организме.

5.Клиническое значение исследования пигментов. Лабораторные показатели желтух.

К хромопротеинам относятся гемоглобин, миоглобин, хлорофилл.

Гемоглобин и миоглобин – сложные белки класса хромопротеинов подгруппы гемопротеинов, так как небелковой их частью является гемм.

Уникальным свойством этих белков является обратимое связывание с молекулами кислорода без изменения степени окисления иона железа

(Fe 2 +).

Отличаются эти белки локализацией и функциями.

1.Гемоглобин находится в эритроцитах, транспортирует кислород из лёгких к тканям, а из тканей в лёгкие переносит углекислый газ и протоны водорода. Эта его функция тесно связана с регуляцией кислотно-основного состояния в организме.

2.Миоглобин локализуется в цитоплазме мышечных клеток (красные мышцы), особенно много его в миокарде, сохраняет запас кислорода для анаэробного митохондриального окисления при интенсивной мышечной работе и транспортирует кислород внутриклеточно к митохондриям.

3.Сродство миоглобина к кислороду выше, чем у гемоглобина.

Различия в функциях этих белков обусловлены разной структурной организацией их молекул.

1.Миоглобин состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 153 остатка аминокислот.

2.Гемоглобин имеет четыре попарно идентичные полипептидные цепи. У основного гемоглобина взрослых HbA комбинируются 2 альфа цепи, состоящие из 141 остатка аминокислот, и 2 вета-цепи, содержащие по 146 остатков.

3.Третичная конформация этих цепей очень похожа на аналогичную в молекуле миоглобина с той разницей, что в альфа цепи имеется семь спирализованных участков.

Каждая полипептидная цепь, соединённая с молекулой гема, образует субъединицу. Четыре субъединицы, взаимодействуя между собой нековалентными связями, укладываются в форме тетраэдра, образуя глобулярную четвертичную структуру.

Присоединение молекулярного кислорода к гемоглобину и миоглобину осуществляется через ион железа гема. Этот процесс называют оксигенированием(не окислением, так как он не приводит к изменению степени окисления железа!). Оксигенированные белки называют оксигемоглобинами (HbO 2) и оксимиоглобинами (MyoHbO 2).

На процесс оксигенирования гемоглобина влияют:

1.парциальное давление кислорода, углекислого газа,

2.концентрация протонов водорода (pH)

3.концентрация 2,3 – дифосфоглицерата (2,3- ДФГ) – промежуточного метаболита гликолиза в эритроцитах.

Четвертичная структура гемоглобина наделяет гемоглобин уникальной способностью насыщаться кислородом постепенно, достигая максимума при высоком парциальном давлении, и отдавать часть кислорода в ткани при снижении pO 2.

Пусковым механизмом изменения конформации гемоглобина при взаимодействии с О 2 при его высоком давлении служит перемещение иона железа в плоскость порфиринового кольца.

Максимальное насыщение кислородом ( на 96%) происходит в эритроцитах лёгочных капилляров при pO 2 = 100 мм рт.ст. В венозной крови гемоглобин насыщен кислородом только на 64%, следовательно 32% кіслорода переходит в ткани. Другими словами, на уровне периферических тканей происходит снижение сродства гемоглобина к кислороду и частичное дезоксигенирование.

Этому способствуют следующие условия:

1.низкое парциальное давление кислорода в периферических тканях (40 мм рт.ст.), а в работающих мышцах 20 мм рт. ст., так как в тканях кислород быстро используется на окислительное фосфорилирование для получения АТФ и некоторые другие процессы;

2.высокое pCO 2 образующееся в тканях в результате декарбоксилирования альфа- кетокислот, аминокислот, других карбоновых кислот в процессе метаболизма.

3. увеличение концентрации 2,3 – ДФГ, стимулируемое высоким рCO 2 Молекула оксігемоглобіна связывается определённым центром с молекулой 2, 3- дифосфоглицерата, что приводит к изменению конформации и освобождению части О 2.

Таким образом, оксигемоглобин снабжает ткани кислородом.

Оксигенирование миоглобина в мышцах и быстро и при низком парциальном давлении О 2 (20мм рт. ст.). Сродство миоглобина к кислороду выше, чем у гемоглобина. При интенсивной мышечной работе, приводящей к быстрому кислородному голоданию (рО 2 снижается до 5 мм рт. ст.) в клетке, оксимиоглобин переносит О 2, к митохондриям и отдаёт его в матрикс, где находится фермент цитохромоксидаза, имеющий более высокое сродство

к О 2, чем гемоглобин., и использующий кислород в качестве акцептора электронов.

СИНТЕЗ ГЕМА.

Гемоглобин синтезируется на стадии созревания эритроцитов. Он состоит из 4 полипептидов и 4-х молекул гема. Синтез гема происходит в митохондриях клеток костного мозга, печени, почках, слизистой кишечника, в ретикулоцитах. Субстратом дла синтеза гема являются глицин и сукцинил- КоА.

В6

Глицин +сукцинил – КоА порфобилиноген протопорфирин IX Fe 2+ гемм.

Транспорт гема в плазме крови осуществляется белком гемопексином. Это предотвращает повреждение почечного фильтра прооксидантом Fe 2+ и сохраняет гемм и Fe 2+ в организме.

Распад гемоглобина в организме.

Поступающий с пищей Hb в ЖКТ распадается на белковую часть – глобин и небелковую – гем. Глобин распадается до аминокислот, которые всасываются и поступают в кровь. Гем окисляется в гематин и выводится с калом, т е. не используется организмом.

Эндогенный гемоглобин распадается следующим образом:

процесс распада Er протекает в селезёнке, к/м, печени, СМФ (купферовские клетки, плазматические клетки, гистиоциты). Часть Er распадается в кровеносном русле. Освободившийся при этом Hb (около 8 – 9г), адсорбируется в крови гаптоглобином, одна молекула которого может связывать две молекулы гемоглобина. Образующийся комплекс адсорбируется клетками ретикулоэндотелиальной системы (РЭС) из крови, циркулирующей в печени, селезёнке, костном мозге и других органах.

Hb, окисляясь при помощи оксигеназы превращается в вердоглобин (пигмент зелёного цвета), вердоглобин нестойкое соединение, которое распадается на Fe (захватывается трансферрином и в печени откладывается в виде ферритина) и глобин ( гидролиз до аминокислот).

Образуется биливердин, который восстанавливается в эндоплазматическом ретикулуме клеток Купфера в присутствие биливердин – редуктазы в основной желчный пигмент человека -билирубин, так называемый «непрямой билирубин» (пигмент оранжевого цвета, токсичный, водонерастворимый).

«Непрямым» свободный билирубин называется потому, что не даёт прямой цветной реакции с диазореактивом, поскольку из-за плохой растворимости в воде он легко адсорбируется на белках плазмы крови.

Он быстро выводится из клеток Купфера и поступает в кровь, где адсорбируется альбумином. Такой комплекс называется свободным, непрямым, неконъюгированным билирубином. Он менее токсичен, нерастворим в воде и не проходит через почечный фильтр.

Этот комплекс с током крови поступает в печень, где распадается, а билирубин поступает в клетки печени – гепатоциты. Здесь билирубин взаимодействует с глюкуроновой кислотой с образованием глюкоронидбилирубина. В таком виде билирубин не токсичен, водорастворим и называется связанным билирубином (прямой, конъюгированный).

В клетках печени накапливается связанный билирубин, который поступает в желчный пузырь и входит в состав желчных пигментов. С желчью билирубин поступает в кишечник, где распадается. Освободившийся билирубин под воздействием ферментов микрофлоры толстого кишечника превращается в мезобилиноген. Небольшая часть мезобилиногена всасывается в кровь и по воротной вене доставляется в печень, где расщепляется до дипирролов, которые задерживаются печенью и не поступают в общий кровоток.

В сутки человек выделяет от 250 до 300 мг стеркобилиногена, который легко окисляется под действием света и воздуха до стеркобилина. Лишь небольшая часть билирубина (от 5 до 20 мг) выводится с калом в неизменном виде. Небольшая часть стеркобилиногена (до 5%) после всасывания через систему нижних геморроидальных вен попадает в большой круг кровообращения, минуя печень, и в таком виде выводится почками с мочой (около 4 мг в сутки).

Уробилиноген мочи и стеркобилиноген кала, окисляясь на воздухе, превращаются в уробилин и стеркобилин – пигменты мочи и кала.

Лабораторное определение уровня билирубина имеет большое значение в диагностике заболеваний печени, гемолитических состояниях (ГБН и др.).

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту: