Кривые диссоциации гемоглобина и миоглобина
Особые свойства молекулы гемоглобина, которые делают его столь эффективным переносчиком кислорода в крови, легче всего уяснить из сравнения миоглобина и гемоглобина в отношении их сродства к кислороду. На рис. 8-16 показаны кривые насыщения кислородом для гемоглобина и миоглобина, характеризующие степень насыщения этих белков кислородом (т.е. отношение числа участков молекулы, связывающих кислород, к общему числу участков, способных к такому связыванию) в зависимости от парциального давления газообразного кислорода, находящегося в равновесии с раствором белка.
Рис. 8-15. Фоток рафия нормальных эритроцитов человека, полученная при помощи сканирующего электронного микроскопа.
Прежде всего из графика ясно, что миоглобин имеет очень высокое сродство к кислороду: при парциальном давлении кислорода, равном всего лишь 1-2 мм рт. ст., он уже на 50% насыщен кислородом. Кроме того, мы видим, что кривая насыщения миоглобина кислородом имеет вид простой гиперболы, как и следует ожидать из закона действующих масс применительно к равновесной реакции:
При парциальном давлении кислорода, равном 20 мм рт. ст., миоглобин оказывается насыщенным кислородом более чем на 95%. В отличие от миоглобина гемоглобин характеризуется значительно более низким сродством к кислороду; кроме того, кривая насыщения гемоглобина кислородом имеет сигмоидную, т.е. S-образную, форму (рис. 8-16). Это означает, что при связывании первой молекулы кислорода (нижняя часть S-образной кривой, соответствующая парциальным давлениям кислорода ниже 10 мм рт. ст.), гемоглобин имеет очень низкое сродство к кислороду, тогда как при связывании следующих молекул кислорода его сродство к ним становится намного выше, о чем свидетельствует крутая часть -образной кривой.
Рис. 8-16. Кривые насыщения кислородом для миог лобина и гемоглобина. Миоглобин обладает намного более высоким сродством к кислороду, чем гемоглобин. 50%-ное насыщение миоглобина кислородом достигается уже тогда, когда парциальное давление О, составляет всего 1 -2 мм рт. ст., тогда как для гемоглобина такое насыщение кислородом наступает лишь при парциальном давлении кислорода около 26 мм рт. ст. Обратите внимание, что в артериальной крови, вытекающей из легких (при парциальном давлении кислорода около 100 мм рт. ст.) оба белка – и миоглобин и гемоглобин – насыщены кислородом более чем на 95 %„ тогда как в покоящейся мыщце, где парциальное давление кислорода равно 40 мм рт. ст., гемоглобин насыщен кислородом лишь на 75%, а в работающей мышце при парциальном давлении кислорода всего около 10 мм рт. ст. только на 10%. Таким образом, гемоглобин очень эффективно отдает свой кислород в мышцах и других периферических тканях. Что же касается миоглобина, то при парциальном давлении кислорода, равном всего 10 мм рт. ст„ он все еще остается насыщенным кислородом почти на 90% и поэтому даже при столь низких парциальных давлениях кислорода отдает очень малую часть связанного с ним кислорода. Таким образом, сигмоидная кривая насыщения гемоглобина кислородом является результатом молекулярной адаптации гемоглобина к выполнению им транспортной функции в составе эритроцитов.
Фактически после связывания первой молекулы кислорода сродство повышается почти в 500 раз. Таким образом, четыре гемсодержащие полипептидные субъединицы гемоглобина различаются по степени их сродства к кислороду и зависят друг от друга в процессе его связывания.
Как только первая гемсодержащая полипептидная субъединица свяжет молекулу кислорода, она передает информацию об этом остальным субъединицам, у которых сразу же резко повышается сродство к кислороду. Такой обмен информацией между четырьмя гемсодержащими полипептидными субъединицами гемоглобина обусловлен кооперативным взаимодействием между субъединицами. Поскольку связывание первой молекулы кислорода одной из субъединиц гемоглобина увеличивает вероятность связывания следующих молекул кислорода остальными субъединицами, мы говорим, что гемоглобин имеет положительную кооперативностъ. Для положительной кооперативности характерны сигмоидные кривые связывания, подобные кривой насыщения гемоглобина кислородом. При связывании кислорода миоглобином, содержащим одну гемогруппу, молекула белка может присоединить только одну молекулу кислорода; в этом случае кооперативного связывания не наблюдается и кривая насыщения имеет вид простой гиперболы. Теперь мы понимаем. почему миоглобин и гемоглобин столь сильно различаются между собой по кислород-связывающей способности.
Мы будем использовать термин лиганд для обозначения специфической молекулы, связывающейся с белком; это может быть, например, молекула кислорода, если речь идет о гемоглобине (слово «лиганд» происходит от латинского слова, которое переводится как «связывать», «присоединять» и буквально означает «то, что присоединяется»). Многие другие олигомерные белки тоже имеют по нескольку лиганд-связывающих центров и, подобно гемоглобину, проявляют положительную кооперативность. Однако есть олигомерные белки, проявляющие отрицательную кооперативность: в этом случае связывание одной молекулы лиганда уменьшает вероятность связывания других молекул лиганда.
Факторы, влияющие на кривую насыщение гемоглобина кислородом. Эффект Бора. Структура и свойства миоглобина и гемоглобина.
Подробности
Кривая диссоциации гемоглобина – S-образной формы <=кислор.насыщение SO2=100%•[HbO2]/([Hb]+[HbO2]); но присоединение идет как 4-х-стадийный процесс =>4 константы равновесия =>форма сложнее, не такая, как у миоглобина (Mb+O2-MbO2).
Интерпретация кривой диссоциации гемоглобина:
1. В области высоких напряжений – почти горизонт. =>даже при знач.снижении РО2 насыщение Hb изменяется слабо.
2. В середине графика – более вертик. =>при возросших потребностях =>vPO2 в венозной крови =>насыщение падает очень сильно =>О2 насыщает ткани лучше. Артерио-венозная разница [O2] =0,05 (0,2 – в арт.крови, 0,15 – в венозной =>использ-ся только 25%).
Факторы, влияющие на кривую диссоциации гемоглобина:
1. Температура. увеличение температуры =>кривая – вправо, снижеается угол наклона (снижение сродства);
2. Влияние рН (эффект Бора): снижение рН =>уменьшение угла наклона (снижение сродства). увеличивается РСО2 = снижается рН +собств.эффект на гемоглобин.
Эффект Бора.
Эффект Вериго — Бора (синонимы — эффект Вериго, эффект Бора) — зависимость степени диссоциации оксигемоглобина от величины парциального давления углекислоты в альвеолярном воздухе и крови, при снижении которого сродство кислорода к гемоглобину повышается, что затрудняет переход кислорода из капилляров в ткани.
Биологический смысл кривой диссоциации гемоглобина:
1. В легких – поглощение О2 => снижение O2 => снижение сродства. Но одновременно – выводится СО2 => повышается сродство.
2. В ткани – выделение из тканей СО2 => кривая вправо => снижение сродства => лучшее насыщение тканей О2.
Гемоглобин представляет собой белок глобин, связанный с четырьмя группами гемма – порфириновыми железосодержащими группировками. В свою очередь глобин состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых включает две полипептидные цепи. Гемоглобин диссоциирует на четыре субъединицы примерно одинакового молекулярного веса, в состав каждой из которых входит одна полипептидная цепь и один гем.
Миоглобин — дыхательный пигмент, служащий для запасания О2 в мышцах позвоночных,- эквивалентен одной субъединице гемоглобина. Атом двухвалентного железа, включенный в порфириновое кольцо тема, образует координационные связи с четырьмя атомами азота, входящими в состав пиррольных группировок. Оставшиеся две координационные связи используются для присоединения тема к имидазольному кольцу глобина и для связывания кислорода.
Гемоглобин, присоединивший О2, называется оксигемоглобином, а свободный от кислорода — дезоксигемоглобином. Свойства разных видов гемоглобина в процессе связывания кислорода различны и зависят от особенностей структуры молекулы глобина. Когда кислород соединяется с гемоглобином и образует оксигемоглобин, железо не окисляется. В том случае, если железо в группе тема все же становится трехвалентным, образуется метгемоглобин, не способный связывать кислород и, следовательно, не может участвовать в его переносе. Метгемоглобин образуется в организме в естественных условиях, однако в эритроцитах содержится фермент метгемоглобинредуктаза, восстанавливающий его до “нормального” гемоглобина с двухвалентным железом. Некоторые вещества (нитриты и хлораты) способны либо окислять гемоглобин, либо инактивировать метгемоглобинредуктазу. При этом увеличивается содержание в крови метгемоглобина и нарушается перенос кислорода.
Сродство гемоглобина к окиси углерода (угарному газу, СО) примерно в 200 раз выше, чем к кислороду. В связи с этим даже при очень низких парциальных давлениях угарного газа он может вытеснять кислород из соединения с гемоглобином и полностью насыщать последний. Это приводит к резкому снижению поступления кислорода к тканям.
Гемоглобин, насыщенный окисью углерода, называется карбоксигемоглобином. При связывании гемоглобина с угарным газом окислительные обменные процессы страдают в такой же степени, как и при отсутствии кислорода.
О2 связывается с протомерами гемоглобина через Fe2+ , который соединён с четырьмя атомами азота пиррольных колец тема и атомом азота
Рис. 1-32. Строение гемоглобина.
Гис F8 белковой части протомера. Связывание О2 с оставшейся свободной координационной связью Fe2+ происходит по другую сторону от плоскости гема в области Гис Е7 (аналогично тому, как это происходит у миоглобина). Гис Е7 не взаимодействует с О2, но обеспечивает оптимальные условия для его связывания (рис. 1-33).
В дезоксигемоглобине благодаря ковалентной связи с белковой частью атом Fe2+ выступает из плоскости гема в направлении Гис F8. Присоединение О2 к атому Fe2+ одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема, за ним перемещаются остаток Гис F8 и полипептидная цепь, в состав которой он входит. Так как протомер связан с остальными протомерами, а белки обладают конформационной лабильностью, происходит изменение конформации всего белка. Конформационные изменения, произошедшие в других протомерах, облегчают присоединение следующей молекулы О2, что вызывает новые конформационные изменения в белке и ускорение связывания следующей молекулы О2. Четвёртая молекула О2 присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая молекула (рис. 1-34).
Рис. 1-33. Изменение прложения Fe2+ и белковой части гемоглобина при присоединении О2.
Рис. 1-34. Кооперативные изменения конформации протомеров гемоглобина при присоединении О2.
Изменение конформации (а следовательно и функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка при присоединении лиганда только к одному из них носит название кооперативных изменений конформации протомеров.
Аналогичным образом в тканях диссоциация каждой молекулы О2 изменяет конформацию всех протомеров и облегчает отщепление последующих молекул О2.
Кривые диссоциации О2 для миоглобина и гемоглобина
Кооперативность в работе протомеров гемоглобина можно наблюдать и на кривых диссоциации О2 для миоглобина и гемоглобина (рис. 1-35).
Отношение занятых О2 участков связывания белка к общему числу таких участков, способных к связыванию, называется степенью насыщения этих белков кислородом. Кривые диссоциации показывают, насколько насыщены данные белки О2 при различных значениях парциального давления кислорода.
Кривая диссоциации О2 для миоглобинаимеет вид простой гиперболы. Это указывает на то, что миоглобин обратимо связывается с лигандом, и на это не оказывают влияние никакие посторонние факторы (схема ниже).
Схема
Рис. 1-35. Кривые диссоциации кислорода для миоглобина и гемоглобина в зависимости от парциального давления кислорода.
Процессы образования и распада оксимиоглобина находятся в равновесии, и это равновесие смещается влево или вправо в зависимости от того, добавляется или удаляется кислород из системы. Миоглобин связывает кислород, который в капиллярах тканей высвобождает гемоглобин, и сам миоглобин может освобождать О2 в ответ на возрастание потребностей в нём мышечной ткани и при интенсивном использовании О2 в результате физической нагрузки.
Миоглобин имеет очень высокое сродство к О2. Даже при парциальном давлении О2, равном 1-2 мм рт. ст., миоглобин остаётся связанным с О2 на 50%.
Кривая диссоциации О2 для гемоглобина.Из графика на рис. 1-35 видно, что гемоглобин имеет значительно более низкое сродство к О2; полунасыщение гемоглобина О2 наступает при более высоком давлении О2 (около 26 мм рт. ст.).
Кривая диссоциации для гемоглобина имеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше О2 отдают протомеры, тем легче идёт отщепление последующих молекул О2.
В капиллярах покоящихся мышц, где давление О2 составляет около 40 мм рт. ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в лёгкие. При физической работе давление О2 в капиллярах мышц падает до 10-20 мм рт. ст. Именно в этой области (от 10 до 40 мм рт. ст.) располагается “крутая часть” S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы протомеров.
Следовательно, благодаря уникальной структуре каждый из рассмотренных белков приспособлен выполнять свою функцию: миоглобин – присоединять О2, высвобождаемый гемоглобином, накапливать в клетке и отдавать в случае крайней необходимости; гемоглобин – присоединять О2 в лёгких, где его насыщение доходит до 100%, и отдавать О2 в капиллярах тканей в зависимости от изменения в них давления О2
4. Перенос Н+ и С02 из тканей в лёгкие
с помощью гемоглобина. Эффект Бора
Окисление органических веществ с целью получения энергии происходит в митохондриях клеток с использованием О2, доставляемого гемоглобином из лёгких. В результате окисления веществ образуются конечные продукты распада – СО2 и Н2О, количество которых пропорционально интенсивности процессов окисления. СО2, образовавшийся в тканях, транспортируется в эритроциты. Там под действием фермента карбангидразы происходит увеличение скорости образования Н2СО3. Слабая угольная кислота может диссоциировать на Н+ и НСО3-
СО2 + Н2О – H2CO 3 – H+ + HCO3-.
Равновесие реакции в эритроцитах, находящихся в капиллярах тканей, смещается вправо, так как образующиеся в результате диссоциации угольной кислоты протоны могут присоединяться к специфическим участкам молекулы гемоглобина: к радикалам Гис146 двух ?-цепей, радикалам Гис122 и концевым ?-аминогруппам двух ?-цепей. Все эти 6 участков при переходе гемоглобина от окси- к дезоксиформе приобретают большее сродство к Н+ в результате локального изменения аминокислотного окружения вокруг этих участков (приближения к ним отрицательно заряженных карбоксильных групп аминокислот).
Присоединение 3 пар протонов к гемоглобину уменьшает его сродство к О2 и усиливает транспорт О2 в ткани, нуждающиеся в нём (рис. 1-36, А). Увеличение освобождения О2 гемоглобином в зависимости от концентрации Н+ называют эффектом Бора (по имени датского физиолога Христиана Бора, впервые открывшего этот эффект).
В капиллярах лёгких высокое парциальное давление О2 приводит к оксигенированию гемоглобина и удалению 6 протонов. Реакция СО2 + Н2О – Н2СО3 – Н+ + НСО3- сдвигается влево и образующийся СО2 выделяется в альвеолярное пространство и удаляется с выдыхаемым воздухом (рис. 1-36, Б). Следовательно, молекула гемоглобина в ходе эволюции приобрела способность воспринимать и реагировать на информацию, получаемую из окружающей среды. Увеличение концентрации протонов в среде снижает сродство О2 к гемоглобину и усиливает его транспорт в ткани (рис. 1-37).
Большая часть СО2 транспортируется кровью в виде бикарбоната НСО3-. Небольшое количество
Рис. 1-36. Перенос Н+ и СО2 с кровью. Эффект Бора. А – влияние концентрации СО2 и Н+ на высвобождение О2 из комплекса с гемоглобином в тканях (эффект Бора); Б – оксигенирование дезоксигемоглобина в лёгких, образование и выделение СО2.
Рис. 1-37. Влияние рН на кривую диссоциации О2 для гемоглобина.
СО2 (около 15-20%) может переноситься в лёгкие, обратимо присоединяясь к неионизированным концевым ?-аминогруппам. R-NH2+ СО2 = R-NH-COO + Н+, в результате образуется карбогемоглобин, где R – полипептидная цепь гемоглобина. Присоединение СО2 к гемоглобину также снижает его сродство к О2.
5. 2,3-Бифосфоглицерат – аллостертеский регулятор сродства гемоглобина к О2
2,3-Бифосфоглицерат (БФГ) – вещество, синтезируемое в эритроцитах из промежуточного продукта окисления глюкозы 1,3-бифосфоглицерата.
Несмотря на то, что исследование кислотно-основного состояния, строго говоря, подразумевает исследование только величины pH (концентрации ионов H+), в реальности в него также включается исследование физиологически важных газов, присутствующих в крови – O2 и CO2. Анализ газов показывает эффективность газообмена по величинам парциальных давлений – pO2 и pCO2.
Через альвеолярную мембрану молекулы любых газов перемещаются диффузно по градиенту концентрации. Молекулы O2 атмосферного воздуха поступают из альвеол в кровь, а молекулы CO2 из крови в альвеолы до тех пор пока их парциальные давления не выровняются.
Величина парциального давления – это процентная доля газа в общем объеме.
Углекислый газ
Концентрация СО2 в альволярном воздухе столь низка, а в крови столь высока, что диффузия этого газа в альвеолы чрезвычайно эффективна и скорость его удаления зависит только от альвеолярной вентиляции – общего объема воздуха, транспортируемого в минуту между альвеолами и атмосферой (“скорости выдувания”).
Следовательно,
- при усиленной вентиляции легких углекислый газ быстро выводится, и показатель pCO2в крови снижается. Это означает потерю организмом угольной кислоты (ионов H+), что является причиной защелачивания крови – алкалоза, называемого дыхательным или респираторным.
- при недостаточной альвеолярной вентиляции величина рСО2 повышается, что свидетельствует о недостаточном его удалении и накоплении H2CO3. Иными словами, повышение в крови показателя рСО2 является причиной дыхательного ацидоза.
Увеличенное pCO2 (гиперкапния) всегда свидетельствует о снижении альвеолярной вентиляции.
Кислород
Вопросы, связанные с оксигенацией крови и транспортом кислорода более сложны. Связано это с тем, что в виде свободных (растворенных) молекул O2 находится лишь небольшая доля общего кислорода крови. Основная часть кислорода связана с гемоглобином (оксигемоглобин) и истинное содержание кислорода зависит от двух дополнительных параметров – концентрации Hb и насыщения (сатурации) гемоглобина кислородом.
Оксигемоглобин
Оксигемоглобин (HbО2) – процентное содержание в крови, является отношением фракции оксигемоглобина (HbО2) к сумме всех фракций (общему гемоглобину).
Насыщение гемоглобина кислородом
Насыщение гемоглобина кислородом (HbOSAT, SО2), представляет собой отношение фракции оксигенированного гемоглобина к тому количеству гемоглобина в крови, который способен транспортировать О2.
Отличия между двумя показателями HbО2 и HbOSAT заключаются в том, что у пациентов возможно наличие в крови такой формы гемоглобина, которая не способна акцептировать О2 (Hb‑CO, metHb, сульфоHb). Но так как большинство больных не имеют в крови повышенного содержания этих форм гемоглобина, значения HbО2 и SО2 обычно очень близки.
Например, если при отравлении нитритами количество metHb составляет 15%, тогда величина HbО2 никогда не сможет превысить 85%, но насыщение (HbOsat) может быть различно – от максимума (HbOsat=95-98%) при полном насыщении до низких величин при отсутствии кислорода.
Показатель насыщения кислородом показывает процент доступных мест связывания на гемоглобине.
Иллюстрация понятий оксигемоглобина (HbO2) и насыщения гемоглобина (HbO2sat)
Парциальное давление кислорода (pO2)
Парциальное давление O2 выступает как движущая сила, приводящая к насыщению гемоглобина кислородом. И хотя, как правило, чем выше pO2 тем выше HbOsat, эта зависимость не является линейной.
Кривая диссоциации гемоглобина в норме и
при изменении pH и концентрации 2,3-дифосфоглицерата
В центральной части кривой насыщения (или кривой диссоциации) гемоглобина малейшие сдвиги pO2 приводят к резким изменениям насыщения гемоглобина. И наоборот, при высоком pO2 (80-90-100 мм рт.ст) кривая становится плоской, насыщение гемоглобина мало зависит от колебаний кислорода в плазме.
Сдвиг влево происходит при защелачивании и снижении концентрации 2,3-дифосфоглицерата и сигнализирует об увеличении сродства кислорода к гемоглобину (в легких). Сдвиг вправо – это снижение сродства кислорода к гемоглобину (в тканях), обеспечивается закислением среды и накоплением 2,3-дифосфоглицерата.
Показатель pO2 не отражает содержание кислорода в цельной крови! Но хотя pO2 и не показывает общее количество кислорода в крови, но это общее количество зависит от pO2 через показатель сатурации гемоглобина.
В свою очередь имеются факторы, влияющие на величину pO2:
1. Альвеолярная вентиляция. Хотя она влияет как на pO2 так и на pCO2, но доля кислорода в альвеолах при гипервентиляции может лишь слегка увеличиться, приближаясь к pO2 атмосферного воздуха, при гиповентиляции – стремительно падает, вытесняясь поступающим из крови CO2. В то же время доля CO2 в альвеолах быстро снижается при усиленной вентиляции.
2. Вентиляционно-перфузионное соотношение, определяется тем, что
- не вся кровь, притекающая к легким, соприкасается с хорошо вентилируемыми альвеолами (спадение альвеол, уплотнение стенки).
- не все хорошо вентилируемые альвеолы получают достаточно крови (правожелудочковая сердечная недостаточность).
3. Концентрация кислорода во вдыхаемом воздухе (FiO2, fraction of inspired oxygen).
В таблице приведены сравнительные величины концентрации кислорода и углекислого газа в воздухе, крови и тканях.
Необходимо обратить внимание на перепады концентраций кислорода и углекислого газа в крови и альвеолярном воздухе. Важной особенностью является то, что pO2 в альвеолярном воздухе и артериальной крови очень близки, т.е. в обычных условиях глубоким и/или частым дыханием невозможно повысить потребление кислорода и насыщение им гемоглобина. В то же время разность концентраций pCO2 в венозной крови и альвеолярном воздухе позволяет эффективно его удалять при частом дыхании.
| pO2, мм рт.ст. | pCO2, мм рт.ст | |
| Вдыхаемый воздух | 159 | 0,23 |
| Альвеолярный воздух | 105-110 | 40 |
| Артериальная кровь | 83-108 | 35-45 |
| Ткани | 10-20 | 50-60 |
| Венозная кровь | 35-49 | 46-51 |
| Выдыхаемый воздух | 116 | 32 |