Реакция гемоглобина с угарным газом
Отравление угарным газом. КарбоксигемоглобинемияКлассическим примером повреждающего действия на кровь с нарушением ее дыхательной функции, обусловленным инактивацией кровяного пигмента — гемоглобина, служит образование карбоксигемоглобина (НbСО) под влиянием оксида углерода. Превращение гемоглобина в НbСО приводит к изменению спектральных характеристик крови, что легло в основу количественного определения его в крови. НbСО образуется в результате взаимодействия оксида углерода (СО) с железом гемоглобина, что лишает его способности к оксигенации, приводит к нарушению транспортной функции и как результат вызывает развитие гемической гипоксии. Появление НbСО служит следствием поступления СО в легкие с вдыхаемым воздухом. Образование НbСО начинается с периферии эритроцитов уже в легочных капиллярах. В дальнейшем с увеличением содержания СО во вдыхаемом воздухе НbСО образуется не только в периферических отделах эритроцита, но и в центральных его отделах. Причем скорость образования НbСО прямо пропорциональна величине концентрации СО во вдыхаемом воздухе, а максимум его в крови определяется временем контакта. Способность гемоглобина связывать 02 и СО одинакова при условии, что 1 г гемоглобина может связывать 1,33—1,34 мл 02. Эта зависимость носит название константы Хюфнера. Вместе с тем сродство гемоглобина к СО в 250—300 раз больше, чем к 02. Примечательно, что оболочка эритроцитов служит своего рода защитным барьером при образовании НbСО, так как во взвеси эритроцитов этого деривата гемоглобина образуется на 20 % меньше, чем в растворе гемоглобина. Валентность железа в НbСО остается неизмененной, происходит лишь перестройка связей Fe2+. Все непарные электроны участвуют в образовании НbСО. Параллельно с образованием связей между СО и Fe2+ изменяется характер связи железа с глобином и порфирином. Она теряет свой ионный характер и превращается в ковалентную. Взаимодействие СО с Нb02 выражается взаимно сопряженными реакциями. нbо2 + со -> нbсо + о2
Скорость этих реакций и образование НЬСО определяются парциальным давлением СО и О2 в воздухе. При этом количество образовавшегося НbCO мо пропорционально давлению СО в окружающей среде и обратно пропорционально давлению 02. Несмотря на высокое, как указывалось выше, сродство СО к гемоглобину, ассоциация его с гемоглобином происходит в 10 раз медленнее, чем таковая с 02. Однако при этом диссоциация HbСО протекает в 3600 раз медленнее, чем диссоциация Нb02. По этой причине HbCO очень быстро накапливается в крови даже при сравнительно небольшом содержании СО во вдыхаемом воздухе. Таким образом, помимо выключения части гемоглобина из транспорта кислорода, еще одним патогенетически важным звеном в нарушении дыхательной функции крови на фоне карбоксигемоглобинемии служит замедление диссоциации оксигемоглобина под влиянием НЬСО, что известно под названием эффекта Холдена. Так в физиологических условиях повышение концентрации С02 в крови способствует ускоренному отщеплению 02 от НЬ02, при наличии НЬСО этот сбалансированный процесс нарушается. Принято считать, что суть эффекта Холдена заключается в том, что при взаимодействии СО с гемоглобином поступивший в кровь СО соединяется только с 3 из 4 атомов железа в молекуле гемоглобина, тогда как с 4-м атомом железа соединяется 02, сродство которого к этому атому железа резко возрастает, что, естественно, затрудняет диссоциацию оксигемоглобина. Еще одним причинным фактором угнетения диссоциации Нb02 под влиянием СО служит снижение уровня промежуточного метаболита 2,3-дифосфоглицерата, который образуется в процессе реакции гликолиза. 2,3-Дифосфоглицерат обладает способностью усиливать процесс диссоциации НbСО за счет вызываемых им конформационных изменений гемоглобина, поэтому естественно, что дефицит этого метаболита косвенно тормозит высвобождение 02 из Нb02. Итак, основным пусковым механизмом развития специфической гемической гипоксии при отравлении СО является образование НbСО, который утрачивает способность переносить кислород в сочетании с угнетающим влиянием на процесс диссоциации Нb02. Неопровержимое доказательство того, что первопричиной развития СО-интоксикации является карбоксиге-моглобинемия, — прямая зависимость между уровнем НbСО в крови и тяжестью интоксикации. Так, по данным V.E.Henderson, при содержании НbСО в крови, равном 10 %, отмечена лишь одышка при физическом напряжении, при 40—50 % НbСО появляются явные признаки интоксикации: головная боль, помрачение сознания вплоть до его потери, концентрация НbСО в крови свыше 60 % ведет к летальному исходу. Во всяком случае у людей, впадающих в коматозное состояние или погибающих от острого отравления СО, содержание НbСО, как правило, не менее 50 %. Однако не всегда прослеживается прямая связь между содержанием в крови НbСО и тяжестью отравления. Известны случаи, когда тяжелая форма отравления развивалась уже при 20 % НbСО и, наоборот, при 60 % НbСО встречаются легкие формы отравления. Во многом это объясняется достаточно большой индивидуальной чувствительностью к СО, которую связывают с генетическим фактором. – Также рекомендуем “Диагностика карбоксигемоглобинемии. Изменения красной крови при карбоксигемоглобинемии” Оглавление темы “Алкилирующие яды. Отравление угарным газом”: |
Чтобы ваш летний отдых не получился угарным. В прямом смысле.
Летом многие стараются почаще и подольше бывать в краях непуганых коз и коров — в деревне или хотя бы просто на даче. Идеально, если там есть баня и какое-никакое отопление (мало ли какие заморозки ударят). Но уже при подготовке к дороге — в гараже, а потом на автостраде, в бане, в доме с печкой, даже в кальяне — нас подстерегает коварный и незаметный враг. Угарный газ.
Печальная статистика
Угарный газ, или моноксид углерода (его формула — СО) образуется при горении любых веществ и материалов, содержащих углерод. Это уголь, нефть, дрова, природный газ — всё, что сжигают для получения энергии. СО обильно выделяется при пожарах — многие жертвы погибают от него, а вовсе не от огня. Отравление угарным газом очень опасно для жизни и здоровья, оно легко приводит к летальному исходу.
Статистика говорит, что в России за последние 12 лет только из-за нарушений правил безопасности при обращении с отопительным оборудованием и газовыми плитами погибли 3364 человека. Половина из них умерли, отравившись угарным газом.
В других странах, особенно если там не слишком тёплый климат, а центрального отопления нет, ситуация не лучше. Например, в Великобритании ежегодно регистрируется в среднем 50 смертельных случаев бытовых отравлений СО — из-за неправильного использования каминов и других обогревательных систем.
Кроме бытовых, есть еще и производственные случаи отравления угарным газом: он используется в качестве сырья во многих химических производствах. Он — промежуточный реагент при реакциях с водородом, в которых получают органические спирты и неразветвленные углеводороды. А еще моноксидом углерода обрабатывают мясо и рыбу: это придает волокнам ярко-красный цвет и свежий вид, не изменяя вкуса.
Как работает «молчаливый убийца»
У СО нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, он не раздражает дыхательные пути и кожу, легко смешивается с воздухом. За это его и назвали «молчаливым убийцей».
Фатальное действие угарного газа основано на том, что он «сотрудничает» с гемоглобином. Этот белок находится в эритроцитах (красных кровяных тельцах). Именно благодаря ему мы дышим: гемоглобин подхватывает в легких кислород (и превращается в оксигемоглобин) и переносит его с током крови к органам и тканям человека.
СО связывается с гемоглобином прочнее и легче, чем кислород. Он образует карбоксигемоглобин, который ничем не может помочь организму, желающему дышать. Коварное вещество не отдает кислород, «запирает» в крови: ведет себя как собака на сене.
Кровь насыщается кислородом, становясь все краснее и краснее, а органы задыхаются. Смерть наступает от удушья, причем человек это замечает очень не сразу — можно дотянуть до того момента, когда помочь уже ничем нельзя.
Моя бабушка, которая больше половины своей жизни прожила в домах без центрального отопления, всегда предостерегала меня перед поездкой в деревню: «Смотри не угори». Сейчас печек стало меньше, глаголом «угорать» уже перестали пугать детей (по крайней мере, городских). Из-за этого многие (и не только дети) почему-то подумали, что угорать — это просто дезориентироваться в пространстве и времени без последствий. Сегодня это слово используют в контексте «смеяться, веселиться». Некоторые даже путают угарный газ с веселящим (хотя это совсем другое вещество, закись азота, N2O).
Мало кто задумывается о том, что даже «немножко угорев», надышавшись СО, можно получить необратимые повреждения мозга, и остаться на всю жизнь «угорелым». Практически как в анекдоте: «она теперь до сих пор в каске ходит и улыбается».
Коты, румянец и Чейн-Стокс: симптомы отравления
Начавшееся отравление диагностируется только по симптомам. Например, из-за кислородного голодания мозга развивается дезориентированность движений.
Помните народную метафору «метаться как угорелый»? Изначально в нее добавлялось слово «кот». Гоголь в «Ревизоре» об этом нам напоминает: «Что за ветреность такая! Вдруг вбежала как угорелая кошка». И действительно, кошки действительно начинают чувствовать симптомы отравления угарным газом раньше — просто они весят намного меньше нас. Аномальное поведение угорелых котов в свое время спасло немало семей.
У «молчаливого» убийцы жестокое чувство юмора — благодаря тому, что кровь прололжает насыщаться гемоглобином, у жертв сохраняется здоровый румянец. Поэтому и сложно со стороны диагностировать отравление и удушье, ведь в большинстве случаев при нехватке кислорода человек бледнеет или даже синеет.
Несмертельные отравления угарным газом могут вызывать тошноту, головокружение и нарушения работы мозга. Если человек получил большую дозу (например, долго находился в бане с горящими дровами и закрытой заслонкой печи), у него могут появиться галлюцинации, он теряет сознание, начинаются конвульсии и развивается дыхание Чейна-Стокса.
Раздеть, накрыть, угостить чашечкой кофе: как помочь угоревшему
При первом же подозрении на отравление угарным газом надо вызывать скорую помощь. Антидота, нейтрализующего действие СО, не существует: вся медицинская помощь будет сводиться к тому, чтобы максимально насытить кислородом оставшийся в рабочем состоянии гемоглобин.
До приезда скорой надо обеспечить пострадавшему возможность дышать полной грудью: снять тесную одежду, обязательно вынести на свежий воздух. Если он в сознании и способен глотать — напоите его кофе или крепким чаем: кофеин стимулирует дыхательный центр в мозге.
Обязательно накройте человека одеялом или теплой одеждой: при отравлении моноксидом углерода нарушается терморегуляция, и можно переохладиться, даже если температура комфортна для здоровых людей.
Внимание: все эти меры помогут лишь при легкой степени воздействия СО. Угарный газ — очень сильный яд, и при тяжелом отравлении медицина, увы, бессильна.
Как правильно предохраняться
Надеюсь, что достаточно вас напугал, и теперь вы понимаете, почему надо внимательно относиться к профилактике отравления угарным газом.
Во-первых, нужно регулярно проверять отопительную технику, если вы обогреваетесь не стандартными городскими батареями, а, например, газовым котлом или русской печью. Вызывайте специалистов примерно раз в год, пусть проводят полную инспекцию.
Во-вторых, если вы топите баню, ни в коем случае не находитесь в ней, когда заслонка печи закрыта, а угли еще красные: это значит, что процесс горения еще не кончился, СО еще выделяется, но в трубу не уходит, а остается внутри помещения.
В-третьих, нельзя перекрывать всю вентиляцию в помещении. Даже ради экономии тепла.
В-четвертых, если у вас коттедж или дачный дом с собственной системой отопления — вы автоматически в группе риска. Установите в доме датчики угарного газа.
Если зафиксирована утечка, срочно покидайте помещение. Вас не защитят респиратор или даже противогаз с угольным фильтром — молекула угарного газа очень маленькая, она легко пройдет через фильтры.
Если дома с печкой у вас нет, не торопитесь расслабляться. Особенно если любите кальян. В процессе курения можно запросто получить легкое отравление угарным газом. Головные боли, головокружение, тошнота, сонливость после кальяна — его яркие симптомы. Угарный газ в этом случае накапливается, если в кальян поступает недостаточно кислорода.
Когда угарный газ — друг
Моноксид углерода — не абсолютный враг, все дело опять в дозировке. Он вырабатывается и организмом человека. Скорее всего, этот атавизм остался нам от далеких-далеких предков, которые еще только вышли из воды на сушу. В те времена в атмосфере было очень много СО, и некоторые базовые биологические механизмы зародились именно тогда, с использованием этой молекулы.
Мы вырабатываем 3–6 мл угарного газа в день (такой СО называется эндогенным), а если в организме есть воспаления — то и больше. Эндогенный угарный газ служит человеку: он регулирует кровяное давление при стрессах. Есть данные о том, что он участвует в защите нервных клеток при апоплексии и болезни Альцгеймера.
Угарный газ вместе с вдыхаемым воздухом попадает в легкие, откуда проникает в кровь. В крови угарный газ взаимодействует с гемоглобином – белком, который доставляет кислород ко всем тканям организма. В состав каждой молекулы гемоглобина входит атом железа, который и присоединяет к себе молекулу кислорода, образуя в результате оксигемоглобин. Связь атома железа с молекулой кислорода является обратимой. Вокруг атома железа расположены четыре гема-порфириновых кольца. Наличие гемоглобина позволяет крови переносить в 70 раз больше кислорода, чем это сделал бы простой солевой раствор.
Угарный газ замещает собой молекулу кислорода, в результате вместо оксигемоглобина образуется карбоксигемоглобин, который уже не способен выполнять задачу переноса кислорода.
Опасность угарного газа заключается в том, что он быстрее вступает в реакцию с гемоглобином, чем кислород, а карбоксигемоглобин является более прочным соединением, чем оксигемоглобин. Концентрация карбоксигемоглобина постепенно увеличивается в организме, а так как диссоциация его осуществляется замедленными темпами, то опасным является даже воздействие небольшой концентрации углекислого газа в воздухе в течение длительного времени. Проявления острой кислородной недостаточности могут начаться уже при концентрации СО в воздухе в 0,07%.
Когда содержание карбоксигемоглобина в крови превышает 20%, наблюдаются видимые признаки отравления угарным газом. При содержании карбоксигемоглобина в 30% может ощущаться головокружение, нарушения зрения, слабость в ногах, при концентрации в 40-50% наблюдаются помрачения сознания, а концентрация 69-70% является для человека смертельной. Опасное содержание карбоксигемоглобина в крови накапливается тем быстрее, чем выше концентрация СО во вдыхаемом воздухе. Чтобы представить себе, о чем идет речь, можно сказать, что концентрация карбоксигемоглобина в 40% может быть достигнута за 3 часа пребывания в помещении, содержание углекислого газа в воздухе которого составляет 0,1%. Если человек не находится в состоянии покоя, а занят активной деятельностью, это время сокращается.
Постоянное воздействие незначительного количества угарного газа не имеет выраженных последствий, однако присутствие карбоксигемоглобина в крови приводит к ухудшению самочувствия. Человек может жаловаться на постоянную головную боль, снижение аппетита, бессонницу, раздражительность, вялость, боли в области сердца, нарушения внимания и памяти. Подобные симптомы неоднократно отмечают у себя жители больших городов.
Недостаточное получение кислорода тканями организма, которое продолжается в течение длительного периода времени, может иметь тяжелые последствия для сердечно-сосудистой системы и головного мозга. Даже при излечении выраженных симптомов кислородной недостаточности может наблюдаться нарушение деятельности коры головного мозга, а в 70% случаев после отравления угарным газом появляются психические нарушения и изменения личности.
Безопасная эксплуатация печей
В общем, хорошего от этого газа ждать не следует. Отсюда вывод: предосторожность и предусмотрительность прежде всего. Поэтому не пренебрегайте правилами установки и эксплуатации печей, каминов, других приборов, обеспечивающих сгорание какого-либо топлива.
Оксид углерода с вдыхаемым воздухом попадает в лёгкие, а затем в кровь. Оксид углерода, проникший в кровь, вступает во взаимодействие с гемоглобином (Hb) эритроцитов, образуя карбоксигемоглобин (HbCO), не способный к транспорту кислорода. Развивается гемический тип гипоксии. Оксид углерода способен взаимодействовать как с восстановленной (Hb), так и с окисленной (HbO) формой гемоглобина, поскольку в обеих формах железо двухвалентно.
Эта реакция резко сдвинута вправо и носит обратимый характер. Сдвиг реакции вправо обусловлен более высоким “сродством” оксида углерода к гемоглобину, по сравнению с кислородом.
Доказано, что повышение сродства гемоглобина к оксиду углерода не означает увеличение скорости присоединения яда к гемоглобину. Экспериментально установлено, что скорость присоединения яда к гемоглобину в 10 раз меньше скорости связывания кислорода с гемоглобином. В тоже время скорость диссоциации карбоксигемоглобина, примерно в 3600 раз меньше скорости диссоциации оксигемоглобина. Поэтому сродство оксида углерода к гемоглобину крови человека превосходит сродство кислорода в 290-360 раз.
Карбоксигемоглобин не способен транспортировать кислород. Развивается гемический тип гипоксии.
Различия в степени сродства оксида углерода к гемоглобину зависят от структуры белковой части гемоглобина. В результате этих особенностей взаимодействия яда с гемоглобином создаются условия, при которых оксид углерода даже в незначительных количествах, содержащихся во вдыхаемом воздухе, вызывает отравления. В состоянии равновесия СО, в концентрации 1 объёмная часть на 1000 объёмных частей воздуха, превращает 50% гемоглобина крови человека в карбоксигемоглобин, в результате развивается тяжёлая форма кислородной недостаточности, которая обусловлена выключением значительной части гемоглобина из транспортной функции – переноса кислорода.
Как правило, в реальных условиях, концентрация 0,1% СО во вдыхаемом воздухе обусловливает образование около 10% карбоксигемоглобина в крови.
Степень развития кислородной недостаточности зависит не только от количественного выключения какой-то части гемоглобина, связанного с оксидом углерода, но и от того влияния, которое оказывает образовавшийся карбоксигемоглобин на процессы окисления и восстановления гемов под влиянием кислорода.
Дополнительным механизмом токсического действия СО на гемоглобин является механизм нарушения кооперативного взаимодействия. Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц. Присоединение кислорода к одной единице облегчает присоединение к трём остальным.
Как было показано Дж. Холденом в его классических опытах по физиологии дыхания, угарный газ нарушает так называемое гем-гем-взаимодействие. Присоединение СО хотя бы к одной субъединице гема резко повышает сродство кислорода к железу гема. В результате процесс диссоциации НЬО в тканях резко затрудняется, т. е. остальные три субъединицы гема «не работают». Данный эффект ещё более усиливается по мере развития интоксикации и понижения парциального давления СО2 в крови и тканях, что описывается как эффект Бора.
Угарный газ взаимодействует не только с гемоглобином, но также с цитохромами цепи дыхательных ферментов (цитохромом-а, цитохромом-с), угнетая тем самым биоэнергетические процессы в тканях. Цитохромы становятся уязвимыми в состоянии Fe+2, в котором они находятся в условиях гипоксии. Так замыкается «порочный круг»: инактивация гемоглобина приводит к гипоксии, которая усугубляется ингибированием цепи дыхательных ферментов.
Угарный газ активно взаимодействует с миоглобином. Миоглобин – мышечный аналог гемоглобина, состоящий из одной молекулы глобина, связанной с гемом, в поперечно-полосатой мускулатуре выполняет функцию депо кислорода. Взаимодействие оксида углерода с миоглобином приводит к образованию карбоксимиоглобина. Нарушается обеспечение работающих мышц кислородом. Этим объясняют развитие у отравленных такого типичного для отравлений угарным газом симптома, как резко выраженная мышечная слабость. Образованием карбоксимиоглобина объясняют другой типичный симптом: розовое окрашивание кожных покровов. Однако следует иметь в виду, что этот симптом выражен, как правило, при ингаляции «чистого» угарного газа, например при нарушении правил пользования печами (раннее закрытие печной трубы). При поражении продуктами горения на пожаре розовое окрашивание кожных покровов встречается не часто, поскольку пострадавшие доставляются со следами сажи и копоти на покровах.
Механизм остановки дыхания при молниеносной форме рефлекторный. Сверхбольшая концентрация СО вызывает перевозбуждение хеморецепторов каротидного гломуса. Избыточная афферентация из каротидного гломуса вызывает запредельное торможение в стволовых центрах – дыхательном и сосудодвигательном.