Гемоглобин и химия дыхания

Лекция 9

 

ГЕМОГЛОБИН И ХИМИЯ  ДЫХАНИЯ

 

1. Структура и формы  гемоглобина

 

Строение гемоглобина. Важнейшая функция крови – транспорт О₂ и СО₂. Важную роль играет гемоглобин, который в капиллярах лёгких соединяется с О₂ и транспортирует его к тканям, забирает из тканей СО₂ и транспортирует его к лёгким. Свойства гемоглобина связывают с его строением: молекула состоит из 4 полипептидных цепей, в каждой их которых содержится определённый пигмент – гемм. Молекулярная масса гемоглобина – 64500 Д, на каждой полипептидной единице – 16000. Молекула содержит 4 одинаковых гема.

Гем – протопорфирин, в центре –  ион Fe²⁺. Молекула состоит из 4 пирольных колец, соединённых метеновыми мостиками, к кольцам присоединяются боковые цепи, обладающие определённым строением. Протопорфирин связывается с Fe²⁺ посредством двух координационных связей и двух связей, образующихся при замещении Н. Молекула гема ориентирована в одной плоскости. В процессе переноса О₂ молекула О₂ образует обратимую связь с гемом, валентность железа не меняется.

Hb + O₂ ® HbO₂ (окси-Hb)

Чтобы подчеркнуть тот  факт, что при присоединении О₂ валентность Fe не меняется, реакция называется оксигенацией, а отсоединение О₂ - дезоксигенация, а не окисление.

Гем может подвергаться истинному  окислению Fe²⁺ ® Fe³⁺. Окисленный гем называется гематином (Met-гем), а вся полипептидная молекула в целом – MetHb. Опасность окисления Hb в том, что он не может отдавать О₂.

Белковый компонент Hb – большая часть Hb. Она составляет около 10000 атомов, и состоит из 4 полипептидных цепей, в каждой более 140 аминокислотных остатков. Молекула состоит из 2 a- и 2 b- симметричных цепей a₂b₂. Вся молекула имеет сферическую структуру, на поверхности – 4 «впадины», где располагается 4 гема. a-цепь взрослого человека – adult – HbA содержит 141 аминокислотный остаток, b-цепь содержит 146 аминокислотных остатков. Hb плода (fetus) – HbF состоит из 2 a-цепей, а вместо b-цепи – 2 g-цепи: a₂g₂, g-цепи отличаются от b-цепи первичной структурой, после рождения g-цепь заменяется на b.

Поглощение света гемоглобином. Красный цвет раствора гемоглобина связан с тем, что Hb интенсивно поглощает в коротковолновой области видимого спектра, но пропускает в красноволновой области спектра. Hb интенсивно поглощает также в жёлто-зелёной и жёлтой области.

ДезоксиHb менее интенсивно поглощает в коротковолновой области - Соре, но более интенсивно поглощает в красной области – венозная кровь имеет тёмно-красный цвет. Max = 555 нм, имеется широкая полоса спектра.

Различные формы гемоглобина. Hb, не связанный с О₂ и содержащий гем с ферриионом, - дезоксигемоглобин и обозначается Hb (восстановленный Hb). Он может обратимо связывать О₂ и называется оксиHb – HbО₂, может содержать 4 молекулы О₂. Гем может связываться с 4 молекулами СО, образуя карбокси Hb – HbСО.

С гемом может связаться 4 молекулы NO – нитроксиHb – HbNO. Гем теряет способность связывать О₂.

Существует очень много различных  соединений и лекарств (пероксиды, ферроксиды, хиноны), способных окислять Fe²⁺ в Fe³⁺, с образованием MetHb, который не присоединяет О₂, СО и т.д. – MetHb.

Гетерогенность гемоглобина. Обычный Hb у взрослого человека образован a и b цепями, но в популяции людей наблюдается гетерогенность структуры. Существует 3 типа: эмбриональная, обусловленная наличием минорных компонентов, генетическая.

1. Эмбриональная гетерогенность. В эритроцитах плода большую часть составляет HbF: a₂g₂. К моменту рождения 70-90% составляет фетальный гемоглобин. Через 3-5 месяцев, реже к 1 году HbF заменяется на HbA, перестаёт синтезироваться g-цепь.

2. Гетерогенность, обусловленная минорными компонентами. У взрослого человека HbA, но HbA неоднороден по составу. В эритроцитах человека содержится несколько минорных Hb (5-10% общего Hb). Различают 2 фракции Hb: HbA₁ (главная) и HbA₂ (малая). В свою очередь HbA делится на HbA₁b и HbA₁с; HbA₂ содержится в количестве 2,5%, состоит из 2 a и 2 d-цепей. HbA₁b содержит 3-6% от общего количества минорных оснований, HbA₁с – около 1%, модификация b-цепи (изменение нескольких аминокислот).

3. Генетическая гетерогенность. С помощью электрофореза было показано наличие около 300 вариантов Hb человека – аномальный Hb. Первоначально их обозначали А, B, C, D и т.д., на основании электрофоретической подвижности, но когда стало ясно, что вариантов Hb больше, чем букв в алфавите, и некоторые имеют одинаковую электрофоретическую активность, то их стали называть по названию района или групп людей, у которых они были обнаружены: HbF_Ямайка, HbС_Гарлем, HbА_Кельн.

Из-за своей аномальности некоторые Hb могут привести к серии заболеваний. S, D, E, C, H встречаются чаще, распространены шире. Среди этих аномалий есть и такие, которые не приводят к серьёзным последствиям. Появление аномального Hb – результат точечных мутаций в одном из генов, кодирующих a, b, d, g-цепи, приводящие к замене одной аминокислоты на другую.

Содержание Hb в крови. Содержание Hb в крови составляет 158 г/л у мужчин, 140 г/л у женщин. С возрастом концентрация Hb в крови закономерно меняется: у новорожденных – 200 г/л, с некоторыми колебаниями. В течение 1 года жизни концентрация Hb падает до 115 г/л, потом концентрация Hb постепенно увеличивается.

Снижение содержания Hb – анемия. Диагноз ставится в том случае, если концентрация Hb<130 г/л у мужчин, и <120 г/л у женщин. Не только Hb является важным диагностическим показателем. Важным показателем, позволяющим оценить состояние эритропоэза и провести дифференциальную диагностику является среднее содержание Hb в эритроците, его находят путём деления содержания Hb в определённом объёме крови на число эритроцитов в этом же объёме: 29-31 пикограмм. Эритроциты с нормальным содержанием Hb (25-26 пикограмм) – нормохромные. Если среднее содержание Hb в эритроцитах патологически снижено – гипохромные, если увеличено – гиперхромные. Эти же термины используются для обозначения различных видов анемии.

 

2. Перенос О₂ кровью

 

Кислородная ёмкость  крови. Большая часть О₂ переносится кровью в виде соединений с Hb. Hb состоит из 4 субъединиц, каждая связывает молекулу О₂.

Hb + О₂ ® Hb(О₂)₄

1 моль Hb связывает 4 моля О₂. Так как 1 моль газа  занимает 22,4 л, то объём кислорода в связанном с Hb состоянии составит = 22,4*4=89,6 л. Масса 1 моля Hb составляет 64500. На 1 г Hb приходится 1,39 мл О₂. На самом деле 1 г Hb связывает 1,34 мл О₂ – число Хюфнера. Исходя их этого, зная содержание Hb, можно вычислить кислородную ёмкость крови:

[О₂] = 1.34 мл О₂ х 150

1 г – 1,34 мл

150 г/л – х мл, х = 201 мл = 0, 201 л

 

Кривая диссоциации  оксигемоглобина. Реакция, отражающая соединение О₂ с Hb, подчиняется закону действующих масс. Это означает, что отношение между количеством Hb и HbО₂ зависит от содержания физически растворённого кислорода в крови (последнее же пропорционально напряжению О₂). Процентное отношение оксигемоглобина к общему содержанию Hb называется насыщением (Saturation, S) гемоглобина кислородом (S_О2):

S_О2 =

Если Hb полностью дезоксигенирован, то S_О2 = 0%; если же весь Hb превращается в оксиHb, то S_О2 = 100%. В соответствии с законом действующих масс  

Эта кривая имеет S-образную форму. Расположение кривой диссоциации оксиHb зависит от ряда факторов. Наиболее простым показателем, характеризующим расположение этой кривой, служит так называемое напряжение полу насыщения Р₅₀, т.е. такое напряжение кислорода, при котором насыщение HbО₂ составляет 50%. В норме (при рН 7,4 и t = 37⁰С) Р₅₀ артериальной крови составляет около 26 мм рт.ст.

Конфигурация кривой диссоциации оксиHb имеет важное значение для переноса О₂ кровью. В процессе поглощения О₂ в лёгких напряжение О₂ (Р_О2) приближается к парциальному давлению этого газа в альвеолах. У молодых людей Р_О2 артериальной крови составляет ~95 мм рт.ст. При таком напряжении насыщение Hb О₂ равно примерно 97%. Благодаря тому, что области высоких напряжений О₂ соответствует горизонтальный участок кривой диссоциации оксиHb, насыщение артериальной крови О₂ сохраняется на высоком уровне даже при существенных сдвигах Р_О2.

Крутой наклон среднего участка кривой диссоциации оксиHb свидетельствует о благоприятной ситуации для отдачи кислорода тканям. При изменениях потребностей органов в кислороде он должен высвобождаться в достаточной степени даже в отсутствии значительных сдвигов Р_О2 в артериальной крови. В состоянии покоя Р_О2 в области венозного конца капилляра равно ~40 мм рт.ст., что соответствует примерно 73% насыщения. Если в результате увеличения потребления кислорода его напряжение в венозной крови падает лишь на 5 мм рт.ст., то насыщение HbO₂ снижается на 7%, высвобождающийся при этом кислород может быть сразу же использован для процессов метаболизма.

 

3. Перенос СО₂ кровью

 

Двуокись углерода СО₂ – конечный продукт окислительных обменных процессов в клетках – переносится с кровью к лёгким и удаляется через них во внешнюю среду. Так же, как и О₂, СО₂ может переноситься в физически растворённом виде, так и в составе химических соединений. Химические реакции связывания СО₂ несколько сложнее, чем реакции присоединения О₂. Это обусловлено тем, что механизмы, отвечающие за транспорт СО₂, должны одновременно обеспечивать поддержание постоянства кислотно-щелочного равновесия крови и тем самым внутренней среды организма.

Связывание  СО₂. Напряжение СО₂ в артериальной крови, поступающей в тканевые капилляры, составляет 40 мм рт. ст. В клетках же, расположенных около этих капилляров, напряжение СО₂ значительно выше, так как это вещество постоянно образуется в процессе метаболизма. В связи с этим физически растворённый СО₂ переносится по градиенту напряжения из тканей в капилляры. Здесь некоторое количество СО₂ остаётся в состоянии физического растворения, но большая часть СО₂ претерпевает ряд химических превращений. Прежде всего происходит гидратация молекулы СО₂ с образованием угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О « Н₂СО₃

В плазме крови эта  реакция протекает очень медленно; в эритроците же она ускоряется примерно в 10000 раз. Это связано с действием фермента угольной ангидразы (карбоангидразы). Поскольку этот фермент присутствует только в клетках, практически все молекулы СО₂, участвующие в реакции гидратации, должны сначала поступить в эритроциты.

Следующая реакция в  цепи химических превращений СО₂ заключается в диссоциации слабой кислоты Н₂СО₃ на ионы бикарбоната и водорода:

Н₂СО₃ « НСО₃^- + Н⁺

Накопление НСО₃^- в эритроците приводит к тому, что между его внутренней средой и плазмой крови создаётся диффузионный градиент. Ионы НСО₃^- могут передвигаться по этому градиенту лишь в том случае, если при этом не будет нарушаться равновесное распределение электрических зарядов. В связи с этим одновременно с выходом каждого иона НСО₃^- должен происходить либо выход из эритроцита одного катиона, либо вход одного аниона. Поскольку мембрана эритроцита практически непроницаема для катионов, но сравнительно легко пропускает небольшие анионы, взамен НСО₃^- в эритроцит поступают ионы Cl^-. Этот процесс называется хлоридным сдвигом.

По мере поступления  СО₂ в эритроците постоянно образуются не только ионы НСО₃^-, но также ионы Н⁺. Однако это не сопровождается сдвигами рН эритроцита, что обусловлено, в частности, особыми свойствами гемоглобина. Это вещество, будучи амфолитом, обладает значительной буферной ёмкостью. Кроме того, восстановленный гемоглобин является «более слабой кислотой», чем оксигемоглобин, и поэтому он может присоединять дополнительное количество ионов Н⁺:

HbO₂^- ® ­O₂ + Hb^- ® HHb ¬ H⁺

СО₂ может связываться также путём непосредственного присоединения к аминогруппам белкового компонента гемоглобина. При этом образуется так называемая карбаминовая связь:

Hb·NH + CO₂ « Hb·NH·COO^- + H⁺

Гемоглобин, связанный  с СО₂, называется карбаминогемоглобином (или упрощённо, карбогемоглобином, HbCO₂)/

В крови, поступающей к тканям, напряжение СО₂ составляет 40 мм рт.ст. Затем кровь насыщается СО₂, и напряжение его в оттекающей от тканей крови составляет 46 мм рт.ст. При этом 1 л крови захватывает примерно 2 ммоль СО₂. 10% этого количества остается в физически растворённом виде, 10% образует карбаминовую связь с гемоглобином, 35% транспортируется в виде бикарбонатов в эритроците, остальные 45% – в виде НСО₃ в плазме. При прохождении крови через лёгкие СО₂ выделяется из этих четырёх фракций в точно таком же соотношении.