Кривая диссоциации оксигемоглобина

Этот график – кривая диссоциации оксигемоглобина, или сатурационная кривая, показывает, какая доля гемоглобина в данной крови связана с О₂ при том или ином его парциальном давлении, а какая – диссоциирована, т.е. свободна от кислорода. КДО имеет S -образную форму. S -образный вид КДО указывает на кооперативный характер взаимодействия О₂ с Hb. При соединении или отдаче одной молекулы О₂ отмечаются функциональные изменения остальных субъединиц Hb в тетрамере.Такая её конфигурация, имеет определенный физиологический смысл, заключающийся в том, что оксигенация крови в легких сохраняется на высоком уровне даже при относительно низком альвеолярном pO₂, а её деоксигенация существенно изменяется даже при небольшом изменении капиллярно-тканевого градиента pO₂. Плато кривой характерно для сатурированной О₂ (насыщенной) артериальной крови, а крутая нисходящая часть кривой – венозной, или десатурированной крови в тканях (рис. 2.4.).

В качестве показателя CГK принимается значение pО₂, при котором Hb наполовину насыщается О₂, обозначаемая p50, равна 26-28 мм рт.ст. При повышении СГК p50 уменьшается, а при снижении - повышается. Традиционно полагают, что сдвиг КДО вправо повышает отдачу кровью кислорода тканям, а влево затрудняет десатурацию крови в микроциркулярном русле.

На кривой выделяют 3 участка: от 0 до 10 мм рт. ст. - прямо пропорциональная зависимость, от 10 до 50 - насыщение очень быстрое, от 60 до 90 - насыщение почти не изменяется. При рО₂ в артериальной крови, равном 96 мм рт. ст., % насыщения гемоглобина кислородом составляет 97%, а в венозной крови с рО₂, равным 40 мм рт. ст., % насыщения гемоглобина равен 75%.

Значение S-образной формы кривой:

1) Крутой наклон среднего участка, соответствующий напряжениям О₂ в тканях (35 мм рт. ст. и ниже), благоприятствует отдаче О₂ в них.

2) Пологая часть, КДО соответствующая высоким напряжениям О₂, обеспечивает стабильность тканевого рО₂в условиях, когда рО₂ артериальной крови может уменьшаться: при подъеме в горы или на самолете, при заболеваниях легких, с возрастом. Даже когда альвеолярное рО₂ снижается до 60 мм рт. ст., гемоглобин в артериальной крови все еще насыщен О₂ на 89%, что только на 8% ниже нормальной 97% сатурации.

3) С другой стороны, когда альвеолярное рО₂ увеличивается до 500 мм рт. ст. (при вдыхании воздуха под повышенным давлением, например, на глубине моря или в компрессионных камерах), насыщение гемоглобина кислородом также изменяется мало – максимум на 3%.

Следовательно, при варьировании альвеолярного рО₂ от 60 до 500 мм рт. ст. рО₂ в тканях изменяется только на несколько мм рт. ст., т.е. гемоглобин буферирует сдвиги тканевого рО₂.

В настоящее время принято оценивать положение КДО не по наклону кривой, а по расположению на ней двух точек. Первая соответствует 50%-ному насыщению гемоглобина кислородом – Р₅₀ - напряжение полунасыщения (точка разрядки по Крогу). В норме при рН = 7,4 и t = 37^оС, Р₅₀ артериальной крови 26 мм рт. ст. (3,46 кПа). Оно выше у женщин, чем у мужчин. Напряжение разрядки достаточно высоко, что обеспечивает эффективный градиент рО₂ между капиллярами и тканями, где рО₂ не более 10-15 мм рт.ст. Вторая точка соответствует 95%- ному насыщению гемоглобина кислородом - Р₉₇ - точка зарядки. В норме Р₉₇ артериальной крови 70 мм рт. ст.

КДО может занимать различное положение, характеризующееся смещением ее средней части вправо или влево (рис.2.5.).

Сдвиги кривой диссоциации

 

Традиционно полагают, что сдвиг КДО вправо повышает отдачу кровью кислорода тканям, а влево затрудняет десатурацию крови в микроциркулярном русле.

Смещение влево сопровождается снижением Р₅₀ и повышением сродства гемоглобина к О₂ (СГК), а вправо - увеличением Р₅₀ и уменьшением СГК.

Сродство кислорода к гемоглобину и способность отдавать О₂ в тканях зависит от метаболических потребностей клеток организма и регулируется важнейшими факторами метаболизма тканей, вызывающими смещение кривой диссоциации(рис.2.6.). К этим факторам относятся: концентрация водородных ионов, температура, парциальное напряжение углекислоты и соединение, которое накапливается в эритроцитах – это 2,3-дифосфоглицератфосфат (ДФГ).

Факторы, влияющие на СГК.

По механизму действия их делят на 2 группы: прямые и косвенные.

Прямое влияние оказывают химические вещества, которые могут взаимодействовать с гемоглобином и изменять конформацию его молекулы. Это лиганды (О₂, Н⁺, СО₂, органические и неорганические соли).

Косвенное действие оказывают физические факторы (t^о, pH), которые изменяют условия взаимодействия Hb с лигандами.

Рассмотрим первую группу факторов:

I. В 1907 C.Bohru, A.Krogh установили зависимость положения КДО от содержания СО₂ в крови. Сначала “ эффект Бора” связывали только с СО₂. Однако затем J.Barcroft (1909) показал, что подобная связь существует и при воздействии других кислот. В настоящее время эффект Бора рассматривается как влияние рН среды на взаимодействие атома Fe²⁺ с различными лигандами.

При снижении рН (увеличении [Н⁺]) СГК падает. Поэтому КДО смещается вправо. Уменьшение оксигенации Hb при снижении рН - эффект Рута.

Описанные эффекты объясняются тем, что при изменении рН происходит сдвиг константы диссоциации и конформации групп, связанных с О₂ в тетрамере гемоглобина. В результате этого меняется СГК. Различают респираторный и метаболический компоненты эффекта Бора.

Метаболический - связан с изменением рН под влиянием кислых или щелочных продуктов обмена веществ.

Респираторный - связан с влиянием СО₂ на КДО. Образующийся при тканевом метаболизме СО₂ диффундирует внутрь эритроцитов, где под влиянием карбоангидразы образуется Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО₃ ^־. Образующиеся при ее диссоциации Н⁺ приводят к снижению рН. Это рН-зависимый эффект СО₂. Однако СО₂ также образует карбаминовые связи с концевыми группами a и b цепей гемоглобина, способствуя таким образом стабилизации дезоксиформы гемоглобина. Это рН-независимый эффект СО₂.

На выраженность эффекта Бора влияют:

1) органические фосфаты - при повышении содержания 2,3-дифосфоглицериновой кислоты (2,3-ДФГ) падает коэффициент Бора, который определяют как D log Р₅₀ / D log рН; 2) температура; 3) насыщение крови О₂;

4) электролиты; 5) свойства Hb; 6) пол - коэффициент Бора меньше у мужчин, чем у женщин.

Т.о., эффект Бора - это результат сложного взаимодействия рН, СО₂, 2,3-ДФГ и всех других указанных факторов.

Биологический смысл эффекта Бора: он способствует поглощению О₂ в легких и отдаче его в тканях.

В легких - поглощение О₂ идет одновременно с выделением СО₂, поэтому по мере насыщения гемоглобина кислородом КДО сдвигается влево (рис. 2.6), т.е. СГК возрастает. В результате скорость диффузии О₂ из альвеол в кровь несколько увеличивается.

В тканях - одновременно с выходом О₂ в эритроциты поступает СО₂, поэтому КДО смещается вправо, что приводит к снижению СГК и благоприятствует отдаче О₂ тканям.

II. В 1967 г. была описана специфическая роль органичнских фосфатов в эритроцитах. 2,3-ДФГ, значительно уступая АТФ в энергетической ценности, играет огромную роль в регуляции транспорта О₂. Во-первых, он взаимодействует с b-цепями восстановленного гемоглобина благодаря соответствию зарядов некоторых аминокислотных остатков распределению зарядов в органическом фосфате. После образования связи с b-цепью 2,3-ДФГ закрывает вход в центральный канал молекулы, что уменьшает СГК. Во-вторых, 2,3-ДФГ также изменяет внутриклеточный рН.

На реакцию 2,3-ДФГ и гемоглобина влияют:

1) соотношение Hb/HbО₂ - чем оно выше, тем больше связывается 2,3-ДФГ);

2) рН - снижение рН увеличивает сродство гемоглобина к 2,3-ДФГ;

3) рСО₂ - уменьшение рСО₂ повышает сродство гемоглобина к 2,3-ДФГ;

4) t^о - возрастание t^о препятствует присоединению 2,3-ДФГ к гемоглобину;

5) анионы - могут конкурировать с 2,3-ДФГ за одни и те же центры связывания.

С изменением содержания 2,3-ДФГв эритроцитах связана зависимость СГК от их возраста - молодые эритроциты имеют меньшее СГК, по мере старения оно возрастает, поскольку уровень 2,3-ДФГ уменьшается.

Роль 2,3-ДФГ в качестве регулятора положения КДО заключается не только во влияниии на СГК. Он служит посредником других влияний - рН, рСО₂, t, ионного состава на кислородтранспортную функцию крови.

III. Органические и неорганические соли - при увеличении их концентрации КДО сдвигается вправо. Соли влияют через эритроцитарный метаболизм.

К косвенным факторам, как уже отмечалось, относят рН, влияние которого на СГК рассмотрено выше, и t^о. Уменьшение t^о увеличивает интенсивность образования HbО₂, т.е. при прочих равных условиях смещает КДО влево. Повышение t^о, напротив, снижает СГК.

Температурный коэффициент, представляющий собой отношение D log рО₂ / D t^о, зависит от рН, [2,3-ДФГ], насыщения крови кислородом. Он различен у мужчин и женщин. Оксигенация гемоглобина является экзотермической реакцией, соответственно диссоциация оксигемоглобина протекает с поглощением тепла. При повышении температуры крови происходит снижение СГК и его увеличение при снижении температуры. Алкалоз и гипотермия повышают сродство гемоглобина к кислороду. В этих условиях гемоглобин жадно присоединяет к себе кислород в легких и неохотно отдает его тканям.

При ацидозе и гипертермии в эритроцитах сродство гемоглобина к кислороду снижается. При этом насыщение гемоглобина кислородом в легких ухудшается, но отделение кислорода от оксигемоглобина в капиллярах облегчается.

Особый интерес для изучения кислородсвязывающих свойств крови представляет выделение NO клетками эндотелия кровеносных сосудов.

В целом, дыхательный цикл можно рассматривать как механизм транспорта "трех газов": NO/О₂/CО₂. Характерной особенностью NO является способность быстро (менее чем за 5 секунд) диффундировать через мембрану синтезировавшей его клетки в межклеточное пространство и легко (без участия рецепторов) проникать в клетки-мишени. В результате взаимодействия NO и гемоглобина происходит образование его различных NO-форм: метгемоглобин, нитрозилгемоглобин, нитрозогемоглобин, которые играют роль своеобразного аллостерического регулятора функциональной активности гемоглобина на уровне отдельных его тетрамеров. Присутствие этих соединений гемоглобина с NO может по-разному влиять на СГК всей крови: метгемоглобин и нитрозогемоглобин его повышают, а нитрозилгемоглобин снижает. В ходе одного цикла движения эритроцита в сосудистой системе происходят последовательные реакции гемоглобина с NO, модулирующиеся его структурными переходами из R - в Т -состояние. На уровне капилляров малого круга кровообращения это может быть дополнительным механизмом, способствующим оксигенации крови, а на уровне микроциркуляции большого круга – оптимизирующим десатурацию крови, и, соответственно, доставку кислорода в ткани.

Транспорт углекислого газа кровью

Химические реакции связывания СО₂ несколько сложнее, чем О₂. Это обусловлено тем, что механизмы, отвечающие за транспорт СО₂, должны одновременно обеспечивать поддержание кислотно-щелочного равновесия крови и тем самым - внутренней среды организма.

I. Первый способ связывания СО₂ - прежде всего происходит гидратация молекул СО₂ с образованием Н₂СО₃

СО₂ + Н₂О ® Н₂СО₃

В плазме эта реакция протекает очень медленно. В эритроцитах она ускоряется в 20 тысяч раз, что связано с действием карбоангидразы - фермента, расположенного только внутри клеток. Его существование предполагал еще И.М.Сеченов, но открыт он был в 1932 г. Мелдрумом и Рафтоном.

Следующая реакция в цепи химических превращений СО₂ заключается в диссоциации слабой кислоты Н₂СО₃ на бикарбонат-ионы и Н⁺.

Н₂СО₃ ® НСО₃ ^־ + Н⁺

Накопление НСО₃ ^־ в эритроцитах приводит к тому, что между его внутренней средой и плазмой крови создается градиент концентрации этого иона. НСО₃ могут передвигаться по этому градиенту лишь в том случае, если при этом не будет нарушаться равновесное распределение электрических зарядов. Т.е., одновременно с выходом НСО^־₃ должен происходить либо выход из эритроцитов одного катиона, либо вход одного аниона(рис.2.7.). Поскольку мембрана эритроцитов практически непроницаема для катионов, но проницаема для небольших анионов, взамен НСО₃ в эритроциты поступает Cl^-. Этот обменный процесс называется хлоридным сдвигом Хамбургера.

 

Участие эритроцитов в обмене О₂ и СО₂ в тканях и в легких

А- между тканями и кровью; Б- между кровью и альвеолярным воздухом

 

Накопление анионов внутри эритроцитов приводит к повышению осмотического давления, что вызывает поступление в них воды. В результате этого объем эритроцитов в венозной крови больше, чем в артериальной. Поэтому эритроциты занимают 40% объема артериальной крови и 40,4% - венозной. Образующиеся при реакции диссоциации Н₂СО₃ протоны не изменяют рН, поскольку гемоглобин, будучи амфолитом, обладает значительной буферной емкостью. Кроме того, восстановленный гемоглобин является более слабой кислотой, чем оксигемоглобин, поэтому может присоединять дополнительное количество Н⁺. В тканях Hb ведет себя как основание:

KHbO₂ ® _­ O₂ = KHb +H₂CO₃ ® H Н b H⁺

  (HСО₃ + H⁺)

II. Второй способ связывания СО₂ - непосредственное его присоединение к аминогруппам белкового компонента гемоглобина за счет образования карбаминовой связи. В легких Hb выполняет функцию кислоты:

HbNH₂ + CO₂ ® HbNHCOO^- + H⁺

Соединение гемоглобина с СО₂ называется карбаминогемоглобином. На количество связываемого таким образом СО₂ влияет оксигенация гемоглобина. Присоединение О₂ к гемоглобину уменьшает количество связываемого в виде карбаминового соединения СО₂.

Еще в 1892 г. Вериго было установлено, что газовая емкость по отношению к СО₂ крови, содержащей восстановленный гемоглобин, значительно выше, чем в условиях полной оксигенации гемоглобина. Это явление, затем подробно изученное Холденом (1914), обусловлено тем, что, во-первых, оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем восстановленный гемоглобин, и, следовательно, когда реакция происходит между КНbO₂ и Н₂СО₃, равновесие наступает при образовании меньшего объема КНСО₃, чем в случае, когда реакция течет между КНb и Н₂СО₃. Во-вторых, оксигенация гемоглобина ведет к снижению образования карбаминогемоглобина, поскольку уменьшает количество свободных NH₂ групп глобина, способных связывать СО₂. Следовательно, оксигенация гемоглобина влияет на способность крови связывать СО₂. Это явление получило название эффекта Вериго-Холдена.

Соотношение между фракциями СО₂ в крови. Каждый мл крови, протекая через ткани, захватывает примерно 2 мМоль СО₂. 5-10% этого количества остается в физически растворенном виде, 10% образует карбаминовую связь с гемоглобином, 35% транспортируется в виде бикарбонатов в эритроцитах, а остальные 45% - в виде бикарбонатов натрия - в плазме. При прохождении крови через легкие СО₂ выделяется из этих фракций точно в таком же соотношении.

Таким образом, дыхательная функция крови является важной составной частью функциональной системы транспорта газов и необходима для следующего этапа дыхания - газообмена между кровью и тканями.