Адаптивный характер кривой насыщения гемоглобина

Наличие 4-х мест связывания можно рассматривать, как приспособление к изменяющимся условиям среды, которое позволяет адаптивно изменять вид кривой насыщения, влияя на абсолютные значения констант связывания и их соотношение.

По сути, гемоглобин (М.м 68 000 Да) представляет собой объединение 4-х молекул миоглобина (М.м. 17 000 Да), которые модифицированы так, чтобы константы для последовательных связываний могли существенно различаться.

Если константы (микроскопические) не различаются, то кривая остается гиперболической при объединении любого числа абсолютно одинаковых субъединиц. Для случая объединения 4-х субъединиц это ясно из вида выражения выше, точно учитывающего число микросостояний. Тогда в числителе выделяется полный куб, который сокращается, поскольку в знаменателе тогда полная 4-я степень.

Иными словами, в схеме с гемоглобином есть 4 адаптивных параметра, за счет изменения которых кривая может принимать различную форму, в частности, реально наблюдаемую сигмоидную форму, которая отвечает быстрому изменению насыщения в относительно узком диапазоне концентраций кислорода.

Для миоглобина такое изменение формы (за счет единственного адаптивного параметра) невозможно, при любом значении константы связывания кривая будет иметь гиперболический вид.

Перенос кислорода кровью

Целесообразность и необходимость значительного изменения насыщения в относительно узком диапазоне концентраций кислорода определена обычными условиями, в которых осуществляется дыхание животных.

Для транспорта важен конечный эффект переноса на одну молекулу переносчика, который определяет разность принятого и отданного кислорода.

А именно, количество перенесенного кровеносной системой и использованного кислорода дает баланс поступления кислорода в кровь и его отдачи в тканях, что можно представить/выразить как разность количеств кислорода на входе и на выходе из них

,

где W – объем, перекачиваемый кровеносной системой в единицу времени, c – концентрация гемоглобина в единице объема (с пересчетом в количество переносимого кислорода при насыщении гемоглобина), Y (P) – зависимость насыщения гемоглобина от парциального давления кислорода в равновесии с кровью при контакте с внешней средой в органах дыхания (на выходе артериальной крови из них, индекс «a») и в контакте с потребляющими тканями (на выходе из них, т.е. в венозной крови, индекс «v»).

При этом от величин P_a и P_v зависят скорости поступления кислорода на других этапах (см. далее), их (величины P_a и P_v) естественно определить как верхнюю и нижнюю (P_a > P_v) рабочую точку на кривой насыщения гемоглобина соответственно.

 

В силу такой зависимости эффекта переноса (кислорода связанного с гемоглобином) от DY важно не только то, сколько кислорода содержит артериальная кровь, насыщаемая при контакте с кислородом из внешней среды в органах дыхания (ее определяет насыщение Y(P_a)), но и способность отдавать кислород при давлении в капиллярах. Если величина Y(P_v) велика, то кровь будет плохо отдавать кислород.

Иными словами, для гемоглобина (как переносчика) желательно возможно б о льшее значение DY = Y(P_a) – Y(P_v) при обычных условиях.

 

При дыхании в воздухе значение P_a не больше парциального давления в воздухе (в действительности в легких парциальное давление кислорода составляет около 100 Торр, т.е. меньше парциального давления в воздухе 150 Торр). Значение P_v не может быть меньше критического значения P_v,cmin, которое должно обеспечить последующую диффузию из капилляров в клетки (см. ниже). При высокой интенсивности потребления последняя достаточно велика (см. расчет далее), а значит, большое значение DY желательно обеспечить при изменении давления от P_a до P_v, происходящем в относительно узком диапазоне.

Эта ситуация очень похожа на требования к регуляции молекулярной активности с необходимостью переключения в заданном узком диапазоне.

Причем в случае транспорта ограничения даже более жесткие, чем при регуляции молекулярной активности. При регуляции, по сути, происходит передача информации, т.е. интенсивность потока материального носителя сигнала (информации) может быть очень низкой. В случае потока низкой интенсивности затраты в абсолютном выражении малы. Регуляторную цепочку в принципе также можно дополнить еще одним этапом (или несколькими этапами), увеличивая усиление преобразуемого сигнала. Такое усложнение цепочки не будет обременительным с точки зрения затрат ресурсов или требований организационного характера. При необходимости промежуточные этапы усиления целесообразны, что делает возможным подбор ширины диапазона для отдельных этапов под возможности молекулярного конструктора.

Напротив, при транспорте для потока высокой интенсивности возможности такого рода либо значительно увеличивают затраты на осуществление транспорта и общие затраты организма при встраивании более сложно организованного транспорта в систему физиологических процессов, либо исключены физически. Если нужно передать сигнал (т.е. информацию), то один носитель сигнала вполне можно заменить на другой, а если нужен кислород как окислитель, то его практически невозможно заменить (хотя молекулы кислорода можно к чему-то присоединить, объединить несколько молекул кислорода вместе и т.п.).

Развитие: интересно попробовать обсудить возможности модификации последовательностей этапов для процессов регуляции и транспорта (предложить критерии оценки эффекта, затрат разного рода и т.д.)

Таким образом, значения P_a и P_v, по сути, заданы (внешними условиями и другими особенностями физиологической организации жизнедеятельности) и нужно существенное изменение DY (желательно близкое к 1) в заданном узком диапазоне.

Иными словами, «идеальный эффект» в данном случае аналогичен обсуждаемому выше при переключении молекулярной активности – это достаточно полная загрузка переносчика при полной отдаче в потребляющих тканях. Поэтому гиперболическая зависимость связывания от давления (как для миоглобина) не подходит (по данным рисунка и БфХ связывание при давлении 150 и 100 Торр близко к 100%, но для отдачи нужно очень низкое парциальное давление на уровне 1 Торр или даже менее – объяснение такого выбора кривой связывания миоглобина рассматривается ниже).

 

Уравнение Хилла

Кривую насыщения гемоглобина (при характерном для теплокровных животных соотношении констант, обсуждение для холоднокровных – см. ниже) можно приближенно представить уравнением Хилла, т.е. зависимостью вида

Y=pⁿ/(Kⁿ+pⁿ), n = 2,8

Уравнение Хилла хорошо описывает реальную зависимость, если не рассматривать малые концентрации, где кривая насыщения линейна. Для человека и животных с близкой массой, значение К находится в диапазоне 3–4 кПа.

Иллюстрация с подбором при значениях констант из БФХ (по исходной зависимости, уравнению Хилла + наиболее близкая к исходной гиперболическая кривая – как имитация возможностей приблизиться к наблюдаемому виду за счет одного связывания).