Как кислород связывается гемоглобином

Кривая диссоциации кислород-гемоглобин — Oxygen–hemoglobin dissociation curve

Кривая диссоциации кислород-гемоглобин , также называемая кривой диссоциации оксигемоглобина или кривая диссоциации кислорода (ODC ), это кривая , которая отображает долю гемоглобина в его насыщенном (кислородном -загрузка) на вертикальной оси против преобладающего напряжения кислорода на горизонтальной оси. Эта кривая является важным инструментом для понимания того, как наша кровь переносит и выделяет кислород. В частности, кривая диссоциации оксигемоглобина связывает насыщение кислородом (SO2) и парциальное давление кислорода в крови (P O2) и определяется тем, что называется «сродством гемоглобина к кислороду». ; то есть насколько легко гемоглобин поглощает и высвобождает молекулы кислорода в окружающую его жидкость.

Предпосылки

Гемоглобин (Hb) является основным носителем для переноса кислорода в крови . Каждая молекула гемоглобина может нести четыре молекулы кислорода. Эти молекулы кислорода связываются с железом из гемапростетической группы .

Когда гемоглобин не имеет связанного кислорода и не связывает углекислый газ , он имеет несвязанное строение (форму). Связывание первой молекулы кислорода вызывает изменение формы гемоглобина, что увеличивает его способность связываться с тремя другими молекулами кислорода.

В присутствии растворенного диоксида углерода pH крови изменяется; это вызывает другое изменение формы гемоглобина, которое увеличивает его способность связывать углекислый газ и снижает его способность связывать кислород. С потерей первой молекулы кислорода и связыванием первой молекулы диоксида углерода происходит еще одно изменение формы, которое дополнительно снижает способность связывать кислород и увеличивает способность связывать диоксид углерода. Кислород, связанный с гемоглобином, высвобождается в плазму крови и всасывается тканями , а диоксид углерода в тканях связывается с гемоглобином.

В легких происходит обратный процесс. С потерей первой молекулы углекислого газа форма снова изменяется, что облегчает высвобождение трех других диоксидов углерода.

Кислород также переносится растворенным в плазме крови, но в гораздо меньшей степени. Гемоглобин содержится в красных кровяных тельцах . Гемоглобин высвобождает связанный кислород, когда угольная кислота присутствует в тканях. В капиллярах , где вырабатывается углекислый газ , кислород, связанный с гемоглобином, высвобождается в плазму крови и всасывается тканями.

Какая часть этой емкости заполняется кислородом в любой момент времени, называется насыщением кислородом . Выраженное в процентах, насыщение кислородом — это отношение количества кислорода, связанного с гемоглобином, к способности гемоглобина переносить кислород. Переносимость кислорода гемоглобином определяется типом гемоглобина, присутствующего в крови. Количество кислорода, связанного с гемоглобином в любой момент времени, в значительной степени связано с парциальным давлением кислорода, которому подвергается гемоглобин. В легких, на границе раздела альвеол и капилляров , парциальное давление кислорода обычно высокое, и поэтому кислород легко связывается с гемоглобином, который присутствует. По мере того как кровь циркулирует в других тканях тела, в которых парциальное давление кислорода меньше, гемоглобин выделяет кислород в ткань, потому что гемоглобин не может поддерживать свою полную способность связывать кислород в присутствии более низких парциальных давлений кислорода.

Сигмовидная форма

Кривая насыщения гемоглобина

Кривая обычно лучше всего описывается диаграммой сигмовидной формы , используя формулу вида:

S (t) = 1 1 + е — т. { displaystyle S (t) = { frac {1} {1 + e ^ {- t}}}.}

Молекула гемоглобина может связывать до четырех молекул кислорода обратимым методом.

Форма кривой является результатом взаимодействия связанных молекул кислорода с входящими молекулами. Связывание первой молекулы затруднено. Однако это облегчает связывание второго, третьего и четвертого, это происходит из-за индуцированного конформационного изменения структуры молекулы гемоглобина, вызванного связыванием молекулы кислорода.

В своей наиболее простой форме кривая диссоциации оксигемоглобина описывает соотношение между парциальным давлением кислорода (ось x) и насыщением кислородом (ось y). Сродство гемоглобина к кислороду увеличивается по мере связывания последовательных молекул кислорода. По мере увеличения парциального давления кислорода связывается больше молекул, пока не будет достигнуто максимальное количество, которое может быть связано. По мере приближения к этому пределу происходит очень небольшое дополнительное связывание, и кривая выравнивается, поскольку гемоглобин насыщается кислородом. Следовательно, кривая имеет сигмоидальную или S-образную форму. При давлениях выше примерно 60 мм рт. Ст. Стандартная кривая диссоциации относительно плоская, что означает, что содержание кислорода в крови существенно не изменяется даже при значительном увеличении парциального давления кислорода. Чтобы получить больше кислорода к тканям, потребуется переливание крови для увеличения количества гемоглобина (и, следовательно, способность переносить кислород) или дополнительного кислорода, который увеличит растворенный в плазме кислород. Хотя связывание кислорода с гемоглобином продолжается до некоторой степени при давлениях около 50 мм рт. Ст., Поскольку парциальные давления кислорода уменьшаются в этой крутой области кривой, кислород легко выгружается в периферические ткани, поскольку сродство гемоглобина уменьшается. Парциальное давление кислорода в крови, при котором гемоглобин насыщен на 50%, обычно около 26,6 мм рт. Ст. (3,5 кПа) для здорового человека, известно как P50. P 50 представляет собой стандартную меру сродства гемоглобина к кислороду. При наличии заболевания или других состояний, которые изменяют сродство гемоглобина к кислороду и, следовательно, сдвигают кривую вправо или влево, P 50 изменяется соответственно. Повышенное значение P 50 указывает на сдвиг стандартной кривой вправо, что означает, что для поддержания 50% насыщения кислородом необходимо большее парциальное давление. Это указывает на пониженное сродство. Наоборот, более низкое значение P 50 указывает на сдвиг влево и более высокое сродство.

«Плато» кривой диссоциации оксигемоглобина — это диапазон, который существует в легочных капиллярах (минимальное снижение переносимого кислорода до тех пор, пока p (O 2 ) не упадет на 50 мм рт.

«Крутой» участок кривой диссоциации оксигемоглобина — это диапазон, который существует в системных капиллярах (небольшое падение системного капилляра p (O 2 ) может привести к высвобождению большого количества количество кислорода для метаболически активных клеток).

Чтобы увидеть относительное сродство каждого последующего кислорода при удалении / добавлении кислорода из / в гемоглобин из кривой, сравните относительное увеличение / уменьшение p (O 2 ), необходимое для соответствующее увеличение / уменьшение s (O 2 ).

Факторы, влияющие на стандартную кривую диссоциации

На силу связывания кислорода с гемоглобином влияет несколько факторов. Эти факторы сдвигают или изменяют форму кривой диссоциации оксигемоглобина. Сдвиг вправо указывает на то, что исследуемый гемоглобин имеет пониженное сродство к кислороду. Это затрудняет связывание гемоглобина с кислородом (требуется более высокое парциальное давление кислорода для достижения такого же насыщения кислородом), но облегчает гемоглобину высвобождение связанного с ним кислорода. Эффект этого сдвига кривой вправо увеличивает парциальное давление кислорода в тканях, когда это больше всего необходимо, например, во время физических упражнений или геморрагического шока. Напротив, кривая смещается влево из-за противоположных этим условиям. Этот сдвиг влево указывает на то, что исследуемый гемоглобин имеет повышенное сродство к кислороду, так что гемоглобин легче связывает кислород, но более неохотно его разгружает. Смещение кривой влево является признаком повышенного сродства гемоглобина к кислороду (например, в легких). Точно так же сдвиг вправо показывает пониженное сродство, которое могло бы появиться при повышении температуры тела, ионов водорода, концентрации 2,3-бисфосфоглицерата (2,3-BPG) или концентрации диоксида углерода.

Примечание:

• Сдвиг влево: более высокое сродство к O 2
• Сдвиг вправо: более низкое сродство к O 2
• гемоглобин плода имеет более высокий уровень O 2 аффинность, чем у взрослого гемоглобина; в первую очередь из-за значительно сниженного сродства к 2,3-бисфосфоглицерату .

Причины сдвига вправо можно вспомнить с помощью мнемоники , «CADET , лицевая сторона! » для CO2, Acid, 2,3- D PG, E xercise и T em temperature. Факторы, которые сдвигают кривую диссоциации кислорода вправо, — это те физиологические состояния, при которых тканям требуется больше кислорода. Например, во время упражнений у мышц более высокий уровень метаболизма и, следовательно, им требуется больше кислорода, они производят больше углекислого газа и молочной кислоты, и их температура повышается.

pH

Уменьшение pH (увеличение концентрации ионов H ) сдвигает стандартную кривую вправо, а увеличение — влево. Это происходит потому, что при более высокой концентрации ионов H различные аминокислотные остатки, такие как гистидин 146, существуют преимущественно в протонированной форме, что позволяет им образовывать ионные пары, которые стабилизируют дезоксигемоглобин в Т-состоянии. Состояние T имеет более низкое сродство к кислороду, чем состояние R, поэтому с повышенной кислотностью гемоглобин связывает меньше O 2 для данного P O2 (и больше H). Это известно как эффект Бора . Снижение общей связывающей способности гемоглобина по отношению к кислороду (т. Е. Сдвиг кривой вниз, а не только вправо) из-за снижения pH называется корневым эффектом . Это наблюдается у костистой рыбы. Сродство связывания гемоглобина с O 2 является наибольшим при относительно высоком pH.

Двуокись углерода

Двуокись углерода влияет на кривую двумя способами. Во-первых, накопление CO 2 вызывает образование карбамино соединений посредством химических взаимодействий, которые связываются с гемоглобином, образуя карбаминогемоглобин . CO 2 считается аллостерической регуляцией , поскольку ингибирование происходит не на сайте связывания гемоглобина. Во-вторых, он влияет на внутриклеточный pH из-за образования бикарбонат-иона. Образование карбаминогемоглобина стабилизирует Т-состояние гемоглобина за счет образования ионных пар. Только около 5-10% от общего содержания CO 2 в крови транспортируется в виде карбаминовых соединений, тогда как (80-90%) транспортируется в виде ионов бикарбоната, а небольшое количество растворяется в плазме. Образование бикарбонат-иона будет высвобождать протон в плазму, снижая pH (повышенная кислотность), что также сдвигает кривую вправо, как обсуждалось выше; низкие уровни CO 2 в кровотоке приводят к высокому pH и, таким образом, обеспечивают более оптимальные условия связывания для гемоглобина и O 2 . Это физиологически благоприятный механизм, поскольку гемоглобин будет терять больше кислорода, поскольку концентрация углекислого газа резко возрастает, когда тканевое дыхание происходит быстро и кислород необходим.

2,3-BPG

2,3-Бисфосфоглицерат или 2,3-BPG (ранее называвшийся 2,3-дифосфоглицерат или 2,3-DPG) представляет собой органофосфат, образующийся в красных кровяных тельцах во время гликолиза и представляет собой основание конъюгата из 2,3-бисфосфоглицериновой кислоты . Продукция 2,3-BPG, вероятно, является важным адаптивным механизмом, потому что продукция увеличивается в некоторых условиях в присутствии пониженной доступности O 2 периферических тканей, таких как гипоксемия , хроническая заболевание легких, анемия и застойная сердечная недостаточность и другие. Высокие уровни 2,3-БПГ смещают кривую вправо (как в детстве), в то время как низкие уровни 2,3-БПГ вызывают сдвиг влево, наблюдаемый в таких состояниях, как септический шок и гипофосфатемия . В отсутствие 2,3-БПГ повышается сродство гемоглобина к кислороду. 2,3-BPG действует как гетероаллостерический эффектор гемоглобина, снижая сродство гемоглобина к кислороду за счет связывания преимущественно с дезоксигемоглобином. Повышенная концентрация БПГ в эритроцитах способствует формированию Т (напряженного или напряженного) состояния гемоглобина с низким сродством, и поэтому кривая связывания кислорода смещается вправо.

Температура

Повышение температуры сдвигает ODC вправо. Если температура повышается при неизменном [O 2] { displaystyle { ce {[O2]}}} , то насыщение кислородом снижается, поскольку связь между железом в Hb { displaystyle { ce {Hb}}} и O 2 { displaystyle { ce {O2}}} денатурируется. Точно так же с повышением температуры также увеличивается парциальное давление кислорода. Таким образом, процент насыщения гемоглобина будет ниже для того же [O 2] { displaystyle { ce {[O2]}}} или более высокого парциального давления кислорода. Таким образом, любая точка кривой сместится вправо (из-за повышенного парциального давления кислорода) и вниз (из-за ослабления Hb — O 2 { displaystyle { ce {Hb-O2}}} облигация). Следовательно, сдвиг кривой вправо.

Окись углерода

Гемоглобин связывается с монооксидом углерода в 210 раз легче, чем с кислородом. Из-за более высокого сродства гемоглобина к окиси углерода, чем к кислороду, окись углерода является очень успешным конкурентом, который вытесняет кислород даже при крохотных парциальных давлениях. Реакция HbO 2 + CO → HbCO + O 2 почти необратимо вытесняет молекулы кислорода, образуя карбоксигемоглобин ; Связывание монооксида углерода с железным центром гемоглобина намного сильнее, чем у кислорода, и сайт связывания остается заблокированным до конца жизненного цикла затронутого эритроцита. При повышенном уровне окиси углерода человек может страдать от тяжелой тканевой гипоксии при сохранении нормального pO 2 , поскольку карбоксигемоглобин не переносит кислород к тканям.

Последствия метгемоглобинемии

Метгемоглобинемия представляет собой форму аномального гемоглобина, при которой центр железа окислен из двухвалентного +2 степени окисления ( нормальная форма) в состояние железо +3 . Это вызывает сдвиг влево кривой диссоциации кислородного гемоглобина, поскольку любой остаточный гем с оксигенированным двухвалентным железом (состояние +2) не может разгрузить связанный кислород в ткани (поскольку 3+ железо нарушает кооперативность гемоглобина), тем самым увеличивая его сродство с кислородом. . Однако метгемоглобин имеет повышенное сродство к цианиду и, следовательно, полезен при лечении отравления цианидом . В случае случайного проглатывания введение нитрита (например, амилнитрита ) можно использовать для преднамеренного окисления гемоглобина и повышения уровня метгемоглобина, восстанавливая функционирование цитохромоксидазы . Нитрит также действует как вазодилататор , способствуя снабжению клеток кислородом, а добавление соли железа обеспечивает конкурентное связывание свободного цианида в виде биохимически инертного гексацианоферрата (III) ион, [Fe (CN) 6 ]. Альтернативный подход включает введение тиосульфата , в результате чего цианид превращается в тиоцианат , SCN, который выводится через почки. Метгемоглобин также образуется в небольших количествах, когда диссоциация оксигемоглобина приводит к образованию метгемоглобина и супероксида , O 2 вместо обычных продуктов. Супероксид — это свободный радикал , который вызывает биохимические повреждения, но нейтрализуется действием фермента супероксиддисмутазы .

Действие ITPP

Мио-инозитолтриспирофосфат (ITPP), также известный как OXY111A, представляет собой инозитолфосфат , который вызывает сдвиг вправо в кривой диссоциации кислородного гемоглобина за счет аллостерической модуляции гемоглобина в красных кровяных тельцах. Это экспериментальный препарат, предназначенный для уменьшения гипоксии тканей . Эффект длится примерно до тех пор, пока пораженные эритроциты остаются в обращении.

Гемоглобин плода

Кривая насыщения гемоглобина плода

Гемоглобин плода (HbF) структурно отличается от нормального гемоглобина взрослого (HbA), что придает HbF более высокое сродство к кислороду чем HbA. HbF состоит из двух альфа и двух гамма цепей, тогда как HbA состоит из двух альфа и двух бета цепей. Кривая диссоциации плода смещена влево относительно кривой для нормального взрослого человека из-за этих структурных различий.

Как правило, артериальное давление кислорода у плода ниже, чем у взрослого. Следовательно, более высокое сродство к связыванию кислорода требуется при более низких уровнях парциального давления у плода, чтобы обеспечить диффузию кислорода через плаценту . В плаценте образуется более высокая концентрация 2,3-BPG , и 2,3-BPG легко связывается с бета-цепями, а не с альфа-цепями. В результате 2,3-BPG более прочно связывается с гемоглобином взрослого человека, заставляя HbA выделять больше кислорода для поглощения плодом, чей HbF не зависит от 2,3-BPG. Затем HbF доставляет связанный кислород в ткани с еще более низким парциальным давлением, откуда он может высвобождаться.

См. Также

• Автоматический анализатор
• Эффект Бора

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

• Носек, Томас М. Раздел 4 / 4ч5 / с4ч5_18 «. Основы физиологии человека. Архивировано из оригинала от 24.03.2016.
• Интерактивная кривая диссоциации оксигемоглобина
• Моделирование параметров CO 2 , pH и температуры на диссоциацию кислород-гемоглобин кривая (сдвиг влево или вправо)

Источник