Как кислород связывается гемоглобином

Связывание кислорода гемоглобином

Кислородная емкость крови. Большая часть кислорода переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. Для того чтобы узнать, какое наибольшее количество О2; может быть связано гемоглобином, следует иметь в виду, что молекула последнего состоит из четырех субъединиц. Следовательно, реакцию оксигенации можно записать следующим образом Нb+4О2 Нb(О2)4.

Таким образом, 1 моль гемоглобина может связать до 4 моль О2. Поскольку объем 1 моль идеального газа составляет 22,4 л, 64 500 г гемоглобина связывают 4·22,4 л О2, а 1 г гемоглобина ―1,39 мл О2. При анализе газового состава крови получают несколько меньшую величину (1,34-1,36 мл О2 на 1 г Hb). Это обусловлено тем, что небольшая часть гемоглобина находится в неактивном состоянии. Таким образом, ориентировочно можно считать, что in vivo 1г Hb связывает 1,34 мл О2 (так называемое число Хюфнера).

Исходя из числа Хюфнера, можно, зная содержание гемоглобина, вычислить кислородную емкость крови: [О2] макс = (1,34 мл О2 на 1 г Hb)·(150 г Hb на 1 л крови) = 0,2 л О2 на 1 л крови. Однако такое содержание кислорода в крови может достигаться лишь в том случае, если кровь контактирует с газовой смесью, насыщенной кислородом (РО2 > 300 мм рт.ст.); при этом равновесие значительно сдвинуто вправо. В естественных условиях эта реакция протекает при меньшем значении парциального давления О2, поэтому гемоглобин оксигенируется не полностью.

Кривая диссоциации оксигемоглобина.

Реакция взаимодействия кислорода с гемоглобином подчиняется закону действующих масс. Это означает, что соотношение между количествами гемоглобина и оксигемоглобина зависит от содержания физически растворенного О2 в крови; последнее же, согласно закону Генри-Дальтона, пропорционально напряжению О2. Процент оксигемоглобина от общего содержания гемоглобина называют кислородным насыщением (SО2) гемоглобина. Если гемоглобин полностью дезоксигенирован, то SО2 = 0%; если же весь гемоглобин превратился в оксигемоглобин, то SО2 = 100%. В соответствии с законом действующих масс насыщение гемоглобина кислородом зависит от напряжения О2. Графически эту зависимость отражает так называемая кривая диссоциации оксигемоглобина. Эта кривая имеет S-образную форму. Расположение кривой диссоциации оксигемоглобина зависит от ряда факторов (см. ниже). Наиболее простым показателем, характеризующим расположение этой кривой, служит так называемое напряжение полунасыщения (50%), т.е. такое напряжение О2, при котором насыщение гемоглобина кислородом составляет 50%. В норме (при рН=7,4 и t=37°C) полунасыщение артериальной крови составляет около 26 мм рт.ст. (3,46 кПа).

Причины S-образной формы кривой диссоциации оксигемоглобина до конца не ясны. Если бы каждая молекула гемоглобина присоединяла только одну молекулу О2, то кинетика этой реакции графически описывалась бы гиперболой. Именно такая гиперболическая кривая диссоциации характерна, например, для реакции соединения кислорода с красным мышечным пигментом миоглобином, аналогичной реакции оксигенации гемоглобина. Строение миоглобина сходно со структурой одной из четырех субъединиц гемоглобина, поэтому молекулярные массы этих двух веществ соотносятся как 1:4. Поскольку в состав миоглобина входит лишь одна пигментная группа, одна молекула миоглобина может присоединить только одну молекулу О2. Исходя из вполне правдоподобного предположения о том, что S-образная форма кривой диссоциации НbО2 обусловлена связыванием одной молекулой гемоглобина четырех молекул О2, Эдер выдвинул так называемую гипотезу промежуточных соединений. Согласно этой гипотезе, присоединение четырех молекул О2 к гемоглобину происходит в несколько стадий, причем каждая из этих стадий влияет на равновесие следующей реакции. Таким образом, реакция соединения кислорода с гемоглобином описывается четырьмя константами равновесия, что и объясняет сигмоидную форму кривой диссоциации оксигемоглобина.

В то же время возможно и другое объяснение, согласно которому существуют две формы гемоглобина-оксигенированная и дезоксигенированная, переходящие одна в другую в результате конформационных перестроек. Если предположить, что параметры равновесия реакций оксигенации для этих двух форм гемоглобина различны, то с позиции данной гипотезы можно объяснить S-образную форму кривой диссоциации НbО2

Биологический смысл формы кривой диссоциации оксигемоглобина. Конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина имеет важное значение с точки зрения переноса кислорода кровью. В процессе поглощения кислорода в легких напряжение О2 в крови приближается к таковому в альвеолах. У молодых людей РО2 артериальной крови составляет около 95 мм рт.ст. (12,6 кПа). При таком напряжении насыщение гемоглобина кислородом составляет примерно 97%. С возрастом (и в еще большей степени при заболеваниях легких) напряжение О2 в артериальной крови может значительно снижаться, однако, поскольку кривая диссоциации оксигемоглобина в правой ее части почти горизонтальна, насыщение крови кислородом уменьшается ненамного. Так, даже при падении РО2 в артериальной крови до 60 мм рт.ст. (8,0 кПа) насыщение гемоглобина кислородом равно 90%. Таким образом, благодаря тому, что области высоких напряжений кислорода соответствует горизонтальный участок кривой диссоциации оксигемоглобина, предупреждается cyщественное снижение насыщения артериальной крови кислородом.

Крутой наклон среднего участка кривой диссоциации оксигемоглобина свидетельствует об очень благоприятных условиях для отдачи кислорода тканям. При изменении локальной потребности в кислороде он должен высвобождаться в достаточном количестве в отсутствие значительных сдвигов РО2 в артериальной крови. В состоянии покоя РО2 в области венозного конца капилляра равно приблизительно 40 мм рт.ст. (5,3 кПа), что соответствует примерно 73% насыщения. Если в результате увеличения потребления кислорода его напряжение в венозной крови падает лишь на 5 мм рт.ст. (0,7 кПа), то насыщение гемоглобина кислородом снижается не менее чем на 7%; высвобождающийся при этом О2 может быть сразу же использован для процессов метаболизма.

Читайте также:  Рецепт повышения гемоглобина красным вином

Количество химически связанного кислорода в крови зависит от насыщения им гемоглобина.

При прохождении крови через тканевые капилляры используется лишь 25% общей кислородной емкости. Разумеется, разные органы существенно различаются по степени извлечения кислорода. При интенсивной физической нагрузке артериовенозная разница по кислороду может превышать 0,1.

Соседние файлы в папке тексты лекций по физе

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Источник

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.

Читайте также:  Что надо делать при пониженном гемоглобине

«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.

Контрольные факторыИзменениеСдвиг кривой
Температура
2,3-BPG
pCO 2
Кислотность [H]

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.

Читайте также:  Много гемоглобина в крови называется

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