Кривые насыщения гемоглобина и миоглобина

Содержание статьи

8.13. Для миоглобина и гемоглобина характерны разные кривые связывания кислорода

Особые свойства молекулы гемоглобина, которые делают его столь эффективным переносчиком кислорода в крови, легче всего уяснить из сравнения миоглобина и гемоглобина в отношении их сродства к кислороду. На рис. 8-16 показаны кривые насыщения кислородом для гемоглобина и миоглобина, характеризующие степень насыщения этих белков кислородом (т.е. отношение числа участков молекулы, связывающих кислород, к общему числу участков, способных к такому связыванию) в зависимости от парциального давления газообразного кислорода, находящегося в равновесии с раствором белка.

Рис. 8-15. Фоток рафия нормальных эритроцитов человека, полученная при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Прежде всего из графика ясно, что миоглобин имеет очень высокое сродство к кислороду: при парциальном давлении кислорода, равном всего лишь 1-2 мм рт. ст., он уже на 50% насыщен кислородом. Кроме того, мы видим, что кривая насыщения миоглобина кислородом имеет вид простой гиперболы, как и следует ожидать из закона действующих масс применительно к равновесной реакции:

При парциальном давлении кислорода, равном 20 мм рт. ст., миоглобин оказывается насыщенным кислородом более чем на 95%. В отличие от миоглобина гемоглобин характеризуется значительно более низким сродством к кислороду; кроме того, кривая насыщения гемоглобина кислородом имеет сигмоидную, т.е. S-образную, форму (рис. 8-16). Это означает, что при связывании первой молекулы кислорода (нижняя часть S-образной кривой, соответствующая парциальным давлениям кислорода ниже 10 мм рт. ст.), гемоглобин имеет очень низкое сродство к кислороду, тогда как при связывании следующих молекул кислорода его сродство к ним становится намного выше, о чем свидетельствует крутая часть -образной кривой.

Рис. 8-16. Кривые насыщения кислородом для миог лобина и гемоглобина. Миоглобин обладает намного более высоким сродством к кислороду, чем гемоглобин. 50%-ное насыщение миоглобина кислородом достигается уже тогда, когда парциальное давление О, составляет всего 1 -2 мм рт. ст., тогда как для гемоглобина такое насыщение кислородом наступает лишь при парциальном давлении кислорода около 26 мм рт. ст. Обратите внимание, что в артериальной крови, вытекающей из легких (при парциальном давлении кислорода около 100 мм рт. ст.) оба белка — и миоглобин и гемоглобин — насыщены кислородом более чем на 95 %» тогда как в покоящейся мыщце, где парциальное давление кислорода равно 40 мм рт. ст., гемоглобин насыщен кислородом лишь на 75%, а в работающей мышце при парциальном давлении кислорода всего около 10 мм рт. ст. только на 10%. Таким образом, гемоглобин очень эффективно отдает свой кислород в мышцах и других периферических тканях. Что же касается миоглобина, то при парциальном давлении кислорода, равном всего 10 мм рт. ст» он все еще остается насыщенным кислородом почти на 90% и поэтому даже при столь низких парциальных давлениях кислорода отдает очень малую часть связанного с ним кислорода. Таким образом, сигмоидная кривая насыщения гемоглобина кислородом является результатом молекулярной адаптации гемоглобина к выполнению им транспортной функции в составе эритроцитов.

Фактически после связывания первой молекулы кислорода сродство повышается почти в 500 раз. Таким образом, четыре гемсодержащие полипептидные субъединицы гемоглобина различаются по степени их сродства к кислороду и зависят друг от друга в процессе его связывания.

Как только первая гемсодержащая полипептидная субъединица свяжет молекулу кислорода, она передает информацию об этом остальным субъединицам, у которых сразу же резко повышается сродство к кислороду. Такой обмен информацией между четырьмя гемсодержащими полипептидными субъединицами гемоглобина обусловлен кооперативным взаимодействием между субъединицами. Поскольку связывание первой молекулы кислорода одной из субъединиц гемоглобина увеличивает вероятность связывания следующих молекул кислорода остальными субъединицами, мы говорим, что гемоглобин имеет положительную кооперативностъ. Для положительной кооперативности характерны сигмоидные кривые связывания, подобные кривой насыщения гемоглобина кислородом. При связывании кислорода миоглобином, содержащим одну гемогруппу, молекула белка может присоединить только одну молекулу кислорода; в этом случае кооперативного связывания не наблюдается и кривая насыщения имеет вид простой гиперболы. Теперь мы понимаем. почему миоглобин и гемоглобин столь сильно различаются между собой по кислород-связывающей способности.

Мы будем использовать термин лиганд для обозначения специфической молекулы, связывающейся с белком; это может быть, например, молекула кислорода, если речь идет о гемоглобине (слово «лиганд» происходит от латинского слова, которое переводится как «связывать», «присоединять» и буквально означает «то, что присоединяется»). Многие другие олигомерные белки тоже имеют по нескольку лиганд-связывающих центров и, подобно гемоглобину, проявляют положительную кооперативность. Однако есть олигомерные белки, проявляющие отрицательную кооперативность: в этом случае связывание одной молекулы лиганда уменьшает вероятность связывания других молекул лиганда.

Источник

Факторы, влияющие на кривую насыщение гемоглобина кислородом. Эффект Бора. Структура и свойства миоглобина и гемоглобина.

Подробности

Кривая диссоциации гемоглобина — S-образной формы <=кислор.насыщение SO2=100%•[HbO2]/([Hb]+[HbO2]); но присоединение идет как 4-х-стадийный процесс =>4 константы равновесия =>форма сложнее, не такая, как у миоглобина (Mb+O2-MbO2).

Интерпретация кривой диссоциации гемоглобина:

1. В области высоких напряжений — почти горизонт. =>даже при знач.снижении РО2 насыщение Hb изменяется слабо.

2. В середине графика — более вертик. =>при возросших потребностях =>vPO2 в венозной крови =>насыщение падает очень сильно =>О2 насыщает ткани лучше. Артерио-венозная разница [O2] =0,05 (0,2 — в арт.крови, 0,15 — в венозной =>использ-ся только 25%).

Факторы, влияющие на кривую диссоциации гемоглобина:

1. Температура. увеличение температуры =>кривая — вправо, снижеается угол наклона (снижение сродства);

2. Влияние рН (эффект Бора): снижение рН =>уменьшение угла наклона (снижение сродства). увеличивается РСО2 = снижается рН +собств.эффект на гемоглобин.

Эффект Бора.

Эффект Вериго — Бора (синонимы — эффект Вериго, эффект Бора) — зависимость степени диссоциации оксигемоглобина от величины парциального давления углекислоты в альвеолярном воздухе и крови, при снижении которого сродство кислорода к гемоглобину повышается, что затрудняет переход кислорода из капилляров в ткани.

Биологический смысл кривой диссоциации гемоглобина:

1. В легких — поглощение О2 => снижение O2 => снижение сродства. Но одновременно — выводится СО2 => повышается сродство.

2. В ткани — выделение из тканей СО2 => кривая вправо => снижение сродства => лучшее насыщение тканей О2.

Гемоглобин представляет собой белок глобин, связанный с четырьмя группами гемма — порфириновыми железосодержащими группировками. В свою очередь глобин состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых включает две полипептидные цепи. Гемоглобин диссоциирует на четыре субъединицы примерно одинакового молекулярного веса, в состав каждой из которых входит одна полипептидная цепь и один гем.

Миоглобин — дыхательный пигмент, служащий для запасания О2 в мышцах позвоночных,- эквивалентен одной субъединице гемоглобина. Атом двухвалентного железа, включенный в порфириновое кольцо тема, образует координационные связи с четырьмя атомами азота, входящими в состав пиррольных группировок. Оставшиеся две координационные связи используются для присоединения тема к имидазольному кольцу глобина и для связывания кислорода.

Гемоглобин, присоединивший О2, называется оксигемоглобином, а свободный от кислорода — дезоксигемоглобином. Свойства разных видов гемоглобина в процессе связывания кислорода различны и зависят от особенностей структуры молекулы глобина. Когда кислород соединяется с гемоглобином и образует оксигемоглобин, железо не окисляется. В том случае, если железо в группе тема все же становится трехвалентным, образуется метгемоглобин, не способный связывать кислород и, следовательно, не может участвовать в его переносе. Метгемоглобин образуется в организме в естественных условиях, однако в эритроцитах содержится фермент метгемоглобинредуктаза, восстанавливающий его до «нормального» гемоглобина с двухвалентным железом. Некоторые вещества (нитриты и хлораты) способны либо окислять гемоглобин, либо инактивировать метгемоглобинредуктазу. При этом увеличивается содержание в крови метгемоглобина и нарушается перенос кислорода.

Сродство гемоглобина к окиси углерода (угарному газу, СО) примерно в 200 раз выше, чем к кислороду. В связи с этим даже при очень низких парциальных давлениях угарного газа он может вытеснять кислород из соединения с гемоглобином и полностью насыщать последний. Это приводит к резкому снижению поступления кислорода к тканям.

Гемоглобин, насыщенный окисью углерода, называется карбоксигемоглобином. При связывании гемоглобина с угарным газом окислительные обменные процессы страдают в такой же степени, как и при отсутствии кислорода.

Источник

Вопрос 8. Эффект Бора, аллостерическая регуляция насыщения гемоглобина кислородом

График зависимости насыщения миоглобина кислородом от парциального давления кислорода имеет вид гиперболы; для гемоглобина же это зависимость отражается S- образной кривой. Графики подтверждают функцию данных хромопротеинов. Функция миоглобина — присоединить кислород, доставляемый гемоглобином и его запасти. Миоглобин не может транспортировать кислород так как даже при парциальном давлении 20 мм.рт.ст., степень насыщения миоглобина кислородом будет около 85%. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая физическая работа, РО2 в мышечной ткани может понизиться и до 5 мм.рт.ст., при столь низком давлении миоглобин легко отдает связанный кислород, обеспечивая тем самым окислительный синтез АТФ в митохондриях мышечных клеток.

Кривая диссоциации оксигемоглобина имеет S- образную конфигурацию. Этот факт также связан с функцией гемоглобина и имеет биохимический смысл. В процессе поглощения кислорода в легких напряжение О2 в крови (РО2) приближается к таковому в альвеолах. У молодых людей РО2 артериальной крови составляет около 95 мм.рт.ст.. Насыщение гемоглобина при этом — 97%. С возрастом (или при заболеваниях легких) напряжение О2 в артериальной крови может значительно снижаться, однако, поскольку кривая диссоциации оксигемоглобина в правой её части почти горизонтальна, насыщение крови кислородом уменьшается не намного. При РО2 равное 60 мм.рт.ст. насыщение гемоглобина составляет 90%. Таким образом, горизонтальный участок кривой диссоциации предупреждает существенное снижение насыщения артериальной крови кислородом.

Крутой наклон среднего участка свидетельствует об очень благоприятных условиях для отдачи кислорода тканям. В состоянии покоя РО2 в области венозного конца капилляра равно приблизительно 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 гемоглобина кислородом снижается не менее чем на 7%.

Олигомерные белки способны к аллостерической регуляции своих функций. Присоединение лигандов в участках, пространственно удаленных друг от друга (аллостерических), способно вызвать конформационные изменения во всем белке.

Результатом воздействия лигандов Н+, 2,3-ДФГ, СО2 является затруднение перехода из Т- состояния в R. Т-форма характеризуется меньшим сродством к кислороду и способна легко отдавать его тканям. Таким образом, при увеличение концентрации 2,3- ДФГ, уменьшение рН среды, а также при возрастании РСО2 и температуры кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо.

Эффект Бора

Влияние рН на характер кривой диссоциации оксигемоглобина называется эффектом Бора (по имени датского физиолога Христиана Бора, впервые открывшего этот эффект).

Гемоглобин в дезоксигенерированном состоянии имеет более высокое сродство к протонам, чем оксигемоглобин. Другими словами R — форма (оксигенерированная) является более сильной кислотой, чем Т-форма (дезоксигенерированная). Поэтому когда дезоксигемоглобин в легких присоединяет кислород, происходит переход в R — форму и разрыв некоторых связей, в результате чего и высвобождаются протоны, ответственные за эффект Бора. Наоборот, при высвобождении кислорода образуется Т-структура и разорванные связи между субъединицами должны быть восстановлены, и протоны вновь присоединяются к остаткам гистидина в  — цепях. Таким образом, протонирование гемоглобина снижает его сродство к О2 и увеличивает потребление О2 в ткани.

Эффект Бора имеет важное физиологическое значение. Образующийся в тканях СО2 должен транспортироваться в легкие. Он поступает в эритроциты по градиенту напряжения. В них фермент карбоангидраза превращает его в Н2СО3, который диссоциирует на бикарбонат, ион и протон. Последний сдвигает равновесие влево в уравнении (1).

Hb + 4 O2= Hb (О2)4 + (H+)n

Где n — величина порядка 2; число зависит от целого комплекса параметров, тем самым заставляя Hb О2 отдавать свой кислород.

НСО3- пассивно продвигается через ионный канал по градиенту концентрации в сыворотку.

Продвижение НСО3- не сопровождается перемещением Н+, поскольку нет канала, позволяющего ему пройти через мембрану эритроцитов. Для сохранения ионного равновесия при выходе НСО3- из клетки, Cl- перемещаются внутрь её через тот же ионный канал. Такое двойное перемещение известно как хлоридный сдвиг (сдвиг Хамбургера).

Растворенный НСО3- движется вместе с венозной кровью обратно в легкие. Здесь высвобождение протона из гемоглобина при оксигениции приводит к образованию НСО3- (по принципу Ле-Шателье).

НСО3-+ Н+= Н2СО3-,

что позволяет карбоангидразе образовать СО2.

Разрушение НСО3- в эритроците обуславливает вхождение в него НСО3- из сыворотки, так что в легких происходит обратный хлоридный сдвиг, приводящий к выведению СО2 с выдыхаемым воздухом.

Источник

Кинетика оксигенирования миоглобина и гемоглобина

Кривые насыщения гемоглобина и миоглобина

Почему миоглобин не способен транспортировать кислород, но зато активно его запасает? Для миоглобина изотерма адсорбции кислорода имеет форму гиперболы. Давление О2 в ткани, окружающей легочные капилляры, составляет 100 мм рт.ст., поэтому миоглобин в легких мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом. В венозной крови Р О2 равно 40 мм рт. ст., а в активно работающей мышце — 20 мм рт.ст. Но даже при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень насыщения миоглобина кислородом будет весьма значительна, и поэтому миоглобин не может служить транспортной молекулой для доставки О2 от легких к периферическим тканям. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая физическая работа, парциальное давление О2 в тканях может понизиться и до 5 мм рт.ст.; при столь низком давлении миоглобин легко отдает кислород, обеспечивая тем самым окислительный синтез АТФ в митохондриях мышечных клеток.

Кинетика оксигенирования гемоглобина коренным образом отличается от кинетики оксигенирования миоглобина. Кривая насыщения гемоглобина О2 имеет сигмоидальную форму. Т.о., способность гемоглобина связывать О2 зависит от того, содержатся ли в данном тетрамере другие молекулы О2. Если да, то последующие молекулы О2 присоединяются легче. Для гемоглобина характерна кинетика кооперативного связывания, благодаря которой он связывает максимальное количество О2 в легких и отдает максимальное количество О2 при тех значениях Р О2 , которые имеют место в периферических тканях.

Сродство гемоглобинов к О2 характеризуется величиной Р50- значением парциального давления О2, при котором наблюдается полунасыщение гемоглобина кислородом. Например, для HbA Р50 = 26 мм рт.ст., а для HbF — 20 мм рт. ст. Благодаря этой разнице гемоглобин F отбирает кислород у HbA, находящегося в плацентарной крови.

2) У олигомерных белков имеется специальный центр, отличный от активного, к которому присоединяется аллостерический лиганд. Этот центр получил название аллостерического.

Рассмотрим аллостерическую регуляцию на примере HbА. В центре молекулы HbА находится полость, которая является местом присоединения 2,3-ДФГ. Это соединение накапливается в эритроцитах при недостатке О2. Непосредственным предшественником служит 1,3-дифосфоглицерат — промежуточный продукт гликолиза. 2,3-ДФГ имеет сильный отрицательный заряд и взаимодействует с 5 положительно заряженными группами аллостерического центра. В результате взаимодействия образуется 5 дополнительных ионных связей, что снижает сродство Hb к кислороду и облегчает его отдачу в ткани.

Кривые насыщения гемоглобина и миоглобина

Кооперативные изменения конформации олигомерных белков составляют основу механизма регуляции функциональной активности не только Hb, но и большого числа других белков, в том числе аллостерических ферментов.

5. Изофункциональные белки

Белок, выполняющий определенную функцию в клетке, может быть представлен несколькими формами — изофункциональными белками или изобелками. Такие белки хоть и выполняют одинаковую функцию, но отличаются константой связывания, что приводит к некоторым различиям в функциональном отношении. Например, в эритроцитах человека обнаружено несколько форм гемоглобина: HbA (96%), HbF (2%), HbA2 (2%). Все гемоглобины представляют собой тетрамеры, построенные из протомеров , , ,  (HbA -22, HbF — 22, HbA2 — 22). Все протомеры сходны между собой по первичной, вторичной и третичной структурам. Все формы гемоглобинов предназначены для переноса кислорода в клетки тканей, но HbF, например, имеет большее сродство к кислороду, чем HbA. HbF характерен для эмбриональной стадии развития человека. Он способен отнимать кислород у HbA, что обеспечивает нормальное снабжение кислородом плода.

Изобелки — это результат наличия более чем одного структурного гена в генофонде вида.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

родство гемоглобина к кислороду. Изменение сродства гемоглобина к кислороду. Эффект Бора.

Оглавление темы «Вентиляция легких. Перфузия легких кровью.»:

1. Вентиляция легких. Вентиляция кровью легких. Физиологическое мертвое пространство. Альвеолярная вентиляция.

2. Перфузия легких кровью. Влияние гравитации на вентиляцию легких. Влияние гравитации на перфузию легких кровью.

3. Коэффициент вентиляционно-перфузионных отношений в легких. Газообмен в легких.

4. Состав альвеолярного воздуха. Газовый состав альвеолярного воздуха.

5. Напряжение газов в крови капилляров легких. Скорость диффузии кислорода и углекислого газа в легких. Уравнение Фика.

6. Транспорт газов кровью. Транспорт кислорода. Кислородная емкость гемоглобина.

7. Сродство гемоглобина к кислороду. Изменение сродства гемоглобина к кислороду. Эффект Бора.

8. Углекислый газ. Транспорт углекислого газа.

9. Роль эритроцитов в транспорте углекислого газа. Эффект Холдена..

10. Регуляция дыхания. Регуляция вентиляции легких.

Сродство гемоглобина к кислороду. Изменение сродства гемоглобина к кислороду. Эффект Бора.

Молекула гемоглобина может находиться в двух формах — напряженной и расслабленной. Расслабленная форма гемоглобина имеет свойство насыщаться кислородом в 70 раз быстрее, чем напряженная. Изменение фракций напряженной и расслабленной формы в общем количестве гемоглобина в крови обусловливает S-образный вид кривой диссоциации оксигемоглобина, а следовательно, так называемое сродство гемоглобина к кислороду. Если вероятность перехода от напряженной формы гемоглобина к расслабленной больше, то возрастает сродство гемоглобина к кислороду, и наоборот. Вероятность образования указанных фракций гемоглобина изменяется в большую или меньшую сторону под влиянием нескольких факторов.

Основной фактор — это связывание кислорода с геминовой фуппой молекулы гемоглобина. При этом чем больше геминовых фупп гемоглобина связывают кислород в эритроцитах, тем более легким становится переход молекулы гемоглобина к расслабленной форме и тем выше их сродство к кислороду. Поэтому при низком Р02, что имеет место в метаболически активных тканях, сродство гемоглобина к кислороду ниже, а при высоком Р02 — выше. Как только гемоглобин захватывает кислород, повышается его сродство к кислороду и молекула гемоглобина становится насыщенной при связывании с четырьмя молекулами кислорода.

Сродство гемоглобина к кислороду. Изменение сродства гемоглобина к кислороду. Эффект Бора.

Когда эритроциты, содержащие гемоглобин, достигают тканей, то кислород из эритроцитов диффундирует в клетки. В мышцах он поступает в своеобразного депо кислорода — в молекулы миоглобина, из которого кислород используется в биологическом окислении мышц.

Диффузия кислорода из гемоглобина эритроцитов в ткани обусловлена низким Р02 в тканях — 35 мм рт. ст. Внутри клеток тканей напряжение кислорода, необходимое для поддержания нормального метаболизма, составляет еще меньшую величину — не более 1 кПа. Поэтому кислород путем диффузии из капилляров достигает метаболически активных клеток. Некоторые ткани приспособлены к низкому содержанию Р02 в капиллярах крови, что компенсируется высокой плотностью капилляров на единицу объема тканей. Например, в скелетной и сердечной мышцах Р02 в капиллярах может снизиться чрезвычайно быстро во время сокращения. В мышечных клетках содержится белок миоглобин, который имеет более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин. Миоглобин интенсивно насыщается кислородом и способствует его диффузии из крови в скелетную и сердечную мышцы, где он обусловливает процессы биологического окисления. Эти ткани способны экстрагировать до 70 % кислорода из крови, проходящей через них, что обусловлено снижением сродства гемоглобина к кислороду под влиянием температуры тканей и рН.

Эффект рН и температуры на сродство гемоглобина к кислороду. Молекулы гемоглобина способны реагировать с ионами водорода, в результате этой реакции происходит снижение сродства гемоглобина к кислороду. При насыщении гемоглобина менее 100 % низкое рН понижает связывание кислорода с гемоглобином — кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо по оси х. Это изменение свойства гемоглобина под влиянием ионов водорода называется эффектом Бора. Метаболически активные ткани продуцируют кислоты, такую как молочная, и С02. Если рН плазмы крови снижается от 7,4 в норме до 7,2, что имеет место при сокращении мыщц, то концентрация кислорода в ней будет возрастать вследствие эффекта Бора. Например, при постоянном рН 7,4 кровь отдавала бы порядка 45 % кислорода, т. е. насыщение гемоглобина кислородом снижалось до 55 %. Однако когда рН снижается до 7,2, кривая диссоциации смещается по оси х вправо. В результате насыщение гемоглобина кислородом падает до 40 %, т. е. кровь может отдавать в тканях до 60 % кислорода, что на 1/з больше, чем при постоянном рН.

Сродство гемоглобина к кислороду. Изменение сродства гемоглобина к кислороду. Эффект Бора.

Метаболически активные ткани повышают продукцию тепла. Повышение температуры тканей при физической работе изменяет соотношение фракций гемоглобина в эритроцитах и вызывает смещение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо вдоль оси х. В результате большее количество кислорода будет освобождаться из гемоглобина эритроцитов и поступать в ткани.

Эффект 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) на сродство гемоглобина к кислороду. При некоторых физиологических состояниях, например при понижении Р02 в крови ниже нормы (гипоксия) в результате пребывания человека на большой высоте над уровнем моря, снабжение тканей кислородом становится недостаточным. При гипоксии может понижаться сродство гемоглобина к кислороду вследствие увеличения содержания в эритроцитах 2,3-ДФГ. В отличие от эффекта Бора, уменьшение сродства гемоглобина к кислороду под влиянием 2,3-ДФГ не является обратимым в капиллярах легких. Однако при движении крови через капилляры легких эффект 2,3-ДФГ на снижение образования оксигемоглобина в эритроцитах (плоская часть кривой диссоциации оксигемоглобина) выражен в меньшей степени, чем отдача кислорода под влиянием 2,3-ДФГ в тканях (наклонная часть кривой), что обусловливает нормальное кислородное снабжение тканей.

Видео физиология газообмена в легких и транспорта газов кровью — профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин

— Также рекомендуем «Углекислый газ. Транспорт углекислого газа.»

Источник