Превращение гемоглобина в тканях

Одним из самых сложных процессов, что происходят в организме человека, несомненно, является дыхание. И сложность эта не только в танце легких, благодаря которому человек получает кислород, но и в процессах, с помощью которых этот кислород проникает дальше, в ткани, где превращается в углекислый газ, что отправляется в обратное путешествие. О данных процессах и пойдет речь далее.

Итак, приступим. Человек делает вдох, иии… Далеко не весь кислород поступает в легкие, а затем и в кровь. Часть вдыхаемого воздуха остается в так называемом мертвом пространстве. Мертвое пространство, в свою очередь, делится на анатомическое (дыхательные пути), в котором остается около 30 % вдыхаемого воздуха, и функциональное (вентилируемые, но по каким-то причинам не перфузируемые альвеолы).

Ухудшение альвеолярного газообмена может происходить при неглубоком и частом дыхании (причиной может стать перелом ребер, паралич дыхательной мускулатуры различного генеза и др.), а также при увеличении мертвого пространства, вызванном разнообразными причинами (нарушение перфузии альвеол в результате воспалительных заболеваний легких, удаление доли или целого легкого и др.), при снижении скорости кровотока по альвеолярным капиллярам (ТЭЛА, инфаркт легкого), при наличии диффузионного барьера (отек легких) и в результате ослабления альвеолярной вентиляции при обтурации просвета бронха. Газообмен между легкими и кровью происходит путем диффузии в соответствии с законом Фика. В легочных капиллярах она происходит за счет разности парциальных давлений в альвеолах и эритроцитах.

В альвеолах парциальное давление кислорода значительно превышает таковое для углекислого газа и составляет примерно 13,3 кПа (100 мм рт. ст.) и 5,3 кПа (40 мм рт. ст.) соответственно. Альвеолы омываются приносимой легочными артериями венозной кровью, в которой соотношение парциальных давлений этих двух газов обратно пропорционально и составляет приблизительно 5,3 кПа (40 мм рт. ст.) для кислорода и 6,1 кПа (46 мм рт. ст.) для углекислого газа. В среднем разница парциальных давлений составляет около 8 кПа (60 мм рт. ст.) для кислорода и около 0,8 кПа для углекислого газа.

Как уже было сказано выше, кислород путем диффузии проникает в кровь легочных капилляров. Диффузионное расстояние для кислорода при этом составляет 1–2 мкм, то есть именно на такое расстояние он проникает внутрь капилляра. Обмен крови в легочном капилляре происходит примерно за 0,75 секунды, но этого времени хватает на то, чтобы парциальные давления в альвеолах и в крови пришли в равновесие.

Кровь, в которой показатели парциального давления для кислорода и углекислого газа примерно равны таковым в альвеолах, называется артериализированной. Однако за счет наличия в легких артериовенозных шунтов и притока венозной крови из бронхиальных вен такой она остается недолго. В результате парциальное давление кислорода в аорте составляет примерно 12,0 кПа (как уже было сказано выше, парциальное давление в артериализированной крови равно таковому в альвеолах и составляет 13,3 кПа), а давление углекислого газа меняется незначительно и не приводит к затруднению его диффузии из крови в альвеолы.

Но кислород непосредственно в ткани попадает лишь в крайне незначительных количествах: для свободного перемещения по организму ему необходим транспортер. Эту функцию выполняет содержащийся в эритроцитах белок — гемоглобин. Гемоглобин существует в оксигенированной и неоксигенированной формах. В дезокси-гемоглобине железо находится на уровне порфиринового кольца и стабилизируется электростатическими силами, что обеспечивает поддержание всей структуры. Появившись, кислород начинает «тянуть» за железо, которое переносится на проксимальный гистидин на другом конце полипептидной цепи и меняет структуру всего протеина.

В результате гемоглобин переходит в оксигенированную форму, альфа- и бета-цепи при этом поворачиваются относительно друг друга на 15 градусов, облегчая присоединение остальных молекул кислорода. В итоге каждый из четырех содержащихся в нем атомов двухвалентного железа обратимо связывается с молекулой кислорода, что превращает молекулу гемоглобина в оксигемоглобин. По сравнению с миоглобином гемоглобин имеет низкое сродство к кислороду, однако оно не статично. Так, миоглобин может связывать кислород только одним участком, поэтому кривая его связывания — гипербола. Кривая связывания гемоглобина с кислородом имеет S-образную форму, демонстрируя, что при его связывании с первой молекулой кислорода гемоглобин имеет очень низкое сродство к кислороду, но при связывании последующих молекул кислорода сродство остальных его субъединиц к нему значительно увеличивается и в конечном счете повышается примерно в 500 раз.

При этом альфа-цепи связывают кислород легче, чем бета-цепи. Этот процесс назван кооперативным взаимодействием. По мере снижения парциального давления кислорода в крови происходит его высвобождение из гемоглобина и поступление в ткани. Например, парциальное давление кислорода в работающих мышцах составляет всего 26 мм рт. ст, и при прохождении эритроцитов через капилляры, кровоснабжающие мышцы, происходит высвобождение и поступление в мышечные клетки примерно ⅓ всего переносимого гемоглобином кислорода. При повышении температуры тела также возрастает потребность в кислороде, что, в свою очередь, стимулирует высвобождение и поступление его в ткани. При снижении температуры, напротив, развивается гипоксия тканей, способствующая компенсаторному увеличению сродства гемоглобина к кислороду.

Гемоглобин также осуществляет перенос от тканей к легким продуктов тканевого дыхания — углекислого газа и ионов водорода. В ходе окислительных процессов в клетке выделяется углекислый газ, в результате гидратации которого образуются ионы водорода, что, в свою очередь, приводит к снижению рН. Давно известно, что снижение рН и повышение концентрации углекислого газа в крови оказывает сильное влияние на способность гемоглобина связывать кислород.

В периферических сосудах показатели рН низкие, и по мере связывания гемоглобина с ионами водорода и углекислым газом происходит снижение его сродства к кислороду. Это влияние величины рН и концентрации углекислого газа на способность гемоглобина связывать кислород называют эффектом Бора.

Обратная ситуация имеет место в альвеолярных капиллярах, где присоединение кислорода к гемоглобину превращает тот в более сильную кислоту.

При этом сродство гемоглобина к углекислому газу снижается, а повышение кислотности гемоглобина приводит к высвобождению излишка ионов водорода и образованию в крови из бикарбоната угольной кислоты, которая затем распадается на воду и углекислый газ. В обоих случаях углекислый газ из крови поступает в альвеолы, а затем в атмосферу. Данный процесс назван эффектом Холдейна. Стоит отметить, что важную роль в образовании углекислого газа в эритроцитах играет ион хлора, поступающий в плазму крови в обмен на бикарбонат при участии белка-переносчика АЕ1. Данный процесс в англоязычной литературе получил название «Chloride shift» или «перенос Хамбургера».

На сродство гемоглобина к кислороду оказывает влияние и присутствующее в эритроцитах вещество, получившее название 2,3-бисфосфоглицерат (БФГ). Его образование — своего рода побочная реакция анаэробного гликолиза, происходящего в эритроцитах в ходе ферментативного превращения глюкозы в пируват под действием фермента бифосфоглицератмутазы. БФГ способен самостоятельно связываться с неоксигенированной формой гемоглобина, образуя солевой мостик между двумя его бета-субъединицами и снижая сродство к кислороду.

При этом гемоглобин способен связать только одну молекулу БФГ, а при присоединении кислорода БФГ вытесняется из полости. В обычных условиях в эритроцитах крови содержится достаточно большое количество БФГ, которое может увеличиваться в условиях гипоксии (например, у дайверов при погружении на глубину), а также при восхождении на большую высоту. В первые часы подъема концентрация БФГ в эритроцитах будет возрастать, а сродство кислороду снижаться. Но на большой высоте парциальное давление будет значительно ниже такового на уровне моря, а значит, оно снизится и в тканях. При этом БФГ будет облегчать передачу кислорода от гемоглобина к тканям.

Некоторые вещества способны прочно связываться с гемоглобином или же вовсе менять его структуру. Одним из них является угарный газ, чье сродство к гемоглобину в 200 раз превышает таковое для кислорода. Отравления угарным газом часто происходят в помещениях с печным отоплением, при пожарах и авариях на производстве. Со временем кислород вытесняет угарный газ из гемоглобина, и в легких случаях пациенты помещаются под наблюдение и получают ингаляции с увлажненным кислородом. Необходимой мерой при тяжелых отравлениях угарным газом является переливание эритроцитарной массы.

Источники:

1. Harrison’s hematology and oncology Longo, Dan L (Dan Louis), Third edition. New York : McGraw-Hill Education Medical, 2017.
2. Наглядная физиология, С. Зильбернагль, А. Деспопулос, 2013.
3. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 1. /Д. Нельсон, М. Кокс ; Пер. с англ.-М.: БИНОМ: Лаборатория знаний, 2011.- 694 с.

Ответ: Гемоглобин, как и другие хромопротеиды(хлорофиллпротеиды, миогло-бин и др.), попав с пищей в пищеварительный канал, гидролизуется пищевари-тельными ферментами, распадаясь на белок и простетическую группу(гем). Глобиновая часть подвергается обычным превращениям, которые свойственны простым белкам. Простетическая же группа гемоглобина – гем – окисляется в гематин. Гематин, так же как и хлорофилл,всасывается в кишечнике очень плохо и поэтому выделяется, в основном, с калом. Таким образом, простетиче-ская группа хромопротеидов пищи не может быть использована для синтеза соответствующих сложных белков.

Иные превращения свойственны гемоглобину в тканях организма. В печени распад гемоглобина начинается с разрыва α-метиновой связи между 1 и 2 пиррольными кольцами порфиринового ядра. Реакция катализи-руется НАДФ-зависимой оксидазой и приводит к образованию вердоглобина (зеленого пигмента). В реакции участвуют в качестве кофакторов аскорбино-вая кислота, ионы двухвалентного железа и др.В дальнейшем происходит распад вердоглобина на глобин, биливердин и железо. Биливердин в основном в печени превращается при восстановлении в билирубин– главный желчный

пигмент у человека и плотоядных животных.Частично билирубин может об-разовываться также в селезенке и, по-видимому, в эритроцитах.

Образовавшийся свободный билирубин плохо растворим в воде и не дает прямой реакции с диазореактивом Эрлиха,так как легко адсорбируется на белках плазмы крови. Поэтому он получил название «непрямого билирубина».

Свободный билирубин (непрямой) является для организма токсическим веще-ством. Поступающий с током крови в печень и образовавшийся в печени сво-бодный («непрямой») билирубин подвергается обезвреживанию в печени пу-тем образования с глюкуроновой кислотой диглюкуронида билирубина(час-тично – моноглюкуронида). Он хорошо растворим в воде и дает прямую реак-цию с диазореактивом. Поэтому он получил название«прямой» билирубин. Глюкуроновая кислота вступает в реакцию с билирубином в виде уридинди-фосфатглюкуроновой кислоты в присутствии особого фермента глюкуронид-трансферазы.

Синтез гемоглобина характеризуется многостадийностью. Считается, что пиррольные кольца порфиринового ядра гема синтезируются в организме че-ловека и животных с использованием гликокола(глицина) и сукцинилкоэнзи-ма А при участии фермента, содержащего фосфопиридоксаль.

57. В тканях нуклеиновые кислоты распадаются до мононуклеотидов под влиянием тканевых нуклеаз – дезоксирибонуклеаз и рибонуклеаз, локали-зованных главным образом в митохондриях клеток.

Мононуклеотиды в тканях распадаются дальше до более простых соеди-нений. Первый этап состоит в отщеплении остатка фосфорной кислоты под влиянием тканевых фосфатаз (или нуклеотидаз).

Далее осуществляется перенос пентозы от нуклеозида на фосфорную ки-слоту. Реакция катализируется специфической для каждого нуклеозида рибо-зилтрансферазой (нуклеозидфосфорилазой).

Таким путем в результате распада нуклеозидов образуются пентозо-1-фосфат и все виды пуриновых и пиримидиновых оснований,участвующих в построении нуклеиновых кислот.

Надо сказать, что нуклеозиды могут расщепляться не только путем пере-носа пентозы от нуклеозида на фосфорную кислоту, но и гидролитическим пу-тем при участии ферментов нуклеозидаз:

Образующиеся пентозо-1-фосфат и пентоза включаются в реакции обме-на, характерные для углеводов.

Пуриновые основания претерпевают последующие из-менения и превращаются в те или иные простейшие азотсодержащие продук-ты, которые либо выводятся из организма, либо откладываются в нем. Первая фаза распада пуриновых оснований заключается в дезами-нировании под влиянием специфических аминогидролаз тех из них,которые имеют аминогруппу. В результате пуриновые основания – аденин превращает-ся в гипоксантин, а гуанин – в ксантин:

Гипоксантин и ксантин окисляются в мочевую кислоту. Ре-акция катализируется ксантиноксидазой, представляющей собой молибденсо-держащий флавопротеид.

Мочевая кислота является конечным продуктом распада пуриновых осно-ваний у человека и некоторых животных(чел В норме концентрация мочевой кислоты в цельной крови человека со-ставляет 0,18-0,24 ммоль/л, а в сыворотке крови 0,1-0,4 ммоль/л. При наруше-нии обмена пуриновых оснований(при подагре, заболеваниях почек, при за-болеваниях, сопровождающихся усиленным распадом нуклеопротеидов – лей-козах, диабете, аллергии и др.) содержание мочевой кислоты может значи-тельно увеличиваться (гиперурикемия).

58. Начальным этапом превращений нуклеопротеидов пищи в пищеваритель-ном канале следует считать отщепление нуклеиновой кислоты от белковой части нуклеопротеида. В желудке это происходит либо неферментативным пу-тем под действием кислоты желудочного сока(если разрываются солеобраз-ные связи между нуклеиновой кислотой и белком,имеющим щелочные свой-ства), либо под действием пепсина, либо, наконец, и под влиянием пепсина и под влиянием кислоты желудочного сока. В кишечнике расщепление нуклео-протеидов на белок и нуклеиновую кислоту происходит под влиянием соот-ветствующих протеолитических ферментов (трипсина и других).

Отщепившийся в желудочно-кишечном тракте белок подвергается обыч-ным для белка превращениям. Расщепление же нуклеиновых кислот происхо-дит далее под влиянием особых ферментов поджелудочной железы и тонкого кишечника – специфических нуклеаз и неспецифических фосфодиэстераз. Они ускоряют реакции разрыва межнуклеотидных связей в молекулах нуклеино-вых кислот. Нуклеазы, действующие на внутренние межнуклеотидные связи в молекулах РНК и ДНК, называются эндонуклеазами. При их участии осущест-вляется деполимеризация нуклеиновых кислот в основном до олигонуклеоти-дов. Нуклеазы, ускоряющие реакции последовательного отщепления нуклео-тидов от РНК и ДНК,начиная с конца полинуклеотидной цепи,называются экзонуклеазами. Эти ферменты обеспечивают распад нуклеиновых кислот до отдельных мононуклеотидов. При этом различают эндо- и экзорибонуклеазы и эндо- и экзо-дезоксирибонуклеазы. Первые ускоряют реакции распада внут-ренних и внешних(концевых) межнуклеотидных связей в молекулах РНК. Вторые выполняют ту же роль в молекулах ДНК.

Существует также группа неспецифических эндо-и экзонуклеаз, дейст-вующих одновременно на РНК и ДНК.

Большинство нуклеаз являются гидролазами, однако, часть из них при-надлежит к группе фосфотрансфераз (например, эндонуклеаза поджелудочной железы). В результате каталитического влияния разнообразных нуклеаз в по-лости пищеварительного тракта нуклеиновые кислоты распадаются на слож-ную смесь индивидуальных мононуклеотидов.

Образовавшиеся мононуклеотиды гидролизуются малоспецифическими и высокоспецифическими фосфатазами с образованием нуклеозидов и неорга-нического фосфата. В виде этих соединений(нуклеотидов и нуклеозидов) и происходит всасывание продуктов гидролиза нуклеиновых кислот.Всосав-шиеся нуклеотиды и нуклеозиды частично используются в организме для син-теза простетических групп нуклеопротеидов.

Пиримидиновые основания претерпевают последующие из-менения и превращаются в те или иные простейшие азотсодержащие продук-ты, которые либо выводятся из организма, либо откладываются в нем. Первая фаза распада пиримидиновых оснований заключается в дезами-нировании под влиянием специфических аминогидролаз тех из них,которые имеют аминогруппу.

В отличие от пуриновых оснований дезаминированные пиримидиновые основания подвергаются восстановлению. В частности, урацил переходит в

дигидроурацил. Донором атомов водорода служит НАД.Н.Далее дигидро-

урацил гидролизуется в N-карбамил-β-аланин, который гидролизуется в свою очередь до β-аланина и карбаминовой кислоты. Последняя либо используется для синтеза мочевины, либо распадается до углекислого газа и аммиака.Все эти реакции катализируются соответствующими ферментами:

59.Синтез ДНК (репликация) характеризуется рядом особенностей.

При биосинтезе ДНК первой характерной чертой специфического -био синтеза является то, что он протекает только при участии всех четырех видов дезоксирибонуклеозид-5’-трифосфатов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ , дТТФ). Вторая особенность состоит в том, что биосинтез ДНК идет при каталитическом воз-действии комплекса ферментов: ДНК-репликазной системы или реплисемы, включающей более 20 т.н. репликативных ферментов и белковых факторов, в том числе ДНК-полимеразыI, II и III, РНК-полимеразы, ДНК-лигазы, ДНК-связывающего, ДНК-закручивающего и ДНК-раскручивающего белка и др. Наконец, третьей чертой биосинтеза ДНК является необходимость для его осуществления «затравки» в виде олигорибонуклеотида и ДНК-матрицы, что обеспечивает специфический биосинтез нуклеиновых кислот со строго задан-ной последовательностью нуклеотидных остатков в синтезируемой молекуле

по механизму комплементарности азотистых оснований дочерней ДНК и ДНК-матрицы. Общая схема биосинтеза ДНК может быть представлена,со-гласно Корнбергу, в следующем виде:

формула

Сталь и Меселсон установили, что в организме репликация ДНК осущест-вляется по полуконсервативному механизму, при котором цепи родительской ДНК расходятся и на каждой из них образуются комплементарные цепи до-черней ДНК. Механизм ферментативной реакции, происходящей при биосин-тезе ДНК, сводится к наращиванию полинуклеотидных фрагментов,закреп-ленных на одноцепочной ДНК-матрице, за счет переноса на их свободную гидроксильную группу при 3’-углеродном атоме пентозы нуклеозидмонофос-фатного остатка с дезоксирибонуклеозидтрифосфата, закрепленного в сосед-нем положении на матричной одноцепочной ДНК в соответствии с принципом комплементарности. Перенос идет в направлении5’  3’ и сопровождается выделением пирофосфата, что обеспечивает синтез энергией.

Детали синтеза пока не ясны. Считается, что биосинтез ДНК начинается с раскручивания биспиральной цепи ДНК с образованием т.. нрепликативных вилок, двух репликативных вилок в фиксированной точке родительской ДНК под влиянием ДНК-раскручивающего белка у прокариот или сразу множества репликативных вилок у эукариот. Инициация синтеза дочерней ДНК предва-рительно требует синтеза на одной из одноцепочечных цепей(т.н. ведущей цепи) необычного затравочного олигорибонуклеотида (т.н. праймера – затрав-

ДНК-полимеразы III в направлении 5’  З’, обратному направлению исходной цепи ДНК. На второй цепи ДНК-матрицы(т.н. отстающей цепи) также идет синтез ДНК, но в виде фрагментов(т.н. фрагментов Оказаки) в направлении 5’  3’. В последующем фрагменты ДНК объединяются при участии ДНК-лигаз в единую полинуклеотидную цепь. Праймер разрушается рибонуклеазой Н с последующей заменой на фрагмент ДНК с помощью ДНК-полимеразы I.