Снижение сродства гемоглобина к кислороду

Эффект Вериго — Бора

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 10 июля 2013; проверки требуют 29 правок.

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. Эффект этот был открыт независимо друг от друга Б. Ф. Вериго в 1892 году[1] и датским физиологом К. Бором в 1904 году[2].

История открытия[править | править код]

Основу разработки проблемы гипоксии заложил русский учёный-физиолог И. М. Сеченов фундаментальными работами по физиологии дыхания и газообменной функции крови. Большое значение имеют также исследования русского физиолога Б. Ф. Вериго по физиологии газообмена в лёгких и тканях. Опираясь на идеи Сеченова о сложных формах взаимодействия между диоксидом углерода и кислородом в крови (Вериго работал в лабораториях Сеченова, И. Р. Тарханова и И. И. Мечникова), он впервые установил зависимость степени диссоциации оксигемоглобина от величины парциального давления углекислоты в крови.

Биохимический механизм[править | править код]

Эффект Вериго — Бора: влияние pH на кривую насыщения гемоглобина кислородом

В клетках периферических тканей органическое топливо окисляется в митохондриях с использованием кислорода (клеточное дыхание), доставляемого гемоглобином из лёгких; при этом в качестве продуктов образуются углекислый газ, вода и другие соединения. Образование углекислого газа в тканях одновременно приводит и к повышению концентрации ионов H+ (то есть к понижению pH), поскольку при гидратации CO2 образуется H2CO3 — слабая угольная кислота, диссоциирующая на ионы H+ и бикарбонат-ионы:

H2CO3 ⇄ H+ + HCO3-.

Гемоглобин переносит значительную долю (около 20 %) общего количества CO2 и ионов H+, образующихся в тканях и поступающих в лёгкие и почки, обеспечивающих выделение этих продуктов.

За много лет до открытия этого механизма было обнаружено, что на связывание кислорода гемоглобином очень сильное влияние оказывает pH и концентрация CO2: при присоединении CO2 и ионов H+ способность гемоглобина связывать O2 снижается. Действительно, в периферических тканях с относительно низким значением pH и высокой концентрацией CO2 сродство гемоглобина к кислороду падает. И наоборот, в лёгочных капиллярах выделение CO2 и сопутствующее ему повышение pH крови приводит к увеличению сродства гемоглобина к кислороду. Это влияние величины pH и концентрации CO2 на связывание и освобождение O2 гемоглобином и называют эффектом Вериго — Бора.

Реакция связывания кислорода гемоглобином в виде

Hb + O2 ⇄ HbO2

в действительности отражает неполную картину, поскольку не учитывает дополнительные лиганды H+ и CO2.

Чтобы объяснить влияние концентрации ионов H+ на связывание кислорода, следует записать эту реакцию в иной форме:

HHb+ + O2 ⇄ HbO2 + H+,

где HHb+ — протонированная форма гемоглобина. Из этого уравнения следует, что кривая насыщения гемоглобина кислородом зависит от концентрации ионов H+. Гемоглобин связывает и O2, и ионы H+, но между этими двумя процессами существует обратная зависимость. Если парциальное давление кислорода велико (что наблюдается, например, в лёгких), то гемоглобин связывает его, освобождая при этом ионы H+. При низком парциальном давлении кислорода (что имеет место в тканях) связываться с гемоглобином будут ионы H+.

Эффективность связывания гемоглобином углекислого газа (с образованием карбаминогемоглобина, чаще именуемого карбгемоглобином[3]) находится в обратной зависимости от связывания кислорода. В тканях часть избыточного CO2 связывается с гемоглобином, сродство последнего к O2 снижается, и происходит высвобождение кислорода. В лёгких же связывается избыток O2 воздуха, тем самым сродство гемоглобина к CO2 уменьшается, и CO2 выделяется в альвеолярный воздух, способствуя лёгкому закислению крови за счёт ионов H+, возникающих при диссоциации угольной кислоты (см. выше).

Описанные зависимости делают молекулу гемоглобина великолепно приспособленной к осуществлению совместного переноса эритроцитами кислорода, углекислого газа и ионов H+[4].

См. также[править | править код]

• Эффект Холдейна (открыт Джоном Скоттом Холдейном)

Примечания[править | править код]

1. ↑ Verigo B. F. Zur Frage über die Wirkung des Sauerstoff auf die Kohlensäureausscheidung in den Lungen // Archiv für die gesammte Physiologie des Menschen und der Thiere : статья. — 1892. — № 51. — С. 321-361.
2. ↑ Chr. Bohr, K. Hasselbalch, and August Krogh. Concerning a Biologically Important Relationship — The Influence of the Carbon Dioxide Content of Blood on its Oxygen Binding // Skand. Arch. Physiol. : статья. — 1904. — № 16. — С. 401-412.
3. ↑ Карбгемоглобин // Биологический энциклопедический словарь.
4. ↑ Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х томах. Том 1. — М.: Мир, 1985. — С. 208-210. — 367 с.

Литература[править | править код]

• Вериго эффект // Большой медицинский словарь. — 2000.

Источник

Эффект Вериго — Бора

Мы немного порассуждали о лёгких и тканях, и о том, какие же между ними отношения, когда они пытаются посылать туда-обратно маленькие молекулы и в это же время отправлять тканям кислород. Ткань же пытается найти самый эффективный способ отправить обратно углекислый газ. Это и есть 2 основных процесса, которые происходят между лёгкими и тканями. Мы уже говорили о том, что есть 2 основных пути получения кислорода. Первый — самый лёгкий — растворённый кислород. Растворённый в крови кислород. Но это не основной путь. Основной — связывание кислорода с гемоглобином и образование HbO2, молекулы под названием оксигемоглобин. Именно так большинство кислорода попадает в ткани. С другой стороны от тканей в лёгкие переносится растворённый углекислый газ, небольшое количество которого переносится прямо в плазме. Однако, это не основной путь обратной поставки углекислого газа. Самый эффективный путь доставки углекислого газа в лёгкие — протонированная форма гемоглобина. Когда я говорил о протонированной форме гемоглобина, я упоминал, что плазма содержит бикарбонат. Суть процесса заключается в том, что возвращаясь в лёгкие, протон и бикарбонат снова встречаются и образуют СО2, а также воду, это происходит благодаря содержащемуся в красных клетках крови ферменту под названием карбоангидраза. Это и есть основной путь доставки углекислого газа в лёгкие. Конечно, есть ещё и 3-ий, заключающийся в том, что гемоглобин связывается непосредственно с углекислым газом в процессе и образуется маленький протон, который участвует здесь. Он также может связываться с гемоглобином. Среди такого взаимодействия я бы хотел привлечь ваше внимание к тому, что гемоглобин может связываться с кислородом также как и с протонами. Самое интересное здесь то, что происходит что-то вроде соревнования. Происходит, так сказать, небольшая игра. С одной стороны, у вас есть гемоглобин, связывающийся с кислородом (я нарисую его дважды), и это, в свою очередь, приводит к взаимодействию с протоном, который, в свою очередь, пытается выхватить гемоглобин. Происходит небольшое соревнование за гемоглобин, в котором кислород не участвует, а углекислый газ вступает в реакцию, о которой мы уже говорили. Небольшое количество гемоглобина связывается с углекислым газом, в результате чего образуется протон, но и в этом процессе кислород не участвует. Поэтому происходящая реакция напрямую зависит от того, каких молекул в данный момент больше: кислорода, протона или углекислого газа. В зависимости от того, каких молекул больше в ткани или клетке, происходит соответствующая реакция. Учитывая это, я мог бы вернуться назад и сказать, что я думаю, углекислый газ и протон влияют на кислород. Я мог бы сказать, что и углекислый газ, и протон действительно влияют на избирательное стремление гемоглобина к соединению. Повторю, избирательное стремление гемоглобина к соединению или на его желание связываться с кислородом. Это один из выводов, который вы бы могли сделать, наблюдая за таким соревнованием. Представив это, я думаю, можно сказать, что кислород (в зависимости от того, какой точки зрения вы придерживаетесь) влияет на избирательное стремление гемоглобина к соединению с углекислым газом или протоном. Итак, избирательное стремление гемоглобина к соединению с углекислым газом или протоном. Я хочу подчеркнуть, что независимо от точки зрения, которой вы придерживаетесь, оба эти утверждения верны. Мы можем решить, что, возможно, просто повторяем одно и то же дважды. Но на самом деле это два разных факта, каждый из которых называется по-своему. Первый случай, когда мы говорим о реакции углекислого газа и протонов, называется «эффект Бора». Вы можете встретить это название или описание. Это эффект Бора. И второй случай, если мы посмотрим на наш процесс с точки зрения кислорода, то реакция будет называться «эффект Холдейна». Что же такое эффект Бора и эффект Холдейна, кроме того, что это соревнование за гемоглобин? Давайте я подниму экран, и посмотрим, смогу ли я их изобразить. Я считаю, что небольшой рисунок или схема действительно помогают объяснить такие вещи. Я буду использовать небольшой график. Посмотрим, смогу ли я на нём изобразить эффект Бора. Это парциальное давление кислорода, то есть то, сколько кислорода растворяется в плазме. И это содержание кислорода, которое показывает, сколько всего кислорода в крови, что, конечно, учитывает в основном количество кислорода, связавшегося с гемоглобином. Что же будет, если я медленно увеличу парциальное давление кислорода? Вначале лишь несколько молекул кислорода свяжется с гемоглобином, но как только это произойдёт, возникнет кооперативный эффект, и потихоньку наклон кривой начнёт увеличиваться и станет более резким. Такая реакция обусловлена кооперативным эффектом, так как кислород вступает в реакцию там, где уже произошла реакция с его молекулами. Затем кривая выравнивается. Выравнивание происходит в результате насыщения гемоглобина. Так как остаётся мало свободного места, необходимо, чтобы в плазме растворилось много кислорода, который сможет тщательно поискать и найти оставшиеся свободные места на гемоглобине. Предположим, мы выбрали 2 зоны. Одна зона богата растворённым в крови кислородом, а во 2-ой наблюдается недостаток растворённого в крови кислорода. Это произвольный выбор, поэтому не следует беспокоиться о точном количестве. Если вы подумаете, где в организме наблюдается максимальное скопление кислорода, то естественно, это будут лёгкие, где в крови растворено много кислорода. И низкое количество кислорода наблюдается в бедренной мышце, например, где много СО2, но в крови растворено мало кислорода. И так, это две части тела, и теперь, глядя на эту кривую, вы можете узнать, сколько кислорода доставляется в бедро. Это легко. Я мог бы сказать, сколько кислорода в лёгких или в кровеносном сосуде, отходящем от лёгких… Итак. Вот это — количество кислорода в кровеносных сосудах, идущих от лёгких. Вот это — количество кислорода в кровеносном сосуде, идущем от бедра. Разница между этими двумя значениями — это и есть количество поставляемого кислорода. Поэтому, если вы хотите вычислить, сколько кислорода поставляется в ткань, вы должны просто вычесть эти два значения, это и будет количество поставляемого кислорода. Глядя на эти два значения, вы можете заинтересоваться тем, что произойдёт, если вы захотите повысить поставку кислорода. Предположим, что по какой-то причине необходимо сделать этот процесс более эффективным, в этом случае всё, что можно сделать, — это увеличить гипоксию в бедре (на графике вы движетесь влево) или, другими словами, уменьшить количество имеющегося кислорода. Итак, при повышении гипоксии в бедре, (точка на графике станет ниже), увеличится количество поставляемого кислорода. Однако это не идеальный вариант, так как нехватка кислорода в бедре вызывает боль. Есть ли другой способ увеличения поставки кислорода без гипоксии или уменьшения количества кислорода в ткани? Существует ли такой способ поставки кислорода? Здесь и вступает в игру эффект Бора. Давайте вспомним: эффект Бора заключается во влиянии СО2 и протона на связь гемоглобина с кислородом. Дело состоит в том (я буду помечать это зелёным цветом), что в этой ситуации у нас много углекислого газа и протонов, это и есть эффект Бора, когда кислороду труднее связаться с гемоглобином. Если я изображу другую кривую, изначально она будет менее выраженной, так как ещё меньшее количество кислорода связано с гемоглобином. Но как только концентрация кислорода достаточно увеличится, кривая начнёт подниматься и подниматься, и, в конечном счёте, кислород будет связываться с гемоглобином, то есть, нет такого, что он бы совсем не связывался с ним в присутствии углекислого газа и протонов, просто это займёт больше времени. При этом кривая выглядит так, как будто её сместили. Такие условия с высоким содержанием СО2 и протонов, которые, по сути, не подходят для лёгких. Лёгкие, думают: «Кого это волнует? У нас нет таких условий». Но для бедра, это подходит. Так как в бедре много СО2 и протонов. Вспомните, большое количество протонов означает низкий рН. Это можно рассмотреть с разных точек зрения. То есть, с бедром — другой случай. Ему соответствует не зелёная, а синяя кривая. Поэтому мы сможем изобразить точку на том же самом уровне О2 но ниже. Каково же содержание О2 в крови, направляющейся из бедра? Если всё сделать правильно, на кривой это будет отображаться здесь. Это фактическое количество, при этом доставленное количество О2 становится более впечатляющим. Посмотрите, из-за эффекта Бора поставка О2 увеличилась. Если вы захотите узнать, насколько точно она увеличивается, я покажу — это будет количество отсюда до сюда, другими словами, — вертикальное расстояние между зелёной и голубой линиями это и есть дополнительное количество поставленного из-за эффекта Бора кислорода. Вот почему эффект Бора так важен, Ведь, по сути, он помогает нам поставлять кислород в ткани. Итак, теперь давайте по тому же принципу рассмотрим эффект Холдейна. Фактически мы должны всё поменять местами, поэтому поменяются и оси, и единицы измерения. Здесь у нас будет количество углекислого газа, а здесь — содержание углекислого газа в крови. Давайте поразмышляем об этом эффекте. Начнём с медленного, но уверенного увеличения количества углекислого газа и посмотрим, как увеличивается его концентрация. С увеличением количества углекислого газа его концентрация в крови увеличивается прямо пропорционально. Кривая не имеет S-образной формы, как кривая кислорода, потому что при связывании с гемоглобином нет кооперативного эффекта. Содержание углекислого газа просто увеличивается прямо пропорционально его количеству. Это достаточно легко. Теперь давайте возьмём два случая, как мы делали ранее. Здесь будет высокое содержание СО2 в крови, а здесь низкое содержание СО2 в крови. В какой же ткани будет низкое содержание СО2 в крови? Низкое содержание СО2 находится, конечно, в лёгких, так как здесь мало углекислого газа. А высокое содержание СО2 возможно в бедре, так как бёдра — это маленькие фабрики по производству СО2. Поэтому в бёдрах высокое содержание СО2, а в лёгких — низкое. Если необходимо узнать количество поставленного СО2, то нужно повторить то, что мы делали ранее. Итак, высокое количество СО2 в бёдрах — это высокое количество СО2 в крови. А это количество СО2 в крови, направляющейся от бёдер к лёгким. Поэтому количество поставленного из бёдер в лёгкие СО2 — это разница этих двух значений. Вот так мы можем рассчитать количество фактически поставленного СО2. Так же как и поставка О2, наблюдается поставка большого количества СО2. Теперь давайте перечитаем эффект Холдейна, и посмотрим, что произойдёт, если мы изобразим ещё одну линию при наличии большого количества кислорода? Высокая концентрация кислорода меняет избирательное стремление гемоглобина к связыванию с углекислым газом и протонами. Поэтому прямо пропорционально количеству гемоглобина снизится количество связанных протонов и углекислого газа. А это означает снижение содержания СО2 при любом его количестве, растворённом в крови. Поэтому эта линия всё ещё прямая, но вы можете заметить, что она действительно снижается по наклонной. И где же это возможно, в каких случаях такое происходит? Давайте попытаемся определить, где же максимальное количество кислорода? Это, конечно, не бёдра, так как в бёдрах мало кислорода. Но это подходит лёгким. Даже очень. Теперь вы скажете: «Давайте посмотрим, что же происходит? Сколько же поставляется СО2 при высокой концентрации О2?» Возможно, вы уже заметили, что оно будет больше? Так как при высокой концентрации О2, количество поставляемого СО2 непрерывно увеличивается. Это и будет новое количество поставленного СО2. То есть, вы даже можете узнать точное количество поставленного СО2. Необходимо узнать разницу этих двух значений, в чём, по сути, и заключается эффект Холдейна. Вот так наглядно можно рассмотреть этот эффект. И так, эффект Бора и эффект Холдейна — две важные стратегии, которых придерживается наш организм для увеличения количества поставляемого О2 и выводимого СО2 между лёгкими и тканями.

Источник