Міоглобін

Крива насичення киснем гемоглобіну має S-подібну (сигмоїдну) форму. При низькому pО₂ (до 10 мм рт.ст.) Нb має дуже малу спорідненість із О₂, а після зв'язування першої молекули О₂ крива насичення йде різко вгору. При 60 мм рт. ст. рівень насичення гемоглобіну киснем досягає 90 %, після чого знову повільно підні­мається до повного насичення. Завдяки таким властивостям гемоглобін добре пристосований до зв'язування кисню в легенях і його звільнення в периферичних тканинах. Рушійною силою перенесення О₂ служить різниця парціального тиску його в повітрі, рідинах і тканинах орга­нізму. pО₂ в альвеолярному повітрі дорівнює 100 мм рт. ст., а у венозній крові – 40 мм рт. ст. Завдяки градієнту в 60 мм рт. ст. кисень швидко дифундує через альвеолярну мембрану і в результаті pО₂ артеріальної крові складає близько 95 мм рт. ст. При такому pО₂ Нb насичується киснем приблизно на 96 %. Якщо ж pО₂ альвеолярного повітря буде меншим – до 80-70 мм рт. ст. (наприклад, на висоті), вміст оксигемоглобіну знизиться всього на 1-3 %.

У міжклітинній рідині тканин організму pО₂ складає 35 мм рт.ст. і менше. Під час протікання крові через капіляри оксигемоглобін дисоціює, причому ступінь дисоціації залежить від інтенсивності окиснювальних процесів у тканинах. Кисень дифундує з еритроцитів через плазму в міжклітинну рідину, а потім у клітини тканин, де в мітохондріях перетворюється у воду. У венозній крові в стані спокою pО₂ дорівнює 40 мм рт.ст., а венозний гемоглобін насичений киснем приблизно на 64 %. Таким чином, приблизно одна третина зв'язаного кисню звільняється в тканинах (6,5 мл О₂ із 100 мл крові). При фізичній роботі pО₂ у м'язах знижується до 25-10 мм рт.ст. і гемоглобін віддає більше кисню. Крім того, через працюючий м'яз збільшується кровообіг.

На зв'язування гемоглобіном О₂ впливають, крім pО₂, температура, рН, концентрація СО₂ і 2,3-дифосфогліцерату (ДФГ) (рис. ).

Підвищення концентрації Н⁺ і СО₂ знижує спорідненість гемоглобіну з О₂ і навпаки, сприяє звільненню кисню з оксигемоглобіну. Це явище називається ефектом К. Бора. Так само діє підвищення температури і концентрації в еритроцитах ДФГ. Крива насичення гемоглобіну киснем під дією цих факторів зміщується вправо (рис. 17.4). ДФГ – проміжний продукт гліколізу – знахо­диться в еритроцитах і, зв'язуючись з оксигемоглобіном, сприяє дисоціації кисню. Концентрація ДФГ зростає при підйомах на велику ­висоту (3-4 км над рівнем моря), а також при гіпо­ксіях, зумовлених патологічними процесами. Збільшення ступеня дисоціації оксигемоглобіну в тканинах буде компенсувати зниження кількості кисню, який зв'язуватиметься гемоглобіном у легенях в умовах гіпоксії.

 

Транспорт СО₂ (діоксиду вуглецю)

СО₂ утворюється в тканинах (основне джерело – реакції окиснювального декарбоксилювання альфа-кетокислот у матриксі мітохондрій). За добу у фізіологічних умовах легенями виводиться 300-600 л СО₂ (в середньому 480 л або 22 моля). pCО₂₂ у міжклітинній рідині складає приблизно 50 мм рт. ст., а в артеріальній крові – 40 мм рт. ст. І хоч різ­ниця pCО₂ значно менша від аналогічної для О₂, але коефіцієнт дифузії СО₂ у 30 разів більший і він швидко дифундує з тканин через міжклітинну рідину, стінки капілярів у кров. Вміст СО₂ у венозній крові становить 55-60 об. %, а в артеріальній – 50 об. %. Таким чином, із тка­нин до легень переноситься 5-10 мл СО₂ на кожні 100 мл крові. У формі розчиненого в плазмі газу транспортується приблизно 6 %. Основ­на кількість СО₂ переноситься у вигляді гідрокарбонатів, які утворюються внаслідок гідратації СО₂ і дисоціації вугільної кислоти.

Гідратація СО₂ – процес дуже повільний, і тільки в еритроцитах є фер­мент карбоангідраза, який каталізує цю реакцію. Протони, які звільнюються при дисоціації вугільної кислоти, зв'язуються специфічними амінокислотними залишками гемоглобіну. Це сприяє звільненню кисню з окси­гемоглобіну (ефект Бора) в капілярах тканин. Таким чином, дисоціація оксигемоглобіну в тканинах зумовлюється низьким pО₂ в тканинах, зв'язуванням іонів Н⁺, а також прямим приєднанням СО₂ до гемоглобіну.

Уся кількість СО₂, що утворюється в тканинах за добу, еквівалентна 13000 ммоль Н⁺/2 л конц. НСl. Величезна кількість іонів Н⁺ могла би миттєво знизити рН крові й міжклітинної рідини до 1,0, якщо б вони не зв'язувались із гемоглобіном. Дезоксигемоглобін, на відміну від оксигемоглобіну, є слабкою кислотою.

Аніони НСО₃^- виходять за градієнтом концентрації з еритроцитів у плазму, а замість них для збереження електронейтральності в еритроцити надходять іони Сl^-.

Коли венозна кров потрапляє в капіляри легень, О₂ дифундує в ери­троцити, утворюється оксигемоглобін, що як сильна кислота дисоціює, звільнюючи іони водню. Гідрокарбонати плазми також надходять у ери­троцити, взаємодіють із протонами, з вугільної кислоти під дією карбоангідрази звільняється СО₂, який дифундує в альвеолярне повітря. Переходу СО₂ з еритроцитів в альвеолярний простір сприяють градієнт парціального тиску СО₂ і висока дифузійна здатність. Схематично процеси, що відбуваються в капілярах тканин і капілярах легень, зображені на рис.

Як згадувалось вище, гемоглобін безпосередньо зв'язує СО₂, N‑кін­цевою альфа-аміногрупою кожного із 4-х поліпептидних ланцюгів з утво­ренням карбгемоглобіну (карбаміногемоглобіну):

Реакція зворотна і в капілярах тканин внаслідок високого pО₂ відбувається зліва направо, а в легенях – у зворотному напрямку. У вигляді карбгемоглобіну переноситься незначна кількість СО₂, яка зменшує спорідненість його з О₂ і навпаки, зв'язування в легенях гемоглобіном кисню зменшує спорідненість його із СО₂.

Таким чином, гемогло­бін може зв'язувати по 4 мо­лекули О₂ чи СО₂, приблизно 4 іони Н⁺ й 1 молекулу ДФГ. Зміна концентрації будь-якого з цих 4 ліган­дів гемоглобіну через зміну кон­формації молекули білка ­регулює його спорідненість з іншими лігандами. Завдяки цьому молекула гемогло­біну прекрасно пристосована до ­здійснення одночасного переносуеритроцитами О₂, СО₂ й іонів Н⁺.

 

Карбоксигемоглобін, метгемоглобін

Замість кисню до гемоглобіну може приєднуватись оксид вуглецю (II) з утворенням карбоксигемоглобіну (НвСО). Спорідненість гемоглобіну людини із СО більше ніж у 200 раз перевищує спорідненість із О₂. Токсичну дію на організм проявляють навіть невеликі концентрації в повітрі оксиду вуглецю, коли частина гемових груп гемоглобіну зв'язана із СО, а частина – з О₂. Такі молекули гемоглобіну утримують кисень міцніше, ніж гемоглобін, з яким зв'язані 4 молекули кисню. Таким чином, при отру­єнні СО гіпоксія зумовлена не тільки блокуванням частини гемів гемо­глобіну, а й порушенням процесу дезоксигенації гемів, з якими зв'язані молекули О₂.

Fе²⁺ гемоглобіну окиснюється до Fе³⁺ під дією таких агентів (окисників), як амілнітрит, анілін, нітробензол, нітрати і нітрити, тіосульфати, фериціанід. Форма гемоглобіну з Fе³⁺називається метгемоглобіном (МеtНb). Він не приєднує ні О₂, ні СО і, таким чином, не може забезпечувати транспорт кисню.

Окисно-відновний потенціал пари Fе²⁺/Нb–Fе³⁺/MetHb при рН 7 дорівнює +0,17 В, що вказує на можливість автоокиснення гемоглобіну до метгемоглобіну в середовищі з високою концентрацією кисню, яким є еритроцит. Дійсно, щоденно в організмі людини 0,5 % усього гемогло­біну перетворюється в метгемоглобін. Але в еритроцитах міститься фермент метгемоглобінредуктаза, який каталізує відновлення метгемоглобіну до гемоглобіну, тому фактично концентрація метгемоглобіну в крові в нормі невелика. Активність метгемоглобінредуктази знижена при спадковому захворюванні – сімейній метгемоглобінемії, головною ознакою якої є ціаноз, виражений різною мірою, що пов'язано з різною концентрацією метгемоглобіну (від 25 до 45 %). Метгемоглобінемію спостерігають також у клініці після прийому хворими сульфаніламідів, фенацетину, саліцилатів. Окиснення гемоглобіну до метгемоглобіну киснем зумовлює утворення супероксидного аніон-радикала (О₂^•):

Супероксидний радикал, який проявляє токсичну активність, під дією супероксиддисмутази перетворюється в Н₂О₂. Останній розпадається під впливом каталази і пероксидаз еритроцитів.

Fе ³⁺ у метгемоглобіні може взаємодіяти з різними аніонами (ОН^‑, Сl^‑, СN^-, S^2- й ін.). Токсична дія ціанідів зумовлена взаємодією їх із Fе³⁺ цитохромоксидази і гальмуванням у результаті тканинного дихання.

Оскільки в організмі міститься значно більше гемоглобіну, ніж цито­хромоксидази, як протиотруту при отруєнні синильною кислотою і її ­солями використовують амілнітрит, нітрит натрію, тіосульфат натрію, які зумовлюють утворення метгемоглобіну, а потім – ціанметгемоглобіну. Ця сполука не токсична і може повільно зазнавати подальших ­перетворень.