Я.Мусил - Современная биохимия в схемах

СИСТЕМА ПРОТИВОТОЧНОГО УМНОЖЕНИЯ

Система противоточного умножения реализуется при работе петли Генле. Моделью этой системы служит U-образная трубка, нисходящая (D) и восходяшая (А) ветви которой разделены мембраной (М). Эта мембрана не пропускает растворитель, тогда как ионы Na+ могут проходить через нее из восходящей ветви в нисходящую путем активного транспорта. Такая мембрана способна образовывать по всей длине постоянный осмотический градиенг между растворами в двух ветвях (активный транспорт Na+ ) . В почках величина этого градиен-

трубка заполнена раствором определенной осмоляльности. Состояние 2. Вследствие активного транспорта Na+ через мембрану от А к D вдоль всей мембраны образуется постоянный осмотический градиент. Состояние 3. Жидкость в трубке приходит в движение, и часть ее выливается. Другое колено заполняется исходной жидкостью. Поток прекращается. Состояние 4. Равновесие восстановлено, т.е. во всех частях трубки существует постоянный осмотический градиент. Состояние 5. Часть жидкости опять выливается и потеря восполняется исходной жидкостью. Поток прекращается. Состояние 6. По всей поверхности мембраны устанавливается постоянный осмотический градиент. Значения осмоляльности в отдельных частях трубки не такие, как в состояниях 2 и 4. В результате концентрация Na+ и осмоляльность максимальны в нижней части U-образной трубки. На выходе из трубки жидкость гипоосмоляльна по сравнению с входящей. При постоянном потоке жидкости через трубку на каждом уровне трубки устанавливается равновесие.

В почке активный транспорт Na+ из восходящей ветви петли, сопровождаемый пассивным транспортом C l - , происходит не прямо в нисходящую ветвь, а в интерстициальную жидкость. В результате осмотические давления в верхней и нижней частях петли сильно различаются. Из петли Генле выходит гипоосмотическая жидкость, что соответствует разбавлению мочи в результате понижения содержания растворенных веществ.

ОСМОЛЯЛЬНОСТЬ ПЕРВИЧНОЙ МОЧИ

Первичная моча в проксимальных канальцах (А) изотонична. Na+ и Cl- транспортируется из восходящей ветви в интерстициальную жидкость. Поскольку мембрана этой части петли не пропускает воду, пространство вблизи петли становится гипертоническим в результате работы системы противоточного умножения. Сюда диффундирует вода из прилежащих участков, главным образом из дистального канальца В и собиратель-

нию мочи. Гипотоническая моча из верхней части петли Генле поступает в дистальный каналец, мембрана которого достаточно хорошо пропускает воду, так что на выходе из канальца жидкость становится изотонической. В собирательной трубке реабсорбция Na+ и Сl-, а также воды продолжается, в результате чего объем жидкости еще более уменьшается. Проницаемость мембраны для воды регулируется антидиуретическим гормоном.

181

182

Кислотно-основной баллоне XVIII и обмен газов

При метаболических процессах окисления-восстановления и декарбоксилирования поглощается О2 и выделяется СО2 в количествах, эквивалентных 13000 ммолей в сутки. К кислотным продуктам метаболизма относятся также фосфорная и серная кислоты (нелетучие кислоты), количества которых эквивалентны примерно 70 ммолям Н+ в сутки. Так как рН внутренней среды может изменяться лишь в очень узком диапазоне, выделяющиеся ионы Н+ необходимо удалять из организма.

Основные пути вывода Н+ - это выделение СО2 легкими и ионов Н+ почками (см. гл. «Вода и ионы»). На пути этих продуктов от места их образования (внутри клеток) до выхода из организма, когда их концентрация велика, нужно предотвратить их неблагоприятное действие. Для этой цели существует ряд буферных систем, которые, несмотря на огромные количества транспортируемых протонов, сохраняют значение рН внутренней среды в допустимых границах. Важную роль в этих процессах играет кровь, одна из основных функций которой - перенос О2 от легких к клеткам ткани и поддержание рН.

Кислород присоединяется в шестом координационном положении Fe2+ в геме гемоглобина. Связывание обратимо, и степень насыщения зависит от давления О2. Присоединение О2 к части субъединиц тетрамера гемоглобина приводит к активации свободных субъединиц (аллостерический эффект). Оксигемоглобин является более сильной кислотой по сравнению к гемоглобином и легче диссоциирует.

СО2 образуется в клетке в реакциях окисления и декарбоксилирования. Его необходимо удалять из организма, чтобы не допустить закисления среды. На пути из клетки ткани в альвеолы легких устанавливаются следующие равновесия:

СО2 + Н2О <=> Н2СО3 <=> НСО3- + Н+

баланс. Для того чтобы этого не происходило, в организме есть буферные системы, образуемые бикарбонатом, гемоглобином, белками и фосфатами.

183

185

186

187

ВЗАИМОСВЯЗЬ БУФЕРНЫХ СИСТЕМ КРОВИ

Протоны, образуемые клетками ткани, попадают во внеклеточное пространство, где они связываются бикарбонатной и в меньшей степени фосфатной системами. После перехода в кровь они нейтрализуются бикарбонатной системой и плазматическими белками. Из плазмы ион Н+ передается внутрь эритроцитов гемоглобину, который служит основной буферной системой эритроцитов и обладает большой емкостью. Между всеми этими системами поддерживается равновесие.

ПУТИ ПЕРЕНОСА СО2 КРОВЬЮ

При образовании СО2 в клетке (в митохондриях) давление СО2 во внеклеточном пространстве увеличивается. Поскольку давление СО2 в кровеносных капиллярах меньше, углекислый газ свободно диффундирует в кровь. В небольшом количестве он растворяется в плазме и связывается с плазматическими белками. Реакция гидратации протекает медленно, так как в плазме нет карбоангидразы. С белками СО2 дает соединения типа карбаминовой кислоты. Протоны, образующиеся при их диссоциации, связываются фосфатом.

После поступления СО2 в эритроциты реакция гидратации сильно ускоряется под действием карбоангидразы. Ионы Н+ , образующиеся при диссоциации Н2СО3, связываются гемоглобином. Поскольку концентрация бикарбоната в эритроцитах выше, чем в плазме, он проходит через мембрану по градиенту концентрации. Ионы Na+ и К+ не могут свободно проникать через мембрану, поэтому для сохранения электронейтральности в эритро-

циты из плазмы поступает ион Сl-. Часть СО2 взаимодействует в эритроцитах с гемоглобином,

образуя карбаминогемоглобин. Эта реакция не требует катализатора. Ионы Н+ , образующиеся при диссоциации Н2СО3 и карбаминогемоглобина, нейтрализуются гемоглобином и органическими фосфатами.

188

ПРЕВРАЩЕНИЯ ГЕМОГЛОБИНА ПРИ ПЕРЕНОСЕ КИСЛОРОДА

Реакция А происходит в легких. В артериальной крови гемоглобин присутствует главным образом в форме НbО2, т.е. насыщен кислородом. Реакция Б происходит в тканях. В венозной крови преоблалает восстановленная форма гемоглобина. Освобождению О2 из гемоглобина способствует тот факт, что восстановленный гемоглобин является более сильным основанием, т. е. имеет большее сродство к Н+. Поэтому кислород легко освобождается при повышении концентрации Н+. Связывание Н+ и буферные свойства гемоглобина обусловлены наличием функционально важных остатков гистидина в его белковой части. Кислород образует связь с ионом железа порфиринового цикла (см. гл. «Порфирины»).

КРИВАЯ НАСЫЩЕНИЯ ГЕМОГЛОБИНА

Эта кривая показывает зависимость насыщения гемоглобина (в %) от парциального давления О2 (рО2). Кривые насыщения гемоглобина и миоглобина не совпадают, что объясняется различием структуры молекул этих белков. Миоглобин образован одной белковой цепью и одним гемом, тогда как гемоглобин представляет собой тетрамер (четыре белковых цепи и четыре гема на молекулу). Белки имеют разное сродство к кислороду, которое к тому же зависит от рН. У миоглобина (одна субъединица) сродство к кислороду велико, и кри-

ккислороду при низких его концентрациях меньше,

икривая насыщения сигмоидальна. Такой вид кри-

вой объясняется тем, что первая молекула субстрата (О2), связанная тетрамером, облегчает присоеди-

нение остальных, т.е. увеличивает сродство белка к субстрату. Кинетика этого явления похожа на ки-

нетику реакции, катализируемой аллостерическим

ферментом (см. гл. «Ферменты»). Насыщение гемоглобина кислородом служит моделью проявления

аллостерических свойств ферментами.

ИЗМЕНЕНИЯ КОНФОРМАЦИИ МОЛЕКУЛЫ

ГЕМОГЛОБИНА ПРИ СВЯЗЫВАНИИ О2

Гемоглобин состоит из четырех пептидных цепей и четырех гемов, каждый из которых может связать одну молекулу кислорода. Присоединение О2 к одной из гемовых групп влияет на последующее присоединение О2 к трем остальным. Механизм этого явления, вероятно, следующий.

Молекулу гемоглобина можно представить себе состоящей из двух одинаковых частей, каждая из которых содержит одну α-цепь и одну β-цепь (1).

При взаимодействии О2 с одним из гемов происходит изменение конформации цепи (2). От α-цепи

оно механически передается на β-цепь (3). В новой (измененной) конформации сродство β-цепи к кислороду выше, чем в исходном состоянии, поэтому присоединение следующей молекулы О2 к β-цепи облегчено (4). Заполнение кислородом одной пары субъединиц αβ вызывает изменение конформации в другой паре (5), и она быстро и прочно связывает еще две молекулы О2 (6). На кривой насыщения эта фаза проявляется в виде резкого подъема, придающего кривой характерный сигмоидальный вид.

189

ПРОЦЕСС ПЕРЕНОСА КИСЛОРОДА В КРОВИ

Кислород, переносимый гемоглобином, поступает в ткани, где он быстро расходуется на окисле-

ние субстратов. Движение кислорода происходит по направлению градиента давления (рО2) в результате обычной диффузии. На пути к митохондриям, где он используется для получения энергии (см. гл. «Митохондрия, дыхание и фосфорилирование»), ему приходится преодолевать ряд барьеров

в виде мембран различного типа и интерстициальных пространств.

Любое изменение толщины мембраны или ширины интерстиция удлиняет путь О2 к пункту назначения и вызывает нарушение энергетического метаболизма ткани.

В легких кислород присоединяется к восстановленному гемоглобину. Образование оксигемоглобина сопровождается освобождением протонов, вследствие чего их концентрация в эритроцитах возрастает. Ионы Н+ реагируют с бикарбонатом с образованием угольной кислоты, которая быстро разлагается карбоангидразой на СО2 и Н2О. Оба эти вещества свободно диффундируют в плазму. СО2 переходит в альвеолы и выдыхается. Для поддержания электронейтральности внутренней среды в эритроциты взамен ушедших ионов HCO3- поступают из плазмы ионы Сl-, для которых мембрана эритроцитов легко проницаема.

Постоянное поглощение кислорода из альвеолярного воздуха и выделение СО2 при выдыхании обеспечивают непрерывное протекание всех вышеупомянутых реакций.

190