Funktsional'naia_biokhimiia

31

Однако это уравнение неполное. Чтобы учесть влияние концентрации Н+, перепишем его в следующем виде:

ННb+ + O2 НbO2 + Н+

где HHb+ – это протонированная форма гемоглобина. Из данного уравнения следует, что кривая насыщения гемоглобина кислородом зависит от концентрации Н+ (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5. – Влияние рН на связывание кислорода гемоглобином (эффект Бора)

Гемоглобин связывает как O2, так и H+, но с обратным сродством: при высокой концентрации кислорода (в легких) гемоглобин связывает кислород и высвобождает протон, а при низкой концентрации кислорода (в периферических тканях) гемоглобин связывает протон и высвобождает O2.

Кислород и Н+ связываются в разных участках молекулы гемоглобина. Кислород связывается с атомом железа в геме, а H+ – с одним из нескольких аминокислотных остатков белка. Основной вклад в эффект Бора вносит His146 (гистидин на 146 позиции) β-субъединицы. В протонированном состоянии этот остаток образует ионную пару с Asp94, что способствует стабилизации дезоксигемоглобина в состоянии Т. Образование ионной пары стабилизирует протонированную форму His146, что отражается на аномально высоком значении рКa этой группы в состоянии Т. При переходе в состояние R рКa этого остатка гистидина возвращается к нормальному значению 6,0, поскольку ионная пара распадается; в оксигемоглобине при pH 7.6 (нормальное значение pH крови в легких) этот остаток в основном находится в депротонированной форме. По мере повышения концентрации Н+ происходит протонирование His146, способствующее высвобождению

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

32

кислорода и переходу в состояние Т. Аналогичный эффект оказывает протонирование N-концевых остатков α-субъединиц некоторых других остатков His и, возможно, каких-то других групп.

Таким образом, четыре полипептидные цени гемоглобина взаимодействуют друг с другом не только при связывании кислорода в гемовых группах, но и при связывании протона со специфическими аминокислотными остатками. Гемоглобин связывает также СО2, причем опять-таки этот процесс находится в обратной зависимости от связывания кислорода. Углекислый газ связывается с концевой α-аминогруппой каждой из четырех глобиновых цепей, в результате чего образуется

карбаминогемоглобин:

В результате данной реакции выделяется H+, который вносит свой вклад в эффект Бора. Карбаматные группы также участвуют в образовании солевых мостиков, что способствует стабилизации состояния Т и высвобождению кислорода.

При высокой концентрации углекислого газа (в периферических тканях) часть СО2 связывается с гемоглобином, и сродство гемоглобина к кислороду снижается, что приводит к высвобождению О2. И наоборот, при связывании гемоглобина с кислородом в легких происходит высвобождение СО2. Именно благодаря способности молекулы гемоглобина передавать информацию о связывании лиганда от одной субъединицы к другой этот белок оказывается великолепно приспособленным для переноса эритроцитами О2, СО2 и Н+.

6. Гемостатическая функция крови.

При нарушении целостности кровеносной системы уменьшение кровопотери обеспечивает система гемостаза. Гемостаз поддерживается двумя путями: остановкой кровотечения с помощью тромбоцитов и свертыванием крови.

Образование тромба включает активацию каскада факторов свертывания крови, которые представляют собой белки, вырабатываемые преимущественно в печени. Существует более десятка факторов свертывания крови. Они взаимодействуют в сложной цепи химических реакций, которые в конечном итоге приводят к образованию тромбина. Тромбин превращает фибриноген (фактор свертывания, в нормальных условиях растворенный в крови), в длинные цепи фибринов, которые отходят от слипшихся

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

33

тромбоцитов и формируют сеть, захватывающую большее количество тромбоцитов и клеток крови. Нити фибринов делают формирование сгустка крови более интенсивным и помогают удерживать его на месте, оставляя стенки сосуда закупоренными.

Номенклатура факторов свертывания крови несколько запутана. Факторы нумеруются римскими цифрами, при этом активированная форма фактора в наименовании содержит дополнительно букву «а» после римской цифры. Многие факторы являются протеиназами. На схеме (рисунок 2.6) неактивные предшественники протеиназ представлены в виде окружностей, а активные ферменты – окрашенными кружочками с вырезанным сектором. Вспомогательные факторы показаны в виде прямоугольников.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

34

Рисунок 2.6. – Система гемостаза и активация факторов свёртывания крови

При свертывании крови происходит ферментативное превращение растворимого белка плазмы фибриногена (фактора I, см. рис. 2.6) в фибриновый полимер, сеть волокон нерастворимого белка. В этой реакции принимает участие фермент тромбин (фактор IIа), который протеолитически отщепляет от молекулы фибриногена небольшой

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

35

пептидный фрагмент, в результате чего освобождаются участки связывания, что позволяет молекуле фибрина агрегировать в полимер. Затем с помощью глутамин-трансферазы (фактора XIII) образуются изопептидные связи боковых цепей аминокислот фибрина, что приводит к формированию нерастворимого фибринового сгустка (тромба).

Свертывание крови может запускаться двумя различными путями: вследствие нарушения целостности ткани (внесосудистый путь, на схеме справа, рис. 2.6) или процессами, которые начинаются на внутренней поверхности сосуда (внутрисосудистый путь, на схеме слева, рис. 2,6). В обоих случаях запускается каскад протеолитических реакций: из неактивных предшественников ферментов (зимогенов, условно обозначаемых на схеме окружностями) путем отщепления пептидов образуются активные сериновые протеиназы (обозначаемые на схеме окрашенными кружочками с вырезанным сектором), которые в свою очередь действуют на другие белки. Оба реакционных пути нуждаются в ионах Са2+ и фосфолипидах и оба завершаются активацией фактором Ха протромбина (фактора II) с образованием тромбина (IIа).

Внутрисосудистый путь инициируется коллагеном, который в норме не экспонирован на внутренней поверхности кровеносных сосудов; его контакт с кровью приводит к активации фактора XII. Внесосудистый путь активации начинается с освобождения фактора III (тканевого тромбопластина) из поврежденных клеток ткани. В течение нескольких секунд этот фактор приводит к свертыванию крови в области раны.

Факторы свертывания II, VII, IX и X содержат необычную аминокислоту, γ-карбоксиглутаминовую (Gla). Остатки Gla, которые образуются в результате посттрансляционного карбоксилирования остатков глутаминовой кислоты, группируются в особых белковых доменах. Они присоединяют ионы Са2+ и вследствие этого связывают соответствующие регуляторные факторы с фосфолипидами на поверхности плазматической мембраны. На рисунке это схематически представлено на примере протромбинового комплекса (Va, Ха и II). Вещества, способные связывать свободные ионы Са2+ в виде комплекса, например цитрат, предотвращают это взаимодействие с фосфолипидами и тормозят свертывание. Для синтеза остатков Gla необходим в качестве кофактора витамин К. Антагонисты витамина К, такие, как дикумарин, подавляют синтез активных факторов коагуляции и действуют поэтому также как ингибиторы свертывания.

Генетически обусловленный дефицит отдельных факторов свертывания приводит к кровоточивости (гемофилия).

Регуляция свёртывания крови. Процесс свертывания крови находится в постоянном равновесии между активацией и торможением. Для торможения в плазме имеются очень эффективные ингибиторы протеиназ. Сериновые протеиназы системы свертывания инактивируются антитромбином. Его действие усиливается сульфатированным глюкозаминогликаном – гепарином. Тромбомодулин, расположенный на

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

36

внутренней стенке кровеносных сосудов, инактивирует тромбин, образуя с ним стехиометрический комплекс. За протеолитическое разрушение факторов V и VIII в плазме отвечает белок с. Этот белок в свою очередь активируется тромбином и, тем самым, реализуется самотормозящийся механизм свертывания крови.

Тромб рассасывается в результате процесса – фибринолиза. Образующийся в результате свертывания крови фибриновый тромб растворяется благодаря действию плазмина – сериновой протеиназы плазмы крови. В плазме плазмин находится в виде предшественника – плазминогена. Последний может активироваться протеиназами различных тканей, например, активатором плазминогена из почек (урокиназой) и тканевым активатором плазминогена (ТАП) из эндотелия сосудов. Активность плазмина контролируется белком плазмы α2-антиплазмином, способным связывать и инактивировать активный плазмин.

7. Буферные системы крови и кислотно-основное равновесие.

Концентрация ионов Н+ в плазме и в межклеточном пространстве составляет около 40 нМ. Это соответствует величине рН 7,40. рН внутренней среды организма должен поддерживаться постоянным, так как существенные изменения концентрации прогонов не совместимы с жизнью.

Постоянство величины рН поддерживается буферными системами плазмы, которые могут компенсировать кратковременные нарушения кислотно-основного баланса. Длительное рН-равновесие поддерживается с помощью продукции и удаления протонов. При нарушениях в буферных системах и при несоблюдении кислотно-основного баланса, например в результате заболевания почек или сбоев в периодичности дыхания из-за гипоили гипервентиляции, величина рН плазмы выходит за допустимые пределы. Уменьшение величины рН 7,40 более, чем на 0,03 единицы, называется ацидозом, а повышение – алкалозом.

Существуют два источника протонов в плазме крови – свободные кислоты пищи и серосодержащие аминокислоты белков, органические кислоты (например лимонная, аскорбиновая и фосфорная), отдают протоны в кишечном тракте (при щелочном рН). В обеспечение баланса протонов наибольший вклад вносят образующиеся при расщеплении белков аминокислоты метионин и цистеин. В печени атомы серы этих аминокислот окисляются до серной кислоты, которая диссоциирует на сульфат-ион и протоны.

При анаэробном гликолизе в мышцах и эритроцитах глюкоза превращается в молочную кислоту, диссоциация которой приводит к образованию лактата и протонов. Образование кетоновых тел – ацетоуксусной и 3-гидроксимасляной кислот – в печени также приводит к освобождению протонов, избыток кетоновых тел (при голодании, сахарном диабете) ведет к перегрузке буферной системы плазмы и снижению рН (метаболический ацидоз; молочная кислота → лактацидоз, кетоновые тела →

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

37

кетоацидоз). В нормальных условиях эти кислоты обычно метаболизируются до СО2 и Н2О и не влияют на баланс протонов.

В почках протоны попадают в мочу за счет активного обмена на Na+- ионы. При этом в моче протоны забуфериваются, взаимодействуя с NH3 и фосфатом.

Внеклеточные и внутриклеточные жидкости многоклеточных организмов, в том числе и кровь, имеют характерные и практически постоянные значения pH. Первая линия защиты организма от изменений pH обеспечивается буферными системами. Цитоплазма большинства клеток содержит высокую концентрацию белков, состоящих из аминокислот, чьи функциональные группы действуют как слабые кислоты или основания. Например, рKa имидазольного кольца в боковой цепи гистидина составляет 6,0; таким образом, белки, содержащие остатки гистидина, являются эффективными буферами в области нейтральных значений pH, а боковая цепь гистидина в этой области значений pH может существовать как в протонированной, так и в непротонированной форме. Нуклеотиды, такие как АТР, как и многие другие низкомолекулярные метаболиты, содержат функциональные группы, способные к ионизации. Именно они обеспечивают буферные свойства цитоплазмы. Некоторые высокоспециализированные органеллы и внеклеточные компартменты содержат в больших концентрациях соединения, которые обеспечивают их буферную емкость: органические кислоты в вакуолях растений, аммонийный буфер в моче.

Фосфатная и бикарбонатная буферные системы играют наиболее важную роль с биологической точки зрения. В фосфатной буферной системе, действующей в цитоплазме любой клетки, в качестве донора протонов выступает Н2РO4–, а в качестве акцептора протонов – НРO42–:

H2PO4– Н+ + НРO42–

Фосфатный буфер наиболее эффективно действует в области pH, близкой к значению рKa = 6,86, т. е. в диапазоне pH от 5,9 до 7,9. Таким образом, он эффективен как раз в биологических жидкостях. Например, в большинстве цитоплазматических компартментов клеток млекопитающих pH находится в интервале от 6,9 до 7,4.

Функции буфера в плазме крови частично выполняет бикарбонатная система, состоящая из угольной кислоты Н2СO3 в качестве донора протона и бикарбоната НСO3– в качестве акцептора протона:

Н2СО3 Н+ + HCO3–

Данная буферная система сложнее других кислотно-основных пар, поскольку один из ее компонентов – угольная кислота – образуется при растворении (р) в воде диоксида углерода в соответствии с обратимой реакцией:

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

38

СO2(р) + Н2O Н2СO3

В нормальных условиях диоксид углерода – газообразное вещество, и концентрация растворенного СO2 определяется равновесием с газообразным СO2 (г):

СO2(г) СO2(р)

Итак, pH бикарбонатного буфера определяется концентрацией Н2СO3 и НСO3–, а концентрация Н2СO3, в свою очередь, определяется концентрацией растворенного СO2, которая зависит от концентрации СO2 в газовой фазе или парциального давления СO2 (обозначается рСO2). В итоге pH бикарбонатного буфера, находящегося в контакте с газовой фазой, определяется концентрацией НСO3– в водной фазе и рСO2 в газовой фазе.

Бикарбонатный буфер играет важную физиологическую роль, поскольку поддерживает pH плазмы крови около значения 7,4. В такой буферной системе, как было сказано выше, действуют три взаимосвязанных обратимых равновесия, в данном случае между газообразным СO2 в воздушном пространстве легких и бикарбонатом (НСО3–) в плазме крови (рисунок 2.7.).

Рисунок 2.7. – Роль бикарбонатной буферной системы

Когда ионы Н+ (например, из молочной кислоты, образующейся в мышечной ткани при большой физической нагрузке) попадают в кровь при ее прохождении через ткани, в реакции 1 (рисунок 2.7.) наступает новое равновесие, соответствующее более высокой концентрации Н2СO3. При этом в соответствии с реакцией 2 (рис. 2.7) возрастает концентрация СO2(р) в крови, что по реакции 3 (рис. 2.7) приводит к росту парциального давления

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

39

СO2(г) в воздушном пространстве легких, а лишний СO2 выдыхается. Увеличение pH плазмы крови (например, в результате образования NН3 при катаболизме белков) вызывает противоположный ход событий: снижение концентрации Н+ в крови способствует усилению диссоциации Н2СО3 на Н+ и НСO3–, что заставляет дополнительное количество газообразного СО2 из легких растворяться в крови. Таким образом, интенсивность дыхания, т. е. скорость вдыхания воздуха и выдыхания СO2, может обеспечить быстрые сдвиги равновесия, что способствует поддержанию в крови постоянного значения pH. Таким образом, легкие могут быстро и действенно влиять на рН плазмы без участия систем удаления протонов.

Белки плазмы и особенно гемоглобин эритроцитов также способны присоединять протоны, поддерживая постоянство рН.

8. Иммунологическая функция крови.

Виммунологическую систему крови входят три главных компонента – антитела, белки главного комплекса гистосовместимости и система комплемента.

Вирусы, бактерии, грибы и паразиты, проникающие в организм позвоночных, могут узнаваться иммунной системой и уничтожаться ею. По аналогичному механизму опознаются системой и устраняются трансформированные клетки организма, например опухолевые. Иммунная система в состоянии опознавать инородные тела, специфически реагировать на них и сохранять это событие в «памяти».

Ответ на структуру чужеродного вещества, антиген, осуществляемый клетками иммунной системы, лимфоцитами, бывает различного типа.

За клеточный иммунитет ответственны Т-лимфоциты (Т-клетки).

Эти иммунные клетки крови названы так из-за тимуса, в котором они подвергаются основным стадиям своей дифференциации (школа Т-клеток). Активность Т-клеток направлена против зараженной вирусом клетки организма, а также на защиту от грибов и паразитов. Т-клетки принимают активное участие в процессе отторжения чужеродной ткани и помогают в формировании гуморального иммунного ответа. По своей функции они делятся на цитотоксические Т-клетки – Т-киллеры и клетки-помощники – Т- хелперы.

Всвою очередь гуморальный иммунный ответ направлен на активацию В-лимфоцитов (В-клетки), которые созревают в костном мозге в отличие от Т-клеток тимуса. В-клетки несут на своей поверхности антитела и выделяют их в плазму. Антитела обладают способностью специфически связывать соответствующие антигены. Связывание антител с антигенами – решающее звено в системе защиты организма от внеклеточных вирусов и бактерий. В результате такого связывания последние опознаются как инородные тела и в дальнейшем уничтожаются.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

40

«Память» иммунной системы представлена так называемыми «клетками памяти». Эти наиболее долгоживущие клетки существуют для каждого типа иммунных клеток.

Общая схема иммунного ответа. Упрощённая схема иммунного ответа представлена на рис. 2.8.

Рисунок 2.8. – Схема иммунного ответа

Проникший в организм вирус эндоцитируется макрофагами и затем частично разрушается в эндоплазматическом ретикулуме (1). В результате

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ